結(jié)題報(bào)告內(nèi)容part

1、3 微生物共代謝降解作用3.1共代謝的概念共代謝是指在微生物的增殖底物存在時，增殖底物給微生物提供充足的碳源以及能源，同時誘導(dǎo)微生物產(chǎn)生關(guān)鍵酶將非增殖底物（non-growth substrate）分解轉(zhuǎn)化的過程，但是在這個過程中，非增殖底物只是被轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)更為簡單的有機(jī)物而已，它的降解不能為微生物提供能量也不能合成細(xì)胞物質(zhì)32。最早的微生物的共代謝這個概念的是由美國德克薩斯大學(xué)的Leadbetter 和Foster 在1959 年提出的33，他們發(fā)現(xiàn)產(chǎn)甲烷菌（Pseudomonas methanica）雖然不能利用乙烷作為細(xì)胞增殖的基質(zhì)，卻可以將乙烷氧化成乙醇和乙醛，他們把這種現(xiàn)象稱為共氧化

2、。產(chǎn)甲烷菌不利用乙烷，而是以易降解的生長基質(zhì)作為碳源及能源。在產(chǎn)甲烷菌的生長過程中產(chǎn)生了一種不但可以氧化其生長基質(zhì)也可以氧化乙烷非專一性的氧化酶。然后產(chǎn)甲烷菌在酶的作用下，將乙烷作為非生長基質(zhì)，氧化生成乙醇和乙醛。1963 年，Jensen 提出微生物在有生長基質(zhì)存在的時候活性可以增強(qiáng)對非生長基質(zhì)的降解作用，他認(rèn)為共代謝包括氧化作用也包括還原作用。無論是生長基質(zhì)存在時細(xì)胞對非生長基質(zhì)的轉(zhuǎn)化，還是處于內(nèi)源呼吸狀態(tài)的微生物在其生長基質(zhì)被完全消耗時對非生長基質(zhì)的轉(zhuǎn)化，都屬于共代謝作用34。1985年，Alexander 指出了在活性污泥系統(tǒng)中，生物的分解途徑在有機(jī)物為低濃度時（g/L 級或更低）和高

3、濃度時（mg/L 級）是差異很大的，在低濃度時共代謝作用可能占主導(dǎo)地位32。3.2影響共基質(zhì)代謝作用的因素影響共代謝作用有很多因素，例如一級基質(zhì)的選擇，一級基質(zhì)與二級基質(zhì)的濃度比，能量物質(zhì)和營養(yǎng)物質(zhì)等等。對于難降解有機(jī)物的共代謝降解而言，一級基質(zhì)的選擇關(guān)系到處理效果的好壞。通常會選擇易生物降解的有機(jī)物作為一級基質(zhì)，這樣能夠獲得較高的共代謝效率。對于不同的難生物降解的有機(jī)物，應(yīng)適當(dāng)?shù)倪x擇一級基質(zhì)， 用以提高共基質(zhì)代謝作用的處理效率。研究表明在產(chǎn)甲烷菌作用環(huán)境下降解廢水中三氯甲烷時，相對于乙酸鹽，甲醇是更好的一級基質(zhì)35。一級基質(zhì)與二級基質(zhì)的濃度比對于許多難生物降解的物質(zhì)來說比進(jìn)水中難生物降解物的

4、絕對濃度還要重要。因?yàn)槎壔|(zhì)誘導(dǎo)產(chǎn)生了具有非專一性的關(guān)鍵酶，此關(guān)鍵酶對一級基質(zhì)和二級基質(zhì)都起作用，因此在整個反應(yīng)過程中出現(xiàn)競爭性抑制是理所當(dāng)然的。例如三氯乙烯與甲苯的共代謝過程中，作為一級基質(zhì)的甲苯和作為二級基質(zhì)的三氯乙烯的濃度比為115: 1 時，三氯乙烯 99 % 可被降解，但是此比值變化后，不論變大變小，三氯乙烯的降解效果都不太理想。因此，為了達(dá)到更好的處理效果，在處理不同濃度的難降解有機(jī)物時，需要我們慎重考慮的另一個因素是一級基質(zhì)與二級基質(zhì)的濃度比。要想的到最佳的比值，需要反復(fù)試驗(yàn)證明。能量物質(zhì)指的是在代謝難降解物質(zhì)過程中， 只會產(chǎn)生能量而不能被作為增長基質(zhì)的物質(zhì)37。通常一級基質(zhì)的

