水處置微生物過程

*1一、環(huán)境污染生物效應生物監(jiān)測生物效應檢測有機物重金屬營養(yǎng)鹽氣態(tài)污染生物污染污染項目生態(tài)系統(tǒng)遷移轉化生物轉化生物濃縮生物積累生物放大種群結構改變個體行為改變組織器官改變分子水平改變生物群體生產活動交通運輸生活消費環(huán)境風險評價水處置微生物過程第1頁*2微生物凈化本質微生物需要從外界取得能量以維持本身生命活動及增殖，在此過程中經過本身生理代謝活動實現(xiàn)受污染環(huán)境中有機污染物、氮磷等營養(yǎng)鹽及一些重金屬離子遷移轉化，實現(xiàn)污染物無害化、穩(wěn)定化化；微生物是自然環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)最終分解者，然而，因為微生物代謝是經過酶催化完成，而酶催化有專一性，所以依據污染物特征需要有不一樣微生物參加其分解凈化。水處置微生物過程第2頁*3微生物催化降解必要條件存在含有某種降解酶微生物；污染物必須是含有適宜酶微生物可取得(胞內酶對應小分子，胞外酶對應大分子)；適宜環(huán)境及營養(yǎng)條件。

水處置微生物過程第3頁*4微生物代謝活性—微生物種類、生長久目標污染物特征—空間結構、分子量大小、元素組成、毒性環(huán)境原因—營養(yǎng)、溫度、pH、氧化還原電位影響微生物催化降解原因水處置微生物過程第4頁*5生物凈化進展經過當代分子生物學技術加深對微生物認識；以基因工程伎倆改變或強化微生物有效功效表示，取得高效工程菌株；構建微生物功效菌群；營造適合作用代謝環(huán)境；工程技術方法發(fā)展促進相關微生物工藝。水處置微生物過程第5頁*6二、有機污染物降解有機污染物生物凈化普通被稱為生物降解；微生物分解有機物能力是巨大；依據微生物對有機物降解能力大小可分為易生物降解、難生物降解和不可生物降解；生物降解過程是以微生物代謝為關鍵，污染物在分解過程中則遵照物理化學原理，其危害和暴露過程對環(huán)境影響是環(huán)境毒理學關心內容。水處置微生物過程第6頁*71.生物降解普通概念礦化(mineralization)

礦化是將有機物完全無機化并獲取能源和小分子營養(yǎng)質過程，是與微生物生長相關過程。共代謝(co-metabolism)

共代謝是需要有另一個基質代謝提供能源和營養(yǎng)質，由非專一性酶促反應完成復雜污染物降解過程，普通僅使有機物分子得到修飾或轉化，但不能使其完全分解。水處置微生物過程第7頁*8內源呼吸

微生物在利用外部基質進行生理代謝獲取能量及營養(yǎng)質同時，細胞物質同時也在進行本身氧化分解，即內源代謝或內源呼吸。外源有機物充分時，消耗細胞組分會被連續(xù)更新，微生物本身氧化分解并不顯著；而在外源基質不足時，微生物內源呼吸作用則成為向微生物提供能量、維持其生命活動主要方式。水處置微生物過程第8頁*92.好氧生物降解有機物好氧分解過程中，有機物降解、微生物增殖及溶解氧消耗這三個過程是同時進行，也是控制好氧生物處理成功是否關鍵過程；不一樣生物處理工藝中，有機物分解速率、微生物生存方式、增殖規(guī)律，溶解氧提供方式與分布規(guī)律都有差異，而關于好氧生物處理過程研究及改良也是針對這三個關鍵過程開展。水處置微生物過程第9頁*10好氧有機物分解過程水處置微生物過程第10頁*11TCA生物氧化普通過程

