第四章 微生物与生物地球化学循环

1、.1微生物与自然界物质循环微生物与自然界物质循环 C、N、P、S.2一、碳素循环.3沼气-能挽救森林的生物质能源.4.5山东民和牧业山东民和牧业3兆瓦鸡粪沼气发电工程兆瓦鸡粪沼气发电工程.6二、氮素循环二、氮素循环 三种存在形式：分子氮、有机氮化合物、无机氮化物 四种作用：氨化作用、硝化作用、反硝作用及固氮作用 二、自然界中的氮素循环二、自然界中的氮素循环.7（一）（一） 生物固氮生物固氮：N N NH31. 工业固氮作用 N2+3H2 2NH3300大气压300铁触媒 2、生物固氮作用 N N NH36NAD(P)HNAD(P)+ATPADP+PiMg2+.8两类细菌：硝化细菌：NO2-NO

2、3-（二）硝化作用:好氧时亚硝酸细菌： NH4+NO2-.9兼性厌氧的硝酸盐还原细菌将硝酸盐还原为氮气。 NO3- NO2- NO N2O N2反硝化作用的三种结果：a.通过硝酸还原酶的作用将硝酸还原为氨。b.反硝化细菌在厌氧条件下，将硝酸还原为氮气。c. 硝酸盐还原为亚硝酸。反硝化作用的危害危害：反硝化作用一般只在厌氧条件下，如淹水的土壤，或死水塘中发生。使土壤的肥力下降，在污水生物处理系统中，使出水含有多量的泥花，影响出水的水质。（三）反硝化作用（三）反硝化作用：.10（四）氨化作用:有机氮NH4+ +SO42-+H2O.11（五）铵盐同化作用：（五）铵盐同化作用：所有绿色植物和许多微生物

3、进行的以铵盐为营养，合成氨基酸、蛋白质、核酸和其它含N有机物的作用，都是-。.12 三、硫的生物循环三、硫的生物循环 .13.14.15沉默的矿藏沉默的矿藏铜（铜（copper）：红色的金子）：红色的金子西班牙人从黄色的河流中获得铜矿。但直到三十年前，人们才意识到在从微溶的铜硫化物到可溶的铜硫酸物的萃取过程中，细菌起到了积极的辅助作用。微生物能把上亿吨的低价值铜转变成纯铜。在美国、加拿大、智利、澳大利亚及其南非，微生物通过生物浸矿法生产出的铜占总产量的四分之一。.16沉默的矿藏沉默的矿藏细菌沥滤（细菌沥滤（bacterial leaching）又称细菌浸出或细菌冶金又称细菌浸出或细菌冶金 它利

4、用化能自养的硫化细菌对矿物中的硫或硫化物的氧化作用，让其不断制造和再生酸性浸矿剂酸性浸矿剂，使所需要的铜等金属不断地从低品位的矿石中溶解出来，成为硫酸铜等金属盐类的溶液，然后再通过电动序较低的铁等金属（一般用废铁粉）加以置换，也可用离子交换等方法，以取得其中铜等有色金属或其他稀有金属。.17.18（1）溶矿）溶矿 铜矿石的种类很多，小颗粒的低品位矿石在浸矿剂Fe2(SO4)3或H2SO4的作用下，溶出了大量的CuSO4。例如：.19 优点是投资少、建设快、成本低、操作简便、规模可大可小，尤其适合于贫矿、废矿、尾矿或火治炉渣中金属的浸出； 缺点是周期长、矿种有限以及不适宜高寒地区使用等。.20含

5、磷矿物含磷矿物风化作用风化作用PO43-不溶性磷酸盐不溶性磷酸盐有机磷化物有机磷化物土壤固定土壤固定微生物溶磷作用微生物溶磷作用植物微生物同化作用植物微生物同化作用微生物解磷作用微生物解磷作用磷的生物循环磷的生物循环1.1.有机磷化物的分解有机磷化物的分解( (解磷作用解磷作用) )2.2.不溶性无机磷化物的转化不溶性无机磷化物的转化( (溶磷作用溶磷作用) ) 3.3.有效磷的微生物固定有效磷的微生物固定四、磷的生物循环.21生物脱氮除磷机理及生物学基础 污水的生物脱氮除磷技术生物脱氮除磷机理及生物学基础 .22 城市污水经传统的二级处理以后，虽然城市污水经传统的二级处理以后，虽然绝大部分悬

