有机物(污染物)的生物转化和分解

2.5.1有机物（污染物）的生物转化和分解第一节微生物对有机物的分解作用第二节有机物的生物分解性第三节不含氮有机物的生物分解第四节含氮有机物的生物分解第五节微生物对无机元素的转化作用第一节微生物对有机物的分解作用基本概念：有机物的生物分解：通过一系列的生化反应，最终将有机物分解成小分子有机物或简单无机物的过程根据是否有氧气存在的条件下进行，生物分解分为好氧分解和厌氧分解两种。好氧分解最终产物是稳定而无臭的物质，包括二氧化碳、水、硝酸盐、硫酸盐、磷酸盐等。厌氧分解最终产物主要是甲烷、二氧化碳、氨、硫化氢等。生活污水中的有机物主要是碳水化合物、蛋白质和脂肪。工业废水中有机物成分复杂，除具有和生活污水相似的有机组分外，还可能有有机酸、醇、醛、酮、酚、胺、腈等。第一节微生物对有机物的分解作用有机物的好氧生物分解分为两部分：一部分以用于细胞合成，另一部分用于呼吸产能。内源呼吸：微生物生长过程中，细胞物质的氧化正常情况下，各类微生物细胞物质成分相当稳定，因此，常用C5H7NO2表示细菌。好氧生物分解基本理论第一节微生物对有机物的分解作用3阶段：1）发酵细菌作用阶段（水解发酵阶段）2）产醋酸细菌作用阶段（产氢、产乙酸阶段）3）产甲烷阶段4类群：1）发酵细菌2）产氢产乙酸细菌3）同型产乙酸细菌群4）产甲烷细菌厌氧生物分解基本理论：3阶段4类群理论5三阶段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（Clostridium)丁酸弧菌属（Butyrivibrio）拟杆菌属（Bacteroides)大多专性厌氧；适宜pH4.5～8（3）特性第一节微生物对有机物的分解作用62产乙酸细菌作用阶段上阶段产物（丙酸、丁酸、醇等）醋酸、甲胺CO2、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pH4.5～8三阶段4类群理论（3）特性：第一节微生物对有机物的分解作用73产甲烷细菌作用阶段（1）原理H2、CO2、CH3COOCH3NH2、CH3OHCH4（2）参加的微生物产甲烷细菌群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6.8~7.2▲增殖速率慢三阶段4类群理论（3）特性：第一节微生物对有机物的分解作用8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发酵性细菌Ⅰ产氢产乙酸细菌Ⅱ同型产乙酸细菌产甲烷细菌CH4Ⅲ第一节微生物对有机物的分解作用三阶段4类群理论第二节有机物的生物分解性有机物的生物分解性试验方法（1）易生物分解试验评价有机物是否很容易被生物完全分解。（2）本质性生物分解试验评价有机物是否具有被生物分解的性质。（3）生物分解模拟试验评价有机物在特定环境下的生物分解性。第二节有机物的生物分解性有机物的生物分解性评价步骤第二节有机物的生物分解性影响因素有机物生物降解性与有机物分子结构有关系，受有机物浓度、共代谢、有机物相互作用、微生物相互作用等的影响。污水中有机物生物分解性评价标准最常采用BOD/COD比值BOD/COD0.4-0.6可生物处理性良好0.2BOD/COD0.4较难生物处理BOD/COD0.1难以生物处理第三节不含氮有机物的生物分解基本概念：不含氮有机物：碳水化合物、脂肪、酚、醛、酮、某些有机酸、烃和合成洗涤剂等。碳水化合物是由碳、氢和氧3种元素组成。占到生活污水中有机物的40－50%。单糖：葡萄糖二糖：蔗糖、乳糖、麦芽糖多糖：淀粉、纤维素、半纤维素碳水化合物第三节不含氮有机物的生物分解一碳水化合物的分解葡萄糖糖酵解作用丙酮酸发酵有氧无氧各种发酵产物三羧酸循环被彻底氧化生成CO2和水，释放大量能量。碳水化合物水解脂肪由碳、氢和氧几种元素组成。比较稳定，也能被荧光杆菌、绿浓杆菌、灵杆菌等微生物分解。脂肪脂肪酶甘油脂肪酸简单的酸+CO2+CH4CO2+H2O二脂肪的转化厌氧好氧水解好氧第四节含氮有机物的分解基本概念：污水中的含氮有机物：蛋白质、氨基酸、尿素、胺类、硝基化合物等。生活污水中所含氮主要是以铵离子或尿素形式存在。