厌氧颗粒污泥及其形成机理郭晓磊胡勇有高孔荣摘要：厌氧颗粒污泥是由产甲烷菌、产乙酸菌和水解发酵菌等构成的自凝聚体，其良好的沉淀性能和产甲烷活性是升流式厌氧污泥床反应器成功的关键。

颗粒污泥的化学组成和微生物相对其结构和维持起着重要作用。

颗粒化过程是一个多阶段过程，取决于废水组成、操作条件等因素。

综述了近年来厌氧颗粒污泥及其形成机理的研究进展，内容包括厌氧颗粒污泥的基本特性和微生物相、厌氧颗粒污泥结构及其颗粒化过程。

关键词：厌氧颗粒污泥微生物相结构颗粒化过程Characters and Mechanism of Formation of AnaerobicGranular SludgeGuoXiaolei et alAbstract：Anaerobic granular sludge are self-immobilized consortia of methanogens,syntrophicacetogens and hydrolytic fermentative bacteria.The good sedimentation and methanogenic activity of granules are key factors for an up-flow anaerobic sludge blanket reactor.The chemical and microbiological compositions of granules are of significance in the formation and the maintenance of granules structure.Granulation is a multi-phase process,depending on factors such as wastewater composition,operating condition etc..This paper is a review of recet research advance on the characters and mechanism of formation of anaerobic granularsludge,concerning the fundamental charaerobic,the microbiological composition,the structure and the granulation process of anaerobic granular sludge.▲上流式厌氧污泥床(UASB)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。

厌氧颗粒污泥的形成使UASB中有较高的生物相，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。

本文就目前国内外对厌氧颗粒污泥性质、结构及其形成机理的研究作一综述，为进一步研究提供参考。

1 厌氧颗粒污泥的基本特性1.1 物理特性厌氧颗粒污泥的形状大多数具有相对规则的球形或椭球形。

成熟的厌氧颗粒污泥(简称颗粒污泥)表面边界清晰，直径变化范围为0.14～5mm，最大直径可达7mm［1］。

颗粒污泥的颜色通常是黑色或灰色。

但贺延龄和Kosaric曾观察到白色颗粒污泥［1～2］。

颗粒污泥的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。

Kosaric等发现当颗粒污泥中的S/Fe值比较低时，颗粒呈黑色［2］。

颗粒污泥的密度约在1030～1080kg/m3之间。

密度与颗粒直径之间的关系尚未能完全确定，一般认为污泥的密度随直径的增大而降低。

用扫描电镜观察颗粒污泥表面，经常可以发现许多孔隙和洞穴，这些孔隙和洞穴被认为是基质传递的通道，气体也可经此输送出去［3～4］。

直径较大的颗粒污泥往往有一个空腔［2］，这是由于基质不足而引起细胞自溶造成的，大而空的颗粒污泥容易被水流冲出或被水流剪切成碎片，成为新生颗粒污泥的内核［5］。

颗粒污泥的孔隙率在40%～80%之间，小颗粒污泥孔隙率高而大颗粒污泥孔隙率低，因此小颗粒污泥具有更强的生命力和相对高的产甲烷活性［1］。

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。

根据沉降速率可将颗粒污泥分为三类：第一种，沉降性能不好，18～20m/h；第二种，沉降性能满意，18～50m/h；第三种，沉降性能很好，50～100m/h。

后两种属于良好的污泥［6］。

杨秀山在处理豆制品废水时得到了79～180m/h沉降速度的颗粒污泥［7］。

1.2 化学特性颗粒污泥的干重(TSS)是挥发性悬浮物(VSS)与灰分(ASH)之和。

VSS 主要由细胞和胞外有机物组成，通常情况下VSS占污泥总量的比例是70%～90%［1，8，9］。

Lettinga给出的范围为30%～90%，其下限30%是在高浓度Ca2+存在下取得的。

Ross在其研究中发现含VSS约90%的颗粒污泥中，有机物中粗蛋白占11.0%～12.5%，碳水化合物占10%～20%［11］。

颗粒污泥中一般含C 40.5%，H约7%，N约10%左右［8］。

1.2.1 无机组分颗粒污泥中的无机灰分含量因生长基质的不同而有较大的差异，其范围值为8%～66%［5，6，8，12］。

一般中温条件下复杂基质培养的颗粒污泥的灰分比单一基质培养的低；高温下培养的污泥灰分比中温培养高1.5倍。

研究表明，灰分的增加将提高颗粒污泥的密度，过高的灰分会导致污泥孔隙率的降低，影响基质在颗粒污泥中的扩散［6］。

颗粒污泥中Fe、Ca、Si、P、S均为大量元素［3，15］，Ca、Mg、Fe和其他一些金属离子可能以碳酸盐、磷酸盐、硅酸盐或硫化物的形式存在于颗粒污泥中［1］。

基质中少量Ca2+对颗粒化过程的促进作用已达成共识，一般认为：(1)Ca2+可中和细菌表面的负电荷，从而使细菌凝聚［14］；(2)颗粒污泥中Ca2+可与CO2生成CaCO3晶体，增加污泥的比重，改善颗粒污泥的沉降性能［10］；(3)Ca2+能稳定细胞外分泌出的多糖体，形成藻蛋白酸盐凝胶，粘结各种生物体，同时还作为细胞表面之间的连接体［17］。

