有机物降解
典型有机物的生物降解
研究有机物对微生物群落结 构和功能的影响以及微生物 群落对有机物降解的反馈作
用
利用基因组学和蛋白质组学研究生物降解的分子机制
通过基因组学手段分析参与有机物生物降解的 关键基因及其作用机制
通过蛋白质组学手段分析有机物生物降解过程 中的关键酶及其作用机制
研究基因组学和蛋白质组学在有机物生物降解 中的相互关系和作用原理，为深入理解有机物 生物降解过程提供分子层面的证据
生物降解的过程
溶解
有机物首先溶解在水中，以便微生 物接触并分解。
分解
微生物分泌的酶将有机物分解成小 分子。
吸收
微生物将分解后的小分子吸收到细 胞内，进一步分解或利用。
排泄
微生物将分解后的无机物排出体外 ，完成生物降解过程。
03
典型有机物的生物降解
有机酸和醇的生物降解
氧化反应
有机酸和醇可被氧化为相应的 酮或醌，涉及的酶是醇氧化酶
05
生物降解的应用
水处理和废水处理
废水处理
生物降解是废水处理的核心方法之一，通过微生物的分解代谢，可以去除废水中 的有机污染物，达到净化水质的目的。
水处理
生物降解技术也可用于水处理，如活性污泥法、生物膜法等，有效去除水体中的 有机污染物，提高水质。
有机废物的生物降解
有机废物处理
利用微生物对有机废物进行分解代谢，实现有机废物的减量 化、无害化和资源化。
和过氧化酶。
还原反应
某些有机酸和醇可在还原酶的作 用下被还原为烷烃或醇。
水解反应
某些有机酸和醇可发生水解反应， 产生无机酸和醇。
有机酯的生物降解
水解反应
有机酯可在酯酶的作用下水解 为醇和酸。
氧化反应
有机化合物的降解的定义
有机化合物的降解一、有机化合物降解的定义有机化合物的降解是指有机化合物在环境因素的作用下，经过一系列化学反应，最终分解为简单无机物的过程。
这个过程对于维持生态系统的平衡和稳定具有重要意义，同时也是处理有机废物和有害有机污染物的有效手段。
二、有机化合物降解的主要方式1. 生物降解：有机化合物在微生物的作用下发生的降解过程。
微生物通过分解有机物质获取能量，同时产生二氧化碳、水等无机物质。
生物降解在土壤、水体等自然环境中广泛存在，对于维持生态平衡起着重要作用。
2. 光化学降解：有机化合物在光照条件下发生的降解过程。
光化学降解主要包括光解和光氧化两种类型。
光解是指有机物直接吸收光能发生分解，不产生自由基或活性氧；光氧化是指有机物吸收光能后产生自由基或活性氧，进而发生氧化还原反应。
光化学降解在处理有机污染物方面具有重要应用。
3. 化学降解：有机化合物在化学反应的作用下发生的降解过程。
常见的化学降解包括氧化、还原、水解等反应类型。
化学降解通常在实验室或工业生产中进行，可以通过化学反应将有机污染物转化为无害或低毒性的物质。
4. 热降解：有机化合物在加热条件下发生的降解过程。
热降解可以通过高温燃烧、热解等方法实现，可以将有机污染物转化为二氧化碳、水等无机物质。
热降解在处理高浓度有机废水、废气等方面具有广泛应用。
5. 土壤降解：有机化合物在土壤环境中发生的降解过程。
土壤降解主要发生在土壤微生物的作用下，同时土壤的理化性质如pH、湿度、温度等也会影响土壤降解的速率和程度。
土壤降解对于减少农药残留、治理土壤污染等方面具有重要意义。
三、有机化合物降解的影响因素有机化合物的降解速率和程度受到多种因素的影响，包括但不限于以下几项：1. 环境条件：温度、湿度、光照、pH值等环境因素对有机化合物的降解有显著影响。
例如，光化学降解的速率随温度的升高而增加，但过高的温度可能导致降解产物的不稳定性增加。
2. 物质性质：有机化合物的结构、分子量、官能团等特性对其降解速率和方式有重要影响。
有机污染物的降解
有机污染物的降解有机污染物的降解是指将有机污染物从空气、土壤或水体中分解去除的过程，这些有机污染物主要是由人类活动释放的，其中包括各类有机污染物，如家用和工业废水中的有机液体、烃类、炔类、烷类、酚类、芳烃类等。
有机污染物的降解主要包括以下几种方式：(1) 微生物降解法：微生物降解是有机污染物的重要降解方式，微生物能够降解有机污染物，将其转化为一系列简单的有机化合物，如CO2、水和硝酸盐，从而降低污染物的浓度，减少对环境带来的污染及危害。
(2) 光化学降解法：光化学降解是一种广泛应用的有机污染物降解方法，利用紫外线作用，复杂的有机分子结构会被分解成更简单的有机物，从而降低污染物的浓度。
(3) 化学降解法：化学降解也是有机污染物降解的重要方法，也叫氧化降解，它是利用催化剂将有机污染物氧化成水或无害物质的一种方法，以减少污染物的浓度，达到制约污染的目的。
(4) 电化学降解法：电化学降解也叫电解氧化法，是利用电流进行氧化降解，可以降解含氮、磷、氰基、羰基等有机物，从而降低污染物的浓度，保护环境的安全。
