水处理微生物学课件-8.ppt

第九章微生物的生态,主要内容：水体中微生物的分布特征水体自净过程与原理污染水体微生物生态特征,第一节水体中的微生物,水中常见微生物种类,种类繁多分布广繁殖快容易发生变异代谢能力强形体微小数量大,水中微生物特征,1、大气水大气水包括雪和雨；主要由空气中尘埃带来微生物，其中有多种球菌、杆菌、放线菌及霉菌的孢子；降水开始时菌数较多，后逐渐减少。2、江河水缓慢流动的浅水中：丝状藻类、丝状细菌及真菌流动的水体中：单细胞藻类与好氧性细菌（上层水）原生动物（污泥表层）厌氧性细菌（底层污泥）,一、淡水中的微生物,3、湖泊与池塘水水体相对静止，大部分细菌常随颗粒物质沉入水底，底泥中细菌数较高池塘水：水的上层有各种好氧性细菌生长；水体底泥则有多种厌氧或兼性厌氧菌生长；有时可检出多种病原菌湖泊水：上层水体生存着好氧性细菌、真菌及藻类中层水体，生存着光合性的紫细菌和绿细菌及其他厌氧性细菌底层水体，生存着厌氧性细菌湖边的浅水区内，生存着真菌、原生动物、大量细菌等,4、地下水泉水和深井水一般不含细菌及有机质（土壤的过滤作用）,海水的特点是：含盐高、稳定低、有机质含量少，在海水深处有很高的静压力；近海岸边及海底污泥表层菌数较多，但海洋中心部位的底泥中菌数低，类似于淡水垂直分布有差异，海水分层主要为革兰氏阴性细菌,二、海水中的微生物,1、自然净化物理作用：稀释、沉淀（强）化学作用：日光、氧气等对污染物的分解（弱）生物作用：生物降解（食物链）（强）,三、水体的自净,水体自净：当水体接纳了一定量的有机污染物后，在水体的物理、化学、生物作用下，将污染物从水中除掉，从而恢复到污染前的清洁状态。自净容量:水体的自净速度是有限的。在正常情况下，水体单位时间内通过正常生物循环中能够去除有机污染物的最大数量,2、两个概念,3、水体自净具体过程,（1）起始段：溶解性有机物被水体稀释，固体物质沉降至河底（2）好氧段：好氧细菌好氧分解有机物为简单的无机物和有机物，溶氧降低（藻类放氧和空气氧溶解速率小于耗氧速率）,污水,（3）厌氧段：鱼类，原生动物，轮虫，甲壳动物死亡；厌氧菌繁殖，厌氧分解有机物，还原性物质（H2S、NH3增加），溶氧降到最低（藻类放氧和空气氧溶解速率等于耗氧速率）（4）复氧段：有机物完全分解后，耗氧速率降低，藻类大量生长，复氧速率逐渐上升，溶氧恢复到原来水平（5）结束段：细菌死亡，藻类减少，鱼虾、原生动物等出现，水质恢复,污水,被污染的水体都是自净水体！但自净恢复的程度不同，或称污染现状不同。,（1）P/H指数：P代表光能自养型微生物，H代表异氧型微生物。它可以反映水体污染和自净程度。河流自净完成，恢复到原来水平。,4、衡量水体自净的指标,（2）氧浓度昼夜变化幅度,氧浓度高低与细菌含量有关，昼夜变幅与藻类数量有关。,1、水体有机污染指标BIP指数：无叶绿素的微生物占所有微生物（有叶绿素和无叶绿素微生物）的百分比。,可以判断水体的污染程度,四、污染水体的微生物生态学特征,2、污化系统当有机污染物质排入河流后，在其下游的河段中发生正常的自净过程，在自净中形成了一系列连续的“带”。由于各种水生生物需要不同的生存条件，对各种有害物质也有不同耐力。所以，各个带中都可找到一些有代表性的动植物。,污化系统将污染水体划属为不同的污染带类型。分多污带、中污带、中污带、寡污带,多污带,中污带,中污带,寡污带,第十章饮用水生物处理基本原理,一、水中微生物的来源接触土壤和尘埃一起由空气中降落随垃圾、人畜粪便及某些工业废弃物进入水体二、水体中病原微生物种类病原细菌寄生虫病毒,第一节水的卫生细菌学,1、病原细菌,病原细菌经水传播的疾病主要是肠道传染病。