【污水的微生物处(课堂PPT)

1、1,污水的微生物处理,2,世界水资源现状,环境保护是我国的基本国策。世界经济发展的实践证明，为实现经济的持续稳定的发展，必须解决好发展与环境保护的矛盾。 全球水资源状况迅速恶化，“水危机”日趋严重。据水文地理学家的估算，地球上的水资源总量约为亿立方公里，其中是海水（亿立方公里）。淡水只占，其中绝大部分为极地冰雪冰川和地下水，适宜人类享用的仅为 世纪年代以后，全球人口急剧增长，工业发展迅速。一方面，人类对水资源的需求以惊人的速度扩大；另一方面，日益严重的水污染蚕食大量可供消费的水资源。本届世界水论坛提供的联合国水资源世界评估报告显示，全世界每天约有吨垃圾倒进河流、湖泊和小溪，每升废水会污染升淡水

2、；所有流经亚洲城市的河流均被污染；美国的水资源流域被加工食品废料、金属、肥料和杀虫剂污染；欧洲条河流中仅有条水质差强人意。,3,世纪，世界人口增加了两倍，而人类用水增加了倍。世界上许多国家正面临水资源危机：亿人用水短缺，亿人缺乏用水卫生设施，每年有万到万人死于和水有关的疾病。到年，水危机将蔓延到个国家，亿人为水所困。水资源危机带来的生态系统恶化和生物多样性破坏，也将严重威胁人类生存。 水资源危机既阻碍世界可持续发展，也威胁着世界和平。过去年中，由水引发的冲突共起，其中起有暴力性质，起演变为军事冲突。专家警告说，随着水资源日益紧缺，水的争夺战将愈演愈烈。,4,水污染物的类型及来源, 生活污水 生

3、活污水是一大污染源。生活污水中含有大量的无机物，有机物。无机物如氯化物，硫酸盐，磷酸盐和钠，钾，钙，铁等碳酸盐，有机物有纤维素，淀粉，脂肪，蛋白质和尿素等。排放入环境中促使浮游植物生长和大量繁殖，形成赤潮和水华。 工业废水 工业废水是水体污染的主要污染源。包括钢铁工业废水，食品工业废水，印刷废水，化工废水等。 农业废水 它面广而量大且分散。农田使用农药，化肥，进入水体造成水体富营养化。,5,.污水处理方法分类, 物理法 利用物理作用分离废水中呈悬浮状态的污染物质。主要有沉淀法，过滤法，离心分离法，吸附法等。 化学法 利用化学反应原理及方法来分离，回收废水中的污染物，或改变污染物的性质，使它从有

4、害变为无害的处理法。主要有化学凝聚法，中和法，氧化还原法，离子交换法。 生物法 主要利用微生物的生命活动过程，对废水中的污染物质进行转移和转化的作用，从而是污水得到净化的方法。,6,.微生物简介,微生物是肉眼看不见或看不清的生物的总称。包括原核生物（细菌，放线菌和蓝细菌），真核生物（真菌和微型藻类），非细胞生物（病毒类）。微生物具有体积小、表面积大、繁殖力惊人等特点，能不断与周围环境快速进行物质交换。污水具备微生物生长繁殖的条件，因而微生物能从污水中获取养分，同时降解和利用有害物质，从而使污水得到净化。因此微生物可在污水净化和治理中得到广泛应用，造福人类。 微生物能降解和转化污染物主要是因为微

5、生物具有以下几个特点：个体微小，比表面积大，代谢速率快；种类繁多，分布广泛，代谢类型多样；具有多种降解酶；繁殖快，易变异，适应性强；共代谢作用等。,7,原理,利用微生物处理污水实际就是通过微生物的新陈代谢活动,将污水中的有机物分解,从而达到净化污水的目的.微生物能从污水中摄取糖，蛋白质，脂肪，淀粉及其它低分子化合物。微生物新陈代谢类型有需氧型和厌氧型两种,因此,净化方法分为好氧净化和厌氧净化.,8,好氧净化 氧存在条件下，许多好氧微生物通过分解代谢、合成代谢和物质矿物化，在把有机物氧化分解成CO2和H2O等过程中，获寻C源、N源、P源、S和能量。污水的微生物好氧净化就是模拟上述原理，把微生物置

6、于一定的构筑物内通气培养，高效率净化污水的方法。 厌氧净化 微生物在严格厌氧条件下，有机物发酵或消化过程中，大部分有机物被解生成H2、CO2、H2S和CH4等气体。污水的生物厌氧净化就是根据污水经厌氧发酵后既到净化，又获得了生物能源CH4的原理。微物细胞能量转移的电子受体，由好氧条件下分子氧改变为厌氧条件下的有机物。在厌氧件下，不溶于水而难分解的大分子有机污物，被微生物的胞外酶降解为可溶性物质，再由产甲烷厌氧细菌和产氢细菌降解成低分子有酸类和醇类、并放出H2和CO2；有机酸类和类经产甲烷菌降解成H2、CO2和CH4。甲烷菌还可利用H2还原CO2，形成CH4。,9,微生物净化过程,.有机污染物的

7、浓度由高变低 .异养细菌迅速氧化分解有机污染物而大量繁殖，然后是以细菌为食料的原生动物出现数量高峰，再后是由于有机物矿化，利于藻类的生长，而出现藻类的生长高峰。 .溶解氧浓度随着有机物被微生物氧化分解而大量消耗，很快降到最低点，随后，由于有机物的无机化和藻类的光合作用及其他好氧微生物数量的下降，溶解氧又恢复到原来水平。 这样，在离开污染源相当的距离之后，水中的微生物数量，有机物，无机物的含量，也都下降到最低点。于是，水体恢复到原来的状态。,10,微生物处理优点,微生物具有来源广，易培养，繁殖快，对环境适应性强，易变异的特征在生产上较容易的采集菌种进行培养繁殖，并在特定条件下进行驯化，使之适应不

