第八、九章 微生物对污染物转化,废水处理中微生物.ppt

第八章微生物对污染物的分解与转化,一、污染物类型、来源与降解类型生物性污染物：病原微生物和非病原微生物以及寄生虫污染。物理性污染物：噪声、电辐射和电离辐射污染。化学性污染物:种类繁多(已使用10万多种），分布广，排放量大,对人类健康和生态造成了严重威协。,1微生物对有机物的分解,化学污染物来源大气污染：自然界火山爆发、森林火灾等；人为燃料燃烧；飞机、轮船、火车以及工厂烟囱等排放的废气等。大气污染物种类有SO2、CO、H2S、CO2，还有烃、重金属等。水体污染：工业废水、生活污水排放；施过农药的土壤冲刷和大气降雪降雨等。工业污水污染物种类多，毒性大。如电镀厂、钢铁厂、油漆厂、树脂厂、玻璃厂、发电厂、药厂，化肥厂、皮革厂等；污染物有重金属、酚等。土壤污染物：生活污水、垃圾、工业废水、化肥农药，汽车废气及微生物代谢有毒产物；有各种有机物、无机盐，重金属等。,化学污染物降解类型可降解性物质：化学物质已使用10万多种，大部分人工合成且与自然界存在的天然物质有着类似的结构，排放到环境中较易被降解。难降解性物质：一些人工合成的化学污染物有特殊的结构，不被微生物降解或只有少部分降解。难降解物质包括杀虫剂、塑料等：化合物中有不正常的基团或取代物（氯或卤素等）；化学物有特殊化学健或分子过大等。矿化作用有机分子被完全降解成无机物如CO2、H2O等。生物放大作用：有些污染物抗微生物分解和具有亲脂作用，污染物进入细胞累积在脂类中，使其浓度高出环境13个数量级，并进一步被浓缩在下一个营养水平细胞中，最终在鸟、鱼和哺乳动物中进一步累积，使其浓度超过环境的46个数量级以上。,农药的生物放大试验,可生物降解和难以降解化合物结构比较,有机氯农药的残留时间农药半衰期氯2-4年DDT3-10年狄氏剂1-7年七氯7-12年毒杀芬10年Alexander,1977,多底物共代谢：当微生物利用某种物质生长时，同时附带对另一种物质进行代谢转化。共代谢物质并不参与组成生命有机体，生命体也没有从它的代谢转化过程中获取能量。,Peeudomonassp.利用环己胺共代谢生长,二、有机物好氧与厌氧分解下产物比较,PH3有机磷化物等,PO43-,P,H2S硫化物等,SO42-,S,氨基酸N2、NO2氨基酸NH3、胺,NH3NO2NO3,N,H2O,H,ROOH(有机酸）CH4、CO2,CO2碳酸盐,C,厌氧分解,好氧分解,有机物元素,1、有机物的好氧生物分解好氧生物处理模式：例：废水中有机物+O2+好氧微生物等CO2、H2O、NO3、SO42-、PO43-,+能,合成,呼吸,微生物细胞生长,1）有机物好氧生物处理的耗氧量氧气需要有机物氧化：CxHyO2+(x+1/4y1/2z)O2xCO2+1/2yH2O+能量细胞物质合成：n(CxHyO2)+NH3+(nx+1/4ny1/2nz5)O2C5H7NO2+(nx5)CO2+1/2(ny4)H2O+能细胞内物质的氧化:C5H7NO2+5O25CO2+2H2O+NH3+能,有机物的氧化与自身生长自身氧化,需氧量计算公式：O2aLr+bSaa：去除单位BOD5所需氧量（Kg/Kg）Lr：有机物量（Kg/d）b：微生物自身氧化需氧率(1/d）Sa：微生物重量（Kg）,几种工业废水的a、b值,废水生物处理的供氧问题，在工厂废水处理设计时，要估计工厂废水的有机物浓度，废水量等，从而选择鼓风系统或曝气装置的动力大小。一般情况下，好氧生物处理需氧量：以氧化BOD5物质数量的0.51.4倍。