《环境生物学》水处理的微生物过程+固废与废气微生物过程

环境污染的生物效应

污染项目£主态系统生物群体生

一►分子水平变化，物

生亡范动有机物环

迁移转化效

境

应

重金属生物转化风

f组织器官变化检

险

交通运拾言养盐II生物浓缩测

生

评

•*个体行为变化物

气态污染生物积累价

生活消费监

生物污染生物放大f种群结构变化测

微生物净化的本质

微生物福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中有机污染物、氮磷等营

养盐及尢些重金属离了的迁移转化，实现污染物的无害化、稔定化化；

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筋催化完成的，而酹催化有专一性，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。

微生物催化降解的必要条件

存在含有某种降解的的微生物：

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。

影响微生物催化降解的因素

微生物代谢活性一微生物种类、生长期

目标污染物特征一空间结构、分子量大小、元素组成、毒性

环境因素一营养、温度、pH、氧化还原电位

表6-1呼吸方式与H化还原电位的关系

呼吸方式氧化还原电位/mV电子受体产物

好氧呼吸+400

02--H2O

,NCh

硝酸船还原和反硝化-100N°J<N,

硫酸盐还原—160〜―200

SO4-►H2s

甲烷产生-300CO2—►CH<

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。

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。

1.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代养质，由非专•性酶促反应完成的复杂污染物降解过程，•殷仅使有机物分子得到

修饰或转化，但不能使其完全分解。

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。

外海有机物充足时，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

作用则成为向微生物提供能量、维持其生命活动的主要方式。

2.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犍过程；

不同的生物处理工艺中，有机物的分解速率、微牛.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。

3.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。

发都过程产生的H2很少，主要由丙泄酸脱水形成，与专性厌氧氧化产氢有机物好发分解图示

的机理不同。

1.水解阶段

复杂有机物首先在发酵性细菌产生的胞外酹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。

(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、丙酸、丁酸以及乳酸、醇类、二氧化碳、

宓、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抱杆菌(Clostridium)和拟杆菌(Bacteriodes).

(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%的兼性厌氧菌牛.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。

(1)发酵细的，(2)产氢产乙酸菌।(3)同型产乙酸菌,

发酵酸化阶段的产物丙酸、丁酸、乙醉等，在此阶段经产氢产乙酸菌作

(4)利用H?和C。？的产甲烷菌；(5)分解乙酸的产甲烷菌

用转化为乙酸、氢气和二氧化碳。

(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(Methanothrixsoehngenii)和巴氏甲烷八叠球菌(Methanosarcinabarkeri)

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。

4.缺氧(anoxic)处理

在没有分子氧存在的条件下，•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。

⑴硫酸盐还原

在特定条件F,硫酸盐或亚硫酸盐会被硫酸盐还原菌(sulfatereductionbacteria,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。

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）。

（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，即脱氮作用在缺班条件卜进行。

有关问题将在后面讨论。

5.工程实际中的应用

在实际隹物处理过程中，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，但在局部微环境下仍可能有厌氧/缺氧反应

发生。

微环境的意义

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。

微环境典型•同步硝化反硝化

在微生物繁体、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。

6.难降解有机物

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

图6-5宏观及微观生态环境的建立

能基因。

优先控制污染物黑名单

具体（略）

7.功能性微生物的筛选分离

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柒特性的环境中富集筛选所需的微生物菌属。

J绝大务数

出发苗除『个体死亡变

、少数存活|少数突变产器匕

多数不宜投产

I少数幅度大

少效适宜投产

存£率突表率正金率投［率

设计或采用高效筛选原则

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

设计或采用高效筛选方案或方法

功能微生物的筛选方法，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，和类微生物的分离，

特定微生物的分寓培养

三、生物脱氮

进入2。世纪70年代和80年代以来，随着水体高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制除磷问题成为水

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。

1.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。

氨化反应(右图)缺氧条件下，通过水解反应脱氮

脱瓜相帆.

硝化反应RCHNH6OOH+HQ_____________».RCHOHCOOH4-NH,

硝化反应主要由一群自养好氧微生物完成；好氧条件下，通过氧化反应脱氮

RCHN»jC<X)H+gq—―・"""・>RCOC'(X)H+NII.