总之，有机污染物的降解不仅能解决有机类污染物的污染问题，而且是一种经济、安全、可行的技术手段，可以说有机污染物降解技术有着重要的意义和应用价值，对于保护环境，减少有机污染物的污染，起到了重大的作用。
传统的有机污染物降解技术有其局限性，因此研究人员研发了一系列新型降解技术来替代，使有机污染物能够更有效、安全地降解。
其中包括：生物电化学降解法，即将特定的微生物与电化学过程结合起来，利用微生物的共同作用，催化有机污染物的降解；氧化还原技术，可以利用铁离子和氧气，通过电化学作用，使有机污染物在环境中被氧化成无害物质；非典型微生物降解法，主要是利用异质固定床，实现有机污染物的有效降解；还有结合激光技术和UV消毒技术等多种技术。
以上这些技术技巧都是利用不同的物理、化学方法，有助于降低有机污染物对环境的影响，保护环境的安全。
典型有机物的生物降解
蜡质的生物降解
蜡质是一种长链脂肪酸，可被某些微生物分解。这些微生物产生蜡质酶，将蜡 质分解为长链脂肪酸和醇。
蛋白质及其生物降解
氨基酸的生物降解
氨基酸是蛋白质的基本组成单位，可被各种微生物分解。微生物将氨基酸分解为氨、相应的酮酸和能 量。氨可以进一步代谢为尿素或其他含氮化合物。
要点三
3. 微生物修复技术
微生物修复技术主要包括原位修复和 异位修复两种方法。原位修复是将修 复剂直接施加到污染土壤中，而异位 修复则是将污染土壤转移至修复场地 进行处理。两种方法均可有效修复石 油污染土壤。
案例三：石油污染土壤的微生物修复
4. 影响因素
影响微生物修复效果的因素包括温度、湿度、pH值、氧 气供应、营养物质等。在修复过程中，需要控制这些因 素以获得最佳的修复效果。
蛋白质的生物降解
蛋白质可以被各种微生物分解。微生物通过蛋白酶将蛋白质分解为肽和氨基酸，进一步代谢为能量或 合成其他物质。
其他有机物及其生物降解
核酸的生物降解
核酸（DNA和RNA）可以被核酸酶分解为核苷酸和磷酸。核苷酸则被分解为碱 基、五碳糖和磷酸。这些基本组成单位进一步代谢为其他物质。
木质素的生物降解
案例三：石油污染土壤的微生物修复
要点一
1. 石油污染的来源和 危害
石油污染主要来源于石油泄漏、石油 开采、炼油厂排放等。石油污染会导 致土壤结构破坏、土壤肥力下降、植 物生长受阻等问题，对生态环境和人 类健康造成严重影响。
要点二
2. 微生物修复原理
微生物修复是一种有效的石油污染土 壤修复技术。通过添加营养物质和调 节环境条件，促进能够分解石油的微 生物的生长和繁殖，从而加速石油的 分解和转化。
有机污染物降解的方式有哪些
有机污染物降解的方式有哪些
1、碳水化合物降解。
碳水化合物是由碳、氢、氧组成不含氮的有机物，其降解是由细菌在细胞膜外通过水解将碳水化合物从多糖转化为二糖，再转化为单糖，再转化为丙酮酸。
在有氧条件下，丙酮酸在乙酰辅酶作用下，最终氧化为水和二氧化碳。
在缺氧状态下，丙酮酸氧化不能充分进行，最终产物是酸、醇、酮等；这一过程，称为发酵。
2、脂肪降解。
首先由脂肪外酶将脂肪水解成甘油和脂肪酸，然后甘油进一步降解转化为丙酮酸，并在有氧条件下达到完全氧化，在缺氧条件下进行发酵；脂肪酸降解先生成醋酸，在有氧条件可达到完全降解，在缺氧条件下进行发酵，产生各种有机酸。
3、蛋白质降解。
蛋白质是含氮的多种氨基酸分子组成的复杂有机物，其降解首先是肽键的断开和羟基、氨基的脱除，然后逐步氧化，最终产物为碳水化合物。
4、农药降解。
农药是环境中的主要污染物，是难降解的有机物，易在生物体内富集、残留。
一般有机磷农药较易降解；有机氯农药在微生物、紫外线及其他因素作用下可缓慢地降解。
微生物降解农药的化学过程有脱氯、脱烷基、酰胺和酯的水解。
通过还原作用、环破裂作用、耦合作用、共代谢作用等，可使有机氯农药逐步降解。
在厌氧条件下，有机氯农药在微生物作用下可以分解。
《有机物降解》课件
通过电化学反应将有机物分解为小分子，具有选 择性高、处理效率高的特点。
未来发展方向与挑战
深入研究有机物降解的机理
深入了解有机物降解过程中的反应机制和影响因素，为新技术的研发 提供理论支持。
开发高效、环保的降解技术
针对不同种类的有机物，开发出高效、环保、低成本的降解技术，满 足实际应用需求。
04
有机物降解的应用
有机废弃物的处理
农业废弃物
利用有机废弃物生产有机肥料和生物农药，减少化肥和农药的使 用，提高土壤质量。
城市生活垃圾
通过堆肥、厌氧发酵等方式处理城市生活垃圾，生产有机肥料和生 物燃气，实现垃圾减量化和资源化利用。
工业废弃物
利用有机废弃物进行生物处理，减少对环境的污染，同时实现废弃 物的资源化利用。
。藻类Leabharlann 藻类是一类自养生物，它们能够 通过光合作用将二氧化碳转化为 有机物，同时也能降解多种有机
物。例如，蓝藻和绿藻等。
微生物降解的机制
生物转化
微生物通过酶的作用将有机物转 化为更小的分子，如脂肪酸、醇 和醛等，这些分子可以被微生物
