微生物對(duì)污染物的分解與轉(zhuǎn)化

微生物對(duì)污染物的分解與轉(zhuǎn)化第一頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期六0min15min30min第二頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期六10.1微生物對(duì)有機(jī)物的分解作用回流污泥曝氣池曝氣池出水出水沉淀池沉淀池污水污水回流污泥曝氣池曝氣池出水出水沉淀池沉淀池污水污水剩余污泥活性污泥的基本概念組成：主要為微生物性質(zhì)：含水率99%、密度1.002～1.006，具生物活性第三頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期六

第四頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期六①為細(xì)胞合成和維持生命活動(dòng)提供大量能量②為細(xì)胞合成提供原料③作為各種有機(jī)底物徹底氧化的共同途徑三羧酸循環(huán)的生理意義一、生物分解的一般特點(diǎn)與分類（一）有機(jī)物生物分解的一般特點(diǎn)第五頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期六三大有機(jī)物有氧呼吸代謝途徑示意圖第六頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期六污水中有機(jī)物生物分解的過程H2S、CH4、乙醇、低級(jí)脂肪酸……CO2SO42-NO3-……微生物體有機(jī)物的生物分解：通過一系列的生化反應(yīng)，最終將有機(jī)物分解成小分子有機(jī)物或簡單無機(jī)物的過程。第七頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期六（二）生物分解的分類1、根據(jù)分解程度與最終產(chǎn)物分類（1）生物去除(表觀生物分解)

（2）初級(jí)分解（3）環(huán)境可接收的分解（4）完全分解

2、根據(jù)氧的需求分類：（1）好氧分解（2）厭氧分解第八頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期六厭氧處理與好氧處理的比較好氧法處理有機(jī)物所需的時(shí)間一般比用厭氧法處理短，基本上沒有臭氣，但需要有氧的供應(yīng)和比較復(fù)雜的供氧設(shè)備，運(yùn)行費(fèi)用高，且當(dāng)廢水中有機(jī)物濃度太高時(shí)，一般不可能供應(yīng)好氧分解所需要的充足的氧。處理普通廢水一般都用好氧法第九頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期六處理污泥則用厭氧法。若處理高濃度有機(jī)廢水，則往往先采用厭氧生物處理，將有機(jī)污染降至一定濃度后，再采用好氧法處理至達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。厭氧處理還有可能使難以好氧生物降解的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為較易好氧降解的物質(zhì)。用厭氧法處理廢水，所產(chǎn)生的甲烷氣體可以利用；但由于有硫化氫等氣體產(chǎn)生，所以臭氣大；同時(shí)，由于存在硫化鐵等黑色物質(zhì)，使處理后的廢水顏色深，并且所含有機(jī)物也較多，如果要使有機(jī)物完全穩(wěn)定，需時(shí)甚長，當(dāng)廢水量大時(shí)，所需設(shè)備的容量也將很大。但厭氧法適合處理高濃度有機(jī)廢水。第十頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期六二、污水中有機(jī)物的好氧分解剩余污泥污水曝氣池二沉池排水污泥回流第十一頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期六增加的細(xì)胞物質(zhì)的量＝新合成細(xì)胞物質(zhì)量－內(nèi)源呼吸耗去的量新合成細(xì)胞物質(zhì)量與食料量(BOD去除量)成正相關(guān)內(nèi)源呼吸耗去的量與現(xiàn)有生物量成正相關(guān)ΔX＝a·ΔS－b·X微生物的增殖與剩余污泥量的計(jì)算ΔX：新生長的細(xì)胞物質(zhì)（kg/d）a：合成系數(shù)（KgMLVSS/KgBOD5）,生活污水一般為0.5～0.7ΔS：所利用的食料（基質(zhì)），即去除的BOD量（kg/d）X：構(gòu)筑物內(nèi)原有的細(xì)胞物質(zhì)（kg）b：細(xì)胞自身氧化率或衰減系數(shù)（1/d）,生活污水一般為0.05~0.1第十二頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期六ΔX＝a·Sr·Q

－b·Xv·VΔX：新生長的細(xì)胞物質(zhì)（kg/d）a：合成系數(shù)（KgMLVSS/KgBOD5）,

生活污水一般為0.5～0.7Sr：去除的BOD5濃度(kg/m3)，S0–SeQ：進(jìn)水流量(m3/h)b:細(xì)胞自身氧化率或衰減系數(shù)（1/d）,生活污水一般為0.05~0.1Xv：池內(nèi)MLVSS濃度(kg/m3)（Xv

