第10章 微生物对污染物的分解与转化

（二）生物分解的分类 1、根据分解程度与最终产物分类
（1）生物去除(表观生物分解) （2）初级分解 （3）环境可接收的分解 （4）完全分解
2、根据氧的需求分类：
（1）好氧分解 （2）厌氧分解
厌氧处理与好氧处理的比较

好氧法处理有机物所需的时间一般比用厌氧法处 理短，基本上没有臭气，但需要有氧的供应和比 较复杂的供氧设备，运行费用高，且当废水中有 机物浓度太高时，一般不可能供应好氧分解所需 要的充足的氧。
O
O
B : NH2 , OCH3 , OH , C OH , C O
能使生物分解性降低的基团称异源基团（xenophore）。
2）异源基团数目增加，降解性越差。
OH Cl OH OH
Cl Cl
Cl
Cl Cl
3）异源基团的位置对生物降解性产生显著影响。 OH Cl OH Cl 4）甲基分支越多越不易降解 H H > －C－CH3 CH3 > 加速
ΔS：所利用的食料（基质），即去除的BOD量（kg/d）
X：构筑物内原有的细胞物质（kg） b：细胞自身氧化率或衰减系数（1/d）,生活污水一般为0.05~0.1
ΔX＝ a·ΔS － b· X ΔX＝ a· Sr· Q － b· Xv· V

ΔX：新生长的细胞物质（kg/d）


a：合成系数（Kg MLVSS/Kg BOD5）, 生活污水一般为0.5～0.7
10.4 含氮有机物的生物分解
一、氮的循环
氮气 无机氮 NH3-N 硝态氮 有机氮

整个过程包括固氮作用、氨化作用、硝化作用、 反硝化作用。
二、蛋白质的生物分解 （一）氨化作用
蛋白质→朊→胨→肽→氨基酸
蛋白酶 肽酶
脱氨基作用： 有氧条件下 RCHNH2COOH + O2 → RCOOH + CO2 + NH3 厌氧条件下 RCHNH2COOH + H2 → RCH2COOH + NH3
OH
减慢
－C－CH3
H
CH3 －C－CH3 CH3
5）脂肪族：分子量越大越不易降解 6）芳香族 < 小分子脂肪族 7）复环芳烃中环越多越难降解 8）好氧条件下的降解规律与厌氧有时不同
9）化学品的生物降解性预测
物理化学性质～生物降解性/QSBR模型 (Quantitative Structure Biodegradability Relationship)
新合成细胞物质量 － 内源呼吸耗去的量
增加的细胞物质的量 ＝ 新合成细胞物质量与食料量(BOD去除量)成正相关


内源呼吸耗去的量与现有生物量成正相关

ΔX＝ a·ΔS － b· X

ΔX：新生长的细胞物质（kg/d）


a：合成系数（Kg MLVSS/Kg BOD5）,生活污水一般为0.5～0.7

纤维素经水解分解为葡萄糖和纤维二糖后方可被微生物吸收。 在好氧性微生物作用下，可彻底氧化成CO2与H2O。 在厌氧条件下，由厌氧微生物作用可进行丁酸型发酵，产生 丁酸、丁醇、CO2和H2等。
（二）半纤维素的生物分解
半纤维素存在于植物的细胞壁中，人造纤维工业废水、 造纸工业废水中也含有半纤维素。 半纤维素易被土壤中微生物降解，能分解纤维素的微生 物大多能分解半纤维素

糖类化合物按其组成分为三类：单糖、低聚糖和 多糖。 （一）单糖：构成各种糖分子的基本单位 （二）低聚糖：含有2～10个单糖单位，彼此以糖 苷键连接，水解以后产生单糖。低聚糖又叫寡糖。 （三）多糖：由许多单糖分子或其衍生物缩合而成 的高聚物称为多糖，又称为高聚糖。可分为同多 糖和杂多糖两类。
纤维素分解过程
芳香族化合物的生物降解
五、烃类化合物的生物分解
大部分烯烃 类化合物比 烷烃、芳香 烃容易降解。
六、合成洗涤剂的生物分解
合成洗涤剂：主要成分是表面活性剂，其他成 分为聚磷酸盐等。 合成洗涤剂易在曝气池和天然水体中形成大量 的泡沫，阻断大气向水中复氧。
聚磷酸盐可以在水体中蓄积，并引起水体的富营 养化。
Sr：去除的BOD5浓度(kg/m3)，S0 – Se Q：进水流量(m3/h) b: 细胞自身氧化率或衰减系数（1/d）, 生活污水一般为0.05~0.1 Xv：池内 MLVSS 浓度(kg/m3) （ Xv ＝ f · MLSS）