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

(Nitrobacter)将亚硝氮氧化成硝酸盐氮的过程：厌箱条件下，通过还原反应脱氮

硝化菌为自养菌，它们以为碳源，通过氧化获得能量。RCHNH/-OOH+2H“y-------->RCH/7OOH4-NH,

C02NH4+㈠日曲质黄仙

亚硝化组菌和硝化细菌

自养型硝化菌利用无机碳化合物如C032-HCO3-和C02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：

NR+1.38202+1.982HCO；—►0.982NOr+1.036H2O+l.891H2CO3+

0.018C5H7O2N

NOr+0.488O2+0.01H2C03+0.003HCOr+o.003NH1―>N0£+0.008H20+

0.003C5H7O2N

影响硝化作用的因素：温度；溶解氧：pH；有机物；抑制剂

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。

以甲醇为碳源时反应式如下：

-

NOT+1.08CH3OH+0.24H2CQ3—>0.47N2f+1.68H2O+HCO+0.056GH7QN

NOr+0.67CH3OH+0.53H2CO3—>0.48N2f+1.23H2O+HCQ-+0.04C5H7O2N

影响反硝化作用的因素：碳源(降解性)溶解乳(就性微生物，不需严格厌氧)pH(6~8)温度

生物脱氮的过程比较

过程氨化亚硝化硝化反硝化(异化)

有机物碳源

能源NH4+NO2-

H受体NO3-,NO2-

DO范围宽好氧好氧缺氧，<0.5

不变

碱度变产生N/1MNHJ产生IMN<>3.产生

化2MH+IMOH-

需氧情1gBCD氧化IMNH4+氧化IM需N4%一或

况需1w需1.5MO一需

2NO3-

O.5MO2

同步硝化反硝化

反应器内溶解氧时空分布不均

时一硝化/反硝化循环

空一反应器局部厌/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

短程硝化反硝化

氨氮仅需氧化到亚硝氮便可进行反硝化，进程加快，水力停留时间缩短，反应错缩小30~40%：

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),

实际上主要是实现亚硝酸盐的积累：

控制温度>30℃

控制溶解氯浓度<0.5mg/l

控制pH7.4~8.3

5NH4++3NO3->4Z2t♦^H2O+2H+<1)

控制氨氮负荷，使

FA>0.6mg/L+

NH4+N<)2-—»N2t4-2HQ(2)