常见的肠道传染病菌有：（1）伤寒杆菌革兰氏阴性菌，不生芽孢和荚膜，借鞭毛运动；加热到60，30min可以杀死。对5的石炭酸，可抵抗5min。传染途径：水、食物和物品,（2）痢疾杆菌分痢疾杆菌和副痢疾杆菌两种；革兰氏染色阴性菌，无芽孢和荚膜，一般无鞭毛；适宜的温度为37；耐寒能力强，在阴暗潮湿及冰冻环境下能生存数周；不耐热及干燥，阳光直射即有杀灭作用，加热6010分钟即死亡；对1的石炭酸，可抵抗30min。传播方式：取食污染的食物和水；蝇类传播,（3）霍乱弧菌革兰氏阴性菌，具有鞭毛，能运动，不生荚膜和芽孢；在60下能耐10min，在1的石炭酸中能抵抗5min，能耐受较高的碱度；传播途径：水、食物、蝇类,2、寄生虫,种类：蛔虫、血吸虫防治：a、使用粪便施肥前，应暴晒或堆肥；b、生活污水灌溉前经沉淀等处理；c、饮用水处理；d、加强水源保护。,3、病毒,脊髓灰质炎病毒肝炎病毒其它肠道病毒（埃可病毒和柯萨奇病毒）,1、细菌菌落指数：1毫升水样在营养琼脂培养基中，于37培养24小时后所生长出的细菌菌落总数,三、大肠菌群和生活饮用水的细菌标准,我国生活饮用水卫生标准关于生活饮用水的细菌标准的具体规定如下：细菌总数：小于100(CFU/mL)可以指示水源受有机污染的程度，还可以指示该饮用水能否饮用，但是不能说明污染的来源和有没有致病菌的存在,2、总大肠菌群：又称大肠肝菌群，包括埃希氏菌属，柠檬酸杆菌属，肠杆菌属等十几种肠道杆菌。（1）特点：兼性厌氧，无芽孢，革兰氏阴性杆菌，有些属可以发酵乳糖产酸产气是指示水体被粪便污染的一个指标，也是致病菌污染水体的间接指标。,（2）大肠杆菌选做致病菌的间接指示菌的理由：人肠道寄生菌，数量大，对人较安全环境中的存活时间与致病菌相似检验技术简便,我国生活饮用水卫生标准关于生活饮用水的细菌标准的具体规定如下：总大肠菌群：小于0(CFU/100mL),第二节饮用水的消毒,病原微生物去除常用方法有：一、加氯消毒二、臭氧消毒三、紫外线消毒四、超声波消毒,19世纪40年代世界各国已经普遍采用氯消毒氯的衍生物：氯气，次氯酸盐，氯胺化合物有消毒功能次氯酸盐操作安全，成本低，普遍应用,一、加氯消毒,（1）不含氨的废水：CL2+H2OHOCL+H+CL-HOCLH+OCL-HOCL和OCL-都有氧化能力，含量与pH有关HOCL是中性分子，可以通过胞膜，进入菌体，氧化破坏菌体的酶OCL-难于靠近带负电的细菌，很难起消毒作用消毒作用与pH有关,1、氯的消毒机理以氯气为例,NH3+HOCLNH2CL+H2ONH3+2HOCLNHCL2+2H2ONH3+3HOCLNCL3+3H2O产物与HOCL量有关，即与pH有关pH在58.5时，NH2CL和NHCL2同时存在NHCL2杀菌力强NCL3在pH为4.4时才产生，一般废水不可能产生氯胺消毒的实质还是靠HOCL，作用缓慢，需要水解成HOCL,（2）含氨的废水：,游离性氯：HOCL和OCL-中所含的氯总量化合性氯：氯胺中的氯总量各种氯化合物的氧化能力用有效氯表示。氯最高化合价态7最低价态1对于氧化和消毒来说，只有价态高于1的氯才有氧化和消毒能力定量概念是：以CL2作为100来进行比较，氯化合物所含的CL中可起氧化作用的比例。漂白粉为例,2、几个概念,漂白粉（CaOCL2）(Ca+2O-2CL+1CL-1),CL+1可以接收2个电子还原为1价，有氧化能力CL2（CL0CL0）可接收2个电子，变为1价1molCaOCL2的氧化能力相当于1molCL2CaOCL2（分子量为127）有效氯为：235.5/12756漂白粉中含CaOCL2最多62.5%左右，因此5662.5%35,漂白粉所含有效氯为30左右，最高35左右？