難降解物質(zhì)之共代謝

1、難降解物質(zhì)之共代謝目錄 難降解有機物共代謝概念共代謝工藝在廢水中的處理共代謝影響因素展望建議生態(tài)安全難降解有機物是什么？ 定義：指被微生物分解時速度很慢，分解不徹底的有機物(也包括某些有機物的代謝產(chǎn)物) ，這類污染物易在生物體內(nèi)富集，也容易成為水體的潛在污染源。 來源：主要來自各種各樣工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程，按其化學組成可分以下幾類：多環(huán)芳烴類(PAHs)化合物 、雜環(huán)類化合物、氯代芳香族化合物、有機氰化物、有機合成高分子化合物。Refractory organics難降解有機物有什么特點？生物蓄積性：標靶組織中的濃度與環(huán)境中的濃度之比（生物富集系數(shù)）5000半揮發(fā)作用：指化學品在空氣中揮發(fā)的能力,可

2、以在大氣環(huán)境中遠距離遷移根據(jù)蒸氣壓, 0.011kPa高毒性：一般具有毒性作用，有的可以導(dǎo)致生物體內(nèi)分泌紊亂、生殖及免疫機能失調(diào)，有的甚至引起癌癥等嚴重疾病。長期殘留性：根據(jù)半衰期, 水體 180天，土壤 36天 據(jù)報道，從污水處理廠排出的水中，這類物質(zhì)（以COD計）占總COD的18.4%-36.5%；生物處理過程中以TOD為指標的污染物中3%-5%會變成生物難降解的腐殖酸類物質(zhì)。難降解有機污染物的污染現(xiàn)狀 以上圖片來源于百度以上圖片來源于百度物化法處理吸附法：主要采用交換吸附、物理吸附和化學吸附等方式，但由于吸附劑的吸附容量有限，吸附后的再生往往能耗很大，廢棄后排放易造成二次污染，且吸附效果

3、受到多種因素的影響，這些因素限制了該方法的實際應(yīng)用。萃取法：溶劑可以循環(huán)利用，廢物中有用物質(zhì)的回收，還可變廢為寶。但是目前萃取法僅適用于少數(shù)幾種有機廢水，萃取效果及費用主要取決于所使用的萃取劑。由于萃取劑在水中還有一定的溶解度，使處理后的水質(zhì)難以達到排放標準，還需結(jié)合其他方法做進一步的處理。膜處理技術(shù)：一般用于發(fā)酵液過濾、油水分離、海水淡化等，但由于成本高，且難以處理無機污染物，因此很少用于處理廢水。化學氧化法：現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展使含有高濃度難生化降解有機物的工業(yè)廢水日益增多，對于這類廢水的處理，常用氧化劑表現(xiàn)出氧化能力不強，存在選擇性氧化等缺點，難以達到實際的要求。隨著研究的深入，高級化學氧化技

4、術(shù)應(yīng)運而生，在使用中已獲得顯著效果?！啊蔽⑸锾幚砑夹g(shù)缺氧反硝技術(shù)：在缺氧條件下，為反硝化菌提供適當比例的氮源，使反硝化菌對有機物進行降解，可分為懸浮污泥系統(tǒng)和生物膜法系統(tǒng)兩大類。生物強化技術(shù)：通過改善外界環(huán)境因素，提高生物降解效率。包括投加有效降解的微生物、投加營養(yǎng)物和基質(zhì)類似物、投加遺傳工程菌酶。細胞固定技術(shù)：對完整細胞進行固定，微生物細胞密度高，能長期保持活性且能夠反復(fù)利用。厭氧水解酸化預(yù)處理技術(shù)：將大分子難降解的有機物轉(zhuǎn)化為小分子易降解的有機物，同時，經(jīng)水解酸化預(yù)處理，出水水質(zhì)穩(wěn)定，對后續(xù)生化處理奠定基礎(chǔ)。共代謝技術(shù)：微生物在利用碳源和能源的同時，對難降解性污染物進行異化作用?！啊碧攸c

5、分類關(guān)鍵酶第一/第二生長基質(zhì) 共代謝是一種很獨特的代謝方式, 某些有毒難降解物質(zhì)不能被微生物直接降解 ,但添加易被微生物降解的物質(zhì)如葡萄糖、乙醇等,則可以促進或啟動難降解物質(zhì)的降解, 并將其導(dǎo)入循環(huán)。 .共代謝的定義第一/第二基質(zhì)第一基質(zhì)第二基質(zhì) 微生物利用一種易于攝取的基質(zhì)作為碳和能量的來源，稱為第一基質(zhì)(生長基質(zhì)），如葡萄糖、蔗糖、甲醇、乙酸鹽等。 不能直接作為營養(yǎng)被轉(zhuǎn)化的物質(zhì)為第二基質(zhì)（非生長基質(zhì)），如苯胺、多環(huán)芳烴等。第二基質(zhì)的共代謝是需能反應(yīng)，能量來自第一營養(yǎng)基質(zhì)的產(chǎn)能代謝。關(guān)鍵酶 在微生物共代謝反應(yīng)中產(chǎn)生的既能代謝轉(zhuǎn)化生長基質(zhì)，又能代謝轉(zhuǎn)化目標污染物的非專一性的酶是微生物共代謝反應(yīng)