适宜的Ca2+浓度为80～150mg/L［8，14，15］；过高的Ca2+会使污泥的活性下降，但Lettinga等发现Ca2+在600mg/L时，颗粒污泥对COD的去除率高达98%［16］。

Dolfing等报道过灰分的30%为FeS，FeS可能沉淀到微亲脂性的细菌表面；据认为FeS较高的表面张力和细菌表面的亲脂性可起到稳定细菌团粒的作用［1］。

1.2.2 胞外多聚物(Extra cellular Polymers)借助扫描和透射电镜观察颗粒污泥，经常发现一些细菌表面分泌有一层薄薄的粘液层，即胞外多聚物(简称ECP)。

厌氧污泥与好氧污泥分泌的ECP成分有很大差异，厌氧污泥的ECP以胞外聚多糖(Extra cellular Polysaccharides，简称EPS)和蛋白质为主，好氧污泥的分泌物以碳水化合物为主，但好氧污泥ECP产量约为厌氧污泥的4～7倍。

颗粒污泥中的许多厌氧细菌都可产生ECP。

Veiga等发现甲酸甲烷杆菌和马氏甲烷八叠球菌提供了颗粒污泥的EPS中各种糖组分，前者的作用似乎更大些［18］。

一般认为，颗粒污泥的形成与ECP的产生有密切的联系。

Morgan等认为ECP的组分可以改变细菌絮体的表面特性和颗粒污泥的物理特性，废水中的细菌一般带负电荷，相互会产生静电排斥力，ECP的产生可以改变细菌的表面电荷和能量，从而导致细菌凝聚；但过多的ECP反而会引起凝聚恶化［31］。

ECP可在共生细菌间提供各种化学键，如多糖—蛋白质特殊连接键，氢键、极性键等［19］。

Quarmby的研究证明ECP的组分对颗粒污泥的结构稳定性有很大影响，ECP中碳水化合物与蛋白质含量的比(C/N)越大，颗粒的稳定性越差［9］。

颗粒污泥中ECP的含量，文献报道在0.6%～20%VSS范围内。

不同培养条件和方法培养出的颗粒污泥中的ECP的组成和含量是不同的，而ECP 的不同提取方法和分析方法使得各种颗粒污泥中进行ECP量和成分的比较显得十分困难。

一般认为：ECP的主要成分是蛋白质和聚多糖，还有类脂质、核酸等物质；ECP中蛋白质与聚多糖的数量比多在2∶1到6∶1之间［6，9］。

聚多糖的主要单糖成分有：鼠梨糖、岩藻糖、甘露糖、半乳糖、葡萄糖、氨基葡糖、半乳糖胺、甘露糖胺，有时也能发现核糖成分。

表1为Veiga等人提供的聚多糖的单糖［18］。

表1 颗粒污泥、甲酸甲烷杆菌、马氏甲烷八叠球菌分泌的EPS中单糖组分［18］ECP的产生量和颗粒污泥的生长条件有关。

高温下，颗粒污泥的ECP浓度小于中温条件，但ECP的基本组成相同［18］。

Veiga等人的研究表明在低磷和低氮条件下ECP的产生量有较大提高，EPS的产生量分别提高68.5%和74.1%；加入过量的Mg2+，ECP产生量没有明显改变，但EPS的产生量却提高了25%［18］。

Bull等人也证明了C/N值的提高会刺激EPS的产生，从而增进细菌与固体表面的粘连［20］。

2 厌氧颗粒污泥的微生物相颗粒污泥本质上是多种微生物的聚集体，主要由厌氧消化微生物组成。

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化合物转化成为甲烷［3，21］。

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［3，22］，增加了微生物组成鉴定的复杂性。

检验颗粒污泥微生物相的方法有电镜技术、限制性培养基法、MPN(Most Probable Number)法和免疫探针法等。

限于条件，国内的研究大多采用电镜技术(TEM或SEM)，对细菌的鉴定较为粗糙。

免疫探针法能较为准确地鉴定细菌种类及其分布，国外研究人员运用较多。

目前，对颗粒污泥中微生物相的研究大部分集中在产甲烷菌上，对其他两类细菌的研究不多。

研究发现，72%的甲烷是通过乙酸转化的，颗粒污泥中已发现的产甲烷菌中，甲烷髦毛菌和甲烷八叠球菌是唯一两种能代谢乙酸的产甲烷菌。

甲烷髦毛菌只能在乙酸基质中生长。

甲烷八叠球菌可以利用的基质较多，有乙酸、甲醇、甲胺，有时也可利用H2和CO2；甲烷八叠球菌以甲醇为基质比以其他有机物为基质生长速度快。