水处理微生物过程.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,资料仅供参考,不当之处，请联系改正。,环 境 生 物 学,Environmental Microbiology,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,资料仅供参考,不当之处，请联系改正。,一、环境污染的生物效应,生物监测,生物效应检测,有机物,重金属,营养盐,气态污染,生物污染,污染项目,生态系统,迁移转化,生物转化,生物浓缩,生物积累,生物放大,种群结构变化,个体行为变化,组织器官变化,分子水平变化,生物群体,生产活动,交通运输,生活消费,环境风险评价,2025/9/28 周日,1,微生物净化的本质,微生物需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,等营养盐及某些,重金属离子,的迁移转化，实现,污染物的无害化、稳定化化,；,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,酶催化,完成的，而酶催化有,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。,2025/9/28 周日,2,微生物催化降解的必要条件,存在含有某种降解酶的,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。,2025/9/28 周日,3,微生物代谢活性,微生物种类、生长期,目标污染物特征,空间结构、分子量大小、元素组成、毒性,环境因素,营养、温度、,pH,、氧化还原电位,影响微生物催化降解的因素,2025/9/28 周日,4,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。,2025/9/28 周日,5,二、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。,2025/9/28 周日,6,1.,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营养质，由非专一性酶促反应完成的复杂污染物降解过程，一般仅使有机物分子得到修饰或转化，但不能使其完全分解。,2025/9/28 周日,7,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。,外源有机物充足时，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。,2025/9/28 周日,8,2.,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键过程；,不同的生物处理工艺中，有机物的,分解速率,、微生物的生存方式、,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。,2025/9/28 周日,9,好氧有机物分解过程,2025/9/28 周日,10,TCA,生物氧化的一般过程,糖,三酯酰甘油,蛋白质,葡萄糖,脂酸,+,甘油,氨基酸,乙酰,CoA,2H,呼吸链,H,2,O,ADP+Pi,ATP,CO,2,2025/9/28 周日,11,在温度适宜、溶解氧充足的条件下，微生物的增殖速率主要与微生物,(M),与基质,(F),的相对数量，即,F,M,相关；,在静态培养条件下，随着时间的延长，基质浓度逐渐降低，微生物的增殖经历,适应期,、,对数增殖期,、,衰减期,及,内源呼吸期,。,2025/9/28 周日,12,3.,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。,发酵过程产生的,H,2,很少，主要由,丙酮酸脱水,形成，与专性,厌氧氧化,产氢的机理不同。,2025/9/28 周日,13,厌氧有机物分解过程,2025/9/28 周日,14,(1),水解阶段,复杂有机物首先在发酵性细菌产生的胞外酶作用下分解为,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,。,2025/9/28 周日,15,(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、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孢杆菌,(,Clostridium,),和拟杆菌,(,Bacteriodes,),。,2025/9/28 周日,16,(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、乙醇等，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。,2025/9/28 周日,17,(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,(,Methanothrix soehngenii,),和,巴氏甲烷八叠球菌,(,Methanosarcina barkeri,),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。,2025/9/28 周日,18,4,缺氧,(anoxic),处理,在没有,分子氧,存在的条件下，一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。,2025/9/28 周日,19,(1),硫酸盐还原,在特定条件下，硫酸盐或亚硫酸盐会被硫酸盐还原菌,(sulfate reduction bacteria,，,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。,2025/9/28 周日,20,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),。,SRB,分类,硫酸盐还原需要有足够的有机质，其质量比应超,过,1,67,；与甲烷相比，硫化氢的溶解度要高很多，,容易造成处理出水,COD,偏高。,2025/9/28 周日,21,(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，即脱氮作用在缺氧条件下进行。