厌氧氨氧化颗粒污泥

厌氧氨氧化颗粒污泥
一、概述
Anammox(Anaerobicammoniumoxidation)工艺称为厌氧氨氧化工艺，是由荷兰Delft技术大学1990年提出的一种新型脱氮工艺。

该工艺的原理是：在严格厌氧条件下，以亚硝氮为电子受体，氨氮为电子供体，反应生成氮气。

厌氧氨氧化工艺是一项极具应用前景的工艺，主要表现为：厌氧氨氧化是自养的微生物过程，即不需要添加任何有机物或还原性无机物作为电子供体；厌氧氨氧化细菌倍增时间很长，污泥产率低，减少了污泥的二次处理量；厌氧氨氧化为一产碱过程，结合氨氧化过程既可以利用氨氧化过程的产物亚硝氮作为反应物，同时产生的碱度又可以中和氨氧化产生的酸度，节省了化学试剂的用量。

厌氧颗粒污泥是由产甲烷菌、产乙酸菌和水解发酵菌等形成的自凝聚体。

它是由相互聚集的、多物种的微生物构成的团体，具有生物致密、相对密度大、沉降速度快等特点，可使反应器中保持有较高的污泥浓度和容积负荷，与传统的活性污泥法相比，可简化工艺流程、降低成本等，因此它在水污染控制领域必将有更广阔的发展前景
二、厌氧颗粒污泥的形成机理、性质及微生物相
2.1厌氧颗粒污泥的形成机理
厌氧颗粒污泥形成的机理目前还处于研究阶段，以下为几种有代表性的假说：
2.1.1二次核学说
二次核学说认为营养不足的衰弱颗粒污泥，在水利剪切力作用下，破裂成碎片，污泥碎片可作为新内核，重新形成颗粒污泥。

Grotenhuis及其合作者分别用高低浓度基质培养颗粒污泥，发现前者形成颗粒粒径较大，而后者的粒径较小，据此提出了二次核形成的模型。

其他研究者如杨虹、Beeftink等也提出过类似的二次核形成模型。

二次核学说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。

2.1.2三段理论学说
Y.G.Yen等认为污泥颗粒化过程可分成三个阶段：即积累阶段、颗粒化阶段和成熟阶段。

他们认为颗粒污泥的增长速率呈指数增加，而粒径表示的颗粒比生长速率等于细菌比生长速率的1/3，在积累阶段以后尤为如此。

污泥颗粒开始阶段生长非常缓慢，随着运行的进行，颗粒的生长加快，在运行一段时间之后，初始小颗粒平均直径达到0.25mm。

在颗粒化阶段开始后，初始颗粒以最大比生长速率迅速增长，颗粒生长模式呈近似指数模式。

当底物的有效度低于0.8时，菌体并不以最大生长速率生长，它们也不全部凝聚在一起。

随着污泥颗粒的不断增大，比生长速率增加量不断降低，当污泥颗粒达到一定大小时，比生长速率开始下降，污泥颗粒中底物的缺乏和水力负荷与气体负荷产生的剪切力的连续增加，会导致细菌衰退。