8、同的水质条件，从而通过微生物的新陈代谢使有机物无机化。加之微生物的生存条件温和，新陈代谢时不需要高温高压，它是不需要投加催化剂的.生物法具有废水处理量大、处理范围广、运行费用相对较低,所要投入的人力，物力比其他方法要少的多。在污水生物处理的人工生态系统中，物质的迁移转化效率之高是任何天然的或农业生态系统所不能比拟的。,11,污水处理中重要的微生物种群,12,1.丝状细菌,丝状细菌(Filamentous bacteria)能显著影响絮状活性污泥的沉降性(污泥膨胀)或引起生物量变化和泡沫形成(污泥发泡)，从而严重影响活性污泥的处理效率传统上，丝状细菌是通过光学显微镜学进行分析鉴定的，如革兰氏和N

9、eisser染色反应、典型的形态学特征等但应用fullcycle rRNA技术发现，传统形态学鉴定方法不能发现污水厂活性污泥中的许多丝状细菌 。 系统发生树部分提供了丝状菌的系统发生亲缘关系，但有些丝状类型如Eikelboom 1863或Nostocoidalimicola等则是放置在完全无关的类群中现在利用rRNA目标寡聚核苷酸探针能迅速地鉴定大多数丝状菌，证明在活性污泥中有些丝状菌呈现多态性现象Kanagawa等(2000)从活性污泥中分离出15种丝状菌，根据形态被分类为Eikelboom 21 N，利用16S rDNA序列分析表明都同变形杆菌亚纲的Thiothrix丝状菌形成单系群(mo

10、nophyletic group).Thiothrix丝状菌在污水中通常表现出生理多能性，在异养、兼性营养和化能自养情况下，它们都能同标记的乙酸盐或碳酸氢盐结合。在厌氧状况下(无论有无硝酸盐)，Thiothrix丝状菌都很活跃，它通过吸收硫代硫酸盐和乙酸盐来形成胞内硫粒。 利用丝状菌的FISH探针，Mircothrix parvicella被发现有特殊的脂消费，在厌氧情况下专门吸收长链脂肪酸(而不是短链脂肪酸和葡萄糖)，随后当硝酸盐或氧可用作电子受体时它们则使用贮存完成生长不过，在厌氧情况下，M.parvicella不能吸收磷，不适合那些有除磷要求的生物反应器利用FISH技术对丝状菌进行系统分

11、类发现，大多数未描述的丝状菌属于绿色非硫细菌(Chloroflexi)，也可能是污水生物处理系统中丰度最高的丝状菌。Liao等(2004)发展一种定量FISH，对实验室和污水厂反应器中的丝状菌进行了研究，以增加Sphaerotilus natans的方式来刺激污泥膨胀，结果发现是Eikelboom 1851菌丛(而不是试验的Snatans菌)同活性污泥容积指数(volume index)极度相关，其可延伸的菌丝长度约为610。la,mmL。,13,2.生物除磷的重要细菌,生物除磷可以在EBPR的微生物途径中由完成，该过程通过循环活性污泥进行交替的厌氧、需氧为特征。基于微生物的纯培养技术，变形杆

12、菌纲亚纲的不动杆菌属(Acinetobacter)长期被认为是唯一的PAO(Polyphosphateaccumulating organism)但实际上，虽然不动杆菌能积累多聚磷酸盐，却没有PAO的典型代谢方式Wanger等(1994)用rRNA目的探针测试后认为，主要的PAO应该为口亚纲中的Rhoclocyclus群，其次为 亚纲中的Planctomycete群及屈挠杆菌属(Flexibacter)、CFB群(CytophagaFlavobacteriumBacteroides)等利用萤光抗体染色、呼吸醌检测和属特异探针的FISH等非培养方法，证明在EBPR系统中，由于培养偏差显然高估了不

13、动杆菌的相对丰度，表明其对EBPR系统实际上不是最重要的，而另外一些分离出的细菌才是PAO的候选者。不过，有7个Acinembacter新种从活性污泥中分离到，可望进一步阐释该属在脱磷中扮演的角色和意义。 积磷小月菌(Microlunatus phosphovorus)是一个高G+C含量的革兰氏阳性菌，被认为是专性好氧菌，可以通过EMP途径发酵葡萄糖为乙酸，而不能够在厌氧情况下生长有明显吸收葡萄糖、分泌乙酸的转化，导致胞内乙酸积累；产生的乙酸在随后的好氧阶段消耗掉phosphovorus表现出卓越的吸收和释放磷的能力，磷释放率和吸收率可分别高达334 mmol gcellh和156 mmol

14、gcellh，比Lampropedia spp和Acinetobacterspp要高1个数量级，特异探针证明其在EBPR工厂里可占总细菌的27。 俊片菌属(Lampropedia)也拥有聚磷菌的基本代谢特征，但比EBPR模型预言的吸收乙酸盐释放磷酸盐的比率要低很多那些被建议名为“Candidatus Accumulibacter phosphates”已被证实显著存在于EBPR系统中Saunders等(2003) 在对6个运行污水厂进行了检测后认为，很可能“无关紧要”的“CandidatusAccumulibacter phosphates”正是重要的PAO另外还有显微镜原位观察显示，酵母菌很