5、代謝作用就是為微生物的生長和難降解物質(zhì)的降解提供能量，但是為了確保難降解物質(zhì)處理過程中去除效率與速率的提高，也需要考慮外加一部分能量物質(zhì)。共基質(zhì)代謝作用是通過外加的碳源來提高難降解有機(jī)物的降解效率。而且還不能缺少充足的氮、磷、硫等營養(yǎng)物質(zhì)以及微量營養(yǎng)元素。3.3 共代謝的種類及特點(diǎn)最常見的一種共代謝作用是微生物在正常生長代謝的過程中同時降解非生長基質(zhì)的作用。當(dāng)細(xì)胞增殖底物存在時，細(xì)胞增殖底物的代謝能夠給微生物增殖提供足夠的碳源和能源，并且能夠誘導(dǎo)產(chǎn)生相應(yīng)的關(guān)鍵酶，關(guān)鍵酶既能催化降解細(xì)胞增殖底物的中間產(chǎn)物，又能降解非生長基質(zhì)和非生長基質(zhì)的中間產(chǎn)物。另一種共代謝作用是微生物之間的協(xié)同代謝作用。協(xié)同

6、代謝指的是難降解物質(zhì)的降解并不能完成微生物的生長也不能產(chǎn)生能量，只是生長基質(zhì)被微生物轉(zhuǎn)化或者降解成不完全的中間產(chǎn)物。在引入其他的微生物以后，這個不完全的氧化產(chǎn)物被利用并能被完全降解。這種情況下，兩種微生物可以分別攝取易降解的有機(jī)物來充當(dāng)生長基質(zhì)并提供所需的能量。例如，用苯甲酸鈉培養(yǎng)銅綠假單胞菌屬和通的脫硫弧菌時，苯甲酸鈉不能被利用，而當(dāng)加入SO42-以后，苯甲酸鈉可以被徹底降解并且將SO42-還原為H2S37。還有一種共代謝作用是不存在生長基質(zhì)的情況下，處于內(nèi)源呼吸狀態(tài)的細(xì)胞在其生長基質(zhì)被完全消耗之后，對非生長基質(zhì)的降解。這里就不在論述。共代謝反應(yīng)有很多不同于其他代謝反應(yīng)的特點(diǎn)。第一、共代謝難

7、降解有機(jī)物的中間產(chǎn)物不可以維持自身細(xì)胞的增長，也不能提供微生物的生長所需要的能量，有些甚至?xí)种频疥P(guān)鍵酶的活性而對微生物產(chǎn)生毒害的作用；第二、微生物所能利用的能力是降解一級基質(zhì)時產(chǎn)生的那部分能量，這種能量同時作用于二級基質(zhì)的降解或轉(zhuǎn)化。文獻(xiàn)研究有機(jī)物降解和共代謝的能量的分配模型，在不存在共代謝情況下，可利用能量中有47%-83%用于細(xì)胞增長，有20%-35%用于維持細(xì)胞生命活動及散熱，共代謝發(fā)生時有7%-13%用于共代謝過程39；第三、代謝難降解的有機(jī)污染物的酶由微生物對生長基質(zhì)的利用從而誘導(dǎo)產(chǎn)生的，因此，生長基質(zhì)與非生長基質(zhì)之間存在著對關(guān)鍵酶的競爭性抑制作用；第四、在生長基質(zhì)被完全降解之后，

8、所需的能量就來源于細(xì)胞自身的儲存能量物質(zhì)。從共代謝降解作用的眾多不同于其他代謝作用的特點(diǎn)可以看出影響共代謝過_程的關(guān)鍵因素有三點(diǎn)：第一，目標(biāo)難降解有機(jī)污染物及其降解的中間產(chǎn)物對微生物的毒性或抑制作用；第二，關(guān)鍵酶的誘導(dǎo)及其活性的維持；第三，生長基質(zhì)與目標(biāo)難降解有機(jī)污染物之間的競爭抑制作用。4膜生物膜反應(yīng)器概述4.1 膜生物反應(yīng)器膜生物反應(yīng)器（Membrane Biofilm Reactor，簡稱MBR）是結(jié)合傳統(tǒng)的生物處理工藝和膜分離技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，即將膜組件浸沒在生物反應(yīng)器中形成的新型污廢水處理技術(shù)。傳統(tǒng)的生物水處理技術(shù)中，污廢水經(jīng)過處理要達(dá)到一定的水質(zhì)要求方可排放進(jìn)入自然水體，否則

9、會破壞生態(tài)環(huán)境并影響人類的長遠(yuǎn)利益。由于傳統(tǒng)的生物處理工藝存在的出水中污染物及病原微生物含量較高的缺陷，排放入自然水體的出水水質(zhì)與日益提高的環(huán)保理念存在較大差別，為達(dá)到較高的水質(zhì)需要后續(xù)增加消毒、過濾等三級處理系統(tǒng)，這在增加水處理成本的同時會產(chǎn)生更多的占地費(fèi)用和其他副產(chǎn)物，從而開發(fā)新的水處理工藝日益迫切，MBR技術(shù)的產(chǎn)生恰恰適應(yīng)了這一要求，該技術(shù)采用膜分離裝置代替在常規(guī)活性污泥法處理中需要的反應(yīng)池和二沉池，克服了傳統(tǒng)污水處理工藝的流程冗長、占地面積大、操作管理復(fù)雜等缺點(diǎn)，并大大提高了出水水質(zhì)。相對于常規(guī)生物處理工藝，膜生物反應(yīng)器具有以下特點(diǎn)：（1）容積負(fù)荷高，抗沖擊能力強(qiáng)；（2）生物降解效率高