最后，污泥颗粒达到一定大小后，污泥颗粒内部在菌体衰退与颗粒解聚和菌体的生长与凝聚之间达到一种动态平衡状态，这种平衡随着颗粒的生物和物理相互作用而变化。

这样，在一定的操作条件和环境条件下，就形成了厌氧颗粒污泥。

2.2厌氧颗粒污泥的性质
厌氧颗粒污泥的性质与培养条件有关。

不同的培养条件，培养出来的各方面性质也不完全相同。

厌氧颗粒污泥的形状大多数是具有相对规则的球形或椭球形。

成熟的厌氧颗粒污泥表面边界清晰，直径变化范围为0.1145mm，最大直径可达7mm。

密度约在1.030-1.080kg/m3之间。

颜色取决于处理条件，特别是与Fe，Ni，Co等金属的硫化物有关。

厌氧颗粒污泥的
颜色通常是黑色或灰色。

颗粒污泥有良好的沉降性能，Schmidt等认为其沉降速度范围为18-100m/h典型值在18-50m/h之间。

2.3厌氧颗粒污泥的微生物相
颗粒污泥主要由厌氧菌组成，如共生单胞菌属、甲烷八叠球菌属、甲烷丝状菌属等，但同时还存在一些好氧菌和兼性厌氧菌。

甲烷菌在生物分类学上属于古细菌，是绝对厌氧菌。

厌氧颗粒污泥中参与分解复杂有机物、生成甲烷的厌氧细菌可分为三类：第一类：水解发酵菌，对有机物进行最初的分解，生成有机酸和酒精；第二类：产乙酸菌，对有机酸和酒精进一步分解利用；第三类：产甲烷菌，将H2、CO2、乙酸以及其它一些简单转化成为甲烷。

水解发酵菌、产乙酸菌和产甲烷细菌在颗粒污泥内生长、繁殖，各种细菌互营互生，菌丝交错相互结合形成复杂的菌群结构，增加了微生物组成鉴定的复杂性。

三、厌氧颗粒污泥形成影响因素
3.1接种污泥
要培养出较好性能的厌氧颗粒污泥，选择接种污泥及接种量的多少是至关重要的。

接种污泥按其来源可以划分为颗粒污泥和非颗粒污泥，共同点是种污泥内必须含有可降解目标废水中有机物的微生物。

所需的接种量目前还没有明确的界定，一般认为接种量为UASB反应器有效容积的10%-30%为佳。

Veigant等的研究表明，以消化过的污泥、牛粪等为接种物均可生成颗粒污泥。

国内的研究也表明用阴沟污泥、厌氧消化过的猪粪、鸡粪、初沉池污泥等为接种物都可形成颗粒污泥。

吴唯民等还成功地在中温下用好氧活性污泥作接种物，培养出了性能良好的颗粒污泥。

但研究表明采用颗粒污泥为种泥，可加快颗粒化进程，缩短反应器的启动时间。

接种量以5-15 gVSS/L为宜，较大的接种量可缩短启动的时间。

对不同类型的废水和接种物，适宜接种量可能有所差别。

此外，微量元素及其它营养成分（如N、S、P、Fe、Mg2+、Fe2+、Ca2+等）、胞外多聚物(EPS)温度、PH值都对厌氧颗粒污泥的形成起到一定的影响作用。

3.2水力负荷与污泥负荷的影响
流动水的剪切作用对于颗粒污泥的形状、质量传递、多聚糖产量、新陈代谢等多方面有重要的影响。

颗粒污泥的形成是在水力筛选的作用下形成的；当水力负荷提高到一定值时，可冲走大部分的絮状污泥，使密度较大的污泥积累在反应器底部，形成颗粒污泥。

一旦形成颗粒污泥，在目前的厌氧反应器水力负荷条件下都能保留住颗粒污泥，但过快的水力流速（>6m/h）会影响反应器内颗粒污泥结构的稳定，造成颗粒污泥解体，使出水中悬浮物含量增加。

研究发现，UASB中适宜的高污泥负荷有利于厌氧颗粒污泥的快速形成，当污泥负荷达到0.29～0.51kg/（kg·d）时，颗粒污泥开始大量形成，这一污泥负荷范围最有利于颗粒污泥的形成，当污泥负荷＜0.29kg/（kg·d）时，颗粒污泥形成很慢。

