第十二章-微在生物环境治理中的应用

第十二章

微生物在环境治理中的应用本章将介绍以下内容：微生物净化污染物的原理废水的好氧生物处理废水的厌氧生物处理废水的微生物脱氮除磷固体废弃物的微生物处理大气污染物的微生物处理

微生物净化污染物的原理

微生物对物质降解与转化的特点微生物对污染物降解与转化的途径影响微生物对物质降解转化作用的因素微生物对常见污染物的降解与转化有机污染物的生物可降解性及其评价方法一、微生物对污染物降解与转化微生物对物质降解与转化的特点:微生物个体微小，比表面积大，代谢速率大；种类繁多，分布广泛，代谢类型多样；微生物具有多种降解酶；微生物繁殖快，易变异，适应性强；微生物具有巨大的降解能力；质粒（Plasmid）：染色体外遗传物质，是在原核微生物中除染色体外，还存在的一种较小的携带少量遗传基因的环状DNA分子。质粒可用来培育优良菌种，或用作基因工程中基因转移的载体。例如：多功能超级细菌的构建ABBACABC图5－2多质粒超级菌的构建示意简图质粒细胞的染色体注：共代谢（Co－Metabolism）微生物在利用生长基质A时（从中获得能量、碳源或其他任何营养），同时非生长基质B（不能从中获得能量或营养）也伴随着发生氧化或其它反应。在纯培养下，共代谢只是一种截止式转化，但在混合培养和自然环境条件下，转化可为其它微生物进行的共代谢或其他生物对某种物质的降解铺平道路，使其代谢产物可继续降解，故污染物在有合适的底物和环境条件下可通过共代谢作用而降解。ABCDE1E2E2E1微生物对污染物降解与转化的途径自然界中化学物质的降解的3种方式：这三种方式往往综合交叉进行。光降解化学降解生物降解（Biodegradation）：指由于生物的作用，把污染物大分子转会为小分子，实现污染物的分解或降解。其中微生物所起的降解作用最大，故也称为微生物降解。微生物代谢活动中的化学作用（实质是酶反应）氧化作用还原作用脱羧作用水解作用脱氨基作用等影响微生物对物质降解转化作用的因素（1）微生物的代谢活性不同种类微生物对同一底物的反应不同；微生物在不同的生长时期的活性是不相同的，在对数期代谢最旺盛，活性最强。微生物的种类组成决定化合物降解的方向和速度，同时微生物的种类组成又与环境中的化学物质有关。微生物的适应性驯化（Domestication）：是一种定向选育微生物的方法与过程，通过人工措施使微生物逐步适应某特定条件，最后获得具有较高耐受力和代谢活性的菌株。影响微生物对物质降解转化作用的因素（2）化合物的结构烃类：链烃的易降解性大于环烃，直链烃大于支链烃，不饱和烃大于饱和烃，支链烷基越多，越不易被降解当主链上的C被S、N、O取代时，对生物氧化的阻抗上升当C原子上的H被烷基或芳基取代时，会生成生物氧化的阻抗物。官能团的性质和数量分子量大小环境因素温度酸碱度营养氧底物浓度微生物分解有机物的作用微生物分解有机物的作用可总括成如下图式：复杂有机物简单有机物需氧微生物胞内酶厌氧微生物胞内酶微生物胞外酶CO2、H2OCO2、H2O、H2、CH4、H2S及有机酸、醇、酮、醛等未完全氧化产物图5－3微生物分解有机物的作用示意图微生物对常见污染物的降解与转化生物大分子的降解糖类：以纤维素和淀粉的分解为例，见图5－4，5－5脂肪蛋白质脂肪＋H2O脂肪酶甘油＋高级脂肪酸蛋白质肽氨基酸蛋白酶肽酶丁酸、CO2、H2等CO2、H2、有机酸等淀粉葡萄糖需氧微生物胞内酶厌氧微生物胞内酶微生物淀粉酶CO2、H2O图5－5淀粉分解途径示意图纤维素葡萄糖需氧微生物胞内酶厌氧微生物胞内酶＋H2O纤维素酶CO2、H2O图5－4纤维素分解途径示意图纤维二糖＋H2O纤维素酶烃类石油类人工合成有机物农药合成洗涤剂增塑剂多氯联苯危险性化合物危险性化合物（HazardousChemicals）的概念微生物具有降解自然界产生的有机化合物的代谢机制，从而促使地球有机碳平衡，而在自然界具有新颖结构的合成化合物（异型生物质，又称非生物性物质，xenobiotics）往往对微生物的降解表现出抗逆性，其原因可能是这些化合物进入自然界的时间比较短，微生物界还未进化出降解此类难降解化合物的代谢机制。这些化合物大多数对环境具有毒害作用，故称之危险性化合物。危险性化合物来源人工合成的农药、杀虫剂、除草剂、防腐剂、溶剂、增塑剂等危险性化合物的降解特点和研究尽管其在自然界可能会有部分缓慢降解，微生物有可能通过多种途径来改变自身的结构信息以获得对这类化合物的降解能力，但这需要一个漫长的过程来实现，依靠微生物的自然进化过程远不能满足要求，而且长此以往将会造成生态系统的失衡。因此，研究一些可以使微生物群体在较短时间内获得最大的降解该物质能力的方法显得愈加重要和迫切。近年来科学工作者做了大量工作，包括：通过长时间的驯化来得到具有一定降解能力的微生物群体；通过基因工程手段来改造微生物使其具有特定的降解能力；此外在对危险性化合物的降解研究中发现，混合培养比纯培养具有潜在的优势，彻底矿化往往需要一个或一个以上的营养菌群（如发酵－水解菌群、产硫菌群、产乙酸菌群、产甲烷菌群等）通过多步反应将有毒化合物转化为矿化最终产物。研究人员依据不同的代谢作用至少可以将微生物群落中的微生物分为7种类型：①提供特殊营养物；②去除生长抑制产物；③改善单个微生物的基本生长参数；④对底物协调攻击；⑤共代谢；⑥氢（电子）转移；⑦提供一种以上初级底物利用者。有机污染物的生物可降解性及其评价方法什么是生物可降解性？所有化合物根据微生物对它们的降解性可分成可生物降解、难生物降解和不可生物降解。评价生物可降解性的方法：测定生物氧化率测呼吸线测定相对耗氧速度曲线测BOD5与CODCr之比测COD30培养法时间（h）耗氧量（mg/g）内呼吸线生化呼吸线②生化呼吸线时间（h）耗氧量（mg/g）内呼吸线③图5－6生化呼吸线与内呼吸线比较时间（h）耗氧量（mg/g）内呼吸线生化呼吸线tabc底物浓度D、有毒，不能被利用C、有毒，能被利用A、无毒，不能被利用B、无毒，能被利用相对耗氧速度（以内呼吸的％表示）100％图5－7相对耗氧速率曲线二废水生物处理的原理

