污泥颗粒化机理教学素材的组织|好氧颗粒污泥形成机理

　　 [摘要] 本文论述了厌氧污泥颗粒化的意义,总结了污泥颗粒化的主要理论并介绍了现场理论应用途径。有助于学生理解厌氧颗粒形成的重要理论和实际意义,为建立有关厌氧的系统化知识奠定基础,保证了课堂内容的完整性和实用性。
　　[关键词] 厌氧处理 颗粒化 机理
　　
　　一、前言
　　UASB厌氧反应器作为一种高效厌氧生物反应器,在世界范围内被大量应用并且运转非常成功。其最大特点就是能够形成沉降性能良好,产甲烷活性高的颗粒污泥,从而确保厌氧生化过程稳定高效地运行。迄今为止,许多研究者对厌氧颗粒污泥的形成进行了大量研究,从不同角度提出了不少机制、学说。本文结合教学内容需要对厌氧颗粒污泥性质、结构及其形成机理的研究作了选择介绍,为学生的学习提供参考。
　　二、污泥颗粒化的意义
　　提高反应器中生物浓度来提高处理能力是新型反应器的重要特点之一。微生物自固化-污泥颗粒化是提高微生物浓度和反应效率的重要方式之一。在反应器中,絮状污泥沉降性较差,产气量和上升流速较快时,絮状污泥很容易被洗出,而颗粒污泥的沉降性极好,它能在很高的产气量和高的上升流速下保留在反应器内。因此,污泥的颗粒化可以使反应器允许很高的容积负荷和水力负荷。另外,污泥颗粒化还具有以下优点:(1)细菌形成颗粒状的聚集体是一个微生态系统,其中不同种群生物组成了共生或互生体系,有利于形成细菌生长的生化条件并利于有机物的降解;(2)颗粒使发酵菌的中间产物的扩散距离大大缩短,这对复杂有机物的降解很重要;(3)在废水性质突然变化时如PH、毒性物质的浓度等,颗粒污泥能维持一个相对稳定的微环境,使代谢过程继续进行。据此,污泥颗粒化具有很重要的意义。
　　三、污泥颗粒化的理论
　　自1976年荷兰Breda的CSM糖厂在6m��3�中试装置中发现颗粒污泥至今,世界各地有许多研究者致力于颗粒化过程的研究。但对触发颗粒化的决定性机制尚未达成一致。到目前为止,大多数的研究是根据观察颗粒污泥培养过程中所出现的现象提出的假设,以下是具有代表性的几种假说:
　　1.选择压理论
　　这种理论认为UASB反应器颗粒化过程的本质是反应器中存在污泥颗粒的连续选择过程。选择压可认为是水力负荷率和气体负荷率(取决于污泥负荷率)之和。在具有不同沉淀特性的污泥组分的选择过程中,这两个因素都重要。
　　在高选择压条件下,轻的和分散的污泥被洗出而较重的组分保持在反应器中。从而细小分散的污泥生长最小化,细菌生长主要局限在有限数量由惰性有机和无机载体物质或种泥中存在的小的细菌聚集体组成的生长。这些生长核心的粒径增加直至达到颗粒污泥和生物膜部分产生脱落的特定最大尺寸,形成新生长核,如此反复。包含相对松散的聚集体,由于在颗粒外部和内部的细菌生长逐渐变密实;而且在高的选择压下,基质能在颗粒中穿透更深,因此,颗粒化初级阶段出现的丝状颗粒随时间增长变得更致密。
　　低选择压条件下,主要是分散微生物的生长,这会产生膨胀型污泥。在厌氧反应器中,优势微生物是能产生很长的丝(200～300μm)的甲烷丝菌。当这些微生物不附着在固体支撑颗粒上生长时,形成沉降性能很差的松散丝状缠绕结构。而且,气泡附着在这些松散缠绕的丝状菌上时,污泥甚至有上浮的趋势。该理论在UASB和EGSB的启动时都有应用。
　　2.结晶核理论
　　该理论认为颗粒污泥的形成类似于结晶过程。在晶核的基础上,颗粒不断发育,最终成为成熟的颗粒污泥。Lettinga等人初期提出的“晶核假说”认为晶核为无机盐沉淀或惰性物质,而Zhu等人认为丝状菌如Methanosaeta在颗粒污泥框架或晶核形成中起着重要作用。本人通过实际研究得到了厌氧微生物成核并聚集生长的现象,如图1所示,推测出了颗粒污泥形成过程模型,如图2所示,可见,该研究结果是对晶核理论的证明和补充。
