微生物生態(tài)學(xué)污染物的微生物處理(共38張PPT)

第十章

污染物的微生物處理第1頁(yè)，共38頁(yè)。污染物處理方法：物理、化學(xué)和微生物法污染物微生物處理方法的優(yōu)點(diǎn)：微生物的特性（種類多、代謝類型多樣、繁殖快、易培養(yǎng)和遺傳改造）決定微生物是污染物處理的主力軍；不造成二次污染；費(fèi)用低，經(jīng)濟(jì)效益高；可處理各種污染物（構(gòu)建多功能高效降解菌）。第2頁(yè)，共38頁(yè)。一、BOD第一節(jié)基本概念BOD（BiologicalOxygenDemand）——生物需氧量，指水中有機(jī)污染物在需氧微生物作用下氧化分解所消耗的O2量。BOD52020℃條件下恒溫培養(yǎng)5d，有機(jī)污染物在需氧微生物作用下氧化分解所消耗的O2量，單位是mg/L。干凈河水，BOD<1.0×10－6g/LBOD>1.0×10－5g/L，河水被污染生活污水，BOD≈3.3×10－4g/L一般情況下，如果水中懸浮的固體物不超過(guò)3.0×10－5g/L、BOD在2.0×10－5g/L左右，可排放，不會(huì)造成污染。第3頁(yè)，共38頁(yè)。二、COD（ChemicalOxygenDemand）三、TOD（TotalOxygenDemand）化學(xué)需氧量，指水中有機(jī)物被氧化劑氧化時(shí)所消耗的O2量。強(qiáng)氧化劑：硫酸存在時(shí)，K2Cr2O7使有機(jī)物化學(xué)氧化。有機(jī)碳、NH4+和有機(jī)氮被氧化過(guò)程中所消耗的總氧量。第4頁(yè)，共38頁(yè)。第二節(jié)廢水的微生物處理一、廢水處理的基本過(guò)程一般處理（預(yù)處理）二級(jí)處理目的：去除固體物、油脂、泥沙，對(duì)污水進(jìn)行中和調(diào)節(jié)，讓排入二級(jí)處理系統(tǒng)的污水更適合于微生物生長(zhǎng)，加快處理效果。利用微生物的代謝活動(dòng)去除污水中可溶性的有機(jī)物，經(jīng)過(guò)一、二級(jí)處理，可去除80～90％的BOD。二級(jí)處理的效果取決于微生物的代謝活動(dòng)。二級(jí)處理的方法：厭氧和好氧兩大類。二級(jí)處理產(chǎn)生的生物量可通過(guò)沉淀與污水分離。第5頁(yè)，共38頁(yè)。三級(jí)處理一、廢水處理的基本過(guò)程目的：去除微生物無(wú)法降解的污染物和無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)物，如含氮和含磷的無(wú)機(jī)鹽以及生物量。在某些情況下，三級(jí)處理排除水還要進(jìn)行消毒。污水處理的總目的降低污水中的BOD；減少病原菌數(shù)目；減少無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)物含量，如N、P的含量。第6頁(yè)，共38頁(yè)。二、廢水微生物處理的方法活性污泥法生物濾池法、生物轉(zhuǎn)盤(pán)法厭氧發(fā)酵法氧化塘法光合細(xì)菌處理法基因工程法第7頁(yè)，共38頁(yè)。三、活性污泥法1.活性污泥（Activatedsludge）指污水中需氧微生物通過(guò)大量繁殖，加上污水中有機(jī)和無(wú)機(jī)膠體和懸浮物等組成的一種肉眼可見(jiàn)的絨絮狀泥粒。對(duì)污水中污染物有很強(qiáng)的吸附能力和降解能力，顏色可表現(xiàn)為深灰、灰褐、灰白等，一般情況下無(wú)臭味，泥粒大小約為0.02mm～0.2mm，比重比水稍重，靜置時(shí)發(fā)生沉淀?；钚晕勰嘀械奈⑸镏饕屑?xì)菌、真菌和原生動(dòng)物。第8頁(yè)，共38頁(yè)。2.活性污泥反應(yīng)器的基本結(jié)構(gòu)沉淀池再生池曝氣池沉淀池一級(jí)處理二級(jí)處理三級(jí)處理肥料污泥濃縮池凈水污水回流污泥污泥生污泥第9頁(yè)，共38頁(yè)。