15、可能涉及在生物除磷中，许多“聚磷菌”很可能是酵母菌的孢子，但其作用机理显然还需要进一步探讨,14,3.硝化细菌,氮循环是高度依赖微生物活性和转化的一个过程这类微生物在污水处理、农业等领域具有极其重要的作用，因此成为近年来世界研究的热点，变形杆菌的亚纲几乎已经成为微生物生态学的模式系统 Kindaichi等(2004)对自养硝化生物膜进行了FISH分析表明，膜上有50属于硝化细菌，其余50为异养细菌，分布为变形杆菌亚纲23 ，亚纲13 ，绿色非硫细菌9 ，CFB群2，未定类群3该结果表明，硝化细菌通过可溶性产物的产生支持了异养菌，异养菌也从代谢多样性等方面确保了生物膜的生态稳定性 从培养角度来说

16、，硝化细菌生长极慢；由于硝化细菌的分布同pH、温度等敏感，所以污水厂的硝化作用常有崩溃的情况发生,15,3.1.氨氧化茵,基于16S rDNA序列分析，已经分离和描述过的氨氧化细菌都分属于变形杆菌纲的2个单系群中Ni-trosococcusoceanus和Nhalophilus属于Proteobacteria的亚纲，包括亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas)、亚硝化螺菌属(Nitrosospira)、亚硝化弧菌属(Nitrosovibrio)和亚硝化叶菌属(Nitrosolobus)，后3个属关系密切；而Nitrosococcus mobilis(实际是Nitrosomonas的一个成员)

17、则在亚纲组成紧密相关的集合,16,32 亚硝酸氧化茵,基于超微特性，已培养出的亚硝酸氧化菌(Nitriteoxidizing bacteria，NOB)被分为4个已知属，硝化杆菌属(Nitrobacter)，硝化刺菌属(Nitrospina)，硝化球菌属(Nitrococcus)和硝化螺菌属(Nhrospira)16S rDNA序列比较分析表明，硝化杆菌属及其3个种都属于变形杆菌的一亚纲；Nitrospina和Nitrococcus各有一个种，分属于变形杆菌的和一亚纲；Nitrospira属包含有moscoviensis和rrtarin在传统上，Nitrobacter一直被认为是最重要的亚硝酸

18、盐氧化菌然而，在硝化污水厂内用目的探针的FISH法和定量斑点杂交(Quantitative dot blot)等发现，检测不到Nitrobacter或者数目很低，因此凸现了非Nitrobacter的NOB在硝化过程中的重要性Egli等(2003)用不同污泥接种反应器，利用定量FISH和RFLP(Restriction fragment length polymorphism)方法对稳定的硝化作用反应器进行检测，发现有活性的都属于Nitrospira属 J以Nitrospira序列发展的特定16S rRNA探针，对活性污泥进行FISH查后表明，未培养的类硝化螺菌(Nitrospiralike)以

19、显著性数目(总菌数的9)存在，其对亚硝酸盐氧化的重要性已由反应器富集研究所证实Nhrospira能固定CO：，也能利用丙酮酸混合营养生长，而不利用乙酸盐、丁酸盐和丙酸盐,17,4 反硝化细菌,反硝化细菌(Denitrifying bacteria)的大多数鉴定和计数都是依赖培养法很多属的成员，如产碱杆菌属(Alcaligenes)、假单胞菌属(Pseudomonas)、甲基杆菌属(Methylobacteriurn)，副球菌属(Paracoccus)和生丝微菌属(Hyphornicrobiurrt)等，都从污水厂中作为脱氮微生物群分离出来过，但这些细菌属在污水厂中是否具有原位脱氮的活性却很少被

20、知道在一个补充以甲醇作为还原碳化物的脱氮沙滤中，使用特异FISH探针监测到有大量数目的Pspp和Hspp；而在没有附加甲醇的非脱氮沙滤中，两属存在的数目都低于总细胞01 ，这间接证明了在脱氮过程中有两属的活性参与。,18,微生物除臭,主要利用微生物的生理代谢活动降解恶臭物质，将其氧化成无臭、无害的最终产物，达到除臭的目的 微生物除臭的主要方法有生物过滤法和生物吸收法。生物过滤法的原理是臭气从反应器的底部进入，通过附着在填料上的微生物，将臭气中的污染物氧化分解为二氧化碳、水、硝酸盐、硫酸盐等，达到臭气净化的目的。生物吸收法（也可称为生物洗涤法）多采用活性污泥的方法，先将恶臭成分转移到水中，然后，

21、再将受污染的水进行微生物处理,19,微生物去除重金属,由海藻、真菌和细菌等微生物组成的生物吸附剂由于具有原料来源丰富、品种多、成本低，在低浓度下处理效果好、吸附容量大、速度快、选择性强，吸附设备简单、易操作等优点成为去除工业废水中重金属元素有效的净化方法 无论是海藻、真菌或是细菌去除重金属污染物的原理都是吸附原理，它们在实际工作中各有其特点。细菌在细胞外分泌聚合物，形成菌胶团，对重金属有很好的吸附能力。而真菌类微生物菌丝体粗大且具有吸附后易于分离、吸附量大等特点也是良好的生物吸附剂,20,水污染物的类型及处理,21,生活污水,生活污水是一大污染源。生活污水中含有大量的无机物，有机物。无机物如氯

