第六章生物化学工程基础

废水的生物处理第六章生物化学工程基础－应用微生物化学第七章废水生物化学处理基础第八章活性污泥法第九章生物膜法第十一章废水的脱磷与除氮第十章厌氧生物处理法水处理中的微生物一、生物处理的目的和重要性生物处理的目的1、絮凝和去除废水中不可自然沉淀的胶体状固体物；2、稳定和去除废水中的有机物；3、去除营养元素氮和磷。生物处理的重要性经济、实用二、生物处理法在废水处理中的地位水处理中的微生物有机物在废水中的存在形式及其主要去除方法1、颗粒状有机物(1μm)：可以采用机械沉淀法进行去除的颗粒物；2、胶体状有机物(1nm~100nm)：不能采用机械沉淀法进行去除的较小的有机颗粒物3、溶解性有机物(1nm)：以分散的分子状态存在于水中的有机物。二、生物处理法在废水处理中的地位水处理中的微生物生物法处理的主要对象废水中呈胶体状和溶解状态的有机物；废水中溶解状态的营养元素N和P。废水处理程度的分级一级处理：EBOD≈30%，ESS≈50%；功能：1）去除颗粒状有机物，减轻后续生物处理的负担；2）调节水量、水质、水温等，有利于后续的生物处理。主要方法：物化法，如：沉砂、沉淀、气浮、除油、中和、调节、加热或冷却等。二、生物处理法在废水处理中的地位水处理中的微生物废水处理程度的分级二级处理：功能：大量去除胶体状和溶解状有机物，保证出水达标排放；方法：各种形式的生物处理工艺EBOD≈85-90%，ESS≈90%；功能：去除二级处理出水中残存的SS、有机物，或脱色、杀菌，或脱氮、除磷——防止水体富营养化三级处理：方法：物化法——超滤、混凝、活性炭吸附、臭氧氧化、加氯消毒等；生物法——生物法脱氮除磷等水处理中的微生物三、微生物在废水生物处理中主要作用分解溶解性有机物,去除其它无机营养元素如N、P等；絮凝沉淀和降解胶体状固体物；稳定有机物天然生物处理人工生物处理生物稳定塘土地处理系统好氧生物处理厌氧生物处理活性污泥法生物膜法传统厌氧消化现代高速厌氧反应器生物处理法水处理中的微生物细菌的生理微生物的代谢与合成第六章生物化学工程基础－应用微生物化学原核细胞微生物：细菌、丝状菌水处理中的微生物一、生物处理中的重要微生物水处理细菌：大小；年龄；种类4、黄杆菌属（Flavobacterium）：球杆状到细杆状，借周生鞭毛运动或不运动，可产生黄橙红或褐色素，兼性厌氧化能异养型，能分解利用蛋白质十一种主要的水处理细菌:2、动胶菌属（Zoogloea）：可利用一些糖类及氨基酸等，不能利用淀粉肝糖、纤维素和蛋白质等高分子有机物1、假单胞菌属（Pseudomonas）：在土壤、水体中极常见，分布广泛，多产生水溶性荧光素3、产碱杆菌属（Alcaligenes）：短杆状，1~4根周生鞭毛，能利用硝酸盐厌氧呼吸反硝化可利用乙酸盐、丙酸盐等有机酸和一些含氮有机化合物6、埃希氏菌属（Escherichia）：肠杆菌科的代表属，短杆状，无芽孢，革兰氏阴性，兼性厌氧化能异养型细菌大肠埃希氏菌（E.coli）为重要的粪便污染指示菌5、芽孢杆菌属（Bacillus）：杆状，多具侧生鞭毛，能产生芽孢，革兰氏阳性需氧或兼性厌氧，可利用多种底物进行好氧生物氧化，在环境里各种有机物的转化和分解中起重要作用7、微球菌属（Micrococcus）：球型，单生、成对或四联、八叠或不规则聚集体，革兰氏阳性，需氧化能异养，8、葡萄球菌属（Staphylococcus）：球型，单生、成对或聚集成不规则葡萄状，革兰氏阳性，兼性厌氧化能异养，9、甲烷杆菌属（Methanobacterium）：直或弯曲、构形，不产生芽孢，有的成为丝状体或类球菌状，革兰氏阳性或阴性，严格厌氧化能异养菌能利用H2还原CO2生成甲烷，并获得生长能量10、甲烷八叠球菌属（Methanosarcina）：大的球形，呈规则的叠状堆体，革兰氏染色不定，不运动，严格厌氧化能菌11、甲烷球菌属（Methanococcus）：球形细胞，单个、成对或成堆，革兰氏染色阳性或阴性，