＝f·MLSS）V：池容積(m3)ΔX＝a·ΔS－b·X第十三頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期六計(jì)算例題某城市混合廢水用活性污泥法處理，其曝氣池的有效容積為340m3，進(jìn)水流量為150m3/h，進(jìn)水BOD5為200mg/L，出水BOD5為20mg/L，曝氣池內(nèi)污泥濃度為4g/L（其中揮發(fā)份占75%），①計(jì)算剩余污泥量；②若剩余污泥含水率為99.2%，剩余污泥體積是多少？（取a=0.6b=0.075）第十四頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期六解：

第十五頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期六有機(jī)物氧化需氧量＝

去除BOD需氧量+自身氧化需氧量第一項(xiàng)與去除的BOD量成正相關(guān)第二項(xiàng)與現(xiàn)有的生物量成正相關(guān)

O2

＝a’·ΔS+b’·X(KgO2/

d)有機(jī)物氧化的需氧量計(jì)算ΔS

：去除的BOD量，KgBOD5/dX

：生物量，KgMLVSSa’：BOD氧化需氧率，KgO2/KgBOD5b’：自身氧化需氧率，KgO2/(KgMLVSS·d)第十六頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期六O2=0.001aQ(So-Se)

-c△Xv

+b[0.001Q(Nk-Nke)-0.12△Xv]

-0.62b[0.001Q(Nt

–Nke-Noe)-0.12△Xv]關(guān)于需氧量的計(jì)算(簡介)若處理系統(tǒng)僅為去除碳源污染物則b為零，只計(jì)第一項(xiàng)和第二項(xiàng)。O2=去除含碳污染物的需氧量

-剩余污泥排出節(jié)省下的氧當(dāng)量

+去除的凱氏氮硝化所需氧量

-去除的總氮反硝化時(shí)所回收的氧量第十七頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期六三、有機(jī)物的厭氧生物分解主要用于高濃度的有機(jī)廢水與剩余污泥的處理厭氧消化三階段、四階段過程有機(jī)物的厭氧分解過程早期認(rèn)為分為兩個(gè)階段：酸性發(fā)酵階段和堿性發(fā)酵或產(chǎn)甲烷階段——兩階段理論70年代以后又提出了三階段、四階段理論。有機(jī)物（多糖、脂肪、蛋白質(zhì)）丙酸、丁酸等脂肪酸及乳酸、芳香酸等有機(jī)酸、醇類等H2+CO2乙酸CH4（1）發(fā)酵細(xì)菌（4）同型產(chǎn)乙酸菌（3）產(chǎn)甲烷菌20%4%（2）產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌第十八頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期六第一階段：水解、發(fā)酵性細(xì)菌群將復(fù)雜有機(jī)物分解為各種低級(jí)脂肪酸、醇類、氨等；第二階段：產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌將第一階段產(chǎn)物進(jìn)一步分解為乙酸和氫氣；第三階段的微生物是兩組生理不同的專性厭氧的產(chǎn)甲烷菌群。一組將H2和CO2或CO合成CH4

；另一組將乙酸脫羧生成CH4和CO2

；第四階段：為同型產(chǎn)乙酸階段，同型產(chǎn)乙酸細(xì)菌將H2和CO2轉(zhuǎn)化為乙酸。三階段、四階段理論第十九頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期六10.2有機(jī)物的生物分解性一、有機(jī)物的生物分解性評(píng)價(jià)方法易生物分解試驗(yàn)生物分解潛能試驗(yàn)(是否具有生物分解的潛在性)污水生物處理系統(tǒng)河流、湖泊河口海洋土壤……生物分解模擬試驗(yàn)（在特定環(huán)境下的生物分解性）本質(zhì)性生物分解試驗(yàn)第二十頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期六有機(jī)物的生物分解性評(píng)價(jià)步驟易生物分解試驗(yàn)生物分解模擬試驗(yàn)本質(zhì)性生物分解試驗(yàn)分解性不良受試

有機(jī)

化合物分解性在環(huán)境中易生物分解良好不良良好在環(huán)境中難生物分解第二十一頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期六二、有機(jī)物的生物分解性與分子結(jié)構(gòu)的關(guān)系

