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1、难降解物质之共代谢,目录,难降解有机物,共代谢概念,共代谢工艺在废水中的处理,共代谢影响因素,展望建议生态安全,难降解有机物是什么？,定义：指被微生物分解时速度很慢，分解不彻底的有机物(也包括某些有机物的代谢产物) ，这类污染物易在生物体内富集，也容易成为水体的潜在污染源。 来源：主要来自各种各样工农业生产过程，按其化学组成可分以下几类：多环芳烃类(PAHs)化合物 、杂环类化合物、氯代芳香族化合物、有机氰化物、有机合成高分子化合物。,Refractory organics,难降解有机物有什么特点？,生物蓄积性：标靶组织中的浓度与环境中的浓度之比（生物富集系数）5000,半挥发作用：指化学品在
2、空气中挥发的能力,可以在大气环境中远距离迁移根据蒸气压, 0.011kPa,高毒性：一般具有毒性作用，有的可以导致生物体内分泌紊乱、生殖及免疫机能失调，有的甚至引起癌症等严重疾病。,长期残留性：根据半衰期, 水体 180天，土壤 36天,据报道，从污水处理厂排出的水中，这类物质（以COD计）占总COD的18.4%-36.5%；生物处理过程中以TOD为指标的污染物中3%-5%会变成生物难降解的腐殖酸类物质。,难降解有机污染物的污染现状,以上图片来源于百度,物化法处理,吸附法：主要采用交换吸附、物理吸附和化学吸附等方式，但由于吸附剂的吸附容量有限，吸附后的再生往往能耗很大，废弃后排放易造成二次污染
3、，且吸附效果受到多种因素的影响，这些因素限制了该方法的实际应用。萃取法：溶剂可以循环利用，废物中有用物质的回收，还可变废为宝。但是目前萃取法仅适用于少数几种有机废水，萃取效果及费用主要取决于所使用的萃取剂。由于萃取剂在水中还有一定的溶解度，使处理后的水质难以达到排放标准，还需结合其他方法做进一步的处理。膜处理技术：一般用于发酵液过滤、油水分离、海水淡化等，但由于成本高，且难以处理无机污染物，因此很少用于处理废水。化学氧化法：现代工业的发展使含有高浓度难生化降解有机物的工业废水日益增多，对于这类废水的处理，常用氧化剂表现出氧化能力不强，存在选择性氧化等缺点，难以达到实际的要求。随着研究的深入，高
4、级化学氧化技术应运而生，在使用中已获得显著效果。,“,”,微生物处理技术,缺氧反硝技术：在缺氧条件下，为反硝化菌提供适当比例的氮源，使反硝化菌对有机物进行降解，可分为悬浮污泥系统和生物膜法系统两大类。生物强化技术：通过改善外界环境因素，提高生物降解效率。包括投加有效降解的微生物、投加营养物和基质类似物、投加遗传工程菌酶。细胞固定技术：对完整细胞进行固定，微生物细胞密度高，能长期保持活性且能够反复利用。厌氧水解酸化预处理技术：将大分子难降解的有机物转化为小分子易降解的有机物，同时，经水解酸化预处理，出水水质稳定，对后续生化处理奠定基础。共代谢技术：微生物在利用碳源和能源的同时，对难降解性污染物进
5、行异化作用。,“,”,特点,分类,关键酶,第一/第二生长基质,共代谢是一种很独特的代谢方式, 某些有毒难降解物质不能被微生物直接降解 ,但添加易被微生物降解的物质如葡萄糖、乙醇等,则可以促进或启动难降解物质的降解, 并将其导入循环。 .,共代谢的定义,第一/第二基质,第一基质,第二基质,微生物利用一种易于摄取的基质作为碳和能量的来源，称为第一基质(生长基质），如葡萄糖、蔗糖、甲醇、乙酸盐等。,不能直接作为营养被转化的物质为第二基质（非生长基质），如苯胺、多环芳烃等。第二基质的共代谢是需能反应，能量来自第一营养基质的产能代谢。,关键酶,在微生物共代谢反应中产生的既能代谢转化生长基质，又能代谢转化
6、目标污染物的非专一性的酶是微生物共代谢反应发生的关键，这种非专一性的酶被称为关键酶。 单氧酶和双氧酶 还原酶 当微生物在利用易生物降解有机物时，非生长基质接近酶分子，酶蛋 白受到非生长基质的诱导，从而转向能够降解非生长基质一 方，最后和非生长基质结合，实现代谢目的。,01,02,03,共代谢的分类,靠降解其它有机物提供能源或碳源,由其它物质诱导产生相应的酶系，发生共代谢,通过与其它微生物协同作用，发生共代谢，降解污染物。,微生物首先利用易于摄取的生长基质作为一级基质，维持自身细胞的生长。,1,难降解性污染物作为二级基质被微生物降解,2,一级基质和二级基质之间对发挥降解作用的关键酶存在竞争现象,
7、3,共代谢的特点,4,污染物共代谢的中间产物不能作为营养被同化成细胞质，有些会抑制关键酶的活性，甚至对微生物有毒害作用。,5,共代谢是需能反应，能量主要来自生长基质的产能代谢，当生长基质被完全消耗时，能量来源于细胞自身储存能量物质，如PHB。,SBBR 共代谢工艺,MBR 共代谢工艺,PACMBR工艺,SBR 共代谢工艺,01,02,03,04,共代谢工艺在废水中的处理,序批式活性污泥工艺(SBR),序批式生物膜反应器（SBBR),主要处理物：脱氮（废水中有机氮、NH3-N、NxO-N等形式的氮）除磷 生物除氮原理：有机氮被异氧微生物氧化分解，即通过氨化作用转化为NH3-N，而后经硝化过程转化