,有关问题将在,后面,讨论。,2025/9/28 周日,22,在实际生物处理过程中，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。,5.,工程实际中的应用,2025/9/28 周日,23,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。,微环境的意义,2025/9/28 周日,24,在微生物絮体、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,N0,3,-,得以还原。,微环境典型,-,同步硝化反硝化,2025/9/28 周日,25,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能基因。,6.,难降解有机物,2025/9/28 周日,26,优先控制污染物黑名单,挥发性卤代烃,苯系物,氯代苯,酚类,多氯联苯,硝基苯,苯胺类,多环芳烃类,酞酸酯类,农药,丙烯腈,亚硝胺,氰化物,重金属,2025/9/28 周日,27,aerobic,anaerobic,abiotic,FEMS Microbiol Rev 34(2010)445475,(1),氯代烃的降解途径,2025/9/28 周日,28,VC,DEC,assimilating bacteria;,aerobic,;,anaerobic degrading microbes,氯烃降解的典型细菌,Alkene monooxygenase/EaCoMT,2025/9/28 周日,29,氯烃降解的典型放线菌,FEMS Microbiol Rev 34(2010)445475,2025/9/28 周日,30,VC,、,cDEC,好氧降解途径,FEMS Microbiol Rev 34(2010)445475,2025/9/28 周日,31,(2)PCB,好氧降解途径,Stuart E Strand,2025/9/28 周日,32,PCB,好氧降解途径,Stuart E Strand,2025/9/28 周日,33,(3),酚类的典型降解途径,2025/9/28 周日,34,粪产碱杆菌,(,Alcaligenesfaecalis,),醋酸不动杆菌,(,Acinetobactercalcoaceticus,),假单胞菌,(,Pseudomonas,sp.),隐球菌,(,Cryptococcus,sp.),醋酸不动杆菌,(,Acinetobactercalcoaceticus,),假丝酵母菌,(,Candida,sp.),皮状丝孢酵母菌,(,Trichosporoncutaneum,),酚类降解的典型微生物,2025/9/28 周日,35,(4),常见含氮芳香族化合物,FEMS Microbiol Rev 32(2008)474500,2025/9/28 周日,36,含氮芳香族化合物降解途径,FEMS Microbiol Rev 32(2008)474500,2025/9/28 周日,37,含氮芳香族化合物的典型降解微生物,FEMS Microbiol Rev 32(2008)474500,2025/9/28 周日,38,(5),多环芳烃的典型降解途径,FEMS Microbiol Rev 32(2008)927955,萘,2025/9/28 周日,39,多环芳烃的典型降解途径,NADH oxidoreductase,a ferredoxin,and an oxygenase component,FEMS Microbiol Rev 32(2008)927955,菲,2025/9/28 周日,40,多环芳烃的典型降解途径,FEMS Microbiol Rev 32(2008)927955,芴,2025/9/28 周日,41,多环芳烃的典型降解途径,FEMS Microbiol Rev 32(2008)927955,芘,2025/9/28 周日,42,粪产碱杆菌,(,Alcaligenesfaecalis,),假单胞菌,(,Pseudomonas,sp.),青枯菌,(,Ralstonia,sp.),丛毛单胞菌,(,Comamonas sp.,),鞘氨醇单孢菌,(,Sphingomonas,sp.,),红球菌属,(,Rhodococcus sp.,),节杆菌属,(Arthrobacter sp.),结核分支杆菌,(,Mycobacterium,sp.),PAHs,降解的典型微生物,FEMS Microbiol Rev 32(2008)927955,2025/9/28 周日,43,苯系物的苯甲酰辅酶,A,降解途径,FEMS Microbiology Reviews 22(1999)439458,2025/9/28 周日,44,苯系物的苯甲酰辅酶,A,降解途径,FEMS Microbiology Reviews 22(1999)439458,2025/9/28 周日,45,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染特性的环境中富集筛选所需的微生物菌属。,7.,功能性微生物的筛选分离,2025/9/28 周日,46,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,功能微生物的筛选原则,2025/9/28 周日,47,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,种类微生物的分离,特定微生物的分离培养,功能微生物的筛选方法,2025/9/28 周日,48,三、生物脱氮,进入,20,世纪,70,年代和,80,年代以来，随着水体富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氮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。,2025/9/28 周日,49,1.,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。,2025/9/28 周日,50,缺氧条件下，通过,水解反应,脱氨,好氧条件下，通过,氧化反应,脱氨,厌氧条件下，通过,还原反应,脱氨,氨化反应,2025/9/28 周日,51,硝化反应主要由一群自养好氧微生物完成；,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；,硝化菌为自养菌，它们以,CO,2,为碳源，通过氧化,NH,4,+,获得能量。