1、水处理微生物过程*6生物净化的进展生物净化的进展v通过现代分子生物学技术加深对微生物的通过现代分子生物学技术加深对微生物的认识；认识；v以基因工程手段改变或强化微生物有效功以基因工程手段改变或强化微生物有效功能的表达，获得高效工程菌株；能的表达，获得高效工程菌株；v构建微生物功能菌群；构建微生物功能菌群；v营造适合作用的代谢环境；营造适合作用的代谢环境；v工程技术方法的发展促进相关微生物工艺。工程技术方法的发展促进相关微生物工艺。*7二、有机污染物的降解二、有机污染物的降解v有机污染物的生物净化一般被称为有机污染物的生物净化一般被称为生物降解生物降解；v微生物分解有机物的能力是微生物分解有机物
2、的能力是巨大巨大的；的；v依据微生物对有机物的降解能力大小可分为依据微生物对有机物的降解能力大小可分为易易生物降解生物降解的、的、难生物降解难生物降解的和的和不可生物降解不可生物降解的；的；v生物降解过程是以生物降解过程是以微生物的代谢为核心微生物的代谢为核心，污染物，污染物在分解过程中则在分解过程中则遵循物理化学原理遵循物理化学原理，其，其危害和危害和暴暴露过程对环境的影响露过程对环境的影响是环境毒理学关心的内容。是环境毒理学关心的内容。*81.生物降解的一般概念生物降解的一般概念v矿化矿化(mineralization)矿化是将有机物完全无机化并获取能源和小分子矿化是将有机物完全无机化并获
3、取能源和小分子营养质的过程，是与微生物生长相关的过程。营养质的过程，是与微生物生长相关的过程。v共代谢共代谢(co-metabolism)共代谢是需要有另一种基质的代谢提供能源和营共代谢是需要有另一种基质的代谢提供能源和营养质，由非专一性酶促反应完成的复杂污染物降解养质，由非专一性酶促反应完成的复杂污染物降解过程，一般仅使有机物分子得到修饰或转化，但不过程，一般仅使有机物分子得到修饰或转化，但不能使其完全分解。能使其完全分解。*9v内源呼吸内源呼吸 微生物在利用外部基质进行生理代谢获取能量及微生物在利用外部基质进行生理代谢获取能量及营养质同时，细胞物质同时也在进行自身的氧化分营养质同时，细胞物
4、质同时也在进行自身的氧化分解，即内源代谢或内源呼吸。解，即内源代谢或内源呼吸。外源有机物充足时，消耗的细胞组分会被持续更外源有机物充足时，消耗的细胞组分会被持续更新，微生物自身的氧化分解并不明显；而在外源基新，微生物自身的氧化分解并不明显；而在外源基质不足时，微生物的内源呼吸作用则成为向微生物质不足时，微生物的内源呼吸作用则成为向微生物提供能量、维持其生命活动的主要方式。提供能量、维持其生命活动的主要方式。*102.好氧生物降解好氧生物降解v有机物的好氧分解过程中，有机物的好氧分解过程中，有机物的降解有机物的降解、微生物的增殖微生物的增殖及及溶解氧的消耗溶解氧的消耗这三个过程这三个过程是同步进
5、行的，也是控制好氧生物处理成是同步进行的，也是控制好氧生物处理成功与否的关键过程；功与否的关键过程；v不同的生物处理工艺中，有机物的不同的生物处理工艺中，有机物的分解速分解速率率、微生物的生存方式、微生物的生存方式、增殖规律增殖规律，溶解，溶解氧的提供方式与氧的提供方式与分布规律分布规律均有差异，而关均有差异，而关于好氧生物处理过程的研究及改良也是针于好氧生物处理过程的研究及改良也是针对这三个关键过程开展的。对这三个关键过程开展的。*11好氧有机物分解过程好氧有机物分解过程*12生物氧化的一般过程生物氧化的一般过程 糖糖三酯酰甘油三酯酰甘油 蛋白质蛋白质 葡萄糖葡萄糖 脂酸脂酸+甘油甘油 氨基
