有机物(污染物)的生物转化和分解课件

2.5.1 有机物（污染物）的生物转化和分解第一节第一节 微生物对有机物的分解作用微生物对有机物的分解作用第二节第二节 有机物的生物分解性有机物的生物分解性第三节第三节 不含氮有机物的生物分解不含氮有机物的生物分解第四节第四节 含氮有机物的生物分解含氮有机物的生物分解第五节第五节 微生物对无机元素的转化作用微生物对无机元素的转化作用12.5.1 有机物（污染物）的生物转化和分解第一节 微生第一节 微生物对有机物的分解作用基本概念：基本概念：有机物的生物分解：有机物的生物分解：通过一系列的生化反应，最终将有机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，生物分解分为根据是否有氧气存在的条件下进行，生物分解分为好氧分好氧分解解和和厌氧分解厌氧分解两种。两种。好氧分解最终产物好氧分解最终产物是稳定而无臭的物质，包括二氧化碳、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。水、硝酸盐、硫酸盐、磷酸盐等。厌氧分解最终产物厌氧分解最终产物主要是甲烷、二氧化碳、氨、硫化氢等。主要是甲烷、二氧化碳、氨、硫化氢等。生活污水中的有机物生活污水中的有机物主要是碳水化合物、蛋白质和脂肪。主要是碳水化合物、蛋白质和脂肪。工业废水中有机物工业废水中有机物成分复杂，除具有和生活污水相似的有成分复杂，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。机组分外，还可能有有机酸、醇、醛、酮、酚、胺、腈等。2第一节 微生物对有机物的分解作用基本概念：2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有机物的好氧生物分解分为两部分：一部分以用于细胞合分为两部分：一部分以用于细胞合成，另一部分用于呼吸产能。成，另一部分用于呼吸产能。内源呼吸：内源呼吸：微生物生长过程中，细胞物质的氧化微生物生长过程中，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，正常情况下，各类微生物细胞物质成分相当稳定，因此，常用常用C5H7NO2表示细菌表示细菌。好氧生物分解基本理论好氧生物分解基本理论3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第一节 微生物对有机物的分解作用3阶段：阶段：1）发酵细菌作用阶段（水解发酵阶段）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）产醋酸细菌作用阶段（产氢、产乙酸阶段）3）产甲烷阶段）产甲烷阶段4类群：类群：1）发酵细菌）发酵细菌 2）产氢产乙酸细菌）产氢产乙酸细菌 3）同型产乙酸细菌群）同型产乙酸细菌群 4）产甲烷细菌）产甲烷细菌厌氧生物分解基本理论厌氧生物分解基本理论：3阶段阶段4 类群理论类群理论4第一节 微生物对有机物的分解作用3阶段：厌氧生物分解基本理三阶段三阶段4类群理论类群理论1 发酵细菌作用阶段发酵细菌作用阶段碳水化合物碳水化合物 蛋白质蛋白质 类脂类脂（1）原理）原理：胞外酶胞外酶单糖单糖 氨基酸氨基酸 脂肪酸脂肪酸发酵发酵醇醇 低级脂肪酸低级脂肪酸（2）参加的微生物）参加的微生物：发酵细菌群发酵细菌群梭菌属梭菌属（Clostridium)丁酸弧菌属丁酸弧菌属（Butyrivibrio）拟杆菌属（拟杆菌属（Bacteroides)大多专性厌氧；适宜大多专性厌氧；适宜pH4.58第一节 微生物对有机物的分解作用5三阶段4类群理论1 发酵细菌作用阶段碳水化合物（1）原理2 产乙酸细菌作用阶段产乙酸细菌作用阶段 上阶段产物上阶段产物（丙酸、丁酸、醇等）（丙酸、丁酸、醇等）醋酸、甲胺醋酸、甲胺 CO2、H2（1）原理）原理（2）参加的微生物）参加的微生物产氢产乙酸细菌群产氢产乙酸细菌群 同型产乙酸细菌群同型产乙酸细菌群互营单胞菌属互营单胞菌属 互营杆菌属互营杆菌属 梭菌属梭菌属 暗杆菌属暗杆菌属绝对厌氧菌或兼性厌氧菌；绝对厌氧菌或兼性厌氧菌；适宜适宜pH 4.58三阶段三阶段4类群理论类群理论第一节 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 醋酸、甲胺 3 产甲烷细菌作用阶段产甲烷细菌作用阶段（1）原理）原理H2、CO2、CH3COO CH3NH2、CH3OH