污泥负荷影响颗粒污泥的VSS/TSS，较高的污泥负荷给微生物提供充足的营养，促进其生长繁殖，可使污泥颗粒内含有较多的微生物菌体，增大VSS/TSS。

3.3进水水质及有机物浓度
目前，人们已经成功地利用很多废水培养出厌氧颗粒污泥，如酿造废水、食品工业废水、造纸工业废水和生活污水等。

Fukuzaki等对淀粉、蔗糖、乙醇、丁酸盐和丙酸盐等不同基质进行研究发现，所形成的颗粒污泥均表现出很高的沉降速率，由此在反应器内可保持了很高的生物量。

500天运行后最大COD去除速率(gCOD·L-1d-1)分别达到7.6(淀粉)、10.5(蔗糖)、32.1(乙醇)、42.6(丁酸盐—丙酸盐)。

在不同基质下长期生长改变了细菌的种类和营养组成以及颗粒污泥的特性。

以淀粉或蔗糖为基质生长的颗粒比以乙醇或脂肪酸为基质生长的颗粒粒
径大，而且具有更高的EPS。

以脂肪酸为基质培养的颗粒含有相当多的无机盐(灰分含量：56%-63%)，但EPS含量低，并表现出比其它三种颗粒更为密集的超微结构(亚显微结构)。

在微酸环境中以乙醇为基质培养的颗粒污泥显示最小的密度、最高的vss和最低的灰分含量。

某些有机物如乙酸，也对厌氧颗粒污泥的形成起着一定的作用。

当乙酸浓度较高时，甲烷八叠球菌比增殖速率明显高于甲烷丝菌，成为优势甲烷菌;而浓度较低时，甲烷丝菌则成为优势甲烷菌，易造成污泥膨胀。

培养颗粒污泥的进水COD浓度一般以1000-5000mg/L为宜，高的进液浓度有利于底物向构成颗粒污泥的细菌细胞内传递，因而有利于颗粒污泥的形成和生长。

但浓度不能过高，过高时细菌生长过快，形成的污泥结构松散、沉降性能差；过低会延长培养时间，甚至难以形成厌氧颗粒污泥。

3.4温度
废水中的厌氧处理主要依靠微生物的生命活动来达到处理的目的，不同微生物的生长需要不同的温度范围。

温度稍有几度的差别，就可在两类主要种群之间造成不平衡。

因此，温度对颗粒污泥的培养很重要。

颗粒污泥在低温（15~25℃）、中温（30~40℃）和高温（50~60℃）都有过成功的经验。

一般的，高温较中温的培养时间短，但由于高温下NH3与某些化合物混合毒性会增加，因而导致其应用上受一定的限制；中温一般控制在35℃左右，在其它条件适当的情况下，经1~3个月可成功的培养出颗粒污泥；低温下培养颗粒污泥的研究较少，但有文献报道在使用颗粒污泥低温驯化后处理底浓度制药废水的实验中，COD的去处率达90%，取得了较好的效果[2].因而低温培养颗粒污泥将是今后的研究的重点之一。

四、展望
厌氧颗粒污泥技术在处理废水中具有应用范围广、能耗低、负荷高、剩余污泥量少等优点，尤其对高浓度有机废水的处理效果更加显著。

但是厌氧颗粒污泥也存在着培养时间长、温度要求较高、脱氮除磷效果差等缺点，目前好多研究集中在对其培养时间、温度等方面的研究，并取得了显著的成果。

除此之外，我们以后的主要研究还应该集中在以下几个方面：目前厌氧颗粒污泥技术主要应用于高浓度有机废水的处理，我们应通过对厌氧颗粒污泥形成的主要因素的进一步研究，确定不同条件下形成的厌氧颗粒污泥的特性，寻找出一种对低浓度有机生活污水和生产废水效果较好的厌氧颗粒污泥，使厌氧颗粒污泥技术广泛的应用到市政污水治理领域。

对厌氧颗粒污泥的形成机理和除污机理进行更深入的研究，研究厌氧颗粒污泥中的微生物种群，在培养厌氧颗粒污泥的过程中添加一定的菌类或其它物质，能否培养出具有一定的脱氮除磷效果的厌氧颗粒污泥。

研究厌氧颗粒污泥的的吸附性能，对其去处重金属离子的作用机理进行研究，寻找出能有效利用厌氧颗粒污泥去处重金属离子比较有效可行的方法。