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1、第十章微生物对污染物的分解与转化,0min,15min,30min,10.1 微生物对有机物的分解作用,活性污泥的基本概念组成：主要为微生物性质：含水率99%、密度1.0021.006，具生物活性,为细胞合成和维持生命活动提供大量能量 为细胞合成提供原料 作为各种有机底物彻底氧化的共同途径,三羧酸循环的生理意义,一、生物分解的一般特点与分类,（一）有机物生物分解的一般特点,三大有机物有氧呼吸代谢途径示意图,污水中有机物生物分解的过程,有机物的生物分解：通过一系列的生化反应，最终将有机物分解成小分子有机物或简单无机物的过程。,（二）生物分解的分类,1、根据分解程度与最终产物分类（1）生物去除(表
2、观生物分解)（2）初级分解（3）环境可接收的分解（4）完全分解,2、根据氧的需求分类：（1）好氧分解（2）厌氧分解,厌氧处理与好氧处理的比较,好氧法处理有机物所需的时间一般比用厌氧法处理短，基本上没有臭气，但需要有氧的供应和比较复杂的供氧设备，运行费用高，且当废水中有机物浓度太高时，一般不可能供应好氧分解所需要的充足的氧。,处理普通废水一般都用好氧法,处理污泥则用厌氧法。若处理高浓度有机废水，则往往先采用厌氧生物处理，将有机污染降至一定浓度后，再采用好氧法处理至达到排放标准。厌氧处理还有可能使难以好氧生物降解的有机物转化为较易好氧降解的物质。,用厌氧法处理废水，所产生的甲烷气体可以利用；但由于
3、有硫化氢等气体产生，所以臭气大；同时，由于存在硫化铁等黑色物质，使处理后的废水颜色深，并且所含有机物也较多，如果要使有机物完全稳定，需时甚长，当废水量大时，所需设备的容量也将很大。但厌氧法适合处理高浓度有机废水。,二、污水中有机物的好氧分解,剩余污泥,增加的细胞物质的量 新合成细胞物质量 内源呼吸耗去的量新合成细胞物质量与食料量(BOD去除量)成正相关内源呼吸耗去的量与现有生物量成正相关X aS bX,微生物的增殖与剩余污泥量的计算,X：新生长的细胞物质（kg/d）a：合成系数（Kg MLVSS/Kg BOD5）,生活污水一般为0.50.7S：所利用的食料（基质），即去除的BOD量（kg/d）
4、X：构筑物内原有的细胞物质（kg）b：细胞自身氧化率或衰减系数（1/d）,生活污水一般为0.050.1,X aSrQ bXvV,X：新生长的细胞物质（kg/d）a：合成系数（Kg MLVSS/Kg BOD5）,生活污水一般为0.50.7Sr：去除的BOD5浓度(kg/m3)，S0 SeQ：进水流量(m3/h)b:细胞自身氧化率或衰减系数（1/d）,生活污水一般为0.050.1Xv：池内 MLVSS 浓度(kg/m3)（Xv f MLSS）V：池容积(m3),X aS bX,计算例题,某城市混合废水用活性污泥法处理，其曝气池的有效容积为340m3，进水流量为150m3/h，进水BOD5为200m
5、g/L，出水BOD5为20mg/L，曝气池内污泥浓度为4g/L（其中挥发份占75%），计算剩余污泥量；若剩余污泥含水率为99.2%，剩余污泥体积是多少？（取a=0.6 b=0.075）,解：,有机物氧化需氧量 去除BOD需氧量+自身氧化需氧量第一项与去除的BOD量成正相关第二项与现有的生物量成正相关 O2 a S+b X(Kg O2/d),有机物氧化的需氧量计算,S：去除的BOD量，Kg BOD5/dX：生物量，Kg MLVSS a：BOD氧化需氧率，Kg O2/Kg BOD5b：自身氧化需氧率，Kg O2/(Kg MLVSS d),O2=0.001aQ(So-Se)-c Xv+b 0.001