设计通常以氧化1KgBOD5物质需氧量1Kg氧量计算.,2）微生物细胞增长量问题公式：SaLrbSa细胞物质增长量(kg)细胞合成物质的总量细胞内源呼吸耗去的细胞物质量。S：新生长的细胞物质（Kg/d）a：合成系数，Lr：有机物（Kg/d）b：微生物自身氧化系数(1/d）Sa：微生物重量（Kg）,几种工业废水的a、b值,a、b选择依据：污泥龄长，a取小值，b取大值污泥龄短，a取大值，b取小值为什么？,例题:某瀑气池容积340m3,进水BOD5200mg/L,进水流量150m3/h,出水BOD5为20mg/L，池底污泥浓度为4mg/L（挥发性占75），计算剩余污泥量。解：细胞增长量(Kg)：SaLrbSaLr(有机物)(200-20)15024/1000=648(kg/d)Sa(细胞量）4753401020kg选a、b值进行计算S，并求得剩余污泥量。,好氧生物处理特点范围：适用处理溶解和胶质的有机物。优点：水质好（无机化高、无臭气），时间短，速度快，去除率高（8090）缺点：污泥在缺氧下易腐化；对高浓度有机废水去除效果不佳；耗能（每去除1KgBOD，耗电1.0度）。,2、有机物的厌氧生物分解有机物厌氧微生物包括兼性微生物,厌氧生物处理沼气发酵第一阶段:水解与分解淀粉糖；蛋白质氨基酸第二阶段：产酸发酵阶段兼性微生物（多为革兰氏染色阴性细菌）代谢产生有机酸、醇、CO2、NH3、H2S等。pH下降65.0以下，称为酸性发酵阶段。,第三阶段：碱性发酵阶段由甲烷细菌完成。甲烷细菌分解有机酸、醇等生成CO2与CH4，由于有机酸被利用，pH上升为6.87.2。厌氧发酵产物沼气中，CH4占5075，CO2占2030，还有N2、NH3、H2S等。其中：72来自于乙酸等中间物的分解；28来自于氢的氧化和CO2的还原。,沼气中的主要成分是甲烷，含量5075%之间，是一种很好的燃料。以日排COD10t的工厂为例，若COD去除率为80%，甲烷产量为理论的80%时，则可日产甲烷2240m3,其热值相当于3.85t原煤，可发电5400度电。,甲烷细菌与甲烷发酵甲烷细菌：严格专性厌氧菌。温度多为（2540oC)，也有高温型（5060oC)。甲烷发酵对pH敏感，若有机酸太多，会造成pH下降，抑制甲烷细菌代谢。,厌氧生物处理的特点范围：适用于有机污泥与高浓度废水。优点：产生的甲烷气体可回收作燃料，不耗能。缺点：时间长，无机化程度差，产物中的H2S有臭气，并能与铁等重金属形成颜色，使水变黑；容器设施大。,2含碳(不含氮）有机物分解淀粉糊精麦芽糖葡萄糖复习葡萄糖代谢途径的问题？,油脂的分解与转化脂肪由甘油与脂肪酸组成。有些细菌、霉菌等水解脂肪生成甘油与脂肪酸。甘油代谢：有氧：甘油丙酮氧化成乙酰辅酶A进入TCA循环无氧：代谢产生简单的酸、酮等。,脂肪酸分解过程有氧:-氧化（每次氧化生成乙酸，后转化成乙酰辅酶A）进入TCA循环，产物为CO2、H2O。无氧:分解成简单的酸、CO2、CH4等。,芳香族化合物（带苯环衍生物）转化酚打开环成链状含碳物质后进行有氧代谢或无氧代谢烃类化合物（烷烃、烯烃、炔烃）转化烷烃：有氧下氧化成脂肪酸-氧化，生成乙酸进入TCA循环。无氧下生成有机酸、CO2、CH4,洗涤剂排放的害处在废水处理与天然水体中形成大量泡沫；洗涤剂中表面活性剂成分易被细菌等微生物降解，对环境污染较小，但非表面活性剂部分如聚磷酸盐在水里聚集，使藻类大量繁殖引起水体富营养化。表面活性剂对细菌等有一定的杀菌作用。阴离子洗涤剂，对环境污染较为严重。,碳循环（Carboncycle）,碳循环自然界碳存在4种形式：周转快且量大的大气CO2，溶解形式的CO2,，有机碳（活的或死的有机体）；部分处于惰性状态的碳（碳酸盐岩和矿物燃料如煤，石油，天然气等）。