22、化物，硫酸盐，磷酸盐和钠，钾，钙，铁等碳酸盐，有机物有纤维素，淀粉，脂肪，蛋白质和尿素等。排放入环境中促使浮游植物生长和大量繁殖，形成赤潮和水华。 生活污水的处理主要是其中有机物的分解，其主要方法有活性污泥法、生物膜法、AB法。,22,5.1.1活性污泥法 活性污泥法是以活性污泥为主体的废水生物处理的主要方法。活性污泥法是向废水中连续通入空气，经一定时间后因好氧性微生物繁殖而形成的污泥状絮凝物。其上栖息着以菌胶团为主的微生物群，具有很强的吸附与氧化有机物的能力。 5.1.2生物膜法 生物膜法是利用附着生长于某些固体物表面的微生物（即生物膜）进行有机污水处理的方法。生物膜是由高度密集的好氧菌、厌

23、氧菌、兼性菌、真菌、原生动物以及藻类等组成的生态系统，其附着的固体介质称为滤料或载体。生物膜自滤料向外可分为庆气层、好气层、附着水层、运动水层。生物膜法的原理是，生物膜首先吸附附着水层有机物，由好气层的好气菌将其分解，再进入厌气层进行厌气分解，流动水层则将老化的生物膜冲掉以生长新的生物膜，如此往复以达到净化污水的目的。生物膜法具有以下特点：（1）对水量、水质、水温变动适应性强；（2）处理效果好并具良好硝化功能；（3）污泥量小（约为活性污泥法的34）且易于固液分离；（4）动力费用省。 5.1.3AB法 AB法工艺由德国B0HUKE教授首先开发。该工艺将曝气池分为高低负荷两段，各有独立的沉淀和污泥

24、回流系统。高负荷段A段停留时间约2040分钟，以生物絮凝吸附作用为主，同时发生不完会氧化反应，生物主要为短世代的细菌群落，去除BOD达50以上。B段与常规活性污泥相似，负荷较低，泥龄较长。,23,工业废水,工业废水是水体污染的主要污染源。包括钢铁工业废水，食品工业废水，印刷废水，化工废水等。随着工业化的发展，含有重金属离子的废水产生量越来越多。重金属离子已成为最重要、最常见的污染物之一。由于重金属在生物体内的富集、吸收与转化，从而通过食物链危害人体健康。如致癌、致畸等，故而处理重金属污染刻不容缓。 微生物处理技术在生活污水处理中的应用已经非常成熟并且全面普及，但是在工业污水的处理中还存在着一定

25、的技术问题。相对于生活污水来说，工业污水的成份要复杂的多，大多数工业污水的COD值都相当高，可生化性差，这就给微生物处理带来了相当大的难度，有些工业污水甚至还有很高的氨氮指标，增加了微生物处理的难度。但是微生物技术的许多优势注定了它将是工业污水治理的一个方面，而且目前已经有很多行业的工业污水开始采用微生物处理技术并且得到了稳定的运行数据。 这里主要讲述关于污水中重金属的处理。目前可用的微生物法有生物吸附法、硫酸盐还原菌净化法和利用微生物的转化作用去除重金属。,24,生物吸附法,生物吸附是利用生物量（如发酵工业的剩余菌体）通过物理化学机制，将金属吸附或通过细胞吸收并浓缩环境中的重金属离子，由于重

26、金属具有毒性，如果浓度太高，活的微生物细胞就会被杀死。所以，必须控制控制被处理水的重金属浓度。 例如陈小霞等人用小球藻富集铬离子，研究表明小球藻富集铬离子的机制主要表现是表面吸附和主动运输。在生长期和稳定期小球藻富集的铬以有机铬存在，而在衰亡期，小球藻富集的铬以无机铬存在。 利用工业发酵后剩余的芽孢杆菌菌体或酵母菌吸附重金属，具体做法是首先用碱处理菌体，以便增加其吸附重金属的能力。然后通过化学交联法固定这些细胞，固定化的芽孢杆菌对重金属的吸附没有选择性（微生物在结合无机污染物上表现出选择性，多于大多数合成的化学吸附剂，微生物对金属的吸附和累积主要取决于不同配位体结合部位对对金属的选择性）。可以

27、去除废水中的Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn 去除率可达99%。吸附在细胞上的重金属可以用硫酸洗脱，然后用化学方法回收重金属，经过碱处理后的固定化细胞还可以重新用于吸附重金属。,25,硫酸盐还原菌净化法,脱硫弧菌属硫酸盐还原菌是厌氧化能细菌，它最大的特征就是在无自由氧的条件下，在有机质存在时通过还原硫酸根变成硫化氢，从中获得生长能量而大量繁殖;它繁殖的结果是使溶解度很大的硫酸盐变成了极难溶解的硫化物或硫化氢。这类细菌分布广泛，海洋、湖泊、河流及陆地上都能存在。在没有自由氧而有硫酸盐及有机物存在的地方它就能生长繁殖，其生长温度为2535摄氏度，PH值为6.27.5.该细菌的作用可将废水中

28、的硫酸根变成硫化氢，使废水中浓度较高的重金属Cu、Pb、Zn等转变为硫化物而沉淀，从而使废水中的重金属离子得以去除。,26,利用微生物的转化作用去除重金属,微生物可以通过氧化作用、还原作用、甲基化作用和去烷基化作用对重金属和重金属类化合物进行转化。 细菌胞外的荚膜或粘膜层可产生多种胞外多聚体，胞外多聚体能够吸附自然条件下或废水处理设施中的重金属。其主要成分是多糖、蛋白质和核酸。 真菌的细胞壁内含几丁质，这和N-乙酰葡糖胺多聚体是一种有效的金属于放射性核素结合的生物吸附剂。经过氢氧化物处理的各类真菌暴露出来的几丁质、脱乙酰壳多糖和其他金属结合的配位体，形成菌丝层，可以有效的去除废水中的重金属。