6、Q(Nk-Nke)-0.12Xv-0.62b 0.001Q(Nt Nke-Noe)-0.12 Xv,关于需氧量的计算(简介),若处理系统仅为去除碳源污染物则b为零，只计第一项和第二项。,O2=去除含碳污染物的需氧量-剩余污泥排出节省下的氧当量+去除的凯氏氮硝化所需氧量-去除的总氮反硝化时所回收的氧量,三、有机物的厌氧生物分解,主要用于高浓度的有机废水与剩余污泥的处理,厌氧消化三阶段、四阶段过程,有机物的厌氧分解过程早期认为分为两个阶段：酸性发酵阶段和碱性发酵或产甲烷阶段两阶段理论70年代以后又提出了三阶段、四阶段理论。,有机物（多糖、脂肪、蛋白质）,丙酸、丁酸等脂肪酸及乳酸、芳香酸等有机酸、醇
7、类等,CH4,第一阶段：水解、发酵性细菌群将复杂有机物分解为各种低级脂肪酸、醇类、氨等；第二阶段：产氢产乙酸细菌将第一阶段产物进一步分解为乙酸和氢气；第三阶段的微生物是两组生理不同的专性厌氧的产甲烷菌群。一组将H2 和CO2 或CO合成CH4；另一组将乙酸脱羧生成CH4和CO2；第四阶段：为同型产乙酸阶段，同型产乙酸细菌将H2和CO2转化为乙酸。,三阶段、四阶段理论,10.2 有机物的生物分解性,一、有机物的生物分解性评价方法,易生物分解试验,生物分解潜能试验(是否具有生物分解的潜在性),污水生物处理系统河流、湖泊河口海洋土壤,生物分解模拟试验（在特定环境下的生物分解性）,本质性生物分解试验,
8、有机物的生物分解性评价步骤,易生物分解试验,生物分解模拟试验,本质性生物分解试验,受试有机化合物,在环境中易生物分解,在环境中难生物分解,二、有机物的生物分解性与分子结构的关系（一般规律，但例外较多）,能使生物分解性降低的基团称异源基团（xenophore）。,2）异源基团数目增加，降解性越差。,1）增加A类取代基一般降解性变差，B类有时可以增加降解性。,3）异源基团的位置对生物降解性产生显著影响。,H,C,H,三、注意几个问题,1、生物分解性与浓度的关系,基质抑制作用：有些有机物在浓度低时可以降解，高于某一浓度时不能降解（产生抑制作用）。,S,抑制浓度,2、共代谢现象,一些化合物单独存在时不
9、能被降解，只有在其它物质被降解时才能被降解的现象。,可能原因：1）缺少进一步降解的酶系；2）中间产物的抑制作用；3）浓度低，不能维持生命代谢。,三、注意几个问题,3、有机物间的相互作用 互不影响、促进作用、抑制作用（顺次利用）,三、注意几个问题,4、微生物间作用（1）协同作用；（2）抑制作用（拮抗）；（3）捕食 5、去毒作用与激活作用去毒作用：分解产物的毒性低于原化合物激活作用：分解产物的毒性大于原化合物,有机废水来源广泛，差异很大。按有机废水的可生化性，可分为四种类型：,有机废水的可生化性,BOD5/COD 0.4：易生化；0.3 BOD5/COD 0.4：可生化；0.2 BOD5/COD
10、0.3：较难生化；BOD5/COD 0.1：不可生化,10.3 不含氮有机物的生物分解,一、纤维素、半纤维素、木质素的生物分解,糖类化合物按其组成分为三类：单糖、低聚糖和多糖。,（一）单糖：构成各种糖分子的基本单位,（二）低聚糖：含有210个单糖单位，彼此以糖苷键连接，水解以后产生单糖。低聚糖又叫寡糖。,（三）多糖：由许多单糖分子或其衍生物缩合而成的高聚物称为多糖，又称为高聚糖。可分为同多糖和杂多糖两类。,纤维素分解过程,纤维素经水解分解为葡萄糖和纤维二糖后方可被微生物吸收。在好氧性微生物作用下，可彻底氧化成CO2与H2O。在厌氧条件下，由厌氧微生物作用可进行丁酸型发酵，产生丁酸、丁醇、CO2
11、和H2等。,（二）半纤维素的生物分解,半纤维素,单糖+糖醛酸,（三）木质素的生物分解,难以萃取出一种化学上稳定的木质素组成，对它的结构、合成与生物分解机理还远没有弄清。,半纤维素存在于植物的细胞壁中，人造纤维工业废水、造纸工业废水中也含有半纤维素。半纤维素易被土壤中微生物降解，能分解纤维素的微生物大多能分解半纤维素,二、淀粉的生物分解,直链淀粉：D-葡萄糖以-1,4-糖苷键连接的多糖链，水溶性差。,支链淀粉：除-1,4-糖苷键外，还有-1,6-糖苷键连接的分支。易溶于水。,淀粉的降解：淀粉糊精麦芽糖 葡萄糖。,三、脂肪的生物分解,脂肪 甘油 高级脂肪酸,甘油的转化：,脂肪酸 乙酰辅酶A,-氧化
