水处理微生物过程PPT课件

1、15:021一、环境污染的生物效应一、环境污染的生物效应生物监生物监测测生物效应检测生物效应检测有机物有机物重金属重金属营养盐营养盐气态污染气态污染生物污染生物污染污染项目污染项目生态系统生态系统迁移转化迁移转化生物转化生物转化生物浓缩生物浓缩生物积累生物积累生物放大生物放大种群结构变化种群结构变化个体行为变化个体行为变化组织器官变化组织器官变化分子水平变化分子水平变化生物群体生物群体生产活动生产活动交通运输交通运输生活消费生活消费环境风险评价环境风险评价第1页/共89页15:022微生物净化的本质 微生物需要从外界获得能量以维持自身生命活动及增殖，在此过程中通过自身生理代谢活动实现受污染环境

2、中有机污染物、氮磷等营养盐及某些重金属离子的迁移转化，实现污染物的无害化、稳定化化； 微生物是自然环境生态系统的最终分解者，然而，由于微生物代谢是通过酶催化完成的，而酶催化有专一性，因此根据污染物的特征需要有不同的微生物参与其分解净化。第2页/共89页15:023微生物催化降解的必要条件 存在含有某种降解酶的微生物； 污染物必须是具有适宜酶的微生物可获得的(胞内酶对应小分子，胞外酶对应大分子)； 适宜的环境及营养条件。 第3页/共89页15:024 微生物代谢活性微生物种类、生长期 目标污染物特征空间结构、分子量大小、元素组成、毒性 环境因素营养、温度、pH、氧化还原电位影响微生物催化降解的因

3、素第4页/共89页15:025生物净化的进展 通过现代分子生物学技术加深对微生物的认识； 以基因工程手段改变或强化微生物有效功能的表达，获得高效工程菌株； 构建微生物功能菌群； 营造适合作用的代谢环境； 工程技术方法的发展促进相关微生物工艺。第5页/共89页15:026二、有机污染物的降解 有机污染物的生物净化一般被称为生物降解； 微生物分解有机物的能力是巨大的； 依据微生物对有机物的降解能力大小可分为易生物降解的、难生物降解的和不可生物降解的； 生物降解过程是以微生物的代谢为核心，污染物在分解过程中则遵循物理化学原理，其危害和暴露过程对环境的影响是环境毒理学关心的内容。第6页/共89页15:

4、0271.生物降解的一般概念矿化(mineralization) 矿化是将有机物完全无机化并获取能源和小分子营养质的过程，是与微生物生长相关的过程。共代谢(co-metabolism) 共代谢是需要有另一种基质的代谢提供能源和营养质，由非专一性酶促反应完成的复杂污染物降解过程，一般仅使有机物分子得到修饰或转化，但不能使其完全分解。第7页/共89页15:028内源呼吸 微生物在利用外部基质进行生理代谢获取能量及营养质同时，细胞物质同时也在进行自身的氧化分解，即内源代谢或内源呼吸。 外源有机物充足时，消耗的细胞组分会被持续更新，微生物自身的氧化分解并不明显；而在外源基质不足时，微生物的内源呼吸作用

5、则成为向微生物提供能量、维持其生命活动的主要方式。第8页/共89页15:0292.好氧生物降解 有机物的好氧分解过程中，有机物的降解、微生物的增殖及溶解氧的消耗这三个过程是同步进行的，也是控制好氧生物处理成功与否的关键过程； 不同的生物处理工艺中，有机物的分解速率、微生物的生存方式、增殖规律，溶解氧的提供方式与分布规律均有差异，而关于好氧生物处理过程的研究及改良也是针对这三个关键过程开展的。第9页/共89页15:0210好氧有机物分解过程第10页/共89页15:0211生物氧化的一般过程 糖糖三酯酰甘油三酯酰甘油 蛋白质蛋白质 葡萄糖葡萄糖 脂酸脂酸+甘油甘油 氨基酸氨基酸 乙酰乙酰CoA 呼

