环境微生物学(10环境污染与控制中的微生物).ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,十,章 环境污染控制与治理中的微生物学,主要内容：,在水处理、固体废弃物处理和废气处理中的微生物及,其作用,生物监测与微生物,第一节 污水生物处理中的微生物生态系统,根据微生物与氧的关系可分为好氧处理和厌氧处理。,根据微生物在构筑物中处于悬浮状态或固着状态，可分,为活性污泥法和生物膜法。,活性污泥和生物膜是净化污（废）水的工作主体。,一、好氧活性污泥法,1.,好氧活性污泥的组成和性质,好氧活性污泥是由多种多样的好氧微生物和兼性厌氧微,生物（兼有少量厌氧微生物）与污（废）水中的有机和,无机固体物混凝交织在一起所形成的絮状体。,（,1,）组成：微生物（好氧、兼性及少量厌氧）,+,固体杂,质（有机和无机）,（,2,）性质：絮状，大小为,0.02-0.2mm,，比表面积在,20-,100cm,2,/ml,；一般为黄褐色，工业污水则与水质有关；含,水率在,99%,，比重,1.002-1.006,，具有沉降性能；,pH,在,6-7,，,弱酸性，具一定的缓冲能力。,2,好氧活性污泥的存在状态,在完全混合式曝气池中，以悬浮状态存在，均匀分布；,在推流式曝气池内，随推流方向而有变化。,3,好氧活性污泥的微生物群落,好氧活性污泥的结构和功能的中心是菌胶团。除细菌外，,在其上面生长有其他微生物，如酵母菌、霉菌、放线菌、,藻类、原生动物及微型后生动物等。,4,好氧活性污泥中微生物的浓度和数量,常用,MLSS,（混合液悬浮固体）或,MLVSS,（混合液挥发性悬,浮固体）来表示。,一般城市污水处理中，,MLSS,在,2000-3000mg/L,，工业废水,在,3000 mg/L,左右，高浓度工业废水在,3000-5000 mg/L,。,1ml,好氧活性污泥中的细菌数在,10,7,-10,8,个。,5.,好氧活性污泥净化废水的作用机理,主要有两方面的作用：吸附有机物,降解有机物,6.,菌胶团的定义与功能,（,1,）絮凝性细菌互相絮凝聚集成的细菌团块成为菌胶团,（,2,）对有机物进行吸附和氧化分解,（,3,）为原生动物和微型后生动物提供良好的生存环境,（,4,）为原生动物提供附着场所,（,5,）具有指示作用,7.,原生动物及微型后生动物的作用,原生动物和微型后生动物在污（废）水生物处理和水体污,染及自净中起到三方面的作用：,（,1,）净化作用,（,2,）指示作用,（,3,）促进絮凝和沉淀作用,进水格珊,沉砂池,初次沉淀池,生化曝气池,二次沉淀池,污泥浓缩池,污泥脱水,污泥回流（提升泵）,二、好氧生物膜法,好氧生物膜法的构筑物有：普通滤池、高负荷生物滤池、,塔式生物滤池，以及生物转盘、接触氧化法（即浸没式滤,池法）等。,1,好氧生物膜,好氧生物膜是由多种多样的好氧微生物和兼性厌氧微生物,粘附在生物滤池滤料上或生物转盘盘片上的一层带粘性、,薄膜状的微生物混合群体,是生物膜法净化污水的工作主,体。,2,好氧生物膜中的微生物及其功能,膜面生物,：固着型纤毛虫和游泳型纤毛虫，起促进滤池净,化速度，提高整体效率的作用；,生物膜生物,：以菌胶团为主,净化和降解作用；,滤池扫除生物,：轮虫、线虫、寡毛类的沙蚕、票页体虫等,，起去除滤池内的污泥、防止污泥积聚和堵塞的功能。