碳循环以二氧化碳为中心展开。大气CO2处于不断的消耗与补充之中。大气CO2含量为0.032%,其储存量约为6000亿吨，而全球植物光合作用每年耗CO2约600700亿吨。微生物在碳循环中发挥重要作用。,3含氮有机物的分解蛋白质分解：蛋白质蛋白胨多肽氨基酸氨基酸转化脱氨：氧化、还原、水解三种形式脱羧：厌氧下，氨基酸脱羧，生成胺类如赖氨酸、鸟氨酸在腐败菌作用下脱羧，生成尸胺、腐胺有毒性与臭气物质。,1.脱氨基作用氧化脱氨基作用,氨基酸,（特点：有氨生成）,氨基酸脱酰胺作用(NH3),+NH3,+NH3,CH2,-,CONH2,CH2,-,CHNH3+,COO-,-,-,+H2O,谷氨酰胺酶,CH2,-,CONH2,CHNH3+,COO-,-,-,+H2O,天冬酰胺酶,上述两种酶广泛存在于微生物、动物、植物中，有相当高的专一性。,2.脱羧基作用,AA,胺类化合物,脱羧酶,（辅酶为磷酸吡哆醛）,-,R2,-,O=C,醛亚胺,R2,R2,+,H,R1,COOH,H-C-NH2,-,H,-,-,+,AA,胺类化合物,脱羧酶,（辅酶为磷酸吡哆醛）,磷酸吡哆醛,R1,COOH,H-C-N=C,-,-,-,H,R2,+H2O,R1,H,H2O,R1,H-C-NH2,专一性强,氨的转化有氧下：NH3NO2NO3无氧下：NH3不分解氨化作用：有机氮化合物在细菌等微生物（好氧菌、兼性菌及厌氧菌）作用下，转化成氨态氮的过程。硝化作用：在有氧情况下，硝化细菌将氨转化为硝酸盐的过程,反硝化作用：反硝化细菌在无氧条件下把形成的硝酸盐还原成NO2或N2。反硝化作用的害处及应用：污水中N2上升，污泥上浮，影响水体沉淀。但在污水处理中如硝酸盐太高直接排放，使水体产生富营养化。因此，反硝化可用于废水处理的生物脱氮特殊处理。,尿素的转化（人畜尿中含氮有机物）CO（NH2）2（NH4）2CO3NH3CO2H2O氨的硝化（有氧）有机腈和无机氰，如CH2CH2CN和HCN等。分解过程中都产生NH3。后进行有氧下硝化作用，无氧下产生简单酸、NH3等物质。,氮循环（Nitrogencycle）,氮循环,4无机元素转化（S、P、Fe）,硫（Sulfurcycle）,硫循环,硫循环的生态意义有利：硫在自然界中是一种很丰富的元素。氧化过程产生大量硫酸，使土壤不溶性的磷酸盐和其他无机物得到缓解，微生物和植物生长有利。有害：细菌浸矿产生大量酸水，矿物燃烧产生酸雨，使环境污染，并可腐蚀建筑生态系统遭到破坏（一些生物灭绝，生态系统的生产力下降）；水体反硫化作用引起管道腐蚀，造成处理水污泥上浮等不良现象。,硫化作用：有氧下，硫磺细菌、硫化细菌把H2S氧化成硫或硫酸盐的过程。硫磺细菌：无色硫磺细菌、紫色硫磺细菌当环境H2S丰富时，氧化H2S在细胞内储藏硫粒；环境中H2S少时将细胞内硫粒氧化成硫酸，排除体外。硫化细菌：如排硫杆菌、氧化硫杆菌等氧化H2S或含硫物质生成硫酸，硫等，直接排出体外。,反硫化作用：厌氧下反硫化细菌把硫酸盐还原成H2S的过程。反硫化作用害处：H2S对生物有害；与重金属形成黑色沉淀；如在混凝土沟渠中发生，产生硫酸腐蚀管道。因此，沟渠管道建造要有适当的坡度，以防止积水发生厌氧的反硫化作用。,磷的转化自然界中磷不丰富。存在方式：有机磷、无机磷（可溶与不溶），还原态磷（PH3）,磷灰石。但有些磷还与Ca、Mg、Fe形成沉淀，利用受到限制。,含磷有机物质的转化（有氧）：有氧：有机磷化物H3PO4磷酸盐（可溶性、不溶性）不溶性磷酸盐在酸性中转化成可溶性。