（环境工程专业论文）两种剩余污泥厌氧消化评估与研究.pdf

两种剩余污泥厌氧消化评估与研究 p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o na n dr e s e a r c hf o r a n a e r o b i c d i g e s t i o np r o c e s st r e a t i n g t w o k i n d so fw a s t ea c t i v a t e ds l u d g e 学科专业：环境工程 研究生：董慧峪 指导教师：季民教授 天津大学环境科学与工程学院 2 0 0 8 年6 月 中文摘要 本文对两污水厂剩余污泥的厌氧消化进行了研究。台南安平污水厂进水由运 河截留收集，台北迪化污水厂的进水由完整的市政下水道收集。由于运河中含有 大量无机泥沙，安平厂厌氧消化池运转欠佳，迪化厂厌氧消化池运转良好。本文 采用o w e n 等人提出的b i o c h e m i c a lm e t h a n ep o t e n t i a l ( b m p ) 方法，就两厂的厌氧 污泥、剩余污泥的厌氧消化产能潜能进行实验。 选用相同的基质n a a c ，设置5 组投配比，对两厂的厌氧污泥厌氧消化进行 研究。研究发现：初期基质n a a c 对厌氧污泥具有一定的抑制作用，迟滞期随着 添加基质浓度的提高而延长；随着投配比的增大，最大产气速率也随之增大；安 平厂、迪化厂的最大比产气速率分别为6 7 9 3 、6 2 6 5 ( m l g ：v s s d a y ) ，半饱和常 数分别为1 5 1 7 、8 0 1 m g l ，表明迪化厂厌氧污泥代谢旺盛、对n a a c 亲和性好。 选用两厂的剩余污泥为基质，分别接种各厂的厌氧污泥，设置6 组投配比，对两 厂的剩余污泥厌氧消化进行研究。研究发现：剩余污泥对厌氧污泥基本无抑制作 用；产气可分为两个阶段，第一个阶段利用溶解性有机物和易水解物质进行厌氧 反应产生c h 4 ，产气速率较快；第二阶段的限速步骤为微生物的水解反应，反应 速度均匀、较慢；比产气速率随着投配比的增大而增大；安平厂、迪化厂的最大 比产气速率分别为7 4 2 l 、5 1 0 5 ( m l g v s s d a y ) ；半饱和常数分别为5 4 ，0 1 0 、 1 9 , 0 1 0 m g l ，表明安平厂剩余污泥亲和性差、难消化降解。 通过t - r f l p 技术对两厂厌氧污泥中的产甲烷菌生物相组成进行分析。研究 发现，安平厂厌氧消化池中的厌氧污泥杂菌( d i v e r s e ) 含量高达4 5 ，产甲烷 功能菌主要以产甲烷髦毛菌m e t h a n o s a e t as p p ( 3 9 ) 为主；迪化厂厌氧消化池 中的厌氧污泥产甲烷功能菌相对含量高，杂菌含量仅为7 ，产甲烷功能菌主要 以产甲烷髦毛菌m e t h a n o s a e t as p p ( 6 4 ) 为主。两厂的厌氧污泥中同时都存在 少量的存在产甲烷微菌m e t h a n o m i c r o b i a c e a e 、产甲烷杆菌m e t h a n o b a c t e r i a c e a 。 在以n a a c 为基质实验结束后，高投配比条件下以乙酸为基质生成甲烷的产甲烷 髦毛菌m e t h a n o s a e t as p p 相对含量大幅度提高。在以剩余污泥为基质的实验结束 后，杂菌含量大幅度降低，其它产甲烷功能菌相对含量皆有提高。s e m 镜检两 厂厌氧污泥发现：安平厂厌氧污泥中菌群分布离散、稀疏，而迪化厂厌氧污泥中 菌群丰富多样，存在着大量的形态不同的产甲烷菌，形成了良好的厌氧生态体系， 与两厂厌氧污泥厌氧消化的表现一致。 关键词：剩余污泥，生化产甲烷潜能，厌氧消化，尾端修饰片段长度多样性 a b s t r a c t i n t h i sp a p e r ，t h ea n a e r o b i cd i g e s t i o np r o c e s s e st r e a t i n gt w ok i n d so fw a s t e a c t i v a t e ds l u d g ef r o md i f f e r e n tm u n i c i p a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t s ( w w t p ) w e r e r e s e a r c h e da n dc o m p a r e d b e c a u s eo fi t sc o n t a i n i n gp l e n t yo f i n o r g a n i cs a n d ，t h er a w w a t e ro ft a i w a na n p i n gw w t pw h i c hw a st r a n s p o r t e db yt h ec a n a lc a u s e dt h e m i s f u n c t i o no fa n a e