6、酸氨基酸 乙酰乙酰CoA 呼吸链呼吸链 ADP+Pi ATP *13在温度适宜、溶解氧充在温度适宜、溶解氧充足的条件下，微生物的足的条件下，微生物的增殖速率主要与微生物增殖速率主要与微生物(M)与基质与基质(F)的相对数的相对数量，即量，即FM相关；相关；在静态培养条件下，随在静态培养条件下，随着时间的延长，基质浓着时间的延长，基质浓度逐渐降低，微生物的度逐渐降低，微生物的增殖经历增殖经历适应期适应期、对数对数增殖期增殖期、衰减期衰减期及及内源内源呼吸期呼吸期。*143.厌氧生物降解厌氧生物降解v厌氧生物处理是在无氧条件下，利用多种厌氧生物处理是在无氧条件下，利用多种专性厌氧微生物专性厌氧微生
7、物(水解、发酵及产氢产甲烷水解、发酵及产氢产甲烷细菌细菌)的代谢活动，将有机物转化为无机物的代谢活动，将有机物转化为无机物(沼气和水沼气和水)和少量细胞物质的过程。和少量细胞物质的过程。v发酵过程产生的发酵过程产生的H2很少，主要由很少，主要由丙酮酸脱丙酮酸脱水水形成，与专性形成，与专性厌氧氧化厌氧氧化产氢的机理不同。产氢的机理不同。*15厌氧有机物分解过程厌氧有机物分解过程*16(1)水解阶段v复杂有机物首先在发酵性细菌产生的胞外酶作用复杂有机物首先在发酵性细菌产生的胞外酶作用下分解为下分解为溶解性小分子有机物溶解性小分子有机物；v如纤维素被如纤维素被纤维素酶纤维素酶水解为纤维二糖与葡萄糖，
8、水解为纤维二糖与葡萄糖，蛋白质被蛋白质被蛋白酶蛋白酶水解为短肽及氨基酸等；水解为短肽及氨基酸等；v水解过程通常比较缓慢，是复杂有机物厌氧降解水解过程通常比较缓慢，是复杂有机物厌氧降解的的限速阶段限速阶段。*17(2)发酵(酸化)阶段v溶解性小分子有机物进入发酵菌溶解性小分子有机物进入发酵菌(酸化菌酸化菌)细胞内，细胞内，在胞内酶作用下分解为在胞内酶作用下分解为挥发性脂肪酸挥发性脂肪酸(VFA)，如乙，如乙酸、丙酸、丁酸以及乳酸、醇类、二氧化碳、氨、酸、丙酸、丁酸以及乳酸、醇类、二氧化碳、氨、硫化氢等，同时合成细胞物质。硫化氢等，同时合成细胞物质。v在此过程中，溶解性有机物被转化为以挥发性脂在此
9、过程中，溶解性有机物被转化为以挥发性脂肪酸为主的末端产物，因此这一过程也称为酸化，肪酸为主的末端产物，因此这一过程也称为酸化，酸化过程是由许多种类的发酵细菌完成的。酸化过程是由许多种类的发酵细菌完成的。v其中重要的类群有梭状芽孢杆菌(Clostridium)和拟杆菌(Bacteriodes)。*18(3)产乙酸阶段v产酸阶段绝大多数是严格厌氧菌，但通常产酸阶段绝大多数是严格厌氧菌，但通常有约有约1的兼性厌氧菌生存于厌氧环境中，的兼性厌氧菌生存于厌氧环境中，这些兼性厌氧菌能够起到保护严格厌氧菌，这些兼性厌氧菌能够起到保护严格厌氧菌，如产甲烷菌免受氧的损害与抑制的作用。如产甲烷菌免受氧的损害与抑制
10、的作用。v发酵酸化阶段的产物丙酸、丁酸、乙醇等，发酵酸化阶段的产物丙酸、丁酸、乙醇等，在此阶段经产氢产乙酸菌作用转化为乙酸、在此阶段经产氢产乙酸菌作用转化为乙酸、氢气和二氧化碳。氢气和二氧化碳。*19(4)产甲烷阶段v在此阶段，产甲烷菌在二氧化碳存在时，利在此阶段，产甲烷菌在二氧化碳存在时，利用用氢气生成甲烷氢气生成甲烷；也可以直接利用；也可以直接利用乙酸生成乙酸生成甲烷，甲烷，二者的比例一般为二者的比例一般为3/7。v利用乙酸产甲烷的菌有利用乙酸产甲烷的菌有索氏甲烷丝菌索氏甲烷丝菌(Methanothrix soehngenii)和和巴氏甲烷八巴氏甲烷八叠球菌叠球菌(Methanosarci
11、na barkeri)v产甲烷菌都是严格厌氧菌，要求生活环境的产甲烷菌都是严格厌氧菌，要求生活环境的氧化还原电位氧化还原电位在在-150-400mV范围内。范围内。*20 4缺氧缺氧(anoxic)处理处理v在没有在没有分子氧分子氧存在的条件下，一些特殊的存在的条件下，一些特殊的微生物类群可以利用微生物类群可以利用含有化合态氧含有化合态氧的物质，的物质，如硫酸盐、亚硝酸盐和硝酸盐等作为电子如硫酸盐、亚硝酸盐和硝酸盐等作为电子受体，进行代谢活动。受体，进行代谢活动。*21(1)硫酸盐还原v在特定条件下，硫酸盐或亚硫酸盐会被硫在特定条件下，硫酸盐或亚硫酸盐会被硫酸盐还原菌酸盐还原菌(sulfate
