微生物對污染物的分解與轉化第1頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四0min15min30min第2頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四10.1微生物對有機物的分解作用回流污泥曝氣池曝氣池出水出水沉淀池沉淀池污水污水回流污泥曝氣池曝氣池出水出水沉淀池沉淀池污水污水剩余污泥活性污泥的基本概念組成：主要為微生物性質：含水率99%、密度1.002～1.006，具生物活性第3頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四

第4頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四①為細胞合成和維持生命活動提供大量能量②為細胞合成提供原料③作為各種有機底物徹底氧化的共同途徑三羧酸循環的生理意義一、生物分解的一般特點與分類（一）有機物生物分解的一般特點第5頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四三大有機物有氧呼吸代謝途徑示意圖第6頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四污水中有機物生物分解的過程H2S、CH4、乙醇、低級脂肪酸……CO2SO42-NO3-……微生物體有機物的生物分解：通過一系列的生化反應，最終將有機物分解成小分子有機物或簡單無機物的過程。第7頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四（二）生物分解的分類1、根據分解程度與最終產物分類（1）生物去除(表觀生物分解)

（2）初級分解（3）環境可接收的分解（4）完全分解

2、根據氧的需求分類：（1）好氧分解（2）厭氧分解第8頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四厭氧處理與好氧處理的比較好氧法處理有機物所需的時間一般比用厭氧法處理短，基本上沒有臭氣，但需要有氧的供應和比較復雜的供氧設備，運行費用高，且當廢水中有機物濃度太高時，一般不可能供應好氧分解所需要的充足的氧。處理普通廢水一般都用好氧法第9頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四處理污泥則用厭氧法。若處理高濃度有機廢水，則往往先采用厭氧生物處理，將有機污染降至一定濃度后，再采用好氧法處理至達到排放標準。厭氧處理還有可能使難以好氧生物降解的有機物轉化為較易好氧降解的物質。用厭氧法處理廢水，所產生的甲烷氣體可以利用；但由于有硫化氫等氣體產生，所以臭氣大；同時，由于存在硫化鐵等黑色物質，使處理后的廢水顏色深，并且所含有機物也較多，如果要使有機物完全穩定，需時甚長，當廢水量大時，所需設備的容量也將很大。但厭氧法適合處理高濃度有機廢水。第10頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四二、污水中有機物的好氧分解剩余污泥污水曝氣池二沉池排水污泥回流第11頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四增加的細胞物質的量＝新合成細胞物質量－內源呼吸耗去的量新合成細胞物質量與食料量(BOD去除量)成正相關內源呼吸耗去的量與現有生物量成正相關ΔX＝a·ΔS－b·X微生物的增殖與剩余污泥量的計算ΔX：新生長的細胞物質（kg/d）a：合成系數（KgMLVSS/KgBOD5）,生活污水一般為0.5～0.7ΔS：所利用的食料（基質），即去除的BOD量（kg/d）X：構筑物內原有的細胞物質（kg）b：細胞自身氧化率或衰減系數（1/d）,生活污水一般為0.05~0.1第12頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四ΔX＝a·Sr·Q

－b·Xv·VΔX：新生長的細胞物質（kg/d）a：合成系數（KgMLVSS/KgBOD5）,

生活污水一般為0.5～0.7Sr：去除的BOD5濃度(kg/m3)，S0–SeQ：進水流量(m3/h)b:細胞自身氧化率或衰減系數（1/d）,生活污水一般為0.05~0.1Xv：池內MLVSS濃度(kg/m3)（Xv

＝f·MLSS）V：池容積(m3)ΔX＝a·ΔS－b·X第13頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四計算例題某城市混合廢水用活性污泥法處理，其曝氣池的有效容積為340m3，進水流量為150m3/h，進水BOD5為200mg/L，出水BOD5為20mg/L，曝氣池內污泥濃度為4g/L（其中揮發份占75%），①計算剩余污泥量；②若剩余污泥含水率為99.2%，剩余污泥體積是多少？（取a=0.6b=0.075）第14頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四解：

第15頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四有機物氧化需氧量＝

去除BOD需氧量+自身氧化需氧量第一項與去除的BOD量成正相關第二項與現有的生物量成正相關

O2

＝a’·ΔS+b’·X(KgO2/

d)有機物氧化的需氧量計算ΔS

：去除的BOD量，KgBOD5/dX

：生物量，KgMLVSSa’：BOD氧化需氧率，KgO2/KgBOD5b’：自身氧化需氧率，KgO2/(KgMLVSS·d)第16頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四O2=0.001aQ(So-Se)