6、吸链呼吸链 ADP+Pi ATP 第11页/共89页15:0212在温度适宜、溶解氧充足的条件在温度适宜、溶解氧充足的条件下，微生物的增殖速率主要与微下，微生物的增殖速率主要与微生物生物(M)与基质与基质(F)的相对数量，的相对数量，即即FM相关；相关；在静态培养条件下，随着时间的在静态培养条件下，随着时间的延长，基质浓度逐渐降低，微生延长，基质浓度逐渐降低，微生物的增殖经历物的增殖经历适应期适应期、对数增殖对数增殖期期、衰减期衰减期及及内源呼吸期内源呼吸期。第12页/共89页15:02133.厌氧生物降解 厌氧生物处理是在无氧条件下，利用多种专性厌氧微生物(水解、发酵及产氢产甲烷细菌)的代谢

7、活动，将有机物转化为无机物(沼气和水)和少量细胞物质的过程。 发酵过程产生的H2很少，主要由丙酮酸脱水形成，与专性厌氧氧化产氢的机理不同。第13页/共89页15:0214厌氧有机物分解过程第14页/共89页15:0215(1)水解阶段 复杂有机物首先在发酵性细菌产生的胞外酶作用下分解为溶解性小分子有机物； 如纤维素被纤维素酶水解为纤维二糖与葡萄糖，蛋白质被蛋白酶水解为短肽及氨基酸等； 水解过程通常比较缓慢，是复杂有机物厌氧降解的限速阶段。第15页/共89页15:0216 (2)发酵(酸化)阶段 溶解性小分子有机物进入发酵菌(酸化菌)细胞内，在胞内酶作用下分解为挥发性脂肪酸(VFA)，如乙酸、丙

8、酸、丁酸以及乳酸、醇类、二氧化碳、氨、硫化氢等，同时合成细胞物质。 在此过程中，溶解性有机物被转化为以挥发性脂肪酸为主的末端产物，因此这一过程也称为酸化，酸化过程是由许多种类的发酵细菌完成的。 其中重要的类群有梭状芽孢杆菌(Clostridium)和拟杆菌(Bacteriodes)。第16页/共89页15:0217 (3)产乙酸阶段 产酸阶段绝大多数是严格厌氧菌，但通常有约1的兼性厌氧菌生存于厌氧环境中，这些兼性厌氧菌能够起到保护严格厌氧菌，如产甲烷菌免受氧的损害与抑制的作用。 发酵酸化阶段的产物丙酸、丁酸、乙醇等，在此阶段经产氢产乙酸菌作用转化为乙酸、氢气和二氧化碳。第17页/共89页15:

9、0218(4)产甲烷阶段 在此阶段，产甲烷菌在二氧化碳存在时，利用氢气生成甲烷；也可以直接利用乙酸生成甲烷，二者的比例一般为3/7。利用乙酸产甲烷的菌有索氏甲烷丝菌(Methanothrix soehngenii)和巴氏甲烷八叠球菌(Methanosarcina barkeri) 产甲烷菌都是严格厌氧菌，要求生活环境的氧化还原电位在-150-400mV范围内。第18页/共89页15:0219 4缺氧(anoxic)处理 在没有分子氧存在的条件下，一些特殊的微生物类群可以利用含有化合态氧的物质，如硫酸盐、亚硝酸盐和硝酸盐等作为电子受体，进行代谢活动。第19页/共89页15:0220(1)硫酸盐还

10、原 在特定条件下，硫酸盐或亚硫酸盐会被硫酸盐还原菌(sulfate reduction bacteria，SRB)在其氧化有机污染物的过程中作为电子受体而加以利用，并将它们还原为硫化氢。 SRB的生长需要与产酸菌和产甲烷菌同样的底物，因此硫酸盐还原过程的出现会使甲烷的产量减少。 第20页/共89页15:0221根据利用底物的不同，SRB分为： 氧化氢的硫酸盐还原菌(HSRB)； 氧化乙酸的硫酸盐还原菌(ASRB)； 氧化较高级脂肪酸的硫酸盐还原菌(FASRB)。SRB分类硫酸盐还原需要有足够的有机质，其质量比应超硫酸盐还原需要有足够的有机质，其质量比应超过过167；与甲烷相比，硫化氢的溶解度要