控制污泥龄，使SRT<2d

厌氧氨氧化

在厌氧条件下，微生物利用硝氮亚硝氮为电子受体氧化氨氮为气态氮。

无需外加有机物：

节省氧消耗62.5%：

酸碱平衡较好，产酸量降低1/2,产碱量为零。

四、生物除磷

废水中磷的存在形态取决于废水的类型，最常见的是磷酸盐(H2P04-、HPO42-和PO43-)、聚磷酸盐和有机磷。

常规二级生物处理中，有机物的生物降解伴随着微生物菌体的合成，磷作为生物体的生长元素也成为生物污泥的组分，从水中去除。

普通活性污泥含磷量一般为干重的1.5〜2.3%,通过剩余污泥排放可以获得10〜30%的除磷效果。

生物除磷的起源

污水除磷技术的发展起源于生物超量吸磷现象的发现。

污水生物除磷就走利用微生物的超量吸磷现象，通过设计生物处理系统或系统运行方式的改变，使细胞含磷量相当高的细菌体在系统

的竞争中取得优势，并通过定期排泥而将磷从水体移除。

在所有污水生物除磷工艺中都包含厌氧和好氧操作段，使剩余污泥的含磷量达到污泥干重的3%〜7%。

厌辄区

聚磷菌(polyphosphateaccumulationorganisms.PAOs)将体内积宏的聚麟分解.产生的能量一部分维持自J才生理活动.另一部分供其主

动吸收有机质转化为PHB(聚B-羟基丁酸)储存。

聚麟释放进入到污水中出现了厌氧释磷。

即PAOs摄取碳源并将它们以聚羟基烷酸盐(polyhydroxyalkanoates,PHAs)的形式储存，同时降解聚磷释放正磷酸盐。

好氧区

进入好氧区后，PAOs管好氧生长，利用储存的PHAs作为碳源和能源，摄取正磷酸盐并将其转化为聚磷酸盐。

由于PHAs是还原性胶体，其合成需要有还原能：

Wentzel等(1991)指出两种获得这种还原能的途径：

一是所谓Mino模式，还原能来自细胞体内糖原(glycogen)的分解；二是所谓Comeau-Wentzel模式，还原能来自乙酰辅酶

A(acetyl-CoA)经二枝酸循环的部分氧化。

内部储存糖原是保持微生物体内的氧化还原电位平衡以利于厌氧摄取多种有机物的关键.

污泥中的细菌

污泥的无机相

图6-6EBPR系统中磷的循环与累积模式

生物除磷的能力主要来自选择性增殖：

超量除磷主要是生物作用的结果：

但生物超量除磷并不能完全解杼某些条件下出现的除磷性能,

牛•物诱导的化学除磷可能是牛.物除磷的补充。

可能的生物除磷途径：⑴生物超量除磷(2)微生物同化作用⑶化学共沉积⑷生物膜沉积⑸生物强化的化学共沉积

影响生物除磷的因素

⑴厌氧环境

氧化还原电位小于lOOmv

溶解氧浓度阻止脂肪酸产生OPHB

NOx浓度消耗有机质

(2)有机质浓度及可利用性

⑶污泥龄3-5d

pH>7.2

温度<10

五、重金属离子

重金屈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：其中碑为12.5万吨、镉为3.9万吨、铜为14.7万吨、汞为1.2万吨、铅为34.6万

吨、锲为38.1万吨

重金属高子的分类

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-形成弱化学健的金属离子被称为“软金属”，如Hg2+、Cd2+和Pb2+等，一股都是有毒的重金属。