严格厌氧化能菌丝状菌：1、丝状菌在水处理中的作用2、典型丝状菌球衣菌铁细菌硫细菌泰坦尼克号残骸不断被铁细菌腐蚀真核细胞微生物：原生动物、藻类1）原生动物：阿米巴虫纤毛虫草履虫动鞭毛虫钟形虫原生动物的典型形态2）藻类：在水处理中的应用：1）阿克曼塘（Aquamats）2)藻类：在水处理中的应用：1）高效藻类塘（Highratealgalpond,HRAP）病毒：病毒尺寸：10~300nm，需电子显微镜或其他更高分辨率仪器观察噬菌体常见病毒：脊髓灰质炎病毒：20-30nm甲肝病毒：27nm（食用生贝类，如牡蛎）二、细菌的生理细菌的成分细菌的营养与生长环境细菌的生物催化剂－酶分批培养的生长规律细菌的呼吸与生物氧化细菌的成分细菌的元素组成细菌的大分子组成细菌的元素组成细菌的元素组成在废水生物处理中，代表细菌组分的实验式：C5H7NO2细菌的元素组成细菌的大分子组成细菌的大分子组成蛋白质核酸结合蛋白质溶解性单纯蛋白质核糖核酸（RNA）脱氧核糖核酸（DNA）蛋白质的组成：1g氮含量相当于6.25g蛋白质含量氨基酸的基本结构通式：蛋白质的组成：氨基酸在中性水溶液中的解离平衡：加酸（H+）：加碱（OH-）：+H++OH-氨基酸的等电点：一般：一氨基一羧基氨基酸的等电点都小于7蛋白质的结构：一级结构二级结构α结构β结构三级结构四级结构一级结构：初级结构二级结构：α-螺旋结构、β-折叠结构三级结构：与蛋白质功能密切相关四级结构：不是所有蛋白质都具有四级结构a：离子间的盐键b：极性基之间的氢键c：非极性基之间的相互作用（疏水键）d：非极性基之间的范德华力e：二硫键（共价键）f：羧基和氨基之间的氢键g：氨基酸的羟基与二羧酸的β或γ羧基结合的酯键abcddcefga蛋白质的化学键共价键：肽键、二硫键、酯键非共价键：氢键、盐键、静电作用、疏水键、范德华力等蛋白质的重要性质：是一种两性电解质，而且是多价电解质：蛋白质存在变性现象：引起变性的因素很多，如：热，酸、碱，光（X射线，紫外线），有机溶剂，剧烈振荡等当蛋白质受到物理或化学因素的影响，其分子内部原有的高度规则性空间排列发生变化，以致使其原有性质发生部分或全部丧失的现象细菌的大分子组成又称多核苷酸，是单核苷酸的多聚体。在微生物遗传变异和蛋白质生物合成中具有特殊重要功能核糖核酸（RNA）脱氧核糖核酸：（DNA）mRNA（信使RNA）：约占总RNA的5%tRNA（转移RNA）约占总RNA的10~15%rRNA（核糖体）：约占总RNA的80%主要存在于细胞核的染色体中2、核酸：核酸的组成：RNA和DNA都是由：氮碱（嘧啶或嘌呤）戊糖（核糖或脱氧核糖）磷酸氮碱戊糖+核苷磷酸+核苷酸核酸的结构：一级结构：核苷酸如何连成核苷酸链（磷酸二酯键）以及核苷酸在核苷酸链中的排列顺序RNA和DNA的一级结构DNA的二级结构：核酸的结构：NDA的双螺旋结构两条多核苷酸链都是右旋，以相反方向围绕同一轴盘绕，形成右旋的双螺旋二级结构碱基配对规律：腺嘌呤碱（A）与胸腺嘧啶碱（T）由两个氢键连接鸟嘌呤碱（G）与胞嘧啶碱（C）由三个氢键连接DNA的三级结构：核酸的结构：DNA的双螺旋结构不断的在螺旋链的某些局部区域中发生变形成扭曲超级环状螺旋的三级结构NDA的三级结构RNA的二级结构：核酸的结构：大多数RNA是单链，链的许多区域自身发生回折，回折区内多核苷酸呈螺旋结构，可配对的碱基（A与U；G与C）在螺旋区内相遇配对，配对碱基之间形成氢键。不能配对的碱基形成突环。核酸的生物学功能：DNA是生物遗传的主要物质基础，其在遗传过程中具体作用有两方面：1）DNA复制2）控制蛋白质合成2）控制蛋白质合成DNA分子中所储存的遗传信息是由核酸分子的四种碱基（A.U,G,C）以特定顺序排列成三个一组的三联体代表的，这种三联体又称遗传密码子，每个密码子代表一个氨基酸。基因表达核酸的生物学功能：基因：决定某种蛋白质分子结构的一段DNA基因突变：核酸结构改变与生物变异基因上任何一对碱基（即三联体遗传密码的碱基）的改变或增减。