11、高很多，；与甲烷相比，硫化氢的溶解度要高很多，容易造成处理出水容易造成处理出水COD偏高。偏高。第21页/共89页15:0222(2)反硝化 反硝化脱氮反应由脱氮微生物进行。 通常脱氮微生物优先选择氧而不是亚硝酸盐作为电子受体。 但如果分子氧被耗尽，则脱氮微生物开始利用硝酸盐，即脱氮作用在缺氧条件下进行。 有关问题将在后面讨论。第22页/共89页15:0223 在实际生物处理过程中，好氧、兼性、厌氧分解分别担任着各自的角色； 在人工处理构筑物中，由于具备良好的工程措施，可以选择微生物的种类并控制相应的分解过程； 在活性污泥曝气池中具有选择优势的是好氧及兼性细菌，发生的主要分解反应是好氧分解，但

12、在局部微环境下仍可能有厌氧/缺氧反应发生。5. 工程实际中的应用第23页/共89页15:0224 由于微生物个体微小，每个微生物所处的环境也是微小的； 从空间角度看，影响微生物生存状态的环境是微小的； 微环境直接影响微生物的活动状态； 由于微生物种群结构、物质分布和化学反应的不均匀性，菌胶团内部及生物膜内部存在多种多样的微环境； 各种微环境下生存着适生种类的微生物，可以发生相应的生物化学反应。微环境的意义第24页/共89页15:0225 在微生物絮体、颗粒或生物膜内会形成不同的微生态环境，造成适合不同生物反应过程的宏观环境(好氧区、缺氧区)； 生物群体并不在好氧及缺氧区之间循环，而在固定位置处

13、形成不同的微环境； 精细地控制溶解氧浓度即可保证微环境缺氧环境，使得好氧区产生的N03-得以还原。微环境典型-同步硝化反硝化第25页/共89页15:0226 难降解有机物的降解历程相对要复杂得多； 一般而言，难降解有机物结构稳定或对微生物活动有抑制作用，适生的微生物种类很少； 不同类型难降解有机物的降解历程也不尽相同； 许多难降解有机物的降解与质粒有关，降解质粒编码生物降解过程中的一些关键酶类； 质粒是菌体内的环状DNA分子，是染色体之外的遗传物质，可以通过克隆质粒表达功能基因。6. 难降解有机物难降解有机物第26页/共89页15:0227优先控制污染物黑名单优先控制污染物黑名单 挥发性卤代烃

14、 苯系物 氯代苯 酚类 多氯联苯 硝基苯 苯胺类v多环芳烃类多环芳烃类v酞酸酯类酞酸酯类v农药农药v丙烯腈丙烯腈v亚硝胺亚硝胺v氰化物氰化物v重金属重金属第27页/共89页15:0228aerobicanaerobicabioticFEMS Microbiol Rev 34 (2010) 445475(1)氯代烃的降解途径第28页/共89页15:0229VC,DEC assimilating bacteria; aerobic ; anaerobic degrading microbes氯烃降解的典型细菌Alkene monooxygenase/EaCoMT第29页/共89页15:0230氯烃

15、降解的典型放线菌FEMS Microbiol Rev 34 (2010) 445475第30页/共89页15:0231VC、cDEC好氧降解途径FEMS Microbiol Rev 34 (2010) 445475第31页/共89页15:0232(2) PCB好氧降解途径Stuart E Strand第32页/共89页15:0233PCB好氧降解途径Stuart E Strand第33页/共89页15:0234(3) 酚类的典型降解途径第34页/共89页15:0235 粪产碱杆菌(Alcaligenesfaecalis) 醋酸不动杆菌(Acinetobactercalcoaceticus) 假

16、单胞菌(Pseudomonassp.) 隐球菌(Cryptococcussp.) 醋酸不动杆菌(Acinetobactercalcoaceticus) 假丝酵母菌(Candidasp.) 皮状丝孢酵母菌(Trichosporoncutaneum) 酚类降解的典型微生物第35页/共89页15:0236(4)常见含氮芳香族化合物FEMS Microbiol Rev 32 (2008) 474500第36页/共89页15:0237含氮芳香族化合物降解途径FEMS Microbiol Rev 32 (2008) 474500第37页/共89页15:0238含氮芳香族化合物的典型降解微生物FEMS Mi