8、为NxO-N，最后通过反硝化运用使NxON转化为N2。厌氧段脱氮主要靠生物膜对含碳氮有机物的过量储存作用；好氧段脱氮主要靠生物膜的同步硝化反硝化（SND）作用，反硝化的有机碳源主要来源于生物膜在厌氧段中过量储存的有机碳源。 生物除磷原理：厌氧/好氧交替运行的方式，富集聚磷菌。在厌氧状态下，聚磷菌吸收溶解性化学需氧量(COD)发酵产物，好氧时，聚磷菌就会分解胞内的PHB产生能量将水中的磷酸盐过量摄取到胞内转变成聚磷酸盐，形成富磷污泥，最终可通过排泥来真正实现除磷。,”,“,SBR/SBBR共代谢工艺,SBBR工艺运行周期为：进水 反应 沉淀 出水 闲置。第一基质：葡萄糖，氯化铵，磷酸氢二钾第二基
9、质：含氮磷废水,膜生物反应器(SBR),图片来源于知网,1气体控制阀；2曝气泵；3气体流量计；4机械搅拌器；5排水阀；6曝气头；7排泥口。,SBR 工艺实验装置示意图,图片来源于豆丁网,SBBR工艺运行周期为：进水 反应 沉淀 出水 闲置。第一基质：葡萄糖，氯化铵，磷酸氢二钾第二基质：含氰废水,移动床生物膜技术（SBBR),图片来源于知网,1取样口；2出水口；3水浴控温层；4组合式填料；5微孔曝气头；6转子流量计；7空气调节阀；8空压阀；9时间控制器；10恒温水浴器；11恒温水循环泵。,SBBR 工艺实验装置示意图,图片来源于知网,膜生物反应器(SBR),移动床生物膜技术（SBBR),SBBR
10、克服了SBR的一些缺点，继承了SBR的优点，同时还具有其自身的优势：(1)微生物相多样化，能存活世代时间较长的微生物。(2)微生物量多，设备处理能力大，耐冲击负荷强。(3)剩余污泥产量少,污泥沉降性好，从而降低了污泥处理与处置费用。(4)占地面积小，节省基建费用，动力消耗少。(5)易于运行管理，减少污泥膨胀问题。(6)工艺过程稳定，具有良好的脱氮除磷性能。,”,“,SBR/SBBR共代谢工艺比较,膜生物反应器（Membrane Bioreactor）,主要处理物：二甲基亚砜生物除二甲基亚砜原理：共代谢基质消耗过程中产生非专一性的加氧酶，使DMSO分解后被微生物作为二级基质降解。第一基质：蔗糖第
11、二基质：二甲基亚砜关键酶：加氧酶主要微生物：活性污泥中存在变形虫、累枝虫、足吸管虫、楯纤虫、转轮虫和线虫等微生物。,”,“,MBR 共代谢工艺,膜生物反应器（MBR）,图片来源于,MBR存在的主要问题和策略,较高的运行费用主要来自于膜更换频率膜价格能耗需求,问题,1.提升膜材料和膜组件：目前膜材料方面的研究主要集中在应用表面工程技术使膜表面性质改变，旨在减轻膜污染、调整亲疏水性、提高生物兼容性、扩展生化性能、模拟生物膜、构筑纳米结构等。2.膜污染控制：在反映器规模通过合理的曝气、在线清洗等方式达到高能量、低能耗、使用寿命长的目的；在分子水平上通过减少微生物的附着以减轻生物膜污染。3.加强对 M
12、BR 经济性的研究,策略,多种工艺结合使用,PACMBR工艺(粉末活性炭一膜生物反应器）,PACMBR组合工艺是指将PAC投加至MBR污泥混合液中，污泥絮体以PAC颗粒为骨架，吸附和絮凝污泥混合液中微细胶体、胞外聚合物 EPS(Extraeelluar Pdymeric Substanees)、溶解性有机物等，使污泥颗粒粒径变大，抗压能力增强，膜面沉积层孔隙率提高，压密性降低，从而降低膜过滤阻力和膜污染程度，提高膜通量。同时，由于PAC污泥絮体的吸附和生物降解作用协同，形成生物活性炭，使有机污染物降解去除率得到提高，PAC得以再生。,生长基质的选择,1,生长基质和非生长基质的浓度比,2,能量物
13、质,3,营养物质,4,CONTENTS,共代谢的影响因素,降解三氯苯酚（TCE)加入苯酚和营养液作为生长基质,生长基质的选择,图片来源于,共代谢中生长基质与非生长基质的比例，对非生长基质的降解影响很大。主要因为关键酶来自于微生物对生长基质的利用。反应中产生那个竞争性抑制。 生长基质比例较大时，诱导产生的关键酶数量多，可以快速降解非生长基质；但是过高的生长基质又会抑制非生长基质的共代谢。,比例,生长基质和非生长基质的浓度比,图片来源于,能量物质和营养物质,除了生长基质的产能代谢为微生物生长和生物难降解物质降解提供能量外,也可以考虑外加适量能量物质提供额外能量, 以提高难降解物质代谢的速率。,能量
14、物质,微生物生长需要足够的营养物质，除了生长基质提供的碳源外，还需足够的氮源、磷源和必要的微量元素。,营养物质,Co-metabolism,微生物的共代谢对于非生长基质的降解具有很大的潜力，但在实验研究中还存在很多问题： 生长基质的选择可以使非生长基质的类似物或者在结构上有相同基团的有机物。 共代谢机理的研究存在不用的观点。,展望与建议,1 Mark C.M.van Loosdrecht,Damir Brdjanovic.Anticipating the next century of wastewater treatmentJ.Science,2014,27(6):1452-1453.2 H
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