微生物生态与环境工程中的微生物作用.ppt

第二篇微生物生态与环境工程中的微生物作用,第一章微生物生态,第二章微生物在环境物质循环中的作用,第三章水环境污染控制与治理的生态工程及微生物学原理,第四章污、废水深度处理和微污染源水预处理的微生物学原理,第五章有机固体废弃物与废气的微生物处理及其微生物群落,第六章微生物学新技术在环境工程中的应用,第一章微生物生态,第一节生态系统,第二节土壤微生物生态,第三节空气微生物生态,第四节水体微生物生态,第一节生态系统,一、生态系统和生物圈二、生态平衡三、生态系统的分类,一、生态系统和生物圈,生态系统(ecosystem)是生物圈的组成部分与基本单元。它是由生物群落及其生存环境组成的一个整体系统，可用下式表述：,生态系统=生物群落+环境条件,生态系统的功能包括：生物生产、能量流动、物资循环、信息传递。,生态系统的这些功能是在生物圈内进行的。生物圈是指：生存在地球陆地以上和海面以下个10km之间的范围，包括岩石圈、土壤圈、水圈和大气圈内所有生物群落和人以及他们生存环境的总体。,二、生态平衡,生态系统是开放系统，当能量和物质的输入（被植物等固定）大于输出（消费和分解、人类收获）时，生物量增加；反之，生物量减少。如果输入和输出在较长时间趋于相等，生态系统的组成、结构和功能将长期处于稳定状态。虽然各生物群落有各自的生长、发育、繁殖及死亡过程，但动物、植物和微生物等群落的种群、数量，它们的数量比均保持相对稳定。即使有外来干扰，生态系统能通过自行调节的能力恢复到原来稳定的状态（例如土壤和水体的自净）这就是生态系统的平衡，即生态平衡。,三、生态系统的分类,水体生态系统,陆地生态系统,淡水生态系统,海水生态系统,河流生态系统,湖泊生态系统,水体生态系统,陆地生态系统,动物生态系统,植物生态系统,土壤微生物生态系统,生存环境,生存状态,微生物生存状态,水体微生物生态系统,空气微生物生态系统,微生物生态系统,第二节土壤微生物生态,一、土壤微生物生态二、微生物在土壤的种类、数量和分布三、土壤自净和污染土壤微生物生态四、土壤污染和土壤生物修复,一、土壤微生物生态,土壤对微生物的生存的影响包括以下几个方面：营养；pH；渗透压；氧气和水；温度；保护层。,二、微生物在土壤的种类、数量和分布,土壤中的微生物含量是衡量土壤肥力的指标之一。肥沃土：11081109个微生物/克土贫瘠土：11061107个微生物/克土,根据土壤性质的不同，如pH、酸碱性、水分、透气性等，土壤中所含的微生物数量和种类各不相同。微生物在土壤中的分布随土层深度的增加而减少。,三、土壤自净和污染土壤微生物生态,土壤对施入其中一定负荷的有机物或有机污染物具有吸附和生物降解能力，通过各种物理、生化过程自动分解污染物使土壤恢复到原来水平的净化过程，称土壤自净。由于土壤中含有大量的微生物，可用土地法处理废水，污染物在土壤中的存在还会诱导土壤中微生物的变异。如果用污水对农田进行灌溉，只要不超过土壤自净能力是不会引起土壤污染的。,四、土壤污染和土壤生物修复,当污染物排放到土壤中，超过了土壤的自净能力，则会产生不良后果：1.破坏土地的生态平衡；2.有毒有害物质渗入到地下水中，危害人类；3.各种病原微生物会通过各种途径进入人体引起人体疾病。针对污染土壤的问题，人们开始了污染土壤的生物修复工作。即针对污染物的性质，选用高效的微生物菌种，投入到受污染的土壤中，并配以适当的营养和氧气，对受污染的土壤进行生物修复。针对受污染土壤的情况有原位生物修复、生物通风、挖掘堆置和反应器处理等方法。,第三节空气微生物生态,一、空气的生态条件二、空气微生物的种类、数量和分布三、空气微生物的卫生标准及生物洁净技术四、空气微生物检测,一、空气的生态条件,空气中有较强的紫外辐射，具有较干燥，温度变化大，缺乏营养等特点。所以空气不是微生物生长繁殖的场所。虽然空气中微生物数量较多，但只是暂时停留。微生物在空气中停留时间的长短由风力、气流和雨、雪等气象条件所决定，但它最终要沉降到土壤、水中、建筑物和植物上。,二、空气微生物的种类、数量和分布,空气中微生物的种类和所处的地理位置有关的，其数量也是如此，不同场所上空微生物的数量如下表所示：,空气中的微生物还随着海拔高度而变化，一般来说，海拔越高，微生物数量越少。,单位：个/m3,三、空气微生物的卫生标准及生物洁净技术,以细菌总数评价空气的卫生标准：,外部大环境的卫生洁净技术主要靠绿化环境，搞好生态环境，局部环境主要可通过空气过滤器来实现。,四、空气微生物检测,空气中微生物的检测可通过：,固体法：（1）平皿落菌法；（2）撞击法2.液体法空气微生物的测点数越多越准确，以2030个点为宜，最少测点数为56个。