,3,好氧生物膜的结构,好氧生物膜在滤池内分布不同于活性污泥，生物膜附着在,滤料上不动，废水自上而下淋洒在生物膜上。因此，在滤,池的不同高度位置，由于微生物得到的营养不同，造成微,生物种类和数量的不同。,4.,好氧生物膜净化废水的作用机理,在生物滤池中，上层生物膜中的生物膜生物（絮凝性细菌,及其他微生物）和生物膜面生物（固着型纤毛虫、游泳型,纤毛虫及微型后生动物）吸附废水中的大分子有机物，将,其水解为小分子有机物。同时吸收溶解性有机物和经水解,的小分子有机物进入体内，并氧化分解之，微生物利用吸,收的营养构建自身细胞。上一层生物膜的代谢产物流向下,一层，被下一层的生物膜生物吸收氧化。分解为二氧化碳,和水。老化的生物膜和游离细菌被滤池扫除生物吞食,。,第二节 活性污泥丝状膨胀及其控制对策,一、污泥膨胀及其成因,1.,污泥膨胀,活性污泥法处理废水，曝气池中的活性污泥，正常情况下是,由许多具有絮凝作用的絮凝细菌,菌胶团细菌占优势，辅,以少量的丝状细菌，大量钟虫类的固着型纤毛虫、旋转虫等,组成。,由于某些环境条件的变化，污泥会发生膨胀现象（可分为由,丝状细菌引起的丝状膨胀污泥和由非丝状细菌引起的菌胶团,膨胀污泥，而又以丝状膨胀污泥较为普遍），此时，二沉池,中会发生泥水分离困难，池面飘泥严重，造成出水水质极差。,2.,活性污泥丝状膨胀的致因微生物,由于丝状细菌极度生长引起的活性污泥膨胀称为活性污,泥丝状膨胀。活性污泥丝状膨胀的致因微生物种类很多，,常见的有：诺卡氏菌属、浮游球衣菌、微丝菌属、发硫菌,属、贝日阿托氏菌属等。,3.,活性污泥丝状膨胀的成因,活性污泥丝状膨胀的主导因素是丝状微生物过度生长，环,境因素促进丝状微生物过度生长。,包括：温度、溶解氧、可溶性有机物及其种类、有机物浓,度（或有机负荷）等。此外，,pH,值的变化也可能会引起活,性污泥丝状膨胀。,引起活性污泥丝状膨胀的原因是比较复杂的，要具体问题,具体分析，然后采取相应的措施予以控制。,二、控制活性污泥丝状膨胀的对策,解决活性污泥丝状膨胀的问题，从根本上说是要控制引起丝,状微生物的过度生长的具体环境因子。,1,控制溶解氧,:,在,2mg/L,以上,2,控制有机负荷,:BOD,污泥负荷在,0.2-0.3kg/kgMLSS.d,为宜,3.SBR,工艺,第三节 厌氧生物处理中的微生物群落,高浓度有机废水或剩余活性污泥多用厌氧消化法处理。高,浓度有机废水还可用有机光合细菌处理。,一、厌氧消化甲烷发酵,沼气发酵，已有多年的研究历史，常用于将城市的垃圾、,粪便、污水、工业废水及生物处理的剩余污泥等的处理，,并从中获得可燃性气体,沼气（甲烷，,CH,4,）。常用的构,筑物为发酵罐或消化池。,甲烷发酵的微生物群落与有氧环境中的不同，它们是由分,解蛋白质、脂肪、淀粉、纤维素等的专性厌氧菌和兼性厌,氧菌及专性厌氧的产甲烷菌等组成。,甲烷发酵理论与机制（四阶段理论）,：,第一阶段：水解和发酵性细菌群,将复杂有机物如纤维素、淀粉等水解为单糖后，再酵解为丙,酮酸；将蛋白质水解为氨基酸，脱氨基成有机酸和氨；将脂,类水解为各种低级脂肪酸和醇，如乙酸、丙酸、丁酸、长链,脂肪酸、乙醇、二氧化碳、氢、氨和硫化氢等。