環(huán)境污染的生物效應(yīng)

污染項(xiàng)目￡主態(tài)系統(tǒng)生物群體生

一?分子水平變化，物

生亡范動(dòng)有機(jī)物環(huán)

遷移轉(zhuǎn)化效

境

應(yīng)

重金屬生物轉(zhuǎn)化風(fēng)

f組織器官變化檢

險(xiǎn)

交通運(yùn)拾言養(yǎng)鹽II生物濃縮測

生

評(píng)

?*個(gè)體行為變化物

氣態(tài)污染生物積累價(jià)

生活消費(fèi)監(jiān)

生物污染生物放大f種群結(jié)構(gòu)變化測

微生物凈化的本質(zhì)

微生物福要從外界獲得能量以維持自身生命活動(dòng)及增殖，在此過程中通過自身生理代謝活動(dòng)實(shí)現(xiàn)受污染環(huán)境中有機(jī)污染物、氮磷等營

養(yǎng)鹽及尢些重金屬離了的遷移轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)污染物的無害化、稔定化化；

微生物是自然環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)的最終分解者，然而，由于微生物代謝是通過筋催化完成的，而酹催化有專一性，因此根據(jù)污染物的特征

需要有不同的微生物參與其分解凈化。

微生物催化降解的必要條件

存在含有某種降解的的微生物：

污染物必須是具有適宜酶的微生物可獲得的(胞內(nèi)酶對(duì)應(yīng)小分子，胞外酶對(duì)應(yīng)大分子)：

適宜的環(huán)境及營養(yǎng)條件。

影響微生物催化降解的因素

微生物代謝活性一微生物種類、生長期

目標(biāo)污染物特征一空間結(jié)構(gòu)、分子量大小、元素組成、毒性

環(huán)境因素一營養(yǎng)、溫度、pH、氧化還原電位

表6-1呼吸方式與H化還原電位的關(guān)系

呼吸方式氧化還原電位/mV電子受體產(chǎn)物

好氧呼吸+400

02--H2O

,NCh

硝酸船還原和反硝化-100N°J<N,

硫酸鹽還原—160?―200

SO4-?H2s

甲烷產(chǎn)生-300CO2—?CH<

生物凈化的進(jìn)展

通過現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)加深對(duì)微生物的認(rèn)識(shí)：

以基因工程手段改變或強(qiáng)化微生物有效功能的表達(dá)，獲得高效工程菌株；

構(gòu)建微生物功能菌群；

營造適合作用的代謝環(huán)境：

工程技術(shù)方法的發(fā)展促進(jìn)相關(guān)微生物工藝。

二、有機(jī)污染物的降解

有機(jī)污染物的生物凈化一般被稱為生物降解：

微生物分解有機(jī)物的能力是巨大的；

依據(jù)微生物對(duì)有機(jī)物的降解能力大小可分為易生物降解的、難生物降解的和不可生物降解的；

生物降解過程是以微生物的代謝為核心，污染物在分解過程中則遵循物理化學(xué)原理，其危害和暴露過程對(duì)環(huán)境的影響是環(huán)境毒理學(xué)關(guān)

心的內(nèi)容。

1.生物降解的一般概念

礦化(mineralization)

礦化是將有機(jī)物完全無機(jī)化并獲取能源和小分子營養(yǎng)質(zhì)的過程，是與微生物生長相關(guān)的過程。

共代謝(co-metabolism)

共代謝是需要有另一種基質(zhì)的代謝提供能源和代養(yǎng)質(zhì)，由非專?性酶促反應(yīng)完成的復(fù)雜污染物降解過程，?殷僅使有機(jī)物分子得到

修飾或轉(zhuǎn)化，但不能使其完全分解。

內(nèi)源呼吸

微生物在利用外部基質(zhì)進(jìn)行生理代謝獲取能量及營養(yǎng)質(zhì)同時(shí)，細(xì)胞物質(zhì)同時(shí)也在進(jìn)行自身的氧化分解，即內(nèi)源代謝或內(nèi)源呼吸。

外海有機(jī)物充足時(shí)，消耗的細(xì)胞組分會(huì)被持續(xù)更新，微生物自身的氧化分解并不明顯：而在外源基質(zhì)不足時(shí)，微生物的內(nèi)源呼吸

作用則成為向微生物提供能量、維持其生命活動(dòng)的主要方式。

2.好氧生物降解

有機(jī)物的好氧分解過程中，有機(jī)物的降解、微生物的增殖及溶解氧的消耗

這三個(gè)過程是同步進(jìn)行的，也是控制好氧生物處理成功與否的關(guān)犍過程；

不同的生物處理工藝中，有機(jī)物的分解速率、微牛.物的生存方式、增殖規(guī)

律，溶解氧的提供方式與分布規(guī)律均有差異，而關(guān)于好氧生物處理過程的

研究及改良也是針對(duì)這三個(gè)關(guān)鍵過程開展的。

3.厭氧生物降解

厭氧生物處理是在無氧條件下，利用多種專性厭氧微生物(水解、發(fā)酵及產(chǎn)

氫產(chǎn)甲烷細(xì)菌)的代謝活動(dòng)，將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為無機(jī)物(沼氣和水)和少量細(xì)胞

物質(zhì)的過程。

發(fā)都過程產(chǎn)生的H2很少，主要由丙泄酸脫水形成，與專性厭氧氧化產(chǎn)氫有機(jī)物好發(fā)分解圖示

的機(jī)理不同。

1.水解階段

復(fù)雜有機(jī)物首先在發(fā)酵性細(xì)菌產(chǎn)生的胞外酹作用下分解為溶解性小分子

有機(jī)物：

如纖維素被纖維素酶水解為纖維二糖與葡萄糖，蛋白質(zhì)被蛋白酶水解為

短肽及氨基酸等：

水解過程通常比較緩慢，是復(fù)雜有機(jī)物厭氧降解的限速階段。

(2)發(fā)酵(酸化)階段

溶解性小分子有機(jī)物進(jìn)入發(fā)酵菌(酸化菌)細(xì)胞內(nèi)，在胞內(nèi)酶作用下分解為

揮發(fā)性脂肪酸(VFA),如乙酸、丙酸、丁酸以及乳酸、醇類、二氧化碳、

宓、硫化氫等，同時(shí)合成細(xì)胞物質(zhì)。

在此過程中，溶解性有機(jī)物被轉(zhuǎn)化為以揮發(fā)性脂肪酸為主的末端產(chǎn)物，

因此這一過程也稱為酸化，酸化過程是由許多種類的發(fā)酵細(xì)菌完成的。

其中重要的類群有梭狀芽抱桿菌(Clostridium)和擬桿菌(Bacteriodes).