12、,脂肪酶,脂肪酸的-氧化：,（1）脂肪酸的激活。脂肪酸先与ATP形成脂酰-磷酸腺苷。脂酰磷酸腺苷再与辅酶A化合，生成脂酰辅酶A。,（2）脱氢,（3）加水,（4）再脱氢,（5）硫解,乙酰辅酶A可以进入三羧酸循环氧化成H2O及CO2，也可以参加其他合成代谢。,18C硬脂酸产能：（10+1.5+2.5-1）+147+10 121 ATP,四、芳香族化合物的生物分解,芳香族化合物可被微生物分解酚类化合物存在于炼焦、石油、煤气等多种工业废水中对酚起作用的主要是细菌,在酶的作用下直接将分子中的环状结构打开 芳香族化合物中大部分被微生物作用去掉环上的侧链基团，使之转变成儿茶酚或原儿茶酸。,微生物分解芳香族化
13、合物的方式有两种：,芳香族化合物的生物降解,大部分烯烃类化合物比烷烃、芳香烃容易降解。,五、烃类化合物的生物分解,合成洗涤剂：主要成分是表面活性剂，其他成分为聚磷酸盐等。,六、合成洗涤剂的生物分解,合成洗涤剂易在曝气池和天然水体中形成大量的泡沫，阻断大气向水中复氧。,聚磷酸盐可以在水体中蓄积，并引起水体的富营养化。,碳循环,碳素循环包括CO2的固定和再生。CO2的固定：绿色植物和微生物通过光合作用，固定自然界中的CO2，合成有机碳化物，进而转化成各种有机质；CO2的再生：植物和微生物通过呼吸作用获得能量，同时释放出CO2。动物以植物和微生物为食，并在呼吸作用中释放出CO2。当动、植物和微生物等
14、有机碳化物被微生物分解时，产生大量的CO2，完成整个碳素循环。,碳循环,微生物在碳素循环中的作用,微生物在碳素循环中既参与固定CO2的光合作用，又参与再生CO2的分解作用。(1)光合作用 参与光合作用的微生物主要是蓝细菌、藻类和光合细菌。在有氧区域以蓝细菌和藻类占优势，而在无氧区域则以光合细菌占优势。(2)分解作用 自然界有机碳化物的分解主要是微生物的作用。在有氧条件中，通过好氧微生物分解，被彻底氧化为CO2；在无氧条件中，通过厌氧微生物发酵，被分解成有机酸、甲烷和CO2。,氮气无机氮 NH3-N 硝态氮有机氮,10.4 含氮有机物的生物分解,整个过程包括固氮作用、氨化作用、硝化作用、反硝化作
15、用。,一、氮的循环,蛋白质朊胨肽氨基酸,二、蛋白质的生物分解,蛋白酶,肽酶,脱氨基作用：,有氧条件下RCHNH2COOH+O2 RCOOH+CO2+NH3,厌氧条件下RCHNH2COOH+H2 RCH2COOH+NH3,（一）氨化作用,(二)硝化作用：,氨氧化成亚硝酸、硝酸的过程。,分两步进行（好氧条件）,限速阶段、控制阶段,（二）硝化作用,常见的硝化细菌,硝化菌的主要特性,化能自养好氧,G-适于中性和弱碱性环境生长速度慢，世代时间824小时对有害化学物质敏感（用于毒性测定）,厌氧氨氧化菌：NH4+NO2-N2,专性厌氧 自养菌 G-球状,硝酸盐呼吸（nitrate respiration）是
16、指在缺氧条件下，有些细菌能以有机物为供氢体，以硝酸盐作为最终电子受体的生物氧化过程。硝酸盐呼吸，也叫反硝化。不同的硝酸盐还原菌将NO3还原的末端产物不同，如N2（包括N2O、NO）、NH3和NO2。,（三）反硝化作用,反硝化分两步完成：,NO3还原为NO2NO2还原为N2,一般说来，反硝化是在硝酸盐（电子受体）与有机物（电子供体）同时存在、而氧气又不足（DO0.5mg/L）的情况下发生。,反硝化菌（Denitrifying bacteria）及其特征：参与反硝化作用的细菌叫反硝化菌大多数是异养菌（反硝化杆菌、荧光假单胞菌），也有一些自养菌（反硝化硫杆菌）大部分是兼性细菌，有氧气时利用氧气呼吸，