r o b i cd i g e s t i o nt a n k t h er a ww a t e ro ft a i b e id i h u aw w t p w a s t r a n s p o r t e db yt h ec o m p l e t es e w e rs y s t e ma n dt h ea n a e r o b i cd i g e s t i o nt a n kr u n p r o p e r l y i nt h i ss t u d y , b i o c h e m i c a lm e t h a n ep o t e n t i a l ( a m p ) m e t h o dw h i c hw a s p r o p o s e db yo w e ne ta 1 w a sa d o p t e dt os t u d yt h ea n a e r o b i cd i g e s t i o np r o c e s so f a n a e r o b i cs l u d g ea n dw a s t ea c t i v a t e ds l u d g ef r o mt w ow w t p s t h ea n a e r o b i cs l u d g ew a sr e s e a r c h e dt h r o u g hs e l e c t i n gs a m es u b s t r a t en a a ca n d s e t t i n g5a d d i n gr a t i o s i n h i b i t i o no fn a a cw a sf o u n d ；t h ed u r a t i o no fl a gp e r i o da n d g a sp r o d u c t i o nr a t ew e r ep r o p o r t i o n a lt ot h ea d d i n gr a t i o t h em a x i m u mg a s p r o d u c t i o n r a t ea n dk mo fa n p i n ga n dd i h u aw w t pw e r e 6 7 9 3 6 2 6 5 ( m l g v s s d a y ) a n d 1517 ，8 01m g lr e s p e c t i v e l y , w h i c hi n d i c a t e dt h ea n a e r o b i c s l u d g eo fd i h u aw w t pm e t a b o l i z e dv i g o r o u s l ya n dh a dg r e a tb i o c o m p a t i b i l i t yw i t h n a a cc o m p a r e dw i t ha n a e r o b i cs l u d g eo fa n p i n gw w t p t h ea n a e r o b i cd i g e s t i o no f w a s t ea c t i v a t e ds l u d g ew a sr e s e a r c h e dt h r o u g hs e t t i n g6a d d i n gr a t i o s w a s t ea c t i v a t e d s l u d g eh a dl i t t l ei n h i b i t i o na n dt w og a sp r o d u c t i o np h r a s e sw e r ef o u n d ；i nt h ef i r s t p h r a s e t h es o l u b l eo r g a n i ca n dr e a d i l y h y d r o l y z e dc o m p o u n d sw e r eu t i l i z e dt o g e n e r a t ec h 4r a p i d l y ；i nt h es e c o n dp h r a s eh y d r o l y s i sp r o c e s sw a st h el i m i to fg a s p r o d u c t i o na n dt h em a x i m u mg a sp r o d u c t i o nr a t ew a sp r o p o r t i o n a lt ot h ea d d i n gr a t i o t h em a x i m u m g a sp r o d u c t i o nr a t ea n dk mo fa n p i n ga n dd i h u aw w t pw e r e7 4 21 ， 51 0 5 ( m l g v s s d a y ) a n d5 4 ，010 ，19 ，010 m g lr e s p e c t i v e l y , w