（一般規(guī)律，但例外較多）OO能使生物分解性降低的基團(tuán)稱異源基團(tuán)（xenophore）。2）異源基團(tuán)數(shù)目增加，降解性越差。1）增加A類取代基一般降解性變差，B類有時(shí)可以增加降解性。OHClOHClClOHClClCl第二十二頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期六3）異源基團(tuán)的位置對(duì)生物降解性產(chǎn)生顯著影響。OHOHClOHCl加速減慢4）甲基分支越多越不易降解－CH3－C－CH3CH3H－C－CH3CH3CH3>>H－CH第二十三頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期六8）好氧條件下的降解規(guī)律與厭氧有時(shí)不同9）化學(xué)品的生物降解性預(yù)測物理化學(xué)性質(zhì)～生物降解性/QSBR模型(QuantitativeStructureBiodegradabilityRelationship)5）脂肪族：分子量越大越不易降解6）芳香族<小分子脂肪族7）復(fù)環(huán)芳烴中環(huán)越多越難降解第二十四頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期六三、注意幾個(gè)問題1、生物分解性與濃度的關(guān)系基質(zhì)抑制作用：有些有機(jī)物在濃度低時(shí)可以降解，高于某一濃度時(shí)不能降解（產(chǎn)生抑制作用）。S抑制濃度第二十五頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期六2、共代謝現(xiàn)象一些化合物單獨(dú)存在時(shí)不能被降解，只有在其它物質(zhì)被降解時(shí)才能被降解的現(xiàn)象?？赡茉颍?）缺少進(jìn)一步降解的酶系；

2）中間產(chǎn)物的抑制作用；

3）濃度低，不能維持生命代謝。三、注意幾個(gè)問題3、有機(jī)物間的相互作用互不影響、促進(jìn)作用、抑制作用（順次利用）第二十六頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期六三、注意幾個(gè)問題4、微生物間作用

（1）協(xié)同作用；（2）抑制作用（拮抗）；（3）捕食5、去毒作用與激活作用去毒作用：分解產(chǎn)物的毒性低于原化合物激活作用：分解產(chǎn)物的毒性大于原化合物第二十七頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期六有機(jī)廢水來源廣泛，差異很大。按有機(jī)廢水的可生化性，可分為四種類型：有機(jī)廢水的可生化性①BOD5/COD≥0.4：易生化；②0.3＜BOD5/COD＜0.4：可生化；③0.2＜BOD5/COD＜0.3：較難生化；④BOD5/COD＜

0.1：不可生化第二十八頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期六10.3不含氮有機(jī)物的生物分解一、纖維素、半纖維素、木質(zhì)素的生物分解糖類化合物按其組成分為三類：單糖、低聚糖和多糖。（一）單糖：構(gòu)成各種糖分子的基本單位（二）低聚糖：含有2～10個(gè)單糖單位，彼此以糖苷鍵連接，水解以后產(chǎn)生單糖。低聚糖又叫寡糖。（三）多糖：由許多單糖分子或其衍生物縮合而成的高聚物稱為多糖，又稱為高聚糖?？煞譃橥嗵呛碗s多糖兩類。第二十九頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期六纖維素分解過程纖維素經(jīng)水解分解為葡萄糖和纖維二糖后方可被微生物吸收。在好氧性微生物作用下，可徹底氧化成CO2與H2O。在厭氧條件下，由厭氧微生物作用可進(jìn)行丁酸型發(fā)酵，產(chǎn)生丁酸、丁醇、CO2和H2等。第三十頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期六（二）半纖維素的生物分解半纖維素各種酶H2O好氧分解CO2+H2O單糖+糖醛酸（三）木質(zhì)素的生物分解難以萃取出一種化學(xué)上穩(wěn)定的木質(zhì)素組成，對(duì)它的結(jié)構(gòu)、合成與生物分解機(jī)理還遠(yuǎn)沒有弄清。厭氧分解發(fā)酵產(chǎn)物半纖維素存在于植物的細(xì)胞壁中，人造纖維工業(yè)廢水、造紙工業(yè)廢水中也含有半纖維素。半纖維素易被土壤中微生物降解，能分解纖維素的微生物大多能分解半纖維素第三十一頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期六二、淀粉的生物分解直鏈淀粉：D-葡萄糖以α-1,4-糖苷鍵連接的多糖鏈，水溶性差。支鏈淀粉：除α-1,4-糖苷鍵外，還有α-1,6-糖苷鍵連接的分支。易溶于水。淀粉的降解：淀粉→糊精→麥芽糖→葡萄糖。第三十二頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期六三、脂肪的生物分解脂肪

