硫酸盐有机废水厌氧处理颗粒污泥研究进展

蒋永荣，刘成良，刘可慧，韦平英

（桂林电子科技大学生命与环境科学学院，广西 桂林 541004）

硫酸盐有机废水厌氧处理颗粒污泥研究进展

蒋永荣，刘成良，刘可慧，韦平英

（桂林电子科技大学生命与环境科学学院，广西 桂林 541004）

厌氧工艺是硫酸盐有机废水处理中最具竞争力的技术，厌氧颗粒污泥则是其核心，开展该类废水厌氧处理颗粒污泥特性的研究，对提高其厌氧处理效率具有重要意义。本文综述了硫酸盐有机废水厌氧处理颗粒污泥近年来的国内外研究进展，主要包括颗粒污泥的理化特性（形态及粒径、孔隙、通道及沉降速度、胞外沉积物等）及颗粒污泥的生物学特性（生物活性、微生物形态、组成及分布），并分析了此方面研究工作存在的问题，认为硫酸盐有机废水厌氧处理颗粒污泥活性抑制机理的研究以及从本质上解除这种抑制措施的提出，将是今后需要重点关注的研究内容。

硫酸盐有机废水；厌氧处理；颗粒污泥；生物活性；抑制机理

高浓度硫酸盐有机废水是普遍存在的一种难治理工业废水，在轻工、制药、化工及农药等行业的生产过程中都有大量排放。该类废水的特点为硫酸盐浓度高，含有大量有机物，水量较大，排放后严重污染受纳水体。同时硫酸盐还原产物H2S等对处理设施和污水管道具有强烈的腐蚀性，且其气味恶臭，严重影响环境卫生，破坏水体生态平衡，造成大量鱼类的死亡和水生植物的灭迹[1]。

近二十年来，采用厌氧工艺处理含硫酸盐有机废水一直是环境工程界关注的焦点。但在厌氧处理过程中，由于硫酸盐还原菌（SRB）还原硫酸盐而引起对厌氧微生物的初级抑制和次级抑制，往往导致厌氧反应器的运转失败[2]，从而严重制约了厌氧工艺在该类废水处理中的工程化应用。在硫酸盐有机废水厌氧处理中，为解决微生物活性受抑制这一问题，国内外科研人员进行了大量研究。目前公认的抑制机理主要有两种，多数研究者认为，这种抑制作用是由于SRB还原SO42-产生H2S而引起[3-4]；另一些研究者则认为，单质硫和金属硫化物在颗粒污泥表面的过渡沉积使微生物活性受到抑制[5]。目前，针对前一种抑制多采用运行参数调节和工艺改进的策略[6-9]，取得一定的效果，但对于后一种抑制目前尚未见任何相应的措施提出。

事实上，高效厌氧反应器的良好处理效果主要取决于厌氧颗粒污泥的活性，如何在反应器内培养颗粒污泥并保持其生物活性，是厌氧工艺能够稳定运行的关键[10]，是采用生物法处理各类废水的环保工作者都会面临的难题。研究表明，颗粒污泥的传质阻碍如孔隙和通道被胞外聚合物（EPS）等堵塞是引起颗粒污泥生物活性降低的直接原因之一[11-14]。对于硫酸盐有机废水，这种堵塞尤为明显[5，15-17]。

目前，在硫酸盐有机废水厌氧处理工艺中，多偏重于从基质竞争性抑制和硫化物毒性作用方面分析其抑制机理，而从颗粒污泥的传质阻碍角度探究其抑制机理的文献不多，这已严重制约了厌氧工艺在该类废水处理中的进一步拓展，因此，开展硫酸盐有机废水厌氧处理中颗粒污泥性质研究具有现实的迫切性。本文作者对国内外硫酸盐有机废水厌氧处理颗粒污泥特性研究方面的现状进行回顾和介绍，分析了其存在的问题，并对今后的研究方向提出建议。

1 硫酸盐有机废水厌氧处理颗粒污泥的理化特性

硫酸盐有机废水厌氧处理颗粒污泥的理化性质受反应器类型、运行方式、水力剪切力、有机负荷、COD/SO42-比值等诸多因素的影响。不同体系驯化出的厌氧颗粒污泥，其特性可能差异很大。