糖三酯酰甘油蛋白質葡萄糖脂酸+甘油氨基酸乙酰CoA2H呼吸鏈H2OADP+PiATPCO2水處置微生物過程第11頁*12在溫度適宜、溶解氧充分條件下，微生物增殖速率主要與微生物(M)與基質(F)相對數(shù)量，即F／M相關；在靜態(tài)培養(yǎng)條件下，伴隨時間延長，基質濃度逐步降低，微生物增殖經歷適應期、對數(shù)增殖期、衰減期及內源呼吸期。水處置微生物過程第12頁*133.厭氧生物降解厭氧生物處理是在無氧條件下，利用各種專性厭氧微生物(水解、發(fā)酵及產氫產甲烷細菌)代謝活動，將有機物轉化為無機物(沼氣和水)和少許細胞物質過程。發(fā)酵過程產生H2極少，主要由丙酮酸脫水形成，與專性厭氧氧化產氫機理不一樣。水處置微生物過程第13頁*14厭氧有機物分解過程水處置微生物過程第14頁*15(1)水解階段復雜有機物首先在發(fā)酵性細菌產生胞外酶作用下分解為溶解性小分子有機物；如纖維素被纖維素酶水解為纖維二糖與葡萄糖，蛋白質被蛋白酶水解為短肽及氨基酸等；水解過程通常比較遲緩，是復雜有機物厭氧降解限速階段。水處置微生物過程第15頁*16(2)發(fā)酵(酸化)階段溶解性小分子有機物進入發(fā)酵菌(酸化菌)細胞內，在胞內酶作用下分解為揮發(fā)性脂肪酸(VFA)，如乙酸、丙酸、丁酸以及乳酸、醇類、二氧化碳、氨、硫化氫等，同時合成細胞物質。在此過程中，溶解性有機物被轉化為以揮發(fā)性脂肪酸為主末端產物，所以這一過程也稱為酸化，酸化過程是由許各種類發(fā)酵細菌完成。其中主要類群有梭狀芽孢桿菌(Clostridium)和擬桿菌(Bacteriodes)。水處置微生物過程第16頁*17

(3)產乙酸階段產酸階段絕大多數(shù)是嚴格厭氧菌，但通常有約1％兼性厭氧菌生存于厭氧環(huán)境中，這些兼性厭氧菌能夠起到保護嚴格厭氧菌，如產甲烷菌免受氧損害與抑制作用。發(fā)酵酸化階段產物丙酸、丁酸、乙醇等，在此階段經產氫產乙酸菌作用轉化為乙酸、氫氣和二氧化碳。水處置微生物過程第17頁*18(4)產甲烷階段在此階段，產甲烷菌在二氧化碳存在時，利用氫氣生成甲烷；也能夠直接利用乙酸生成甲烷，二者百分比普通為3/7。利用乙酸產甲烷菌有索氏甲烷絲菌(Methanothrixsoehngenii)和巴氏甲烷八疊球菌(Methanosarcinabarkeri)產甲烷菌都是嚴格厭氧菌，要求生活環(huán)境氧化還原電位在-150～-400mV范圍內。水處置微生物過程第18頁*19