甘油＋高級(jí)脂肪酸甘油的轉(zhuǎn)化：脂肪酸→乙酰輔酶Aβ-氧化脂肪酶第三十三頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期六脂肪酸的β-氧化：（1）脂肪酸的激活。脂肪酸先與ATP形成脂酰-磷酸腺苷。脂?！姿嵯佘赵倥c輔酶A化合，生成脂酰輔酶A。第三十四頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期六（2）脫氫（3）加水（4）再脫氫第三十五頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期六（5）硫解乙酰輔酶A可以進(jìn)入三羧酸循環(huán)氧化成H2O及CO2，也可以參加其他合成代謝。18C硬脂酸產(chǎn)能：（10+1.5+2.5-1）+14×7+10＝121ATP第三十六頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期六四、芳香族化合物的生物分解芳香族化合物可被微生物分解酚類化合物存在于煉焦、石油、煤氣等多種工業(yè)廢水中對(duì)酚起作用的主要是細(xì)菌在酶的作用下直接將分子中的環(huán)狀結(jié)構(gòu)打開芳香族化合物中大部分被微生物作用去掉環(huán)上的側(cè)鏈基團(tuán)，使之轉(zhuǎn)變成兒茶酚或原兒茶酸。微生物分解芳香族化合物的方式有兩種：第三十七頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期六芳香族化合物的生物降解第三十八頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期六大部分烯烴類化合物比烷烴、芳香烴容易降解。五、烴類化合物的生物分解第三十九頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期六合成洗滌劑：主要成分是表面活性劑，其他成分為聚磷酸鹽等。六、合成洗滌劑的生物分解合成洗滌劑易在曝氣池和天然水體中形成大量的泡沫，阻斷大氣向水中復(fù)氧。聚磷酸鹽可以在水體中蓄積，并引起水體的富營養(yǎng)化。第四十頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期六碳循環(huán)第四十一頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期六碳素循環(huán)包括CO2的固定和再生。CO2的固定：綠色植物和微生物通過光合作用，固定自然界中的CO2，合成有機(jī)碳化物，進(jìn)而轉(zhuǎn)化成各種有機(jī)質(zhì)；

CO2的再生：植物和微生物通過呼吸作用獲得能量，同時(shí)釋放出CO2。動(dòng)物以植物和微生物為食，并在呼吸作用中釋放出CO2。當(dāng)動(dòng)、植物和微生物等有機(jī)碳化物被微生物分解時(shí)，產(chǎn)生大量的CO2，完成整個(gè)碳素循環(huán)。碳循環(huán)第四十二頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期六微生物在碳素循環(huán)中的作用微生物在碳素循環(huán)中既參與固定CO2的光合作用，又參與再生CO2的分解作用。

(1)光合作用參與光合作用的微生物主要是藍(lán)細(xì)菌、藻類和光合細(xì)菌。在有氧區(qū)域以藍(lán)細(xì)菌和藻類占優(yōu)勢，而在無氧區(qū)域則以光合細(xì)菌占優(yōu)勢。

(2)分解作用自然界有機(jī)碳化物的分解主要是微生物的作用。在有氧條件中，通過好氧微生物分解，被徹底氧化為CO2；在無氧條件中，通過厭氧微生物發(fā)酵，被分解成有機(jī)酸、甲烷和CO2。第四十三頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期六氮?dú)鉄o機(jī)氮

NH3-N

硝態(tài)氮有機(jī)氮10.4

含氮有機(jī)物的生物分解整個(gè)過程包括固氮作用、氨化作用、硝化作用、反硝化作用。一、氮的循環(huán)第四十四頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期六蛋白質(zhì)→朊→胨→肽→氨基酸二、蛋白質(zhì)的生物分解蛋白酶肽酶脫氨基作用：有氧條件下RCHNH2COOH+O2→RCOOH+CO2+NH3厭氧條件下RCHNH2COOH+H2→RCH2COOH+NH3（一）氨化作用第四十五頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期六(二)硝化作用：氨氧化成亞硝酸、硝酸的過程。分兩步進(jìn)行（好氧條件）NH3NO2-NO3-限速階段、控制階段第四十六頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期六（二）硝化作用常見的硝化細(xì)菌硝化菌（nitrifier）亞硝酸菌（nitritebacteria），亦稱氨氧化菌硝酸菌（nitratebacteria），亦稱亞硝酸氧化菌亞硝化單胞菌屬（Nitrosomonas）亞硝化球菌屬亞硝化螺菌屬亞硝化葉菌屬亞硝化弧菌屬亞硝酸菌硝化桿菌屬Nitrobacter硝化刺菌屬硝化球菌屬硝化螺菌屬硝酸菌第四十七頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期六硝化菌的主要特性化能自養(yǎng)好氧,G-適于中性和弱堿性環(huán)境生長速度慢，世代時(shí)間8~24小時(shí)對(duì)有害化學(xué)物質(zhì)敏感（用于毒性測定）厭氧氨氧化菌：NH4++NO2-N2