h i c hi n d i c a t e dt h e w a s t ea c t i v a t e ds l u d g eo f a n p i n gw w t pw a sd i f f i c u l tt ob ed i g e s t e d t h em e t h a n o g i cm i c r o b i a lc o m m u n i t yo ft h ea n a e r o b i cs l u d g ew a sm o n i t o r e d t h r o u g ht - r f l pi tw a sf o u n dt h a tt h er e l a t i v ec o n t e n to fd i v e r s eb a c t e r i u mw a su pt o 4 5 a n dm e t h a n o s a e t as p p i sp r e d o m i n a n ti nt h em e t h a n o g e n si nt h e a n a e r o b i c s l u d g ef r o ma n p i n gw 1 w 1 p o nt h eo t h e rh a n d ，t h er e l a t i v ec o n t e n to fm e t h n n o s n e t 口 s p p i nt h ea n a e r o b i cs l u d g ef r o md i h u aw w t pi s6 4 w i t ht h ed i v e r s eb a c t e r i u ma p e r c e n t a g eo f7 a tt h es a m et i m e m e t h a n o m i c r o b i a c e a , m e t h a n o b a c t e r i a c e aw e r e a l s of o u n df r o mt h et w ok i n d so fa n a e r o b i cs l u d g e a f t e rt h eb a t c ht e s tt r e a t i n gn a a c ， t h er e l a t i v ec o n t e n to fm e t h a n o s a e t as p p ，w h i c hu t i l i z e sh a ct og e n e r a t ec h 4 。w a s i m p r o v e dg r e a t l y a f t e rt h eb a t c h e st r e a t i n gw a s t ea c t i v a t e ds l u d g e ，t h er e l a t i v e c o n t e n to fd i v e r s eb a c t e r i u mw a sd e c r e a s e d w h i l et h er e l a t i v ec o n t e n t so f m e t h a n o g e n sw e r ei m p r o v e d o b s e r v e dw i t hs c a n n i n ge l e c t r o n i c m i c r o s c o p y , a n a e r o b i cs l u d g ef r o md i h u aw w t pc o n t a i n e dd i v e r s em e t h a n o g e n sw h i c hf o r m e da m i c r o b i a lc o m m u n i t yw h i l ea n a n e r o b i cs l u d g ef r o ma n p i n gw w t p c o n t a i n e ds p a r s e m e t h a n o g e n s ，w h i c hw e r ei na c c o r d a n c ew i t ht h e i rp e r f o r m a n c ei nt h eb m pt e s t k e y w o r d s ：w a s t ea c t i v a t e ds l u d g e ，b i o c h e m i c a lm e t h a n ep o t e n t i a l ( b m p ) ，a n a e r o b i c d i g e s t i o n ，t - r f l p 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨奎叁堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：董楚临签字目期： 2 。