12、 reduction bacteria，SRB)在其氧化有机污染物的过程中作为电在其氧化有机污染物的过程中作为电子受体而加以利用，并将它们还原为硫化子受体而加以利用，并将它们还原为硫化氢。氢。vSRB的生长需要与产酸菌和产甲烷菌同样的生长需要与产酸菌和产甲烷菌同样的底物，因此硫酸盐还原过程的出现会使的底物，因此硫酸盐还原过程的出现会使甲烷的产量减少。甲烷的产量减少。*22根据利用底物的不同，根据利用底物的不同，SRB分为：分为：v氧化氢的硫酸盐还原菌氧化氢的硫酸盐还原菌(HSRB)；v氧化乙酸的硫酸盐还原菌氧化乙酸的硫酸盐还原菌(ASRB)；v氧化较高级脂肪酸的硫酸盐还原菌氧化较高级脂肪酸的硫
13、酸盐还原菌(FASRB)。SRB分类硫酸盐还原需要有足够的有机质，其质量比应超硫酸盐还原需要有足够的有机质，其质量比应超过过167；与甲烷相比，硫化氢的溶解度要高很多，；与甲烷相比，硫化氢的溶解度要高很多，容易造成处理出水容易造成处理出水COD偏高。偏高。*23(2)反硝化v反硝化脱氮反应由脱氮微生物进行。反硝化脱氮反应由脱氮微生物进行。v通常脱氮微生物优先选择氧而不是亚硝酸盐作为通常脱氮微生物优先选择氧而不是亚硝酸盐作为电子受体。电子受体。v但如果分子氧被耗尽，则脱氮微生物开始利用硝但如果分子氧被耗尽，则脱氮微生物开始利用硝酸盐，即脱氮作用在缺氧条件下进行。酸盐，即脱氮作用在缺氧条件下进行。
14、v有关问题将在有关问题将在后面后面讨论。讨论。*24v在实际生物处理过程中，好氧、兼性、厌在实际生物处理过程中，好氧、兼性、厌氧分解分别担任着各自的角色；氧分解分别担任着各自的角色；v在人工处理构筑物中，由于具备良好的工在人工处理构筑物中，由于具备良好的工程措施，可以选择微生物的种类并控制相程措施，可以选择微生物的种类并控制相应的分解过程；应的分解过程；v在活性污泥曝气池中具有选择优势的是好在活性污泥曝气池中具有选择优势的是好氧及兼性细菌，发生的主要分解反应是好氧及兼性细菌，发生的主要分解反应是好氧分解，但在局部微环境下仍可能有厌氧氧分解，但在局部微环境下仍可能有厌氧/缺氧反应发生。缺氧反应发
15、生。5.工程实际中的应用工程实际中的应用*25v由于微生物个体微小，每个微生物所处的环境也由于微生物个体微小，每个微生物所处的环境也是微小的；是微小的；v从空间角度看，影响微生物生存状态的环境是微从空间角度看，影响微生物生存状态的环境是微小的；小的；v微环境直接影响微生物的活动状态；微环境直接影响微生物的活动状态；v由于由于微生物种群结构微生物种群结构、物质分布物质分布和和化学反应的不化学反应的不均匀性均匀性，菌胶团内部及生物膜内部存在多种多样，菌胶团内部及生物膜内部存在多种多样的微环境；的微环境；v各种微环境下生存着适生种类的微生物，可以发各种微环境下生存着适生种类的微生物，可以发生相应的生
16、物化学反应。生相应的生物化学反应。微环境的意义*26v在微生物絮体、颗粒或生物膜内在微生物絮体、颗粒或生物膜内会形成不同的微生态环境，造成会形成不同的微生态环境，造成适合不同生物反应过程的宏观环适合不同生物反应过程的宏观环境境(好氧区、缺氧区好氧区、缺氧区)；v生物群体并不在好氧及缺氧区之生物群体并不在好氧及缺氧区之间循环，而在固定位置处形成不间循环，而在固定位置处形成不同的微环境；同的微环境；v精细地控制溶解氧浓度即可保证精细地控制溶解氧浓度即可保证微环境缺氧环境，使得好氧区产微环境缺氧环境，使得好氧区产生的生的N0N03 3-得以还原。得以还原。微环境典型-同步硝化反硝化*27v难降解有机