6、發(fā)生的關(guān)鍵，這種非專一性的酶被稱為關(guān)鍵酶。 單氧酶和雙氧酶 還原酶 當微生物在利用易生物降解有機物時，非生長基質(zhì)接近酶分子，酶蛋 白受到非生長基質(zhì)的誘導(dǎo)，從而轉(zhuǎn)向能夠降解非生長基質(zhì)一 方，最后和非生長基質(zhì)結(jié)合，實現(xiàn)代謝目的。 010203共代謝的分類靠降解其它有機物提供能源或碳源 由其它物質(zhì)誘導(dǎo)產(chǎn)生相應(yīng)的酶系，發(fā)生共代謝 通過與其它微生物協(xié)同作用，發(fā)生共代謝，降解污染物。微生物首先利用易于攝取的生長基質(zhì)作為一級基質(zhì)，維持自身細胞的生長。1 1難降解性污染物作為二級基質(zhì)被微生物降解 2 2一級基質(zhì)和二級基質(zhì)之間對發(fā)揮降解作用的關(guān)鍵酶存在競爭現(xiàn)象3 3共代謝的特點4 4 污染物共代謝的中間產(chǎn)物不能

7、作為營養(yǎng)被同化成細胞質(zhì)，有些會抑制關(guān)鍵酶的活性，甚至對微生物有毒害作用。5 5 共代謝是需能反應(yīng)，能量主要來自生長基質(zhì)的產(chǎn)能代謝，當生長基質(zhì)被完全消耗時，能量來源于細胞自身儲存能量物質(zhì)，如PHB。SBBR 共代謝工藝MBR 共代謝工藝 PACMBR工藝SBR 共代謝工藝 01020304共代謝工藝在廢水中的處理序批式活性污泥工藝(SBR),序批式生物膜反應(yīng)器（SBBR)主要處理物：脫氮（廢水中有機氮、NH3-N、NxO-N等形式的氮）除磷 生物除氮原理：有機氮被異氧微生物氧化分解，即通過氨化作用轉(zhuǎn)化為NH3-N，而后經(jīng)硝化過程轉(zhuǎn)化為NxO-N，最后通過反硝化運用使NxON轉(zhuǎn)化為N2。厭氧段脫氮

8、主要靠生物膜對含碳氮有機物的過量儲存作用；好氧段脫氮主要靠生物膜的同步硝化反硝化（SND）作用，反硝化的有機碳源主要來源于生物膜在厭氧段中過量儲存的有機碳源。 生物除磷原理：厭氧/好氧交替運行的方式，富集聚磷菌。在厭氧狀態(tài)下，聚磷菌吸收溶解性化學需氧量(COD)發(fā)酵產(chǎn)物，好氧時，聚磷菌就會分解胞內(nèi)的PHB產(chǎn)生能量將水中的磷酸鹽過量攝取到胞內(nèi)轉(zhuǎn)變成聚磷酸鹽，形成富磷污泥，最終可通過排泥來真正實現(xiàn)除磷。”“SBR/SBBR共代謝工藝SBBR工藝運行周期為：進水 反應(yīng) 沉淀 出水 閑置。第一基質(zhì)：葡萄糖，氯化銨，磷酸氫二鉀第二基質(zhì)：含氮磷廢水 膜生物反應(yīng)器(SBR)圖片來源于知網(wǎng)圖片來源于知網(wǎng)1氣體

9、控制閥；2曝氣泵；3氣體流量計；4機械攪拌器；5排水閥；6曝氣頭；7排泥口。 SBR 工藝實驗裝置示意圖圖片來源于豆丁網(wǎng)圖片來源于豆丁網(wǎng)SBBR工藝運行周期為：進水 反應(yīng) 沉淀 出水 閑置。第一基質(zhì)：葡萄糖，氯化銨，磷酸氫二鉀第二基質(zhì)：含氰廢水 移動床生物膜技術(shù)（SBBR)圖片來源于知網(wǎng)圖片來源于知網(wǎng)1取樣口；2出水口；3水浴控溫層；4組合式填料；5微孔曝氣頭；6轉(zhuǎn)子流量計；7空氣調(diào)節(jié)閥；8空壓閥；9時間控制器；10恒溫水浴器；11恒溫水循環(huán)泵。 SBBR 工藝實驗裝置示意圖圖片來源于知網(wǎng)圖片來源于知網(wǎng)膜生物反應(yīng)器(SBR),移動床生物膜技術(shù)（SBBR)SBBR克服了SBR的一些缺點，繼承了S