（一）水体自净作用什么是水体自净作用（waterself－cleansing，self－purification）水体自净作用指天然水体受到污染后，在无人为处理条件下，借助水体自身的能力使之得到净化的过程。该过程中包括稀释、沉降等物理作用，氧化、还原、分解、凝聚等化学作用，还有更重要的生物作用，即生物对无机物和有机物的同化和异化作用。生物中最活跃的是细菌，捕食细菌的原生动物和微型生物亦起很大作用。水体自净过程的三个阶段和三个变化三个阶段阶段一：有机物进入河流，有机物浓度，异养菌数量，DO；阶段二：有机物浓度，异养菌数量，原生动物数量，DO；阶段三：有机物浓度，异养菌数量，原生动物数量，藻类数量，DO；三个变化变化一：有机污染物浓度由高降至低；变化二：生物相发生一系列变化：异养菌原生动物数量藻类；变化三：DO的变化：DODO恢复原有水平氧垂曲线（Oxygen－sagCurve）自净过程中DO的变化有机物浓度，耗氧速率＞复氧速率，DO有机物浓度，耗氧速率＝复氧速率，DODOmin有机物浓度0，耗氧速率＜复氧速率，DODO饱和氧垂曲线的概念河流受到污染后，河水中DO含量的变化情况用一条曲线来表示，曲线呈下垂状，叫做氧垂曲线。（见图5－6）氧垂曲线从耗氧这个侧面反映了河流的自净过程。当有机污染程度超过河流的自净能力时，河流将出现无氧的河段，此段的有机物转入无氧分解，出现黑臭现象，此时，氧垂曲线出现中断。故氧垂曲线可作为衡量水体自净的指标。L（km）饱和DO线DO（mg/L）0DOmin图5－8氧垂曲线示意图（二）废水生物处理的作用机理废水生物处理实际是水体的自净原理在水污染治理中的应用，即模拟天然水体自净作用的生物过程。在特定构筑物中人工创造适宜条件，充分发挥微生物的作用以高速度、高效率净化污水，通过微生物代谢产生的酶来降解转化有机物，将有机物最终转化为无害的二氧化碳和水，从而使废水得到净化。污水处理中的生化过程O2、CO2、SO42－、NO3－等细胞构成物C、H、O、N、维生素等能源受氢体微生物微生物细胞合成生物污泥分解能量代谢产物＋热能CO2、H2O、SO42－、NO3－、NH4＋、PO43－、H2S、CH4、有机酸、醇等排水排出不可降解残留物内源呼吸图5－9污水处理中的生化过程活性污泥法和生物膜法目前最常用的生物处理方法是活性污泥法和生物膜法。活性污泥和生物膜的概念活性污泥是由细菌、原生动物等微生物与悬浮物质、胶体物质混杂在一起形成的具有吸附分解有机物能力的絮状体。活性污泥是具有很强的吸附分解有机物能力的、充满微生物的污泥；生物膜是附着在填料上呈薄膜状的活性污泥。活性污泥和生物膜的特点具有很强的吸附能力具有很强的分解、氧化有机物的能力图具有较强的食物链食物链越长，作为能量消耗的比例就越大，在系统中存在的生物量就比较少，所剩余的污泥量就相应较少，可减轻生物处理后污泥处理的负担。具有良好的沉降性能处理水易与污泥分离，最终达到废水净化的目的。（三）废水生物处理的类型按所利用的微生物种类好氧处理：活性污泥法厌氧处理：污泥消化兼性处理：生物膜法按处理系统中微生物存在的状态悬浮生长系统固定膜系统按反应器的形式完全混合式反应器间歇式反应器完全推流式反应器固定填充床式反应器流化床式反应器废水的好氧生物处理