93 年多月f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞叁堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丕童态堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：董髦略 导师签名： 签字日期：2 d 0 3 年多月，日签字日期：力。孑年6 月厂日 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 我国台湾地区随着人口的增长、都市化的发展与产业结构的改变，生活及工 业用水需求量逐渐增加。同时，台湾属于海岛型地区，降雨时空分布非常不均， 由于全球气候变暖的影响，使得遇雨成灾、无雨成旱现象，导致地面水源供给量 不足，而如果地下水过度抽取亦造成地层下陷等问题。为缓解水污染及水源紧缺 的现象，台湾地区各级政府在各地兴建了大批的市政污水处理厂，但同时也带来 了大量的沉积物废弃污泥。污泥不仅产量巨大( 污水的3 ) ，而且增长迅速。 污泥不仅含水量高、易腐烂，有强烈的臭味，并且含有大量的病原菌、寄生虫卵 以及铬、汞等重金属和多氯联苯、二恶英等难以降解的有毒有害以及致癌物质， 如果不妥善处理，其危害不言而喻。 作者于2 0 0 7 年9 月一2 0 0 8 年1 月在台湾地区成功大学环境工程研究所进行 了半年的交流学习。交流学习期间参加了郑幸雄教授实验室环境厌氧生物技术课 题组的研究组。课题组选取两种具有代表性的市政污水厂污泥进行研究，台南安 平污水厂污泥和台北迪化污水厂污泥。由于台南市市政下水道建设的不完善，台 南市安平都市污水厂进水管网为为运河截留制，由此进水中含有大量的无机泥 沙，造成了安平厂活性污泥、厌氧污泥含量低、活性低，厌氧消化池运行不佳。 而台北市市政下水道建设相对完善，台北迪化污水厂的进水来自于完整的市政下 水道管网的收集，原污水中无机杂质少，有机污染物含量高，活性污泥、厌氧污 泥代谢旺盛，厌氧消化池运转正常。 因此，本研究拟对两厂厌氧污泥的产能活性、剩余污泥的厌氧消化特性以及 厌氧污泥中产甲烷菌的组成、厌氧消化中常规水质的变化进行系统的研究。找出 安平厂厌氧消化池运行不佳的原因，为下一步的工艺、优化运行改进提供科学依 据。 1 1 1 台南市安平市政污水处理厂简介 台南市政府为有效解决运河污染问题，以改善环境卫生，于1 9 8 5 年开始安 平污水系统建设，至1 9 9 0 年完成，建设经费为3 0 亿台币，服务人口4 7 万人。 1 1 1 1 安平污水厂工艺流程 第一章绪论 采用截留制经运河收集的污水进厂后，其主体工艺如图1 1 所示： 图l l 台南安平污水厂工艺流程 1 1 1 2 设计容量和出水水质 设计日平均处理水量：1 8 0 ，0 0 0 米3 天。 表1 1 安平污水厂设计进出水水质指标 1 1 2 台北市迪化市政污水处理厂简介 台北迪化市政污水处理厂建于19 8 0 年7 月，初期处理工艺仅为初级处理， 接收来自于台北市政下水道的生活污水，日设计处理水量为2 7 4 ，0 0 0 m 3 天。1 9 9 8 年4 月7 日，该污水厂停止运转，开始工艺改造工程。 1 1 2 1 改造后工艺流程 污水经深池多阶段曝气池处理，经消毒后流入淡水河。同时，废弃污泥经浓 缩、消化、脱水后可循环利用。其工艺流程图如图1 1 所示； 第一章绪论 图1 - 2 迪化污水处理厂流程图 1 1 2 2 改造后设计容量和出水水质 设计日平均处理水量：5 0 0 ，0 0 0 米3 天。 设计日平均再生水产量：1 0 ，0 0 0 米3 天。 表1 2 迪化污水厂改造工程设计进出水水质指标 1 1 2 3 工程特点 该工程的主体工艺为地下建造的长2 1 0 m 、宽2 5 0 m 、深1 7 m 的深池曝气池。 初沉池、二沉池皆采用双层设计，这也是台湾地区的首次应用。该工艺可以 在有限的用地面积上增大处理容量。深池多点曝气池也是首次在台湾地区应用。 该工艺不但可以生化法去除有机物，还可以实现部分反硝化的功能。 初沉池、曝气池、二沉池、消毒池和抽水泵站均采用半地下式结构。同时所 有的地下设施均配备了除臭系统和噪音控制装置，以达到污水厂正常运转后最低 的环境影响。 该污水厂同时设置了污水深度处理工艺。深度处理工艺后的出水可用作水厂 第一章绪论 内部自用和公共绿地浇灌等用途。 该厂投入使用后，可提供主体处理设施地面上的4 6 公顷的公共用地。该公 共用地可建造休闲公园，配置儿童游乐园、网球场、篮球场、棒球场等设施。同 时，该厂厌氧消化工艺产生的甲烷可用于游泳池的加热。所有的公共设施都面向 公众开放。 1 1 2 4 工程实效 出水指标达到环境法相关规定标准； 降低大规模污水厂的运行风险； 采用双层地下工艺后日处理水量为5 0 0 ，0 0 0 米3 天，将近原先工艺的两 倍； 地面公园的建造，为公众提供了休闲的场所。 1 2 文献综述 1 2 1 城市污水处理厂剩余污泥资源化技术 城市污水处理厂的污泥是指处理污水所产生的固态、半固态及液态的废弃物 成分复杂，其中含有大量的有机物、丰富的氮、磷和多种微量元素等可利用成分， 也可能含有重金属以及致病菌和病原菌【i j 。