,第二阶段：产氢和产乙酸细菌群,把第一阶段的产物进一步分解为乙酸和氢气。,第三阶段：两组生理特性不同的专性厌氧的产甲烷菌群,一组,将氢气和二氧化碳合成甲烷；另一组是将乙酸脱羧生成甲烷,和二氧化碳，或利用甲酸、甲醇及甲基胺裂解为甲烷。,第四阶段：同型产乙酸细菌,将氢气和二氧化碳转化为乙酸。,厌氧活性污泥,：,由兼性厌氧菌和专性厌氧菌与废水中的有机杂质交织在,一起形成的颗粒污泥。,厌氧活性污泥的微生物种类、组成、结构及污泥颗粒等,性质，与厌氧消化处理的效果好坏有很大关系。,二、光合细菌处理高浓度有机废水,BOD,5,在,10000mg/L,以上的高浓度有机废水（浓粪便水、豆制品,废水、食品加工废水、屠宰废水等）可用有机光合细菌（,PSB,）处理。因有机光合细菌只能利用脂肪酸等低分子化合物，,所以，先要用水解性细菌将碳水化合物、蛋白质和脂肪水解,为脂肪酸、氨基酸、氨等物质。利用光合细菌处理的,BOD,5,去,除效果可达,95%,，甚至达,98%,。,常用的有机光合细菌有：红螺菌科的红螺菌属、红假单胞菌,属和红微菌属,。,三、含硫酸盐废水的厌氧微生物处理,在发酵工业的废水，如味精（即谷氨酸）废水和赖氨酸废,水中含的硫酸根（,SO,4,2-,）有,200-30000mg/L,。低浓度的,SO,4,2-,可作为好氧微生物的无机营养，但高浓度的,SO,4,2-,对微生物,有毒害作用。,在甲烷发酵中，当有,SO,4,2-,存在时，硫酸盐还原菌会与产甲,烷菌争夺氢，使产甲烷菌得不到,H,2,，无法还原,CO,2,为,CH,4,。因,此，在甲烷发酵之前，需要将,SO,4,2-,的浓度降低。,SO,4,2-,的去除的方法,化学法：加,CaO,和,Ca(OH),2,生成,CaSO,4,沉淀，若加少量的,FeCl,3,，效果更佳。,厌氧微生物方法：用,SBR,法，利用在厌氧条件下，硫酸盐还原菌发生反硫化作用，以,SO,4,2-,为最终电子受体，利用有机物为供氢体，将,SO,4,2-,还原成,H,2,S,从水中溢出。,第四节 废水的生物脱氮和除磷,一、废水脱氮除磷的目的意义,氮磷物质进入水体，就会造成很大的危害，其中最大的问题就,是引起水体富营养化。因此，废水的除磷脱氮十分重要，尤其,是当废水处理后被排入一些湖泊、海湾等敏感水体时。,二、废水生物脱氮原理及工艺,1.,生物脱氮原理,生物脱氮首先是利用好氧过程，由亚硝化细菌和硝化细菌将废,水中的,NH,3,转化成,NO,3,-,，再利用缺氧段经反硝化作用，将,NO,3,-,还原成氮气（,N,2,），溢出水面释放到大气中，从而减少水中的,含氮物质，降低对水体的潜在威胁。,2.,参与生物脱氮的微生物,(1),硝化作用段微生物,亚硝化细菌和硝化细菌在自然界广泛分布，在土壤、淡水、海水和污水处理系统中均有发现。它们是革兰氏阴性的好氧菌，化能无机营养。,(2),反硝化作用段微生物,反硝化细菌是所有能以,NO,3,-,为最终电子受体，将,HNO,3,还原成,N,2,的细菌总称，需要有机物的存在。它包括许多种类的细菌。