4．缺氧(anoxic)處理在沒有分子氧存在條件下，一些特殊微生物類群能夠利用含有化合態(tài)氧物質，如硫酸鹽、亞硝酸鹽和硝酸鹽等作為電子受體，進行代謝活動。水處置微生物過程第19頁*20(1)硫酸鹽還原在特定條件下，硫酸鹽或亞硫酸鹽會被硫酸鹽還原菌(sulfatereductionbacteria，SRB)在其氧化有機污染物過程中作為電子受體而加以利用，并將它們還原為硫化氫。SRB生長需要與產酸菌和產甲烷菌一樣底物，所以硫酸鹽還原過程出現(xiàn)會使甲烷產量降低。水處置微生物過程第20頁*21依據利用底物不一樣，SRB分為：氧化氫硫酸鹽還原菌(HSRB)；氧化乙酸硫酸鹽還原菌(ASRB)；氧化較高級脂肪酸硫酸鹽還原菌(FASRB)。SRB分類硫酸鹽還原需要有足夠有機質，其質量比應超過1．67；與甲烷相比，硫化氫溶解度要高很多，輕易造成處理出水COD偏高。水處置微生物過程第21頁*22(2)反硝化反硝化脫氮反應由脫氮微生物進行。通常脫氮微生物優(yōu)先選擇氧而不是亞硝酸鹽作為電子受體。但假如分子氧被耗盡，則脫氮微生物開始利用硝酸鹽，即脫氮作用在缺氧條件下進行。相關問題將在后面討論。水處置微生物過程第22頁*23在實際生物處理過程中，好氧、兼性、厭氧分解分別擔任著各自角色；在人工處理構筑物中，因為具備良好工程辦法，能夠選擇微生物種類并控制對應分解過程；在活性污泥曝氣池中含有選擇優(yōu)勢是好氧及兼性細菌，發(fā)生主要分解反應是好氧分解，但在局部微環(huán)境下仍可能有厭氧/缺氧反應發(fā)生。5.工程實際中應用水處置微生物過程第23頁*24因為微生物個體微小，每個微生物所處環(huán)境也是微??；從空間角度看，影響微生物生存狀態(tài)環(huán)境是微??；微環(huán)境直接影響微生物活動狀態(tài)；因為微生物種群結構、物質分布和化學反應不均勻性，菌膠團內部及生物膜內部存在各種多樣微環(huán)境；各種微環(huán)境下生存著適生種類微生物，能夠發(fā)生對應生物化學反應。微環(huán)境意義水處置微生物過程第24頁*25在微生物絮體、顆粒或生物膜內會形成不一樣微生態(tài)環(huán)境，造成適合不一樣生物反應過程宏觀環(huán)境(好氧區(qū)、缺氧區(qū))；生物群體并不在好氧及缺氧區(qū)之間循環(huán)，而在固定位置處形成不一樣微環(huán)境；精細地控制溶解氧濃度即可確保微環(huán)境缺氧環(huán)境，使得好氧區(qū)產生N03-得以還原。微環(huán)境經典-同時硝化反硝化水處置微生物過程第25頁*26難降解有機物降解歷程相對要復雜得多；普通而言，難降解有機物結構穩(wěn)定或對微生物活動有抑制作用，適生微生物種類極少；不一樣類型難降解有機物降解歷程也不盡相同；許多難降解有機物降解與質粒相關，降解質粒編碼生物降解過程中一些關鍵酶類；質粒是菌體內環(huán)狀DNA分子，是染色體之外遺傳物質，能夠經過克隆質粒表示功效基因。6.難降解有機物水處置微生物過程第26頁*27優(yōu)先控制污染物黑名單揮發(fā)性鹵代烴苯系物氯代苯酚類多氯聯(lián)苯硝基苯苯胺類多環(huán)芳烴類酞酸酯類農藥丙烯腈亞硝胺氰化物重金屬水處置微生物過程第27頁*28aerobicanaerobicabioticFEMSMicrobiolRev34()445–475(1)氯代烴降解路徑水處置微生物過程第28頁*29VC,DEC

assimilatingbacteria;aerobic;anaerobicdegradingmicrobes氯烴降解經典細菌Alkenemonooxygenase/EaCoMT水處置微生物過程第29頁*30氯烴降解經典放線菌FEMSMicrobiolRev34()445–475水處置微生物過程第30頁*31VC、cDEC好氧降解路徑FEMSMicrobiolRev34()445–475水處置微生物過程第31頁*32(2)PCB好氧降解路徑StuartEStrand水處置微生物過程第32頁*33PCB好氧降解路徑StuartEStrand水處置微生物過程第33頁*34(3)酚類經典降解路徑水處置微生物過程第34頁*35糞產堿桿菌(Alcaligenesfaecalis)醋酸不動桿菌(Acinetobactercalcoaceticus)假單胞菌(Pseudomonassp.)隱球菌(Cryptococcussp.)醋酸不動桿菌(Acinetobactercalcoaceticus)假絲酵母菌(Candidasp.)皮狀絲孢酵母菌(Trichosporoncutaneum)