　　3.意大利面条理论
　　该理论将颗粒污泥产生分为两个阶段:(1)前体的产生;(2)前体生长为颗粒污泥。并认为第一步是颗粒污泥形成的最关键的部分。
　　开始,由于产气的搅动或吸附到细碎的分散物质上,甲烷丝菌形成很小的聚集体。悬浮固体浓度不应太高,否则,聚集体尺寸的增加将很慢。增加的上升流速对聚集体产生选择。一旦前体产生和遵循正确的提升路线,颗粒化是不可避免会发生。单个细菌的生长和非附着细菌的捕获导致前体颗粒生长从而形成颗粒污泥,由于沼气的上向流水力剪切力作用颗粒成为球形形状。此阶段的颗粒污泥仍外观呈丝状,其中一部分是松散状态,另一部分成捆。因为细菌生长使密度增加,造成微生物停留时间长,随着时间推移,这些丝状型颗粒污泥长成杆状型颗粒污泥。
　　4.结晶核心的形成
　　该理论将颗粒化过程分为三步:(1)不同种类细菌的生长和增殖;(2)细菌附着或通过直接作用的细胞吸附;(3)捕获形成小菌落或包埋细菌。
　　在第二步,丝状菌,如Methanosaeta,在颗粒污泥框架或晶核形成中起着重要作用。细菌聚集体热动力学的改变是这类细菌形成初始晶核的驱动力。象化学剂的结晶一样,在一定运行条件下晶核能很快形成。观察到悬浮污泥迅速转化为小的颗粒污泥的(几个星期)是支持此颗粒污泥结晶的假说。
　　Methanosaeta在颗粒污泥框架形成中有重要作用的假定是基于Methanosaeta是颗粒内部优势微生物的现象。根据细胞之间距离极小的观察(小于60nm),认为细胞吸附主要取决于细胞壁之间的作用。
　　在微小菌落内不同菌群之间的互生关系起着重要作用。
　　5.二次核学说
　　认为营养不足的衰弱颗粒污泥,在水流剪切力作用下,破裂成碎片,污泥碎片可作为新内核,重新形成颗粒污泥。二次核理论较好地说明了加入少量颗粒污泥可加速颗粒化进程的现象,已在现场应用。但该理论回避了污泥颗粒是如何形成的问题。
　　四、结束语
　　对颗粒化初级阶段细菌附着过程的看法是一致的,这个物理-化学过程在形成颗粒框架时有意义。细菌能附着在的惰性颗粒的表面显然是有益的,这些颗粒应是非常易沉的,否则能引起有害的污泥流失。
　　尽管对影响细菌附着的条件给予了很多重视,但是选择性地淘汰分散污泥,使较重污泥团块优先生长,对于颗粒化过程是至关重要的。一些新技术,如免疫探针技术的应用,已使我们能够更深入地了解颗粒污泥的结构特征。相信随着研究方法和检测手段的不断提高,人们对颗粒污泥的认识将更加深入。
　　
　　参考文献:
　　[1]Hulshoff Pol. The Phenomenon of Granulation of Anaerobic Sludge PhD Thesis.1989.
　　[2]Lettinga. Anaerobic digestion for energy production and environmental protection. Washington: DC Island Press, 1993.817-839.
　　[3]Yu Liu, Joo-Hwa Tay. The essential role of hydrodynamic shear force in the formation of biofilm and granular sludge. Water Research, 2002.
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