2 0 0 5 年全国废水排放总量为5 2 4 5 亿 吨，若进行完全处理将产生约2 , 6 0 0 万t 的脱水污泥( 按含水率8 0 计) 口弓j 。 1 剩余污泥厌氧发酵工业化制沼气 用污泥生产沼气已经有10 0 多年的历史，但作为规模化、工业化的生产却是 近2 0 年左右的事。现代工艺是在电脑化控制的反应容器内，根据处理物的各种 不同条件随时对容器里的厌氧环境进行调节，达到充分利用自然界普遍存在的微 生物，参与有机物逐级发酵降解( 水解、酸化、气化) ，最终实现甲烷化。发酵产 物( 沼气) 中主要是气态的甲烷和二氧化碳。将其收集后用作清洁燃料。 厌氧发酵工业化制气的主要优点是资源化程度高，产生高热值沼气的同时 生产了有机肥料：大气污染小，无二恶英、酸性物及粉尘产生；生产环境好，臭 气产生量极i x ；针对城市生活污泥的特点，厌氧发酵工业化制气处理技术具有 十分广泛的应用前景。 2 污泥制作建筑材料 污泥制砖可直接用干化污泥制砖，或用污泥焚烧灰制砖。用干化污泥直接制 砖时，应对污泥的成分进行适当调整，使其成分与制砖黏土的化学成分相当。当 污泥与黏土按质量比l ：1 0 配料时，污泥砖可达到普通红砖的强度。利用污泥焚 第一章绪论 烧灰渣制砖时，灰渣的化学成分与制砖黏土的比较接近。因此可以通过两种途径 实现烧结砖制造：其一为与黏土等掺合料混合烧砖；其二为不加掺合料单独烧砖 【4 】 o 污泥可用于制造生态水泥。生态水泥是以生态环境与水泥的合成语而命名 的，是一种新型的波特兰水泥。这种水泥以城市垃圾烧却灰和下水道污泥为主要 原料，经过处理、配料，并通过严格的生产管理而制成的工业制品，从而把生活 垃圾和工业废弃物变成了一种有用的建设资源，既拓宽了原料的来源、减少了天 然资源的消耗、降低了水泥生产的成本，又为城市垃圾和污泥的处理找到了一条 合适的途径，减少了二次污染，有利于水泥工业和环境可持续发展。 3 污泥低温制油技术【5 j 污泥低温制油技术是指在3 0 0 5 0 0 0 c ，常压( 或高压) 和缺氧条件下，借助污 泥中所含的硅酸铝和重金属，尤其是铜的催化作用将污泥中的脂类和蛋白质转变 成碳氢化合物，最终产物为油、碳、非冷凝气体和反应水，是一种发展中的能源 回收型的污泥热化学处理技术。 4 污泥生物制氢 污泥生物制氢是利用微生物在常温常压下进行酶催化反应可制得氢气的原 理进行的。根据微生物生长所需能源来源，污泥生物制氢主要包括光合生物制氢、 发酵生物制氢两类【6 】。光合生物制氢是指在一定的光照条件下，光合生物( 一般 包括细菌和藻类) 分解底物产生氢气。厌氧发酵制氢是通过细菌利用多种底物在 氮化酶或氢化酶的作用下将底物分解制取氢气。这些细菌包括丁酸梭状芽孢杆 菌、大肠埃希式杆菌、产气肠杆菌、拜式梭状芽孢杆菌等。底物包括甲酸、丙酮 酸、c o 和各种短链脂肪酸等有机物、淀粉纤维素等糖类1 7 。污泥中存在着大量 的上述底物，因此可以通过上述的厌氧发酵细菌产氢【8 - 9 1 。 1 2 2 污泥厌氧消化机理 污泥厌氧消化是一个极其复杂的过程，多年来厌氧消化被概括成为两阶段过 程，第一阶段是酸化发酵阶段，有机物在产酸细菌的作用下，分解成脂肪酸及其 它产物，并合成新细胞；第二阶段是甲烷发酵阶段，脂肪酸在专性厌氧菌产 甲烷菌的作用下转化成c h 。和c 0 2 。但是，事实上第一阶段的最终产物不仅仅是 酸，发酵所产生的气也并不都是从第二阶段产生的。因此，第一阶段比较恰当的 提法是不产甲烷阶段与第二阶段称为产甲烷阶段。随着对厌氧消化微生物研究的 不断深入，厌氧消化中不产甲烷细菌和产甲烷细菌之间的相互关系更加明确。 1 9 7 9 年，伯力特( b r y a n t ) 等人根据微生物的生理种群，提出了厌氧消化三阶段 理论，是当前较为公认的理论模式。三阶段消化突出了产氢产乙酸的作用，并把 第一章绪论 其独立地划分为个阶段。三阶段消化的第一阶段，是在水解与发酵细菌的作用 下，是碳水化合物、蛋白质与脂肪水解与发酵转化成单糖、氨基酸、脂肪酸、甘 油及二氧化碳、氢等；第二阶段，是在产氢产乙酸菌的作用下，把第一阶段的产 物转化成氢、二氧化碳和乙酸。第三阶段，是通过两组生理上不同的产甲烷菌的 作用，一组把氢和二氧化碳转化成甲烷，另一组是对乙酸脱羧产生甲烷u o j 。 参与第一阶段的微生物包括细菌、原生动物和真菌，统称水解与发酵细菌， 大多数为专性厌氧菌，也有不少兼性厌氧菌。参与厌氧消化第二阶段的微生物是 一群极为重要的菌种产氢产乙酸菌以及同型乙酸菌。国内外一些学者已从消 化污泥中分离出产氢产乙酸菌的菌株，其中有专性厌氧茵和兼性厌氧茵。它们能 够在厌氧条件下，将丙酮酸及其它脂肪酸转化成为乙酸、c 0 2 ，并放出h 2 。同型 乙酸菌的种属有乙酸杆菌，它们能将c 0 2 、h 2 转化成乙酸，也能将甲酸、甲醇转 化为乙酸。由于同型乙酸菌的存在，可促进乙酸形成甲烷的过程。 参与厌氧消化第三阶段的菌种是甲烷菌或成为产甲烷菌，是甲烷发酵阶段的 主要细菌，属于绝对的厌氧菌，主要代谢产物是甲烷。常见的甲烷菌包括：甲烷 杆菌、甲烷球菌、甲烷八叠球菌、甲烷螺旋菌。 1 2 3 污泥厌氧消化中的产甲烷菌 产甲烷菌是一类能够将无机或有机化合物厌氧发酵转化成甲烷和二氧化碳 的古细菌，它们生活在各种自然环境下，甚至在一些极端环境中。