,硝化反应,2025/9/28 周日,52,亚硝化菌包括,亚硝化单胞菌属,(,Nitrosomonas sp.,),、,亚硝化球菌属,(,Nitrosococcus sp,.),、,亚硝化弧菌属,(,Nitrosovibrio sp,.),和,亚硝化叶菌属,(,Nitrosolobus sp.,),。,硝化菌包括,硝酸盐杆菌属,(,Nitrobacter sp,.),、,螺旋菌属,(,Nitrospira sp,.),、,硝化刺菌属,(,Nitrospina sp,.),和,球菌属,(,Nitrococcus sp,.),。,亚硝化细菌和硝化细菌,自养型硝化细菌都为,G,-,菌,，世代周期超过,10h,，拥有较高的,硝化速率；而一些异养细菌如,产碱杆菌,、,节杆菌,等虽然硝化速,率低，但世代周期短，增殖快，其硝化贡献不可忽视。,2025/9/28 周日,53,亚硝化细菌和硝化细菌的特征,2025/9/28 周日,54,自养型硝化菌利用无机碳化合物如,C0,3,2-,、,HCO,3-,和,CO,2,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：,硝化菌基本反应式,反应要消耗碱度,，,7.14gCaCO,3,/gNH,3,-N,2025/9/28 周日,55,氨氧化呼吸链,2025/9/28 周日,56,亚硝氮氧化呼吸链,2025/9/28 周日,57,温度,溶解氧,pH,有机物,抑制剂,影响硝化作用的因素,2025/9/28 周日,58,2,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。,2025/9/28 周日,59,以甲醇为碳源时反应式如下：,反硝化过程,产生部分碱度,，为,3.47g CaCO,3,/gNO,3,-N,。,反硝化菌基本反应式,2025/9/28 周日,60,反硝化途径,2025/9/28 周日,61,碳源,(,降解性,),溶解氧,(,兼性微生物，不需严格厌氧,),pH(68),温度,影响反硝化作用的因素,2025/9/28 周日,62,2025/9/28 周日,63,反应器内溶解氧时空分布不均,时,硝化,/,反硝化循环,空,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,同步硝化反硝化,2025/9/28 周日,64,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，反应器缩小,3040%,；,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),。,短程硝化反硝化,2025/9/28 周日,65,实际上主要是实现亚硝酸盐的积累：,控制温度,30,控制溶解氧浓度,0.6mg/L,控制污泥龄，使,SRT7.2,温度,10,影响生物除磷的因素,2025/9/28 周日,79,五、重金属离子,重金属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,砷,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、,镍,为,38.1,万吨,2025/9/28 周日,80,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,+,、,Mg,2+,和,Ca,2+,等；与,F,-,形成弱化学键的金属离子被称为“,软金属,”，如,Hg,2+,、,Cd,2+,和,Pb,2+,等，一般都是有毒的重金属。,在生物体内，硬金属离子一般与,OH,-,、,HPO,4,-,、,CO,3,2-,、,R-COO,-,和,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,-,、,R-S,-,、,-SH,-,、,-NH,2,和咪唑等,含氮和含硫基团,成键。,重金属离子的分类,2025/9/28 周日,81,重金属与微生物细胞壁的大分子发生,络合,反应,微生物对重金属的,沉淀,作用,微生物对重金属的,氧化还原,作用,重金属与微生物中的离子发生,离子交换,微生物去除重金属离子的原理,2025/9/28 周日,82,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；,螯合作用是一个配基上同时有两个以上的配位原子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子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,O,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。,微生物络合重金属离子,2025/9/28 周日,83,细胞吸收主要有两种形式,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、羧基、巯基、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。,微生物吸附重金属离子,2025/9/28 周日,84,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,等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。,微生物氧化还原重金属,2025/9/28 周日,85,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，离子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、铵、镁、钙则不被吸收。,微生物离子交换重金属离子,2025/9/28 周日,86,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。,微生物吸附重金属离子的特点,2025/9/28 周日,87,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,影响微生物吸附重金属的因素,2025/9/28 周日,88,