(3)產(chǎn)乙酸階段

產(chǎn)酸階段絕大多數(shù)是嚴(yán)格厭氧菌，但通常有約1%的兼性厭氧菌牛.存于厭

氧環(huán)境中，這些兼性厭氧菌能夠起到保護(hù)嚴(yán)格厭氧菌，如產(chǎn)甲烷菌免受

氧的損害與抑制的作用。

(1)發(fā)酵細(xì)的，(2)產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌?(3)同型產(chǎn)乙酸菌,

發(fā)酵酸化階段的產(chǎn)物丙酸、丁酸、乙醉等，在此階段經(jīng)產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌作

(4)利用H?和C。？的產(chǎn)甲烷菌；(5)分解乙酸的產(chǎn)甲烷菌

用轉(zhuǎn)化為乙酸、氫氣和二氧化碳。

(4)產(chǎn)甲烷階段

在此階段，產(chǎn)甲烷菌在二氧化碳存在時(shí)，利用氫氣生成甲烷；也可以直接利用乙酸生成甲烷，二者的比例一般為3/7。

利用乙酸產(chǎn)甲烷的菌有索氏甲烷絲菌(Methanothrixsoehngenii)和巴氏甲烷八疊球菌(Methanosarcinabarkeri)

產(chǎn)甲烷菌都是嚴(yán)格厭氧菌，要求生活環(huán)境的氧化還原電位在-150?-400mV范圍內(nèi)。

4.缺氧(anoxic)處理

在沒有分子氧存在的條件下，?些特殊的微生物類群可以利用含有化合態(tài)氧的物質(zhì)，如硫酸鹽、亞硝酸鹽和硝酸鹽等作為電子受體，

進(jìn)行代謝活動(dòng)。

⑴硫酸鹽還原

在特定條件F,硫酸鹽或亞硫酸鹽會(huì)被硫酸鹽還原菌(sulfatereductionbacteria,SRB)在其氧化有機(jī)污染物的過程中作為電子受體而加以

利用，并將它們還原為硫化氫。

SRB的生長需要與產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌同樣的底物，因此硫酸鹽還原過程的出現(xiàn)會(huì)使甲烷的產(chǎn)量減少。

根據(jù)利用底物的不同，SRB分為:

氧化氫的硫酸鹽還原菌(HSRB)：

氧化乙酸的硫酸鹽還原菌(ASRB)：

氧化較高級(jí)脂肪酸的硫酸鹽還原菌（FASRB）。

（2）反硝化

反硝化脫氮反應(yīng)由脫氮微生物進(jìn)行。

通常脫氮微生物優(yōu)先選擇氧而不是亞硝酸鹽作為電子受體。

但如果分子氧被耗盡，則脫氮微生物開始利用硝酸鹽，即脫氮作用在缺班條件卜進(jìn)行。

有關(guān)問題將在后面討論。

5.工程實(shí)際中的應(yīng)用

在實(shí)際隹物處理過程中，好氧、兼性、厭氧分解分別擔(dān)任著各自的角色;

在人工處理構(gòu)筑物中，由于具備良好的工程措施，可以選擇微生物的種類并控制相應(yīng)的分解過程:

在活性污泥曝氣池中具有選擇優(yōu)勢(shì)的是好氧及兼性細(xì)菌，發(fā)生的主要分解反應(yīng)是好氧分解，但在局部微環(huán)境下仍可能有厭氧/缺氧反應(yīng)

發(fā)生。

微環(huán)境的意義

由于微生物個(gè)體微小，每個(gè)微生物所處的環(huán)境也是微小的；

從空間角度看，影響微生物生存狀態(tài)的環(huán)境是微小的：

微環(huán)境直接影響微生物的活動(dòng)狀態(tài)；

由于微生物種群結(jié)構(gòu)、物質(zhì)分布和化學(xué)反應(yīng)的不均勻性，菌膠團(tuán)內(nèi)部及生物膜內(nèi)部存在

多種多樣的微環(huán)境：

各種微環(huán)境下生存著適生種類的微生物，可以發(fā)生相應(yīng)的生物化學(xué)反應(yīng)。

微環(huán)境典型?同步硝化反硝化

在微生物繁體、顆粒或生物膜內(nèi)會(huì)形成不同的微生態(tài)環(huán)境，造成適合不同生物反應(yīng)過程

的宏觀環(huán)境（好氧區(qū)、缺氧區(qū)）；

生物群體并不在好氧及缺氧區(qū)之間循環(huán)，而在固定位置處形成不同的微環(huán)境；

精細(xì)地控制溶解氧濃度即可保證微環(huán)境缺氧環(huán)境，使得好氧區(qū)產(chǎn)生的N03-得以還原。

6.難降解有機(jī)物

難降解有機(jī)物的降解歷程相對(duì)要復(fù)雜得多：

一般而言，難降解有機(jī)物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定或?qū)ξ⑸锘顒?dòng)有抑制作用，適生的微生物種類很少;

不同類型難降解有機(jī)物的降解歷程也不盡相同；

許多難降解有機(jī)物的降解與質(zhì)粒有關(guān)，降解質(zhì)粒編碼生物降解過程中的一些關(guān)鍵酶類;

質(zhì)粒是菌體內(nèi)的環(huán)狀DNA分子.是染色體之外的遺傳物質(zhì),可以通過克隆質(zhì)粒表達(dá)功

圖6-5宏觀及微觀生態(tài)環(huán)境的建立

能基因。

優(yōu)先控制污染物黑名單

具體（略）

7.功能性微生物的篩選分離

針對(duì)目標(biāo)污染物的特性，以目標(biāo)物為主要營養(yǎng)基質(zhì)從受污染環(huán)境或具有相似污柒特性的環(huán)境中富集篩選所需的微生物菌屬。