在生物体内，硬金属离子一般与0H-.HP04-,CO32-,R-COO^U=C=O等含氧官能团形成稳定化学键，而软金属离子一般与CN-、RS、

-SH-,-NH2和咪噗等含氮和含硫基团成键。

微生物去除重金属离子的原理

重金属与微生物细胞壁的大分子发生络合反应

络合作用是金属离子与几个配基以配位键相结合形成的复杂离子或分子的过程：

整合作用是一个配基上同时有两个以上的配位原F与金属结合而形成具有环状结构配合物的过程。螯合作用和络合作用都是金属离f

与生物吸附剂之间的主要作用方式。

细胞壁及胞外多聚物等均微生物大分子结构，分子内含有的N、P、S和0等电负性较大的原子或基团，能与金属离子发生螯合或络合

作用。

微生物对重金属的沉淀作用

微生物对重金属的吸附

细胞吸收主要有两种形式一一主动吸收和被动吸附；

被动吸附是指细胞表面覆盖的胞外多糖(EPS)、细胞壁上的磷酸根、救基、疏基、胺基等基团以及胞内的一些化学基团与金属间的结合；

在微生物处理重金属废水过程中，被动吸附是细胞吸收的主要形式。

微生物对重金属的氧化还原作用

细胞转化是指微生物代谢产生的及细胞自身的一些还原性物质将氧化态的毒性重金属离子还原为无毒性的沉淀：

微生物通过氧化•还原、甲基化和去甲基化笔作用将毒性重金属离子转化为无毒物质或沉淀，微生物转化作用与代谢和酶有关。

重金属与微生物中的离子发生离子交换

离子交换是与细胞物质结合的金属离子被另一些结合能力更强的金属离子代替的过程。有毒的重金属离子与细胞物质具有很强的结合

能力，因此，离了交换在重金属废水的处理中具有特别重要的意义。

一般过渡金属被优先吸收，而碱金属、彼、镁、钙则不被吸收。

微生物吸附重金属离子的特点：具有选择性：生产成本低，可重复使用：吸附和解吸速度快；.与水溶液的两相分离应高效、快速、廉

价：吸附容量应比较大：具有理想的粒度、形状、机械强度；再生时吸附剂损失量小，经济上可行。

影响微生物吸附重金属的因素

PH

吸附温度

吸附剂的粒径

吸附剂对重金属离子的选择性

吸附时间

其他离子的影响

固废与废气微生物过程

固体废弃物的污染现状

我国城市每年产垃圾5亿吨；垃圾堆积量达70亿吨，占地80多万亩，且仍以年均4.8%的速度增长；为清理每日产生的垃圾，北京有

近2万名环卫工人，上海有近3万名环卫工人；城市污水处理产生的剩余污泥达数千万吨；我国农村每年产坨圾3亿吨，其组成不再

是易腐败降解的农作物，而与城市垃圾日益趋同。

固废处理基本原则

资源化、减量化、无害化

化学成分:有机废物、无机废物

固

体形状:固体废物、泥状废物

废

物危害状况:有害废物、一般废物

来源：工业固废、城市垃圾、农业固废

常规固废处置方法

一、厌氧消化

在人工控制厌氧条件下，利用厌氧微生物将废物中可降解有机质分解转化成甲垸、二氧化碳和其它稳定物质的生物化学处理过程。

诲发酚

碳水化合物糖类CH八H,

发薜性细鼠产氮产乙段细蹲即类产甲烷细吗2

有机质：量白质।

氨基酸T中性化合物MCQ2，

祐防脂肪酸甘油

CO.耶等

_H2,COJ等

液化阶段-----------------产酸阶段---------——产甲烷阶段——>

厌氧发酵三阶段

1.厌氧消化的基本微生物过程

厌氧消化的两阶段理论

有机物

发酵阶段，又称产酸阶段或酸性发酵阶段；

水解细黄

主要功能：水解和酸化，柱

小分子W机物发

主要产物：脂肪酸、醇类、C02和H2等：警

阶

主要的微生物：统称为发醉细菌或产酸细菌；产酸苴段

主要特点有：1）生长快，2）适应性（温度、pH等）强。

距防皎、醇类、小、

产甲烷阶段，又称碱性发醉阶段：C02

I产甲烷莒利用前一阶段的产物.并将其转化为CH4和CO2：产甲烷重M

性

1主要参与微生物统称为产甲烷细菌；发

醉

I其特点有：1）生长慢；2）对环境条件（温度、pH、抑制物等）2：血的非常敏感。

改

厌氧消化的三阶段理论_

厌氧消化的四类群理论笆也

2.沼气发酵的相关微生物1----------------I发酵性细菌

沼发酵性细菌

气不产甲烷菌-

发产氢、产，酸菌

醉

甲烷杆菌乙酸

微

生产甲烷菌甲烷球菌

物甲烷八叠球菌

甲烷螺旋菌,

两类微生物的相互作用

不产甲烷菌为产甲烷菌提供生长和产甲烷所需的基质；产甲烷菌为不产甲烷菌生化反应解除反馈抑制；

不产甲烷菌为产甲烷菌创造适宜的厌氧环境

不产甲烷阈为产甲烷囱清除有毒物质；

不产甲烷菌与产甲烷菌共同维持适宜的pH.

发酵微生物的作用

复杂有机物首先在发酵性细菌产生的胞外酹作用下分解为溶解性小分子有机物；

纤维素及淀粉被纤维素醐、淀粉酶水解为葡萄糖：

蛋白质被蛋白酶水解为短肽及氨基酸，继而分解成有机酸、&、醉等；

脂类化合物水解为脂肪酸和甘油。

产酸微生物的作用

溶解性小分子有机物进入发酵菌(酸化菌)细胞内，在胞内朝作用下分解为挥发性脂肪酸(VFA),如乙酸、丙酸、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•过程也称为酸化，酸化过程是由许多种类的发醉细菌

完成的。

其中重要的类群有梭状芽抱杆菌(Clostridium)和拟杆菌(Bacteriodes)。

产乙酸菌的作用

产限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、乙醉等，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。