采样后的培养温度和时间一般是37和48h。,第四节水体微生物生态,一、水体的微生物群落二、水体自净和污染水体的微生物生态三、水体富营养化,水体中微生物的来源主要有四个方面：1.水体中固有的微生物2.来自土壤的微生物3.来自生产和生活的微生物4.来自空气微生物,一、水体的微生物群落,（一）海洋中微生物群落,在近海由于自然和人为的影响，微生物含量比远海要多。在海洋不同的深度，由于阳光和溶解氧的变化，微生物的含量呈一定的变化规律。,在海洋上部以含有好氧性的微生物和藻类为主，在深处主要以兼性或厌氧性的微生物为主。海洋微生物的最大特点是耐盐或嗜盐性的。,（二）淡水微生物群落,河流、湖泊、小溪和池塘等水体中微生物种类和土壤中的相似。分布规律和海洋的相似。影响微生物群落和分布、种类和数量的因素主要有：水体类型、受污（废）水污染程度、有机物的含量、水温、pH及水深等。,二、水体自净和污染水体的微生物生态,水体自净过程和各种水生物随水流距离或时间的变化如图所示。,水体自净：水体接纳了一定量的有机污染物后，在物理的、化学的和水生物的因素的综合作用下得到净化，水质恢复到污染前的水平和状态。,水体自净容量：是指在水体正常生物循环中能够净化有机污染物的最大数量。,（一）水体自净由于天然水体的各种生物和微生物之间构成的一个生物循环的生物链，因而水体有一个自净的能力。,P/H指数：P代表光合自养型微生物，H代表异养型微生物，两者的比即P/H指数。P/H指数反映水体污染和自净程度。水体刚被污染，水中有机物浓度高，异养型微生物大量繁殖，P/H指数低，自净速率高。在自净过程中，有机物减少，异养型微生物数量减少，光合自养型数量增多，故P/H指数升高，自净速率逐渐降低，在河流自净完成后，P/H指数恢复到原有水平。,氧浓度昼夜变化幅度和氧垂线：由于受到阳光照射的不同，水体中白天和晚上水体中溶解氧的含量是不同的。因此对于受污染的河流，水体中的微生物及水生生物也呈一定规律的变化。如图所示。,衡量水体自净的指标,（二）污水体系的微生物生态当有机物排入河流后，在排污点的下游进行着正常的自净过程。沿着河流方向形成一系列连续的污化带，例如多污带、-中污带、-中污带和寡污带。,水体有机污染指标：BIP指数用来衡量水体有机污染程度。,式中：A为有叶绿素的微生物数；B为无叶绿素的微生物数,利用BIP值可以判断水体的污染程度。如下表所示：,细菌菌落总数(CFU)：细菌菌落总数是指1ml水样在营养琼脂培养基中于37培养24h后所生长出来的菌落总数。由于粪便的污染，水源水中通常含有致病菌，其典型的代表有：痢疾杆菌痢疾贺氏菌(Shigelladysenteriae)、副痢疾贺氏菌(Shigellaparadysenteriae)、伤寒沙门氏菌(Salmonellatyphi)、甲型、乙型和丙型的副伤寒沙门氏菌(Salmonellaparatyphi)及霍乱弧菌(Vibriocholerae)等。水源水中细菌菌落总数不能说明污染物的来源，因此通常用大肠菌群数来判断水的污染源。大肠菌群数被选作致病菌的间接指示菌是因为大肠菌群是人肠道中正常寄生菌，数量大，对人较安全，在环境中的存活时间与致病菌相近，而且检验技术较简便，因而被选中，一直沿用至今。,三、水体富营养化,（一）水体富营养化的概念与发生由于某些自然因素，尤其是人类将富含氮、磷的城市生活污水和工业废水排放入自然水体中，使得自然水体中的氮、磷营养过剩，促使水体中藻类过量生长，使淡水水体发生“水华”，使海洋发生“赤潮”。与富营养化关系密切的藻类，被报道得较多的是蓝藻中的微囊藻属(Microcystis)，腔球藻属(Coelosphaerium)和鱼腥藻属(Anabaena)。由于水体中藻类和异养细菌的代谢活动，耗尽了水中的溶解氧，大量藻类覆盖在水面，大气中的氧不易溶于水，造成水体缺氧，使浮游动物和鱼类无法生存。加上藻类分泌致臭、致毒物而严重影响水质。,（二）评价水体富营养化的方法与AGP,评价水体富营养化的方法：1.观察蓝藻等指示生物；2.测定生物的现存量；3.测定原始生产力；4.测定水体透明度；5.测定氮和磷等导致富营养化的物质。,AGP即藻类生产的潜在能力。把特定的藻类接种在天然水体或废水中，在一定的光照度和温度条件下培养，使藻类增长到稳定期为止，通过测干重或细胞数来测其增长量。此即藻类生产的潜在能力（AGP）。,（三）防止水体富营养化,防止天然水体富营养化的根本措施是将各种污水和废水中的氮和磷的排放量控制在低的水平。目前我国规定污水处理厂出水的氨氮控制在15mg/L以下。欧洲的标准是5mg/L以下。而磷的排放量尚未规定。