10、BR的優(yōu)點，同時還具有其自身的優(yōu)勢： (1) 微生物相多樣化，能存活世代時間較長的微生物。 (2) 微生物量多，設(shè)備處理能力大，耐沖擊負荷強。 (3) 剩余污泥產(chǎn)量少, 污泥沉降性好，從而降低了污泥處理與處置費用。 (4) 占地面積小，節(jié)省基建費用，動力消耗少。 (5) 易于運行管理，減少污泥膨脹問題。 (6) 工藝過程穩(wěn)定，具有良好的脫氮除磷性能?！薄癝BR/SBBR共代謝工藝比較膜生物反應(yīng)器（Membrane Bioreactor）主要處理物：二甲基亞砜生物除二甲基亞砜原理：共代謝基質(zhì)消耗過程中產(chǎn)生非專一性的加氧酶，使DMSO分解后被微生物作為二級基質(zhì)降解。第一基質(zhì)：蔗糖第二基質(zhì)：二甲基亞

11、砜關(guān)鍵酶：加氧酶主要微生物：活性污泥中存在變形蟲、累枝蟲、足吸管蟲、楯纖蟲、轉(zhuǎn)輪蟲和線蟲等微生物?！薄癕BR 共代謝工藝膜生物反應(yīng)器（MBR）圖片來源于圖片來源于MBR存在的主要問題和策略 較高的運行費用主要來自于膜更換頻率膜價格能耗需求問題1.提升膜材料和膜組件：目前膜材料方面的研究主要集中在應(yīng)用表面工程技術(shù)使膜表面性質(zhì)改變，旨在減輕膜污染、調(diào)整親疏水性、提高生物兼容性、擴展生化性能、模擬生物膜、構(gòu)筑納米結(jié)構(gòu)等。2.膜污染控制：在反映器規(guī)模通過合理的曝氣、在線清洗等方式達到高能量、低能耗、使用壽命長的目的；在分子水平上通過減少微生物的附著以減輕生物膜污染。3.加強對 MBR 經(jīng)濟性的研究策略

12、 020304050601SBBR 序批式生物膜反應(yīng)器SBAR 氣升式間歇反應(yīng)器EGSB 高溫厭氧膨脹污泥床USSB 上流式分段污泥床UASB 升流式厭氧污泥床IAMBR 間歇曝氣膜生物反應(yīng)器0708ABR 厭氧折流板反應(yīng)器BAF 曝氣生物濾池OTHER PACMBR工藝(粉末活性炭一膜生物反應(yīng)器） PACMBR組合工藝是指將PAC投加至MBR污泥混合液中，污泥絮體以PAC顆粒為骨架，吸附和絮凝污泥混合液中微細膠體、胞外聚合物 EPS(Extraeelluar Pdymeric Substanees)、溶解性有機物等，使污泥顆粒粒徑變大，抗壓能力增強，膜面沉積層孔隙率提高，壓密性降低，從而降低

13、膜過濾阻力和膜污染程度，提高膜通量。同時，由于PAC污泥絮體的吸附和生物降解作用協(xié)同，形成生物活性炭，使有機污染物降解去除率得到提高，PAC得以再生。 生長基質(zhì)的選擇1生長基質(zhì)和非生長基質(zhì)的濃度比2能量物質(zhì)3營養(yǎng)物質(zhì)4C O N T E N T S共代謝的影響因素降解三氯苯酚（TCE)加入苯酚和營養(yǎng)液作為生長基質(zhì)生長基質(zhì)的選擇圖片來源于圖片來源于 共代謝中生長基質(zhì)與非生長基質(zhì)的比例，對非生長基質(zhì)的降解影響很大。主要因為關(guān)鍵酶來自于微生物對生長基質(zhì)的利用。反應(yīng)中產(chǎn)生那個競爭性抑制。 生長基質(zhì)比例較大時，誘導(dǎo)產(chǎn)生的關(guān)鍵酶數(shù)量多，可以快速降解非生長基質(zhì)；但是過高的生長基質(zhì)又會抑制非生長基質(zhì)的共代謝。

14、比例生長基質(zhì)和非生長基質(zhì)的濃度比圖片來源于圖片來源于能量物質(zhì)和營養(yǎng)物質(zhì)除了生長基質(zhì)的產(chǎn)能代謝為微生物生長和生物難降解物質(zhì)降解提供能量外,也可以考慮外加適量能量物質(zhì)提供額外能量, 以提高難降解物質(zhì)代謝的速率。能量物質(zhì) 微生物生長需要足夠的營養(yǎng)物質(zhì)，除了生長基質(zhì)提供的碳源外，還需足夠的氮源、磷源和必要的微量元素。營養(yǎng)物質(zhì) Co-metabolism 微生物的共代謝對于非生長基質(zhì)的降解具有很大的潛力，但在實驗研究中還存在很多問題： 生長基質(zhì)的選擇可以使非生長基質(zhì)的類似物或者在結(jié)構(gòu)上有相同基團的有機物。 共代謝機理的研究存在不用的觀點。展望與建議1 Mark C.M.van Loosdrecht,Da

15、mir Brdjanovic.Anticipating the next century of wastewater treatmentJ.Science,2014,27(6):1452-1453.2 H.Dalton,D.I.Stirlino.Co-metabolismJ.http;//,2015,12,27.3 Tranter E K,Cain R B.The degradation of aromatic compounds to fluorocitrate by bacteriaJ.Biochem,1967,103:22-2

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