微生物生态学污染物的微生物处理(共38张PPT)

第十章

污染物的微生物处理第1页，共38页。污染物处理方法：物理、化学和微生物法污染物微生物处理方法的优点：微生物的特性（种类多、代谢类型多样、繁殖快、易培养和遗传改造）决定微生物是污染物处理的主力军；不造成二次污染；费用低，经济效益高；可处理各种污染物（构建多功能高效降解菌）。第2页，共38页。一、BOD第一节基本概念BOD（BiologicalOxygenDemand）——生物需氧量，指水中有机污染物在需氧微生物作用下氧化分解所消耗的O2量。BOD52020℃条件下恒温培养5d，有机污染物在需氧微生物作用下氧化分解所消耗的O2量，单位是mg/L。干净河水，BOD<1.0×10－6g/LBOD>1.0×10－5g/L，河水被污染生活污水，BOD≈3.3×10－4g/L一般情况下，如果水中悬浮的固体物不超过3.0×10－5g/L、BOD在2.0×10－5g/L左右，可排放，不会造成污染。第3页，共38页。二、COD（ChemicalOxygenDemand）三、TOD（TotalOxygenDemand）化学需氧量，指水中有机物被氧化剂氧化时所消耗的O2量。强氧化剂：硫酸存在时，K2Cr2O7使有机物化学氧化。有机碳、NH4+和有机氮被氧化过程中所消耗的总氧量。第4页，共38页。第二节废水的微生物处理一、废水处理的基本过程一般处理（预处理）二级处理目的：去除固体物、油脂、泥沙，对污水进行中和调节，让排入二级处理系统的污水更适合于微生物生长，加快处理效果。利用微生物的代谢活动去除污水中可溶性的有机物，经过一、二级处理，可去除80～90％的BOD。二级处理的效果取决于微生物的代谢活动。二级处理的方法：厌氧和好氧两大类。二级处理产生的生物量可通过沉淀与污水分离。第5页，共38页。三级处理一、废水处理的基本过程目的：去除微生物无法降解的污染物和无机营养物，如含氮和含磷的无机盐以及生物量。在某些情况下，三级处理排除水还要进行消毒。污水处理的总目的降低污水中的BOD；减少病原菌数目；减少无机营养物含量，如N、P的含量。第6页，共38页。二、废水微生物处理的方法活性污泥法生物滤池法、生物转盘法厌氧发酵法氧化塘法光合细菌处理法基因工程法第7页，共38页。三、活性污泥法1.活性污泥（Activatedsludge）指污水中需氧微生物通过大量繁殖，加上污水中有机和无机胶体和悬浮物等组成的一种肉眼可见的绒絮状泥粒。对污水中污染物有很强的吸附能力和降解能力，颜色可表现为深灰、灰褐、灰白等，一般情况下无臭味，泥粒大小约为0.02mm～0.2mm，比重比水稍重，静置时发生沉淀。活性污泥中的微生物主要有细菌、真菌和原生动物。第8页，共38页。2.活性污泥反应器的基本结构沉淀池再生池曝气池沉淀池一级处理二级处理三级处理肥料污泥浓缩池净水污水回流污泥污泥生污泥第9页，共38页。3.活性污泥中的微生物（1）细菌气杆菌、亚硝化单胞菌、假单胞菌、芽孢杆菌、棒杆菌、诺卡氏菌、球衣菌、螺菌、动胶菌、产碱杆菌、大肠杆菌、丝状细菌等G-细菌为主要菌不同类型的污水含有不同的细菌群体如抗生素厂污水中，假单胞菌为主。