J絕大務(wù)數(shù)

出發(fā)苗除『個(gè)體死亡變

、少數(shù)存活|少數(shù)突變產(chǎn)器匕

多數(shù)不宜投產(chǎn)

I少數(shù)幅度大

少效適宜投產(chǎn)

存￡率突表率正金率投［率

設(shè)計(jì)或采用高效篩選原則

選擇簡便有效的誘變劑：挑選優(yōu)良的出發(fā)菌株：處理單細(xì)胞懸液（均勻態(tài)）：選用最適劑量：充分利用協(xié)同效應(yīng)

設(shè)計(jì)或采用高效篩選方案或方法

功能微生物的篩選方法，確定目標(biāo)，選擇分離源，篩選的設(shè)定：培養(yǎng)條件、選擇培養(yǎng)基、對(duì)毒物和抗菌素的抗性，和類微生物的分離，

特定微生物的分寓培養(yǎng)

三、生物脫氮

進(jìn)入2。世紀(jì)70年代和80年代以來，隨著水體高營養(yǎng)化問題的日漸突現(xiàn)，水質(zhì)指標(biāo)體系不斷嚴(yán)格化的趨勢(shì)使廢水脫制除磷問題成為水

污染控制中廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)；

隨著研究工作的深入開展，對(duì)脫氮除磷的生物學(xué)原理的認(rèn)識(shí)不斷更新，由此誕生了多種生物脫氮除磷新工藝，推動(dòng)了廢水生物脫氮除

磷技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了廢水生物處理技術(shù)的革新與改進(jìn)。

1.生物脫氮的基本原理

廢水中氮的主要形式,是有機(jī)氮化合物如蛋白質(zhì)、氨基酸和無機(jī)氮如氨氮。

有機(jī)氮很容易通過氨化作用轉(zhuǎn)化為氨氮。

許多細(xì)菌、放線菌和真菌都具有氨化能力，稱為氨化菌。

生物脫氮過程主要由兩段工藝共同完成，即通過硝化作用將氨氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮，再通過反硝化反應(yīng)將硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化為氣態(tài)氮從水中

逸出。

氨化反應(yīng)(右圖)缺氧條件下，通過水解反應(yīng)脫氮

脫瓜相帆.

硝化反應(yīng)RCHNH6OOH+HQ_____________?.RCHOHCOOH4-NH,

硝化反應(yīng)主要由一群自養(yǎng)好氧微生物完成；好氧條件下，通過氧化反應(yīng)脫氮

RCHN?jC<X)H+gq—―?"""?>RCOC'(X)H+NII.

硝化作用是指由亞硝化細(xì)菌(Nitrosomonas)將氨氮氧化為亞硝酸鹽，進(jìn)而由硝化菌

(Nitrobacter)將亞硝氮氧化成硝酸鹽氮的過程：厭箱條件下，通過還原反應(yīng)脫氮

硝化菌為自養(yǎng)菌，它們以為碳源，通過氧化獲得能量。RCHNH/-OOH+2H“y-------->RCH/7OOH4-NH,

C02NH4+㈠日曲質(zhì)黃仙

亞硝化組菌和硝化細(xì)菌

自養(yǎng)型硝化菌利用無機(jī)碳化合物如C032-HCO3-和C02作碳源，從氨氮及亞硝氮的氧化反應(yīng)中獲得能量，反應(yīng)均需在有氧條件下進(jìn)行。

反應(yīng)式可表示為：

NR+1.38202+1.982HCO；—?0.982NOr+1.036H2O+l.891H2CO3+

0.018C5H7O2N

NOr+0.488O2+0.01H2C03+0.003HCOr+o.003NH1―>N0￡+0.008H20+

0.003C5H7O2N

影響硝化作用的因素：溫度；溶解氧：pH；有機(jī)物；抑制劑

2.反硝化

反硝化主要由一群異氧微生物完成，可將硝酸鹽氮或亞硝酸鹽氮還原成氣態(tài)氮或氮氧化物，反應(yīng)在無分子氧狀態(tài)下進(jìn)行。

反硝化細(xì)菌包括假單胞菌屬、反硝化桿菌屬、螺旋菌屬和無色桿菌屬等。

它們多數(shù)是兼性的，在溶解氧濃度極低的環(huán)境中可以利用硝酸鹽中的氧作電子受體，有機(jī)物則作為電子供體提供能量并得到穩(wěn)定化。

以甲醇為碳源時(shí)反應(yīng)式如下：

-

NOT+1.08CH3OH+0.24H2CQ3—>0.47N2f+1.68H2O+HCO+0.056GH7QN

NOr+0.67CH3OH+0.53H2CO3—>0.48N2f+1.23H2O+HCQ-+0.04C5H7O2N

影響反硝化作用的因素：碳源(降解性)溶解乳(就性微生物，不需嚴(yán)格厭氧)pH(6~8)溫度

生物脫氮的過程比較

過程氨化亞硝化硝化反硝化(異化)

有機(jī)物碳源

能源NH4+NO2-

H受體NO3-,NO2-

DO范圍寬好氧好氧缺氧，<0.5

不變

堿度變產(chǎn)生N/1MNHJ產(chǎn)生IMN<>3.產(chǎn)生

化2MH+IMOH-

需氧情1gBCD氧化IMNH4+氧化IM需N4%一或

況需1w需1.5MO一需

2NO3-

O.5MO2

同步硝化反硝化

反應(yīng)器內(nèi)溶解氧時(shí)空分布不均

時(shí)一硝化/反硝化循環(huán)

空一反應(yīng)器局部厭/好氧狀態(tài)

微生物聚集體內(nèi)的微環(huán)境

微生物代謝多樣性

好氧硝化+好氧反硝化

缺氧硝化+缺氧反硝化

短程硝化反硝化

氨氮僅需氧化到亞硝氮便可進(jìn)行反硝化，進(jìn)程加快，水力停留時(shí)間縮短，反應(yīng)錯(cuò)縮小30~40%：

減少25%的氧消耗，節(jié)省能耗和有機(jī)營養(yǎng)物40%：

污泥產(chǎn)量降低(硝化階段33%：反硝化階段55%)；

實(shí)現(xiàn)亞硝氮氧化的阻截比較難(高溫，SHARON),

實(shí)際上主要是實(shí)現(xiàn)亞硝酸鹽的積累：

控制溫度>30℃

控制溶解氯濃度<0.5mg/l

控制pH7.4~8.3

5NH4++3NO3->4Z2t?^H2O+2H+<1)