,第二章微生物在环境物质循环中的作用,第一节氧循环,第二节碳循环,第三节氮循环,第四节硫循环,第五节磷循环,第六节铁循环,第一节氧循环,人和动物呼吸微生物有机物分解,O2,植物藻类,O2,光,第二节碳循环,一、纤维素的转化二、半纤维素的转化三、果胶质的转化四、淀粉的转化五、脂肪的转化六、木质素的转化七、烃类物质的转化,一、纤维素的转化,纤维素是葡萄糖的高分子聚合物，分子式：(C6H10O5)140010000纤维素在微生物酶的作用下，分解为葡萄糖。这类微生物主要有细菌、放线菌和真菌等。,二、半纤维素的转化,半纤维素存在于植物细胞壁中。半纤维素的组成中含聚戊糖、聚己糖及聚糖醛酸。造纸废水和人造纤维废水含半纤维素。分解纤维素的微生物大多能分解半纤维素。半纤维素的分解过程如下：,三、果胶质的转化,果胶质存在于植物细胞壁和细胞间质中，造纸、制麻废水多含有果胶质。天然的果胶质不溶于水，称原果胶。果胶质水解生成的果胶酸、聚戊糖、半乳糖醛酸、甲醇等在好氧条件下分别为二氧化碳和水，在厌氧条件下进行丁酸发酵，产物有丁酸、乙酸、醇类、二氧化碳和氢气。好氧分解果胶质的微生物有：枯草芽孢杆菌、多粘芽孢杆菌、浸软芽孢杆菌等。,四、淀粉的转化,淀粉的种类包括：直链淀粉和支链淀粉。淀粉广泛地存在于植物种子（稻、麦、玉米）之中。凡是以上述物质作为原料的工业废水等均含有淀粉。,五、脂肪的转化,脂肪是甘油和高级脂肪酸所形成的脂，不溶于水，可溶于有机溶剂。毛纺、油脂厂废水，制革废水含有大量油脂。脂肪被微生物分解的反应式如下：,甘油的转化,六、木质素的转化,木质素是植物木质化组织的重要成分，稻草秆、麦秆和木材是造纸的原料，木材也是人造纤维的原料。所以造纸和人造纤维废水均含有大量木质素。分解木质素的微生物主要是担子菌纲中的干朽菌、多孔菌、伞菌等的一些种，有厚毛霉和松全菌。假单胞菌的个别种也能分解木质素。木质素被微生物分解的速率缓慢，在好氧条件下分解木质素比在厌氧条件下快，真菌分解木质素比细菌快。,七、烃类物质的转化,炼油厂、煤气厂、焦化厂、化肥厂的废水均含有芳香烃。酚和苯的分解菌有假单胞菌，铜绿色假单胞菌及苯杆菌等。苯的代谢如下：,第三节氮循环,一、微生物转化氮素物质的一般途径二、氨化作用三、硝化作用四、反硝化作用五、固氮作用六、其它含氮物质的转化,一、微生物转化氮素物质的一般途径,氮素是核酸及蛋白质的主要成分，是构成生物体的必须元素。自然界蕴藏着丰富的氮素物质，其主要形态有三种：1.分子态氮，存在于空气中，数量最大，占空气容量近79%，每亩土地上空估计有5000吨；2.生物体中的蛋白质、核酸和其它有机氮化物；3.铵盐及硝酸盐等无机态氮化物。前两种形态的氮虽然数量很大，但不能被植物直接吸收利用。后一种形态的氮，是植物所能吸收的氮，但为数很少，远不能满足地面植物对氮素营养的需求。上述三种形态的氮素物质，在自然界中因生物的作用，不断地相互转化，进行着氮素循环。氮素循环图例1、2,二、氨化作用,有机氮化物在微生物的分解作用中释放出氨的过程，称为氨化作用(ammonification)。这里着重介绍：,（一）蛋白质的分解（二）核酸的分解（三）其它含氮有机物的分解,（一）蛋白质的分解,1.氧化脱氨基作用：产生酮酸和氨,2.水解脱氨基作用：产生含氧酸和氨,3.还原脱氨基作用：产生饱和酸和氨,氨基酸脱氨基后的残余基团是一个有机酸，将作为微生物生活的碳源物质，在呼吸作用中或被氧化分解成CO2。或被发酵生成低分子有机酸、醇或碳氢化合物。绝大多数异养型微生物，包括细菌、真菌、放线菌，都有不同的蛋白质分解能力。在自然界中，它们分布很多。作用强的有：荧光假单胞菌、灵杆菌和变形杆菌等兼性细菌，巨大芽孢杆菌、覃状芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、肠膜芽孢杆菌、蜡状芽孢杆菌等需氧性细菌，腐败芽孢杆菌等厌氧菌。真菌中有木霉、曲霉、毛霉中的一些种，康氏木霉和黑曲霉的氨化能力最强。,（二）核酸的分解,各种生物细胞中均含有大量的核酸，它们是核苷酸的缩聚物。,许多微生物都能分解核酸。细菌中有芽孢杆菌、梭菌属、分枝杆菌属、节杆菌属等，真菌中有曲霉、青霉、镰胞霉等，放线菌中的链霉菌属都能分解核酸。,（三）其它含氮有机物的分解,1.尿素分解尿素的微生物有：芽孢八叠球菌、巴斯德氏芽孢杆菌等。,2.几丁质某些微生物如贝内克氏菌属中的一些种，产生几丁质酶使几丁质水解，生成氨基葡萄糖和乙酸。氨基葡萄糖再经脱氨基酶作用，生成葡萄糖和氨。,几丁质酶,三、硝化作用,氨经过微生物作用氧化成亚硝酸，再进一步氧化成硝酸的过程，称为硝化作用（Nitrification）。,（一）亚硝化作用,（二）硝化作用,自然界引起氨氧化的微生物最主要是一群化能自养型细菌，它们从氧化HNO2及HNO3中取得能量，以CO2为碳源进行生活。