17、物的降解历程相对要复杂得多；难降解有机物的降解历程相对要复杂得多；v一般而言，难降解有机物结构稳定或对微生物活一般而言，难降解有机物结构稳定或对微生物活动有抑制作用，适生的微生物种类很少；动有抑制作用，适生的微生物种类很少；v不同类型难降解有机物的降解历程也不尽相同；不同类型难降解有机物的降解历程也不尽相同；v许多难降解有机物的降解与质粒有关，降解质粒许多难降解有机物的降解与质粒有关，降解质粒编码生物降解过程中的一些关键酶类；编码生物降解过程中的一些关键酶类；v质粒是菌体内的环状质粒是菌体内的环状DNA分子，是染色体之外的分子，是染色体之外的遗传物质，可以通过克隆质粒表达功能基因。遗传物质，可
18、以通过克隆质粒表达功能基因。6.难降解有机物难降解有机物*28优先控制污染物黑名单优先控制污染物黑名单v挥发性卤代烃挥发性卤代烃 v苯系物苯系物v氯代苯氯代苯v酚类酚类v多氯联苯多氯联苯v硝基苯硝基苯v苯胺类苯胺类v多环芳烃类多环芳烃类v酞酸酯类酞酸酯类v农药农药v丙烯腈丙烯腈v亚硝胺亚硝胺v氰化物氰化物v重金属重金属*29aerobicanaerobicabioticFEMS Microbiol Rev 34(2019)445475(1)氯代烃的降解途径*30VC,DEC assimilating bacteria;aerobic;anaerobic degrading microbes氯烃
19、降解的典型细菌Alkene monooxygenase/EaCoMT*31氯烃降解的典型放线菌FEMS Microbiol Rev 34(2019)445475*32VC、cDEC好氧降解途径FEMS Microbiol Rev 34(2019)445475*33(2)PCB好氧降解途径Stuart E Strand*34PCB好氧降解途径Stuart E Strand*35(3)酚类的典型降解途径*36v粪产碱杆菌粪产碱杆菌(Alcaligenesfaecalis)v醋酸不动杆菌醋酸不动杆菌(Acinetobactercalcoaceticus)v假单胞菌假单胞菌(Pseudomonassp
20、.)v隐球菌隐球菌(Cryptococcussp.)v醋酸不动杆菌醋酸不动杆菌(Acinetobactercalcoaceticus)v假丝酵母菌假丝酵母菌(Candidasp.)v皮状丝孢酵母菌皮状丝孢酵母菌(Trichosporoncutaneum)酚类降解的典型微生物*37(4)常见含氮芳香族化合物FEMS Microbiol Rev 32(2019)474500*38含氮芳香族化合物降解途径FEMS Microbiol Rev 32(2019)474500*39含氮芳香族化合物的典型降解微生物FEMS Microbiol Rev 32(2019)474500*40(5)多环芳烃的典型降
21、解途径FEMS Microbiol Rev 32(2019)927955萘*41多环芳烃的典型降解途径NADH oxidoreductase,a ferredoxinand an oxygenase componentFEMS Microbiol Rev 32(2019)927955菲*42多环芳烃的典型降解途径FEMS Microbiol Rev 32(2019)927955芴*43多环芳烃的典型降解途径FEMS Microbiol Rev 32(2019)927955芘*44v粪产碱杆菌粪产碱杆菌(Alcaligenesfaecalis)v假单胞菌假单胞菌(Pseudomonas sp.)