控制氨氮負(fù)荷，使

FA>0.6mg/L+

NH4+N<)2-—?N2t4-2HQ(2)

控制污泥齡，使SRT<2d

厭氧氨氧化

在厭氧條件下，微生物利用硝氮亞硝氮為電子受體氧化氨氮為氣態(tài)氮。

無需外加有機(jī)物：

節(jié)省氧消耗62.5%：

酸堿平衡較好，產(chǎn)酸量降低1/2,產(chǎn)堿量為零。

四、生物除磷

廢水中磷的存在形態(tài)取決于廢水的類型，最常見的是磷酸鹽(H2P04-、HPO42-和PO43-)、聚磷酸鹽和有機(jī)磷。

常規(guī)二級(jí)生物處理中，有機(jī)物的生物降解伴隨著微生物菌體的合成，磷作為生物體的生長元素也成為生物污泥的組分，從水中去除。

普通活性污泥含磷量一般為干重的1.5?2.3%,通過剩余污泥排放可以獲得10?30%的除磷效果。

生物除磷的起源

污水除磷技術(shù)的發(fā)展起源于生物超量吸磷現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)。

污水生物除磷就走利用微生物的超量吸磷現(xiàn)象，通過設(shè)計(jì)生物處理系統(tǒng)或系統(tǒng)運(yùn)行方式的改變，使細(xì)胞含磷量相當(dāng)高的細(xì)菌體在系統(tǒng)

的競爭中取得優(yōu)勢(shì)，并通過定期排泥而將磷從水體移除。

在所有污水生物除磷工藝中都包含厭氧和好氧操作段，使剩余污泥的含磷量達(dá)到污泥干重的3%?7%。

厭輒區(qū)

聚磷菌(polyphosphateaccumulationorganisms.PAOs)將體內(nèi)積宏的聚麟分解.產(chǎn)生的能量一部分維持自J才生理活動(dòng).另一部分供其主

動(dòng)吸收有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為PHB(聚B-羥基丁酸)儲(chǔ)存。

聚麟釋放進(jìn)入到污水中出現(xiàn)了厭氧釋磷。

即PAOs攝取碳源并將它們以聚羥基烷酸鹽(polyhydroxyalkanoates,PHAs)的形式儲(chǔ)存，同時(shí)降解聚磷釋放正磷酸鹽。

好氧區(qū)

進(jìn)入好氧區(qū)后，PAOs管好氧生長，利用儲(chǔ)存的PHAs作為碳源和能源，攝取正磷酸鹽并將其轉(zhuǎn)化為聚磷酸鹽。

由于PHAs是還原性膠體，其合成需要有還原能：

Wentzel等(1991)指出兩種獲得這種還原能的途徑：

一是所謂Mino模式，還原能來自細(xì)胞體內(nèi)糖原(glycogen)的分解；二是所謂Comeau-Wentzel模式，還原能來自乙酰輔酶

A(acetyl-CoA)經(jīng)二枝酸循環(huán)的部分氧化。

內(nèi)部儲(chǔ)存糖原是保持微生物體內(nèi)的氧化還原電位平衡以利于厭氧攝取多種有機(jī)物的關(guān)鍵.

污泥中的細(xì)菌

污泥的無機(jī)相

圖6-6EBPR系統(tǒng)中磷的循環(huán)與累積模式

生物除磷的能力主要來自選擇性增殖：

超量除磷主要是生物作用的結(jié)果：

但生物超量除磷并不能完全解杼某些條件下出現(xiàn)的除磷性能,

牛?物誘導(dǎo)的化學(xué)除磷可能是牛.物除磷的補(bǔ)充。

可能的生物除磷途徑：⑴生物超量除磷(2)微生物同化作用⑶化學(xué)共沉積⑷生物膜沉積⑸生物強(qiáng)化的化學(xué)共沉積

影響生物除磷的因素

⑴厭氧環(huán)境

氧化還原電位小于lOOmv

溶解氧濃度阻止脂肪酸產(chǎn)生OPHB

NOx濃度消耗有機(jī)質(zhì)

(2)有機(jī)質(zhì)濃度及可利用性

⑶污泥齡3-5d

pH>7.2

溫度<10

五、重金屬離子

重金屈指的是原子序數(shù)在鈣(20)以后的金屬元素：

重金屬離子具有物質(zhì)不滅性和生物富積性；

全球每年釋放到環(huán)境中的有毒重金屬高達(dá)數(shù)百萬噸：其中碑為12.5萬噸、鎘為3.9萬噸、銅為14.7萬噸、汞為1.2萬噸、鉛為34.6萬

噸、鍥為38.1萬噸

重金屬高子的分類

根據(jù)金屬離子與F-和I-離子結(jié)合強(qiáng)弱來分類金屬“硬度”：能與F-形成很強(qiáng)化學(xué)鍵的金屬離子稱為“硬金屬"，如Na+、Mg2+和Ca2+等：

與F-形成弱化學(xué)健的金屬離子被稱為“軟金屬”，如Hg2+、Cd2+和Pb2+等，一股都是有毒的重金屬。

在生物體內(nèi)，硬金屬離子一般與0H-.HP04-,CO32-,R-COO^U=C=O等含氧官能團(tuán)形成穩(wěn)定化學(xué)鍵，而軟金屬離子一般與CN-、RS、

-SH-,-NH2和咪噗等含氮和含硫基團(tuán)成鍵。

微生物去除重金屬離子的原理

重金屬與微生物細(xì)胞壁的大分子發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)

絡(luò)合作用是金屬離子與幾個(gè)配基以配位鍵相結(jié)合形成的復(fù)雜離子或分子的過程：

整合作用是一個(gè)配基上同時(shí)有兩個(gè)以上的配位原F與金屬結(jié)合而形成具有環(huán)狀結(jié)構(gòu)配合物的過程。螯合作用和絡(luò)合作用都是金屬離f