活性污泥法活性污泥法的原理活性污泥法是利用悬浮生长的微生物絮体处理有机废水的一类好氧生物处理方法。注：微生物絮体由好气性微生物（细菌、真菌、原生动物和后生动物）及其代谢和吸附的有机物、无机物组成。活性污泥的净化反应过程活性污泥系统对有机底物的降解是通过几个阶段和一系列作用完成的。包括以下阶段：①絮凝和吸附阶段②活性污泥中微生物的代谢和增殖③活性污泥的凝聚、沉淀和浓缩活性污泥中的微生物形成活性污泥絮状体的细菌——菌胶团细菌菌胶团：狭义指动胶菌属（Zoogloea）形成的细菌团块，广义指所有具有荚膜或粘液或明胶质的絮凝性细菌互相絮凝聚集形成的菌胶团块。菌胶团细菌是活性污泥的主体，它的作用：具有很强的吸附、氧化分解有机物的能力。菌胶团的形成可使细菌避免被微型动物所吞噬，并且与污泥的沉降性能和二沉池能否有效泥水分离密切相关；为原生动物、微型后生动物提供了良好的生存环境、附着场所。丝状细菌它的作用有两方面：一方面：是活性污泥的重要组分，交叉穿织与菌胶团内，或附着生长于絮状体表面，具有强氧化分解有机物能力，起到一定的净化作用。另一方面：当丝状菌的数量超过菌胶团细菌时，可使絮状体沉降性能下降，严重时可引发污泥膨胀（bulking）现象。活性污泥中的微生物原生动物及微型后生动物净化作用：腐生性营养的原生动物可吸收溶解性有机物，动物性营养的原生动物可吞食有机颗粒、游离细菌及其它微小生物促进絮凝和沉淀作用指示作用：可作为处理系统运转管理的指标真菌图6－1各种形态的细菌活性污泥净化反应的影响因素溶解氧（DO）曝气池出口处的混合液的DO浓度保持在2mg/L左右，可使活性污泥保持良好的净化功能。水温活性污泥微生物的最适温度范围：15～30℃。营养物质微生物对氮和磷的需要量可按BOD：N：P＝100：5：1来考虑。pH活性污泥微生物的最适pH范围：6.5～8.5。有毒和有抑制物质如重金属、氰化物、硫化氢、酚、醇、醛、染料等有机负荷率（BOD污泥负荷）活性污泥的工作参数混合液悬浮固体（MLSS）1L曝气池混合液中所含悬浮固体的重量，单位g/L。混合液挥发性悬浮固体（MLVSS）1L曝气池混合液中所含挥发性悬浮固体的重量，单位g/L。污泥沉降比（SV）一定量的混合液静置30分钟后，沉降的污泥体积与原混合液体积之比，以百分数来表示。污泥容积系数（SVI）曝气池混合液静置30分钟后，沉降的污泥体积与污泥干重之比。它反映了活性污泥的凝聚性和沉降性，一般控制在50－150之间，若大于200，则表明发生了污泥膨胀。污泥负荷（Ls）单位时间内，单位重量的活性污泥能处理的有机物的数量，用kg（BOD）/kg(MLSS)•d表示。又称有机负荷率，F/M值。活性污泥法的基本特征利用生物絮状体为生化反应的主体物利用曝气设备向生化反应系统分散空气或氧气，为微生物提供氧源对体系进行混合搅拌以增加接触和加速生化反应传质过程采样沉淀方式去除有机物，降低出水中的微生物的固体含量通过回流使沉淀池浓缩的微生物絮凝体返回到反应系统为保证系统内生物细胞平均停留的时间的稳定，经常排出一部分生物固体。