基因重组：将两个不同性状个体细胞内的遗传基因转移到一个个体细胞内，使其发生遗传性变异的过程。基因重组又称基因工程或遗传工程，通过对遗传物质的直接操纵、改组、重建来实现对遗传性状定向的改造。细菌的营养与生长环境细菌的营养类型：光能营养菌化能营养菌光能自养菌（光能无机营养菌）光能异养菌（光能有机营养菌）化能异养菌（化能有机营养菌）化能自养菌（化能无机营养菌）光能营养菌光能异养菌（光能有机营养菌）：不以CO2作为主要或唯一碳源：有光、无氧、低浓度H2S条件下：能利用硫化物为供氢体，利用光能同化CO2在有氧、无光、存在有机物时：亦可利用有机物为碳源和能源，不合成光合色素，无光合作用光能自养菌（光能无机营养菌）:以各种无机化合物（如分子氢、还原性硫化物）为电子供体，将CO2还原为细胞物质光能异养菌（光能有机营养菌）主要有两属：红假单胞菌属(Rhodopseudomonas)：细胞杆状红螺菌属(Rhodospirilum)：细胞螺旋状PSB（光合细菌Photosyntheticbacteria）工艺:化能营养菌典型的化能异养菌：硝酸盐还原菌：硝酸盐为电子受体，碳源为电子供体典型的化能自养菌：硝化细菌；硫黄细菌；铁细菌：都是需氧菌产乙酸细菌；产甲烷菌：是严格的厌氧菌营养物质的传递：细菌的营养与生长环境渗透作用（被动扩散）促进扩散主动运输细菌的生长环境驯化：在废水处理当中，把有计划、有目的地控制细菌的生长条件，使细菌遗传性有利于处理某种废水的定向诱导过程叫做驯化细菌的生长环境温度：细菌的生长环境pH值：氧化还原电势：大多数细菌在pH6.5～7.5之间生长最好。细菌的生长环境光线：压力：渗透压、机械压、气体压力干燥：化学药剂：细菌的生物催化剂－酶酶：是活细菌细胞所产生的一类具有高度催化专一性的特殊蛋白质。底物：在酶作用下进行化学变化的物质酶促反应：有酶催化的化学反应细菌的生物催化剂－酶酶的命名：酶的分类：国际酶学委员会（I．E．C）制定的分类法国际酶学委员会的分类：（表6－10）根据酶在细胞内外的不同：外酶；内酶固有酶；适应酶细菌的生物催化剂－酶酶的组成：单成分酶双成分酶（复合酶）双成分酶＝酶蛋白＋辅酶（或辅基）（全酶）（主酶）决定化合物的专一性决定催化反应的性质细菌的生物催化剂－酶酶的性质：酶的结构与催化机理：酶的活性部位：一部分与底物的结合有关（结合部位）另外部分承担着化学键的生成与断裂（催化部分）相对分子质量：1万~100万Da酶的非活性部位：使活性部位的组份保持适当的相对位置和定向细菌的生物催化剂－酶影响酶催化活性的因素：pH值：温度：激活剂：抑制剂：反馈抑制作用：分批培养物的生长规律分批培养物：在一给定容积的培养基中生长的细菌，称为分批培养物。细菌的平衡生长：当细菌处于平衡生长时，如果生物量增长一倍，则细胞内所有可测量物质（如蛋白质、RNA、DNA及胞内水分）也增长一倍。平衡生长的细菌，其化学组分是恒定的平衡生长细菌培养物的增殖率：注:μ－比增殖率（h-1）N－每毫升溶液中细菌个数X－每毫升溶液中细菌质量Z－每毫升溶液中任何一种细胞成分的质量分批培养物的生长分批培养物细菌的生长曲线：真实细菌的生长曲线：初静止期滞后期指数生长期减速生长期最大生长期加速死亡期指数死亡期指数生长期:细菌的呼吸与生物氧化细菌的呼吸可以定义为产生ATP的代谢过程。呼吸过程以有机或无机化合物作为电子供体（即使之氧化）开始，以无机化合物为最终电子受体（即使之还原）完成。产生ATP的过程即获得能量的过程。细菌的呼吸与生物氧化细菌的呼吸类型：需氧呼吸厌氧呼吸细菌的分类：需氧菌（好氧菌）厌氧菌（厌气菌）兼性菌（兼气菌）需氧呼吸过程图示厌氧呼吸过程图示兼性细菌的呼吸分子外无氧呼吸类型分子内无氧呼吸类型：有氧条件下：无氧条件下：如硝酸盐还原菌：如酵母菌对葡萄糖的作用:生物氧化：生物氧化是生物体生命活动最重要和最基本的功能方式。生物氧化作用主要通过脱氢反应来实现，一般包括脱氢、传递氢和受氢三个环