-c△Xv

+b[0.001Q(Nk-Nke)-0.12△Xv]

-0.62b[0.001Q(Nt

–Nke-Noe)-0.12△Xv]關于需氧量的計算(簡介)若處理系統僅為去除碳源污染物則b為零，只計第一項和第二項。O2=去除含碳污染物的需氧量

-剩余污泥排出節省下的氧當量

+去除的凱氏氮硝化所需氧量

-去除的總氮反硝化時所回收的氧量第17頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四三、有機物的厭氧生物分解主要用于高濃度的有機廢水與剩余污泥的處理厭氧消化三階段、四階段過程有機物的厭氧分解過程早期認為分為兩個階段：酸性發酵階段和堿性發酵或產甲烷階段——兩階段理論70年代以后又提出了三階段、四階段理論。有機物（多糖、脂肪、蛋白質）丙酸、丁酸等脂肪酸及乳酸、芳香酸等有機酸、醇類等H2+CO2乙酸CH4（1）發酵細菌（4）同型產乙酸菌（3）產甲烷菌20%4%（2）產氫產乙酸菌第18頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四第一階段：水解、發酵性細菌群將復雜有機物分解為各種低級脂肪酸、醇類、氨等；第二階段：產氫產乙酸細菌將第一階段產物進一步分解為乙酸和氫氣；第三階段的微生物是兩組生理不同的專性厭氧的產甲烷菌群。一組將H2和CO2或CO合成CH4

；另一組將乙酸脫羧生成CH4和CO2

；第四階段：為同型產乙酸階段，同型產乙酸細菌將H2和CO2轉化為乙酸。三階段、四階段理論第19頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四10.2有機物的生物分解性一、有機物的生物分解性評價方法易生物分解試驗生物分解潛能試驗(是否具有生物分解的潛在性)污水生物處理系統河流、湖泊河口海洋土壤……生物分解模擬試驗（在特定環境下的生物分解性）本質性生物分解試驗第20頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四有機物的生物分解性評價步驟易生物分解試驗生物分解模擬試驗本質性生物分解試驗分解性不良受試

有機

化合物分解性在環境中易生物分解良好不良良好在環境中難生物分解第21頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四二、有機物的生物分解性與分子結構的關系

（一般規律，但例外較多）OO能使生物分解性降低的基團稱異源基團（xenophore）。2）異源基團數目增加，降解性越差。1）增加A類取代基一般降解性變差，B類有時可以增加降解性。OHClOHClClOHClClCl第22頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四3）異源基團的位置對生物降解性產生顯著影響。OHOHClOHCl加速減慢4）甲基分支越多越不易降解－CH3－C－CH3CH3H－C－CH3CH3CH3>>H－CH第23頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四8）好氧條件下的降解規律與厭氧有時不同9）化學品的生物降解性預測物理化學性質～生物降解性/QSBR模型(QuantitativeStructureBiodegradabilityRelationship)5）脂肪族：分子量越大越不易降解6）芳香族<小分子脂肪族7）復環芳烴中環越多越難降解第24頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四三、注意幾個問題1、生物分解性與濃度的關系基質抑制作用：有些有機物在濃度低時可以降解，高于某一濃度時不能降解（產生抑制作用）。S抑制濃度第25頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四2、共代謝現象一些化合物單獨存在時不能被降解，只有在其它物質被降解時才能被降解的現象。可能原因：1）缺少進一步降解的酶系；

2）中間產物的抑制作用；

3）濃度低，不能維持生命代謝。三、注意幾個問題3、有機物間的相互作用互不影響、促進作用、抑制作用（順次利用）第26頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四三、注意幾個問題4、微生物間作用

（1）協同作用；（2）抑制作用（拮抗）；（3）捕食5、去毒作用與激活作用去毒作用：分解產物的毒性低于原化合物激活作用：分解產物的毒性大于原化合物第27頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四有機廢水來源廣泛，差異很大。按有機廢水的可生化性，可分為四種類型：有機廢水的可生化性①BOD5/COD≥0.4：易生化；②0.3＜BOD5/COD＜0.4：可生化；③0.2＜BOD5/COD＜0.3：較難生化；④BOD5/COD＜

