环境化学工程 课件 第4-1 生物处理理论基础

4.1生物处理理论基础•4.1.1物质循环•4.1.2微生物分类•4.1.3生化操作中的微生物生态系统•4.1.4微生物营养、代谢•4.4.5微生物生长的环境因素•4.4.6酶及酶反应•4.4.7微生物生长动力学4.1生物处理理论基础元素进入系统微生物转化平衡人类工业化发展加速了元素进入水系统的速度破坏了平衡，造成污染生物转化自然环境：缓慢，不能控制人工环境：能控制，可强化4.1.1物质循环生物圈有机体主要生产者主要消费者生产者摄取无机元素太阳能高能量有机形式消费者食物链细胞物质有机物超标污染有机物矿化作用（微生物）无机元素碳循环大气中：CO2直接被陆生植物利用水体中：CO2与碳盐，被水生植物、藻类利用碳酸钙过剩沉积，不能被利用风化返回水体无机碳氧化物植物、藻类光合有机碳（碳的固定）土壤中有机碳、腐植质煤或其他燃料燃烧CO2氧循环H2OO2光合作用呼吸作用、燃烧氮循环氮N2以分子形式存在于大气中惰性化学物质不适应于大多数生命有机氮植物藻类合成，动物的氮源含氮化合物排泄NH3释放矿化N2NH3有机N2NO-2NO-3吸收分解吸收吸收还原硝化硝化反硝化还原固定硝化：部分氮亚硝酸盐NO-2硝酸盐NO-3细菌细菌反硝化：NO-2细菌N2返回大气植物和藻类可以吸收硝酸盐和氨硫循环有机S2S2SO=4H2S吸收作用微生物氧化微生物、自然氧化脱硫作用微生物分解硫酸盐还原元素硫：被细菌氧化为硫酸盐含硫化合物分解：被H2S释放4.1.2微生物分类生物非细胞结构生物--细胞结构生物蓝藻门细菌门真细菌纲真细菌亚纲放线菌亚纲立克次氏体纲粘细菌纲螺旋体纲枝原体纲真核原生生物界原生动物真核藻类真菌界酵母菌霉菌动物界微型后生动物高、低等动物植物界低等植物高等植物原核细胞生物界病毒真核细胞生物界•1°原核细菌球菌，0.5～2.0μm杆菌，0.5～5.0μm螺旋菌，0.5～2.0μm放线菌：由纤维长短的细菌组成腐生菌：多数寄生菌：少数蓝绿细菌（蓝藻）：淡水、海水、土壤自净作用富营养化指示物螺旋体腐生菌寄生菌：引起人和动物疾病立克次氏体介于细菌和病毒之间寄生在节肢动物体内，传播疾病对抗菌素敏感枝原体最小原核微生物，介于病毒和立克次氏体之间分布在土壤、污水、垃圾、昆虫、脊椎动物及人体2°病毒病毒：非细胞结构，光学显微镜看不到，电子显微镜看到·没有细胞结构·没有合成蛋白质机构：核糖体·缺乏生物合成、繁殖的酶系统·没有代谢功能·寄生在活的敏感细胞内寄生在人和动物体内：流行感冒，麻疹，乙脑，甲肝寄生在植物体内：马铃薯退化，水稻萎缩环境工程：如何去除给水中的动物病毒3°真核原生动物：最原始、最低等、结构最简单的单细胞动物，10-300μ营养类型植物性营养腐生性营养：吸收环境中可溶性有机物微型后生动物：原生动物以外的多细胞动物的总称营养类型：细菌，藻类，原生动物，有机颗粒，土壤藻类：广泛分布于江、河、湖、海、土壤、岩石、树干等植物学：植物；微生物学：微生物。有单细胞、多细胞真菌：75000种以上酵母菌：开发利用酵母资源。面包，馒头，酿酒霉菌：上万种腐生寄生：致病菌利用霉菌生产酒精、有机酸、抗菌素（青霉素）全动性营养：细菌、霉菌、小原生动物、有机颗粒4.1.3生化操作中微生物生态系统1°厌氧消化在连续搅拌池反应器中进行停留时间：数天；出水含甲烷、二氧化碳微生物菌落群简单：细菌可降解有机化合物水解、降解不产甲烷菌有机酸，CO2,H2产甲烷菌微生物甲烷●生化操作中微生物生态系统----厌氧消化●生化操作中微生物生态系统----活性污泥法活性污泥法：好氧过程，生物多样化污水净化水污泥污泥回流空气污泥：絮凝的微生物悬浮液腐生生物：主要为细菌，降解有机物原生动物：捕食细菌。