V：池容积(m3)
计算例题

某城市混合废水用活性污泥法处理，其曝气池的有 效容积为340m3，进水流量为150m3/h，进水BOD5 为200mg/L，出水BOD5为20mg/L，曝气池内污泥浓 度为4g/L（其中挥发份占75%），①计算剩余污泥 量；②若剩余污泥含水率为99.2%，剩余污泥体积 是多少？（取a=0.6 b=0.075）
三羧酸循环的生理意义 ①为细胞合成和维持生命活动提供大量能量 ②为细胞合成提供原料 ③作为各种有机底物彻底氧化的共同途径
三大有机物有氧呼吸代谢途径示意图
污水中有机物生物分解的过程
H2S、CH4、乙醇、 低级脂肪酸……
CO2
SO42NO3……
微生物体
有机物的生物分解：通过一系列的生化反应，最 终将有机物分解成小分子有机物或简单无机物的 过程。
3）浓度低，不能维持生命代谢。
3、有机物间的相互作用 互不影响、促进作用、抑制作用（顺次利用）
三、注意几个问题
4、微生物间作用 （1）协同作用； （2）抑制作用（拮抗）； （3）捕食 5、去毒作用与激活作用 去毒作用：分解产物的毒性低于原化合物 激活作用：分解产物的毒性大于原化合物
有机废水的可生化性
不良 良好
在环境中易 生物分解
本质性生物分解试验 分解性
良好 不良
在环境中难 生物分解
生物分解模拟试验
二、有机物的生物分解性与分子结构的关系
（一般规律，但例外较多） 1）增加A类取代基一般降解性变差，B类有时可以增加降解性。
A : Cl, NO2 , SO3 H , Br, CN , CF3 , CH3 , NH 2
第十章 微生物对污染物的分解 与转化
市政与环境工程学院 谢冰
10.1 微生物对有机物的分解作用
污水
曝气池
沉淀池
出水
回流污泥
剩余污泥

活性污泥的基本概念
1. 组成：主要为微生物 2. 性质：含水率99%、密度1.002～1.006，具生 物活性
一、生物分解的一般特点与分类 （一）有机物生物分解的一般特点
有机废水来源广泛，差异很大。按有机废水的可
生化性，可分为四种类型：
① BOD5/COD ≥ 0.4：易生化； ② 0.3 ＜ BOD5/COD ＜ 0.4：可生化；
③ 0.2 ＜ BOD5/COD ＜ 0.3：较难生化；
④ BOD5/COD ＜ 0.1：不可生化
10.3 不含氮有机物的生物分解 一、纤维素、半纤维素、木质素的生物分解

处理普通废水一般都用好氧法

用厌氧法处理废水，所产生的甲烷气体可以利用；但由于有 硫化氢等气体产生，所以臭气大；同时，由于存在硫化铁等 黑色物质，使处理后的废水颜色深，并且所含有机物也较多，
如果要使有机物完全稳定，需时甚长，当废水量大时，所需
设备的容量也将很大。但厌氧法适合处理高浓度有机废水。

微生物在碳素循环中的作用

微生物在碳素循环中既参与固定 CO2的光合作用， 又参与再生CO2的分解作用。
(1)光合作用 参与光合作用的微生物主要是蓝细菌、 藻类和光合细菌。在有氧区域以蓝细菌和藻类占优 势，而在无氧区域则以光合细菌占优势。
(2)分解作用 自然界有机碳化物的分解主要是微生 物的作用。在有氧条件中，通过好氧微生物分解， 被彻底氧化为CO2；在无氧条件中，通过厌氧微生 物发酵，被分解成有机酸、甲烷和CO2。


三、脂肪的生物分解
脂肪

脂肪酶
甘油 ＋ 高级脂肪酸
甘油的转化：
β-氧化

脂肪酸
→ 乙酰辅酶A
四、芳香族化合物的生物分解
芳香族化合物可被微生物分解 酚类化合物存在于炼焦、石油、煤气等多种工业 废水中 对酚起作用的主要是细菌 微生物分解芳香族化合物的方式有两种：

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在酶的作用下直接将分子中的环状结构打开 芳香族化合物中大部分被微生物作用去掉环上 的侧链基团，使之转变成儿茶酚或原儿茶酸。
好氧分解
半纤维素
各种酶
CO2 + H2O 发酵产物
H2O
单糖+糖醛酸
厌氧分解
（三）木质素的生物分解