CH4（2）参加的微生物）参加的微生物产甲烷细菌群产甲烷细菌群产甲烷杆菌属产甲烷杆菌属 产甲烷短杆菌属产甲烷短杆菌属 产甲烷球菌属产甲烷球菌属严格厌氧菌严格厌氧菌 中温菌对温度敏感中温菌对温度敏感 pH 适宜适宜6.87.2 增殖速率慢增殖速率慢三阶段三阶段4类群理论类群理论第一节 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、CH3COO 厌氧消化三阶段四类群厌氧消化三阶段四类群废水中有机物废水中有机物脂肪酸（丙酸、丁酸）、醇类脂肪酸（丙酸、丁酸）、醇类乙酸乙酸H2+CO2发酵性细菌发酵性细菌产氢产乙酸细菌产氢产乙酸细菌同型产乙酸细菌同型产乙酸细菌产甲烷细菌产甲烷细菌CH4第一节 微生物对有机物的分解作用三阶段三阶段4类群理论类群理论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有机物的生物分解性试验方法（1）易生物分解试验）易生物分解试验 评价有机物是否很容易被生物完全分解。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）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。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）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。评价有机物在特定环境下的生物分解性。9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9第二节 有机物的生物分解性有有机机物物的的生生物物分分解解性性评评价价步步骤骤10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10第二节 有机物的生物分解性影响因素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、微生物相互作用物浓度、共代谢、有机物相互作用、微生物相互作用等的影响。等的影响。污水中有机物生物分解性评价标准污水中有机物生物分解性评价标准 最常采用最常采用BOD/COD比值比值BOD/COD 0.4-0.6 可生物处理性良好可生物处理性良好0.2 BOD/COD 0.4 较难生物处理较难生物处理BOD/COD0.1 难以生物处理难以生物处理11第二节 有机物的生物分解性影响因素11第三节 不含氮有机物的生物分解基本概念：基本概念：不含氮有机物：不含氮有机物：碳水化合物、脂肪、酚、醛、酮、某碳水化合物、脂肪、酚、醛、酮、某些有机酸、些有机酸、烃和合成洗涤剂等。烃和合成洗涤剂等。碳水化合物是由碳、氢和氧碳水化合物是由碳、氢和氧3种元素组成。占到生活污种元素组成。占到生活污水中有机物的水中有机物的4050%。单糖：葡萄糖单糖：葡萄糖 二糖：蔗糖、乳糖、麦芽糖二糖：蔗糖、乳糖、麦芽糖 多糖：淀粉、纤维素、半纤维素多糖：淀粉、纤维素、半纤维素碳水化合物碳水化合物12第三节 不含氮有机物的生物分解基本概念：单糖：葡萄糖 碳水化第三节 不含氮有机物的生物分解一一 碳水化合物的分解碳水化合物的分解葡萄糖糖酵解作用糖酵解作用丙酮酸发酵有氧有氧无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。碳水化合物碳水化合物水解水解13第三节 不含氮有机物的生物分解一 碳水化合物的分 脂肪由碳、氢和氧几种元素组成。比较稳定，也能脂肪由碳、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。被荧光杆菌、绿浓杆菌、灵杆菌等微生物分解。脂肪脂肪脂肪酶脂肪酶甘油甘油脂肪酸脂肪酸简单的酸简单的酸+CO2+CH4CO2+H2O二二 脂肪的转化脂肪的转化厌氧厌氧好氧好氧水解水解好氧好氧14 脂肪由碳、氢和氧几种元素组成。比较稳定，也能被第四节 含氮有机物的分解基本概念：基本概念：污污水水中中的的含含氮氮有有机机物物：蛋蛋白白质质、氨氨基酸、尿素、胺基酸、尿素、胺 类、类、硝基化合物等。硝基化合物等。生生活活污污水水中中所所含含氮氮主主要要是是以以铵铵离离子子或尿素形式存在。或尿素形式存在。