5%（固体量）有害菌：丝状菌和真菌引起污泥膨胀2°活性污泥法●生化操作中微生物生态系统----生物膜法生物反应器：污泥附着在固体表面生长微生物菌落群：立体分布，比活性污泥法更加多样化有更高级的生命形式有复杂的食物链氧化彻底剩余污泥少3°生物膜法4.1.4微生物营养、代谢1°微生物的细胞组成元素C:50%O:20%N:10-15%H:8-10%P:1-3%S:0.5-1.5%(干重)化学组成(干物质)有机物90-97%无机物3-10%蛋白质，核酸，糖，脂水细菌75-85%酵母菌70-85%酶菌85-90%芽孢40%2°微生物的营养种类无机营养型（自养型）有机营养型（异养型）混合营养型完备酶系统利用CO2和CO32-中的碳素酶系统不完备营养和能量：有机碳化物腐生、寄生两大类光能型化能型光能型化能型光合细菌、藻类有机物合成能力强光为能源，光合作用色素利用CO2,H2O或H2S合成有机物构成自身细胞物质不具色素，不能光合，氧化硝化、亚硝化细菌，好氧硫细菌光为能源，有机物为供氢体还原CO2，合成有机物，有机光合细菌氧化有机物产生化学能而获得能量的微生物,细菌、放线菌、真菌既可以以无机碳为碳素营养又可以以有机化合物为碳素营养营养水：组成，代谢过程中的溶剂〔溶解营养物，被微生物吸收〕碳：液体中CO2为碳源,构成细胞含碳物质微生物生长、繁殖、运动所需能量氮：提供微生物合成细胞蛋白质的物质N2，NH3，尿素，硫酸铵，氨基酸，蛋白质等固氮微生物：利用空气中N2的合成自生氨基酸和蛋白质利用无机氮化物NH3，NH4+：亚硝化菌，硝化菌，大肠杆菌利用氨基酸：氨基酸异养微生物，乳酸菌分解蛋白质获得铵盐：氨化菌，霉菌，酵母菌硫：合成蛋白质需要硫。好氧硫化菌的能源磷：合成核酸和磷脂氧：有机化合物基本组成，存在于所有细胞质中矿物营养：钾，铁，钙等生长因素：VB，VC，氨基酸，生长素等3°微生物的代谢微生物摄取营养酶催化反应新的生物体排泄废物微生物代谢合成代谢分解代谢复杂微生物分解为简单物质＋能量微生物增殖相互依赖共同进行分解代谢大分子低分子，放出自由能分解三聚磷酸腺苷(ATP)转变合成代谢外界摄取营养生化反应细胞物质产能电能：电子移动产生化学能：氧化有机物，反应释放机械能：运动下产生光能：发光细菌呼吸类型获得能量发酵：有机物，CO2，CH4及能量好氧呼吸：CO2，H2O及能量无氧呼吸：CO2，H2O，H2S，N2及能量4.1.5微生物生长的环境因素1°微生物与温度的关系微生物TminTTmax低温性细菌－5～05～1020～30中温性细菌5～1025～4045～50高温性细菌3050～6070～80放线菌2023～3750～60藻类28～3056原生动物16～2545～50TTminT适Tmax生长速率高温：超过微生物生长的最高温度致死温度，杀菌低温：活性下降，不致死。5℃以下代谢受阻4.1.5微生物生长的环境因素2°微生物与pH值的关系微生物最低适宜最高固氮菌4.54.5-7.69.0氧化硫硫杆菌1.53.0放线菌5.07.0-8.010.0酵母菌2.53.8-6.08.0霉菌1.53.0-6.010.0pH过高或过低，对微生物有影响改变表面电荷，影响微生物的吸收酸性对微生物有毒害作用影响酶活性。酶在适宜pH值活性最大降低微生物抗高温性能好氧生物处理：6.5～8.5厌氧生物处理：6.7～7.4pH6.5不利于细菌和原生动物对酵母和霉菌有利：污泥凝聚性差，产生污泥膨胀4.1.5微生物生长的环境因素3°溶解氧与微生物的关系好氧微生物：氧存在生存大多数细菌大多数放线菌大多数酶菌原生动物微型后生动物供氧方式：搅拌、曝气等。充氧效率∝微生物生长供氧不足：活性污泥性能差，效率下降兼性厌氧微生物：无氧或有氧条件下生存。