同型产乙酸菌，利用C02与H2产乙酸，少量。

产甲烷菌的作用

在此阶段，产甲烷菌在：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(Methanothrixsoehngenii)和巴氏甲烷八筏球菌(Methanosarcinabarkeri)

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」50〜-400mV范围内。

沼气的成分主要为CH4,55〜70%：C02,25〜40%：此外还有总量小于5%的8、02、H2、H2S、N2、NH3、碳氢化合物(CmHn)

等。通常，沼气中由于含有一点H2s气体，会有臭鸡蛋的气味。

3.影响厌氧消化的因素

厌氧条件今氧化还原电位

原料配比C/N20~30:1,P/C1/1000

反应温度中温35~38七,高温50~65C

pH酸碱度今6.5~7.5

搅拌条件少防酸积累、防气包、防过温

接种菌和今相应于原料

促进/抑制剂今碱性物质/重金属、氟化物等

4.厌辄消化的特点

资源化效果好，低品味的生物能转化为高品味的沼气;

沼液、沼渣可用作农肥、饲料或堆肥化原料：

可杀死传染病细菌；

反应过楞复杂，对温度、pH等环境因素较敏感：

气味较大，容易产生H2S、氨气等：

厌氧微生物的生长速率低，常规方法的处理效率低，设备体积庞大。

二、堆肥(Compost)

堆肥处理是指在人工控制下，在一定水分、C/N比和通风/搅拌条件下经做生物作用，实现有机固态废弃物减量化、稔定化的过程。

堆制处里后的产物中含有丰富的氮、磷营养物质和腐殖质物质，可用于改善土俄故称为堆肥。

彳机质无机物.矿物质+腐殖质+惋蜃

1.堆肥的微生物作用实质

堆肥的实质是微生物通过其胞外、胞内能转化分解有机质为腐殖质，实现固体垃圾的减量化与稳定化，获得维持自身生命活动所需的

能量及营养。

堆肥的关键是控制氧化还原反应的进程。

由此决定了堆肥过程中所需要关注的要点。

2.堆肥的物料特性

有机质组成--今降解性

有机质含量—>20-80%

碳/氮、碳/磷比-925~35,75~100

水分含量--约40~60%

颗粒粒径-9l-2cm

3.好氧高温堆肥

好氧高温堆肥是由群落结构演替非常迅速的多个微生物群体共同作用而实现的动态过程，在该过程中每个微生物群体都有在相对较短

时间内适合自身生长繁殖的环境条件，并且对某一种或某一类特定的有机物质的分解起作用。

单•的细菌、真菌、放线菌群体，无论其活性多高，在加快堆肥化进程中作用都比不上多种微生物群体的共同作用。

好氧高温堆肥的主导微生物

真菌：对堆肥物料的分解和稳定起着重要的作用，真菌不仅能分泌胞外的，水解有机物质，且由于其菌丝的机械穿插作用，能对物料

施加一定的物理破坏作用：典型的有轴菌、镰刀菌、青霉菌和酒釉菌。

细菌：对物料中易降解的及小分子物质起主导降解作用；部分能耐高温，主要是芽泡杆菌属。

放线菌：能耐高温，增殖速率慢，主要在末期占优势。链丝菌、诺卡氏菌和小单胞子菌等

堆肥过程的微生物种群轮替

某•时刻的温度和可利用的有机物质是决定该时刻堆肥中微生物群落结构的决定因素。

堆肥初期，利用易降解有机物质迅速繁殖的微生物占优势:

防着温度的升高，嗜热微生物逐渐增多：

温度超过60匕后，仅剩下嗜热细菌和放线菌：

温度回落后，中温微生物重新定殖，由于可利用的基质有限，其种群并不同于之前的中温微牛.物。

4.堆肥的物质转化过程

驯化阶段一发酵微生物主导易降解有机物■生物蝴水好气微生物汨帚发牌・黑菌等0：

一

中温阶段一产酸微生物主导腐殖质形成(C6HA)„TTTGH[2O6TTTCO2+C2H5OHTTH2O+CH?C00H-C02+H20

It生物多糖水解鼻乙二酸产生国等0,

高温阶段一嗜热性真菌主导有害微生物杀灭

(QHALfTTTTTTGH]2O6TTTTTTH20+(COOH)LCO2+H20

腐熟阶段一可利用基质耗尽微生物消亡

盘生物多境水解H丁酸枚鹿等

堆肥过程的碳素变化C6HA)LTTTT-C6H]2O6TT-TCH3(CH2)2COOH+出+2C0J

微生物脑外水解网

蛋白质+H2O—>—>—►RCHNH2COOH

堆肥过程的氮素变化非氯化脱瓶at生物

RCHNH2COOH+H2O—►—♦—>—»­—^RCHOHCOOH+NH3

仅化脱氟维生物

RCHNHjCOOH+O2—*->-*—»­-RCOOH+CO2+ZH3

芽府杆w»等

RCHNH2COOH+H2—RCH2COOH+NH3

氮粗化fem

NH3+H2o—NH4OH

氟权化细Ift

NH4OH+H*——NFL,*+H2o

氯粗化

2NH3+302———>2HNO2+2H2O

成硝酸坂化阈m

2HNO2+O2—»—*—*2HNO3

堆肥过程的腐殖质形成途径

堆肥中的木质素及纤维素由于分子结构较复杂，较难被微生物利用，是形成腐殖质的主要来源;

在微生物作用下，木质素的侧链氧化牛.成木质素类衍生物，构成了腐殖质的核心和骨架；

由微生物水解产生的小分子有机酸、氨基酸、核酸等在局部高温及高浓度条件下聚合形成了腐殖质。

腐殖质的组成

腐殖质并非单•的有机化合物，而是在组成、结构及性质上既有共性又有差别的•系列有机化合物的混合物，其中以富里酸(Fulvicacid)

与胡敏酸(Humicacid)为主：

腐殖质在土壤中可以呈游离的腐殖酸和腐殖酸盐类状态存在，也可以呈凝胶状与矿质粘粒紧密结合，成为重要的胶体物质；

溶解态腐殖质主要通过络合作用与金属离子结合，而固态的则通过物理化学吸附作用固定金属离子。

腐殖质的组成一胡敏酸

胡敏酸是一类能溶于碱溶液而被酸溶液所沉淀的腐殖质物质，其分子量比富里酸大，约为400~100000Da；

分子结构中含芳杳环、杂环及多环化合物，构成网状结构，边缘的官能团决定了其酸度、吸收交换容量及形成有机•无机复合物的能力：

胡敏酸比富里酸的酸度小，吸收容量较高，它的一价盐类溶于水，二价和三价盐类不溶于水，这对土壤养分的保持及土壤结构的形成

都具有意义。

腐殖质的组成一富里酸

富里酸是一类既溶于碱溶液又溶于酸溶液的腐殖质物质，其分子量比胡敏酸小；

在结构方面其所含的芳香核较胡敏酸小，聚合度小，酚羟基及甲氧基较多；

富里酸呈强酸性，移动性大，吸收性比胡敏酸低，它的一价、二价、三价盐类均溶于水，因此富里酸对促进矿物的分解和养分的释放

具有重要作用。

5.堆肥过程涉及的主要酶

主要酷种类有机物除陋中的作用

水艇酷类(3竺@工&!迪笠套》傕化J晶物发生水角平反应

(oxido-reduclases)

转移酌类(transfeMses>傕化阜些整团的转移武交换

刀^桓I(isomerases)化•告■同分"身^构4^^40互14^

裂前酌类Q£悬号念A傕化分解峨峨、峨方.、除畸铤

堆肥过程中酶活性的变化

堆肥过程中有机物的生物降解一般属于氧化脱氢过程，故过氧化氢酶酶活性表明了微生物利用有机质的速率变化：

纤维素前是多糖类有机物(糖、淀粉、纤维素、半纤维素)水解的关键能；

磷酸酶是物料中有机磷矿化的主要生物酶，其活性表明物料稳定化的趋势：

眼酶是有机胺水解形成无机氨的关键酶。

相关酶活性的测定

眠酶：以腑素为基质进行的促反应，测定生成的氮量来表示服(W活性，活性单位:g[NH4)g-lh-l;