10、；（3）剩余污泥產(chǎn)量低、占地面積小、易于實(shí)現(xiàn)自動控制。近期，我國學(xué)者對于抗生素污廢水的膜生物反應(yīng)器研究主要還停留在去除效果的階段，而對于進(jìn)水含抗生素藥物成分的污水的膜生物反應(yīng)器處理單元中微生物菌落結(jié)構(gòu)變化、抗生素藥物在降解過程中的形態(tài)轉(zhuǎn)化、藥物分子結(jié)構(gòu)與污泥絮體及微生物之間的相互作用等關(guān)系的研究尚未大量展開。對抗生素藥物的生物降解機(jī)理的研究可以指導(dǎo)實(shí)際工程的實(shí)施，從而為以后城市污水處理廠升級改造提供實(shí)驗(yàn)和理論依據(jù)。4.2膜曝氣生物膜反應(yīng)器膜曝氣生物膜反應(yīng)器（Membrane Aerated Biofilm Reactor，簡稱MABR）是近二、三十年發(fā)展起來的一種新型反應(yīng)器處理技術(shù)，是利用透氣

11、膜通過無泡曝氣的方式進(jìn)行供氧的工藝，不但對氧的利用率高，而且透氣膜也是微生物的良好載體。MABR由于其獨(dú)特的異向傳質(zhì)方式，生物膜的結(jié)構(gòu)也具有獨(dú)特性。與常規(guī)曝氣相比，采用膜無泡曝氣具有如下優(yōu)點(diǎn)(1) 泡式供氧由于氣泡較大，氣液相接觸面積小，在液相停留的時間短，大部分氧隨氣泡逸出水面; 同時氣泡的表面吸附著一層粘度較大的物質(zhì)，使得氧在氣泡中向水相擴(kuò)散的液膜阻力增加，降低了傳質(zhì)效率; 而MABR 由于采用無泡曝氣，氧直接以分子狀態(tài)擴(kuò)散進(jìn)入生物膜，傳質(zhì)效率高，氧利用率可達(dá)100%，生物膜活性高，因此在MABR 系統(tǒng)中，溶解氧不再是限制微生物生長的決定因素; (2)避免由于泡式曝氣引起的揮發(fā)性污染物的氣

12、提損失，減少對大氣造成的污染，避免廢水中由于表面活性劑的存在而產(chǎn)生泡沫; (3) 動力能耗低，動力消耗費(fèi)用顯著低于泡式供氧; (4) 由于無泡曝氣，生物膜不會受到氣泡摩擦，生物膜在載體和濾料上的固著力增強(qiáng)，不易脫落; (5) 曝氣過程中氣液兩相分離，可以調(diào)節(jié)膜內(nèi)壓力控制氧的供應(yīng); 同時MABR系統(tǒng)中廢水混合與供氧互不干擾，可以各自獨(dú)立設(shè)計(jì)，反應(yīng)器的形式靈活;（6)中空纖維膜的比表面積較大，為氧的傳遞和生物膜的生長提供了巨大的表面積，提高M(jìn)ABR 有機(jī)負(fù)荷，降低造價(jià)和減小占地面積研究表明，應(yīng)用膜曝氣生物膜反應(yīng)器處理制藥廢水，其對NH4+-N的去除率高達(dá)98%，去除負(fù)荷達(dá)到48.2gNH4+-N/

13、m3d，可見膜曝氣生物膜反應(yīng)器能夠有效處理高負(fù)荷混合廢水。有研究指出，通過硝化污泥共代謝作用能有效降解污水中磺胺類和喹諾酮類抗生素。但是，對于該反應(yīng)器當(dāng)生物膜為薄層膜時，膜內(nèi)傳質(zhì)阻力小，膜的活性好。當(dāng)生物膜超出活性厚度時，溶解氧和基質(zhì)的傳遞阻力變大，生物膜的膜活性下降，影響生物膜對基質(zhì)的降解能力，并會因生物膜的持續(xù)增厚，膜內(nèi)層由兼性層轉(zhuǎn)入?yún)捬鯛顟B(tài)，導(dǎo)致膜的大量自動脫落(超過600nm即發(fā)生脫落)，或填料上出現(xiàn)積泥，或出現(xiàn)填料堵塞現(xiàn)象，從而影響到生物池的出水水質(zhì)。5本課題研究目的和意義5.1 研究目的本項(xiàng)目組成員將根據(jù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，進(jìn)行膜曝氣生物膜同步去除畜禽廢水中氨氮與抗生素的性能與機(jī)理研究，充分利用膜曝氣生物膜反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)，處理高氨氮與抗生素的混合廢水。并針對膜曝氣生物膜反應(yīng)器在傳質(zhì)方面的不足進(jìn)行改良，即在曝氣膜內(nèi)部和生物膜外部同時