活性污泥法的基本工艺流程活性污泥法的主要运行方式（1）按废水和回流污泥的进入方式及其在曝气池中的混合方式活性污泥法主要有两大运行方式：推流式和完全混合式。推流式推流式活性污泥曝气池有若干个狭长的流槽，废水从一端进入，另一端流出。随水流的过程，底物降解，微生物增长；从池首端到尾端，混合液内影响活性污泥净化功能的各种因素，如F/M值、微生物的组成和数量、基质的组成和数量等都在连续地变化，有机物降解速率、耗氧速率也连续变化。特点：在曝气池的任何断面上都存在有机基质的浓度梯度，因此存在基质降解动力，BOD降解菌为优势菌，可避免发生污泥膨胀现象、运行可采用多种方式，能够增加净化功能如脱氮、除磷等。图6－3推流式曝气池活性污泥法的主要运行方式（2）完全混合式废水进入曝气池后在搅拌下立即与池内活性污泥混合液混合，从而使进水得到良好的稀释，污泥与废水得到充分混合，可以最大限度地承受废水水质变化的冲击。特点：能够承受高浓度废水，对冲击负荷有一定的适应能力；需氧全池要求相同，能够节省动力；可使曝气池与沉淀池合建，无需单独设置污泥回流系统，易于运行管理。几种活性污泥法的工艺流程推流式活性污泥法完全混合式活性污泥法短时曝气法（渐减曝气法）阶段曝气法（多点进水法）生物吸附法（AB法）序批式间歇反应器（SBR法）氧化沟法（OxidationDitch）深水曝气活性污泥法生物吸附法（AB）工艺流程二沉池接触池(吸附阶段)进水出水回流污泥剩余污泥稳定池（氧化分解）图6－4生物吸附法的工艺流程IV排水阶段I进水阶段II反应阶段III沉淀阶段V待机阶段SBR法的五个运行阶段图6－5SBR法的五个运行阶段示意图图6－6氧化沟生物膜法什么是生物膜法？利用微生物在固体表面的附着生长对废水进行生物处理的技术方法。生物膜法的特征通过废水与生物膜的相对运动，使废水与生物膜接触，进行固液两相的物质交换，并在膜内进行有机物的生物氧化和降解，使废水得到净化，同时，生物膜内微生物不断得以生长和繁殖。生物膜中的微生物组成细菌和真菌在生物膜的好气层专性好气的芽孢杆菌占优势；在厌气层可见到反硫化弧菌属数量最多的是兼性菌，如假单胞菌属等原生动物纤毛虫居多。微型后生动物如轮虫类、线虫类、昆虫类等，个体数较多。生物膜的净化原理附着水载体水膜有机酸有机物（养料）氧气二氧化碳、无机物代谢产物运动水厌氧层好氧层废水出水空气生物膜图6－8生物膜去除有机物示意图生物膜法的特点（与活性污泥法相比较）微生物多样性高生物膜各段的微生物类群不同生物膜中的食物链较长具有较高的脱氮能力单位处理能力大系统维护方便操作运行方便固定床生物处理的主要类型普通生物滤池塔式生物滤池生物转盘滤池生物接触氧化滤池图6－9生物转盘图6－10普通生物滤池流化床生物处理技术什么是流化床生物处理技术？使废水通过运动态并附着生长有生物膜的颗粒床，废水中的基质在床内同均匀分散的生物膜相接触而获得降解去除，故在流化床中既有生物膜，又有活性污泥。根据反应器中的微生物的营养形式，可分为好氧流化床和厌氧流化床好氧生物流化床流化床中生物膜中的指示生物滤膜生物中间滤膜生物非滤膜生物滤膜清扫生物废水的厌氧生物处理

