水處理微生物過程

14.微生物過程

王志平

Microbialprocessinwastewatertreatment一、環(huán)境污染的生物效應生物監(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變化個體行為變化組織器官變化分子水平變化生物群體生產活動交通運輸生活消費環(huán)境風險評價2024/5/222微生物凈化的本質微生物需要從外界獲得能量以維持自身生命活動及增殖，在此過程中通過自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)鹽及某些重金屬離子的遷移轉化，實現(xiàn)污染物的無害化、穩(wěn)定化化；微生物是自然環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)的最終分解者，然而，由于微生物代謝是通過酶催化完成的，而酶催化有專一性，因此根據(jù)污染物的特征需要有不同的微生物參與其分解凈化。2024/5/223微生物催化降解的必要條件存在含有某種降解酶的微生物；污染物必須是具有適宜酶的微生物可獲得的(胞內酶對應小分子，胞外酶對應大分子)；適宜的環(huán)境及營養(yǎng)條件。

2024/5/224微生物代謝活性—微生物種類、生長期目標污染物特征—空間結構、分子量大小、元素組成、毒性環(huán)境因素—營養(yǎng)、溫度、pH、氧化還原電位影響微生物催化降解的因素2024/5/225生物凈化的進展通過現(xiàn)代分子生物學技術加深對微生物的認識；以基因工程手段改變或強化微生物有效功能的表達，獲得高效工程菌株；構建微生物功能菌群；營造適合作用的代謝環(huán)境；工程技術方法的發(fā)展促進相關微生物工藝。2024/5/226二、有機污染物的降解有機污染物的生物凈化一般被稱為生物降解；微生物分解有機物的能力是巨大的；依據(jù)微生物對有機物的降解能力大小可分為易生物降解的、難生物降解的和不可生物降解的；生物降解過程是以微生物的代謝為核心，污染物在分解過程中則遵循物理化學原理，其危害和暴露過程對環(huán)境的影響是環(huán)境毒理學關心的內容。2024/5/2271.生物降解的一般概念礦化(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)質的過程，是與微生物生長相關的過程。共代謝(co-metabolism)

共代謝是需要有另一種基質的代謝提供能源和營養(yǎng)質，由非專一性酶促反應完成的復雜污染物降解過程，一般僅使有機物分子得到修飾或轉化，但不能使其完全分解。2024/5/228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自身的氧化分解，即內源代謝或內源呼吸。外源有機物充足時，消耗的細胞組分會被持續(xù)更新，微生物自身的氧化分解并不明顯；而在外源基質不足時，微生物的內源呼吸作用則成為向微生物提供能量、維持其生命活動的主要方式。2024/5/2292.好氧生物降解有機物的好氧分解過程中，有機物的降解、微生物的增殖及溶解氧的消耗這三個過程是同步進行的，也是控制好氧生物處理成功與否的關鍵過程；不同的生物處理工藝中，有機物的分解速率、微生物的生存方式、增殖規(guī)律，溶解氧的提供方式與分布規(guī)律均有差異，而關于好氧生物處理過程的研究及改良也是針對這三個關鍵過程開展的。2024/5/2210好氧有機物分解過程2024/5/2211TCA生物氧化的一般過程

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+PiATPCO22024/5/2212在溫度適宜、溶解氧充足的條件下，微生物的增殖速率主要與微生物(M)與基質(F)的相對數(shù)量，即F／M相關；在靜態(tài)培養(yǎng)條件下，隨著時間的延長，基質濃度逐漸降低，微生物的增殖經(jīng)歷適應期、對數(shù)增殖期、衰減期及內源呼吸期。2024/5/22133.厭氧生物降解厭氧生物處理是在無氧條件下，利用多種專性厭氧微生物(水解、發(fā)酵及產氫產甲烷細菌)的代謝活動，將有機物轉化為無機物(沼氣和水)和少量細胞物質的過程。發(fā)酵過程產生的H2很少，主要由丙酮酸脫水形成，與專性厭氧氧化產氫的機理不同。2024/5/2214厭氧有機物分解過程2024/5/2215(1)水解階段復雜有機物首先在發(fā)酵性細菌產生的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；水解過程通常比較緩慢，是復雜有機物厭氧降解的限速階段。2024/5/2216(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)性脂肪酸為主的末端產物，因此這一過程也稱為酸化，酸化過程是由許多種類的發(fā)酵細菌完成的。其中重要的類群有梭狀芽孢桿菌(Clostridium)和擬桿菌(Bacteriodes)。2024/5/2217

