华北理工水处理生物学教案13废水生物处理中的微生物及水体污染的指示生物1

1课程名称：《水处理生物学》第13讲次，总16讲摘要授课题目（章、节）第6章废水生物处理中的微生物及水体污染的指示生物第一节废水中污染物在微生物作用下的降解与转化第二节不含氮有机物的分解第三节含氮有机物的分解本讲目的要求及重点难点：【目的要求】废水中有机污染物在微生物作用下的降解与转化；不含氮有机物的分解；自然界的碳循环。含氮有机物的分解；自然界的氮循环。【重点】含氮有机物的分解【难点】理解含氮有机物分解的过程与控制条件。内容【本讲课程的引入】废水通过生化作用被降解，水中污染物放生了那些变化呢？【本讲课程的内容】6.1废水中的污染物在微生物作用下的降解与转化1、生物降解的分类微生物的分类：好氧微生物（aerobe）：生活时需要氧气，没有氧气无法生存厌氧微生物（anaerobe）：只有在没有氧气的环境下生长，有氧气反而不能生活。兼性微生物（facultativeaerobe）：即可在有氧条件下，也可在无氧条件下生活。在自然界中，大多数微生物属于这一类。一般，DO0.2~0.3mg/L，兼性微生物利用氧气进行代谢。DO0.2~0.3mg/L，兼性微生物同厌氧微生物一样生活时不需要氧。一些好氧微生物（好氧细菌，球衣细菌、真菌等）能在微氧环境（DO接近于零）中生长。因此在微氧环境中占优势的微生物常常是好氧微生物。生物降解的分类好氧降解：在好氧条件下进行的降解，好氧呼吸厌氧降解：在厌氧条件下进行的降解生物降解的基本规律有机物经逐步降解后产生能进入TCA（*三羧酸p29）循环或（和）能作为的合成代谢原料的中间代谢产物。逐步降解过程因化合物而异，但后面降解的基本相2同。生物降解后的去向：细胞物质（微生物的生长）、分解产物（CO2、小分子有机物等）。污水生物处理过程中有机污染物的降解过程2、好氧降解—3个阶段（1）糖酵解：由胞外酶把大分子分解为可以被细胞吸收的小分子。（2）小分子的脱氢氧化：产生可进入TCA循环的乙酰－CoA。（3）乙酰－CoA进入TCA循环和呼吸链被氧化成CO2和H2O有机物CHONP————CO2、H2O、（NH3＋NO2＋NO3－）H2SO4、H3PO43、厌氧降解（分段进行的）第一阶段与好氧降解基本一样（糖酵解）第二阶段：厌氧呼吸或者发酵4、好氧降解与厌氧降解的比较好氧降解的有机物降解速率快、彻底；能量利用率高；菌体转化率高（合成系数大）、合成速率快因为能量代谢水平（利用程度）不一样，ATP中高能键贮存的能力：48.1kJ/mol污染物、细胞构成物C、H、O、N、P、S、矿物元素、维生素等能源化学能(污染物等)、光能受氢体O2、CO2、SO42-、NO3-等微生物体合成分解热能生物污泥能分解产物+随水排出微生物生物不可降解残留物有机体分解(内源呼吸)CO2、H2O、NH4+、NO2-NO3-、SO42-、PO43-、H2、N2、H2S、CH4、乙醇、有机酸、硫醇等简单化合物最终产物：C有机酸42CHCO、N32NHRNH、有机酸S——2HSP——34PO产生臭味最终产物：C有机酸42CHCO、N32NHRNH、有机酸S——2HSP——34PO产生臭味低级脂肪酸也有臭味612622261263226662863.322225.7CHOOCOHOkJCHOCHCHOHCOkJ38ATP2ATP3好氧：48.1×38＝1826.4kJ，能量利用率64％厌氧：48.1×2＝96.1kJ，能量利用率43%6.2不含氮有机物质的分解一、纤维素、半纤维素、木质素1.纤维素——多糖化合物纤维素是碳水化合物，由CHO组成。在树木、农作物中大量含有，印染废水中含有大量纤维素。纤维素必须经过胞外酶水解成葡萄糖后才可以被菌体吸收。能降解纤维素的微生物：主要是霉菌和一些特殊的细菌：纤维粘菌、纤维杆菌、莲霉菌、曲霉、青霉、木霉2.半纤维素的分解半纤维素存在于植物细胞壁内，多含于人造纤维、造纸等工业废水中。