进一步利用或释放到环境中。
共代谢
有些有机物对于某些微生物来说不 是能源或碳源，但它们可以被微生 物作为辅助物质进行降解。
pH值是影响有机物降解的重要因素之一。在酸性或碱性条件下，某些有机物可能不易被微 生物降解。
不同微生物对pH值的要求不同，有些微生物在酸性条件下生长较好，而有些则在碱性条件 下生长较好。因此，pH值的变化会影响有机物的降解过程。
在实际应用中，可以通过调节pH值来促进有机物的降解。例如，在废水处理中，可以通过 添加酸或碱来调节pH值，从而提高有机物的去除效率。
有机物 降解 机制
有机物降解机制有机物降解机制引言：有机物降解是指有机物在自然环境中经过一系列化学、生物或物理过程逐渐分解、转化为无机物的过程。
这一过程对于维持环境平衡和生物循环至关重要。
本文将从生物降解、化学降解和物理降解三个方面，探讨有机物降解的机制。
一、生物降解生物降解是指有机物在生物体内或生物作用下逐渐分解为较简单的无机物的过程。
生物降解是自然界最常见的降解方式，其机制主要包括酶催化、微生物作用和生态系统调控。
1. 酶催化酶是一类特殊的蛋白质，能够加速化学反应速率。
在有机物降解过程中，酶通过催化剂的作用，降低反应活化能，使有机物分子发生断裂、转化。
例如，多酚氧化酶能够催化酚类物质的氧化反应，将其转化为酚醛类物质。
2. 微生物作用许多微生物能够利用有机物作为能源和营养来源，通过降解有机物来获取生长所需的能量。
微生物分泌的酶能够将复杂的有机物分解为较简单的有机物，然后进一步降解为无机物。
例如，厌氧菌能够将有机酸降解为乙酸、氢气和二氧化碳。
3. 生态系统调控生态系统中的生物多样性和相互作用对有机物降解有重要影响。
生物多样性丰富的生态系统能够容纳更多的降解菌种，提高有机物降解的效率。
此外，生态系统中的生物之间还存在着协同作用和竞争关系，这些相互作用也会对有机物降解过程产生影响。
二、化学降解化学降解是指通过化学反应将有机物分解为较简单的无机物的过程。
化学降解的机制主要包括氧化、水解、光解等。
1. 氧化氧化是指有机物与氧发生反应，形成氧化产物的过程。
氧化反应可以通过氧气、过氧化氢等氧化剂催化进行。
例如，有机物中的醇可以被氧气氧化为醛、酮；烷烃可以被氧气氧化为醇。
2. 水解水解是指有机物与水发生反应，形成水解产物的过程。
水解反应通常需要在酸碱催化下进行。
例如，脂肪酸与水在碱催化下发生水解反应，生成相应的醛、酮和醇。
3. 光解光解是指有机物在光照条件下发生分解的过程。
光解反应通常需要吸收特定波长的光能才能进行。
例如，光能可以使有机物中的化学键断裂，产生自由基，进而引发链式反应，最终将有机物分解为无机物。
可以分解有机物的方法
可以分解有机物的方法
可以分解有机物的方法主要包括以下几种：
1、生物降解：这是一种自然过程，通过微生物将有机物分解成更简单的物质，如二氧化碳、水和矿物质。
这种方法被认为是可持续且环保的。
2、高温处理：在强氧化剂的作用下，将有机物经过长时间的高温处理，破坏其分子结构，使有机物分解呈气态逸散。
3、蓄热氧化技术（RTO）：通过加热有机废气到760℃以上，使挥发性有机物在燃烧室中氧化分解成CO2和H2O。
4、好氧生物堆肥：利用微生物在有氧条件下降解基质中的有机物。
5、化学氧化：使用过氧化钠弹筒熔融法、封管分解法、碱熔和湿法分解等方法，将有机物中的特定元素（如磷）氧化分解。
6、光催化分解法：利用催化剂和光的作用，分解挥发性有机物。
7、电催化转化：通过电催化的手段，降低反应活化能，加快有机物转化反应的过程。
8、厌氧消化技术：在厌氧条件下，厌氧微生物将湿垃圾中有机物分解转化为甲烷、二氧化碳及其他产物。
9、使用HNO3进行消解：长时间低湿消解有机物质，然后进行测定。
10、催化燃烧法：使用氧化催化剂的催化燃烧法，以及蓄热催化燃烧法，用于分解挥发性有机化合物(VOCs)。
有机物的生物降解说明
有机物的生物降解说明在自然界中，有机物被分解的方式大体可以分为光分解、化学分解和生物分解三种类型，其中生物分解在物质循环中起的作用最为重要。
动物、植物及微生物都能分解有机物，而绝大部分有机物都要通过微生物最终转化为无机物，即完全降解。
在废水处理领域所说的生物降解指的就是微生物的降解，微生物通过氧化还原作用、脱羧作用、脱氨作用、水解作用等生物化学过程把有机物逐步转化为无机物，从而使废水得到净化。
参与废水中有机物生物降解的微生物有细菌、真菌、藻类、原生动物、微型后生动物等。
（1）细菌细菌是废水生物处理中应用到的最重要的微生物，是类似植物的单细胞生物，缺乏叶绿素和明显的细胞核，大小只有几微米，有球菌、杆菌、弧菌和丝状菌四大类型。
荚膜是细菌的一种特殊构造，是围绕在细胞壁外的一层黏液，由多糖物质构成。
当荚膜物质融合在一起，内含多个细菌时，称菌胶团，一方面防止动物吞食，起保护作用；另一方面也增强了对不良环境的抵抗能力。