引起亚硝化作用的主要是亚硝化单胞菌属（Nitrosomonas），引起硝化作用的主要是硝化杆菌属（Nitrobacter）。它们都是革兰氏染色阴性、不生芽孢的、球状或短杆状细菌。,四、反硝化作用,硝酸在通气不良情况下借微生物作用而还原的过程，称为反硝化（Denitrification）。由于还原的程度不同，可生成不同的还原态产物，如亚硝酸、次亚硝酸、一氧化氮、以至分子态氮等。,引起反硝化作用的微生物，统称为反硝化微生物。它们在环境中种类很多，数量亦大，包括细菌、真菌和放线菌中的多种微生物，能将硝酸还原为亚硝酸。,微生物进行反硝化作用的适宜条件是：,五、固氮作用,微生物直接利用大气中的分子态氮，使之还原为氨的过程，称为固氮作用（Nitrogenfixation）。,需氧固氮微生物包括固氮菌属(Azotobacter)。兼性厌氧固氮微生物中包括肠杆菌中的肺炎克雷伯氏菌(Klebsiellapneumoniae)。厌氧性固氮菌中主要有梭状芽孢杆菌属。,光合型固氮微生物中，蓝细菌的许多属能进行旺盛的固氮作用。共生固氮微生物中最引人注目的是根瘤菌属(Rhizobium)。,六、其它含氮物质的转化,其它含氮物质主要指氢氰酸、乙腈、丙腈、正丁腈及硝基化合物。它们来自腈纶废水、国防工业废水、电镀废水等。土壤和水体受到上述物质不同程度的污染，对人畜都有毒害。,在有氧条件下，氰化物氧化分解如下：,担子菌能利用甲醛、氨水和氢氰酸在腈合成酶的作用下缩合成-氨基乙腈，进而合成丙氨酸。,第四节硫循环,一、含硫有机物的转化,二、无机硫的转化,硫有三态：元素硫、无机硫化物及含硫有机化合物。这三者在化学和生物作用下互相转化，构成硫的循环。,一、含硫有机物的转化,含硫有机化合物如蛋白质、含硫氨基酸、磺氨酸等在许多土壤微生物的分解中，经脱硫作用生成硫化氢，进行含硫有机物的无机质化的过程。,在分解不彻底时可形成硫醇暂时累积，但在进一步氧化中，仍以硫化氢为最后产物。,二、无机硫的转化,1.硫化作用：硫化氢、元素硫或硫化亚铁等在硫细菌的作用下进行氧化，最后生成硫酸的过程，称为硫化作用(Sulphurication)。参与硫化作用的微生物有硫化细菌和硫磺细菌。,如：氧化硫杆菌：2S+3O2+2H2O2H2SO4+能量,2.反硫化作用：硫酸盐在缺氧条件下被一些微生物利用而还原生成硫化氢的过程称为反硫化作用(Desulphurication)。主要是硫酸还原菌所引起。,2H2S+O22H2O+2S+能量,C6H12O6+3H2SO46CO2+6H2O+3H2S+能量,如脱硫脱硫弧菌(Desulfovibriodesulfuricans)是具有强烈反硫化作用的细菌的典型代表。能将硫酸盐还原成H2S。,第五节磷循环,一、含磷有机物的分解,二、不溶解性磷矿物的溶解,磷在土壤和水体中以含磷有机物、无机磷化合物及还原态PH3三种状态存在。磷的循环如下图所示。,三、磷酸盐的还原,一、含磷有机物的分解,来自生物体的有机磷化物，主要有核酸、植酸、卵磷脂以及各种磷脂酸。能分解这些有机磷化物的微生物有细菌、放线菌和真菌中的有关类群。它们能将有机磷化物转化分解，释放出其中的磷酸部分，使成为无机磷酸盐状态存在于环境中。由于微生物种类不同，所产生的磷脂酶类不同，作用的有机磷化物不同，产物也不一样。,二、不溶解性磷矿物的溶解,不溶性磷矿物通过微生物生命活动过程中产生的酸类物质逐渐溶解，转化成水溶性的磷酸盐类。微生物分解有机质产生的CO2，溶入水中成为碳酸盐即有此种作用。,Ca3(PO4)2+4H2CO3+H2OCa(H2PO4)2H2O+2Ca(HCO3)2,至于许多微生物活动产生的各种有机酸，以及硝化细菌、硫化细菌产生的HNO3及H2SO4等，比H2CO3作用更强。,Ca3(PO4)2+2CH3CHOHCOOH2CaHPO4+Ca(CH3CHOHCOO)2,Ca3(PO4)2+2H2SO4Ca(H2PO4)2+2CaSO4,这些产酸能力强的细菌和真菌，不仅能溶解简单的磷酸三钙等磷酸盐，而且对于磷矿物如磷灰石中所结合的磷也能分解成水溶性的磷酸盐。,三、磷酸盐的还原,在有机养料很多但缺乏氧气的条件下，环境中的磷酸盐可以因微生物作用而被还原。它与硝酸还原和硫酸还原作用类似，丁酸梭状芽孢杆菌和大肠埃希氏菌可引起这种转化，其过程大致如下：,H3PO4H3PO3H3PO2PH3,第六节铁循环,（一）高铁化物的还原和溶解,环境中高铁化物是沉淀性的，通过微生物生命活动时产生的酸类使之溶解；也可以因为微生物分解有机质降低了环境中的氧化还原电位，从而使高铁化物还原成亚铁化物而溶解。