,加氯量分成两部分：需氯量和余氯量需氯量:用于杀死细菌和氧化有机物等所消耗的氯量测定：根据余氯的种类和数量氯消毒法：游离性余氯法：水中余氯成分为游离性余氯时化合性余氯法：水中余氯成分为化合性余氯时,3、加氯量,4、氯消毒缺点消毒过程中可能与水中腐殖质等物质反应产生致癌，致突变的卤代烃（THM）氯还会与酚反应形成有怪味的氯酚，余氯为氯胺时排入水中对鱼类有危害，长期使用引起某些微生物的抗药性,臭氧1840年被发现以来就作为氧化剂使用，广泛使用于废水处理中1、消毒机理：分子式O3，氧的同素异形体，仅次于氟的第二位强氧化剂有很高的能量，不稳定，常温常压下结构易变，自行分解为氧（O2）和单个氧原子（O）单个氧原子具有很强的活性，对细菌和病毒等有较强的氧化能力氧化分解细菌内部葡萄糖氧化酶破坏细菌，病毒的细胞器、核酸、蛋白质、脂类等大分子氧化细胞膜上的蛋白质和脂多糖，细胞发生通透性畸变，细胞溶解死亡,二、臭氧消毒,消毒能力强作用快，杀菌速度比氯快6003000倍不产生致癌致畸的卤代有机物一般是利用空气或氧气和电能制取，不存在原料运输和储存问题,2、臭氧消毒特点：,（1）臭氧投加量臭氧浓度越高，杀菌效率越强，但成本过高臭氧少，污水很难达到排放标准（2）污水水质CODCr和悬浮固体影响较大CODCr消耗臭氧，降低浓度悬浮固体遮护某些细菌，减少直接接触，同时悬浮固体也消耗臭氧亚硝酸盐含量影响也较大,3、影响臭氧消毒的因素：,因此，必须对污水做适当的前处理，否则，臭氧消毒是不经济的,1910年首次用于饮用水消毒，之后开始普及,三、紫外线消毒,1、消毒机理紫外辐射诱变机制,DNA碱基吸收的光波波长（240280纳米）与紫外辐射波长（260米）非常接近，因此碱基对于UV敏感，当有UV辐射时，就会进行吸收，吸收的光能会使DNA结构变化。如：胸腺嘧啶聚会形成胸腺嘧啶二聚体。阻碍其复制、转录而封锁蛋白质的合成,（1）紫外灯管（辐射波长253.7纳米）随着使用时间的增加，紫外灯辐射强度降低灯管的结垢也会影响紫外线的穿透力一般国产灯管有效使用时间3000h国外灯管有效使用时间7500h（2）处理水的理化性质悬浮固体可干扰，吸收紫外线，使其射线量减少，同时遮蔽细菌和病毒水层厚影响紫外线的穿透率可溶性化学物质如色度，浊度，有机物和铁离子等可吸收紫外线,2、影响紫外消毒的因素：,（3）微生物类型和数量革兰氏阴性杆菌最敏感，易被杀死，其次是葡萄球菌，链球菌和细菌芽孢，病毒也较敏感，真菌孢子抵抗力最强，某些微生物具有光复活和黑暗修复，降低了消毒效率对人体产生危害的链球菌，沙门氏菌和大肠杆菌噬菌体未发现有此功能（4）外界因子环境温度影响紫外灯的辐射强度540内，温度降低，紫外灯的输出功率降低低于5，紫外灯管启动困难湿度：过高会恶化电气原件的工作条件，空气中的小水滴会阻挡紫外线，辐射强度减少。一般湿度宜小于65，最高不大于90电压：不稳定，影响使用寿命电压低，紫外灯的输出功率低，紫外辐射强度减少,（1）按消毒系统设计方式分：明渠型：沟槽中放置由石英管罩住，加以保护的紫外灯而使污水从中流过封闭型:将石英管罩住，加以保护的紫外灯装入圆筒形密封的反应器中，再与污水管连接明渠型容易监测和维护，对水流阻力小,3、紫外消毒装置,水下照射式：将由石英管罩住，加以保护的紫外灯，多层，多段组合，保证紫外线向四周充分辐射处理水量大，清洗和维修不变水面照射:紫外灯悬挂于水面便于维修，但是受水层厚度影响大，处理水量小，紫外线利用率低，易对人造成伤害,（2）按紫外灯照射方式分：,1、超声波：频率在20000Hz以上的人耳听不到的声波2、特点对于微生物具有破坏能力，超声波频率越高，杀菌效果越好杆菌比球菌易被杀死，大的细菌比小的细菌易被杀死3、作用机理空化效应超声波在液体中传播时，形成许多微小气泡（或空穴）在声场的作用下空穴被激活，表现为这些气泡的振荡、生长、收缩及崩溃等一系列动力学过程。