3.活性污泥中的微生物（1）細(xì)菌氣桿菌、亞硝化單胞菌、假單胞菌、芽孢桿菌、棒桿菌、諾卡氏菌、球衣菌、螺菌、動(dòng)膠菌、產(chǎn)堿桿菌、大腸桿菌、絲狀細(xì)菌等G-細(xì)菌為主要菌不同類型的污水含有不同的細(xì)菌群體如抗生素廠污水中，假單胞菌為主。第10頁(yè)，共38頁(yè)。3.活性污泥中的微生物（2）原生動(dòng)物纖毛蟲(chóng)、鞭毛蟲(chóng)、輪蟲(chóng)、線蟲(chóng)等污水中有機(jī)物負(fù)荷過(guò)重或處于不利條件時(shí)，纖毛蟲(chóng)很少，鞭毛蟲(chóng)很多。當(dāng)曝氣池中出現(xiàn)大量纖毛蟲(chóng)時(shí)，說(shuō)明污水處理效果良好。作用：穩(wěn)定活性污泥中的微生物群體，改善排出的水質(zhì)，對(duì)活性污泥的絮凝起一定作用。第11頁(yè)，共38頁(yè)。3.活性污泥中的微生物（3）真菌主要是絲狀真菌，如毛霉屬、根霉屬、曲霉屬、青霉屬、頭孢霉屬、木霉屬等，大約有20種真菌。數(shù)量不大，不是活性污泥微生物區(qū)系中的主要成員。某些絲狀真菌會(huì)引起污泥膨脹，如地霉屬占優(yōu)勢(shì)時(shí)。第12頁(yè)，共38頁(yè)。4.活性污泥的培養(yǎng)和馴化活性污泥的培養(yǎng)——為形成活性污泥的微生物生長(zhǎng)提供合適的物理和化學(xué)條件，在這些條件下，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的培養(yǎng)，便形成活性污泥，以便用于廢水處理?；钚晕勰嗟呐囵B(yǎng)方法一定量的糞便、肥沃的土壤受污水污染過(guò)的污泥曝氣池廢液加水稀釋高效污染物降解菌米泔水補(bǔ)充碳源BOD200～300mg/L一定時(shí)間培養(yǎng)第13頁(yè)，共38頁(yè)。活性污泥的馴化——在上述培養(yǎng)好的活性污泥（或采集其他有關(guān)工廠污水處理池中的活性污泥）中，逐漸減少上述混合物的加入量，逐漸增加所要處理的廢水量，最后加入的全部為廢水。在這培養(yǎng)過(guò)程中，能夠適應(yīng)并降解某些污染物的微生物數(shù)目逐漸增多，而不能適應(yīng)或?qū)δ承┪廴疚锩舾械奈⑸飻?shù)目逐漸減少，這樣通過(guò)營(yíng)養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)，不適應(yīng)的微生物逐漸被淘汰死亡。活性污泥的培養(yǎng)和馴化的時(shí)間大約各需10d～15d，活性污泥在馴化過(guò)程中，如果污泥中葡匐纖毛蟲(chóng)和固著型纖毛蟲(chóng)逐漸增多，且較為穩(wěn)定，處理效果逐漸提高，并趨于穩(wěn)定，就說(shuō)明活性污泥的馴化已完成。第14頁(yè)，共38頁(yè)。5.絮凝作用在活性污泥法中，絮凝物的增加是必需的，因?yàn)橹挥型ㄟ^(guò)絮凝作用才能產(chǎn)生透明的排出水，并可以在沉淀池中通過(guò)沉淀得到合適濃度的污泥，這部分污泥還需再循環(huán)回到曝氣池中。在活性污泥中，生枝動(dòng)膠菌（Z.ramigera）主要負(fù)責(zé)絮凝作用，因?yàn)樗芊置谝环N膠體物質(zhì)(多糖和多聚氨基酸)，使其他微生物吸附到這種膠體物質(zhì)上并被包埋。第15頁(yè)，共38頁(yè)。6.活性污泥的膨脹指在曝氣池運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，出現(xiàn)污泥結(jié)構(gòu)松散，沉降能力下降，污泥隨水飄浮出曝氣池外的異?，F(xiàn)象。污泥膨脹會(huì)嚴(yán)重干擾曝氣池的處理效果和排除水的水質(zhì)，因此要嚴(yán)防污泥膨脹的發(fā)生。污泥膨脹是由于活性污泥中的微生物群體生長(zhǎng)失去平衡的結(jié)果。第16頁(yè)，共38頁(yè)。