與生物吸附劑之間的主要作用方式。

細(xì)胞壁及胞外多聚物等均微生物大分子結(jié)構(gòu)，分子內(nèi)含有的N、P、S和0等電負(fù)性較大的原子或基團(tuán)，能與金屬離子發(fā)生螯合或絡(luò)合

作用。

微生物對(duì)重金屬的沉淀作用

微生物對(duì)重金屬的吸附

細(xì)胞吸收主要有兩種形式一一主動(dòng)吸收和被動(dòng)吸附；

被動(dòng)吸附是指細(xì)胞表面覆蓋的胞外多糖(EPS)、細(xì)胞壁上的磷酸根、救基、疏基、胺基等基團(tuán)以及胞內(nèi)的一些化學(xué)基團(tuán)與金屬間的結(jié)合；

在微生物處理重金屬廢水過程中，被動(dòng)吸附是細(xì)胞吸收的主要形式。

微生物對(duì)重金屬的氧化還原作用

細(xì)胞轉(zhuǎn)化是指微生物代謝產(chǎn)生的及細(xì)胞自身的一些還原性物質(zhì)將氧化態(tài)的毒性重金屬離子還原為無毒性的沉淀：

微生物通過氧化?還原、甲基化和去甲基化筆作用將毒性重金屬離子轉(zhuǎn)化為無毒物質(zhì)或沉淀，微生物轉(zhuǎn)化作用與代謝和酶有關(guān)。

重金屬與微生物中的離子發(fā)生離子交換

離子交換是與細(xì)胞物質(zhì)結(jié)合的金屬離子被另一些結(jié)合能力更強(qiáng)的金屬離子代替的過程。有毒的重金屬離子與細(xì)胞物質(zhì)具有很強(qiáng)的結(jié)合

能力，因此，離了交換在重金屬廢水的處理中具有特別重要的意義。

一般過渡金屬被優(yōu)先吸收，而堿金屬、彼、鎂、鈣則不被吸收。

微生物吸附重金屬離子的特點(diǎn)：具有選擇性：生產(chǎn)成本低，可重復(fù)使用：吸附和解吸速度快；.與水溶液的兩相分離應(yīng)高效、快速、廉

價(jià)：吸附容量應(yīng)比較大：具有理想的粒度、形狀、機(jī)械強(qiáng)度；再生時(shí)吸附劑損失量小，經(jīng)濟(jì)上可行。

影響微生物吸附重金屬的因素

PH

吸附溫度

吸附劑的粒徑

吸附劑對(duì)重金屬離子的選擇性

吸附時(shí)間

其他離子的影響

固廢與廢氣微生物過程

固體廢棄物的污染現(xiàn)狀

我國城市每年產(chǎn)垃圾5億噸；垃圾堆積量達(dá)70億噸，占地80多萬畝，且仍以年均4.8%的速度增長；為清理每日產(chǎn)生的垃圾，北京有

近2萬名環(huán)衛(wèi)工人，上海有近3萬名環(huán)衛(wèi)工人；城市污水處理產(chǎn)生的剩余污泥達(dá)數(shù)千萬噸；我國農(nóng)村每年產(chǎn)坨圾3億噸，其組成不再

是易腐敗降解的農(nóng)作物，而與城市垃圾日益趨同。

固廢處理基本原則

資源化、減量化、無害化

化學(xué)成分:有機(jī)廢物、無機(jī)廢物

固

體形狀:固體廢物、泥狀廢物

廢

物危害狀況:有害廢物、一般廢物

來源：工業(yè)固廢、城市垃圾、農(nóng)業(yè)固廢

常規(guī)固廢處置方法

一、厭氧消化

在人工控制厭氧條件下，利用厭氧微生物將廢物中可降解有機(jī)質(zhì)分解轉(zhuǎn)化成甲垸、二氧化碳和其它穩(wěn)定物質(zhì)的生物化學(xué)處理過程。

誨發(fā)酚

碳水化合物糖類CH八H,

發(fā)薜性細(xì)鼠產(chǎn)氮產(chǎn)乙段細(xì)蹲即類產(chǎn)甲烷細(xì)嗎2

有機(jī)質(zhì)：量白質(zhì)?

氨基酸T中性化合物MCQ2，

祐防脂肪酸甘油

CO.耶等

_H2,COJ等

液化階段-----------------產(chǎn)酸階段---------——產(chǎn)甲烷階段——>

厭氧發(fā)酵三階段

1.厭氧消化的基本微生物過程

厭氧消化的兩階段理論

有機(jī)物

發(fā)酵階段，又稱產(chǎn)酸階段或酸性發(fā)酵階段；

水解細(xì)黃

主要功能：水解和酸化，柱

小分子W機(jī)物發(fā)

主要產(chǎn)物：脂肪酸、醇類、C02和H2等：警

階

主要的微生物：統(tǒng)稱為發(fā)醉細(xì)菌或產(chǎn)酸細(xì)菌；產(chǎn)酸苴段

主要特點(diǎn)有：1）生長快，2）適應(yīng)性（溫度、pH等）強(qiáng)。

距防皎、醇類、小、

產(chǎn)甲烷階段，又稱堿性發(fā)醉階段：C02

I產(chǎn)甲烷莒利用前一階段的產(chǎn)物.并將其轉(zhuǎn)化為CH4和CO2：產(chǎn)甲烷重M

性

1主要參與微生物統(tǒng)稱為產(chǎn)甲烷細(xì)菌；發(fā)

醉

I其特點(diǎn)有：1）生長慢；2）對(duì)環(huán)境條件（溫度、pH、抑制物等）2：血的非常敏感。

改

厭氧消化的三階段理論_

厭氧消化的四類群理論笆也

2.沼氣發(fā)酵的相關(guān)微生物1----------------I發(fā)酵性細(xì)菌

沼發(fā)酵性細(xì)菌

氣不產(chǎn)甲烷菌-

發(fā)產(chǎn)氫、產(chǎn)，酸菌

醉

甲烷桿菌乙酸

微

生產(chǎn)甲烷菌甲烷球菌

物甲烷八疊球菌

甲烷螺旋菌,

兩類微生物的相互作用

不產(chǎn)甲烷菌為產(chǎn)甲烷菌提供生長和產(chǎn)甲烷所需的基質(zhì)；產(chǎn)甲烷菌為不產(chǎn)甲烷菌生化反應(yīng)解除反饋抑制；

不產(chǎn)甲烷菌為產(chǎn)甲烷菌創(chuàng)造適宜的厭氧環(huán)境

不產(chǎn)甲烷閾為產(chǎn)甲烷囪清除有毒物質(zhì)；

不產(chǎn)甲烷菌與產(chǎn)甲烷菌共同維持適宜的pH.