菌胶团是活性污泥的重要组成部分，有较强的吸附和氧化有机物的能力，在废水生物处理中具有重要作用。
一般说来，活性污泥性能的好坏可以根据所含菌胶团的多少、大小及结构的紧密程度来确定。
新生菌胶团颜色较浅，生命力旺盛，氧化分解有机物的能力较强。
老化的菌胶团由于吸附了很多杂质，颜色变深，生命力较差。
一种细菌在适宜条件下形成一定形态结构的菌胶团，而遇到不适宜环境时，菌胶团就会发生松散，甚至呈现单独细菌，影响处理效果。
因此，为了使废水处理达到较好的效果，要求菌胶团结构紧密，吸附沉降性能好，这就必须满足胶团菌对营养和环境条件的要求。
（2）真菌真菌也是类似植物的低等生物，但其结构比细菌复杂，个体比细菌大，具有明显的细胞核，但没有叶绿素，不能进行光合作用，营寄生或腐生，形态分为单细胞和多细胞两种。
真菌能够分解碳水化合物、脂肪和蛋白质等有机物。
废水生物处理构筑物中也会存在真菌，生物膜中的真菌数量比活性污泥中真菌含量要多，但是数量都没有细菌多，不是废水处理的主要微生物。
一、有机物降解
曝气池污泥浓度X及回流污泥浓度Xr随回流比的变化趋势见图
X （克/升）
Xr
12
6
X0
0
1 2 3 4 5 图 回流比对曝气池污泥浓度及回流污 泥浓度的影响
r 6
由上图可以看出：回流比增大，Xr随 之逐渐降低，而X则逐渐增高；当回流比 趋向于无穷大时，二者趋向于同一数值。 在一定范围内，提高污泥回流比可大幅度 提高曝气池污泥浓度，进而可以提高活性 污泥法系统的处理效率，然而回流比提高 的同时使得曝气池内有机物平均浓度有所 降低。
（4）德州联合润通水务有限公司（10万吨/日）
污水
氧化沟
污泥回流 图11 原工艺流程
二沉池
污水
好氧缺氧池
厌氧池
二沉池 污泥回流 图12 新工艺流程
目前已完成2.5万吨试验改造。
工艺特点
主要发现： 根据统一动力学理论发现了生物因子非线性反应 增长现象，即生物浓度较高时，反应速度与生物浓度 之间呈非线性关系（增加生物浓度时反应速度增加较 少），增加活性污泥浓度，相对提高硝化菌、反硝化 菌、聚磷菌在生物相中所占的比例。 根据该动力学负荷理论发现了厌氧反应段的不完 全进水（即将其中一部分废水进入厌氧池）可提高污 泥浓度从而提高活性污泥法硝化效率这一技术关键， 通过全程合理分点、多点配水，降低反应池中的基质 浓度，从而能进一步相对提高硝化菌、反硝化菌、聚 磷菌在生物相中所占比例。 主要发明： 分点进水厌氧-多级好氧缺氧活性污泥法工艺系统。 主要创新点： 厌氧反应段的不完全进水方法。
三、回流污泥浓度优化理论
曝气池污泥浓度计算公式一般表示为：
X rX r /(1 r )
我们提出的回流污泥浓度计算模型为：
堆肥有机物的降解反应有哪些
堆肥有机物的降解反应有哪些1、蛋白质的降解。
在合适的环境条件下，微生物利用自身合成的蛋白酶将物料中的蛋白质降解为氨基酸，氨基酸经微生物的脱氨作用生成有机酸与NH3，经微生物脱羧作用生成胺与CO2.胺再经一系列酶催化反应（氨氧化酶、脱氢酶等）生成有机酸，后被彻底氧化为H2O和CO2.2、脂质的降解。
脂质经真菌脂肪酶的水解作用分解为脂肪酸和甘油，甘油继续在甘油激酶的作用下生成甘油-3-磷酸，进而在磷酸甘油脱氢酶的作用下生成二羟丙酮磷酸，最终进入真菌线粒体和细菌的拟线粒体的三羧酸循环被彻底氧化为H2O和CO2.脂肪酸进行β-氧化，经过一系列的氧化、水化、进一步氧化、硫解反应下生成乙酰-CoA、FADH2、NADH，乙酰-CoA进入三羧酸循环被分解为H2O和CO2，FADH2、NADH经过氧化磷酸化生成大量ATP供微生物生命活动。
3、淀粉的降解。
微生物不能直接利用淀粉，必须先依靠微生物胞外水解酶的作用将其分解为单糖等形式。
单糖进入微生物细胞内，经葡萄糖激酶、磷酸果糖激酶、磷酸甘油酸激酶、丙酮酸激酶等一系列酶促反应生成丙酮酸和NADH，NADH经氧化生成ATP，丙酮酸进入三羧酸循环被分解为H2O、CO2和ATP。
4、纤维素、半纤维素的降解。
木质纤维素构成了所有植物的主体部分，通常也大量存在于生活垃圾和农业废物中。
木质纤维素中纤维素占40%到60%，半纤维素占20%到35%，木质素占15%到30%。
微生物通过合成纤维素酶来降解纤维素，纤维素酶主要包括C1、CX和β-葡萄糖苷酶3部分，C1酶破坏纤维素中晶体状结构后，CX酶进行水解反应，水解部分纤维素及纤维素衍生物，最后由外切β-1，4-葡萄糖苷酶和内切β-1，4-葡萄糖苷酶将纤维素链分解，生成葡萄糖，纤维二糖等小分子物质。
最终经糖酵解和三羧酸循环被完全分解。
5、木质素的降解。
木质素分子中含有芳香基、酚羟基、醇羟基、羰基、甲氧基、羧基、共轭双键等活性基团，可进行氧化、还原、水解、卤化、硝化、磺化、醇解、烷基化、酰化、缩合或接枝共聚等化学反应，化学性质较为复杂，溶解性差，难以被酸水解。