,（三）含铁化合物的形成与分解,溶解性的铁可被微生物吸收利用形成有机结合态，或与有机酸结合成为有机酸铁盐。有机含铁化合物又可分为微生物分解，将无机态的铁释放出来。,（二）亚铁化物的氧化和沉淀,土壤中有一类特殊生理的细菌，因它们的生命活动引起亚铁化合物氧化成高铁化合物而沉淀，这类细菌特称为铁细菌。它们是兼性或专性的化能营养型细菌，从氧化铁化合物过程中获得能量，同化CO2合成有机质。,第三章水环境污染控制与治理的生态工程及微生物学原理,第一节污、废水生物处理中的生态系统,第二节活性污泥丝状膨胀和丝状膨胀控制,第三节厌氧环境中活性污泥和生物膜的微生物群落,第一节污、废水生物处理中的生态系统,一、好氧活性污泥法,二、好氧生物膜法,好氧处理,厌氧处理,微生物与氧的关系,微生物的状态,活性污泥法,生物膜法,一、好氧活性污泥法,（一）好氧活性污泥中的微生物群落,1.好氧活性污泥的组成和性质,2.好氧活性污泥的存在状态,3.好氧活性污泥的微生物群落,4.好氧活性污泥微生物的浓度和数量(MLSS),（二）好氧活性污泥净化废水的作用机理,好氧活性污泥的净化作用有类似于水处理工程中混凝剂的作用，同时有能吸收和分解水中溶解性污染物。因为它由有生命的微生物组成，能自我繁殖，有生物“活性”，可以连续反复使用，而化学混凝剂只能一次使用，故活性污泥比化学混凝剂优越。好氧活性污泥的净化机理和过程,（三）好氧活性污泥法的几种处理工艺流程,（四）氧化塘（或氧化沟）中的微生物群落及其处理废水机理,（五）菌胶团的作用,1.指示作用；2.净化作用；3.促进絮凝和沉淀作用,（七）好氧活性污泥的培养,（六）原生动物及后生动物的作用,好氧活性污泥的净化机理,水体自净和有机废水净化过程中微生物演变的过程,二、好氧生物膜法,好氧生物膜法构筑物有普通滤池、高负荷生物滤池、塔式生物滤池，还有生物转盘、接触氧化法等。,（一）好氧生物膜中的微生物群落,1.好氧生物膜；2.好氧生物膜中的微生物群落及其功能；3.好氧生物膜的结构；4.好氧生物膜的净化作用机理,（二）好氧生物膜的培养,1.自然挂膜法；2.活性污泥挂膜法；3.优势菌种挂膜法,第二节活性污泥丝状膨胀和丝状膨胀控制,一、活性污泥丝状膨胀的原因,二、控制活性污泥丝状膨胀的对策,曝气池中有正常活性污泥和膨胀污泥。膨胀污泥包括由丝状细菌引起的丝状膨胀污泥和有非丝状细菌引起的菌胶团膨胀污泥。一般用污泥体积指数SVI来衡量污泥沉降性能。,一、活性污泥丝状膨胀的原因,由于丝状细菌极度生长引起的活性污泥膨胀称为活性污泥丝状膨胀。引起丝状膨胀的微生物种类很多。,下列因素都可使丝状微生物过度生长：1.温度；2.溶解氧；3.可溶性有机物浓度及种类；4.有机物浓度；5.pH,引起活性污泥丝状膨胀的机理包括：1.对溶解氧的竞争；2.对可溶性有机物的竞争；3.对氮、磷的竞争；4.对有机物冲击负荷影响。,二、控制活性污泥丝状膨胀的对策,解决污泥丝状膨胀的问题，根本是要控制引起丝状微生物过度生长的环境因子。主要控制：,1.控制溶解氧,2.控制有机物负荷,3.改革工艺,第三节厌氧环境中活性污泥和生物膜的微生物群落,一、厌氧消化甲烷发酵,二、光合细菌处理高浓度有机废水,三、含硫酸盐废水的厌氧微生物处理,一、厌氧消化甲烷发酵,沼气发酵是微生物在厌氧条件下分解有机质产生沼气的过程。,沼气发酵过程是个非常复杂的过程，其中涉及多种交替作用的菌群，各要求不同的基质与条件，形成了极为复杂的相互作用体系，因而沼气发酵的生物化学至今尚未全部阐明。,（一）沼气发酵的生物化学,现在比较普遍接受沼气的三阶段理论，明确认识到微生物生成甲烷的底物只限于乙酸、甲酸、H2、CO2等几种化合物：,1.液化阶段；2.产氢产乙酸阶段；3.产甲烷阶段,1.液化阶段：复杂有机物如纤维素、蛋白质、脂肪等在微生物作用下降解至其基本结构单位或简单有机酸、醇等。这是一些广泛存在于环境中的异养微生物，主要为兼性厌氧微生物及少数厌氧菌所引起。,2.产氢产乙酸阶段：主要是将第一阶段中产生的或原已存在于物料中的简单有机物经微生物作用转化生成乙酸、H2、及CO2。引起作用的菌统称产氢产乙酸细菌。,上述1和2两个阶段可合称为不产甲烷阶段，其作用微生物称非甲烷菌。,3.产甲烷阶段：在甲烷细菌的作用下将乙酸（包括甲酸）、CO2、H2转化为CH4。甲烷发酵过程,（二）甲烷细菌,甲烷细菌是一群只有相同生理特征的细菌。其外形各不相同，但细胞壁结构相同，均不含肽聚糖，是与绝大多数细菌不同之处。根据DNA序列分析，将其列于古菌纲中。甲烷细菌中常见的属有，甲烷杆菌属、甲烷八叠球菌属、甲烷球菌属。,甲烷细菌广泛分布于自然界。在厌氧污泥、粪便及动物肠道中经常存在。它们要求严格厌氧条件，在淡水底泥中，当氧化还原电位为-250mV甚至更低时，甲烷菌数量最多。