6、浮固体和有机物被去除了，但还绝大部分悬浮固体和有机物被去除了，但还残留微量的悬浮固体和溶解的有害物，如氮残留微量的悬浮固体和溶解的有害物，如氮和磷等的化合物。氮、磷为植物营养物质，和磷等的化合物。氮、磷为植物营养物质，能助长藻类和水生生物，引起水体的富营养能助长藻类和水生生物，引起水体的富营养化，影响饮用水水源。化，影响饮用水水源。.23太湖的富营养化.24.25.26一一 氮、磷的去除氮、磷的去除.27（一一）氮的生物）氮的生物 去除去除 废水中的氮以有机氮、氨氮、亚硝酸氮和硝酸氮四种形式存在。(1) 生物脱氮机理 生物脱氮是在微生物的作用下，将有机氮和氨态氮转化为N2和NxO气体的过程。其

7、中包括硝化和反硝化两个反应过程。 同化作用去除的氮依运行条件和水质而定，如果微生物细胞中氮含量以12.5%计算，同化氮去除占原污水BOD的2%5%，氮去除率在8%20%。.28 有机氮 （蛋白质、尿素） 细菌分解和水解 氨 氮 同 化 有机氮 有机氮 （NH3-N） （细菌细胞） （净增长） O2 硝化 自溶和自身氧化 亚硝态氮 反硝化 （NO2-） O2 有机碳 硝化 硝态氮 反硝化 氮气 （NO3-） （N2） 有机碳 缺氧缺氧322NHRCOHCOOHOHCOOHRCHNH3222NHCORCOCOOHOCOOHRCHNH.29a 氨化反应： 新鲜污水中，含氮化合物主要是以有机氮，如蛋白

8、质、尿素、胺类化合物、硝基化合物以及氨基酸等形式存在的，此外也含有少数的氨态氮如NH3及NH4+等。 微生物分解有机氮化合物产生氨的过程称为氨化作用，很多细菌、真菌和放线菌都能分解蛋白质及其含氮衍生物，其中分解能力强并释放出氨的微生物称为氨化微生物，在氨化微生物的作用下，有机氮化合物分解、转化为氨态氮，以氨基酸为例：322NHRCOHCOOHOHCOOHRCHNH3222NHCORCOCOOHOCOOHRCHNH水解细菌分解.30 硝化反应是在好氧条件下，将NH4+转化为NO2-和NO3-的过程。O2H4H2NO3O2NH22亚硝酸菌24 322NO2O2NO2硝酸菌 总反应式为：OHH2NO

9、O2NH2324硝化细菌 硝化细菌是化能自养菌，生长率低，对环境条件变化较为敏感。温度、溶解氧、污泥龄、pH、有机负荷等都会对它产生影响。 32e22e2e22e4NONO硝酰酰NOH羟胺OHNHNHb硝化反应：.31 反硝化反应是指在无氧的条件下，反硝化菌将硝酸盐氮(NO3-)和亚硝酸盐氮(NO2-)还原为氮气的过程。OH4CO2NO6OHCH26NO22233硝酸还原菌-222326OHOH3CO3N3OHCH36NO亚硝酸还原菌 反硝化菌属异养兼性厌氧菌，在有氧存在时，它会以O2为电子进行呼吸；在无氧而有NO3-或NO2-存在时，则以NO3-或NO2-为电子受体，以有机碳为电子供体和营养

10、源进行反硝化反应。-222336OHOH7CO5N3OHCH56NO反硝化菌 总反应式为： c 反硝化反应：.32 在反硝化菌代谢活动的同时，伴随着反硝化菌的生长繁殖，即菌体合成过程，反应如下：O19HNOHC3H3COOHCH14NO32275233O2.44H0.76CON47. 0NOH.065C0HOHCH08. 1NO22227533式中：C5H7O2N为反硝化微生物的化学组成。 反硝化还原和微生物合成的总反应式为： 从以上的过程可知，约96的NO3-N经异化过程还原，4经同化过程合成微生物。.33 污水脱氮工艺污水脱氮工艺.342.4 生物除磷.35 磷也是有机物中的一种主要元素，