第10页，共38页。3.活性污泥中的微生物（2）原生动物纤毛虫、鞭毛虫、轮虫、线虫等污水中有机物负荷过重或处于不利条件时，纤毛虫很少，鞭毛虫很多。当曝气池中出现大量纤毛虫时，说明污水处理效果良好。作用：稳定活性污泥中的微生物群体，改善排出的水质，对活性污泥的絮凝起一定作用。第11页，共38页。3.活性污泥中的微生物（3）真菌主要是丝状真菌，如毛霉属、根霉属、曲霉属、青霉属、头孢霉属、木霉属等，大约有20种真菌。数量不大，不是活性污泥微生物区系中的主要成员。某些丝状真菌会引起污泥膨胀，如地霉属占优势时。第12页，共38页。4.活性污泥的培养和驯化活性污泥的培养——为形成活性污泥的微生物生长提供合适的物理和化学条件，在这些条件下，经过一定时间的培养，便形成活性污泥，以便用于废水处理。活性污泥的培养方法一定量的粪便、肥沃的土壤受污水污染过的污泥曝气池废液加水稀释高效污染物降解菌米泔水补充碳源BOD200～300mg/L一定时间培养第13页，共38页。活性污泥的驯化——在上述培养好的活性污泥（或采集其他有关工厂污水处理池中的活性污泥）中，逐渐减少上述混合物的加入量，逐渐增加所要处理的废水量，最后加入的全部为废水。在这培养过程中，能够适应并降解某些污染物的微生物数目逐渐增多，而不能适应或对某些污染物敏感的微生物数目逐渐减少，这样通过营养竞争，不适应的微生物逐渐被淘汰死亡。活性污泥的培养和驯化的时间大约各需10d～15d，活性污泥在驯化过程中，如果污泥中葡匐纤毛虫和固着型纤毛虫逐渐增多，且较为稳定，处理效果逐渐提高，并趋于稳定，就说明活性污泥的驯化已完成。第14页，共38页。5.絮凝作用在活性污泥法中，絮凝物的增加是必需的，因为只有通过絮凝作用才能产生透明的排出水，并可以在沉淀池中通过沉淀得到合适浓度的污泥，这部分污泥还需再循环回到曝气池中。在活性污泥中，生枝动胶菌（Z.ramigera）主要负责絮凝作用，因为它能分泌一种胶体物质(多糖和多聚氨基酸)，使其他微生物吸附到这种胶体物质上并被包埋。第15页，共38页。6.活性污泥的膨胀指在曝气池运转过程中，出现污泥结构松散，沉降能力下降，污泥随水飘浮出曝气池外的异常现象。污泥膨胀会严重干扰曝气池的处理效果和排除水的水质，因此要严防污泥膨胀的发生。污泥膨胀是由于活性污泥中的微生物群体生长失去平衡的结果。第16页，共38页。污泥膨胀的控制方法加入FeCl3和FeSO4使漂浮的活性污泥增加混凝沉降作用。加入次氯酸钠（浓度必须在10～20mg/L）和H2O2（浓度在100～200mg/L），提高pH值到8，以便抑制或杀死球衣细菌等丝状菌。加H2O2还可以给反应器提供氧气,也可利用臭氧杀死丝状菌。改变条件生物方法好氧法——通过设计底物浓度成梯度增加的一系列反应抑制丝状菌生长。缺氧法无氧法通过改变反应器的培养条件促进形成絮凝体细菌的生长，减少丝状菌的生长从活性污泥和土壤中分离到的有些细菌和放线菌能裂解丝状细菌。第17页，共38页。7.