污泥膨脹的控制方法加入FeCl3和FeSO4使漂浮的活性污泥增加混凝沉降作用。加入次氯酸鈉（濃度必須在10～20mg/L）和H2O2（濃度在100～200mg/L），提高pH值到8，以便抑制或殺死球衣細(xì)菌等絲狀菌。加H2O2還可以給反應(yīng)器提供氧氣,也可利用臭氧殺死絲狀菌。改變條件生物方法好氧法——通過(guò)設(shè)計(jì)底物濃度成梯度增加的一系列反應(yīng)抑制絲狀菌生長(zhǎng)。缺氧法無(wú)氧法通過(guò)改變反應(yīng)器的培養(yǎng)條件促進(jìn)形成絮凝體細(xì)菌的生長(zhǎng)，減少絲狀菌的生長(zhǎng)從活性污泥和土壤中分離到的有些細(xì)菌和放線菌能裂解絲狀細(xì)菌。第17頁(yè)，共38頁(yè)。7.活性污泥法的優(yōu)缺點(diǎn)能產(chǎn)生高質(zhì)量的排除水，凈化效率高，臭氣輕微；處理費(fèi)用較合理；反應(yīng)的體積小，占地面積小。產(chǎn)生的污泥量大；對(duì)水質(zhì)、水量的變動(dòng)比較敏感，對(duì)負(fù)荷的沖擊抗性弱；容易出現(xiàn)污泥膨脹現(xiàn)象。優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)第18頁(yè)，共38頁(yè)。四、現(xiàn)代生物工程處理法高效降解菌處理污水固定化酶和固定化細(xì)胞處理污水基因工程菌處理污水第19頁(yè)，共38頁(yè)。1.高效降解菌在污水處理中的應(yīng)用從自然環(huán)境中，通過(guò)富集和馴化培養(yǎng)等技術(shù)，可以分離到降解污染物能力很強(qiáng)的微生物菌株，在實(shí)驗(yàn)室中經(jīng)過(guò)物理和化學(xué)方法誘變，可以進(jìn)一步提高這些菌株的降解能力。（1）應(yīng)用氰化合物降解菌、苯酚降解菌、鉻還原菌等已成功應(yīng)用于污水處理。（2）高效降解菌須具備的條件適應(yīng)性強(qiáng)；在食物和空間上具有強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力；繁殖快；高效降解性能穩(wěn)定；能在活性污泥菌膠團(tuán)中或生物膜上長(zhǎng)期定居，且具絮凝能力。（3）高效降解菌種類假單胞菌，無(wú)色桿菌，產(chǎn)堿桿菌等第20頁(yè)，共38頁(yè)。2.固定化酶和固定化細(xì)胞在污水處理中的應(yīng)用從自然環(huán)境中分離到的高效污染物降解菌也可以通過(guò)固定化后用于處理污水。一般用包埋法固定細(xì)胞(海藻酸鈉)。具有不用提取酶和固定化的細(xì)胞可以通過(guò)培養(yǎng)進(jìn)行擴(kuò)增等優(yōu)點(diǎn)。固定化酶的方法有吸附法、包埋法。優(yōu)點(diǎn)：性能穩(wěn)定；細(xì)胞不致隨水流而流失；可反復(fù)使用；由于細(xì)胞密度大處理能力強(qiáng)，有利于連續(xù)化、自動(dòng)化處理污水。缺點(diǎn)：生產(chǎn)酶和固定化酶的費(fèi)用太高。把固定化細(xì)胞和固定化酶與電子傳感器組成的生物傳感器在污水處理方面也有許多重要的用途。這些傳感器可用于BOD、氨、有機(jī)酸和甲烷的定量測(cè)定。第21頁(yè)，共38頁(yè)。3.利用基因工程菌處理污水美國(guó)科學(xué)家70年代，將降解芳烴、萜烯、多環(huán)芳烴的幾個(gè)質(zhì)粒，經(jīng)結(jié)合轉(zhuǎn)移到一株能降解脂肪烴的假單胞菌中，構(gòu)建了一株可同時(shí)降解4種烴類的新菌株，稱之為超級(jí)細(xì)菌（Superbacteria）。這個(gè)多質(zhì)粒菌株在自然生態(tài)環(huán)境中，能在幾小時(shí)內(nèi)把原油中的60％烴類消耗掉，而野生菌株要達(dá)到同樣的結(jié)果需1年以上。第22頁(yè)，共38頁(yè)。