空穴收缩及崩溃瞬间，泡内可呈现5000以上的高温（热效应：超声振动能量被介质吸收，部分转化为热能；介质高频震荡摩擦生热）和几百到上千个大气压的高压，温度变化率高到109K/s，逐渐产生自由基、噪声等现象，会产生一系列物理、化学或生物效应。,四、超声波消毒,一、微生物固定化技术概述1、概念固定化技术：采用化学或物理的手段将游离细胞或酶定位于限定的空间区域内，使其保持活性并可反复利用的一种技术固定化微生物：将微生物细胞用一定的方法进行固定，作为固体催化剂利用,第三节微生物固定化技术在饮用水深度处理中的应用,（1）大幅度提高微生物浓度（2）酶的数量和活性损失较小（省掉提取工艺）（3）固液分离迅速（固定化颗粒比重大）（4）耐环境冲击（被高分子材料包埋）（5）对有毒物质的承受能力和降解能力增强（6）可根据需要选择有效微生物（7）降低二次污染（8）有利于提高生物反应器内微生物的纯度，并保持高效菌种,2、微生物固定化技术优点,任何一种限制细胞自由流动的技术都可用于制备固定化细胞（1）吸附法（2）共价结合法（3）交联法（4）包埋法,3、固定化细胞的制备方式,（1）吸附法物理吸附：使用具有高度吸附能力的硅胶，活性炭，多孔玻璃，石英砂等吸附剂吸附细胞到表面使之固定化离子吸附法：细胞在解离状态下可因静电引力（离子键结合）而固着于带有相异电荷的离子交换剂上，如DEAE纤维素，CM纤维素等特点：操作简单，反应条件温和，可以反复利用，但结合不牢固，细胞易脱落,（2）共价结合法细胞表面上功能基团（如氨基，羧基，羟基等）和固相支持物表面的反应基团之间形成化学共价键连接，从而成为固定化细胞。特点：结合牢固，使用过程中不会发生脱落，稳定性好，但反应条件激烈，操作复杂，控制条件苛刻,（3）交联法与共价结合法一样，靠化学结合的方法式细胞固定，载体是非溶性的，如采用戊二醛或双偶联苯胺等带有两个以上的多官能团交联剂与细胞进行交联，可形成固定化细胞特点：反应条件激烈，对细胞活性影响较大,（4）包埋法固定化技术最常用的方法按照包埋剂的结构：凝胶包埋法和微胶囊法将细胞包埋于凝胶的微小格子内或半透膜聚合物的超滤膜内。特点：操作简单，对细胞活性影响较小，固定化细胞球强度较高,4、固定化的载体,（1）选择原则：对细胞无毒性性质稳定不易被微生物分解强度高寿命长价格低廉,（2）常用的载体按所用物质分：无机载体:多孔玻璃，多孔陶瓷等多糖类载体：纤维素，交联葡萄糖，琼脂等蛋白质类载体：胶原纤维蛋白，角蛋白，明胶等水凝胶载体：聚丙烯酰胺空心纤维载体：聚氯乙烯等,包埋法常用的载体：凝胶包埋法选用聚丙烯酰胺凝胶，琼脂糖凝胶，聚乙烯醇等微胶囊包埋法选用乙基纤维素和硝酸纤维素等,1、在有机污染物治理中的应用（1）农药杀虫剂废水以甲胺磷为例菌种：假单胞菌B82，高效降解甲胺磷为对人和动物无毒的无机磷固定化：用聚乙烯醇对菌株进行包埋，同时添加少量海藻酸钠和活性炭，达到吸附和包埋的双重效果效率：固定化的B82凝胶小球在pH6-11范围内快速降解甲胺磷，去除率可达到95以上,二、微生物固定化技术在饮用水深度处理中的应用,（2）含酚废水菌种：从活性污泥中分离得到降解酚的热带假丝酵母固定化：用海藻酸钙凝胶包埋固定后处理含酚废水效率：进水酚浓度为300m