氮是当今污水处理的主要去除对象一氮的循环自然界中除植物利用无机氮转变为有机氮外，其它各转变过程均由微生物作用氨化作用硝化作用反硝化作用生物体有机酸NO3-NH4+NO2-NON2O大气N2反硝化作用生物固氮二蛋白质的转化（一）氨化作用1.蛋白质是由很多氨基酸（RCHNH2COOH）分子组成。2.蛋白质生物化学转化的第一步是水解。即转变为氨基酸。3.然后氨基酸发生脱氨基作用产生氨和不含氮的化合物。4.脱氨基作用可在有氧或无氧条件下进行。5.这种有机氮转变为氨氮过程称为氨化作用。6.参与氨化的细菌叫做氨化菌。好氧性有：荧光假单胞菌、灵杆菌；厌氧性有：腐败梭菌；兼性菌有变形杆菌。（二）硝化作用1.氨在好氧硝化细菌的呼吸过程中转变为亚硝酸，然后转变为硝酸的过程称为硝化作用。2.硝化作用由两类细菌共同完成。分别是氨氧化菌和亚硝酸氧化菌。两类细菌总称硝化菌。3.硝化菌是G－菌、自养菌、好氧菌、偏好中性或偏碱性。对毒物敏感。（1）亚硝酸形成阶段2NH3+3O2亚硝酸细菌2HNO2+2H2O+ATP（二）硝化作用2HNO2+O2硝酸细菌2HNO3+ATP（2）硝酸形成阶段HNO2毒性很强，累积起来对植物有毒害。HNO3是植物吸收利用的有效氮素养料。硝化作用进行的条件O2NH3碱性物质（中和产生的亚硝酸和硝酸）不需有机物存在蛋白质最终被氧化成：CO2、H2O、HNO3、H2SO4（二）硝化作用（三）反硝化作用概念：硝酸盐在通气不良环境中（缺氧），被反硝化细菌还原成NO2或N2的过程。1反硝化过程C6H12O6+4NO3-6H20+6CO2+2N2+ATP缺氧N2NO3-NO2-NON2O反硝化细菌参与反硝化作用的细菌称作反硝化细菌。多数为异样、兼性菌（三）反硝化作用反硝化作用发生的条件NO3-有机物质存在氧气＜0.5mg/L（四）生物脱氮基本原理含氮有机物异养型微生物NH4+-N氨化作用亚硝酸细菌NO2--N硝酸细菌NO3--N硝化作用有O2反硝化细菌反硝化作用无O2N2、NO2最终完成生物脱氮污水中的含氮有机物，在生物处理过程中被异养型微生物氧化分解，转化为氨氮，然后由自养型硝化细菌将其转化为NO3-，最后再由反硝化细菌将NO3-还原为N2。24活性污泥法传统脱氮工艺（3级）流程示意图25缺氧－好氧活性污泥法脱氮系统磷的转化1不溶性无机磷酸盐转化成可溶性磷酸盐。Ca3（PO4）2CaHPO4（1）Ca3（PO4）2+2CO2+2H2O2CaHPO4+Ca（HCO3）2（2）Ca3（PO4）2+2HNO32CaHPO4+Ca（NO3）2（3）Ca3（PO4）2+H2SO42CaHPO4+CaSO42有机磷化物磷酸盐解磷大芽孢杆菌蜡质芽孢杆菌霉状芽孢杆菌第五节微生物对无机元素的转化作用磷的转化1不溶性无机磷酸盐转化成可溶性磷酸盐。Ca3（PO4）2CaHPO4（1）Ca3（PO4）2+2CO2+2H2O2CaHPO4+Ca（HCO3）2（2）Ca3（PO4）2+2HNO32CaHPO4+Ca（NO3）2（3）Ca3（PO4）2+H2SO42CaHPO4+CaSO42有机磷化物磷酸盐解磷大芽孢杆菌蜡质芽孢杆菌霉状芽孢杆菌第五节微生物对无机元素的转化作用生物除磷原理第五节微生物对无机元素的转化作用聚磷菌一类的细菌，可以过量地、超出其生理需要地从外部摄取磷，并将其以聚合形态储存在体内，形成高磷污泥。将高磷污泥排出系统，就可以实现污水除磷。生物除磷分两步进行：聚磷菌的放磷（厌氧条件）聚磷菌的磷过量摄取（好氧条件）29聚磷菌的放磷（厌氧）ATP聚磷菌细胞内的聚磷酸盐分解PO43-废水中脂肪酸PHB、糖原储存在细胞内PHB(聚β羟基丁酸)生物除磷原理第五节微生物对无机元素的转化作用30聚磷菌的磷过量摄取（好氧）细胞内的PHB分解ATP废水磷聚磷菌聚磷酸盐以异染颗粒的形式储存在细胞内好氧时摄取的磷多于厌氧时释放的磷生物除磷原理第五节微生物对无机元素的转化作用31生物除磷原理第五节微生物对无机元素的转化作用厌氧－好氧系统生物除磷过程图132聚磷菌的典型特征是细胞内含有异染颗粒。一般只能利用低级脂肪酸等小分子有机物。，不能直接利用和分解大分子有机质。主要有：不动杆菌、假单胞菌、气单胞菌等。除聚磷菌外，还有发酵产酸菌和异样好氧菌参与生物除磷过程。参与生物除磷的微生物生物除磷原理第五节微生物对无机元素的转化作用