有机物(污染物)的生物转化和分解.ppt

2.5 .1 有机物（污染物）的生物转化和分解 第一节 微生物对有机物的分解作用 第二节 有机物的生物分解性 第三节 不含氮有机物的生物分解 第四节 含氮有机物的生物分解 第五节 微生物对无机元素的转化作用 1 第一节 微生物对有机物的分解作用 基本概念： 有机物的生物分解：通过一系列的生化反应，最终将有机 物分解成小分子有机物或简单无机物的过程 根据是否有氧气存在的条件下进行，生物分解分为好氧分 解和厌氧分解两种。 好氧分解最终产物是稳定而无臭的物质，包括二氧化碳、 水、硝酸盐、硫酸盐、磷酸盐等。 厌氧分解最终产物主要是甲烷、二氧化碳、氨、硫化氢等 。 生活污水中的有机物主要是碳水化合物、蛋白质和脂肪。 工业废水中有机物成分复杂，除具有和生活污水相似的有 机组分外，还可能有有机酸、醇、醛、酮、酚、胺、腈等 。 2 第一节 微生物对有机物的分解作用 有机物的好氧生物分解分为两部分：一部分以用于细胞合 成，另一部分用于呼吸产能。 内源呼吸：微生物生长过程中，细胞物质的氧化 正常情况下，各类微生物细胞物质成分相当稳定，因此， 常用C5H7NO2表示细菌。 好氧生物分解基本理论 3 第一节 微生物对有机物的分解作用 3阶段： 1）发酵细菌作用阶段（水解发酵阶段） 2）产醋酸细菌作用阶段（产氢、产乙酸阶段） 3）产甲烷阶段 4类群： 1）发酵细菌 2）产氢产乙酸细菌 3）同型产乙酸细菌群 4）产甲烷细菌 厌氧生物分解基本理论：3阶段4 类群理论 4 三阶段4类群理论 1 发酵细菌作用阶段 碳水化合物 蛋白质 类脂 （1）原理： 胞外酶 单糖 氨基酸 脂肪酸 发酵 醇 低级脂肪酸 （2）参加的微生物： 发酵细菌群 梭菌属（Clostridium) 丁酸弧菌属（Butyrivibrio ） 拟杆菌属（Bacteroides) 大多专性厌氧；适宜pH4.58（3）特性 第一节 微生物对有机物的分解作用 5 2 产乙酸细菌作用阶段 上阶段产物 （丙酸、丁酸、醇等） 醋酸、甲胺 CO2、H2 （1）原理 （2）参加的微生物 产氢产乙酸细菌群 同型产乙酸细菌群 互营单胞菌属 互营杆菌属 梭菌属 暗杆菌属 绝对厌氧菌或兼性厌氧菌； 适宜pH 4.58 三阶段4类群理论 （3）特性： 第一节 微生物对有机物的分解作用 6 3 产甲烷细菌作用阶段 （1）原理 H2、CO2、CH3COO CH3NH2、CH3OH CH4 （2）参加的微生物 产甲烷细菌群 产甲烷杆菌属 产甲烷短杆菌属 产甲烷球菌属 严格厌氧菌 中温菌对温度敏感 pH 适宜6.87.2 增殖速率慢 三阶段4类群理论 （3）特性： 第一节 微生物对有机物的分解作用 7 厌氧消化三阶段四类群 废水中有机物 脂肪酸（丙酸、丁酸）、醇类 乙酸H2 + CO2 发酵性细菌 产氢产乙酸细菌 同型产乙酸细菌 产甲烷细菌 CH4 第一节 微生物对有机物的分解作用 三阶段4类群理论 8 第二节 有机物的生物分解性 有机物的生物分解性试验方法 （1）易生物分解试验 评价有机物是否很容易被生物完全分解。 （2）本质性生物分解试验 评价有机物是否具有被生物分解的性质。 （3）生物分解模拟试验 评价有机物在特定环境下的生物分解性。 9 第二节 有机物的生物分解性 有 机 物 的 生 物 分 解 性 评 价 步 骤 10 第二节 有机物的生物分解性 影响因素 有机物生物降解性与有机物分子结构有关系，受有机 物浓度、共代谢、有机物相互作用、微生物相互作用 等的影响。 污水中有机物生物分解性评价标准 最常采用BOD/COD比值 BOD/COD 0.4-0.6 可生物处理性良好 0.2 BOD/COD 0.4 较难生物处理 BOD/COD0.1 难以生物处理 11 第三节 不含氮有机物的生物分解 基本概念： 不含氮有机物： 碳水化合物、脂肪、酚、醛、酮、某 些有机酸、 烃和合成洗涤剂等。 碳水化合物是由碳、氢和氧3种元素组成。占到生活污 水中有机物的4050%。 单糖：葡萄糖 二糖：蔗糖、乳糖、麦芽糖 多糖：淀粉、纤维素、半纤维素 碳水化合物 12 第三节 不含氮有机物的生物分解 一 碳水化合物的分解 葡萄糖 糖酵解作用 丙酮酸 发酵 有氧无氧 各种发酵产物 三羧酸循环 被彻底氧化生成CO2和水，释放大量能量。 碳水化合物 水解 13 脂肪由碳、氢和氧几种元素组成。比较稳定，也能 被荧光杆菌、绿浓杆菌、灵杆菌等微生物分解。 脂肪 脂肪酶 甘油 脂肪酸 简单的酸+CO2+CH4 CO2+H2O 二 脂肪的转化 厌氧 好氧 水解 好氧 14 第四节 含氮有机物的分解 基本概念： 污水中的含氮有机物：蛋白质、氨 基酸、尿素、胺 类、 硝基化合物等。 