《水处理微生物过程》PPT课件
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• 水解过程通常比较缓慢，是复杂有机物厌氧降解 的限速阶段。
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(2)发酵(酸化)阶段
• 溶解性小分子有机物进入发酵菌(酸化菌)细胞内， 在胞内酶作用下分解为挥发性脂肪酸(VFA)，如乙 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。
• 在此过程中，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， 酸化过程是由许多种类的发酵细菌完成的。
• 发酵过程产生的H2很少，主要由丙酮酸脱水形成，与专性厌氧氧化产氢的机 理不同。
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厌 氧 有 机 物 分 解 过 程
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(1)水解阶段
• 复杂有机物首先在发酵性细菌产生的胞外酶作用 下分解为溶解性小分子有机物；
• 如纤维素被纤维素酶水解为纤维二糖与葡萄糖， 蛋白质被蛋白酶水解为短肽及氨基酸等；
• 其中重要的类群有梭状芽孢杆菌(Clostridium)和拟 杆菌(Bacteriodes)。
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(3)产乙酸阶段
• 产酸阶段绝大多数是严格厌氧菌，但通常有约1％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，如产甲烷菌免受氧的损 害与抑制的作用。
• 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、氢气和二氧化碳。
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2.好氧生物降解
• 有机物的好氧分解过程中，有机物的降解、微生物的增殖及溶解氧的消耗这 三个过程是同步进行的，也是控制好氧生物处理成功与否的关键过程；
• 不同的生物处理工艺中，有机物的分解速率、微生物的生存方式、增殖规律， 溶解氧的提供方式与分布规律均有差异，而关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。
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4．缺氧(anoxic)处理
• 在没有分子氧存在的条件下，一些特殊的微生物类群可以利用含有化合态氧 的物质，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。
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1.生物降解的一般概念
•矿化(mineralization)
矿化是将有机物完全无机化并获取能源和小分子 营养质的过程，是与微生物生长相关的过程。
•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
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 能使其完全分解。
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(4)产甲烷阶段
• 在此阶段，产甲烷菌在二氧化碳存在时，利用氢气生成甲烷；也可以直接利用乙 酸生成甲烷，二者的比例一般为3/7。
• 利用乙酸产甲烷的菌有索氏甲烷丝菌
(Methanothrix soehngenii)和巴氏甲烷八叠球 菌(Methanosarcina barkeri)
• 产甲烷菌都是严格厌氧菌，要求生活环境的氧化还原电位在-150～-400mV范围内。
14.水处理微生物过程
Microbial process in wastewater treatment
王 志平
wangzply@sjtu.edu.cn
一、环境污染的生物效应
污染项目
生产活动 有机物 重金属
交通运输 营养盐
气态污染 生活消费
生物污染
生态系统
迁移转化 生物转化 生物浓缩 生物积累 生物放大
• 微生物是自然环境生态系统的最终分解者，然而， 由于微生物代谢是通过酶催化完成的，而酶催化有
专一性，因此根据污染物的特征需要有不同的微 生物参与其分解净化。
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微生物催化降解的必要条件
• 存在含有某种降解酶的微生物； • 污染物必须是具有适宜酶的微生物可获得的(胞内
酶对应小分子，胞外酶对应大分子)； • 适宜的环境及营养条件。
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•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营 养质同时，细胞物质同时也在进行自身的氧化分解， 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
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 提供能量、维持其生命活动的主要方式。
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好 氧 有 机 物 分 解 过 程
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生物氧化的一般过程
糖
三酯酰甘油
蛋白质
葡萄糖
脂酸+甘油
乙酰CoA
氨基酸
TCA
CO2
2H
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ADP+Pi
A百度文库P
呼吸链
H2O
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在温度适宜、溶解氧充足的条件 下，微生物的增殖速率主要与微 生物(M)与基质(F)的相对数量， 即F／M相关；
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影响微生物催化降解的因素
• 微生物代谢活性—微生物种类、生长期 • 目标污染物特征—空间结构、分子量大小、元
素组成、毒性 • 环境因素—营养、温度、pH、氧化还原电位
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生物净化的进展
• 通过现代分子生物学技术加深对微生物的认识； • 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； • 构建微生物功能菌群； • 营造适合作用的代谢环境； • 工程技术方法的发展促进相关微生物工艺。
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二、有机污染物的降解
• 有机污染物的生物净化一般被称为生物降解；
• 微生物分解有机物的能力是巨大的； • 依据微生物对有机物的降解能力大小可分为易
生物降解的、难生物降解的和不可生物降解的；
• 生物降解过程是以微生物的代谢为核心，污染物 在分解过程中则遵循物理化学原理，其危害和暴 露过程对环境的影响是环境毒理学关心的内容。
生物群体
分子水平变化 组织器官变化 个体行为变化 种群结构变化
生
物
效 应
环
检 测
境 风
险
生 物 监
评 价
测
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微生物净化的本质
• 微生物需要从外界获得能量以维持自身生命活动及 增殖，在此过程中通过自身生理代谢活动实现受污 染环境中有机污染物、氮磷等营养盐及某些重金属 离子的迁移转化，实现污染物的无害化、稳定化化；
在静态培养条件下，随着时间的 延长，基质浓度逐渐降低，微生 物的增殖经历适应期、对数增殖 期、衰减期及内源呼吸期。
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3.厌氧生物降解