由聚戊糖、聚己糖、聚糖醛酸构成。半纤维素——单糖+糖醛酸——二氧化碳、水或者厌氧发酵产物……能降解纤维素的微生物：芽孢杆菌、假单胞菌、放线菌。分解纤维素的微生物大多可以分解半纤维素。3.木质素（lignin）木质素在植物性有机废物中的含量仅次于纤维素和半纤维素CCCHOCCCHOH3COCCCHOH3COH3CO基本构成单位芳醚键22323COHOCHCHOHCHCHOHCOOH乳酸42CHCO、61051222116126()nCHOCHOCHO纤维素纤维二糖酶纤维二糖葡萄糖好氧丙酮-丁醇发酵丁酸发酵22323COHOCHCHOHCHCHOHCOOH乳酸42CHCO、61051222116126()nCHOCHOCHO纤维素纤维二糖酶纤维二糖葡萄糖22323COHOCHCHOHCHCHOHCOOH乳酸42CHCO、22323COHOCHCHOHCHCHOHCOOH乳酸42CHCO、61051222116126()nCHOCHOCHO纤维素纤维二糖酶纤维二糖葡萄糖61051222116126()nCHOCHOCHO纤维素纤维二糖酶纤维二糖葡萄糖好氧丙酮-丁醇发酵丁酸发酵4降解机理复杂：芳醚链断裂，苯丙烷大分子解聚———微生物：担子菌纲，如白腐菌二、淀粉淀粉存在于植物种子、果实中。纺织和印染、酒厂废水中含有大量淀粉。淀粉——糊精——麦芽糖——葡萄糖——二氧化碳+水（好氧）或者乙醇+二氧化碳（厌氧）微生物：主要有霉菌（曲霉、根霉）三、脂肪脂肪也是由CHO组成的，来自植物体称为脂肪，来自动物体成为油。微生物：荧光杆菌、绿脓杆菌、放线菌、真霉四、芳香化合物分解的细菌有：食酚假单胞菌、解酚假单胞菌五、烃类（脂肪烃）主要是一些酵母菌和细菌1.烷烃：CnH2n+2一般从末端氧化，形成醇、醛、酸、————CO22.烯烃：苯酚邻苯二酚中间物丁二酸醋酸二氧化碳+水脂肪好氧厌氧二氧化碳+水二氧化碳+较简单有机物OHOHOHCOOHCOOH酚邻苯二酚粘康酸（mucomicacid）CH3CH3OHOHCH3OHOH苯甲酸、粘康酸OHOHOHCOOHCOOH酚邻苯二酚粘康酸（mucomicacid）OHOHOHCOOHCOOH酚邻苯二酚粘康酸（mucomicacid）OHOHOHOHOHCOOHCOOH酚邻苯二酚粘康酸（mucomicacid）CH3CH3OHOHCH3OHOHCH3CH3CH3OHOHCH3CH3OHOHCH3OHOHCH3CH3OHOH苯甲酸、粘康酸结构CH2—O—C—R1CH2—O—C—R2CH2—O—COOO甘油+脂肪酸β氧化5六、合成洗涤剂主要是芽孢杆菌、假单胞菌（恶臭假单胞菌）七、自然界中的碳循环1、有机物中的碳由于微生物的呼吸作用先被氧化分解成二氧化碳，然后通过光合作用转化成为植物性蛋白质、碳水化合物和脂肪，动物食用了植物性蛋白质后转化为动物性蛋白质、碳水化合物、脂肪等。2、动物的排泄物被分解为二氧化碳。3、动植物通过呼吸作用产生二氧化碳。4、动植物死后的残体都为有机性物质，被分解为二氧化碳。因此，二氧化碳是碳循环的中心。p101图6-26.3含氮有机物的分解废水中可能存在的含氮有机物质主要有蛋白质、氨基酸、尿素、胺类、硝基化合物等。生活污水、工业废水中都存在大量的含氮化合物，一般分解的产物由氨、氮气、水、二氧化碳等。6.3.1氮的循环自然界中氮的存在方式主要有：氮气、生物体中的有机氮化物（蛋白质）、硝态和铵态氮1、有机物中的氮在微生物作用下先被转化为氨，氨被氧化为亚硝酸盐和硝酸盐。2、氨和硝酸盐可被植物吸收而转化为植物性蛋白质。动物食用了植物性蛋白质转化为动物性蛋白质，而动物排泄物又能被分解氧化为氨、亚硝酸盐、硝酸盐。