酵母菌。致病菌好氧生物处理法好氧、兼性氧供氧不足：兼性厌氧微生物，反应不彻底供氧足：好氧微生物，反应彻底厌氧微生物：无氧条件下。发酵或无氧呼吸4.1.5微生物生长的环境因素4°辐射对微生物的影响1000nm红外线：光合细菌能源380～760nm可见光：藻类光合作用紫外线、x射线、γ射线：杀菌5°有害物质对微生物的影响重金属：杀菌和防腐。汞，铜，铅卤素：氧化剂，杀菌强有机化合物：醇：使蛋白质脱水，杀菌。一定浓度可作碳源甲醛：杀菌剂。37～40％：福尔马林酚：表面活性剂，破坏细胞物质。甲酚＋皂液：来苏儿6°渗透压对微生物的影响低渗和高渗溶液对微生物生长不利3～30％盐：腌渍；30～80糖：蜜饯7°微生物之间的关系互生关系：可单独生活的微生物共同生活，互为利用★炼油厂废水含酚，H2S，NH3食硫细菌食酚细菌互提供营养，互为解毒★污水生物处理：氨化细菌、亚硝化细菌、硝化细菌氨化细菌：分解含氮化合物氨亚硝化细菌营养亚硝酸盐硝化细菌营养硝酸盐毒性共生关系：不能单独生活的微生物共同生活，营养上互利地衣：藻类和真菌藻类光能CO2+H2O有机物真菌的营养拮抗关系：杀死或吞食对方寄生关系：一种在另一种体内，摄取营养4.1.6酶及酶反应1°酶及其特点酶：活细胞。生物体内、外起催化作用的生物催化剂催化效率高：同一反应，比化学催化剂高106～1013倍专属性：对底物有严格的选择性环境敏感性：高温、高压、酸、碱、辐射作用下，丧失活性反应条件：常温、常压、中性条件2°酶促反应速度酶促反应速度酶浓度基质浓度pH值温度反应产物活化物抑制剂底物浓度〔S〕KS混合级反应零级反应一级反应〔0n1〕〔n=1〕〔n=0〕反应速度〔V〕一级反应：底物浓度较低，反应速度与底物浓度成正比零级反应：底物浓度增大，酶反应速度达最大，底物与速度无影响4.1.6酶及酶反应K1K3E+SP+EESK2E：酶S：底物ES：中间产物P：产物底物与酶促反应速度的关系：米凯利斯－门坦方程式SKSVVmmax＝V－酶反应速度，Vmax－最大值S－底物浓度Km＝（K2＋K3）/K1，米氏常数V=0.5Vmax时，Km＝S，即：Km是V=0.5Vmax底物浓度。Km：动力学系数，平衡常数一种酶几种底物，每一种底物对应一个Km。酶的特征常数。与酶的性质、酶的浓度有关。底物浓度〔S〕KS混合级反应零级反应一级反应〔0n1〕〔n=1〕〔n=0〕反应速度〔V〕4.1.6酶及酶反应SKSVVmmax＝①SKm时，Km＋S≈S，V≈Vmax零级反应底物对反应影响不大欲提高反应速度增加酶浓度②SKm时，Km＋S≈Km，V≈(Vmax/Km)S一级反应反应速度与底物为直线关系底物③S～Km中间时，混合级反应，级数0～1之间4.1.7微生物生长动力学废水生物处理：微生物连续培养过程，食物从废水中获得纯细菌混合菌生长规律适应期：驯化，适者生存对数期：食料过剩，细菌按几何级数增长平衡期：细菌大量繁殖后，底物逐渐消耗，数量稳定衰老期：底物消耗殆尽细菌量适应期对数期平衡期衰老期T生长速度T1°微生物生长速度4.1.7微生物生长动力学单位微生物生长速率（比增长速率）～底物浓度Monod公式SKSSmax＝μ：微生物比增长速度，μmax：最大KS：饱和常数，μ＝μmax/2时的底物浓度。与酶促反应米－门公式类似。米－门公式：理论Monod公式：经验μmaxμmax/2μKSS一级混合级零级2°微生物生长与底物利用速度代谢底物降解低能化合物＋能量底物合成新细胞能量微生物增长是底物降解的结果微生物增长速度与底物降解速度：比例关系μ＝YqSKSqqSmq：比底物降解速度dKYq＝’μ’：微生物净增长速率部分微生物内源呼吸（自生氧化）导致微生物产量下降