Ca3(PO4)2+2H2SO4Ca(H2PO4)2+2CaSO4磷酸盐还原作用（厌氧下）H3PO4H3PO3H3PO2PH3（挥发性，与O2接触发光，光绿色）,磷循环海洋与沉积泥中大量磷酸盐只进行缓慢的循环；土壤、水体中数量不多的可溶性磷，以及活体与无生命有机磷可活跃循环。磷化石如磷石灰惰性大，大部分开采过程被排放到海洋沉泥中。过量磷造成水体富营养化。,铁的转化自然界：无机铁(Fe2、Fe3）与有机铁。无机亚铁化物在铁细菌作用下生成高价铁，FeCO3+O2+6H2O4Fe(OH)3+4CO2+热复习铁细菌这个生化反应的功害。,铁细菌,髙铁化物的还原、溶解与转化高价铁化物溶解：微生物产生的酸溶解高铁物质Fe(OH)3Fe2（亚铁化合物）动植物、微生物吸收形成有机铁化合物,无机酸有机酸,思考：物质转化中硝化、硫化与铁细菌属于哪类型微生物？这类微生物对自然界物质循环有何重要意义？,第九章污水生物处理系统中的主要微生物,废水生物处理的原理废水生物处理目标废水生物处理的模式及微生物类群,原理：废水中的有机物作为微生物的营养物而被除去。目标：降低以BOD、COD为单位的有机物浓度；尽可能减少污泥数量；并减少水体N、P浓度。,好氧生物处理法及微生物类群活性污泥法生物膜（生物转盘、生物滤池）氧化塘法,活性污泥法：由好氧及兼性微生物与水中有机、无机的固体物混凝交织在一起所形成絮绒性的结构。绒粒子大小为0.02-0.2mm.特点：含水率99；主要功能微生物为菌胶团细菌；还有藻类，原生动物等；微生物状态：因瀑气呈悬浮状存在，并处于激烈的运动中。,活性污泥中重要微生物菌胶团细菌：其数量、大小及结构是水质处理的关键要素。细菌多为革兰氏阴性菌。其他微生物：在菌胶团上生长有原生动物、后生动物、真菌、藻类等。原生动物的类群与数量会发生变化。活性污泥处理，观察菌胶团、原生动物为重要环节。,菌胶团作用：P227,活性污泥绒粒中微生物之间关系食物链关系降解有机物就像接力赛如吸附有机物；水解性细菌水解大分子为小分子，溶解的有机物被细菌吸收利用；中间产物被另一类细菌吸收到代谢无机化；其他微生物则吸收吞食未分解彻底的有机物等。,活性污泥处理中常见的问题不絮凝或微小絮体：絮体结构不稳定、破碎或过度瀑气的剪切作用、或大型原生动物较多等造成；起泡：洗涤剂、反硝化造成或丝状细菌等；污泥膨胀：丝状细菌，还有霉菌、放线菌、游离型菌胶团（粘性膨胀），还有芽孢杆菌等。,活性污泥瀑气池：有正常的活性污泥和污泥膨胀。正常的活性污泥：优势菌为菌胶团，辅以少量丝状细菌、大量纤毛虫等。膨胀的活性污泥：由丝状细菌引起和非丝状细菌。解决活性污泥丝状膨胀对策：根本要解决引起丝状菌过度生长的环境因子：如溶解氧、有机负荷等。还有为解决活性污泥的膨胀，将瀑气池中改为生物接触氧化法、以及改进工艺等。,原生动物出现顺序：由低级向高级演化P228.,生物膜好氧生物处理法生物膜：由好氧及兼性微生物粘附在生物滤池的滤料上或粘附在生物转盘片上的一层带粘性的、薄膜状的微生物混合群体。,生物填料：悬浮型生物填料,悬挂型填料弹性立体填料网片式立体填料,软性填料,生物填料上的生物膜,普通生物滤池,生物膜重要微生物普通滤池的生物膜厚度约23mm。如BOD负荷大，水力小，膜增厚。这样膜中间呈厌氧状态。如水流大膜就会脱落。生物膜中微生物的分布是不均匀的。以菌胶团细菌为主，还有球衣细菌、藻类、原生动物等。如水从上而下流生物膜微生物分上、中、下三层。上层营养浓度髙，有细菌，少数鞭毛虫等；中下层多为低分子物质，有细菌，藻类与原生动物等。,好氧生物膜的培养自然挂膜法：用泵流将带有自然菌种的工业废水通入空的塔式生物滤池或其它滤池，不断循环37d