(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％的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，如產甲烷菌免受氧的損害與抑制的作用。發(fā)酵酸化階段的產物丙酸、丁酸、乙醇等，在此階段經(jīng)產氫產乙酸菌作用轉化為乙酸、氫氣和二氧化碳。2024/5/2218(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；也可以直接利用乙酸生成甲烷，二者的比例一般為3/7。利用乙酸產甲烷的菌有索氏甲烷絲菌(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)境的氧化還原電位在-150～-400mV范圍內。2024/5/2219

4．缺氧(anoxic)處理在沒有分子氧存在的條件下，一些特殊的微生物類群可以利用含有化合態(tài)氧的物質，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。2024/5/2220(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的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的生長需要與產酸菌和產甲烷菌同樣的底物，因此硫酸鹽還原過程的出現(xiàn)會使甲烷的產量減少。2024/5/2221根據(jù)利用底物的不同，SRB分為：氧化氫的硫酸鹽還原菌(HSRB)；氧化乙酸的硫酸鹽還原菌(ASRB)；氧化較高級脂肪酸的硫酸鹽還原菌(FASRB)。SRB分類硫酸鹽還原需要有足夠的有機質，其質量比應超過1．67；與甲烷相比，硫化氫的溶解度要高很多，容易造成處理出水COD偏高。2024/5/2222(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。但如果分子氧被耗盡，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。有關問題將在后面討論。2024/5/2223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的角色；在人工處理構筑物中，由于具備良好的工程措施，可以選擇微生物的種類并控制相應的分解過程；在活性污泥曝氣池中具有選擇優(yōu)勢的是好氧及兼性細菌，發(fā)生的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.工程實際中的應用2024/5/2224由于微生物個體微小，每個微生物所處的環(huán)境也是微小的；從空間角度看，影響微生物生存狀態(tài)的環(huán)境是微小的；微環(huán)境直接影響微生物的活動狀態(tài)；由于微生物種群結構、物質分布和化學反應的不均勻性，菌膠團內部及生物膜內部存在多種多樣的微環(huán)境；各種微環(huán)境下生存著適生種類的微生物，可以發(fā)生相應的生物化學反應。微環(huán)境的意義2024/5/2225在微生物絮體、顆?；蛏锬葧纬刹煌奈⑸鷳B(tài)環(huán)境，造成適合不同生物反應過程的宏觀環(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同的微環(huán)境；精細地控制溶解氧濃度即可保證微環(huán)境缺氧環(huán)境，使得好氧區(qū)產生的N03-得以還原。微環(huán)境典型-同步硝化反硝化2024/5/2226難降解有機物的降解歷程相對要復雜得多；一般而言，難降解有機物結構穩(wěn)定或對微生物活動有抑制作用，適生的微生物種類很少；不同類型難降解有機物的降解歷程也不盡相同；許多難降解有機物的降解與質粒有關，降解質粒編碼生物降解過程中的一些關鍵酶類；質粒是菌體內的環(huán)狀DNA分子，是染色體之外的遺傳物質，可以通過克隆質粒表達功能基因。6.難降解有機物2024/5/2227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2024/5/2228aerobicanaerobicabioticFEMSMicrobiolRev34(2010)445–475(1)氯代烴的降解途徑2024/5/2229VC,DEC

assimilatingbacteria;aerobic;anaerobicdegradingmicrobes氯烴降解的典型細菌Alkenemonooxygenase/EaCoMT2024/5/2230氯烴降解的典型放線菌FEMSMicrobiolRev34(2010)445–4752024/5/2231VC、cDEC好氧降解途徑FEMSMicrobiolRev34(2010)445–4752024/5/2232(2)PCB好氧降解途徑StuartEStrand2024/5/2233PCB好氧降解途徑StuartEStrand2024/5/2234(3)酚類的典型降解途徑2024/5/2235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)