生活污水中所含氮主要是以铵离子 或尿素形式存在。 氮是当今污水处理的主要去除对象 15 一 氮的循环 自然界中除植 物利用无机氮 转变为有机氮 外，其它各转 变过程均由微 生物作用 氨化作用 硝化作用 反硝化作用 生物体有机酸 NO3-NH4+ NO2- NO N2O 大气 N2 同化作用 氨化作用 硝化作用 硝化作用 反硝化作用 生物固氮 同化作用 还原作用 16 二 蛋白质的转化 （一）氨化作用 1. 蛋白质是由很多氨基酸（RCHNH2COOH）分子组成。 2. 蛋白质生物化学转化的第一步是水解。即转变为氨基酸。 3. 然后氨基酸发生脱氨基作用产生氨和不含氮的化合物。 4. 脱氨基作用可在有氧或无氧条件下进行。 5. 这种有机氮转变为氨氮过程称为氨化作用。 6. 参与氨化的细菌叫做氨化菌。好氧性有：荧光假单胞菌、灵 杆菌 ；厌氧性有：腐败梭菌 ；兼性菌有变形杆菌。 17 （二）硝化作用 1.氨在好氧硝化细菌的呼吸过程中转变为亚硝 酸，然后转变为硝酸的过程称为硝化作用。 2.硝化作用由两类细菌共同完成。分别是氨氧 化菌和亚硝酸氧化菌。两类细菌总称硝化菌 。 3.硝化菌是G菌、自养菌、好氧菌、偏好中性 或偏碱性。对毒物敏感。 18 （1）亚硝酸形成阶段 2NH3 + 3O2 亚硝酸细菌 2HNO2 + 2H2O + ATP （二）硝化作用 2HNO2 + O2 硝酸细菌 2HNO3 + ATP （2） 硝酸形成阶段 HNO2毒性很强，累积起来对植物有毒害。 HNO3是植物吸收利用的有效氮素养料。 19 硝化作用进行的条件 O2 NH3 碱性物质（中和产生的亚硝酸和硝酸） 不需有机物存在 蛋白质最终被氧化成： CO2、H2O、HNO3、H2SO4 （二）硝化作用 20 （三）反硝化作用 概念：硝酸盐在通气不良环境中（缺氧），被 反硝化细菌还原成NO2或 N2的过程。 1 反硝化过程 C6H12O6 + 4NO3-6H20 + 6CO2 + 2N2 +ATP 缺氧 N2 NO3- NO2-NON2O 反硝化细菌 21 参与反硝化作用的细菌称作反硝化细菌 。多数为异样、兼性菌 （三）反硝化作用 反硝化作用发生的条件 NO3- 有机物质存在 氧气 0.5 mg/L 22 （四）生物脱氮基本原理 含氮有机物 异养型 微生物 NH4+-N 氨化 作用 亚硝酸 细菌 NO2-N 硝酸 细菌 NO3-N 硝化作用有O2 反硝化 细菌 反硝化 作用无O2 N2、NO2 最终完成生物脱氮 污水中的含氮有机物，在生物处理过程中被异 养型微生物氧化分解，转化为氨氮，然后由自养 型硝化细菌将其转化为NO3-，最后再由反硝化细 菌将NO3-还原为N2。 23 活性污泥法传统脱氮工艺（3级）流程示意图 24 缺氧好氧活性污泥法脱氮系统 25 磷的转化 1 不溶性无机磷酸盐转化成可溶性磷酸盐。 Ca3（PO4）2 CaHPO4 （1） Ca3（PO4）2 +2CO2+2H2O 2CaHPO4+Ca（HCO3）2 （2） Ca3（PO4）2 +2HNO3 2CaHPO4+Ca（NO3）2 （3） Ca3（PO4）2 +H2SO4 2CaHPO4+CaSO4 2 有机磷化物 磷酸盐 解磷大芽孢杆菌 蜡质芽孢杆菌 霉状芽孢杆菌 第五节 微生物对无机元素的转化作用 26 磷的转化 1 不溶性无机磷酸盐转化成可溶性磷酸盐。 Ca3（PO4）2 CaHPO4 （1） Ca3（PO4）2 +2CO2+2H2O 2CaHPO4+Ca（HCO3）2 （2） Ca3（PO4）2 +2HNO3 2CaHPO4+Ca（NO3）2 （3） Ca3（PO4）2 +H2SO4 2CaHPO4+CaSO4 2 有机磷化物 磷酸盐 解磷大芽孢杆菌 蜡质芽孢杆菌 霉状芽孢杆菌 第五节 微生物对无机元素的转化作用 27 生物除磷原理 第五节 微生物对无机元素的转化作用 聚磷菌一类的细菌，可以过量地、超出其生理 需要地从外部摄取磷，并将其以聚合形态储存在体 内，形成高磷污泥。将高磷污泥排出系统，就可以 实现污水除磷。 生物除磷分两步进行： 聚磷菌的放磷（厌氧条件） 聚磷菌的磷过量摄取（好氧条件） 28 v 聚磷菌的放磷（厌氧） ATP 聚磷菌细胞内的 聚磷酸盐分解 PO43- 废水中 脂肪酸 PHB、糖原 储存在细胞内 PHB (聚羟基丁酸) 生物除磷原理 第五节 微生物对无机元素的转化作用 29 v 聚磷菌的磷过量摄取（好氧） 细胞内的PHB分解 ATP 废水 磷 聚磷菌 聚磷酸盐 以异染颗粒的形式储存在细胞内 好氧时摄取 的磷多于厌 氧时释放的 磷 生物除磷原理 第五节 微生物