發(fā)酵微生物的作用

復(fù)雜有機(jī)物首先在發(fā)酵性細(xì)菌產(chǎn)生的胞外酹作用下分解為溶解性小分子有機(jī)物；

纖維素及淀粉被纖維素醐、淀粉酶水解為葡萄糖：

蛋白質(zhì)被蛋白酶水解為短肽及氨基酸，繼而分解成有機(jī)酸、&、醉等；

脂類化合物水解為脂肪酸和甘油。

產(chǎn)酸微生物的作用

溶解性小分子有機(jī)物進(jìn)入發(fā)酵菌(酸化菌)細(xì)胞內(nèi)，在胞內(nèi)朝作用下分解為揮發(fā)性脂肪酸(VFA),如乙酸、丙酸、丁酸以及乳酸、醇類、

二氧化碳、氨、硫化氫等，同時(shí)合成細(xì)胞物質(zhì)。

在此過程中，溶解性有機(jī)物被轉(zhuǎn)化為以揮發(fā)性脂肪酸為主的末端產(chǎn)物，因此這?過程也稱為酸化，酸化過程是由許多種類的發(fā)醉細(xì)菌

完成的。

其中重要的類群有梭狀芽抱桿菌(Clostridium)和擬桿菌(Bacteriodes)。

產(chǎn)乙酸菌的作用

產(chǎn)限階段絕大多數(shù)是嚴(yán)格厭氧菌，但通常有約1%的兼性厭氧菌生存于厭氧環(huán)境中，這些兼性厭氧菌能夠起到保護(hù)嚴(yán)格厭氧菌，如產(chǎn)

甲烷菌免受氧的損害與抑制的作用。

發(fā)酵酸化階段的產(chǎn)物丙酸、丁酸、乙醉等，在此階段經(jīng)產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌作用轉(zhuǎn)化為乙酸、氫氣和二氧化碳。

同型產(chǎn)乙酸菌，利用C02與H2產(chǎn)乙酸，少量。

產(chǎn)甲烷菌的作用

在此階段，產(chǎn)甲烷菌在：氧化碳存在時(shí)，利用氫氣生成甲烷：也可以直接利用乙酸生成甲烷，二者的比例一般為3/7。

利用乙酸產(chǎn)甲烷的菌有索氏甲烷絲菌(Methanothrixsoehngenii)和巴氏甲烷八筏球菌(Methanosarcinabarkeri)

產(chǎn)甲烷菌都是嚴(yán)格厭氧菌，要求生活環(huán)境的氧化還原電位在」50?-400mV范圍內(nèi)。

沼氣的成分主要為CH4,55?70%：C02,25?40%：此外還有總量小于5%的8、02、H2、H2S、N2、NH3、碳?xì)浠衔?CmHn)

等。通常，沼氣中由于含有一點(diǎn)H2s氣體，會(huì)有臭雞蛋的氣味。

3.影響厭氧消化的因素

厭氧條件今氧化還原電位

原料配比C/N20~30:1,P/C1/1000

反應(yīng)溫度中溫35~38七,高溫50~65C

pH酸堿度今6.5~7.5

攪拌條件少防酸積累、防氣包、防過溫

接種菌和今相應(yīng)于原料

促進(jìn)/抑制劑今堿性物質(zhì)/重金屬、氟化物等

4.厭輒消化的特點(diǎn)

資源化效果好，低品味的生物能轉(zhuǎn)化為高品味的沼氣;

沼液、沼渣可用作農(nóng)肥、飼料或堆肥化原料：

可殺死傳染病細(xì)菌；

反應(yīng)過楞復(fù)雜，對(duì)溫度、pH等環(huán)境因素較敏感：

氣味較大，容易產(chǎn)生H2S、氨氣等：

厭氧微生物的生長速率低，常規(guī)方法的處理效率低，設(shè)備體積龐大。

二、堆肥(Compost)

堆肥處理是指在人工控制下，在一定水分、C/N比和通風(fēng)/攪拌條件下經(jīng)做生物作用，實(shí)現(xiàn)有機(jī)固態(tài)廢棄物減量化、稔定化的過程。

堆制處里后的產(chǎn)物中含有豐富的氮、磷營養(yǎng)物質(zhì)和腐殖質(zhì)物質(zhì)，可用于改善土俄故稱為堆肥。

彳機(jī)質(zhì)無機(jī)物.礦物質(zhì)+腐殖質(zhì)+惋蜃

1.堆肥的微生物作用實(shí)質(zhì)

堆肥的實(shí)質(zhì)是微生物通過其胞外、胞內(nèi)能轉(zhuǎn)化分解有機(jī)質(zhì)為腐殖質(zhì)，實(shí)現(xiàn)固體垃圾的減量化與穩(wěn)定化，獲得維持自身生命活動(dòng)所需的

能量及營養(yǎng)。

堆肥的關(guān)鍵是控制氧化還原反應(yīng)的進(jìn)程。

由此決定了堆肥過程中所需要關(guān)注的要點(diǎn)。

2.堆肥的物料特性

有機(jī)質(zhì)組成--今降解性

有機(jī)質(zhì)含量—>20-80%

碳/氮、碳/磷比-925~35,75~100

水分含量--約40~60%

顆粒粒徑-9l-2cm

3.好氧高溫堆肥

好氧高溫堆肥是由群落結(jié)構(gòu)演替非常迅速的多個(gè)微生物群體共同作用而實(shí)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)過程，在該過程中每個(gè)微生物群體都有在相對(duì)較短