29、六价铬具有强烈的毒性，其毒性是三价铬的100倍，而且能在人体内沉淀。由于六价铬很容易通过胞膜进入细胞，然后在细胞质、线粒体和细胞核中被还原为三价铬，三价格在细胞内与蛋白质结合为稳定的物质并且和核酸相作用，而细胞外的三价铬是不能参透细胞的，细菌利用细胞中的NADH作为还原剂，在厌氧或好氧的状态下，将六价铬还原为三价铬。如阴沟肠杆菌能抗10000mol/l铬酸盐，在厌氧的条件下能使六价铬还原为三价铬，三价铬可以通过沉淀反应与水分离而被去除。,27,农业废水,它面广而量大且分散。农田使用农药，化学农药主要是人工合成的生物外源性物质，很多农药本身对人类及其他生物是有毒的，而且很多类型是不易生物降解的顽

30、固性化合物。农药残留很难降解，人们在使用农药防止病虫草害的同时，也使粮食、蔬菜、瓜果等农药残留超标，污染严重，同时给非靶生物带来伤害，每年造成的农药中毒事件及职业性中毒病例不断增加。同时，农药厂排出的污水和施入农田的农药等也对环境造成严重的污染，破坏了生态平衡，影响了农业的可持续发展，威胁着人类的身心健康。农药不合理的大量使用给人类及生态环境造成了越来越严重的不良后果，农药的污染问题已成为全球关注的热点。因此，加强农药的生物降解研究、解决农药对环境及食物的污染问题，是人类当前迫切需要解决的课题之一。,28,农业生产上主要使用的农药类型,当前农业上使用的主要有机化合物农药如表1所示。其中，有些已

31、经禁止使用，如六六六、滴滴涕等有机氯农药，还有一些正在逐步停止使用，如有机磷类中的甲胺磷等。,29,农业生产中常用农药种类简表,有机磷：敌百虫、甲胺磷、敌敌畏、乙酰甲胺磷、对硫磷、双硫磷、乐果等 杀虫剂 有机氮：西维因、速灭威、巴沙、杀虫脒等 有机氯：六六六、滴滴涕、毒杀芬等 杀螨剂 螨净、杀螨特、三氯杀螨砜、螨卵酯、氯杀、敌螨丹等 除草剂 2，4D、敌稗、灭草灵、阿特拉津、草甘膦、毒草胺等 杀菌剂 甲基硫化砷、福美双、灭菌丹、敌克松、克瘟散、稻瘟净、多菌灵、叶枯净等 生长调节剂 矮壮素、健壮素、增产灵、赤霉素、缩节胺等,30,人们发现，在自然生态系统中存在着大量的、代谢类型各异的、具有很强适

32、应能力的和能利用各种人工合成有机农药为碳源、氮源和能源生长的微生物，它们可以通过各种谢途径把有机农药完全矿化或降解成无毒的其他成分，为人类去除农药污染和净化生态环境提供必要的条件。,31,降解农药的微生物类群,土壤中的微生物，包括细菌、真菌、放线菌和藻类等，它们中有一些具有农药降解功能的种类。细菌由于其生化上的多种适应能力和容易诱发突变菌株，从而在农药降解中占有主要地位。一在土壤、污水及高温堆肥体系中，对农药分解起主要作用的是细菌类，这与农药类型、微生物降解农药的能力和环境条件等有关，如在高温堆肥体系当中，由于高温阶段体系内部温度较高（大于50 ），存活的主要是耐高温细菌，而此阶段也是农药降解

33、最快的时期。通过微生物的作用，把环境中的有机污染物转化为CO2和H2O等无毒无害或毒性较小的其他物质。通过许多科研工作者的努力，已经分离得到了大量的可降解农药的微生物（见表2）。不同的微生物类群降解农药的机理、途径和过程可能不同，下面简要介绍一下农药的微生物降解机理。,32,微生物降解农药的机理,目前，对于微生物降解农药的研究主要集中于细菌上，因此对于细菌代谢农药的机理研究得比较清楚。,33,34,细菌降解农药的本质是酶促反应，即化合物通过一定的方式进入细菌体内，然后在各种酶的作用下，经过一系列的生理生化反应，最终将农药完全降解或分解成分子量较小的无毒或毒性较小的化合物的过程。如莠去津作为假单

34、胞菌ADP菌株的唯一碳源，有3种酶参与了降解莠去津的前几步反应。第一种酶是A tzA，催化莠去津水解脱氯的反应，得到无毒的羟基莠去津，此酶是莠去津生物降解的关键酶；第二种酶是A tzB，催化羟基莠去津脱氯氨基反应，产生N异丙基氰尿酰胺；第三种酶是A tzC，催化N异丙基氰尿酰胺生成氰尿酸和异丙胺。最终莠去津被降解为CO2和NH3。微生物所产生的酶系，有的是组成酶系，如门多萨假单胞菌DR8对甲单脒农药的降解代谢，产生的酶主要分布于细胞壁和细胞膜组分；有的是诱导酶系，如王永杰等得到的有机磷农药广谱活性降解菌所产生的降解酶等。由于降解酶往往比产生该类酶的微生物菌体更能忍受异常环境条件，酶的降解效率远

35、高于微生物本身，特别是对低浓度的农药，人们想利用降解酶作为净化农药污染的有效手段。但是，降解酶在土壤中容易受非生物变性、土壤吸附等作用而失活，难以长时间保持降解活性，而且酶在土壤中的移动性差，这都限制了降解酶在实际中的应用。现在许多试验已经证明，编码合成这些酶系的基因多数在质粒上，如2，4D的生物降解，即由质粒携带的基因所控制。通过质粒上的基因与染色体上的基因的共同作用，在微生物体内把农药降解。因此，利用分子生物学技术，可以人工构建“工程菌”来更好地实现人类利用微生物降解农药的愿望。,35,第四节 废水生物处理中的微生物,一 废水处理中的几个概念 二 废水的好氧生物处理 三 废水的厌氧生物处理