1.1 形态及粒径

厌氧颗粒污泥被定义为具有自我平衡的微生态系统，是微生物的聚集体，直径大于0.5mm，污泥性状相对稳定[18]。国外学者Omil等[19]采用上流式厌氧污泥床（UASB）反应器处理高浓度硫酸盐的乙酸废水，接种污泥粒径为0.25mm，运行结束时（第170d），颗粒污泥粒径范围为0.81～0.96mm，反应器内污泥的浓度也由16.44g/VSS增至22.18g/ VSS。Janssen等[20]采用UASB处理含硫酸盐的造纸废水，形成的颗粒污泥密实，平均粒径为1mm。Yamaguchi等[21]利用微电极研究厌氧颗粒污泥形态，发现以低浓度硫酸盐运行UASB反应器，其颗粒污泥均匀地分为内外两层，外层黄色，为硫酸盐还原层，内层黑色，为FeS沉淀层。

杨丽平等[22]采用UASB处理高浓度硫酸盐废水，接种颗粒污泥表面粗糙，结构松散，驯化后颗粒污泥表面光滑内部结构紧密，粒径在0.6～4.5mm范围，而且驯化过程中其粒径的变化受负荷、水力停留时间、反应器内水力上升流速以及N2吹脱强度和时间的影响。韦朝海等[23]以射流循环新型厌氧生物流化床反应器（JLAFB）为酸化相，厌氧颗粒污泥流化床（AGSFB）为产甲烷相处理高浓度硫酸盐有机废水。其酸化相颗粒污泥形成较快，运行至第30d观察到大量粒径为0.5～1.0mm 的颗粒污泥；到60d驯化期结束，颗粒污泥粒径为0.5～3.0mm ，污泥颗粒化程度在70 %以上。产甲烷相颗粒污泥的形成较慢，运行45d 后才有颗粒污泥形成，且粒径小，第60d联动运行结束，颗粒污泥粒径在1mm 以下，颗粒化程度只有50%左右。蒋永荣等[16]采用五隔室厌氧折流板反应器（ABR）处理含硫酸盐有机废水，反应器成功启动后，第1～5隔室颗粒污泥的平均粒径分别为2.2mm、0.9mm、0.7mm、1.8mm、0.7mm，颗粒污泥呈圆饼状、椭圆形、圆形等。第3隔室颗粒污泥表面光滑，呈炭黑色；第4、5隔室颗粒污泥表面粗糙，呈亮黑色，无黏稠感。

1.2 孔隙、通道及沉降速度

在厌氧颗粒污泥中分布有许多孔隙和通道，反应底物可通过这些孔隙和通道传递到颗粒内，颗粒内部产生的气体也由这些孔隙和通道逸出[18]。

以射流循环厌氧流化床两相厌氧工艺处理高浓度硫酸盐有机废水，由其颗粒污泥扫描电镜可见其表面凸凹不平，分布大量的孔洞（图1），这些微孔作为颗粒污泥内部微生物获得营养和排泄的通道[23]。

图1 颗粒污泥电镜照片[22]

此外，以ABR处理含硫酸盐有机废水，其每一隔室中的颗粒污表面都有大小和形状各异的气孔（图2）。由于黏性物质的覆盖，难以观察到第1隔室的颗粒污泥表面的气孔[图2(a)]，但经生理盐水多次洗涤后可见其表面气孔[图2(b)][16]。此外，第1～5隔室颗粒污泥的平均沉降速度分别为36m/h、23m/h、26m/h、39m/h、24m/h，除第1隔室外，其沉降速度与污泥颗粒粒径大小相吻合[16]。有研究以UASB 处理高浓度硫酸盐废水，启动过程中颗粒污泥沉降速度范围在64～132m/h。典型颗粒污泥的沉降速度范围为18～100m/h，沉降性能良好颗粒污泥的沉降速度一般大于20m/h[24]。因此，上述污泥颗粒均属良好的污泥。

1.3 胞外沉积物

对于有机废水生物处理颗粒污泥，其胞外沉积物即是胞外多聚物（ECP），是颗粒污泥中微生物分泌的，其组分主要是多糖和蛋白质，对颗粒污泥的形成有积极的促进作用[12，14，25]。Morgan等[26]认为厌氧颗粒污泥的物理特性和细菌絮体的表面特性通过 ECP 的不同组分可以进行相应的改变。

图2 各隔室颗粒污泥外观及气孔的形状[16]

对于含硫酸盐的有机废水处理颗粒污泥，其胞外沉积物中除ECP外，还存在大量的单质硫和金属硫化物，它们在ECP的作用下，在颗粒污泥表面形成大量硫颗粒包裹[5，15-17]。Liu等[5]同时采用两个UASB反应器处理以苯为唯一碳源、含不同浓度硫酸盐的废水。取出两个反应器中的3种不同生物颗粒污泥分别进行透射电镜（TEM）、扫描电镜（SEM）和X射线光谱分析。结果显示，由于细菌细胞表面过量的沉淀物包裹引起了产甲烷及产硫化物的抑制作用，沉积物主要为元素硫和Cu、Fe、Ni等金属的硫化物，并且随进水硫酸盐浓度的升高和运行时间的延长，其沉积物不断增加（见图3、图4和图5），颗粒污泥活性持续下降。由此，他们认为颗粒污泥活性受抑制是由微生物表面硫物质过量累积引起的。