時(shí)間內(nèi)適合自身生長繁殖的環(huán)境條件，并且對(duì)某一種或某一類特定的有機(jī)物質(zhì)的分解起作用。

單?的細(xì)菌、真菌、放線菌群體，無論其活性多高，在加快堆肥化進(jìn)程中作用都比不上多種微生物群體的共同作用。

好氧高溫堆肥的主導(dǎo)微生物

真菌：對(duì)堆肥物料的分解和穩(wěn)定起著重要的作用，真菌不僅能分泌胞外的，水解有機(jī)物質(zhì)，且由于其菌絲的機(jī)械穿插作用，能對(duì)物料

施加一定的物理破壞作用：典型的有軸菌、鐮刀菌、青霉菌和酒釉菌。

細(xì)菌：對(duì)物料中易降解的及小分子物質(zhì)起主導(dǎo)降解作用；部分能耐高溫，主要是芽泡桿菌屬。

放線菌：能耐高溫，增殖速率慢，主要在末期占優(yōu)勢(shì)。鏈絲菌、諾卡氏菌和小單胞子菌等

堆肥過程的微生物種群輪替

某?時(shí)刻的溫度和可利用的有機(jī)物質(zhì)是決定該時(shí)刻堆肥中微生物群落結(jié)構(gòu)的決定因素。

堆肥初期，利用易降解有機(jī)物質(zhì)迅速繁殖的微生物占優(yōu)勢(shì):

防著溫度的升高，嗜熱微生物逐漸增多：

溫度超過60匕后，僅剩下嗜熱細(xì)菌和放線菌：

溫度回落后，中溫微生物重新定殖，由于可利用的基質(zhì)有限，其種群并不同于之前的中溫微牛.物。

4.堆肥的物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程

馴化階段一發(fā)酵微生物主導(dǎo)易降解有機(jī)物■生物蝴水好氣微生物汨帚發(fā)牌?黑菌等0：

一

中溫階段一產(chǎn)酸微生物主導(dǎo)腐殖質(zhì)形成(C6HA)?TTTGH[2O6TTTCO2+C2H5OHTTH2O+CH?C00H-C02+H20

It生物多糖水解鼻乙二酸產(chǎn)生國等0,

高溫階段一嗜熱性真菌主導(dǎo)有害微生物殺滅

(QHALfTTTTTTGH]2O6TTTTTTH20+(COOH)LCO2+H20

腐熟階段一可利用基質(zhì)耗盡微生物消亡

盤生物多境水解H丁酸枚鹿等

堆肥過程的碳素變化C6HA)LTTTT-C6H]2O6TT-TCH3(CH2)2COOH+出+2C0J

微生物腦外水解網(wǎng)

蛋白質(zhì)+H2O—>—>—?RCHNH2COOH

堆肥過程的氮素變化非氯化脫瓶at生物

RCHNH2COOH+H2O—?—?—>—?-—^RCHOHCOOH+NH3

僅化脫氟維生物

RCHNHjCOOH+O2—*->-*—?--RCOOH+CO2+ZH3

芽府桿w?等

RCHNH2COOH+H2—RCH2COOH+NH3

氮粗化fem

NH3+H2o—NH4OH

氟權(quán)化細(xì)Ift

NH4OH+H*——NFL,*+H2o

氯粗化

2NH3+302———>2HNO2+2H2O

成硝酸坂化閾m

2HNO2+O2—?—*—*2HNO3

堆肥過程的腐殖質(zhì)形成途徑

堆肥中的木質(zhì)素及纖維素由于分子結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，較難被微生物利用，是形成腐殖質(zhì)的主要來源;

在微生物作用下，木質(zhì)素的側(cè)鏈氧化牛.成木質(zhì)素類衍生物，構(gòu)成了腐殖質(zhì)的核心和骨架；

由微生物水解產(chǎn)生的小分子有機(jī)酸、氨基酸、核酸等在局部高溫及高濃度條件下聚合形成了腐殖質(zhì)。

腐殖質(zhì)的組成

腐殖質(zhì)并非單?的有機(jī)化合物，而是在組成、結(jié)構(gòu)及性質(zhì)上既有共性又有差別的?系列有機(jī)化合物的混合物，其中以富里酸(Fulvicacid)

與胡敏酸(Humicacid)為主：

腐殖質(zhì)在土壤中可以呈游離的腐殖酸和腐殖酸鹽類狀態(tài)存在，也可以呈凝膠狀與礦質(zhì)粘粒緊密結(jié)合，成為重要的膠體物質(zhì)；

溶解態(tài)腐殖質(zhì)主要通過絡(luò)合作用與金屬離子結(jié)合，而固態(tài)的則通過物理化學(xué)吸附作用固定金屬離子。

腐殖質(zhì)的組成一胡敏酸

胡敏酸是一類能溶于堿溶液而被酸溶液所沉淀的腐殖質(zhì)物質(zhì)，其分子量比富里酸大，約為400~100000Da；

分子結(jié)構(gòu)中含芳杳環(huán)、雜環(huán)及多環(huán)化合物，構(gòu)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，邊緣的官能團(tuán)決定了其酸度、吸收交換容量及形成有機(jī)?無機(jī)復(fù)合物的能力：

胡敏酸比富里酸的酸度小，吸收容量較高，它的一價(jià)鹽類溶于水，二價(jià)和三價(jià)鹽類不溶于水，這對(duì)土壤養(yǎng)分的保持及土壤結(jié)構(gòu)的形成

都具有意義。

腐殖質(zhì)的組成一富里酸

富里酸是一類既溶于堿溶液又溶于酸溶液的腐殖質(zhì)物質(zhì)，其分子量比胡敏酸小；

在結(jié)構(gòu)方面其所含的芳香核較胡敏酸小，聚合度小，酚羥基及甲氧基較多；

富里酸呈強(qiáng)酸性，移動(dòng)性大，吸收性比胡敏酸低，它的一價(jià)、二價(jià)、三價(jià)鹽類均溶于水，因此富里酸對(duì)促進(jìn)礦物的分解和養(yǎng)分的釋放

具有重要作用。

5.堆肥過程涉及的主要酶

主要酷種類有機(jī)物除陋中的作用

水艇酷類(3竺@工&!迪笠套》傕化J晶物發(fā)生水角平反應(yīng)