厌氧生物处理的原理与过程什么是厌氧生物处理（AnaerobicProcess）？在厌氧条件下，利用厌氧微生物分解废水中的有机物并产生甲烷、二氧化碳的过程，又称厌氧发酵。与好氧生物处理的区别：不以分子氧为受氢体（最终电子受体），以无机物、化合态盐、碳、硫、氮为受氢体，如CO、CO2、SO42－、NO3－等。厌氧生物处理的优缺点优点：耐有机负荷高；可生成甲烷；剩余污泥量少；无需充氧，能耗低；缺点：污泥量增长慢，工艺过程启动时间长；对负荷变化、毒物敏感；故厌氧处理一般只用于预处理，要使废水达标排放，还需要进一步处理厌氧生物处理的过程（三个阶段）水解阶段：复杂有机物

水解和发酵性细菌

酸化阶段：简单有机物（可溶态）

产氢、产乙酸细菌

甲烷化阶段：简单有机酸类、醇类

产甲烷菌

CH4、CO2厌氧反应器内的微生物不产甲烷菌细菌（以厌氧菌、兼性菌为主）、真菌，参与产甲烷阶段以前所有分解有机物过程，并产生小分子有机酸产甲烷菌其形态有八叠球状、杆状、球状、螺旋状其特点：严格厌氧，代谢活动所需最佳pH值为6.7～7.2，只能利用少数的几种简单化合物厌氧生物处理的影响因素温度中温发酵35℃～38℃，高温发酵52℃～55℃pH值中性环境，甲烷化阶段7.0～7.5营养成分BOD5：N：P有机负荷厌氧生物处理的类型普通厌氧反应器厌氧接触反应器上流式厌氧污泥床反应器（UASB）厌氧生物滤池厌氧流化床反应器图6－11上流式厌氧池厌氧处理的活性污泥混合菌种来源：城市污水处理厂消化池污泥、初沉池污泥、人畜粪便、有机肥料等。甲烷含量达55％以上作为厌氧污泥培养成熟的指标，此时方可引入废水。厌氧处理运行过程的安全高浓度有机废水厌氧处理与好氧处理的经济分析厌氧处理相对好氧处理可节省投资、占地面积，能提供干净的沼气能源，具有较高的经济效益，但出水还需经过好氧法的补充处理方能排放。废水的微生物脱氮除磷