有机物降解方法
可生物降解有机物去除机制与规律现有水厂常规工艺一般由混凝、沉淀（澄清）、过滤和加氯消毒组成，大量研究表明常规工艺对水中有机物去除能力有限，主要对大分子量的有机物（腐殖质、胶体物质）去除较为有效；而对水中可生物降解有机物（BDOC与AOC）的去除率一般小于30%，且波动较大，受源水水质、水温影响大。
这是因为混凝剂易与憎水性强的大分子有机物螯合，发生电性中和与吸附架桥作用，使其得到有效的去除；而小分子有机物亲水性强，在水中接近于真溶液状态存在，不易于混凝剂结合或被絮体吸附，故去除效果不佳。
此外，水源水中低腐殖质含量和低DOC浓度，都是常规工艺对有机物去除效果差的原因。
V olk等人的研究发现，低pH值下的强化混凝使DOC与BDOC的去除均得到了改善, DOC 与BDOC含量的减少可使得消毒过程中副产物生成量减少；但对AOC的去除没有影响，这可能是因为AOC为小分子的非腐殖质物质组成。
强化混凝以及强化过滤是在现有工艺基础上进行改造，不用增加构筑物，改造费用和运转费用增加很少，是改善净水处理效果的最为经济可行的方法。
生物处理从AOC和BDOC的定义来看，它们代表的是细菌易利用分解的有机物，无疑生物处理是去除可生物降解有机物有效的单元处理工艺。
目前给水生物处理技术主要采用生物膜的方法，其能直接降解小分子量亲水性的有机物，利用胞外酶分解大分子量有机物，并对大分子有机物具有一定的生物吸附作用。
经生物处理后还能降低胶粒的Zeta电位，使胶粒更容易脱稳。
Kooij 报道生物滤池出水可使AOC含量低于10μg乙酸碳/L。
Huck等报道运行70天煤砂双层生物滤池出水AOC能达到低于50μg乙酸碳/L的水平。
有报道生物前处理可使AOC去除率达45%。
生物处理对可降解有机物的有效去除使得饮用水生物稳定性大大提高，减少了消毒剂的用量以及细菌的再生长，因而已成为给水处理中倍受关注的工艺方法。
臭氧氧化众多研究证实，臭氧氧化将引起水中AOC和BDOC的增加，TOC却会降低。
微生物的有机物降解
有机物浓度的影响
有机物浓度对微生物的生长和有机物 降解速率具有重要影响。在一定范围 内，有机物浓度的增加会促进微生物 的生长和有机物降解速率的提高。
但当有机物浓度过高时，可能会对微 生物的生长和有机物降解产生抑制作 用，甚至导致微生物死亡。
06
微生物有机物降解的前 景与挑战
微生物有机物降解的前景
1 2 3
环境保护
微生物有机物降解能够将有机废弃物转化为无害 物质，减少环境污染，降低生态破坏。
资源化利用
通过微生物有机物降解，可以将废弃物转化为有 价值的产品，如生物燃料、生物塑料等，实现资 源循环利用。
生物技术应用
微生物有机物降解技术可以应用于工业废水处理、 农业废弃物处理等领域，为生物技术的发展提供 有力支持。
微生物有机物降解的挑战
降解效率低
有些有机物难以被微生物分解，降解效率低下，需要寻找高效的降 解菌种或优化降解条件。
产物毒性
在某些情况下，微生物有机物降解的产物可能具有毒性或生物活性， 对环境和人类健康造成潜在威胁。
技术成本高
微生物有机物降解技术需要投入大量的人力、物力和财力，成本较高， 需要进一步降低成本才能广泛应用。
分解氮气
有些古菌能够将氮气还原 成氨，对氮循环具有重要 意义。
藻类的降解能力
转化光能
藻类能够吸收光能，将二氧化碳和水转化为葡萄糖和氧气。
合成蛋白质和脂肪
藻类能够利用葡萄糖合成蛋白质和脂肪等有机物，为生物提 供营养物质。
03
微生物有机物降解的机 理
微生物对有机物的吸附
有机物的微生物降解原理
有机物的微生物降解原理微生物降解的原理主要包括分解、氧化、还原三个过程，具体可以分为以下几个方面进行讨论。
1.分解：微生物通过分泌酶类物质，将有机物分解为更小的有机物分子，如蛋白质被分解为氨基酸，淀粉被分解为糖类等。
这些酶主要有蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶等，它们能够针对不同类型的有机物进行特异性降解。
2.氧化：在分解的过程中，微生物需要吸收氧气进行有机物的氧化。
氧化反应将有机物中的碳、氢等元素与氧结合，生成二氧化碳、水等无机物。
这些反应在氧的存在下进行，同时产生能量供微生物生长代谢所需。
3.还原：在特定条件下，一些微生物可以将有机物还原成较低氧化态的物质，如硫酸盐还原菌可以将硫酸盐还原为硫化物。
这些微生物能够利用有机物作为电子给体，同时生成能量。
4.协同作用：微生物降解通常是多种微生物共同作用的结果，它们之间相互协作，形成复杂的食物链和降解网络。
比如一些厌氧菌可以将有机物降解到中间产物，然后由好气菌进一步降解。
多种微生物的共同作用，提高了有机物降解的效率和速率。
除了以上几个主要的原理，微生物降解还受到一些环境因素的影响。
1.温度：微生物活性与温度密切相关。