活性污泥法的优缺点能产生高质量的排除水，净化效率高，臭气轻微；处理费用较合理；反应的体积小，占地面积小。产生的污泥量大；对水质、水量的变动比较敏感，对负荷的冲击抗性弱；容易出现污泥膨胀现象。优点缺点第18页，共38页。四、现代生物工程处理法高效降解菌处理污水固定化酶和固定化细胞处理污水基因工程菌处理污水第19页，共38页。1.高效降解菌在污水处理中的应用从自然环境中，通过富集和驯化培养等技术，可以分离到降解污染物能力很强的微生物菌株，在实验室中经过物理和化学方法诱变，可以进一步提高这些菌株的降解能力。（1）应用氰化合物降解菌、苯酚降解菌、铬还原菌等已成功应用于污水处理。（2）高效降解菌须具备的条件适应性强；在食物和空间上具有强的竞争力；繁殖快；高效降解性能稳定；能在活性污泥菌胶团中或生物膜上长期定居，且具絮凝能力。（3）高效降解菌种类假单胞菌，无色杆菌，产碱杆菌等第20页，共38页。2.固定化酶和固定化细胞在污水处理中的应用从自然环境中分离到的高效污染物降解菌也可以通过固定化后用于处理污水。一般用包埋法固定细胞(海藻酸钠)。具有不用提取酶和固定化的细胞可以通过培养进行扩增等优点。固定化酶的方法有吸附法、包埋法。优点：性能稳定；细胞不致随水流而流失；可反复使用；由于细胞密度大处理能力强，有利于连续化、自动化处理污水。缺点：生产酶和固定化酶的费用太高。把固定化细胞和固定化酶与电子传感器组成的生物传感器在污水处理方面也有许多重要的用途。这些传感器可用于BOD、氨、有机酸和甲烷的定量测定。第21页，共38页。3.利用基因工程菌处理污水美国科学家70年代，将降解芳烃、萜烯、多环芳烃的几个质粒，经结合转移到一株能降解脂肪烃的假单胞菌中，构建了一株可同时降解4种烃类的新菌株，称之为超级细菌（Superbacteria）。这个多质粒菌株在自然生态环境中，能在几小时内把原油中的60％烃类消耗掉，而野生菌株要达到同样的结果需1年以上。第22页，共38页。NO3-,SO42-,etc.数量不大，不是活性污泥微生物区系中的主要成员。Ferrimonasbalaerica指污水中需氧微生物通过大量繁殖，加上污水中有机和无机胶体和悬浮物等组成的一种肉眼可见的绒絮状泥粒。二、COD（ChemicalOxygenDemand）BacterialFe(III)Reduction加入次氯酸钠（浓度必须在10～20mg/L）和H2O2（浓度在100～200mg/L），提高pH值到8，以便抑制或杀死球衣细菌等丝状菌。活性污泥中的微生物主要有细菌、真菌和原生动物。活性污泥中的微生物主要有细菌、真菌和原生动物。在土壤和地下水环境中，酶催化的异化反应是U(VI)生物学还原的机制Geoglobusahangari活性污泥中的微生物主要有细菌、真菌和原生动物。Pyrobaculumislandicum重金属污染物的微生物处理一、生物吸附（Biosorption）二、利用固定化细胞吸附重金属三、硫化物沉淀法四、磷酸盐沉淀法五、利用微生物的转化作用去除重金属目前用于重金属污染物处理的微生物方法第23页，共38页。1.生物吸附与生物累积