产甲烷菌是厌 氧发酵过程的最后一个成员，甲烷的生物合成是自然界碳素循环的关键链条j 。 产甲烷茵的研究开始于1 8 9 9 年，当时俄国的微生物学家奥姆良斯基 ( o m e l i a n s k i ) 将厌氧分解纤维素的微生物分为两类，一类是产氢的细菌，后来称 产氢、产乙酸菌；另一类是产甲烷菌，后来称奥氏甲烷杆菌( m e t h a n o b a c i l l u s o r n e l a u s k i i ) ，1 9 0 1 年s o h z g e n 对产甲烷菌的特征及对物质的转化进一步作了详细 的研究。1 9 3 6 年b a r k e r 对奥氏甲烷菌又作了分离研究。但这些研究，由于厌氧分 离甲烷菌的技术尚不完备，均未取得大的进展。直到1 9 5 0 年h u n g a t e 第一次创造 了无氧分离技术才使甲烷菌的研究得到了迅速的发展1 1 2 - 1 3 1 。 1 2 3 1 产甲烷菌的分类 到目前为止，分离鉴定的产甲烷菌已有2 0 0 多种。它们存在于沼泽、湖泊、 海洋沉积物及瘤胃动物的胃液等自然生态系统中，也存在于废水处理、堆肥和污 泥消化等非自然的生态系统中。从分类学上讲，产甲烷菌属于古细菌的水生古细 菌f - j ( e u r y a r c h a e o t a ) ，已鉴定的产甲烷菌分属于3 个纲的5 个目中。目前国内的 多数教科书中仍然沿用3 目4 0 余种的旧分类法，最新的分类系统如图1 2 t 1 4 j 所 第一章绪论 不： 1 2 3 2 产甲烷菌显著影响因子 产甲烷菌的活性受温度、p h 、有毒物质等环境因素以及c 、n 、p 的比值以 及无机元素等的影响，各因子所处条件对于产甲烷过程具有一定影响。 1 微量元素对产甲烷菌的影响 厌氧消化的产甲烷阶段对无机营养的缺乏十分敏感。许多废水厌氧生物处理 中，均出现了出水中挥发性脂肪酸( v f a ) 偏高，气体产率下降的现象。起初认为 是毒性物质抑制作用或是缺乏n 、p 营养。董春娟等【l5 】证明，极易生物降解的v f a ， 在厌氧出水中之所以浓度偏高，不是毒性物质的抑制作用，也不是缺乏n ，p 营养， 而是缺乏微量营养元素。 a r c h i t e a - e t w v a r c l m e o t a 一m , t l l r a n o b a c l e r t 疆 m e t h a o h a f t , e r l a l e s m e t h a n o b a c t e r i a c e a e m e t l u i t j o b a c t e r t m n m e ( i m n o b r e v l b a c t e r m e t h m l o s p h * t e r 竹 m e t l m n o l h e n n o b a c t e r m e d s a n o t h e r m 冉c e a e im e t h m z o t h e r z m z z -ivieth拽nococci m e t h a n o c o c c a l e s m e l l u t o c a l d o c o c c ，t c e a e m e t l m l l o c x l d o c o c c t m m e t i m n o t o r r i s m e | i t n o c o c c 蠕c e a e m e l h a i l o c o c c u s m e t l m n o t h e l l t l o c o c c u m e t h a n o l r d c r o b i a l e s m e t l m o c o r p u s c t t h t c e a e m e t l m n o c o s l m s c u i l u l l m e t h a n o m l c r o b l a c e 且e m e t l t g n o c u l l e t t s l e t h a t t o f o l l i s m e l h a u o 蟹e i t i m n m e t l m n o n u c r o b i m u m e t h a n o p l a n u s m 斌h 矗1 1 口擘l 出m h c e 囊擎 m e t l r a n o s l ) b u l m n m e t l m n o s a r c i n i l l e s m e t h a n o s a e l s c t - r e m e t l u m o s a e l 矗 m e t l t a n o s a r c i n r e 靠e m e t l l 矗n i i l l k t o f o c c i l 嚣 m e t | i n f i g c o c c o | d e s m e t h a n o h a l o b i t u s l _ m e t l m t m h a i o i ) i d h m m e t h a u o i o b t t s m e t h a n o t e t h y l o v o v , m s m e t l l a l l o 躬, i l s u n ! 