适宜的温度可以促进微生物降解过程。
一般而言，20-40℃是微生物降解的较为适宜的温度范围。
2.pH值：微生物对pH值也有一定的要求。
不同的微生物对pH值有不同的适应能力，一般而言，pH值在6-8之间比较适宜。
3.氧气含量：微生物降解过程既有好氧又有厌氧过程。
好氧条件下，微生物可以更充分地将有机物氧化分解，而缺氧条件下，一些特定的微生物可以利用有机物进行还原反应。
总的来说，微生物降解有机物是一种自然而又高效的处理方法。
通过了解微生物降解的原理和调控因素，我们可以更好地利用微生物资源，实现有机废物的高效处理与资源回收。
有机物的微生物降解原理
有机物的生物化学降解有机物在微生物的催化作用下发生降解的反应称有机物的生化降解反应。
水体中的生物,特别就是微生物能使许多物质进行生化反应,绝大多数有机物因此而降解成为更简单的化合物。
如石油中烷烃,一般经过醇、醛、酮、脂肪酸等生化氧化阶段,最后降解为二氧化碳与水。
其中甲烷降解的主要途径为:CH4→ CH3OH → HCHO → HCOOH → CO2 + H2O较高级烷烃降解的主要途径有三种,通过单端氧化,或双端氧化,或次末端氧化变成脂肪酸;脂肪酸再经过其她有关生化反应,最后分解为二氧化碳与水。
能引起烷烃降解的微生物有解油极毛杆菌(pseudomonas oleovorans)、脉状菌状杆菌(mycobacterium phlei)、奇异菌状杆菌(mycobacterium rhodochrous)。
解皂菌状杆菌(mycobacterium smegmatis)、不透明诺卡氏菌(nocardia opaca)、红色诺卡氏菌(ncadia rubra)等。
有机物生化降解的基本反应可分为两大类,即水解反应与氧化反应。
对于有机农药等,在降解过程中除了上述两种基本反应外,还可以发生脱氯、脱烷基等反应。
● 生化水解反应生化水解反应就是指有机物在水解酶的作用下与水发生的反应。
例如,多糖在水解酶的作用下逐渐水解成二糖、单糖、丙酮酸。
在有氧条件下,丙酮酸能被乙酰辅酶A进一步氧化为CO2与H2O;在无氧条件下,丙酮酸往往不能氧化到底,只氧化成各种酸、醇、酮等,这一过程称为发酵。
烯烃的水解反应可表示如下:蛋白质在水中的降解分两步进行;第一步蛋白质先在肽键上断裂、脱羧、脱氨并逐步氧化,有机氮转化为无机氮;第二步就是氮的亚硝化、硝化等使无机氮逐渐转化。
可示意如下:其中氨基酸的水解脱氨反应如下:许多酰胺类农药与无机酸酯农药如对硫磷、马拉硫磷等,在微生物的作用下,其分子中的酰胺与酯键也容易发生水解。
● 生化氧化反应在微生物作用下,发生有机物的氧化反应称为生化氧化反应。
有机物分解途径
有机物分解途径有机物是由碳、氢、氧等元素组成的化合物，常见的有机物包括脂肪、蛋白质、糖类等。
这些有机物在自然界中会经过各种途径进行分解，进而转化为更简单的物质。
本文将介绍几种常见的有机物分解途径。
1. 生物降解生物降解是指有机物在生物体内被微生物、酶或其他生物体降解为更简单的物质。
这是一种自然的分解途径，常见于自然环境中的有机物分解过程。
以蛋白质为例，蛋白质是由氨基酸组成的高分子化合物。
在生物体内，蛋白质会被酶分解为氨基酸，然后进一步被微生物降解为氨、二氧化碳和水等物质。
这个过程中，有机物的结构被逐渐破坏，能量也被释放出来。
2. 氧化反应氧化反应是指有机物与氧气发生反应，生成二氧化碳和水等物质的过程。
这是一种常见的有机物分解途径，常见于燃烧和代谢过程中。
以脂肪为例，脂肪是由甘油和脂肪酸组成的有机物。
当脂肪遇到氧气时，发生氧化反应，生成二氧化碳和水，释放出能量。
这是我们身体燃烧脂肪来产生能量的过程。
3. 热解反应热解反应是指有机物在高温条件下分解为更简单的物质。
这是一种非生物降解的途径，常见于工业生产过程中。
以糖类为例，糖类是由碳、氢、氧等元素组成的有机物。
当糖类受热分解时，会发生热解反应，产生焦炭、水和一氧化碳等物质。
这个过程常用于生产焦炭或合成一氧化碳等工业过程中。
4. 光解反应光解反应是指有机物在光照下分解为更简单的物质。
这是一种非常见的有机物分解途径，常见于特定的化学反应中。
以光解脱氧核糖核酸为例，光解脱氧核糖核酸是DNA分子在紫外线照射下分解的过程。
当DNA分子受到紫外线照射时，光能会使DNA分子中的化学键断裂，使DNA分子逐渐分解为更简单的碱基、磷酸和糖等物质。
总结起来，有机物分解途径包括生物降解、氧化反应、热解反应和光解反应等。
这些途径使得复杂的有机物能够被分解为更简单的物质，从而循环利用或释放能量。
了解这些分解途径有助于我们更好地理解有机物在自然界中的转化过程，也对环境保护和资源利用具有重要意义。
有机污染物的降解
影响生物降解的因素生物降解有机化合物的难易程度首先决定于生物本身的特性，同时也与有机物结构特征有关。