蒋永荣等[16]采用硫酸盐有机废水运行五隔室ABR反应器，发现颗粒污泥表面被大量的分泌物和单质硫包裹，第4隔室的硫颗粒包裹尤其明显。第4隔室颗粒污泥表面以球菌和短杆菌为主，短杆菌周围黏附有大量分泌物，其中一部分分泌物使颗粒污泥表面显得粗糙[图6(d)]，进一步放大后发现它们呈环形或不规则的晶体状，其粒径大小约为0.1～0.2µm[图6(e)]，这与Janssen等[15]报道的单质硫多聚物（S8）类似。

图3 颗粒污泥扫描电镜照片及X射线光谱分析[5]

图4 颗粒污泥透射电镜照片及硫酸盐还原菌表面沉积物[5]

图5 颗粒污泥透射电镜照片及产甲烷丝状菌表面沉积物[5]

此外，Hullebusch等[27]采用血清瓶实验，以葡萄糖为底物研究硫酸盐和铁离子对厌氧颗粒污泥特性的影响。结果表明，硫酸盐的单独存在对厌氧颗粒污泥特性的影响不大，但硫酸盐和铁离子同时存在时，颗粒污泥的可溶性微生物产物（SMP）和ESP中的蛋白质和多糖的含量减少，铁和单质硫含量则明显增加，同时增加了颗粒污泥的强度。刘燕[28]采用厌氧工艺处理高浓度硫酸盐的废水时，投加铁盐或锌盐改善厌氧反应器性能。但是，投加金属盐后形成的不溶性硫化物在反应器中会累积，从而降低厌氧污泥的相对活性。

图6 各隔室颗粒污泥表面微生物形态及分泌物[16]

2 硫酸盐有机废水厌氧处理颗粒污泥的生物学特性

2.1 生物活性

高效厌氧反应器的良好处理效果主要取决于厌氧颗粒污泥的生物活性[10]。通常采用产甲烷比活性（SMA）、脱氢酶活性和辅酶F420含量的变化来考察颗粒污泥的生物活性情况[29-31]。其中，颗粒污泥的SMA是最关键的因子，SMA的大小与血清瓶实验的操作条件和底物组成等有关[10，18]。

Omil等[19]采用UASB反应器处理以乙酸为唯一碳源、含不同浓度硫酸盐的废水，其颗粒污泥硫酸盐还原活性和产甲烷活性分别为0.24gDS-COD/ (gVSS·d)（69%）和0.11gCH4-COD/(gVSS·d)（31%），硫酸盐还原占优势；当硫酸盐缺乏时，利用乙酸的产甲烷活性急剧升高至0.28gCH4-COD/(gVSS·d)。Vallero等[32]采用UASB反应器处理以甲醇为唯一碳源、含不同浓度硫酸盐（COD/-为10、5、0.5）的废水，结果表明反应器中颗粒污泥的活性与其测定时的底物有关。以甲醇为底物测定颗粒污泥活性时，随反应器进水COD/-比值的减小，其颗粒污泥产甲烷活性逐渐增加，最高达4.76gCH4-COD/ (gVSS·d)，硫酸盐的还原活性逐渐降低，低至0.1DS-COD/(gVSS·d)；当以乙酸为底物测定颗粒污泥活性时，颗粒污泥产甲烷活性和硫酸盐还原活性均比以甲醇为底物时明显降低，其最高和最低产甲烷活性分别为0.16gCH4-COD/(gVSS·d)和0.01 gCH4-COD/(gVSS·d)，硫酸盐的还原活性低至0.01DS-COD/(gVSS·d)。