22、v青枯菌青枯菌(Ralstonia sp.)v丛毛单胞菌丛毛单胞菌(Comamonas sp.)v鞘氨醇单孢菌鞘氨醇单孢菌(Sphingomonas sp.)v红球菌属红球菌属(Rhodococcus sp.)v节杆菌属节杆菌属(Arthrobacter sp.)v结核分支杆菌结核分支杆菌(Mycobacterium sp.)PAHs降解的典型微生物FEMS Microbiol Rev 32(2019)927955*45苯系物的苯甲酰辅酶A降解途径FEMS Microbiology Reviews 22(2019)439458*46苯系物的苯甲酰辅酶A降解途径FEMS Microbiology
23、 Reviews 22(2019)439458*47 针对目标污染物的特性，以目标物为主要针对目标污染物的特性，以目标物为主要营养基质从受污染环境或具有相似污染特性营养基质从受污染环境或具有相似污染特性的环境中富集筛选所需的微生物菌属。的环境中富集筛选所需的微生物菌属。7.功能性微生物的筛选分离功能性微生物的筛选分离*48v选择简便有效的诱变剂选择简便有效的诱变剂v挑选优良的出发菌株挑选优良的出发菌株v处理单细胞悬液（均匀态）处理单细胞悬液（均匀态）v选用最适剂量选用最适剂量v充分利用协同效应充分利用协同效应v设计或采用高效筛选方案或方法设计或采用高效筛选方案或方法功能微生物的筛选原则*49v
24、确定目标确定目标v选择分离源选择分离源v筛选的设定：培养条件、选择培养基、对毒物和抗菌筛选的设定：培养条件、选择培养基、对毒物和抗菌素的抗性素的抗性v种类微生物的分离种类微生物的分离v特定微生物的分离培养特定微生物的分离培养功能微生物的筛选方法*50三、生物脱氮三、生物脱氮v进入进入20世纪世纪70年代和年代和80年代以来，随着水体富营年代以来，随着水体富营养化问题的日渐突现，水质指标体系不断严格化养化问题的日渐突现，水质指标体系不断严格化的趋势使废水脱氮除磷问题成为水污染控制中广的趋势使废水脱氮除磷问题成为水污染控制中广泛关注的热点泛关注的热点;v随着研究工作的深入开展，对脱氮除磷的生物学随
25、着研究工作的深入开展，对脱氮除磷的生物学原理的认识不断更新，由此诞生了多种生物脱氮原理的认识不断更新，由此诞生了多种生物脱氮除磷新工艺，推动了废水生物脱氮除磷技术的发除磷新工艺，推动了废水生物脱氮除磷技术的发展，促进了废水生物处理技术的革新与改进。展，促进了废水生物处理技术的革新与改进。*511.生物脱氮的基本原理生物脱氮的基本原理v废水中氮的主要形式是有机氮化合物如蛋废水中氮的主要形式是有机氮化合物如蛋白质、氨基酸和无机氮如氨氮。白质、氨基酸和无机氮如氨氮。v有机氮很容易通过有机氮很容易通过氨化作用氨化作用转化为氨氮。转化为氨氮。v许多细菌、放线菌和真菌都具有氨化能力，许多细菌、放线菌和真菌
