污水处理新技术第四章

4 废水生物处理的一些基本概念、动力学等活性污泥运行系统

4.1生物降解

有机物在环境中的分解分为：热分解、光分解、化学分解和生物降解。

生物分解：动物、植物和微生物一样都具有降解污染物的能力，但其中微生物在污染物降解中的作用是最大的，这是因为微生物具有氧化还原作用、脱羧作用、脱氨作用、水解作用、脱水作用等各种化学作用能力，对能量的利用要比高等生物体更加有效，而且微生物高速度的繁殖和遗传变异性使它的酶体系能够以最快的速度适应外界环境的变化。

在污染物自然降解过程中，物理、化学、生物等因素通常是交错在一起而起作用的，其中微生物的作用有其占有重要地位。

在环境科学界：所谓生物降解（Biodegradation）就是通过生物的作用将污染物分解成小分子化合物的过程。这里生物类型包括各种微生物高等植物和动物。虽然高等植物和动物能够代谢和降解许多有机物（化合），但对另外一些有机污染物却不具备降解能力，而微生物却具有将大多数有机化合物降解为无机物

质H

2O、CO

2

、矿物质等）的潜力，所以微生物是有机污染物生物降解中的第一因

素。在各类生物降解中微生物在降解过程中所起的作用最大，所以一提到生物降解就是微生物的降解。

在有机污染物生物降解研究中，很重要的一点是有机物的生物降解究竟能进行到什么程度。Mausnet等曾根据有机污染物生物降解的进行程度将生物降解分为三种，即：

①初级生物降解（primary biodegration）：是指有机污染物在生物降解的

作用下母体化合物的化学结构发生变化并改变了原污染物的完整性，即

有机污染物的化学结构发生成分变化。

②环境容许的生物降解（Environment acceptable biodration），是指可

除去有机污染物的毒性或者人们所不希望的性质，例如，有毒有机污染

物降解过程中使其降解或完全去除对水生物毒性的降解作用。

③最终生物降解（Ultimate biodegration）：指有机污染物通过生物降解，

从有机物向无机物转化，完全被降解成H

2O、CO

2

和其他无机物，并被同

化为微生物的一部分。

如聚乙烯醇（PVA）的生物降解中就明显的存在着这三种降解阶段。环境希望最终降解……。

根据有机物与微生物的相关关系，可以将有机污染物分为四类：

1）可以立即被微生物利用最为能量和营养来源的；

2）能够逐步被微生物分解利用的；

3）生物降解十分缓慢或者根本就不能降解的；

4）可以通过共代谢活动分解的。

一般来说：第一类污染物包括简单的糖、氨基酸、脂肪酸和一些涉及典型代谢途径的污染物。

第二类污染物的生物降解需要一个驯化期，在此期间有机污染物很少或根本不发生生物降解，所以污染物生物降解随时间变化曲线中明显的有一个滞后期，他表示微生物对有机物的适应过程所需要的时间。

一般将微生物从开始接触有机化合物到有机化合物被明显分解的这段时间称为化合物生物降解的驯化期。

存在驯化期的原因：

① 在微生物混合菌群中，污染物的加入实际上是在定向的选择那些能被吸

收和降解污染物基质的微生物种属，滞后期是用于特定降解微生物的指数生长特性；

② 微生物对污染物的适应要通过诱导酶的合成而且需要合成必需的辅酶或

中间代谢产物。

③ 驯化期的长短与微生物的遗传性、菌龄及微生物与有机化合物接触前后

的环境条件等因素有关，同时也与不同有机污染物的性质和浓度有关，是有机污染物生物降解难易程度的一种反应。

驯化期，一般指曲线的平衡段，而陡直段则是微生物适应有机物后对该化合物迅速降解的阶段。

第三类污染物包括一些天然高分子物质以及许多人类起源的有机化合物（如有机氮化物），这些物质很难或几乎不能被生物降解。

第四类污染物降解过程的研究目前刚刚起步，此类污染物作为唯一碳源或能源时，不能被微生物所利用，而当存在另一些微生物能够利用的碳源或能源化合物时，这类污染物也能被同时降解，但微生物不能从这类污染物的降解中获得碳源或能源。这种生物降解成为“共代谢”，一些含氮或被硝基所取代的污染物容易受共代谢生物降解作用的影响。