17、crobiol Rev 32 (2008) 474500第38页/共89页15:0239(5)多环芳烃的典型降解途径FEMS Microbiol Rev 32 (2008) 927955萘第39页/共89页15:0240多环芳烃的典型降解途径NADH oxidoreductase, a ferredoxinand an oxygenase componentFEMS Microbiol Rev 32 (2008) 927955菲第40页/共89页15:0241多环芳烃的典型降解途径FEMS Microbiol Rev 32 (2008) 927955芴第41页/共89页15:0242多环芳烃的

18、典型降解途径FEMS Microbiol Rev 32 (2008) 927955芘第42页/共89页15:0243 粪产碱杆菌(Alcaligenesfaecalis) 假单胞菌(Pseudomonas sp.) 青枯菌(Ralstonia sp.) 丛毛单胞菌(Comamonas sp.) 鞘氨醇单孢菌(Sphingomonas sp.) 红球菌属(Rhodococcus sp.) 节杆菌属(Arthrobacter sp.) 结核分支杆菌(Mycobacterium sp.) PAHs降解的典型微生物FEMS Microbiol Rev 32 (2008) 927955第43页/共89页

19、15:0244苯系物的苯甲酰辅酶A降解途径FEMS Microbiology Reviews 22 (1999) 439458第44页/共89页15:0245苯系物的苯甲酰辅酶A降解途径FEMS Microbiology Reviews 22 (1999) 439458第45页/共89页15:0246 针对目标污染物的特性，以目标物为主要营养基质从受污染环境或具有相似污染特性的环境中富集筛选所需的微生物菌属。7. 功能性微生物的筛选分离功能性微生物的筛选分离第46页/共89页15:0247 选择简便有效的诱变剂 挑选优良的出发菌株 处理单细胞悬液（均匀态） 选用最适剂量 充分利用协同效应 设计

20、或采用高效筛选方案或方法功能微生物的筛选原则第47页/共89页15:0248 确定目标 选择分离源 筛选的设定：培养条件、选择培养基、对毒物和抗菌素的抗性 种类微生物的分离 特定微生物的分离培养功能微生物的筛选方法第48页/共89页15:0249三、生物脱氮 进入20世纪70年代和80年代以来，随着水体富营养化问题的日渐突现，水质指标体系不断严格化的趋势使废水脱氮除磷问题成为水污染控制中广泛关注的热点; 随着研究工作的深入开展，对脱氮除磷的生物学原理的认识不断更新，由此诞生了多种生物脱氮除磷新工艺，推动了废水生物脱氮除磷技术的发展，促进了废水生物处理技术的革新与改进。第49页/共89页15:0

21、2501.生物脱氮的基本原理 废水中氮的主要形式是有机氮化合物如蛋白质、氨基酸和无机氮如氨氮。 有机氮很容易通过氨化作用转化为氨氮。 许多细菌、放线菌和真菌都具有氨化能力，称为氨化菌。 生物脱氮过程主要由两段工艺共同完成，即通过硝化作用将氨氮转化为硝酸盐氮，再通过反硝化反应将硝酸盐氮转化为气态氮从水中逸出。 第50页/共89页15:0251 缺氧条件下，通过水解反应脱氨 好氧条件下，通过氧化反应脱氨 厌氧条件下，通过还原反应脱氨氨化反应第51页/共89页15:0252 硝化反应主要由一群自养好氧微生物完成； 硝化作用是指由亚硝化细菌(Nitrosomonas)将氨氮氧化为亚硝酸盐，进而由硝化菌

22、(Nitrobacter)将亚硝氮氧化成硝酸盐氮的过程； 硝化菌为自养菌，它们以CO2为碳源，通过氧化NH4+获得能量。硝化反应第52页/共89页15:0253 亚硝化菌包括亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas sp.)、亚硝化球菌属(Nitrosococcus sp.) 、亚硝化弧菌属(Nitrosovibrio sp.)和亚硝化叶菌属(Nitrosolobus sp.)。 硝化菌包括硝酸盐杆菌属(Nitrobacter sp.)、螺旋菌属(Nitrospira sp.)、硝化刺菌属(Nitrospina sp.)和球菌属(Nitrococcus sp.)。亚硝化细菌和硝化细菌 自养型硝