一m e t h a n o s a r c i q a m e t h a n o o 、t i v 【e t h a t t o o , r r a l e s 图i - 3 产甲烷菌细菌分布图 李亚新等【16 】发现微量金属元素对毒性物质具有拮抗作用，从而缓解毒性物 质对产甲烷菌的限制作用。t a k a s h i m a f t c l l s p e e c e 1 7 j 发现微量金属元素的氯化物与 无机营养液中其它物质的加入方式也对产甲烷菌优势菌种变化产生很大影响。微 量金属元素的加人能使反应器内甲烷菌的优势菌种发生变化，使乙酸利用率提高 数倍。但微量元素需直接加人反应器，从而保证甲烷菌的充分利用。微量金属营 养元素能对毒性物质产生强烈的拮抗作用。在厌氧消化过程中补充微量金属元素 第一章绪论 是提高厌氧消化过程效率和稳定性的重要途径。 2 温度对产甲烷菌的影响 c h 4 的产生是在产甲烷菌驱动下的生物化学过程，温度起着特殊的作用，温 度的变化可以使微生物由休眠状态快速转化为活化状态，从而彻底改变反应的速 率。甲烷菌对于温度的适应性，可分为两类，即中温甲烷菌( 适应温度为 3 0 - 3 6 0 c ) ；高温甲烷菌( 适应温度为5 0 - 5 3 0 c ) 。 t h o m a s 等1 捧j 发现c 地排放量决定于温度，水稻土c h 4 排放量当温度由2 0 0 c 上升到2 5 0 c 时可以增加l 倍。s c h u t z 等 1 9 1 发现产c l - h 最低、最佳和最高的温度分 别是1 5 0 c 、3 5 0 c 和大于4 0 0 c 从水稻土中分离获得的4 种产甲烷菌都能在 2 5 - 4 5 0 c 下生长。但最佳温度是3 7 0 c 。 3 氧化还原电位( o r p ) 对产甲烷菌的影响 厌氧环境的主要标志是沼气发酵液具有低的氧化还原电位值，其值应为负 值。一般情况下，体系中的o r p 比溶解氧浓度能更全面地反映发酵液所处的厌氧 状态。不同的厌氧消化体系和不同的厌氧微生物对o r p 的要求不同。兼性厌氧微 生物在+ 1 0 0 m v 以上时进行好氧呼吸，o r p 为+ 1 0 0 m v 以下时进行无氧呼吸；产酸 苗对o r p 的要求不甚严格，可以在1 0 0 1 0 0m v 的兼性条件下生长繁殖：中温及 浮动温度厌氧消化系统要求的o r p 应低于3 0 03 8 0 m v ；高温厌氧消化系统要求 适宜的o r p 为5 0 06 0 0 m v 。产甲烷茵最适宜的o r p 为一3 5 0 m v 或更低l 2 。 4 p h 值对产甲烷菌的影响 厌氧微生物的生命活动、物质代谢与p h 值有密切的关系，p h 值的变化直接 影响着消化过程和消化产物，不同的微生物要求不同的p h 值。p h 值的变化可引 起微生物体表面的电荷变化，进而影响微生物对营养物的吸收，还可以影响培养 基中有机化合物的离子化作用，从而对微生物有间接影响；另外酶只有在最适宜 的p h 值时才能发挥最大活性，不适宜的p h 值使酶的活性降低，进而影响微生物 细胞内的生物化学过程。再者过高或过低的p h 值都降低微生物对高温的抵抗能 力1 2 l 】。 4 硫酸盐对产甲烷菌的影响 厌氧处理中，硫酸盐还原细菌以氢、乙酸、乳酸等为电子供体、以s 0 4 2 为 末端电子受体，将其还原为s l 的厌氧反应称其为硫酸盐还原作用。由于硫酸盐 还原细菌和产甲烷细菌都可利用这些基质，丽且硫化物对产_ 甲烷细菌具有毒害作 用【2 2 】o 普遍认为，硫酸盐还原作用影响产甲烷作用的进行。 1 2 4 污泥厌氧消化中应用分子生物技术的研究 2 0 多年前，以1 6 sr r n a 为主要基础的p c r 技术、电泳技术、克隆文库技 第一章绪论 术、荧光原位杂交和流式细胞术等免培养的分子生物学技术开始应用到活性污泥 菌群的研究，真实反映了环境样品中菌群的结构和丰度，避免了传统方法在菌群 检测中低丰度易培养细菌被高估的局限性，促进了活性污泥菌群高度多样性的研 究。 1 2 4 1 聚合酶连锁反应( p o l y m e r a s ec h a i nr e a c t i o n ，p c r ) p c r 技术是美国科学家m u l l i s 发明的一种在体外快速扩增特定基因或d n a 序列的方法，其目的是将极微量d n a 进行大量特异性扩增。此技术的原理是将 d n a 片段经过若干次解链和复性循环，大量扩增。甚至可扩增到十几亿倍，以便 于对已知d n a 片段进行分析，如基因分析、序列分析、进化关系分析等。引物 作为p c r 反应的首要条件，在实验前就可以预先设计好，根据扩增的靶序列不 同，可将引物分为特征引物和随机引物。 特征引物是指可与目标模板发生特异性结合，使靶序列能有效地特异性扩 增。这样的扩增方法在微生物群落分析应用中非常普遍，最广泛的是扩增部分或 全部的16 sr d n a 进行群落多样性分析。另一种引物是随机选择的序列，组成单 个或一对寡核苷酸的非严格p c r 三ji 物。