26、都具有氨化能力，称为氨化菌。称为氨化菌。v生物脱氮过程主要由两段工艺共同完成，生物脱氮过程主要由两段工艺共同完成，即通过即通过硝化作用硝化作用将氨氮转化为将氨氮转化为硝酸盐氮硝酸盐氮，再通过再通过反硝化反应反硝化反应将硝酸盐氮转化为将硝酸盐氮转化为气态气态氮氮从水中逸出。从水中逸出。*52v缺氧条件下，通过缺氧条件下，通过水解反应水解反应脱氨脱氨v好氧条件下，通过好氧条件下，通过氧化反应氧化反应脱氨脱氨v厌氧条件下，通过厌氧条件下，通过还原反应还原反应脱氨脱氨氨化反应*53v硝化反应主要由一群自养好氧微生物完成；硝化反应主要由一群自养好氧微生物完成；v硝化作用是指由亚硝化细菌硝化作用是指由亚硝
27、化细菌(Nitrosomonas)将氨氮氧化为亚硝酸盐，进而由硝化菌将氨氮氧化为亚硝酸盐，进而由硝化菌(Nitrobacter)将亚硝氮氧化成硝酸盐氮的过将亚硝氮氧化成硝酸盐氮的过程；程；v硝化菌为自养菌，它们以硝化菌为自养菌，它们以CO2为碳源，通过为碳源，通过氧化氧化NH4+获得能量。获得能量。硝化反应*54v亚硝化菌包括亚硝化菌包括亚硝化单胞菌属亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas sp.)、亚硝化球菌属亚硝化球菌属(Nitrosococcus sp.)、亚硝亚硝化弧菌属化弧菌属(Nitrosovibrio sp.)和和亚硝化叶菌属亚硝化叶菌属(Nitrosolobus sp.)。v
28、硝化菌包括硝化菌包括硝酸盐杆菌属硝酸盐杆菌属(Nitrobacter sp.)、螺螺旋菌属旋菌属(Nitrospira sp.)、硝化刺菌属硝化刺菌属(Nitrospina sp.)和和球菌属球菌属(Nitrococcus sp.)。亚硝化细菌和硝化细菌 自养型硝化细菌都为自养型硝化细菌都为G G-菌菌，世代周期超过，世代周期超过10h10h，拥有较高的，拥有较高的硝化速率；而一些异养细菌如硝化速率；而一些异养细菌如产碱杆菌产碱杆菌、节杆菌节杆菌等虽然硝化速等虽然硝化速率低率低 ，但世代周期短，增殖快，其硝化贡献不可忽视。，但世代周期短，增殖快，其硝化贡献不可忽视。*55亚硝化细菌和硝化细菌的
29、特征*56v自养型硝化菌利用无机碳化合物如自养型硝化菌利用无机碳化合物如C032-、HCO3-和和CO2作碳源，从氨氮及亚硝氮的氧作碳源，从氨氮及亚硝氮的氧化反应中获得能量，反应均需在有氧条件化反应中获得能量，反应均需在有氧条件下进行。下进行。v反应式可表示为：反应式可表示为：硝化菌基本反应式反应要消耗碱度反应要消耗碱度，7.14gCaCO3/gNH3-N*57氨氧化呼吸链*58亚硝氮氧化呼吸链*59v温度温度v溶解氧溶解氧vpHv有机物有机物v抑制剂抑制剂影响硝化作用的因素*60 2反硝化反硝化v反硝化主要由一群反硝化主要由一群异氧微生物异氧微生物完成，可将硝酸盐完成，可将硝酸盐氮或亚硝酸盐
30、氮还原成气态氮或氮氧化物，反应氮或亚硝酸盐氮还原成气态氮或氮氧化物，反应在无分子氧状态下进行。在无分子氧状态下进行。v反硝化细菌包括反硝化细菌包括假单胞菌属假单胞菌属、反硝化杆菌属反硝化杆菌属、螺、螺旋菌属和旋菌属和无色杆菌属无色杆菌属等。等。v它们多数是它们多数是兼性兼性的，在溶解氧浓度极低的环境中的，在溶解氧浓度极低的环境中可以利用硝酸盐中的氧作电子受体，有机物则作可以利用硝酸盐中的氧作电子受体，有机物则作为电子供体提供能量并得到稳定化。为电子供体提供能量并得到稳定化。*61以甲醇为碳源时反应式如下：以甲醇为碳源时反应式如下：反硝化过程反硝化过程产生部分碱度产生部分碱度，为，为3.47g