17、厌氧时利用硝酸和亚硝酸根呼吸,10.5 微生物对无机元素的转化作用,硫是生物的重要营养元素，它是一些必需氨基酸和某些维生素、辅酶等的成分。在自然界硫素以元素硫、硫化氢、硫酸盐和有机态硫的形式存在，其中硫酸盐约占总硫量的10-25%，有机态硫约占50-75%植物一般只能以无机盐类作为营养物质。硫素各种形态的循环转化，对不断供给植物硫素营养非常重要。,一、硫的生物转化,硫素循环,自然界中的S和H2S，经微生物氧化形成SO42-;SO42-被植物和微生物同化成有机硫化物，组成细胞物质；动物食用植物和微生物，将其转变成动物体的有机硫化物；当动、植物和微生物尸体中的有机硫化物被微生物分解时，以H2S和S
18、的形态返回自然界，完成硫循环过程。,SO42-,（一）硫化作用,硫化细菌：G-，将多种形式硫氧化成硫酸盐硫磺细菌：氧化S2-S，并将硫粒积累在细胞内,贝日阿托氏菌、发硫菌、辫硫菌：微量好氧,丝状，当DO在1mg/L以下时，硫化物较多，这些硫磺细菌过渡生长引发活性污泥丝状菌膨胀。,在混凝土排水管和铸铁排水管中，在缺氧条件下，如果有硫酸盐存在，经常被还原为硫化氢。硫化氢可以被硫化细菌或硫磺细菌将硫化氢氧化为硫酸。再与管顶部的凝结水结合使混凝土管和铸铁管受到腐蚀。,（二）反硫化作用,H2S也可直接与Fe反应生成FeS，当反应物被冲走后，管壁就留下一个个凹陷。为了减少对管道的腐蚀，除要求管道有适当的坡
19、度，使污水流动畅通外，还要加强管道的维护工作。细菌锈蚀只发生在1030，pH5.5以上的条件。由于这种作用必须在厌氧中进行，所以又叫厌氧锈蚀作用。,二、磷的生物转化,三、金属元素的生物转化,1.铁的氧化和沉积：,（一）铁的生物转化,铁细菌的特性：能利用还原态铁作为能源；自养菌；丝状菌；一般生活在含氧少、但有较多铁质和CO2的水中。,铁锰细菌的作用及其危害面,给排水管道内常有氧化锰和铁的细菌，它们可以将溶解性的 Fe2+氧化成 Fe3+（铁锈）、将可溶性的 Mn2+氧化为不溶性的 Mn4+堵塞管道。同时具柄和具鞘的铁细菌大量繁殖，铁锰的氧化产物大量增生与粘性菌体粘合在一起，可造成管道堵塞。,铁、
20、锰对饮用水的影响：含有铁和锰的饮水外观呈褐色，而且当铁含量超过 0.3 mg/L，锰含量超过 0.5 mg/L时，就对人体有害，不能饮用。,（二）铬的生物转化,厌氧条件下，Cr 6+Cr3+(无毒)细菌：铜绿假单胞菌、荧光假单胞菌、恶臭假单胞菌、含糊假单胞菌、门多萨假单胞菌、酪链球菌、真养产碱菌、阴沟肠杆菌等。,（三）汞的生物转化,1、汞的生物氧化和还原 Hg Hg2+2、汞的甲基化 甲基汞的毒性远远大于元素汞和汞离子,（一）生物浓缩 体内积累速率=吸收速率-（体内分解速率+排泄速率）生物浓缩：生物个体或处于同一营养级的生物种群，从环境中吸收并蓄积某种元素或化合物，使体内该物质的浓度超过环境中
21、浓度的现象，又称生物富集。生物浓缩系数（BCF，又称富集因子）：BCF=,10.6 生物对污染物的浓缩与吸附作用,一、水生生物对污染物的浓缩作用,物质在生物体内的浓度,物质在环境介质中的浓度,（二）生物积累与生物放大生物积累：同一生物个体在不同的生长发育阶段，生物浓缩系数不断增加的现象。生物放大：生态系统中，某种化学物质的生物浓缩系数在同一食物链上，由低位营养级生物到高位营养级生物逐级增大的现象。因此，即使是进入环境中的微量污染物，也会通过逐级生物放大，影响高位营养级的生物，甚至人类。,二、微生物对有机污染物的吸附作用,微生物细胞具有胶体粒子的特性，而且细胞小，具有很大的比表面积，因此具有吸附水中有机颗粒、胶体物质和溶解性有机物，特别是疏水性有毒有害有机污染物的能力。注意：被吸附去除的有机物将积累在剩余污泥中，引起二次污染。,生物吸附,三、微生物对金属的吸附作用,水中的金属离子与微生物细胞表面的特定基团结合而使其吸附到细胞的表面，这种现象叫生物吸附。基团：巯基、羧基、羟基等。,