• 厌氧生物处理是在无氧条件下，利用多种专性厌氧微生物(水解、发酵及产氢 产甲烷细菌)的代谢活动，将有机物转化为无机物(沼气和水)和少量细胞物质 的过程。
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(2)发酵(酸化)阶段
• 溶解性小分子有机物进入发酵菌(酸化菌)细胞内， 在胞内酶作用下分解为挥发性脂肪酸(VFA)，如乙 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。
• 在此过程中，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， 酸化过程是由许多种类的发酵细菌完成的。
• 发酵过程产生的H2很少，主要由丙酮酸脱水形成，与专性厌氧氧化产氢的机 理不同。
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厌 氧 有 机 物 分 解 过 程
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(1)水解阶段
• 复杂有机物首先在发酵性细菌产生的胞外酶作用 下分解为溶解性小分子有机物；
• 如纤维素被纤维素酶水解为纤维二糖与葡萄糖， 蛋白质被蛋白酶水解为短肽及氨基酸等；
• 其中重要的类群有梭状芽孢杆菌(Clostridium)和拟 杆菌(Bacteriodes)。
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(3)产乙酸阶段
• 产酸阶段绝大多数是严格厌氧菌，但通常有约1％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，如产甲烷菌免受氧的损 害与抑制的作用。
• 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、氢气和二氧化碳。
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2.好氧生物降解
• 有机物的好氧分解过程中，有机物的降解、微生物的增殖及溶解氧的消耗这 三个过程是同步进行的，也是控制好氧生物处理成功与否的关键过程；
• 不同的生物处理工艺中，有机物的分解速率、微生物的生存方式、增殖规律， 溶解氧的提供方式与分布规律均有差异，而关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。
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4．缺氧(anoxic)处理
• 在没有分子氧存在的条件下，一些特殊的微生物类群可以利用含有化合态氧 的物质，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。
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1.生物降解的一般概念
•矿化(mineralization)
矿化是将有机物完全无机化并获取能源和小分子 营养质的过程，是与微生物生长相关的过程。
•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
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 能使其完全分解。
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(4)产甲烷阶段
• 在此阶段，产甲烷菌在二氧化碳存在时，利用氢气生成甲烷；也可以直接利用乙 酸生成甲烷，二者的比例一般为3/7。
• 利用乙酸产甲烷的菌有索氏甲烷丝菌
(Methanothrix soehngenii)和巴氏甲烷八叠球 菌(Methanosarcina barkeri)
• 产甲烷菌都是严格厌氧菌，要求生活环境的氧化还原电位在-150～-400mV范围内。
14.水处理微生物过程
Microbial process in wastewater treatment
王 志平
wangzply@sjtu.edu.cn
一、环境污染的生物效应
污染项目
生产活动 有机物 重金属
交通运输 营养盐
气态污染 生活消费
生物污染
生态系统
迁移转化 生物转化 生物浓缩 生物积累 生物放大
• 微生物是自然环境生态系统的最终分解者，然而， 由于微生物代谢是通过酶催化完成的，而酶催化有
专一性，因此根据污染物的特征需要有不同的微 生物参与其分解净化。
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微生物催化降解的必要条件
• 存在含有某种降解酶的微生物； • 污染物必须是具有适宜酶的微生物可获得的(胞内
酶对应小分子，胞外酶对应大分子)； • 适宜的环境及营养条件。
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•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营 养质同时，细胞物质同时也在进行自身的氧化分解， 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
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 提供能量、维持其生命活动的主要方式。
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好 氧 有 机 物 分 解 过 程
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生物氧化的一般过程
糖
三酯酰甘油
蛋白质
葡萄糖
脂酸+甘油
乙酰CoA
氨基酸
TCA
CO2
2H
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ADP+Pi
A百度文库P
呼吸链
H2O
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在温度适宜、溶解氧充足的条件 下，微生物的增殖速率主要与微 生物(M)与基质(F)的相对数量， 即F／M相关；
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影响微生物催化降解的因素
• 微生物代谢活性—微生物种类、生长期 • 目标污染物特征—空间结构、分子量大小、元
素组成、毒性 • 环境因素—营养、温度、pH、氧化还原电位
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生物净化的进展
• 通过现代分子生物学技术加深对微生物的认识； • 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； • 构建微生物功能菌群； • 营造适合作用的代谢环境； • 工程技术方法的发展促进相关微生物工艺。
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二、有机污染物的降解
• 有机污染物的生物净化一般被称为生物降解；
• 微生物分解有机物的能力是巨大的； • 依据微生物对有机物的降解能力大小可分为易
生物降解的、难生物降解的和不可生物降解的；
• 生物降解过程是以微生物的代谢为核心，污染物 在分解过程中则遵循物理化学原理，其危害和暴 露过程对环境的影响是环境毒理学关心的内容。
生物群体
分子水平变化 组织器官变化 个体行为变化 种群结构变化
生
物
效 应
环
检 测
境 风
险
生 物 监
评 价
测
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微生物净化的本质
• 微生物需要从外界获得能量以维持自身生命活动及 增殖，在此过程中通过自身生理代谢活动实现受污 染环境中有机污染物、氮磷等营养盐及某些重金属 离子的迁移转化，实现污染物的无害化、稳定化化；
在静态培养条件下，随着时间的 延长，基质浓度逐渐降低，微生 物的增殖经历适应期、对数增殖 期、衰减期及内源呼吸期。
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3.厌氧生物降解
• 厌氧生物处理是在无氧条件下，利用多种专性厌氧微生物(水解、发酵及产氢 产甲烷细菌)的代谢活动，将有机物转化为无机物(沼气和水)和少量细胞物质 的过程。