31、CaCO3/gNO3-N。反硝化菌基本反应式*62反硝化途径*63v碳源碳源(降解性降解性)v溶解氧溶解氧(兼性微生物，不需严格厌氧兼性微生物，不需严格厌氧)vpH(68)v温度温度影响反硝化作用的因素*64*65v反应器内溶解氧时空分布不均反应器内溶解氧时空分布不均 时时硝化硝化/反硝化循环反硝化循环 空空反应器局部厌反应器局部厌/好氧状态好氧状态v微生物聚集体内的微环境微生物聚集体内的微环境v微生物代谢多样性微生物代谢多样性 好氧硝化好氧硝化+好氧反硝化好氧反硝化 缺氧硝化缺氧硝化+缺氧反硝化缺氧反硝化 同步硝化反硝化*66v氨氮仅需氧化到亚硝氮便可进行反硝化，进程加快，氨氮仅需氧化到亚硝
32、氮便可进行反硝化，进程加快，水力停留时间缩短，反应器缩小水力停留时间缩短，反应器缩小3040%；v减少减少25%的氧消耗，节省能耗和有机营养物的氧消耗，节省能耗和有机营养物40%；v污泥产量降低污泥产量降低(硝化阶段硝化阶段33%；反硝化阶段；反硝化阶段55%)；v实现亚硝氮氧化的阻截比较难实现亚硝氮氧化的阻截比较难(高温，高温，SHARON)。短程硝化反硝化*67实际上主要是实现亚硝酸盐的积累：实际上主要是实现亚硝酸盐的积累：v控制温度控制温度30v控制溶解氧浓度控制溶解氧浓度0.6mg/Lv控制污泥龄，使控制污泥龄，使SRT7.2v温度温度 10影响生物除磷的因素*81五、重金属离子五、重
33、金属离子v重金属指的是原子序数在钙重金属指的是原子序数在钙(20)以后的金属以后的金属元素；元素；v重金属离子具有物质不灭性和生物富积性；重金属离子具有物质不灭性和生物富积性；v全球每年释放到环境中的有毒重金属高达全球每年释放到环境中的有毒重金属高达数百万吨：其中数百万吨：其中砷砷为为12.5万吨、万吨、镉镉为为3.9万万吨、吨、铜铜为为14.7万吨、万吨、汞汞为为1.2万吨、万吨、铅铅为为34.6万吨、万吨、镍镍为为38.1万吨万吨*82v根据金属离子与根据金属离子与F F-和和I I-离子结合强弱来分类金属离子结合强弱来分类金属“硬度硬度”：能与：能与F F-形成很强化学键的金属离子称形成
34、很强化学键的金属离子称为为“硬金属硬金属”，如，如NaNa+、MgMg2+2+和和CaCa2+2+等；与等；与F F-形成弱形成弱化学键的金属离子被称为化学键的金属离子被称为“软金属软金属”，如，如HgHg2+2+、CdCd2+2+和和PbPb2+2+等，一般都是有毒的重金属。等，一般都是有毒的重金属。v在生物体内，硬金属离子一般与在生物体内，硬金属离子一般与OHOH-、HPOHPO4 4-、COCO3 32-2-、R-COOR-COO-和和C CO O等等含氧官能团含氧官能团形成稳定化学键，形成稳定化学键，而软金属离子一般与而软金属离子一般与CNCN-、R-SR-S-、-SH-SH-、-NH