酚類降解的典型微生物2024/5/2236(4)常見含氮芳香族化合物FEMSMicrobiolRev32(2008)474–5002024/5/2237含氮芳香族化合物降解途徑FEMSMicrobiolRev32(2008)474–5002024/5/2238含氮芳香族化合物的典型降解微生物FEMSMicrobiolRev32(2008)474–5002024/5/2239(5)多環(huán)芳烴的典型降解途徑FEMSMicrobiolRev32(2008)927–955萘2024/5/2240多環(huán)芳烴的典型降解途徑NADHoxidoreductase,aferredoxinandanoxygenasecomponentFEMSMicrobiolRev32(2008)927–955菲2024/5/2241多環(huán)芳烴的典型降解途徑FEMSMicrobiolRev32(2008)927–955芴2024/5/2242多環(huán)芳烴的典型降解途徑FEMSMicrobiolRev32(2008)927–955芘2024/5/2243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降解的典型微生物FEMSMicrobiolRev32(2008)927–9552024/5/2244苯系物的苯甲酰輔酶A降解途徑FEMSMicrobiologyReviews22(1999)439^4582024/5/2245苯系物的苯甲酰輔酶A降解途徑FEMSMicrobiologyReviews22(1999)439^4582024/5/2246

針對目標污染物的特性，以目標物為主要營養(yǎng)基質從受污染環(huán)境或具有相似污染特性的環(huán)境中富集篩選所需的微生物菌屬。7.功能性微生物的篩選分離2024/5/2247選擇簡便有效的誘變劑挑選優(yōu)良的出發(fā)菌株處理單細胞懸液（均勻態(tài)）選用最適劑量充分利用協(xié)同效應設計或采用高效篩選方案或方法功能微生物的篩選原則2024/5/2248確定目標選擇分離源篩選的設定：培養(yǎng)條件、選擇培養(yǎng)基、對毒物和抗菌素的抗性種類微生物的分離特定微生物的分離培養(yǎng)功能微生物的篩選方法2024/5/2249三、生物脫氮進入20世紀70年代和80年代以來，隨著水體富營養(yǎng)化問題的日漸突現(xiàn)，水質指標體系不斷嚴格化的趨勢使廢水脫氮除磷問題成為水污染控制中廣泛關注的熱點;隨著研究工作的深入開展，對脫氮除磷的生物學原理的認識不斷更新，由此誕生了多種生物脫氮除磷新工藝，推動了廢水生物脫氮除磷技術的發(fā)展，促進了廢水生物處理技術的革新與改進。2024/5/22501.生物脫氮的基本原理廢水中氮的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。有機氮很容易通過氨化作用轉化為氨氮。許多細菌、放線菌和真菌都具有氨化能力，稱為氨化菌。生物脫氮過程主要由兩段工藝共同完成，即通過硝化作用將氨氮轉化為硝酸鹽氮，再通過反硝化反應將硝酸鹽氮轉化為氣態(tài)氮從水中逸出。2024/5/2251缺氧條件下，通過水解反應脫氨好氧條件下，通過氧化反應脫氨厭氧條件下，通過還原反應脫氨氨化反應2024/5/2252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的過程；硝化菌為自養(yǎng)菌，它們以CO2為碳源，通過氧化NH4+獲得能量。硝化反應2024/5/2253亞硝化菌包括亞硝化單胞菌屬(Nitrosomonassp.)、亞硝化球菌屬(Nitrosococcussp.)、亞硝化弧菌屬(Nitrosovibriosp.)和亞硝化葉菌屬(Nitrosolobussp.)。硝化菌包括硝酸鹽桿菌屬(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，世代周期超過10h，擁有較高的硝化速率；而一些異養(yǎng)細菌如產堿桿菌、節(jié)桿菌等雖然硝化速率低，但世代周期短，增殖快，其硝化貢獻不可忽視。2024/5/2254亞硝化細菌和硝化細菌的特征2024/5/2255自養(yǎng)型硝化菌利用無機碳化合物如C032-、HCO3-和CO2作碳源，從氨氮及亞硝氮的氧化反應中獲得能量，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

2024/5/2256氨氧化呼吸鏈2024/5/2257亞硝氮氧化呼吸鏈2024/5/2258溫度溶解氧pH有機物抑制劑影響硝化作用的因素2024/5/2259

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。反硝化細菌包括假單胞菌屬、反硝化桿菌屬、螺旋菌屬和無色桿菌屬等。它們多數(shù)是兼性的，在溶解氧濃度極低的環(huán)境中可以利用硝酸鹽中的氧作電子受體，有機物則作為電子供體提供能量并得到穩(wěn)定化。2024/5/2260以甲醇為碳源時反應式如下：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2024/5/2261反硝化途徑2024/5/2262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的因素2024/5/22632024/5/2264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)微生物聚集體內的微環(huán)境微生物代謝多樣性