氮是当今污水处理的主要去除对象氮是当今污水处理的主要去除对象15第四节 含氮有机物的分解基本概念：15一 氮的循环自然界中自然界中除植除植物利用无机氮物利用无机氮转变为有机氮转变为有机氮外外，其它各转，其它各转变过程均由微变过程均由微生物作用生物作用氨化作用氨化作用 硝化作用硝化作用 反硝化作用反硝化作用生物体有机酸生物体有机酸NO3-NH4+NO2-NON2O大气大气 N2同化作用同化作用氨化作用氨化作用硝化作用硝化作用硝化硝化作用反硝化作用反硝化作用生物固氮生物固氮同化作用同化作用还原作用还原作用16一 氮的循环自然界中除植物利用无机氮转变为有机氮外，其它各转二 蛋白质的转化（一）氨化作用（一）氨化作用1.蛋白质是由很多氨基酸（蛋白质是由很多氨基酸（RCHNH2COOH）分子组成。）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。蛋白质生物化学转化的第一步是水解。即转变为氨基酸。3.然后氨基酸发生然后氨基酸发生脱氨基作用脱氨基作用产生氨和不含氮的化合物。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。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这种有机氮转变为氨氮过程称为氨化作用。氨化作用。6.参与氨化的细菌叫做参与氨化的细菌叫做氨化菌氨化菌。好氧性有：荧光假单胞菌、灵。好氧性有：荧光假单胞菌、灵杆菌杆菌；厌氧性有：腐败梭菌；厌氧性有：腐败梭菌；兼性菌有变形杆菌。；兼性菌有变形杆菌。17二 蛋白质的转化（一）氨化作用蛋白质是由很多氨基酸（RCHN（二）硝化作用1.1.氨在好氧硝化细菌的呼吸过程中转变为亚硝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。酸，然后转变为硝酸的过程称为硝化作用。2.2.硝化作用由两类细菌共同完成。分别是氨氧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。化菌和亚硝酸氧化菌。两类细菌总称硝化菌。3.3.硝化菌是硝化菌是G G菌、自养菌、好氧菌、偏好中性菌、自养菌、好氧菌、偏好中性或偏碱性。对毒物敏感。或偏碱性。对毒物敏感。18（二）硝化作用氨在好氧硝化细菌的呼吸过程中转变为亚硝酸，然后（1 1）亚硝酸形成阶段）亚硝酸形成阶段2 2NHNH3 3+3O+3O2 2亚硝酸细菌亚硝酸细菌2 2HNOHNO2 2+2H+2H2 2O+ATPO+ATP（二）硝化作用2HNO2+O22HNO2+O2硝酸细菌硝酸细菌2HNO2HNO3 3+ATP+ATP（2 2）硝酸形成阶段硝酸形成阶段HNOHNO2 2毒性很强，累积起来对植物有毒害。毒性很强，累积起来对植物有毒害。HNOHNO3 3是植物吸收利用的有效氮素养料。是植物吸收利用的有效氮素养料。19（1）亚硝酸形成阶段2NH3+3O2亚硝酸细菌2HNO2硝化作用进行的条件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）碱性物质（中和产生的亚硝酸和硝酸）不需有机物存在不需有机物存在蛋白质最终被氧化成：蛋白质最终被氧化成：CO2、H2O、HNO3、H2SO4（二）硝化作用20硝化作用进行的条件O2 蛋白质最终被氧化成：（二）硝化作用（三）反硝化作用概念概念：硝酸盐硝酸盐在通气不良环境中在通气不良环境中（缺氧）（缺氧），被，被 反硝化细菌还原成反硝化细菌还原成NONO2 2或或 N N2 2的过程。的过程。1 1 反硝化过程反硝化过程C C6 6H H1212O O6 6+4NO4NO3 3-6H6H2 20+6CO0+6CO2 2+2+2N N2 2+ATP+ATP缺氧缺氧N N2 2NONO3 3-NONO2 2-NONON N2 2O O反硝化细菌反硝化细菌21（三）反硝化作用概念：硝酸盐在通气不良环境中（缺氧），被 1 参与反硝化作用的细菌称作反硝化细菌。参与反硝化作用的细菌称作反硝化细菌。多数为异样、兼性菌多数为异样、兼性菌（三）反硝化作用 反硝化作用发生的条件反硝化作用发生的条件NO3-有机物质存在有机物质存在 氧气氧气 0.5 mg/L22 参与反硝化作用的细菌称作反硝化细菌。多数为异样、兼性（四）生物脱氮基本原理含氮有机物含氮有机物异养型异养型 微生物微生物NH4+-N氨化氨化 作用作用亚硝酸亚硝酸 细菌细菌 NO2-N硝酸硝酸 细菌细菌 NO3-N硝化作用有硝化作用有O2反硝化反硝化 细菌细菌反硝化反硝化 作用无作用无O2N2、NO2最终完成生物脱氮最终完成生物脱氮 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型硝化细菌将其转化为NO3-，最后再由反硝化细，最后再由反硝化细菌将菌将NO3-还原为还原为N2。