酚類降解經典微生物水處置微生物過程第35頁*36(4)常見含氮芳香族化合物FEMSMicrobiolRev32()474–500水處置微生物過程第36頁*37含氮芳香族化合物降解路徑FEMSMicrobiolRev32()474–500水處置微生物過程第37頁*38含氮芳香族化合物經典降解微生物FEMSMicrobiolRev32()474–500水處置微生物過程第38頁*39(5)多環(huán)芳烴經典降解路徑FEMSMicrobiolRev32()927–955萘水處置微生物過程第39頁*40多環(huán)芳烴經典降解路徑NADHoxidoreductase,aferredoxinandanoxygenasecomponentFEMSMicrobiolRev32()927–955菲水處置微生物過程第40頁*41多環(huán)芳烴經典降解路徑FEMSMicrobiolRev32()927–955芴水處置微生物過程第41頁*42多環(huán)芳烴經典降解路徑FEMSMicrobiolRev32()927–955芘水處置微生物過程第42頁*43糞產堿桿菌(Alcaligenesfaecalis)假單胞菌(Pseudomonassp.)青枯菌(Ralstoniasp.)叢毛單胞菌(Comamonassp.)鞘氨醇單孢菌(Sphingomonassp.)紅球菌屬(Rhodococcussp.)節(jié)桿菌屬(Arthrobactersp.)

結核分支桿菌(Mycobacteriumsp.)PAHs降解經典微生物FEMSMicrobiolRev32()927–955水處置微生物過程第43頁*44苯系物苯甲酰輔酶A降解路徑FEMSMicrobiologyReviews22(1999)439^458水處置微生物過程第44頁*45苯系物苯甲酰輔酶A降解路徑FEMSMicrobiologyReviews22(1999)439^458水處置微生物過程第45頁*46

針對目標污染物特征，以目標物為主要營養(yǎng)基質從受污染環(huán)境或含有相同污染特征環(huán)境中富集篩選所需微生物菌屬。7.功效性微生物篩選分離水處置微生物過程第46頁*47選擇簡便有效誘變劑挑選優(yōu)良出發(fā)菌株處理單細胞懸液（均勻態(tài)）選取最適劑量充分利用協(xié)同效應設計或采取高效篩選方案或方法功效微生物篩選標準水處置微生物過程第47頁*48確定目標選擇分離源篩選設定：培養(yǎng)條件、選擇培養(yǎng)基、對毒物和抗菌素抗性種類微生物分離特定微生物分離培養(yǎng)功效微生物篩選方法水處置微生物過程第48頁*49三、生物脫氮進入20世紀70年代和80年代以來，伴隨水體富營養(yǎng)化問題日漸突現(xiàn)，水質指標體系不停嚴格化趨勢使廢水脫氮除磷問題成為水污染控制中廣泛關注熱點;伴隨研究工作深入開展，對脫氮除磷生物學原理認識不停更新，由此誕生了各種生物脫氮除磷新工藝，推進了廢水生物脫氮除磷技術發(fā)展，促進了廢水生物處理技術革新與改進。水處置微生物過程第49頁*501.生物脫氮基本原理廢水中氮主要形式是有機氮化合物如蛋白質、氨基酸和無機氮如氨氮。有機氮很輕易經過氨化作用轉化為氨氮。許多細菌、放線菌和真菌都含有氨化能力，稱為氨化菌。生物脫氮過程主要由兩段工藝共同完成，即經過硝化作用將氨氮轉化為硝酸鹽氮，再經過反硝化反應將硝酸鹽氮轉化為氣態(tài)氮從水中逸出。水處置微生物過程第50頁*51缺氧條件下，經過水解反應脫氨好氧條件下，經過氧化反應脫氨厭氧條件下，經過還原反應脫氨氨化反應水處置微生物過程第51頁*52硝化反應主要由一群自養(yǎng)好氧微生物完成；硝化作用是指由亞硝化細菌(Nitrosomonas)將氨氮氧化為亞硝酸鹽，進而由硝化菌(Nitrobacter)將亞硝氮氧化成硝酸鹽氮過程；硝化菌為自養(yǎng)菌，它們以CO2為碳源，經過氧化NH4+取得能量。硝化反應水處置微生物過程第52頁*53亞硝化菌包含亞硝化單胞菌屬(Nitrosomonassp.)、亞硝化球菌屬(Nitrosococcussp.)、亞硝化弧菌屬(Nitrosovibriosp.)和亞硝化葉菌屬(Nitrosolobussp.)。硝化菌包含硝酸鹽桿菌屬(Nitrobactersp.)、螺旋菌屬(Nitrospirasp.)、硝化刺菌屬(Nitrospinasp.)和球菌屬(Nitrococcussp.)。亞硝化細菌和硝化細菌