35、-NH2 2和咪和咪唑等唑等含氮和含硫基团含氮和含硫基团成键。成键。重金属离子的分类*83v重金属与微生物细胞壁的大分子发生重金属与微生物细胞壁的大分子发生络合络合反应反应v微生物对重金属的微生物对重金属的沉淀沉淀作用作用v微生物对重金属的微生物对重金属的氧化还原氧化还原作用作用v重金属与微生物中的离子发生重金属与微生物中的离子发生离子交换离子交换微生物去除重金属离子的原理*84v络合作用是络合作用是金属离子与几个配基以配位键金属离子与几个配基以配位键相结合形成的复杂相结合形成的复杂离子或分子的过程；离子或分子的过程；v螯合作用是一个配基上同时有两个以上的配位原子与金属结螯合作用是一个配基上同
36、时有两个以上的配位原子与金属结合而形成具有合而形成具有环状结构配合物环状结构配合物的过程。螯合作用和络合作用的过程。螯合作用和络合作用都是金属离子与生物吸附剂之间的主要作用方式。都是金属离子与生物吸附剂之间的主要作用方式。v细胞壁及胞外多聚物等均微生物大分子结构，分子内含有的细胞壁及胞外多聚物等均微生物大分子结构，分子内含有的N N、P P、S S和和O O等等电负性较大电负性较大的原子或基团，能与金属离子发生螯合的原子或基团，能与金属离子发生螯合或络合作用。或络合作用。微生物络合重金属离子*85v细胞吸收主要有两种形式细胞吸收主要有两种形式主动吸收和被动吸主动吸收和被动吸附；附；v被动吸附是
37、指细胞表面覆盖的胞外多糖被动吸附是指细胞表面覆盖的胞外多糖(EPS)(EPS)、细胞壁上的细胞壁上的磷酸根、羧基、巯基、胺基磷酸根、羧基、巯基、胺基等基团以等基团以及胞内的一些化学基团与金属间的结合；及胞内的一些化学基团与金属间的结合；v在微生物处理重金属废水过程中，在微生物处理重金属废水过程中，被动吸附被动吸附是细是细胞吸收的主要形式。胞吸收的主要形式。微生物吸附重金属离子*86v细胞转化是指微生物代谢产生的及细胞自身的细胞转化是指微生物代谢产生的及细胞自身的一些还原性物质将氧化态的毒性重金属离子还一些还原性物质将氧化态的毒性重金属离子还原为原为无毒性的沉淀无毒性的沉淀；v微生物通微生物通过
38、过氧化氧化-还原、甲基化和去甲基化还原、甲基化和去甲基化等等作用将毒性重金属离子转化为无毒物质或沉淀，作用将毒性重金属离子转化为无毒物质或沉淀，微生物转化作用与代谢和酶有关。微生物转化作用与代谢和酶有关。微生物氧化还原重金属*87v离子交换是与细胞物质结合的金属离子被另一离子交换是与细胞物质结合的金属离子被另一些结合能力更强的金属离子代替的过程。有毒些结合能力更强的金属离子代替的过程。有毒的重金属离子与细胞物质具有很强的结合能力，的重金属离子与细胞物质具有很强的结合能力，因此，离子交换在重金属废水的处理中具有特因此，离子交换在重金属废水的处理中具有特别重要的意义。别重要的意义。v一般一般过渡金属被优先吸收过渡金属被优先吸收，而碱金属、铵、镁、，而碱金属、铵、镁、钙则不被吸收。钙则不被吸收。微生物离子交换重金属离子*88v具有选择性；具有选择性；v生产成本低，可重复使用；生产成本低，可重复使用；v吸附和解吸速度快；吸附和解吸速度快；v与水溶液的两相分离应高效、快速、廉价；与水溶液的两相分离应高效、快速、廉价；v吸附容量应比较大；吸附容量应比较大；v具有理想的粒度、形状、机械强度；具有理想的粒度、形状、机械强度；v再生时吸附剂损失量小，经济上可行。再生时吸附剂损失量小，经济上可行。微生物吸附重金属离子的特点