NO3-,SO42-,etc.數(shù)量不大，不是活性污泥微生物區(qū)系中的主要成員。Ferrimonasbalaerica指污水中需氧微生物通過(guò)大量繁殖，加上污水中有機(jī)和無(wú)機(jī)膠體和懸浮物等組成的一種肉眼可見(jiàn)的絨絮狀泥粒。二、COD（ChemicalOxygenDemand）BacterialFe(III)Reduction加入次氯酸鈉（濃度必須在10～20mg/L）和H2O2（濃度在100～200mg/L），提高pH值到8，以便抑制或殺死球衣細(xì)菌等絲狀菌?；钚晕勰嘀械奈⑸镏饕屑?xì)菌、真菌和原生動(dòng)物?；钚晕勰嘀械奈⑸镏饕屑?xì)菌、真菌和原生動(dòng)物。在土壤和地下水環(huán)境中，酶催化的異化反應(yīng)是U(VI)生物學(xué)還原的機(jī)制Geoglobusahangari活性污泥中的微生物主要有細(xì)菌、真菌和原生動(dòng)物。Pyrobaculumislandicum重金屬污染物的微生物處理一、生物吸附（Biosorption）二、利用固定化細(xì)胞吸附重金屬三、硫化物沉淀法四、磷酸鹽沉淀法五、利用微生物的轉(zhuǎn)化作用去除重金屬目前用于重金屬污染物處理的微生物方法第23頁(yè)，共38頁(yè)。1.生物吸附與生物累積

通常所說(shuō)的生物吸附僅指失活微生物的吸附作用，而微生物活細(xì)胞去除金屬離子的作用一般稱為生物累積。

生物吸附主要是生物體細(xì)胞壁表面的一些具有金屬絡(luò)合、配位能力的基團(tuán)起作用，如巰基、羧基、羥基等基團(tuán)。這些基團(tuán)通過(guò)與吸附的金屬離子形成離子鍵或共價(jià)鍵來(lái)達(dá)到吸附金屬離子的目的。生物累積主要是利用生物新陳代謝作用產(chǎn)生的能量，通過(guò)單價(jià)或二價(jià)離子的轉(zhuǎn)移系統(tǒng)把金屬離子輸送到細(xì)胞內(nèi)部。

第24頁(yè)，共38頁(yè)。2.生物吸附原理

大多數(shù)類型的生物對(duì)重金屬的吸附隨金屬溶液pH下降明顯減少。重金屬被生物中的離子置換。

典型的金屬吸附與pH的關(guān)系表明，藻類的弱酸性羧基和真菌細(xì)胞壁是吸附金屬離子的主要成分。第25頁(yè)，共38頁(yè)。生物吸附劑的預(yù)處理堿處理可以去除細(xì)胞壁上的無(wú)定形多糖，改變葡聚糖和甲殼質(zhì)的結(jié)構(gòu)，從而允許更多的重金屬離子吸附在其表面上。同時(shí)NaOH可以溶解細(xì)胞上一些不利于吸附的雜質(zhì)，暴露出細(xì)胞上更多的活性結(jié)合位點(diǎn)，使吸附量增大。此外NaOH還可以使細(xì)胞壁上的H+離子解離下來(lái)，導(dǎo)致負(fù)電性官能團(tuán)增多，吸附量也會(huì)增大。第26頁(yè)，共38頁(yè)。生物吸附的影響因素1.pH當(dāng)溶液的pH值很低時(shí)，H+會(huì)占據(jù)大量的吸附活性位點(diǎn)，從而阻止陽(yáng)離子與吸附活性點(diǎn)的接觸，導(dǎo)致吸附量的下降。但是pH值過(guò)高也不利于生物吸附。第27頁(yè)，共38頁(yè)。2.競(jìng)爭(zhēng)吸附目標(biāo)金屬離子以外的其他金屬陽(yáng)離子對(duì)生物吸附的影響主要體現(xiàn)在競(jìng)爭(zhēng)吸附效應(yīng)上。（1）同類金屬離子間發(fā)生顯著的競(jìng)爭(zhēng)吸附；（2)不同類的金屬離子間的競(jìng)爭(zhēng)吸附效果不明顯；（3）其他類離子對(duì)邊緣離子的吸附有一定影響。第28頁(yè)，共38頁(yè)。重金屬的微生物轉(zhuǎn)化金屬對(duì)微生物的毒性強(qiáng)度固然與其濃度有關(guān)，但更取決于其存在狀態(tài)。例如，六價(jià)鉻比三價(jià)鉻毒得多；在各種汞化物中，甲基汞的毒性最強(qiáng)；有機(jī)錫比無(wú)機(jī)錫毒，烷基錫比芳基錫毒，三烷基錫比四烷基錫更毒。