專性厭氧自養(yǎng)菌G-球狀第四十八頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期六

硝酸鹽呼吸（nitraterespiration）是指在缺氧條件下，有些細(xì)菌能以有機(jī)物為供氫體，以硝酸鹽作為最終電子受體的生物氧化過程。

硝酸鹽呼吸，也叫反硝化。不同的硝酸鹽還原菌將NO3－還原的末端產(chǎn)物不同，如N2（包括N2O、NO）、NH3和NO2－。（三）反硝化作用第四十九頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期六反硝化分兩步完成：NO3－還原為NO2－NO2－還原為N2一般說來，反硝化是在硝酸鹽（電子受體）與有機(jī)物（電子供體）同時(shí)存在、而氧氣又不足（DO<0.5mg/L）的情況下發(fā)生。第五十頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期六反硝化菌（Denitrifyingbacteria）及其特征：參與反硝化作用的細(xì)菌叫反硝化菌大多數(shù)是異養(yǎng)菌（反硝化桿菌、熒光假單胞菌），也有一些自養(yǎng)菌（反硝化硫桿菌）大部分是兼性細(xì)菌，有氧氣時(shí)利用氧氣呼吸，厭氧時(shí)利用硝酸和亞硝酸根呼吸第五十一頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期六10.5

微生物對(duì)無機(jī)元素的轉(zhuǎn)化作用硫是生物的重要營養(yǎng)元素，它是一些必需氨基酸和某些維生素、輔酶等的成分。在自然界硫素以元素硫、硫化氫、硫酸鹽和有機(jī)態(tài)硫的形式存在，其中硫酸鹽約占總硫量的10-25%，有機(jī)態(tài)硫約占50-75%植物一般只能以無機(jī)鹽類作為營養(yǎng)物質(zhì)。硫素各種形態(tài)的循環(huán)轉(zhuǎn)化，對(duì)不斷供給植物硫素營養(yǎng)非常重要。一、硫的生物轉(zhuǎn)化第五十二頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期六硫素循環(huán)①自然界中的S和H2S，經(jīng)微生物氧化形成SO42-;②SO42-被植物和微生物同化成有機(jī)硫化物，組成細(xì)胞物質(zhì)；動(dòng)物食用植物和微生物，將其轉(zhuǎn)變成動(dòng)物體的有機(jī)硫化物；③當(dāng)動(dòng)、植物和微生物尸體中的有機(jī)硫化物被微生物分解時(shí)，以H2S和S的形態(tài)返回自然界，完成硫循環(huán)過程。SO42-第五十三頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期六（一）硫化作用硫化作用：H2S→S→SO2-4硫化細(xì)菌：G-，將多種形式硫氧化成硫酸鹽硫磺細(xì)菌：氧化S2-→S，并將硫粒積累在細(xì)胞內(nèi)貝日阿托氏菌、發(fā)硫菌、辮硫菌：微量好氧絲狀，當(dāng)DO在1mg/L以下時(shí)，硫化物較多，這些硫磺細(xì)菌過渡生長引發(fā)活性污泥絲狀菌膨脹。第五十四頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期六在混凝土排水管和鑄鐵排水管中，在缺氧條件下，如果有硫酸鹽存在，經(jīng)常被還原為硫化氫。硫化氫可以被硫化細(xì)菌或硫磺細(xì)菌將硫化氫氧化為硫酸。再與管頂部的凝結(jié)水結(jié)合使混凝土管和鑄鐵管受到腐蝕。（二）反硫化作用SO42-SH2SH2S也可直接與Fe反應(yīng)生成FeS↓，當(dāng)反應(yīng)物被沖走后，管壁就留下一個(gè)個(gè)凹陷。為了減少對(duì)管道的腐蝕，除要求管道有適當(dāng)?shù)钠露?，使污水流?dòng)暢通外，還要加強(qiáng)管道的維護(hù)工作。細(xì)菌銹蝕只發(fā)生在10～30℃，pH5.5以上的條件。由于這種作用必須在厭氧中進(jìn)行，所以又叫厭氧銹蝕作用。第五十五頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期六二、磷的生物轉(zhuǎn)化第五十六頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期六三、金屬元素的生物轉(zhuǎn)化1.鐵的氧化和沉積：（一）鐵的生物轉(zhuǎn)化鐵細(xì)菌鐵細(xì)菌的特性：能利用還原態(tài)鐵作為能源；自養(yǎng)菌；絲狀菌；一般生活在含氧少、但有較多鐵質(zhì)和CO2的水中。第五十七頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期六2.鐵化合物的還原與溶解1）CO2、無機(jī)酸、有機(jī)酸的生成鐵沉降溶解2）氧化還原電位的降低3.有機(jī)鐵