,3.,脱氮的工艺,A/O,、,A,2,/O,、,A,2,O,2,及,SBR,等均能取得较好的脱氮效果。经过厌氧,-,好氧或缺氧,-,好氧的合理组合，既能除去,COD,和,BOD,，又能进行,脱氮，还能除磷。,图,A,、,B,两种排列的,A/O,系统示意图,N-,硝化，,DN-,反硝化，,S-,沉淀池,三、废水生物除磷原理及工艺,1.,生物除磷原理,某些微生物在好氧时能大量吸收磷酸盐合成自身核酸和,ATP,，,并且能逆浓度过量吸磷合成贮能的多聚磷酸盐颗粒，供其内源,呼吸用。这些细菌称为聚磷菌,(PAO),。,在厌氧条件下,，聚磷菌在分解体内的聚合磷酸盐的同时产生,ATP,，并利用,ATP,将废水中的脂肪酸等有机物摄入细胞，以,PHB,（聚,羟基丁酸）及糖原等有机颗粒的形式贮存于细胞内，同,时将分解聚磷酸盐所产生的磷酸排出细胞。,转入好氧环境,，聚磷菌能利用氧化聚,羟基丁酸盐所释放的能,量来摄取废水中的磷，并合成聚磷酸盐贮存在细胞内。一般来,说，微生物在增殖过程中，好氧摄取的磷比在厌氧条件下所释,放的磷多。,因此，如果能创造厌氧和好氧条件的交替，让聚磷菌首先在厌,氧条件下释放磷，然后在好氧条件下充分过量地吸磷，尔后通,过排泥，就可以达到从废水中去除磷物质的目的。,2.,参与生物除磷的微生物,具有聚磷能力的微生物目前所知绝大多数是细菌。聚磷的活性,污泥是由许多好氧异氧菌、厌氧异氧菌和兼性厌氧菌组成。实,质上是产酸菌（统称）和聚磷菌的混合群体。,从种类上来看，聚磷能力强、数量占优势的有不动杆菌属（莫,拉氏菌群）、假单胞菌属、气单胞菌属和黄杆菌属等,60,多种。,硝化杆菌中的亚硝化杆菌属、亚硝化球菌属、亚硝化叶菌属和,硝化杆菌属、硝化球菌属等也具有聚磷能力。,3.,生物除磷的工艺,人们开发研究出多种废水生物除磷工艺，这些工艺在去除废水,中磷的同时，还能有效去除水中的有机物和进行硝化或脱氮作,用。按照运行方式，可分为连续式和间歇式（序批式）两类。,常见的生物除磷工艺有：,A/O,及,A,2,/O,、,UCT,工艺、,VIP,工艺、,SBR,等。,各种工艺各有优缺点，它们的工作主体硝化细菌和除磷细菌的,生理稍有不同，两者在对碳源的要求上存在竞争。因此，可根,据水质选用合适的工艺，即使是同一个工艺，其排列组合和运,行条件也要随着实际条件而进行调整,。,图,A/O,工艺流程示意图（除磷）,图,A,2,/O,工艺流程示意图,第五节 固体废弃物的微生物处理,目前垃圾处理的方法主要有：堆肥法、填埋法和焚烧法。,其中堆肥法和填埋法为生物处理方法，用以处理可生物降,解的有机固体废弃物,。,一、堆肥法,堆肥是依靠自然界广泛分布的细菌、放线菌和真菌等微生,物，有控制地促进可生物降解的有机物向稳定的腐殖质转,化的过程。堆肥是优质的土壤改良剂和农肥。堆肥法就是,利用堆肥化过程来处理城市的生活垃圾及其他有机固体废,弃物的方法,。,1.,好氧堆肥,有机固体废弃物的主要成分是纤维素、半纤维素、糖类、,脂肪和蛋白质等。,好氧堆肥在通气条件下，利用好氧微生物分解大分子有机,固体废弃物为小分子有机物，部分有机物被矿化成无机物。,在好氧堆肥过程中，会释放出大量的热能，使温度升高，,可达,50-65,，甚至,80-90,，最后有机固体废弃物被完全,腐熟成稳定的腐殖质。