好氧硝化+好氧反硝化缺氧硝化+缺氧反硝化同步硝化反硝化2024/5/2265氨氮僅需氧化到亞硝氮便可進行反硝化，進程加快，水力停留時間縮短，反應器縮小30~40%；減少25%的氧消耗，節(jié)省能耗和有機營養(yǎng)物40%；污泥產量降低(硝化階段33%；反硝化階段55%)；實現(xiàn)亞硝氮氧化的阻截比較難(高溫，SHARON)。短程硝化反硝化2024/5/2266實際上主要是實現(xiàn)亞硝酸鹽的積累：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短程硝化反硝化的實現(xiàn)2024/5/2267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)省氧消耗62.5%；酸堿平衡較好，產酸量降低1/2，產堿量為零。厭氧氨氧化2024/5/2268四、生物除磷廢水中磷的存在形態(tài)取決于廢水的類型，最常見的是磷酸鹽(H2PO4-、HPO42-和PO43-)、聚磷酸鹽和有機磷。常規(guī)二級生物處理中，有機物的生物降解伴隨著微生物菌體的合成，磷作為生物體的生長元素也成為生物污泥的組分，從水中去除。普通活性污泥含磷量一般為干重的1.5～2.3%，通過剩余污泥排放可以獲得10～30%的除磷效果。2024/5/2269污水除磷技術的發(fā)展起源于生物超量吸磷現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)。污水生物除磷就是利用微生物的超量吸磷現(xiàn)象，通過設計生物處理系統(tǒng)或系統(tǒng)運行方式的改變，使細胞含磷量相當高的細菌體在系統(tǒng)的競爭中取得優(yōu)勢，并通過定期排泥而將磷從水體移除。在所有污水生物除磷工藝中都包含厭氧和好氧操作段，使剩余污泥的含磷量達到污泥干重的3%～7％。生物除磷的起源2024/5/2270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2024/5/2271生物除磷系統(tǒng)的圖示2024/5/2272厭氧區(qū)聚磷菌(polyphosphateaccumulationorganisms，PAOs)將體內積聚的聚麟分解，產生的能量一部分維持自身生理活動，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)的形式儲存，同時降解聚磷釋放正磷酸鹽。2024/5/2273進入好氧區(qū)后，PAOs營好氧生長，利用儲存的PHAs作為碳源和能源，攝取正磷酸鹽并將其轉化為聚磷酸鹽。由于PHAs是還原性膠體，其合成需要有還原能；Wentzel等(1991)指出兩種獲得這種還原能的途徑：一是所謂Mino模式，還原能來自細胞體內糖原(glycogen)的分解；二是所謂Comeau-Wentzel模式，還原能來自乙酰輔酶A(acetyl-CoA)經(jīng)三羧酸循環(huán)的部分氧化。內部儲存糖原是保持微生物體內的氧化還原電位平衡以利于厭氧攝取多種有機物的關鍵.好氧區(qū)2024/5/2274Mino模式2024/5/2275Wentzel模式2024/5/2276生物除磷圖示2024/5/2277生物除磷的能力主要來自選擇性增殖；超量除磷主要是生物作用的結果；但生物超量除磷并不能完全解釋某些條件下出現(xiàn)的除磷性能，生物誘導的化學除磷可能是生物除磷的補充。生物除磷的本質2024/5/2278(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)生物強化的化學共沉積可能的生物除磷途徑2024/5/2279(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影響生物除磷的因素2024/5/2280五、重金屬離子重金屬指的是原子序數(shù)在鈣(20)以后的金屬元素；重金屬離子具有物質不滅性和生物富積性；全球每年釋放到環(huán)境中的有毒重金屬高達數(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2024/5/2281根據(jù)金屬離子與F-和I-離子結合強弱來分類金屬“硬度”：能與F-形成很強化學鍵的金屬離子稱為“硬金屬”，如Na+、Mg2+和Ca2+等；與F-形成弱化學鍵的金屬離子被稱為“軟金屬”，如Hg2+、Cd2+和Pb2+等，一般都是有毒的重金屬。