自養(yǎng)型硝化細菌都為G-菌，世代周期超出10h，擁有較高硝化速率；而一些異養(yǎng)細菌如產堿桿菌、節(jié)桿菌等即使硝化速率低，但世代周期短，增殖快，其硝化貢獻不可忽略。水處置微生物過程第53頁*54亞硝化細菌和硝化細菌特征水處置微生物過程第54頁*55自養(yǎng)型硝化菌利用無機碳化合物如C032-、HCO3-和CO2作碳源，從氨氮及亞硝氮氧化反應中取得能量，反應均需在有氧條件下進行。反應式可表示為：硝化菌基本反應式反應要消耗堿度，7.14gCaCO3/gNH3-N

水處置微生物過程第55頁*56氨氧化呼吸鏈水處置微生物過程第56頁*57亞硝氮氧化呼吸鏈水處置微生物過程第57頁*58溫度溶解氧pH有機物抑制劑影響硝化作用原因水處置微生物過程第58頁*59

2．反硝化反硝化主要由一群異氧微生物完成，可將硝酸鹽氮或亞硝酸鹽氮還原成氣態(tài)氮或氮氧化物，反應在無分子氧狀態(tài)下進行。反硝化細菌包含假單胞菌屬、反硝化桿菌屬、螺旋菌屬和無色桿菌屬等。它們多數(shù)是兼性，在溶解氧濃度極低環(huán)境中能夠利用硝酸鹽中氧作電子受體，有機物則作為電子供體提供能量并得到穩(wěn)定化。水處置微生物過程第59頁*60以甲醇為碳源時反應式以下：反硝化過程產生部分堿度，為3.47gCaCO3/gNO3-N。反硝化菌基本反應式水處置微生物過程第60頁*61反硝化路徑水處置微生物過程第61頁*62碳源(降解性)溶解氧(兼性微生物，不需嚴格厭氧)pH(6~8)溫度影響反硝化作用原因水處置微生物過程第62頁*63水處置微生物過程第63頁*64反應器內溶解氧時空分布不均時—硝化/反硝化循環(huán)空—反應器局部厭/好氧狀態(tài)微生物聚集體內微環(huán)境微生物代謝多樣性