23、化细菌都为自养型硝化细菌都为G G- -菌菌，世代周期超过，世代周期超过10h10h，拥有较高的，拥有较高的硝化速率；而一些异养细菌如硝化速率；而一些异养细菌如产碱杆菌产碱杆菌、节杆菌节杆菌等虽然硝化速等虽然硝化速率低率低 ，但世代周期短，增殖快，其硝化贡献不可忽视。，但世代周期短，增殖快，其硝化贡献不可忽视。第53页/共89页15:0254亚硝化细菌和硝化细菌的特征第54页/共89页15:0255 自养型硝化菌利用无机碳化合物如C032-、HCO3-和CO2作碳源，从氨氮及亚硝氮的氧化反应中获得能量，反应均需在有氧条件下进行。 反应式可表示为： 硝化菌基本反应式反应要消耗碱度反应要消耗碱度，

24、7.14gCaCO3/gNH3-N 第55页/共89页15:0256氨氧化呼吸链第56页/共89页15:0257亚硝氮氧化呼吸链第57页/共89页15:0258 温度 溶解氧 pH 有机物 抑制剂影响硝化作用的因素第58页/共89页15:0259 2反硝化 反硝化主要由一群异氧微生物完成，可将硝酸盐氮或亚硝酸盐氮还原成气态氮或氮氧化物，反应在无分子氧状态下进行。 反硝化细菌包括假单胞菌属、反硝化杆菌属、螺旋菌属和无色杆菌属等。 它们多数是兼性的，在溶解氧浓度极低的环境中可以利用硝酸盐中的氧作电子受体，有机物则作为电子供体提供能量并得到稳定化。第59页/共89页15:0260以甲醇为碳源时反应式

25、如下：反硝化过程反硝化过程产生部分碱度产生部分碱度，为，为3.47g CaCO3/gNO3-N。反硝化菌基本反应式第60页/共89页15:0261反硝化途径第61页/共89页15:0262 碳源(降解性) 溶解氧(兼性微生物，不需严格厌氧) pH(68) 温度影响反硝化作用的因素第62页/共89页15:0263第63页/共89页15:0264 反应器内溶解氧时空分布不均 时硝化/反硝化循环 空反应器局部厌/好氧状态 微生物聚集体内的微环境 微生物代谢多样性 好氧硝化+好氧反硝化 缺氧硝化+缺氧反硝化 同步硝化反硝化第64页/共89页15:0265 氨氮仅需氧化到亚硝氮便可进行反硝化，进程加快，

26、水力停留时间缩短，反应器缩小3040%； 减少25%的氧消耗，节省能耗和有机营养物40%； 污泥产量降低(硝化阶段33%；反硝化阶段55%)； 实现亚硝氮氧化的阻截比较难(高温，SHARON)。短程硝化反硝化第65页/共89页15:0266实际上主要是实现亚硝酸盐的积累： 控制温度30 控制溶解氧浓度0.6mg/L 控制污泥龄，使SRT7.2 温度 10影响生物除磷的因素第79页/共89页15:0280五、重金属离子 重金属指的是原子序数在钙(20)以后的金属元素； 重金属离子具有物质不灭性和生物富积性； 全球每年释放到环境中的有毒重金属高达数百万吨：其中砷为12.5万吨、镉为3.9万吨、铜为

27、14.7万吨、汞为1.2万吨、铅为34.6万吨、镍为38.1万吨第80页/共89页15:0281根据金属离子与F-和I-离子结合强弱来分类金属“硬度”：能与F-形成很强化学键的金属离子称为“硬金属”，如Na+、Mg2+和Ca2+等；与F-形成弱化学键的金属离子被称为“软金属”，如Hg2+、Cd2+和Pb2+等，一般都是有毒的重金属。在生物体内，硬金属离子一般与OH-、HPO4-、CO32-、R-COO-和CO等含氧官能团形成稳定化学键，而软金属离子一般与CN-、R-S-、-SH-、-NH2和咪唑等含氮和含硫基团成键。重金属离子的分类第81页/共89页15:0282 重金属与微生物细胞壁的大分子发生络合反应 微生物对重