此类引物在退火时有任意位点，如模板小 于几个k b ，可以扩增。由随机扩增引物p c r 形成的指纹为一组扩增片断，电泳分 离，指纹模式由d n a 序列和随机选择引物决定。d n a 指纹可以区分非常相近的 菌株，灵敏度和有效性很高。这些特征使这种方法成为分析微生物群落基因非常 有用的工到2 3 】。p c r 技术常与其他技术结合起来使用，如r t - p c r 、竞争p c r 、 池式p c r 等。 s e l v a r a t n a m 等1 2 4 】用d m p n 基因的p c r 拶 增来检测处理废水的间歇式反应器中 的降解酚的假单胞菌( p s e u d o m o n a s ) 。在该研究中，r t - p c r 不仅能检测出微生物 降解酚的能力，还能测量出d m p n 基因的转录水平，从而确定该假单胞杆菌特殊 的分解活性。研究结果表明在转录水平、酚浓度、通气阶段之间存在正相关。 c h a n d l e r 等 2 5 1 将p c r 技术和限制酶切技术结合使用，检测萘降解基因n a h a c 在自 然沉降物中的存在情况。他们用限制酶酶切n a h a c 基因的p c r 扩增产物，通过对 酶切产物的分析，探测该基因的多态性。e r b 等【2 6 】曾用p c r 扩增从被p c b 污染的 沉降物中提取出的总d n a 中的b p h c 基因，对p c b 的b p h 降解途径中的b p h 基因作进 步研究。观察到j b p h c 基因的限制性多态，这表明该沉降物中降解p c b 的微生 物群落具有生物多样性，而未受p c b 污染的湖水的沉降物中b p h c 基因数量则相对 较少。 在实际工作中，往往需要将传统方法和分子生物学方法结合起来使用，才有 可能对复杂的微生物生态系统中的微生物多样性和群落结构进行分析和研究。袁 三青等f 2 7 】结合p c r 和t - r f l p 技术对胜利油田采油井和注水井内的油藏微生物的 第一章绪论 多样性进行了分析。清华大学杨洋等1 2 8 j 结合p c r 、d g g e 、克隆技术对u a s b 反 应器中的微生物生态结构进行了初步研究，取得了较好的结果。 1 2 4 2 变性梯度凝胶电泳技术( d e n a t u r i n gg r a d i e n tg e le l e e t r o p h o r e s ，d g g e ) d g g e 是在普通凝胶电泳基础上发展起来的d n a 分离技术：d n a 分子在解 链温度下发生变性，双螺旋结构部分融解，双链变为单链，4 种碱基暴露出来， 它们与变性剂( 尿素) 产生不同的相互作用。凝胶中变性剂呈梯度分布。则变性 d n a 分子在凝胶中由于变性剂的存在，移动速度发生变化，最终停止在特定的 位置，形成分离开的条带，这些条带可用d n a 印迹杂交检测或被切下来提纯， 进行p c r 扩增，然后确定它们的d n a 碱基顺序，每一条带都代表一个不同的微生 物种群，仅仅分析条带就能得到有用的信息1 2 9 1 。与普通凝胶电泳相比，d g g e 技 术具有更高的准确性和精确度，能够将分子大小相同，但碱基顺序不同的d n a 分子进行分离，快速、灵敏，可以直接用来分析细菌染色体基因【3 例。 d g g e 技术已经广泛应用于污泥菌群【3 l j 的研究。o n u k i 等对一个添加乙酸盐 s b 反应器的活性污泥中除磷的菌群结构进行p c r d g g e 分析，发现红环菌属( 属 于多变形杆菌) 相关菌是积磷菌，并利用这种p a o s 的特异探针进行荧光原位杂交 ( f i s h ) 和d a p i 染色，研究进一步说明红环菌属一相关菌确实有聚磷作用1 3 2 】。许 春红等f 3 3 】利用p c r d g g e 技术研究了厌氧复合床反应器中微生物种群的多样 性，通过条带数目及丰度研究反应器中微生物种群多样性，比较同时期反应器不 同高度层微生物种群存在的差异，分析微生物种群与反应器结构的关系以及与处 理效果的关系。清华大学孙寓姣等1 3 4 1 ，利用d g g e 、荧光原位杂交( f i s h ) 和实时 定量链式聚合酶反应( r t q p c r ) 等技术研究了其中微生物种群的多样性、特征微 生物的空间分布和定量关系，取得了较好的结果。 同时，d g g e 技术也存在着一些缺陷。s e k i g u c h i 掣”】对环境样品中的d g g e 条带进行分析，表明条带并非只代表1 种细菌种群。m u r r a y 等【3 6 j 对人工混合细 菌种群的分析结果则显示，d g g e 条带的强弱不仅和细菌种群的的拷贝数、d n a 模板量而且与不同类型的细菌种群有着相同的迁移行为有关，l 条d g g e 条带是 由不同细菌种群序列组成这可能会降低环境微生物的种群多样性。必须把d g g e 和其他分子生物学方法想结合才能对环境样品中的微生物多样性进行更为准确 的描述。 1 2 4 3 尾端修饰限制片段长度多样性( t e r m i n a l r e s t r i c t i o nf r a g m e n tl e n g t