一般为中温型，2040生长，最适温度为3738，少数高温型最适温度为5354。适宜于中性或微碱性。它们属于自养型微生物，不能利用碳水化合物、蛋白质或其它有机物作为能源和碳源。甲烷细菌都以NH4+做氮源。,（三）厌氧处理构筑物,1.普通厌氧消化池：最常用的是厌氧消化池。污水、污泥定期或连续加入消化池，经过消化后的污泥和污水分别由消化池底部和上部排出。所产生的沼气则由顶部排出。,2.厌氧生物滤池：厌氧生物滤池在使用块状填料的情况下，体积负荷可以达到36kgCOD/（m3d）。,3.二阶段厌氧处理法：适用于悬浮物较多的污水。,（四）厌氧处理法的基本要求,1.菌种：采用混合菌种。第一次投料时必须引入足够数量的混合菌种，或经过厌氧消化培养了的污泥。,2.严格缺氧环境。,3.发酵温度：污水最适温度中温型：2040；高温型：5354。,4.废水组成：CN=10201为佳。P要保持在1%左右,5.pH和有机酸浓度：pH维持在6.57.5为宜。有机酸浓度（以乙酸计）是控制发酵的重要指标，以2000mg/L为宜。,6.CO2检测：CO2检测可以鉴别不产甲烷与产生甲烷阶段的平衡情况。CO2以占沼气的2535%为好。若大于35%时，说明平衡被破坏。,二、光合细菌处理高浓度有机废水,BOD5在10000mg/L以上的高浓度有废水（粪便废水、豆制品废水、食品加工废水、屠宰废水等）可利用有机光合细菌(PotosynteticBacteriaPSB)处理。因为有机光合细菌只能利用脂肪酸等低分子化合物，所以在有机光合细菌处理废水之前，要用水解性细菌将碳水化合物、脂肪和蛋白质水解为脂肪酸、氨基酸、氨等物质。这样可以得到较好的处理效果。,三、含硫酸盐废水的厌氧微生物处理,在发酵工业废水，如味精废水和赖氨酸废水中含的硫酸根(SO42-)有20030000mg/L。高浓度的SO42-对微生物有毒害作用。在有SO42-存在时硫酸还原细菌和产甲烷细菌争夺氢，产甲烷细菌无法获得H2，从而还原CO2为CH4。故在甲烷发酵前，要先降低SO42-到甲烷菌能忍受的浓度后，再进行甲烷发酵处理。一般用化学方法降低SO42-，如加入Ca和Ca(OH)2生成CaSO4沉淀可去除SO42-，若加少量的FeCl3，效果更佳。,第四章污、废水深度处理和微污染源水预处理的微生物学原理,第一节污、废水深度处理脱氮、除磷与微生物学原理,第二节微污染水源水预处理中的微生物学问题,第三节饮用水的消毒及其微生物学效应,第一节污、废水深度处理脱氮、除磷与微生物学原理,一、污、废水深度处理脱氮、除磷的目的和意义,二、天然水体中氮、磷的来源,三、微生物脱氮工艺、原理及其微生物,四、微生物除磷原理、工艺及其微生物,一、污、废水深度处理脱氮、除磷的目的和意义,各种污、废水经过二级处理可溶性含碳有机物已大部分被去除，对于城市生活污水和有些工业废水还含有NH3-N、NO3-N和PO43-、SO42-。,水体中的氮、磷过量，容易引起水体的富营养化。使蓝藻、绿藻疯长，一方面引起水体缺氧，还会产生毒素危害水中的鱼虾并对人体产生危害。如果是发生在水源地区，则影响人类生活和工农业生产，因此，废水的深度处理是十分必要的。,二、天然水体中氮、磷的来源,天然水体中氮、磷的来源主要来自农业上使用的化肥和农药；工业方面的化肥、石油炼制、焦化，印染等；人们日常生活中的饮食及洗涤等用水。,三、微生物脱氮工艺、原理及其微生物,工艺包括：A/O、A2/O、A2/O2、SBR等。,原理：在硝化菌的作用下，将NH3转化为NO3-N。再在缺氧条件下在反硝化菌的作用下将NO3-N转化为N2。,亚硝化细菌和硝化细菌是革兰氏阴性菌。它们生长速率均受基质浓度、温度、pH值、氧浓度控制。全部是好氧菌。,反硝化细菌的碳源来自有机物，如葡萄糖、乳酸、丙酮酸、甲醇等。H2S和H2可作为供氢体，碳源为CO2。能源从氧化有机物获得。它的最终电子受体是NO3-和NO2-。,NO3NO2NON2ON2,+2e,+e,+e,+e,生物除氮的最新发现：厌氧氨氧化(ANAMMOX),1995年A.Mulder等人在FEMSMicrobiologyEcology上发表了文章：Anaerobicammoniumoxidationdiscoveredinadenitrifyingfluidizedbedreactor。发现了厌氧氨氧化现象。