烯烃加氧化合物脂肪酸SO3NaCH2－（CH2）10－CH3十二烷基苯磺酸钠SO3NaCH2COOHCH3SO3NaCH3OHOHβ氧化….HSO3SO3NaCH2－（CH2）10－CH3十二烷基苯磺酸钠SO3NaCH2COOHSO3NaCH2COOHCH3SO3NaCH3SO3NaCH3OHOHCH3OHOHβ氧化….HSO3N2Org－N34/NHNH32/NONO固氮氧化/氨化硝化反硝化N2Org－N34/NHNH34/NHNH32/NONO32/NONO固氮氧化/氨化硝化反硝化6NH3NO2-NO3-3、动植物死后的残体为有机物。4、由于反硝化作用，硝酸盐氮游客转化为氮气，自由氮又可以在氮固定作用下转化为植物性蛋白质。6.3.2蛋白质的转化蛋白质有许多氨基酸组成，含有CHON四种元素，有的含S。蛋白质的转化：蛋白质水解、氨化作用、硝化作用、反硝化作用1、蛋白质水解由于蛋白质是大分子有机物，不能够被微生物直接吸收，只有通过酶将蛋白质水解成氨基酸分子，才能进入细胞。蛋白质——朊ruǎn——胨——肽——氨基酸2、氨化作用（含氮有机物的生物氧化）：氨基酸在氨化细菌作用下被分解为不含氮的有机物和氨。氨化细菌（Ammonifier），种类繁多（荧光假单胞菌、变形杆菌等等）3、硝化作用：硝化作用分为两步，在有氧的条件下，亚硝酸菌先将氨分两步进行（好氧条件）硝化细菌都是自养菌，靠氧化氨获得能量，不需要有机物。它们都是G-，不生芽孢的球状或短杆状，好氧，适于中性或碱性环境。亚硝酸菌具有单生鞭毛，而硝酸菌不具有鞭毛。硝化菌的主要特性：化能自养好氧适于中性和弱碱性环境生长速度慢，世代时间8－24小时对有害化学物质敏感（用于毒性测定）硝化菌与活性污泥中异养菌的生长速率比较细菌种类世代时间(h)最大增长速率(1/h)亚硝酸菌8-360.02-0.09硝酸菌8-590.01-0.06活性污泥中异养菌2.3-8.70.08-0.3影响硝化作用的主要因素R－C－COOHNH2RCOOH＋CO2＋NH3RCH2COOH＋NH3O2[H]有氧缺氧KJ201HNO2OHNO2KJ6.619OHHNO2O3NH222222237(1)溶解氧（DO）：DO低于0.5mg/L时，硝酸菌活性受到抑制，而亚硝酸菌（即氨氧化菌）对低溶解氧的耐受程度高于硝酸菌，DO低于0.5mg/L时仍能正常代谢。(2)温度：温度低于12oC，硝化活性明显下降，30oC时活性最大，超过30oC时，活性反而降低。(3)pH：亚硝酸菌的最适pH范围为7.0-7.8，而硝酸菌的最适pH范围为7.7-8.1。pH值过高或过低都会抑制硝化活性。硝化过程常大量产酸，可使pH值降低，限制硝化作用进行，运行中应随时调节pH值。(4)营养物质：硝化菌为自养微生物，生活不需有机质。在污水处理中硝化反应一般在有机物浓度浓度较低的条件下较易发生。(5)氨氮：氨氮浓度大于100-200mg/L时，对硝化反应呈现抑制作用。(6)毒物：硝化菌对毒物的敏感度大于一般细菌，大多数重金属和有机物对硝化菌具有抑制作用。一般来说，亚硝酸菌比硝酸菌对毒物更敏感。4、反硝化作用（Denitrification）定义：硝酸、亚硝酸盐在缺氧条件下被反硝化细菌还原成亚硝酸和氮气的过程。参与反硝化作用的细菌叫反硝化菌（Denitrifyingbacteria）大多数是异养菌（反硝化杆菌、荧光假单胞菌），也有一些自养菌（硝化硫杆菌）。大部分是兼性细菌，有氧气时利用氧气呼吸，厌氧时，利用硝酸和亚硝酸根。反硝化细菌一般是异养菌，需要有机物，例如以甲醇作为电子供体反硝化细菌也有自养菌影响反硝化作用的主要因素(1)营养物质：反硝化作用需要足够的有机碳源。甲醇、乙醇、乙酸、苯甲酸、葡萄糖等均可作为碳源。其中利用最多的是甲醇，因为它价廉，而且氧化分解产物为水和二氧化碳，不留任何难降解中间产物。在饮用水的脱氮处理中易采用乙醇，以避免残留甲醇对人体的危害。(2)溶解氧：在O2和NO3-同时存在时，反硝化菌首先利用O2作为最终电子受体，只有溶解氧浓度接近零（氧化还原电位0--100mV)时才开始进行反硝化作用。(3)温度：反硝化反应的最佳温度为30－40oC，温度低于0o