11、是仅次于氮的微生物生长的重要元素。 磷主要来自：人体排泄物以及合成洗涤剂、牲畜饲养场及含磷工业废水。 危害：促进藻类等浮游生物的繁殖，破坏水体耗氧和复氧平衡；使水质迅速恶化，危害水产资源。含磷化合物有机磷有机磷包括磷酸甘油酸、磷肌酸等无机磷磷酸盐：正磷酸盐(PO43-)、磷酸氢盐(HPO42-) 、 磷酸二氢盐H2PO4-、偏磷酸盐(PO3-)聚合磷酸盐：焦磷酸盐(P2O74) 、三磷酸盐(P3O105-)、 三磷酸氢盐(HP3O92-) （二）污水中磷的去除（二）污水中磷的去除.36 磷在废水中的存在形式： 磷酸盐、聚磷酸盐和有机磷等。 微生物从水中摄取一定量的磷来满足其生理需要，从而去除部

12、分磷。 聚磷细菌聚磷细菌，可以过量地、超出其生理需要地从外部摄取磷，并以聚合磷酸盐的形式贮存在细胞体内，如果从系统中排出这种高磷污泥，则能达到除磷的效果。.37一般城市污水水质与排放要求 常规活性污泥法的微生物同化和吸附；项项 目目进水水质进水水质/（mgL-1）国家排放标准国家排放标准/（mgL-1）一级一级A一级一级BCODcr2503005060BOD51001501020SS1502001020TKN(NH3-N)35（25）5（8）8（15）TP5611.5 如何去除以达到排放标准？ 生物强化除磷； 投加化学药剂除磷。.38常规活性污泥法的微生物同化和吸附 普通活性污泥法剩余污泥中磷

13、含量约占微生物干重的1.5%2.0%，通过同化作用可去除磷12%20%。observe015. 0dBODdTPy 生物强化除磷工艺可以使得系统排除的剩余污泥中磷含量占到干重5%6%。生物强化除磷工艺 如果还不能满足排放标准，就必须借助化学法除磷。.39生物除磷过程 聚磷菌的过量摄取磷： 好氧条件好氧条件下，除磷菌利用废水中的BOD5或体内贮存的聚聚 -羟基丁酸羟基丁酸的氧化分解所释放的能量来摄取废水中的磷，一部分磷被用来合成ATP，另外绝大部分的磷则被合成为聚磷酸盐聚磷酸盐而贮存在细胞体内。 聚磷菌的磷释放： 在厌氧条件厌氧条件下，除磷菌能分解体内的聚磷酸盐而产生ATP，并利用ATP将废水中

14、的有机物摄有机物摄入入细胞内，以聚-羟基丁酸等有机颗粒的形式贮存于细胞内，同时还将分解聚磷酸盐所产生的磷酸磷酸排出体外。一般，在好氧条件下所摄取的磷比在厌氧条件下所释放的磷多，废水生物除磷工艺是利用除磷菌的这一过程，将多余剩余污泥排出系统而达到除磷的目的。生物除磷过程 聚磷菌的过量摄取磷： 好氧条件好氧条件下，除磷菌利用废水中的BOD5或体内贮存的聚聚 -羟基丁酸羟基丁酸的氧化分解所释放的能量来摄取废水中的磷，一部分磷被用来合成ATP，另外绝大部分的磷则被合成为聚磷酸盐聚磷酸盐而贮存在细胞体内。 聚磷菌的磷释放： 在厌氧条件厌氧条件下，除磷菌能分解体内的聚磷酸盐而产生ATP，并利用ATP将废水中的有机物摄有机物摄入入细胞内，以聚-羟基丁酸等有机颗粒的形式贮存于细胞内，同时还将分解聚磷酸盐所产生的磷酸磷酸排出体外。一般，在好氧条件下所摄取的磷比在厌氧条件下所释放的磷多，废水生物除磷工艺是利用除磷菌的这一过程，将多余剩余污泥排出系统而达到除磷的目的。.40 聚磷菌 厌氧条件下释放磷（DO0，NOX-0） ATP+H2OADP+H3PO4+能量 需要易生物降解有机物需要易生物降解有机物 好氧条件下过量摄取磷 ADP+H3PO4+能量 ATP+H2O.41生物除磷示意图HAcPO4GLYPHAPoly-PBulk liquidBiomassPoly-PPO4PHASettling