,A:MicrographofabiomassaggregatefromanAnammoxenrichmentculture.Thedominantcoccoidcellispresentinpackagesandmicrocolonies.B:MicrographofthedominantcoccoidcellpresentintheAnammoxenrichmentcultures.Preparationwasobtainedaftersedimentationofsuspendedmaterialfromauidizedbedreactor.C:ElectronmicrographofsuspendedAnammoxbiomassxedwith2.5%glutaraldehydein20mMK2HPO4/KH2PO4buerpH7.4.ThemicrographwastakenattheDepartmentofElectronMicroscopy(I.Keizer,K.Sjollema,M.Veenhuis),StateUniversityofGroningen,TheNetherlands.,Possiblereactionmechanismsandcellularlocalizationoftheenzymesystemsinvolvedinanaerobicammoniumoxidation.A:Ammoniumandhydroxylamineareconvertedtohydrazinebyamembrane-boundenzymecomplex,hydrazineisoxidizedintheperiplasmtodinitrogengas,nitriteisreducedtohydroxylamineatthecytoplasmicsiteofthesameenzymecomplexresponsibleforhydrazineoxidationwithaninternalelectrontransport.B:Ammoniumandhydroxylamineareconvertedtohydrazinebyamembrane-boundenzymecomplex,hydrazineisoxidizedintheperiplasmtodinitrogengas,thegeneratedelectronsaretransferredviaanelectrontransportchaintonitritereducingenzymeinthecytoplasm.,四、微生物除磷原理、工艺及其微生物,某些微生物在好氧时不仅能大量吸收磷酸盐合成自身核酸和ATP，而且能逆浓度梯度过量吸磷合成贮能的多聚磷酸盐颗粒于体内，供其内源呼吸用。称这些细菌为聚磷菌。聚磷菌在厌氧时又能释放磷酸盐于体外。,第二节微污染水源水预处理中的微生物学问题,一、微污染水源水预处理的目的和意义,二、水源水污染源和污染物,三、微污染水源水微生物预处理及微生物群落,一、微污染水源水预处理的目的和意义,微污染水源水是受到有机物、氨氮、磷及有毒污染物较低程度污染的水源水。尽管污染物浓度低，但经自来水厂原有的混凝、沉淀、过滤、消毒的传统工艺处理后，未能有效去除污染物，只能去除2030%COD。尤其是致癌物的前体物如烷烃类残留在水中，经加氯处理后产生卤代烃三氯甲烷和二氯乙酸等“三致”物。氨氮较高，导致供水管道中亚硝化细菌增生，促使NO2-浓度增高，残留有机物还可能引起管道中异养菌孳生。导致饮用水中细菌不达标，这种水被人饮用会危害人体健康。为此，人们不仅致力于水厂的水处理工艺改革，探索更有效的处理工艺和技术。同时重视水源水的预处理，双管齐下，确保饮用水的卫生与安全。,二、水源水污染源和污染物,水源水污染源：是未经处理的工业废水，生活污水、农业灌溉和养殖业排放水。还有未达到排放标准的处理水。污染物：有机物、氨氮、藻类分泌物、挥发酚、氰化物、重金属、农药等。,三、微污染水源水微生物预处理及微生物群落,预处理的目的：去除水源水中的有机物和氨氮。需要解决的问题：通过反硝化将硝酸盐氮还原为氮气逸出水中到大气。但微污染水源水中有机物含量远低于废水，普遍存在碳源不足，反硝化困难。,1.微生物预处理工艺,膜法生物处理：生物滤池，生物转盘、生物接触氧化法、生物流化床等。,预处理的方式：源水预处理混凝沉淀快砂滤慢砂滤加氯消毒清水贮罐出水,微生物有：贫营养异养菌、亚硝化细菌、硝化细菌、反硝化细菌、藻类、霉菌。,原生动物有：钟虫、累枝虫、盖纤虫、独缩虫、聚缩虫、喇叭虫、漫游虫、变形虫、太阳虫、鞭毛虫、草履虫等。,微型后生动物有：旋轮虫等。,2.水源水预处理的运行条件,微生物：适应贫营养环境的微生物;供氢体：若要去除有机物又要去除氨氮,就面临供氢体问题。用电极生物膜反应器微电解水放出氢H2解决反硝化所需的H2供体。溶解氧：低于0.2mg/L以下，有利于反硝化。水温和pH：20以上，pH=7左右处理效果较好。