水处理微生物过程.pptxVIP

14.水处理微生物过程Microbial process in wastewater treatment 王 志 平 mailto:wangzply@sjtu.edu.cnwangzply@sjtu.edu.cn 污染项目生态系统生物群体生物效应检测迁移转化有机物生产活动分子水平变化生物转化重金属组织器官变化交通运输生物浓缩营养盐个体行为变化气态污染生物积累生物监测生活消费生物放大生物污染种群结构变化一、环境污染的生物效应环境风险评价微生物净化的本质微生物需要从外界获得能量以维持自身生命活动及增殖，在此过程中通过自身生理代谢活动实现受污染环境中有机污染物、氮磷等营养盐及某些重金属离子的迁移转化，实现污染物的无害化、稳定化化；微生物是自然环境生态系统的最终分解者，然而，由于微生物代谢是通过酶催化完成的，而酶催化有专一性，因此根据污染物的特征需要有不同的微生物参与其分解净化。微生物催化降解的必要条件存在含有某种降解酶的微生物；污染物必须是具有适宜酶的微生物可获得的(胞内酶对应小分子，胞外酶对应大分子)；适宜的环境及营养条件。 影响微生物催化降解的因素微生物代谢活性—微生物种类、生长期目标污染物特征—空间结构、分子量大小、元素组成、毒性环境因素—营养、温度、pH、氧化还原电位生物净化的进展通过现代分子生物学技术加深对微生物的认识；以基因工程手段改变或强化微生物有效功能的表达，获得高效工程菌株；构建微生物功能菌群；营造适合作用的代谢环境；工程技术方法的发展促进相关微生物工艺。二、有机污染物的降解有机污染物的生物净化一般被称为生物降解；微生物分解有机物的能力是巨大的；依据微生物对有机物的降解能力大小可分为易生物降解的、难生物降解的和不可生物降解的；生物降解过程是以微生物的代谢为核心，污染物在分解过程中则遵循物理化学原理，其危害和暴露过程对环境的影响是环境毒理学关心的内容。1.生物降解的一般概念矿化(mineralization) 矿化是将有机物完全无机化并获取能源和小分子营养质的过程，是与微生物生长相关的过程。共代谢(co-metabolism) 共代谢是需要有另一种基质的代谢提供能源和营养质，由非专一性酶促反应完成的复杂污染物降解过程，一般仅使有机物分子得到修饰或转化，但不能使其完全分解。内源呼吸 微生物在利用外部基质进行生理代谢获取能量及营养质同时，细胞物质同时也在进行自身的氧化分解，即内源代谢或内源呼吸。 外源有机物充足时，消耗的细胞组分会被持续更新，微生物自身的氧化分解并不明显；而在外源基质不足时，微生物的内源呼吸作用则成为向微生物提供能量、维持其生命活动的主要方式。2.好氧生物降解有机物的好氧分解过程中，有机物的降解、微生物的增殖及溶解氧的消耗这三个过程是同步进行的，也是控制好氧生物处理成功与否的关键过程；不同的生物处理工艺中，有机物的分解速率、微生物的生存方式、增殖规律，溶解氧的提供方式与分布规律均有差异，而关于好氧生物处理过程的研究及改良也是针对这三个关键过程开展的。好氧有机物分解过程 糖三酯酰甘油 蛋白质 氨基酸 脂酸+甘油 葡萄糖 乙酰CoA CO2 ADP+Pi ATP 2H H2O 呼吸链 生物氧化的一般过程TCA 在温度适宜、溶解氧充足的条件下，微生物的增殖速率主要与微生物(M)与基质(F)的相对数量，即F／M相关；在静态培养条件下，随着时间的延长，基质浓度逐渐降低，微生物的增殖经历适应期、对数增殖期、衰减期及内源呼吸期。3.厌氧生物降解厌氧生物处理是在无氧条件下，利用多种专性厌氧微生物(水解、发酵及产氢产甲烷细菌)的代谢活动，将有机物转化为无机物(沼气和水)和少量细胞物质的过程。发酵过程产生的H2很少，主要由丙酮酸脱水形成，与专性厌氧氧化产氢的机理不同。厌氧有机物分解过程(1)水解阶段复杂有机物首先在发酵性细菌产生的胞外酶作用下分解为溶解性小分子有机物；如纤维素被纤维素酶水解为纤维二糖与葡萄糖，蛋白质被蛋白酶水解为短肽及氨基酸等；水解过程通常比较缓慢，是复杂有机物厌氧降解的限速阶段。 (2)发酵(酸化)阶段溶解性小分子有机物进入发酵菌(酸化菌)细胞内，在胞内酶作用下分解为挥发性脂肪酸(VFA)，如乙酸、丙酸、丁酸以及乳酸、醇类、二氧化碳、氨、硫化氢等，同时合成细胞物质。在此过程中，溶解性有机物被转化为以挥发性脂肪酸为主的末端产物，因此这一过程也称为酸化，酸化过程是由许多种类的发酵细菌完成的。其中重要的类群有梭状芽孢杆菌(Clostridium)和拟杆菌(Bacteriodes)。 (3)产乙酸阶段产酸阶段绝大多数是严格厌氧菌，但通常有约1％的兼性厌氧菌生存于厌氧环境中，这些兼性厌氧菌能够起到保护严格厌氧菌，如产甲烷菌免受氧的损害与抑制的作用。发酵酸化阶段的产物丙酸、丁酸、乙醇等，在