36、 微生物的脱氮除磷 用生物法处理废水对水质的要求,本节主要内容,36,废水生物处理法：利用微生物处理废水的方法。 根据对氧气的要求,好氧生物处理 厌氧生物处理,生物处理单元：,处理废水的微生物 处理构筑物,生态系统：生物与生物、生物与非生物（环境）之间的相 互关系。 各类处理系统中的微生物都为混合培养的微生物系统，,一 废水生物处理中的一些概念,37,二 废水的好氧生物处理,1 概念： 在有氧的条件下借好氧微生物的作用处理废水。 又叫废水生物处理。,废水中 有机物,好氧 微生物,无机物，随水排出,微生物 细胞物质,有机物充足,微生物增多,有机物少,菌体死亡,与废水 分离,O2,通过物理凝聚作用

37、在沉淀池中沉淀下来,（一）废水的好氧生物处理概述,38,2 作用对象,溶解的有机物直接渗入细胞内被吸收 固体的、胶体的有机物间接吸收 附在菌体外，由细菌所分泌的胞外酶分解为溶解性物质，渗入细胞。,3 优缺点 优点：无臭气、时间短。条件适宜可除去BOD5 8090 缺点：设备复杂,4 废水好氧生物处理的方法 活性污泥法、生物膜法（生物滤池法、生物转盘法） 氧化塘（生物塘）法、污水灌溉 、酵母处理技术,39,曝气池中形成的污泥（土壤微生物群）！ 菌胶团！,活性污泥法是一种应用最广的废水好氧生物处理技术,（二） 好氧活性污泥法中的微生物,40,1 什么是好氧活性污泥,好氧活性污泥是在曝气状态下由多种

38、多样的好氧微生物和兼性厌氧微生物(兼有少量的厌氧微生物)与污(废)水中有机的和无机固体物混凝交织在一起，形成的絮状体或称绒粒。,活性污泥的形成是一种自然现象 微生物在设备中呈悬浮状态,41,2 好氧活性污泥的组成和性质,（1）组成 好氧微生物和兼性厌氧微生物(兼有少量的厌氧微生物)与其上吸附的有机的和无机的固体杂质组成。 （2）性质 颜色 棕褐色 含水率 99左右 密度为1.0021.006 大小为0.020.2mm 比表面积为20100cm2ml之间 弱酸性(pH约为6.7) 当进水改变时，对进水pH的变化有一定的承受能力。,42,3微生物群落,中心 菌胶团 其他微生物 A菌胶团 微生物学领

39、域里，将动胶菌属形成的细菌团块称为菌胶团。 水处理领域内，则将所有具有荚膜或粘液的絮凝性细菌互相絮凝聚集成的菌胶团块都称为菌胶团。,43,菌胶团有哪些功能？ 吸附和氧化分解有机物； 菌胶团对有机物的吸附和分解，为原生动物和微型后生动物提供了良好的生存环境；,a. 菌胶团的功能,44,粘性多糖的粘着作用,b. 菌胶团的形成机理,纤维素性质多糖的勾连作用,活性污泥菌胶团外的纤维丝电镜照片,45,这些纤维素从何而来？ 细菌的胞外分泌物 原生动物分泌的胞外粘液的粘着作用；,小口钟虫,46,c. 菌胶团中的细菌,革兰氏阴性菌，如动胶菌属和丛毛单胞菌属，70,工业废水处理中的菌胶团细菌组成与之类似，但优势

40、菌主要是对特定工业废物起主要降解作用的细菌,47,B活性污泥中的其它微生物,放线菌、真菌及原生动物、后生动物,48,(三) 好氧活性污泥净化废水的作用机理,49,50,后处理,曝气池,沉淀池,污泥回流,净水外排,污泥及余渣消化罐,51,活性污泥的优势： （1）可以连续反复使用 好氧活性污泥由于是由有生命的微生物组成，能自我繁殖，且易于分离，而化学药剂只能一次使用，故活性污泥比化学混凝剂优越。,（2）可以降解水中的溶解性有机物，这也是物理化学方法难以做到的。,52,(四) 好氧活性污泥运行中微生物造成的问题,常见故障：二次沉淀池泥水分离 起因：污泥絮状体结构不正常。,絮状体结构,微结构：直径75

41、m，易破碎。 宏结构：微生物凝聚在丝状微生物周围，较大不规则。,53,絮体不稳定、破裂 细菌不凝聚，为游离个体。,原因：低溶氧、低pH值,现象：污泥在沉淀池中呈悬浮状，高浓度地随水流流出。,由“硬”洗涤剂 反硝化 诺卡氏菌属的丝状微生物超量生长 温度18，长泥龄（9天）利于该菌生长。,微结构絮体造成,A 不凝聚,B 起泡沫,在过度曝气时，紊流剪切絮块成碎块。,54,概念：丝状细菌，在废水处理的活性污泥中大量繁殖后，会使污泥结构极度松散，体积增大、上浮，难于沉降分离影响出水水质的现象,造成的结果：稀薄污泥回流至曝气池。 出水BOD5升高。,C 污泥膨胀,55,BOD:N及BOD:P很高， 特别N