罗慧东等[17]采用ABR 处理高浓度含硫酸盐有机废水，各隔室污泥的产甲烷活性逐级变弱，且随运行时间延长其活性亦有明显减弱趋势。本文作者采用硫酸盐有机废水长期（2年）运行ABR反应器[9，16，33]，研究了其稳定运行的影响因素。结果发现随处理过程持续时间的延长，反应器处理效率逐渐下降，颗粒污泥活性逐渐降低，并且其处理效率的下降和颗粒污泥活性的降低与反应器中液相和气相中的硫化物和硫化氢的浓度无明显相关性；SEM观察发现反应器内颗粒污泥表面被大量的分泌物和单质硫包裹，通过改变运行参数特别是增加水力剪切力未能冲洗掉颗粒污泥表面的包裹物，无法缓解反应器恶化和颗粒污泥活性下降的趋势。周兴求等[34]选取厌氧折流板反应器中的颗粒污泥，研究不同质量浓度对厌氧颗粒污泥性能的影响。浓度小于2000mg/L 时，厌氧颗粒污泥的SMA 随浓度增加而增大；浓度为2000～3000mg/L时，对厌氧颗粒污泥SMA的促进作用最大，提高幅度为33.6%～49.6%；浓度大于3000mg/L 时，随浓度增加，厌氧颗粒污泥的SMA明显降低。

此外，还有学者认为硫酸盐浓度较高时，阳离子Ca2+和Na+可能会抑制厌氧菌生长。Ca2+本身没有毒性，但它可以沉积在污泥表面，妨碍物质传递，随着时间的延长，如果Ca2+完全覆盖了颗粒污泥，则可能使污泥活性完全丧失[18]。荷兰农业大学的研究发现，产硫化物的厌氧颗粒污泥在富含Na+废水中的50%IC为15g/L[35]。也有研究者发现，对于颗粒污泥，H2S对其活性的抑制作用在较高pH值下特别强[18]。采用惰性气体吹脱H2S气体，可在一定程度上缓解H2S对颗粒污泥活性的抑制，有实验确定厌氧反应器吹脱气体最佳流量为0.04L/min[23]。

2.2 微生物组成及分布

对于一般有机废水，根据厌氧颗粒污泥中微生物相特性的研究，可将颗粒污泥中参与分解复杂有机物、生成甲烷的多种微生物大体上分为3类[36-37]：①水解发酵菌；②产乙酸菌；③产甲烷菌。3类微生物在颗粒污泥内繁殖、生长，各种细菌相互依存，菌丝交错相互结合互利共生形成复杂且稳定的菌群结构。然而，当实验废水为含硫酸盐有机废水时，运行过程中有SO42-还原为S2-和S2-氧化为S0作用，故反应器颗粒污泥中除了水解发酵菌、产乙酸菌和产甲烷菌外，还存在硫酸盐还原菌和氧化S2-生成硫单质的无色硫细菌（CSB）。因此，颗粒污泥中的微生物多样性增加[16]。

Speece[10]研究表明，颗粒污泥对硫酸盐浓度的耐受能力明显高于絮状污泥，这是因为硫酸盐还原菌通常生长于颗粒污泥表面，而产甲烷细菌在颗粒污泥内部更浓密，颗粒污泥内部产生的CH4可防止H2S、硫化物（DS）向MPB 所在区域扩散，从而使MPB 不接触主流液体中的H2S和DS。

以两相厌氧工艺处理高浓度硫酸盐有机废水，颗粒污泥外部主要以水解酸化的丝状菌为主，中间为混合菌，有少量丝状菌、较多的弧菌和部分杆菌，内部则主要为硫酸盐还原的杆菌[23]。本文作者采用硫酸盐有机废水运行五隔室ABR反应器，颗粒污泥表面电镜扫描表明，各隔室颗粒污泥表面形成了不同类型的菌群。第1～3隔室主要以短杆菌、杆菌、球菌和弧菌为主[图6(a)、6(b)、6(c)]，第4隔室颗粒污泥表面以球菌和短杆菌为主[图6(d)]，第5隔室颗粒污泥表面以竹节杆菌为主，并出现了一定量的短杆菌和球菌[图6(f)]。并推测，第1～3隔室颗粒污泥表面微生物主要是发酵产酸菌和硫酸盐还原菌，第4隔室颗粒污泥表面短杆菌为CSB，晶体状物质则是CSB还原硫化物生成的单质硫排出体外并附着在菌体表面，第5隔室颗粒污泥表面的竹节杆菌为索氏甲烷丝菌（Methanothrix soehngenii）。颗粒污泥内部和表面的细菌群落结构有所不同，见图7。第1～3隔室内部微生物群落与其表面基本一致[图7(a)、7(b)、7(c)]，分布有大量的杆菌、球菌和弧菌，但菌体较细、数量较少。第4～5 隔室内部为大量的多叠球菌和少量的杆菌[图7(d)、7(e)、7 (f)]，推测这种多叠球菌为巴氏甲烷八叠球菌（Methanosarcina barkeri）。