0.1：不可生化第28頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四10.3不含氮有機物的生物分解一、纖維素、半纖維素、木質素的生物分解糖類化合物按其組成分為三類：單糖、低聚糖和多糖。（一）單糖：構成各種糖分子的基本單位（二）低聚糖：含有2～10個單糖單位，彼此以糖苷鍵連接，水解以后產生單糖。低聚糖又叫寡糖。（三）多糖：由許多單糖分子或其衍生物縮合而成的高聚物稱為多糖，又稱為高聚糖。可分為同多糖和雜多糖兩類。第29頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四纖維素分解過程纖維素經水解分解為葡萄糖和纖維二糖后方可被微生物吸收。在好氧性微生物作用下，可徹底氧化成CO2與H2O。在厭氧條件下，由厭氧微生物作用可進行丁酸型發酵，產生丁酸、丁醇、CO2和H2等。第30頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四（二）半纖維素的生物分解半纖維素各種酶H2O好氧分解CO2+H2O單糖+糖醛酸（三）木質素的生物分解難以萃取出一種化學上穩定的木質素組成，對它的結構、合成與生物分解機理還遠沒有弄清。厭氧分解發酵產物半纖維素存在于植物的細胞壁中，人造纖維工業廢水、造紙工業廢水中也含有半纖維素。半纖維素易被土壤中微生物降解，能分解纖維素的微生物大多能分解半纖維素第31頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四二、淀粉的生物分解直鏈淀粉：D-葡萄糖以α-1,4-糖苷鍵連接的多糖鏈，水溶性差。支鏈淀粉：除α-1,4-糖苷鍵外，還有α-1,6-糖苷鍵連接的分支。易溶于水。淀粉的降解：淀粉→糊精→麥芽糖→葡萄糖。第32頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四三、脂肪的生物分解脂肪

甘油＋高級脂肪酸甘油的轉化：脂肪酸→乙酰輔酶Aβ-氧化脂肪酶第33頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四脂肪酸的β-氧化：（1）脂肪酸的激活。脂肪酸先與ATP形成脂酰-磷酸腺苷。脂酰—磷酸腺苷再與輔酶A化合，生成脂酰輔酶A。第34頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四（2）脫氫（3）加水（4）再脫氫第35頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四（5）硫解乙酰輔酶A可以進入三羧酸循環氧化成H2O及CO2，也可以參加其他合成代謝。18C硬脂酸產能：（10+1.5+2.5-1）+14×7+10＝121ATP第36頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四四、芳香族化合物的生物分解芳香族化合物可被微生物分解酚類化合物存在于煉焦、石油、煤氣等多種工業廢水中對酚起作用的主要是細菌在酶的作用下直接將分子中的環狀結構打開芳香族化合物中大部分被微生物作用去掉環上的側鏈基團，使之轉變成兒茶酚或原兒茶酸。微生物分解芳香族化合物的方式有兩種：第37頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四芳香族化合物的生物降解第38頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四大部分烯烴類化合物比烷烴、芳香烴容易降解。五、烴類化合物的生物分解第39頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四合成洗滌劑：主要成分是表面活性劑，其他成分為聚磷酸鹽等。六、合成洗滌劑的生物分解合成洗滌劑易在曝氣池和天然水體中形成大量的泡沫，阻斷大氣向水中復氧。聚磷酸鹽可以在水體中蓄積，并引起水體的富營養化。第40頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四碳循環第41頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四碳素循環包括CO2的固定和再生。CO2的固定：綠色植物和微生物通過光合作用，固定自然界中的CO2，合成有機碳化物，進而轉化成各種有機質；

CO2的再生：植物和微生物通過呼吸作用獲得能量，同時釋放出CO2。動物以植物和微生物為食，并在呼吸作用中釋放出CO2。當動、植物和微生物等有機碳化物被微生物分解時，產生大量的CO2，完成整個碳素循環。碳循環第42頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四微生物在碳素循環中的作用微生物在碳素循環中既參與固定CO2的光合作用，又參與再生CO2的分解作用。

(1)光合作用參與光合作用的微生物主要是藍細菌、藻類和光合細菌。在有氧區域以藍細菌和藻類占優勢，而在無氧區域則以光合細菌占優勢。

(2)分解作用自然界有機碳化物的分解主要是微生物的作用。在有氧條件中，通過好氧微生物分解，被徹底氧化為CO2；在無氧條件中，通過厭氧微生物發酵，被分解成有機酸、甲烷和CO2。第43頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四氮氣無機氮