42、不足 （BOD:N:P=100:5:1) 进水中低分子碳水化合 物过多 水温低 溶氧低 低pH 重金属等有毒物流入多。,调节水的酸碱度和DO 将沉淀污泥和消化污泥搅拌混合 添加铁盐（FeCl2550mg/L)、 铝盐(10100mg/L)、 添加氯(1020mg/L、 H2O2)(40200mg/L）， 前两者连续添加，后两者间歇添加。 对回流污泥在曝气 控制污泥负荷率和营养比例,产生原因：,防止措施：,56,D 反硝化,曝气池硝酸盐过高，反硝化产生大量氮气,57,（五） 生物滤池中的微生物（生物膜法）,包括：,生物膜法又称固定膜法。,微生物为附着型,58,1 生物滤池的结构,三个主要部分,5

43、9,滤料,应具备以下特性： （1）能为微生物栖息提供大量的表面积。 （2）能使废水以液膜状均匀分布在其表面。 （3）有足够大的孔隙率 保证通风 （4）适合于生物膜的形成与黏附 （5）有较好的机械强度，不易变形与破碎。,材料：碎石、卵石、炉渣。 近年使用塑料滤料（聚氯乙稀、聚苯乙烯）,1 生物滤池的结构,60,布水系统,是将废水均匀地喷洒在滤料上,排水系统,收集、排出废水 保证滤池通风。,旋转布水器示意图,1 生物滤池的结构,61,2 生物滤池工作的基本原理,当废水滤过时，微生物在滤料表面繁殖，逐渐形成生物膜 当生物膜形成并达到一定厚度时，生物膜脱落。生长新的生物膜。净化废水。,生物滤池的结构图

44、,62,3 什么是生物膜？,微生物在滤料表面繁殖形成的膜状结构。一个生态系统,结构由两部分组成,膜内生物不停挖洞，膜多孔。 大量有机物在好氧区被分解。 厌氧区增厚使膜脱落，新膜形成,滤料,63,4 生物滤池中的微生物,污水中含有生物膜所需的各种微生物。夏季34周形成生物膜。冬季需2个月。,细菌：多数为G-，能形成菌胶团。无色杆菌、黄 杆菌、极毛杆菌、球衣细菌、贝氏硫杆菌 真菌：镰刀菌、青霉、毛霉、地霉、多种酵母菌 藻类：小球藻、蓝藻、绿藻（仅在滤池表面） 原生动物：钟虫、盖纤虫、等枝虫、草履虫 后生动物：轮虫、线虫。,64,（六） 好氧生物处理技术进展,1 活性污泥系统的进展,（1）氧化沟 又

45、称循环曝气池，是活性污泥法的一种变形。,优点：对水温、水质、水量的变动有较强适应性 产泥量低，排泥量少 充分曝气处理，水质良好,65,以氧化沟为单元的废水处理流程,氧化沟的平面图,66,1 活性污泥系统的进展,（2）AB法废水处理工艺 又叫吸附生物降解（Adsorption Biodegradation）工艺的简称。德国20世纪70年代中期开创的。,67,2 生物膜法的进展 生物流化床,20世纪70年代开发出的一种新型生物膜法废水处理构筑物。,惰性颗粒（砂、焦炭、陶粒、活性炭等）为载体 微生物于载体表面形成生物膜 废水自下向上流动，载体处于流化状态，附着的生物膜与载体充分接触。高效。,生物流化

46、床示意图,（六） 好氧生物处理技术进展,68,两相生物流化床工艺,69,三 废水的厌氧生物处理,（一） 厌氧生物处理的基本原理及参加的微生物 （二） 厌氧微生物群体间的关系 （三） 厌氧生物处理的影响因素 （四） 厌氧法处理废水的特征 （五） 厌氧法处理废水的应用,70,（一） 厌氧生物处理的基本原理及参加的微生物,废水的厌氧生物处理： 在无氧的条件下，借多种厌氧微生 物的作用处理废水。又叫厌氧消化。,1881年法国报道了罗伊斯.莫拉斯发明的“自动净化器”。开始了利用厌氧消化处理废水的历史。至今已100多年。,1979年布利安特（Bryant）等人提出厌氧消化的三阶段4 类群理论。,发酵细菌作

47、用阶段（水解发酵阶段） 产醋酸细菌作用阶段（产氢、产乙酸阶段） 产甲烷阶段,71,三阶段4类群理论,1 发酵细菌作用阶段,碳水化合物 蛋白质 类脂,（1）原理：,胞外酶,单糖 氨基酸 脂肪酸,发酵,醇 低级脂肪酸,（2）参加的微生物：,发酵细菌群,梭菌属 丁酸梭菌属 乳酸杆菌属 枝杆菌属,大多专性厌氧；适宜Ph4.58,（3）特性,72,2 产醋酸细菌作用阶段,上阶段产物 （丙酸、丁酸、醇等）,醋酸、甲酸、甲胺、 甲烷 、甲醇 CO2、CO、H2,（1）原理,（2）参加的微生物,产氢产乙酸细菌群 同型产乙酸细菌群,互营单胞菌属 互营杆菌属 梭菌属 暗杆菌属,绝对厌氧菌或兼性厌氧菌；适宜pH 4

48、.58,三阶段4类群理论,（3）特性：,73,3 产甲烷细菌作用阶段,（厌氧消化的控制阶段）,（1）原理,（2）参加的微生物,产甲烷杆菌属 产甲烷短杆菌属 产甲烷球菌属,严格厌氧菌 中温菌对温度敏感 pH 适宜6.87.2 增殖速率慢,三阶段4类群理论,（3）特性：,醋酸、甲酸、甲胺、 甲烷 、甲醇 CO2、CO、H2,74,厌氧消化三阶段四类群,废水中有机物,脂肪酸（丙酸、丁酸）、醇类,乙酸,H2 + CO2,75,不产甲烷细菌和产甲烷细菌相互依赖、相互制约 1 不产甲烷细菌为产甲烷细菌提供生长和产甲烷所需的的基质。 2 不产甲烷细菌为产甲烷细菌创造适宜的氧化还原条件。,（二） 厌氧微生物群