过氧化氢醐：在酸性条件下用0.1molL-1高钵酸钾滴定干堆肥中的过氧化氢，用反应前后高钛酸钾消耗量表示过氧化氢酶活性，活性

单位为mmolg-1;

转化的：以点糖为底物，经转化的水解后生成还原糖，然后采用3,5-：硝基水杨酸比色法进行测定，活性单位mg(葡萄糖)・g-l-24h-l;

纤维素癖：DNS法，即用粉甲基纤维素钠盐作底物，经纤维素酶水解后生成还原糖，再用3,5-二硝基水杨酸法测定还原糖含量，纤维素

腑活性的单位是口g-min-1

激活剂对醒反应速度的影响

凡能提高酶活性的物质，都称为激活剂

⑴无机离子：金属离子(K+Na+Mg2+Zn2+Fe2+Ca2+),阴离子(Cl-Br-)、氢离子

⑵简单有机分子：某些还原剂、乙二胺四乙酸(EDTA)

⑶具有蛋白质性质的大分子物质

影响酶反应速度的抑制剂

行机磷化合物一一与丝凝酸上的QH结合

有机汞、有机碎化合物一一与臻基-SH结合

氨化物、硫化物和CO一—与活性金属离子络合

重金属离f一一与-SH、-NH2、-COOH结合或替代活性中心金属离子

卤代燃烷化剂一一取代-SH、-NH2、-0H

抗生素一一产物抑制

6.有机质腐质化程度

腐质化指数:HI=HA/FA>1.4

腐质化率：HR=HA/(FA+NHF)>1.0

胡敏酸百分含量：HP=HA*100/HS

腐质化度：DH%=(CHA|FA/TEQ*100

化学评价指标

pH值呈弱碱性，8~9；

挥发性同体含量，即有机质<65%：

水溶性碳/总氮(W5C/1N)<U.3：

水溶性碳/有机氮(WSC/N-orgh5~6：

阳离子交换量(CEC)=41-123emol/kg,且CEC/TOC=3.5~4：

水溶性有机酸＜2.2g/L：

溶解性糖＞0.1

三、卫生填埋(Landfill)

卫生填坦是世界上常用的处理垃圾量最大的4种方法之一。美国用这种处理的垃圾占总量68%,欧洲一般在50%〜85%,但卫生填埋

场的渗出液容易污染周围土地和水体。

我国每年生成的城市生活垃圾约为5亿吨，其中约三分之二的垃圾是可以回收利用的，但实际中除少部分金属、塑料及废纸被零散回

收外，其它90%以上实行卫生填埋。

1.卫生填埋工艺

好氧填坦：填埋垃圾体内布设通风管网，以鼓风机提供空气，加速垃圾分解：由于通风加速了蒸发，减少了渗漉液，仅需简单的防渗

处理：

准好氧填埋：与好氧类似，供氧量少，能耗少一些；

厌氧填埋：填埋体无需通风供氧管网，但需要高防渗，渗滤液收集及填埋气收集体系，电耗少，投资运行费用少，能产能。

2.厌氧填埋的微生物过程

与厌氧消化基本一致，差别在于填理处理的物料含水量低，处于非连续相且缺少搅拌，反应的局部性更容易导致酸、气积累：而由于

填埋垃圾的复杂性，其酸浸过程导致重金属离子的溶出增多。

厌氧填坦场稳定进程

I好氧阶段

II缺氧阶段

III厌氧阶段

IV成熟阶段

好黑阶段，好氧氧化一温度急剧上升；

缺氧阶段，硫酸硝酸盐还原一ORP下降；

厌氧不产甲烷段，固相垃圾水解一酸积累：

厌氧加速产甲烷段，有机酸利用阶段；

厌氧减速产甲烷段，有机酸消耗阶段；

好氧成熟阶段，大气重新进入垃圾填埋体。

3.填埋场渗漉液

垃圾填坦场渗滤液是指垃圾在堆放和填埋过程中由于发酵和降水的冲刷、地表水和地卜冰浸泡而滤出的污水：

垃圾渗滤液是一种污染性很强的