NH3-N

硝態氮有機氮10.4

含氮有機物的生物分解整個過程包括固氮作用、氨化作用、硝化作用、反硝化作用。一、氮的循環第44頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四蛋白質→朊→胨→肽→氨基酸二、蛋白質的生物分解蛋白酶肽酶脫氨基作用：有氧條件下RCHNH2COOH+O2→RCOOH+CO2+NH3厭氧條件下RCHNH2COOH+H2→RCH2COOH+NH3（一）氨化作用第45頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四(二)硝化作用：氨氧化成亞硝酸、硝酸的過程。分兩步進行（好氧條件）NH3NO2-NO3-限速階段、控制階段第46頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四（二）硝化作用常見的硝化細菌硝化菌（nitrifier）亞硝酸菌（nitritebacteria），亦稱氨氧化菌硝酸菌（nitratebacteria），亦稱亞硝酸氧化菌亞硝化單胞菌屬（Nitrosomonas）亞硝化球菌屬亞硝化螺菌屬亞硝化葉菌屬亞硝化弧菌屬亞硝酸菌硝化桿菌屬Nitrobacter硝化刺菌屬硝化球菌屬硝化螺菌屬硝酸菌第47頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四硝化菌的主要特性化能自養好氧,G-適于中性和弱堿性環境生長速度慢，世代時間8~24小時對有害化學物質敏感（用于毒性測定）厭氧氨氧化菌：NH4++NO2-N2

專性厭氧自養菌G-球狀第48頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四

硝酸鹽呼吸（nitraterespiration）是指在缺氧條件下，有些細菌能以有機物為供氫體，以硝酸鹽作為最終電子受體的生物氧化過程。

硝酸鹽呼吸，也叫反硝化。不同的硝酸鹽還原菌將NO3－還原的末端產物不同，如N2（包括N2O、NO）、NH3和NO2－。（三）反硝化作用第49頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四反硝化分兩步完成：NO3－還原為NO2－NO2－還原為N2一般說來，反硝化是在硝酸鹽（電子受體）與有機物（電子供體）同時存在、而氧氣又不足（DO<0.5mg/L）的情況下發生。第50頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四反硝化菌（Denitrifyingbacteria）及其特征：參與反硝化作用的細菌叫反硝化菌大多數是異養菌（反硝化桿菌、熒光假單胞菌），也有一些自養菌（反硝化硫桿菌）大部分是兼性細菌，有氧氣時利用氧氣呼吸，厭氧時利用硝酸和亞硝酸根呼吸第51頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四10.5

微生物對無機元素的轉化作用硫是生物的重要營養元素，它是一些必需氨基酸和某些維生素、輔酶等的成分。在自然界硫素以元素硫、硫化氫、硫酸鹽和有機態硫的形式存在，其中硫酸鹽約占總硫量的10-25%，有機態硫約占50-75%植物一般只能以無機鹽類作為營養物質。硫素各種形態的循環轉化，對不斷供給植物硫素營養非常重要。一、硫的生物轉化第52頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四硫素循環①自然界中的S和H2S，經微生物氧化形成SO42-;②SO42-被植物和微生物同化成有機硫化物，組成細胞物質；動物食用植物和微生物，將其轉變成動物體的有機硫化物；③當動、植物和微生物尸體中的有機硫化物被微生物分解時，以H2S和S的形態返回自然界，完成硫循環過程。SO42-第53頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四（一）硫化作用硫化作用：H2S→S→SO2-4硫化細菌：G-，將多種形式硫氧化成硫酸鹽硫磺細菌：氧化S2-→S，并將硫粒積累在細胞內貝日阿托氏菌、發硫菌、辮硫菌：微量好氧絲狀，當DO在1mg/L以下時，硫化物較多，這些硫磺細菌過渡生長引發活性污泥絲狀菌膨脹。第54頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四在混凝土排水管和鑄鐵排水管中，在缺氧條件下，如果有硫酸鹽存在，經常被還原為硫化氫。硫化氫可以被硫化細菌或硫磺細菌將硫化氫氧化為硫酸。再與管頂部的凝結水結合使混凝土管和鑄鐵管受到腐蝕。（二）反硫化作用SO42-SH2SH2S也可直接與Fe反應生成FeS↓，當反應物被沖走后，管壁就留下一個個凹陷。為了減少對管道的腐蝕，除要求管道有適當的坡度，使污水流動暢通外，還要加強管道的維護工作。細菌銹蝕只發生在10～30℃，pH5.5以上的條件。由于這種作用必須在厭氧中進行，所以又叫厭氧銹蝕作用。第55頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四二、磷的生物轉化第56頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四三、金屬元素的生物轉化1.鐵的氧化和沉積：（一）鐵的生物轉化鐵細菌鐵細菌的特性：能利用還原態鐵作為能源；自養菌；絲狀菌；一般生活在含氧少、但有較多鐵質和CO2的水中。第57頁，共62頁，2023年，2月20日，星期四2.鐵化合物的還原與溶解1）CO2、無機酸、有機酸的生成鐵沉降溶解2）氧化還原電位的降低3.有