通常所说的生物吸附仅指失活微生物的吸附作用，而微生物活细胞去除金属离子的作用一般称为生物累积。

生物吸附主要是生物体细胞壁表面的一些具有金属络合、配位能力的基团起作用，如巯基、羧基、羟基等基团。这些基团通过与吸附的金属离子形成离子键或共价键来达到吸附金属离子的目的。生物累积主要是利用生物新陈代谢作用产生的能量，通过单价或二价离子的转移系统把金属离子输送到细胞内部。

第24页，共38页。2.生物吸附原理

大多数类型的生物对重金属的吸附随金属溶液pH下降明显减少。重金属被生物中的离子置换。

典型的金属吸附与pH的关系表明，藻类的弱酸性羧基和真菌细胞壁是吸附金属离子的主要成分。第25页，共38页。生物吸附剂的预处理碱处理可以去除细胞壁上的无定形多糖，改变葡聚糖和甲壳质的结构，从而允许更多的重金属离子吸附在其表面上。同时NaOH可以溶解细胞上一些不利于吸附的杂质，暴露出细胞上更多的活性结合位点，使吸附量增大。此外NaOH还可以使细胞壁上的H+离子解离下来，导致负电性官能团增多，吸附量也会增大。第26页，共38页。生物吸附的影响因素1.pH当溶液的pH值很低时，H+会占据大量的吸附活性位点，从而阻止阳离子与吸附活性点的接触，导致吸附量的下降。但是pH值过高也不利于生物吸附。第27页，共38页。2.竞争吸附目标金属离子以外的其他金属阳离子对生物吸附的影响主要体现在竞争吸附效应上。（1）同类金属离子间发生显著的竞争吸附；（2)不同类的金属离子间的竞争吸附效果不明显；（3）其他类离子对边缘离子的吸附有一定影响。第28页，共38页。重金属的微生物转化金属对微生物的毒性强度固然与其浓度有关，但更取决于其存在状态。例如，六价铬比三价铬毒得多；在各种汞化物中，甲基汞的毒性最强；有机锡比无机锡毒，烷基锡比芳基锡毒，三烷基锡比四烷基锡更毒。第29页，共38页。重金属的异化还原一些微生物能利用重金属或放射性元素作为终端电子受体，这是一种酶学过程，叫做异化还原（dissimilatorymetalreduction），也叫做直接金属还原（directmetalreduction）其他一些微生物能通过非酶学机制间接地还原金属和放射性物质，通常是微生物末端产物和金属的化学反应。第30页，共38页。直接还原2乙酰-CoA葡萄糖2丙酮酸KrebsCycleNADHFADHe-e-e-e-细胞色素系统e-e-e-O2,Fe(III),NO3-,SO42-,etc.H2O,Fe(II),N2,S2-,etc.第31页，共38页。间接还原硫酸盐还原细菌产生硫化氢可以还原三价铁（ferric）为二价铁（ferrous）:2HFeO2+3H2S2FeS+So+4H2O(atpH7-9)第32页，共38页。已知可通过微生物异化还原的金属Cr(VI)Fe(III)U(VI)Mn(IV)Se(VI),(IV),(0)Tc(VII)Hg(II)Cu(II)Co(III)Pd(II)Np(V)Pu(IV)Mo(VI)V(V)Au(III),(I)Ag(I)第33页，共38页。异化还原铁离子的细菌：BacterialFe(III)ReductionGeobactermetallireducensShewanellaputrefaciensShewanellaalgaDesulfovibriospp.Desulfuromonasspp.Desulfotomaculumspp.Desulfuromusaspp.AquaspirillummagnetotacticumFerribacteriumlimneticumAeromonashydrophilaSulfurospirillumbarnesiiPantoeaagglomeransFerrimonasbalaericaGeothrixfermentensGeovibrioferrireducensGeospirillumsp.Pelobactercarbinolicus第34页，共38页。活性污泥中的微生物主要有细菌、真菌和原生动物。生活污水，BOD≈3.目标:促进铀的还原和固定好氧法——通过设计底物浓度成梯度增加的一系列反应抑制丝状菌生长。大约各需10d～15d，活性污泥在驯化过程中，如果污泥中葡匐纤毛虫和固着型纤毛虫逐渐增多，且较为稳定，处理效果逐渐提高，并趋于稳定，就说明活性污泥的驯化已完成。BacterialFe(III)Reduction典型的金属吸附与pH的关系表明，藻类的弱酸性羧基和真菌细胞壁是吸附金属离子的主要成分。BacterialFe(III)Reduction污水中有机物负荷过重或处于不利条件时，纤毛虫很少，鞭毛虫很多。Shewanellaputrefaciens在活性污泥法中，絮凝物的增加是必需的，因为只有通过絮凝作用才能产生透明的排出水，并可以在沉淀池中通过沉淀得到合适浓度的污泥，这部分污泥还需再循环回到曝气池中。有机锡比无机锡毒，烷基锡比芳基锡毒，三烷基锡比四烷基锡更毒。SeveralthermophilicisolatesfromthedeepsubsurfacerelatedtoThermoanaerobacterspp.铀还原导致铀的沉淀和固定这些传感器可用于BOD、氨、有机酸和甲烷的定量测定