(oxido-reduclases)

轉(zhuǎn)移酌類(transfeMses>傕化阜些整團(tuán)的轉(zhuǎn)移武交換

刀^桓I(isomerases)化?告■同分"身^構(gòu)4^^40互14^

裂前酌類Q￡懸號(hào)念A(yù)傕化分解峨峨、峨方.、除畸鋌

堆肥過程中酶活性的變化

堆肥過程中有機(jī)物的生物降解一般屬于氧化脫氫過程，故過氧化氫酶酶活性表明了微生物利用有機(jī)質(zhì)的速率變化：

纖維素前是多糖類有機(jī)物(糖、淀粉、纖維素、半纖維素)水解的關(guān)鍵能；

磷酸酶是物料中有機(jī)磷礦化的主要生物酶，其活性表明物料穩(wěn)定化的趨勢(shì)：

眼酶是有機(jī)胺水解形成無機(jī)氨的關(guān)鍵酶。

相關(guān)酶活性的測定

眠酶：以腑素為基質(zhì)進(jìn)行的促反應(yīng)，測定生成的氮量來表示服(W活性，活性單位:g[NH4)g-lh-l;

過氧化氫醐：在酸性條件下用0.1molL-1高缽酸鉀滴定干堆肥中的過氧化氫，用反應(yīng)前后高鈦酸鉀消耗量表示過氧化氫酶活性，活性

單位為mmolg-1;

轉(zhuǎn)化的：以點(diǎn)糖為底物，經(jīng)轉(zhuǎn)化的水解后生成還原糖，然后采用3,5-：硝基水楊酸比色法進(jìn)行測定，活性單位mg(葡萄糖)?g-l-24h-l;

纖維素癖：DNS法，即用粉甲基纖維素鈉鹽作底物，經(jīng)纖維素酶水解后生成還原糖，再用3,5-二硝基水楊酸法測定還原糖含量，纖維素

腑活性的單位是口g-min-1

激活劑對(duì)醒反應(yīng)速度的影響

凡能提高酶活性的物質(zhì)，都稱為激活劑

⑴無機(jī)離子：金屬離子(K+Na+Mg2+Zn2+Fe2+Ca2+),陰離子(Cl-Br-)、氫離子

⑵簡單有機(jī)分子：某些還原劑、乙二胺四乙酸(EDTA)

⑶具有蛋白質(zhì)性質(zhì)的大分子物質(zhì)

影響酶反應(yīng)速度的抑制劑

行機(jī)磷化合物一一與絲凝酸上的QH結(jié)合

有機(jī)汞、有機(jī)碎化合物一一與臻基-SH結(jié)合

氨化物、硫化物和CO一—與活性金屬離子絡(luò)合

重金屬離f一一與-SH、-NH2、-COOH結(jié)合或替代活性中心金屬離子

鹵代燃烷化劑一一取代-SH、-NH2、-0H

抗生素一一產(chǎn)物抑制

6.有機(jī)質(zhì)腐質(zhì)化程度

腐質(zhì)化指數(shù):HI=HA/FA>1.4

腐質(zhì)化率：HR=HA/(FA+NHF)>1.0

胡敏酸百分含量：HP=HA*100/HS

腐質(zhì)化度：DH%=(CHA|FA/TEQ*100

化學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo)

pH值呈弱堿性，8~9；

揮發(fā)性同體含量，即有機(jī)質(zhì)<65%：

水溶性碳/總氮(W5C/1N)<U.3：

水溶性碳/有機(jī)氮(WSC/N-orgh5~6：

陽離子交換量(CEC)=41-123emol/kg,且CEC/TOC=3.5~4：

水溶性有機(jī)酸＜2.2g/L：

溶解性糖＞0.1

三、衛(wèi)生填埋(Landfill)

衛(wèi)生填坦是世界上常用的處理垃圾量最大的4種方法之一。美國用這種處理的垃圾占總量68%,歐洲一般在50%?85%,但衛(wèi)生填埋

場的滲出液容易污染周圍土地和水體。

我國每年生成的城市生活垃圾約為5億噸，其中約三分之二的垃圾是可以回收利用的，但實(shí)際中除少部分金屬、塑料及廢紙被零散回

收外，其它90%以上實(shí)行衛(wèi)生填埋。

1.衛(wèi)生填埋工藝

好氧填坦：填埋垃圾體內(nèi)布設(shè)通風(fēng)管網(wǎng)，以鼓風(fēng)機(jī)提供空氣，加速垃圾分解：由于通風(fēng)加速了蒸發(fā)，減少了滲漉液，僅需簡單的防滲

處理：

準(zhǔn)好氧填埋：與好氧類似，供氧量少，能耗少一些；

厭氧填埋：填埋體無需通風(fēng)供氧管網(wǎng)，但需要高防滲，滲濾液收集及填埋氣收集體系，電耗少，投資運(yùn)行費(fèi)用少，能產(chǎn)能。

2.厭氧填埋的微生物過程

與厭氧消化基本一致，差別在于填理處理的物料含水量低，處于非連續(xù)相且缺少攪拌，反應(yīng)的局部性更容易導(dǎo)致酸、氣積累：而由于

填埋垃圾的復(fù)雜性，其酸浸過程導(dǎo)致重金屬離子的溶出增多。

厭氧填坦場穩(wěn)定進(jìn)程

I好氧階段

II缺氧階段

III厭氧階段

IV成熟階段

好黑階段，好氧氧化一溫度急劇上升；

缺氧階段，硫酸硝酸鹽還原一ORP下降；

厭氧不產(chǎn)甲烷段，固相垃圾水解一酸積累：

厭氧加速產(chǎn)甲烷段，有機(jī)酸利用階段；

厭氧減速產(chǎn)甲烷段，有機(jī)酸消耗階段；

好氧成熟階段，大氣重新進(jìn)入垃圾填埋體。

3.填埋場滲漉液

垃圾填坦場滲濾液是指垃圾在堆放和填埋過程中由于發(fā)酵和降水的沖刷、地表水和地卜冰浸泡而濾出的污水：

垃圾滲濾液是一種污染性很強(qiáng)的