49、体间的关系,76,3 不产甲烷细菌为产甲烷细菌清除有毒物质 4 产甲烷细菌为不产甲烷细菌的生化反应解除反馈抑制。 5 不产甲烷细菌和产甲烷细菌共同维持环境中适宜的pH值。,（二） 厌氧微生物群体间的关系,77,对厌氧生物及厌氧消化的影响尤为显著。,厌氧消化 最佳温度,55左右嗜热菌（高温消化） 35左右嗜温菌（中温消化）,取舍： 高温消化反应速率更大，但消化不彻底 高温消化需较多的能量，不经济,1 温度,温度对厌氧消化的影响,（三） 厌氧生物处理的影响因素,78,不产甲烷细菌适宜pH 4.58 产甲烷细菌适宜pH 6.87.2,在pH8的环境中，厌氧消化会受严重抑制,厌氧消化的最佳pH 值为6

50、.87.2.,2 pH 值,（三） 厌氧生物处理的影响因素,79,有机污泥 不溶性有机质、纤维素含量高 高浓度有机废水 一般先厌氧处理将污物，后好氧处理。,处理对象：有机污泥和高浓度的有机废水,时间长：3035 ，需15天。,生化需氧量去除率5090,与好氧处理法比较,能量需求大大降低,不需供给氧气，同时还可产生甲烷 好氧 每去除1kg COD 消耗0.51.0 kW.h电能 厌氧 每去除1kg COD 产生3.5 kW.h电能。,（四） 厌氧法处理废水的特征,80,4 污泥产量极低,5 处理后有机物浓度高于好氧处理,6 有臭气产生,7 设备较简单,81,厌氧消化池,我国常用的为圆柱形。钢筋混

51、凝土 新型厌氧反应器：接解消化池 厌氧生物滤池 厌氧流化床 USBA,浮盖式消化池,（五） 厌氧法处理废水的应用,82,四 废水的生物脱氮除磷技术,（一） 水体的富营养化 （二） 废水的生物脱氮 （三） 废水的生物除磷 （四） 生物脱氮和除磷的影响因素,83,（一） 水体的富营养化,水体富营养化 水体中N、P等营养元素大量增加，远远超过正常的含量，导致原有的生态系统破坏，使藻类和某些细菌的数量激增，其它生物种类减少的现象。,是近30年在废水处理中才出现的一个术语,开始富营养化的条件, 水体中可溶性磷 0.01mg/L N :P15:1 N ：主要因素 P: 可溶性磷酸盐 与不溶性磷酸盐相互转化

52、。,N:P比例取决于 （1）生物转化（有机N和无机N间转化） （2）流入水体的水（出水的N、P超标）,84,（二） 废水的生物脱氮,1 基本原理,硝化作用有O2,反硝化 细菌,反硝化 作用无O2,N2、NO、N2O,最终完成生物脱氮,85,（二） 废水的生物脱氮,2 参与生物脱氮的微生物,氨化细菌 硝化细菌,亚硝酸细菌 硝酸细菌,反硝化细菌,86,3 生物脱氮工艺,活性污泥法脱氮传统工艺 缺氧好氧活性污泥法脱氮系统 氧化沟硝化脱氮工艺 生物转盘硝化脱氮工艺,（二） 废水的生物脱氮,87,活性污泥法脱氮传统工艺分单级、2级、3级流程 是由巴茨开创的活性污泥法脱氮流程。它是以 氨化、硝化、反硝化

53、3 相反应过程为基础建立的。,（1）活性污泥法脱氮传统工艺,88,活性污泥法传统脱氮工艺（3级）流程示意图,原废水,污泥回流,剩余污泥,污泥回流,剩余污泥,处理水,污泥回流,89,沉淀 池,缺氧好氧活性污泥法脱氮系统,原废水,N2,内循环 （硝化液回流）,回流污泥,处理水,碱,90,（三） 废水的生物除磷,20世纪70年代末，发现多种有明显除磷能力的细菌，统称除磷菌，如不动杆菌。 在有氧环境中可超量摄取磷。 一般细菌细胞中磷占2.3。而除磷菌可摄取约为正常需要10倍以上的磷。,1 参与生物除磷的微生物,91,2 废水的生物除磷的基本原理及实质,聚磷菌，过量地、超出其生理需要地从外部摄取磷，并将

54、其以聚合形态储存在体内，形成高磷污泥，排出系统，达到从废水中除磷的效果。,分两步进行： 聚磷菌的放磷（厌氧条件） 聚磷菌的磷过量摄取（好氧条件）,92,聚磷菌的放磷（厌氧）,PHB 聚羟基丁酸,93,聚磷菌的磷过量摄取（好氧）,好氧时摄取的磷多于厌氧时释放的磷,94,厌氧好氧系统生物除磷过程图,95,1 温度 在540范围内都能成功运行。 2 pH值与碱度 脱氮： 硝酸菌6.07.5， 亚硝酸菌7.08.5， 反硝化细菌7.07.5 除磷：6.08.0 3 溶解氧 脱氮：硝化 2.0mg/L。 反硝化小于0.5mg/L 除磷：厌氧段 小于0.2mg/L 需氧段 1.52.5mg/L,（四） 生物脱氮和除磷的影响因素,96,废水种类：啤酒废水 设计水量：9000m