4.2 污染物的可生物降解性及其评价方法

4.2.1 可生物降解性

指有机污染物在微生物的作用下转变成简单小分子化合物的可能性。根据微生物对污染物的降解能力，可将污染物分为三种类型：

1)可生物降解性物质

如醇、酚类化合物

2)难生物降解性物质，这类物质能被微生物分解，但需要较长时间，如农药，3 2 1 污

染

物

浓

度

时间 污染物的生物降解过程： 3、生物降解十分缓慢或者根本不降解； 2、能够逐步被微生物分解利用； 1、可以立即被微生物分

解利用。

石油烃类化合物。

3)不可生物降解性物质。如一些高分子合成化合物。（尼龙，塑料等。）

4.2.2可生物降解性的测定

（1）可生物降解行试验的几个基本方面。

生物降解试验时研究有机物可生物降解性的基本方法。主要包括以下几个要素；a，以适当浓度范围的被试污染物作为微生物生长代谢所需的唯一或主要碳源能源；b，选择能分解有机化合物的微生物；c，创造适合微生物生长的环境条件，包括好氧生物降解试验中提供足够供氧量，厌氧生物实验保证隔绝氧；d，适宜的温度条件；e，微生物需求氮、磷源和无机盐介质等；f，选择适合的有机物测定方法。

I、微生物种源：生物降解试验中使用的微生物种源一般有以下几种情况：

i、采用天然环境中的微生物，如取自河水、湖水、海水、沼泽和土地等，采用上述生物种源进行生物降解是为了评价有机污染物在自然环境中可否被微生物降解，所以应尽可能使接近自然环境的未经驯化的微生物种源；

ii、选用了水处理厂的污泥（好氧、厌氧）或生物池底泥，这类试验是为了评价人工生物处理条件下有机化合物是否被微生物降解。

iii、经过筛选驯化的特殊微生物种源，这类试验时为了研究以不同化合物为基质培养驯化的细菌对特殊微生物降解性能，以及对同系物和相似化合物微生物降解能力，研究有机化合物的降解途径和多种特定酶在微生物降解每个环节中的作用。目前为活跃的研究领域。能够降解某些化合物的专性菌种都已培养驯化和鉴定出来。（如苯、烷基苯化合物、酚、苯胺，卤化烃等）

II、微生物浓度和污染物浓度

污染物的降解（生物）可以通过测定一种或多种物质的浓度变化来表示，并用0级或1级动力学工程式来拟合。0级反应速度与污染物浓度无关，主要取决于其他因素。当污染物浓度与微生物活性相比比较低时，一般采用一级动力学方程式拟合，此时生物降解反应速度与污染物浓度成比例。

在生物降解试验中需要考虑微生物的浓度。当微生物浓度低时，所需要的培养时间会过长，相反，微生物浓度较高时，会由于微生物具有很大的吸附作用，而使试验污染物浓度降低，从而不能计称出标准的降解率，所以在微生物降解试验中应根据污染物生物降解过程反应不同而相应改变微生物浓度。

有机污染物浓度的选择主要取决于以下三个方面：

①污染物对微生物的毒性；

②微生物用受试污染物驯化的程度，采用这种方法用目标污染物对微生物

进行驯化、诱导，同时提高微生物对污染物的耐受能力，难降解化合物

通过降解低浓度或反复驯化的方式有可能被生物降解；

③有机污染物在目标环境（天然环境、常规生物处理装置成专门的生物降

解反应器）中的环境浓度。

（2）可生物降解性的测定方法

根据有机污染物生物降解的类型，可以将生物降解性质分为两大类，即好氧生物降解性的测定方法和厌氧生物降解性的测定方法。

A.好氧生物降解性的测定方法

根据测定方法不同又可分为几大类：

a.好氧呼吸法

①基质的可生物氧化率