第29頁(yè)，共38頁(yè)。重金屬的異化還原一些微生物能利用重金屬或放射性元素作為終端電子受體，這是一種酶學(xué)過(guò)程，叫做異化還原（dissimilatorymetalreduction），也叫做直接金屬還原（directmetalreduction）其他一些微生物能通過(guò)非酶學(xué)機(jī)制間接地還原金屬和放射性物質(zhì)，通常是微生物末端產(chǎn)物和金屬的化學(xué)反應(yīng)。第30頁(yè)，共38頁(yè)。直接還原2乙酰-CoA葡萄糖2丙酮酸KrebsCycleNADHFADHe-e-e-e-細(xì)胞色素系統(tǒng)e-e-e-O2,Fe(III),NO3-,SO42-,etc.H2O,Fe(II),N2,S2-,etc.第31頁(yè)，共38頁(yè)。間接還原硫酸鹽還原細(xì)菌產(chǎn)生硫化氫可以還原三價(jià)鐵（ferric）為二價(jià)鐵（ferrous）:2HFeO2+3H2S2FeS+So+4H2O(atpH7-9)第32頁(yè)，共38頁(yè)。已知可通過(guò)微生物異化還原的金屬Cr(VI)Fe(III)U(VI)Mn(IV)Se(VI),(IV),(0)Tc(VII)Hg(II)Cu(II)Co(III)Pd(II)Np(V)Pu(IV)Mo(VI)V(V)Au(III),(I)Ag(I)第33頁(yè)，共38頁(yè)。異化還原鐵離子的細(xì)菌：BacterialFe(III)ReductionGeobactermetallireducensShewanellaputrefaciensShewanellaalgaDesulfovibriospp.Desulfuromonasspp.Desulfotomaculumspp.Desulfuromusaspp.AquaspirillummagnetotacticumFerribacteriumlimneticumAeromonashydrophilaSulfurospirillumbarnesiiPantoeaagglomeransFerrimonasbalaericaGeothrixfermentensGeovibrioferrireducensGeospirillumsp.Pelobactercarbinolicus第34頁(yè)，共38頁(yè)?；钚晕勰嘀械奈⑸镏饕屑?xì)菌、真菌和原生動(dòng)物。生活污水，BOD≈3.目標(biāo):促進(jìn)鈾的還原和固定好氧法——通過(guò)設(shè)計(jì)底物濃度成梯度增加的一系列反應(yīng)抑制絲狀菌生長(zhǎng)。大約各需10d～15d，活性污泥在馴化過(guò)程中，如果污泥中葡匐纖毛蟲(chóng)和固著型纖毛蟲(chóng)逐漸增多，且較為穩(wěn)定，處理效果逐漸提高，并趨于穩(wěn)定，就說(shuō)明活性污泥的馴化已完成。BacterialFe(III)Reduction典型的金屬吸附與pH的關(guān)系表明，藻類的弱酸性羧基和真菌細(xì)胞壁是吸附金屬離子的主要成分。BacterialFe(III)Reduction污水中有機(jī)物負(fù)荷過(guò)重或處于不利條件時(shí)，纖毛蟲(chóng)很少，鞭毛蟲(chóng)很多。Shewanellaputrefaciens在活性污泥法中，絮凝物的增加是必需的，因?yàn)橹挥型ㄟ^(guò)絮凝作用才能產(chǎn)生透明的排出水，并可以在沉淀池中通過(guò)沉淀得到合適濃度的污泥，這部分污泥還需再循環(huán)回到曝氣池中。有機(jī)錫比無(wú)機(jī)錫毒，烷基錫比芳基錫毒，三烷基錫比四烷基錫更毒。SeveralthermophilicisolatesfromthedeepsubsurfacerelatedtoThermoanaerobacterspp.鈾還原導(dǎo)致鈾的沉淀和固定這些傳感器可用于BOD、氨、有機(jī)酸和甲烷的定量測(cè)定