此外，针对UASB处理含硫酸盐有机废水的颗粒污泥，Omil等[19]采用16SrRNA方法分析其优势微生物组成，发现Desulfobacterium和Desulfotomaculum acetoxidans类似细菌是利用乙酸还原硫酸盐的优势菌；Methanosaetasp.（原来的Methanothrixspp.）是利用乙酸产甲烷的优势菌。Hirasawa等[38]则采用光学显微镜、荧光原位杂交（FISH）和变性梯度凝胶电泳（DGGE）的方法，分析含不同浓度硫酸盐乙醇废水UASB处理中的颗粒污泥，结果表明，Methanosaetasp. 是优势利用乙酸古细菌，Desulfovibrio vulgarissubsp. 为优势利用乙醇硫酸盐还原菌。

图7 各隔室颗粒污泥内部微生物形态[16]

3 存在的问题与展望

厌氧工艺是硫酸盐有机废水处理中最具竞争力的技术，厌氧颗粒污泥则是其核心，许多学者报道了该类废水厌氧处理颗粒污泥的特性，也取得了大量的研究成果。然而，面对该类废水厌氧处理中颗粒污泥活性受抑制和稳定性差的难题，在抑制机理分析和活性抑制的解除上还存在如下不足。

（1）缺乏对活性抑制颗粒污泥表面沉积物成分、含量及分布的深入研究。目前，主要是采用电镜技术（SEM或TEM），个别采用X射线方法，初步定性分析了活性受抑制颗粒污泥表面的沉积物，未对其含量及在颗粒污泥中的分布进行分析。

（2）缺乏对颗粒污泥中微生物组成及分布的深入研究。以上关于颗粒污泥的微生物组成及分布的研究，亦大多采用SEM或TEM方法，但是这些方法由于自身固有的局限性难以进行准确深入的研究，对颗粒污泥中微生物的鉴定比较粗糙，不能真正反映颗粒污泥中微生物的菌群结构，很少采用现代分子生物学技术对颗粒污泥中功能菌群的组成、生长和分布规律进行分析。

（3）缺乏对颗粒污泥活性抑制机理的系统研究。未将硫化物引起的初级和次级抑制与表面沉积物引起的传质抑制以及功能菌群的组成、生长和分布结合起来分析颗粒污泥受抑制的机理。

（4）缺乏具体措施解决颗粒污泥活性受抑制问题。尽管有研究表明，单质硫、金属硫化物及其他分泌物在颗粒污泥表面的过渡沉积是颗粒污泥活性受到抑制的主要原因，目前尚未见任何相应措施的提出。

因此，对硫酸盐有机废水厌氧处理中颗粒污泥活性抑制的影响因素、表面包裹物沉积和功能基团结构的变化、微生物群落结构和功能微生物空间分布的变化以及长期运行稳定性，特别是颗粒污泥的活性抑制机理以及解除表面包裹和传质障碍引起的颗粒污泥生物活性抑制等方面的研究，将是今后需要重点关注的研究内容。

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Research advances in granular sludge of anaerobic treating sulphate organic wastewater

JIANG Yongrong，LIU Chengliang，LIU Kehui，WEI Pingying
（College of Life and Environmental Science，Guilin University of Electronic Technology，Guilin 541004，Guangxi，China）

Anaerobic treatment process is the most competitive technology in sulphate organic wastewater treatment，and anaerobic granular sludge is the core of this process. The research of characteristics of anaerobic granular sludge is important to increase treatment efficiency in anaerobic sulphate organic wastewater treatment. This paper reviewed the up-to-date research on anaerobic granular sludge of sulphate organic wastewater treatment on an international scale. The main contents included the physico-chemical characteristics of anaerobic granular sludge （morphology and size，pores and channels，settling rate，extracellular precipitates etc.） and biological characteristics of anaerobic granular sludge （biological activity，morphology，composition and distribution of microbiology）. Some problems in the related research were also analyzed. Future research shall focus on the inhibition mechanism， surface secretion removal and precipitates of granular sludge，and improving biological activity of granular sludge.

organic wastewater containing sulphate；anaerobic treatment；granular sludge；biological activity；inhibition mechanism

X 703

A

1000-6613（2014）09-2463-08

10.3969/j.issn.1000-6613.2014.09.039

2014-02-21；修改稿日期：2014-03-24。

国家自然科学基金（51368011）、广西自然科学基金（2012jjAA50049）、广西科学研究与技术开发计划（桂科攻12118023-4）及桂林市科学研究与技术开发计划（20140121）项目。

及联系人：蒋永荣（1970—），女，副教授，硕士，研究方向为污水生物处理及微生物学。E-mail svmsung2996@sina.com。