结构简单的有机物一般先降解，结构复杂的一般后降解。
具体情况如下：①脂肪族和环状化合物较芳香化合物容易被生物降解。
②不饱和脂肪族化合物(如丙烯基和羰基化合物)一般是可降解的，但有的不饱和脂肪族化合物（如苯代亚乙基化合物）有相对不溶性，会影响它的生物降解程度。
有机化合物主要分子链上除碳元素外还有其他元素（如醚类、饱和对氧氮乷和叔胺等），就会增强对生物降解作用的抵抗力。
③有机化合物分子量的大小对生物降解能力有重要的影响。
聚合物和复合物的分子能抵抗生物降解，主要因为微生物所必需的酶不能靠近并破坏化合物分子内部敏感的反应键。
④具有被取代基团的有机化合物，其异构体的多样性可能影响生物的降解能力。
如伯醇、仲醇非常容易被生物降解，而叔醇则能抵抗生物降解。
⑤增加或去除某一功能团会影响有机化合物的生物降解程度。
例如羟基或胺基团取代到苯环上，新形成的化合物比原来的化合物容易被生物降解，而卤代作用能抵抗生物降解。
很多种有机化合物在低浓度时完全能被生物降解；而在高浓度时，生物的活动会受到毒性的抑制，酚便是一例。
有机污染物降解污染物的降解过程及降解系数污染物进入水体后，立即受到水体的平流输移、纵向离散和横向混合作用，同时与水体发生物理、化学和生物生化作用，使水体中污染物浓度逐渐降低，水质逐渐好转，这就是污染物在水体中的稀释降解过程。
在这一过程中，大多数有毒污染物经过各种物理、化学和生物作用转化为低毒或无毒的化合物；一些不稳定的污染物转变为稳定的化合物；重金属等污染物随着吸附作用而逐渐沉淀，进入底泥；而一些复杂的有机物，逐步氧化分解为较简单的化合物。
污染物的稀释降解过程是连续不断的，其浓度呈逐渐下降趋势，并且在整个自净过程中，初期水体中的溶解氧会因参加反应急剧下降，而随着自净过程的进行，水中的溶解氧在降低到一定程度后，缓缓上升，恢复到原有水平。
有机物分解途径
有机物分解途径
有机物分解途径是指有机物在自然界中被分解的过程。
有机物是指含有碳元素的化合物，包括生物体内的有机物和人工合成的有机物。
有机物分解途径可以分为生物降解和非生物降解两种。
生物降解是指有机物在生物体内被微生物分解的过程。
微生物是指一类单细胞或多细胞的微小生物体，包括细菌、真菌、藻类等。
微生物通过代谢作用将有机物分解成小分子化合物，如二氧化碳、水、无机盐等。
生物降解的过程需要一定的温度、湿度、氧气等条件，不同的有机物对微生物的降解速度也不同。
例如，易降解的有机物如蔬菜、果皮等可以在几天内被微生物分解，而难降解的有机物如塑料、橡胶等则需要数十年或数百年才能被分解。
非生物降解是指有机物在非生物环境下被分解的过程。
非生物降解的过程主要包括光解、氧化、水解等。
光解是指有机物在光照下被分解的过程，例如光照下的光化学反应可以将一些有机物分解成小分子化合物。
氧化是指有机物被氧化剂氧化成小分子化合物的过程，例如氧化剂可以将有机物中的碳元素氧化成二氧化碳。
水解是指有机物在水中被分解的过程，例如水可以将一些有机物分解成小分子化合物。
有机物分解途径的研究对于环境保护和资源利用具有重要意义。
通过
了解有机物分解的途径和速度，可以制定合理的废弃物处理方案，减少有机物对环境的污染。
同时，有机物分解也可以产生一些有用的小分子化合物，如二氧化碳、水等，这些化合物可以被利用于生产化学品、能源等领域。
总之，有机物分解途径是一个复杂的过程，涉及到生物、化学、物理等多个方面的知识。
通过深入研究有机物分解途径，可以更好地保护环境、利用资源，促进可持续发展。
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dS kX dt
dS k 2 XS dt
高浓度时
低浓度时
式中，k2为降解速度常数，约等于k/K，其它字母意义同前。
统一说由中国矿业大学张雁秋提出，并证明 一相说与二相说是统一说的两种极端形式，统一 说的数学模型表示如下：
dS k 2 ( K X S ( K X S ) 4 XS ) dt 2
dt
u
K S
二相说为埃肯费尔德Eckenfelder等人所支持，是将有机物 的降解分为高有机物浓度和低有机物浓度二相而分别采用不同的 数学模式。 高浓度时，有机物降解速度与其浓度无关，呈零级反应，与 活性污泥浓度呈一级反应，低有机物浓度时，有机物降解速度与 其浓度和活性污泥浓度均呈一级反应，用下式可表达：
模型类型
底物相对比递减速度
生物相对比增长速度
ห้องสมุดไป่ตู้
模型名称
模型形式 S/X S<X时 1 S≥X时 S/（KZ+X+S） S/（KZ+X） 1
模型名称
模型形式 S/X S<X时 1 S≥X时 S/（KZ+X+S） S/（KZ+X） 1
参数趋向 K→
0 ∞ 0 S→ ∞ Eckenfelder模 型 来源？ 来源？ Eckenfelder模 型 Blackman模型 来源？ 来源？ 马尔萨斯模型