处理效率：COD去除1030%，氨氮去除75%以上。,第三节饮用水的消毒及其微生物学效应,一、水消毒的重要性,二、水的消毒方法,一、水消毒的重要性,疾病可通过水作媒体得到传播，为了防止病原微生物随生活污水和医院污水进入环境，随饮用水、游泳池水进入人体，使人得肠道传染病及其它疾病，故必须对饮用水进行严格消毒。游泳池水循环系统也要消毒。医院污水特别是肠道传染病医院的生活污水则要求做到灭菌的程度。现在流行喝桶装的矿泉水、优质水、纯净水、因生喝更要严格消毒，消灭病原菌，包括水和桶的消毒。,二、水的消毒方法,（一）煮沸法；（二）加氯消毒；（三）臭氧（O3）消毒；（四）过氧化氢（H2O2）消毒；（五）紫外辐射消毒；（六）微电解消毒等。,第五章有机固体废弃物与废气的微生物处理及其微生物群落,第一节有机固体废弃物的微生物处理及其微生物群落,第二节废气的生物处理,第一节有机固体废弃物的微生物处理及其微生物群落,一、堆肥法,二、卫生填埋法及渗滤液,有机固体废弃物来自各种生活废弃物，其组分随着季节变化而变化。当前各国城市对垃圾的处理方法主要有：堆肥法、填埋法和焚烧法。这里主要介绍：,一、堆肥法,堆肥法是一种古老的微生物处理有机固体废弃物的方法。最早的堆肥法用的是厌氧发酵，发酵周期长，约46个月，占地面积大。后来将发酵的渗滤液循环使用，通入空气进行好氧发酵，使发酵周期缩短至20天。好氧堆肥的机理：好氧微生物分解大分子有机固体废弃物为小分子有机物，并放出大量的热。,发酵的初期有中温好氧的细菌和真菌，分解碳水化合物、蛋白质、脂肪，同时散发热量，使温度升高至50；好热性的细菌、放线菌和真菌分解纤维素和半纤维素。温度升高至60，真菌停止活动，继续由好热的细菌和放线菌分解纤维素和半纤维素。温度升高至70，致病菌和虫卵被杀死，此时，一般的嗜热高温细菌和放线菌也停止活动，堆肥腐熟稳定。,堆肥工艺：静态堆肥工艺、高温动态二次堆肥工艺、立式仓库堆肥工艺、滚筒式堆肥工艺。,二、卫生填埋法及渗滤液,卫生填埋法是在堆肥的基础上发展起来的，其处理原理与厌氧堆肥原理相同，均利用好氧微生物、兼性厌氧微生物和厌氧微生物处理。,填埋场处理量大，废弃物的成分复杂，有机物及无机物均有。地面水流入和雨水冲刷可将微生物厌氧发酵产生的可溶性有机物溶出，形成数量较大的渗滤液，需排出另行处理。,渗滤液的化学成分复杂，含有大量有机酸，氨氮含量高，还含有重金属，用厌氧-缺氧-好氧生物处理方法综合处理，最后用化学混凝剂混凝、沉淀后再排放到水体，净化程度较高。,一、废气的处理方法,二、含恶臭污染物及NH3、CO2的微生物处理,第二节废气的生物处理,大气中的废气来源很多：有各类化工厂、化纤厂、石油化工、发电厂、垃圾焚烧厂等的废气和汽车尾气，污水处理厂和垃圾场均产生臭气。废气中含有许多有毒有害的污染物，散发挥发性的有机污染“三致”物，还有恶臭、强刺激、强腐蚀及易燃、易爆的组分，导致空气污染。,一、废气的处理方法,如同废水处理一样，生物处理废气是经济有效的方法。生物净化有植物净化和微生物净化法。绿化就是利用植物吸收和转化大气中的污染物，包括日益增多的CO2。,微生物净化法可就地及时处理各种恶臭污染源的废气，废气的组分比较单一，不能满足微生物全部营养要求，故需要添加营养。,微生物净化气态污染物的装置有：生物吸收池、生物洗涤池、生物滴滤池和生物过滤池。,二、含恶臭污染物及NH3、CO2的微生物处理,（一）含硫恶臭污染物的净化,含硫恶臭污染物有H2S、甲硫醇（MM）、二甲基硫醚（DMS）、二甲基二硫醚（DMDS）、二甲基亚矾（DMSO，CH3OSCH3）。,二甲基亚矾（DMSO）在生丝微菌属作用下的代谢途径。,二甲基二硫醚（DMDS）在排硫硫杆菌作用下的代谢途径。,二甲基硫醚（DMS）在硫杆菌属作用下的代谢途径。,（二）废气中NH3和CO2的净化,单纯含NH3或单纯含CO2的废气可合在一起，调节两者的比例用硝化细菌处理。首先将NH3溶于水成NH+N，再通入生物滴滤池。同时按亚硝化细菌和硝化细菌要求的CN通入CO2和无机盐，再通入空气，即可运行处理。亚硝化细菌和硝化细菌将NH+氧化成NO2-和NO3-。CO2被同化合成细胞物质。,（三）废气中挥发性有机物污染物的生物处理,工艺流程可用生物滴滤池法。降解挥发性有机物污染物的微生物菌种主要有：细菌、放线菌和真菌。处理苯系列有机污染物的细菌是黄杆菌属、假单胞菌属和芽孢杆菌属。,第六章微生物学新技术在环境工程中的应用,第一节固定化酶和固定化微生物在环境工程中的应用,第二节微生物细胞多聚物的开发与应用,第三节优势菌种与生物制剂的开发与应用,第一节固定化酶和固定化微生物在环境工程中的应用,一、酶制剂剂型,二、酶和微生物的固定化方法,三、