23（四）生物脱氮基本原理含氮有机物异养型 NH4+-N氨化 亚活性污泥法传统脱氮工艺（活性污泥法传统脱氮工艺（3级）流程示意图级）流程示意图24活性污泥法传统脱氮工艺（3级）流程示意图24缺氧好氧活性污泥法脱氮系统缺氧好氧活性污泥法脱氮系统25缺氧好氧活性污泥法脱氮系统25 磷的转化磷的转化1 不溶性无机磷酸盐转化成可溶性磷酸盐。不溶性无机磷酸盐转化成可溶性磷酸盐。Ca3（PO4）2 CaHPO4（1）Ca3（PO4）2+2CO2+2H2O 2CaHPO4+Ca（HCO3）2（2）Ca3（PO4）2+2HNO3 2CaHPO4+Ca（NO3）2（3）Ca3（PO4）2+H2SO4 2CaHPO4+CaSO42 有机磷化物有机磷化物 磷酸盐磷酸盐 解磷大芽孢杆菌解磷大芽孢杆菌 蜡质芽孢杆菌蜡质芽孢杆菌 霉状芽孢杆菌霉状芽孢杆菌第五节第五节 微生物对无机元素的转化作用微生物对无机元素的转化作用26 磷的转化1 不溶性无机磷酸盐转化成可溶性磷酸盐。（1）磷的转化磷的转化1 不溶性无机磷酸盐转化成可溶性磷酸盐。不溶性无机磷酸盐转化成可溶性磷酸盐。Ca3（PO4）2 CaHPO4（1）Ca3（PO4）2+2CO2+2H2O 2CaHPO4+Ca（HCO3）2（2）Ca3（PO4）2+2HNO3 2CaHPO4+Ca（NO3）2（3）Ca3（PO4）2+H2SO4 2CaHPO4+CaSO42 有机磷化物有机磷化物 磷酸盐磷酸盐 解磷大芽孢杆菌解磷大芽孢杆菌 蜡质芽孢杆菌蜡质芽孢杆菌 霉状芽孢杆菌霉状芽孢杆菌第五节第五节 微生物对无机元素的转化作用微生物对无机元素的转化作用27 磷的转化1 不溶性无机磷酸盐转化成可溶性磷酸盐。（1）生物除磷原理生物除磷原理第五节第五节 微生物对无机元素的转化作用微生物对无机元素的转化作用 聚聚磷磷菌菌一一类类的的细细菌菌，可可以以过过量量地地、超超出出其其生生理理需需要要地地从从外外部部摄摄取取磷磷，并并将将其其以以聚聚合合形形态态储储存存在在体体内内，形形成成高高磷磷污污泥泥。将将高高磷磷污污泥泥排排出出系系统统，就就可可以以实现污水除磷。实现污水除磷。生物除磷分两步进行：生物除磷分两步进行：聚磷菌的放磷（厌氧条件）聚磷菌的放磷（厌氧条件）聚磷菌的磷过量摄取（好氧条件）聚磷菌的磷过量摄取（好氧条件）28 生物除磷原理第五节 微生物对无机元素的转化作用 v 聚磷菌的放磷（厌氧）聚磷菌的放磷（厌氧）ATP聚磷菌细胞内的聚磷菌细胞内的 聚磷酸盐分解聚磷酸盐分解PO43-废水中废水中脂肪酸脂肪酸PHB、糖原、糖原储存在细胞内储存在细胞内 生物除磷原理生物除磷原理第五节第五节 微生物对无机元素的转化作用微生物对无机元素的转化作用29 聚磷菌的放磷（厌氧）ATP聚磷菌细胞内的 PO43-废水中v 聚磷菌的磷过量摄取（好氧）聚磷菌的磷过量摄取（好氧）细胞内的细胞内的PHB分解分解ATP废水废水磷磷聚磷菌聚磷菌聚磷酸盐聚磷酸盐以异染颗粒的形式储存在细胞内以异染颗粒的形式储存在细胞内好好氧氧时时摄摄取取的的磷磷多多于于厌厌氧氧时时释释放放的的磷磷 生物除磷原理生物除磷原理第五节第五节 微生物对无机元素的转化作用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 生物除磷原理生物除磷原理第五节第五节 微生物对无机元素的转化作用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厌氧好氧系统生物除磷过程图 1 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 聚聚磷磷菌菌的的典典型型特特征征是是细细胞胞内内含含有有异异染染颗颗粒粒。一一般般只只能能利利用用低低级级脂脂肪肪酸酸等等小小分分子子有有机机物物。，不不能能直直接接利利用用和和分分解解大大分分子子有有机机质质。主主要要有有：不不动动杆杆菌菌、假单胞菌、气单胞菌等。假单胞菌、气单胞菌等。除除聚聚磷磷菌菌外外，还还有有发发酵酵产产酸酸菌菌和和异异样样好好氧氧菌菌参参与生物除磷过程。与生物除磷过程。生物除磷原理生物除磷原理第五节第五节 微生物对无机元素的转化作用微生物对无机元素的转化作用32 聚磷菌的典型特征是细胞内含有异染颗粒。一般只