一相说是将有机物的降解用以下数学模型描述：
dS kXS dt K S
-ds/dt为有机物降解速度，k为降解常数，K为 半饱和常数（又称米—门常数），X为微生物浓 度（工程上为活性污泥浓度），S为有机物浓度。 一相说是以米—门酶反应动力学方程为基础 提出的，形式上与表达微生物增长速度的莫诺方 程相似。 dX mXS
ECOSUNIDE工艺 在污水厂升级改造中的应用
中国矿业大学 张雁秋 教授
2008年10月，天津
《国家科技成果重点推广计划》项目
“城市污水生物处理高效硝化新工艺” （项目编号:2004EC000132）
发明专利：
“一种污水生物处理高效硝化工艺”
研究背景
传统生物脱氮除磷技术由于具有脱除C、N、P且处理成本低 等优点，而得到广泛应用，但脱氮除磷过程中存在的基质竞争和 泥龄不同的矛盾使得处理效果相对较差，氨氮的硝化和磷的去除 仍是整个生物处理的瓶颈。 就脱氮而言，由于硝化菌的增殖速度缓慢，传统的污水二级 生化处理工艺（A2/O、氧化沟等活性污泥法）为提高脱氮效率， 工程投资较大，曝气时间较长，需要内回流，使得运行成本增加。 就除磷而言，聚磷菌增殖缓慢，在整个生物菌群中所占比例较低， 脱氮除磷的碳源分配比例难以控制，总磷去除量一般仅能脱除 5mg/L左右。为提高除磷效果，常采用化学除磷技术，增加了运 行成本。
0
X→
米-门模型 McKinney模型
S/（KZ+S） S/X
Monod模型 来源？
S/（KZ+S） S/X
∞
二、活性污泥法动力学负荷
活性污泥法动力学负荷由中国矿业大 学张雁秋首次提出：
Ud
* kS /( K
* S )
式中S*为曝气池内底物（对数）平均浓度， 表示较为复杂。
动力学负荷是曝气池设计的主要根据，因 为除了曝气池体积V待解外，其它参数均可确 定。
研究思路
本质上讲，活性污泥法除磷脱氮的实质 就是利用一系列工程技术方法培养优势目的 菌群。因此，我们认为：用生态学思想进行 活性污泥生态系统的有效调控是该工艺除磷 脱氮技术发展的最好出路。
理论部分
一、统一动力学理论
该理论揭示了高污泥浓度有利于弱势菌群生长的机理，为提 高活性污泥中硝化菌和聚磷菌的比例、加快硝化速度、提高除磷 量提供了理论依据。 为了解决废水生物处理反应动力学中长期悬而未决的一相说与两 相说的矛盾，我们对生物化学学科中的酶反应过程进行重新推导， 从而提出了一个新的酶动力学方程。
研究背景
提出统一动力学理论、动力学负荷理论、回流污泥浓度优化 理论，创造出特殊工艺条件，提高了活性污泥中的硝化菌、聚磷 菌的比例，突破了传统活性污泥法硝化速度慢、除磷量较少的瓶 颈，实现了短时高效脱氮除磷，最终研发出城市污水高效脱氮除 磷处理新工艺 。实现了以下目的： 1、针对以上关键问题，研究出短时高效脱氮除磷的关键机理， 应用统一动力学理论构建可供实际工程应用的、完善的新工艺及 技术体系。通过工况条件的控制，使得硝化菌和聚磷菌在整个生 物菌群中的比例提高；明显缩短了硝化时间；在碳源充足条件下， 总磷去除量可达4-10mg/L。 2、经过设计优化，可使污水处理主体工程投资节约20%左右， 运行成本费用降低20％左右。
式中字母意义均同前。
-dS/dt
统一说模型中 K 变小时，统 一说趋向于二相说
统一说模型中 K 变大时，统 一说趋向于一相说
S
统一说
二相说
一相说
有机物降解动力学过程的三种假说的关系
1.0
0.5
0.0
0
图 几种模型对实际实验数据吻合情况
5
10
S/K
Blackman 模型 Monod 模型 用于海洋水生生物的种群模型 新模型, z =0.9843 实际实验数据
高污泥浓度对硝化有利
增加活性污泥浓度可以相对提高硝化菌的优势。 在此情况下,脱碳菌类因浓度过高而生长速度 相对下降,使得硝化菌的比例有所提高。因此, 在同样的污泥总量情况下,短时高污泥浓度要 比延时低污泥浓度在硝化脱氮方面更为有效. 这是我们开发研究短时硝化脱氮工艺的主要理 论根据。 分点进水使曝气池中的活性污泥浓度在池首端 明显较高，在同样条件（同样的回流污泥浓度 及同样的污泥回流比）下，曝气池中污泥平均 浓度明显高于推流式活性污泥法的污泥浓度
从图可以看出，要提高硝化微生物的在活性污泥总量中 的比例，造成脱氮优势，必须使BOD、NH4+浓度小于图36上两条曲线的交点，即将活性污泥系统中的BOD平均浓 度控制在较低水平（〈20mg/l〉。也就是说将整个活性 污泥系统控制在低营养水平的状态下，才能高效的硝化 脱氮。
硝化反应是由亚硝酸菌和硝酸菌两种细 菌共同完成的，这两种细菌均属于化能 自养型微生物。在活性污泥微生物中， 硝化菌的比例与污水的 BOD5/TKN 有关， 若水中BOD5值高，有助于异养菌的迅速 繁殖，使硝化菌的生长受到抑制，只有 当 BOD5低于 20mg/l时，硝化反应才开始 进行。