好氧硝化+好氧反硝化缺氧硝化+缺氧反硝化同時硝化反硝化水處置微生物過程第64頁*65氨氮僅需氧化到亞硝氮便可進行反硝化，進程加緊，水力停留時間縮短，反應器縮小30~40%；降低25%氧消耗，節(jié)約能耗和有機營養(yǎng)物40%；污泥產量降低(硝化階段33%；反硝化階段55%)；實現(xiàn)亞硝氮氧化阻截比較難(高溫，SHARON)。短程硝化反硝化水處置微生物過程第65頁*66實際上主要是實現(xiàn)亞硝酸鹽積累：控制溫度>30℃控制溶解氧濃度<0.5mg/L控制pH7.4~8.3控制氨氮負荷，使FA>0.6mg/L控制污泥齡，使SRT<2d短程硝化反硝化實現(xiàn)水處置微生物過程第66頁*67在厭氧條件下，微生物利用硝氮亞硝氮為電子受體氧化氨氮為氣態(tài)氮。無需外加有機物；節(jié)約氧消耗62.5%；酸堿平衡很好，產酸量降低1/2，產堿量為零。厭氧氨氧化水處置微生物過程第67頁*68四、生物除磷廢水中磷存在形態(tài)取決于廢水類型，最常見是磷酸鹽(H2PO4-、HPO42-和PO43-)、聚磷酸鹽和有機磷。常規(guī)二級生物處理中，有機物生物降解伴伴隨微生物菌體合成，磷作為生物體生長元素也成為生物污泥組分，從水中去除。普通活性污泥含磷量普通為干重1.5～2.3%，經過剩下污泥排放能夠取得10～30%除磷效果。水處置微生物過程第68頁*69污水除磷技術發(fā)展起源于生物超量吸磷現(xiàn)象發(fā)覺。污水生物除磷就是利用微生物超量吸磷現(xiàn)象，經過設計生物處理系統(tǒng)或系統(tǒng)運行方式改變，使細胞含磷量相當高細菌體在系統(tǒng)競爭中取得優(yōu)勢，并經過定時排泥而將磷從水體移除。在全部污水生物除磷工藝中都包含厭氧和好氧操作段，使剩下污泥含磷量到達污泥干重3%～7％。生物除磷起源水處置微生物過程第69頁*70假單胞菌屬(Pseudomonassp.)莫拉氏菌屬(Moraxellasp.)氣單胞菌屬(Aeromonassp.)不動桿菌屬(Acinetobactersp.)鏈球菌屬(Streptococcussp.)微球菌屬(Micrococcussp.)聚磷菌水處置微生物過程第70頁*71生物除磷系統(tǒng)圖示水處置微生物過程第71頁*72厭氧區(qū)聚磷菌(polyphosphateaccumulationorganisms，PAOs)將體內積聚聚麟分解，產生能量一部分維持本身生理活動，另一部分供其主動吸收有機質轉化為PHB(聚β-羥基丁酸)儲存。聚麟釋放進入到污水中出現(xiàn)了厭氧釋磷。即PAOs攝取碳源并將它們以聚羥基烷酸鹽(polyhydroxyalkanoates，PHAs)形式儲存，同時降解聚磷釋放正磷酸鹽。水處置微生物過程第72頁*73進入好氧區(qū)后，PAOs營好氧生長，利用儲存PHAs作為碳源和能源，攝取正磷酸鹽并將其轉化為聚磷酸鹽。因為PHAs是還原性膠體，其合成需要有還原能；Wentzel等(1991)指出兩種取得這種還原能路徑：一是所謂Mino模式，還原能來自細胞體內糖原(glycogen)分解；二是所謂Comeau-Wentzel模式，還原能來自乙酰輔酶A(acetyl-CoA)經三羧酸循環(huán)部分氧化。內部儲存糖原是保持微生物體內氧化還原電位平衡以利于厭氧攝取各種有機物關鍵.好氧區(qū)水處置微生物過程第73頁*74Mino模式水處置微生物過程第74頁*75Wentzel模式水處置微生物過程第75頁*76生物除磷圖示水處置微生物過程第76頁*77生物除磷能力主要來自選擇性增殖；超量除磷主要是生物作用結果；但生物超量除磷并不能完全解釋一些條件下出現(xiàn)除磷性能，生物誘導化學除磷可能是生物除磷補充。生物除磷本質水處置微生物過程第77頁*78(1)生物超量除磷(2)微生物同化作用(3)化學共沉積(4)生物膜沉積(5)生物強化化學共沉積可能生物除磷路徑水處置微生物過程第78頁*79(1)厭氧環(huán)境

氧化還原電位小于100mv

溶解氧濃度阻止脂肪酸產生PHBNOx濃度消耗有機質(2)有機質濃度及可利用性(3)污泥齡3-5dpH>7.2溫度<10影響生物除磷原因水處置微生物過程第79頁*80五、重金屬離子重金屬指是原子序數(shù)在鈣(20)以后金屬元素；重金屬離子含有物質不滅性和生物富積性；全球每年釋放到環(huán)境中有毒重金屬高達數(shù)百萬噸：其中砷為12.5萬噸、鎘為3.9萬噸、銅為14.7萬噸、汞為1.2萬噸、鉛為34.6萬噸、鎳為38.1萬噸水處置微生物過程第80頁*81依據金屬離子與F-和I-離子結合強弱來分類金屬“硬度”：能與F-形成很強化學鍵金屬離子稱為“硬金屬”，如Na+、Mg2+