微生物脱氮微生物脱氮基本原理生物脱氮主要通过硝化作用和反硝化作用来完成。首先利用好氧段，由亚硝化细菌、硝化细菌的硝化作用，将NH3转化为NO3－－N，再利用缺氧段，由反硝化细菌将NO3－－N反硝化还原为N2，溢出水面释放到大气。微生物脱氮——硝化作用段硝化作用是指NH3被氧化成NO2－，再被氧化成NO3－的过程。反应：NH3→NO2－→NO3－微生物：亚硝化细菌和硝化细菌，两者为化能自养菌，专性好氧，要求中性、弱碱性环境，以CO2为唯一碳源，最适温度25℃～30℃，pH值范围7.5～8.0。运行操作关键：（1）泥龄θSRT（悬浮固体停留时间）较长（2）要供给足够的DO；（3）要控制适度的曝气时间（HRT？？？）（4）控制pH值在7.5～8.0微生物脱氮——反硝化作用段反硝化作用是指兼性厌氧的硝酸盐还原菌将硝酸盐还原为N2的过程。反应：HNO3→H

NO2→

N2O→N2微生物：假单胞菌属的微生物在厌氧条件下利用NO3－氧化有机质，获得能量，碳源来自有机物，最终电子受体为NO3－、NO2－，要求中性、弱碱性环境，最适温度10℃～35℃，pH值范围7.0～8.0，在一个有极低的DO、有NO3－和有机物存在的环境，pH值和温度合适就会产生反硝化。运行操作关键：碳源、NO3－、NO2－、pH值、DO等影响微生物脱氮的因素pH值硝化反应要耗碱，如果污水中没有足够的碱度，随着硝化的进行，pH值会急剧下降，而硝化细菌对pH十分敏感，硝化细菌和亚硝化细菌分别在7.0～7.8和7.7～8.1时活性最强，在这个范围以外，其活性就急剧下降。温度两类硝化细菌的最适温度在30℃左右。溶解氧硝化过程的DO一般应维持在1.0～2.0mg/L。DO对反硝化脱氮有抑制作用，但氧的存在对能进行反硝化作用的反硝化菌是有利的，因为这类菌为兼性厌氧菌。故工艺上最好使其交替处于好氧、缺氧的环境下，所以脱氮反应并不要求DO保持在零的状态。如在悬浮污泥系统中，缺氧段DO应控制在0.5mg/L以下，在膜法系统中，可控制在1.0～2.0mg/L。碳源废水中所含的有机碳源：当废水中所含碳（BOD5）与总氮的比值大于3：1时，无需外加碳源，即可达到脱氮目的。外加碳源：当废水中所含碳（BOD5）与总氮的比值小于3：1时，需外加碳源，多采用甲醇。内碳源：内碳源指活性污泥微生物死亡、自溶后释放出来的有机碳，也称二次性基质。利用内碳源，要求反应器的泥龄长、污泥负荷低，使微生物处于生长曲线稳定期的后部或衰亡期，反硝化速度极低，为前两种方法的十分之一左右。利用内碳源，可使在废水碳氮比较低使不必外加碳源也可达到脱氮目的，并且污泥产率低可减少污泥处理的费用。生物脱氮工艺的类型按脱氮所用的碳源内碳源外加碳源按细菌存在的状态