,在整个堆肥过程中，有微生物的演替，各类微生物分别作,用。,堆肥工艺有：静态堆肥工艺、高温动态堆肥工艺、立仓式,堆肥工艺、滚筒式堆肥工艺等,。,2.,厌氧堆肥与卫生填埋法,厌氧堆肥与污水厌氧处理原理相似，但堆肥过程中产生一,些有害气体有味气体，需要后处理。,卫生填埋法是在堆肥法的基础上发展起来的，其处理原理,与厌氧堆肥原理相同，均利用好氧微生物、兼性厌氧微生,物和厌氧微生物处理。,卫生填埋要求采取各种预防措施，以尽量减少填埋场地对,周围环境、大气和地下水源的污染。,图 卫生填埋场示意图,（引自马文漪，杨柳燕,.,环境微生物工程,.,南京：南京大学出版社，,1998,）,第六节 废气的生物处理,一、废气的生物处理方法,废气的生物处理有植物净化法和微生物净化法。,植物净化法就是利用植物吸收和转化大气中的污染物，包,括二氧化碳，放出氧气清洁空气。,微生物净化法是利用处理装置对气态污染物进行处理，如,生物吸收池、生物洗涤池、生物滴滤池和生物过滤池。,生物吸收装置流程,二、含硫恶臭污染物及,NH,3,、,CO,2,的微生物处理,1.,含硫恶臭污染物的净化,如,H,2,S,、甲硫醇、二甲基硫醚、二甲基二硫醚和二甲基亚矾,等。有许多细菌能对含硫恶臭污染物进行净化,。,2.NH,3,、,CO,2,的净化,将,NH,3,溶于水中成,NH,4,+,，通入生物滴滤池，利用硝化作用将,其氧化成,NO,2,-,和,NO,3,-,。,对于,CO,2,，利用植物藻类的光合作用同化和，或者化能自养,微生物固定。,3.,挥发性有机物的生物处理,包括苯及其衍生物、酚及其衍生物、醇类、醛类、酮类、,脂肪酸等。挥发性有机物中有许多是“三致”物质。,挥发性有机物的生物处理设备较多的是生物滴滤池法。,第七节 环境监测与微生物,利用生物在该环境中的反映来确定环境的综合质量，无疑,是最理想和最重要的手段。由于微生物的特点，它在生物,监测中起着十分重要的作用。,一、水体污染的生物检验,水体污染的生物检验主要有以下几个方面：,利用指示生物检验,如对大肠菌群的检测,(2),水污染的生物测试,即利用水生生物受到污染物的毒害所产生的生理机能的,变化，检验水质污染的状况，这种方法可以检验水体的,单因素污染。对检验复合污染也能收到良好的效果。,如水蚤在低溶解氧情况下呈现深红色,二、利用微生物检测环境毒性的方法,环境中存在许多具有毒性的化学物质，由于它们数量多,，含量低，作用机理复杂，使得对它们的测定特别是毒,性的确定成为一个难题。利用微生物可以有效地检测环,境毒性。,1.Ames,氏法,鼠伤寒沙门氏菌,(,Salmonella typhinarium,),的组氨酸营,养缺陷型菌株发生回复突变,2.,发光细菌检测法,发光细菌在合适培养条件下会发出蓝色的可见光，当它,接触有毒污染物时，细菌的新陈代谢受到影响，发光强,度减弱或熄灭，发光细菌发光强度的变化可用发光检测,仪测定出来。在一定范围内，有毒物浓度大小与发光细,菌发光强度变化成一定比例关系。因此可以通过发光细,菌来检测环境中的有毒污染物质。,发光细菌应用最多的是明亮发光杆菌（,Photobacterium,phosphoreum,）。,