难以萃取出一种化学上稳定的木质素组成，对它的结构、 合成与生物分解机理还远没有弄清。
二、淀粉的生物分解

直链淀粉：D-葡萄糖以α-1,4-糖苷键连接的多糖 链，水溶性差。 支链淀粉：除α-1,4 - 糖苷键外，还有α-1,6-糖苷键 连接的分支。易溶于水。 淀粉的降解：淀粉→糊精→麦芽糖→ 葡萄糖。

三、有机物的厌氧生物分解

主要用于高浓度的有机 废水与剩余污泥的处理 有机物的厌氧分解过程 早期认为分为两个阶段： 酸性发酵阶段和碱性发 酵或产甲烷阶段——两 阶段理论
4%
有机物 （多糖、脂肪、 蛋白质） （1）发酵细菌

20% 丙酸、丁酸等脂肪 酸及乳酸、芳香酸 等有机酸、醇类等 （2）产氢产乙酸菌
处理污泥则用厌氧法。

若处理高浓度有机废水，则往往先采用厌氧生物处理，将有
机污染降至一定浓度后，再采用好氧法处理至达到排放标准。
厌氧处理还有可能使难以好氧生物降解的有机物转化为较易
好氧降解的物质。
二、污水中有机物的好氧分解
曝气池 污水 污泥回流
二沉池
排水
剩余污泥


微生物的增殖与剩余污泥量的计算
解：


有机物氧化的需氧量计算
有机物氧化需氧量 ＝
去除BOD需氧量 + 自身氧化需氧量

第一项与去除的BOD量成正相关
第二项与现有的生物量成正相关
O2 ＝ a’ · ΔS + b’ ·X (Kg O2 / d)

ΔS ：去除的BOD量， Kg BOD5 /d X ：生物量，Kg MLVSS a’ ：BOD氧化需氧率，Kg O2 /Kg BOD5
三、注意几个问题
1、生物分解性与浓度的关系
基质抑制作用：有些有机物在浓度低时可以降解，高于 某一浓度时不能降解（产生抑制作用）。
－
sz
S
抑制浓度
三、注意几个问题
2、共代谢现象 一些化合物单独存在时不能被降解，只有在其它物 质被降解时才能被降解的现象。
可能原因：1）缺少进一步降解的酶系； 2）中间产物的抑制作用；
(二)硝化作用：
氨氧化成亚硝酸、硝酸的过程。
分两步进行（好氧条件） NH3



10.2
有机物的生物分解性
一、有机物的生物分解性评价方法
易生物分解试验 生物分解潜能试验 (是否具有生物分解 的潜在性) 生物分解模拟试验 （在特定环境下的 生物分解性） 本质性生物分解试验 污水生物处理系统 河流、湖泊 河口 海洋 土壤……
有机物的生物分解性评价步骤
受试 有机 化合物 易生物分解试验 分解性

b’ ：自身氧化需氧率， Kg O2 / (Kg MLVSS · d)
关于需氧量的计算(简介)

O2 = 0.001aQ(So - Se) - c △Xv + b [0.001Q(Nk - Nke) - 0.12△Xv] - 0.62b [0.001Q(Nt – Nke - Noe) - 0.12 △Xv] O2 = 去除含碳污染物的需氧量 - 剩余污泥排出节省下的氧当量 + 去除的凯氏氮硝化所需氧量 - 去除的总氮反硝化时所回收的氧量 若处理系统仅为去除碳源污染物则b为零，只计 第一项和第二项。
碳循环
碳循环
碳素循环包括CO2的固定和再生。 CO2的固定： 绿色植物和微生物通过光合作用， 固定自然界中的CO2，合成有机碳化物，进而转 化成各种有机质； CO2的再生：植物和微生物通过呼吸作用获得能 量，同时释放出CO2。动物以植物和微生物为食， 并在呼吸作用中释放出CO2。当动、植物和微生 物等有机碳化物被微生物分解时，产生大量的 CO2，完成整个碳素循环。
H2 + CO2 （4）同型产乙酸菌 （3）产甲烷菌 CH4
乙酸

70年代以后又提出了三 阶段、四阶段理论。
厌氧消化三阶段、四阶段过程
三阶段、四阶段理论

第一阶段：水解、发酵性细菌群将复杂有机物分 解为各种低级脂肪酸、醇类、氨等； 第二阶段：产氢产乙酸细菌将第一阶段产物进一 步分解为乙酸和氢气； 第三阶段的微生物是两组生理不同的专性厌氧的 产甲烷菌群。一组将H2 和CO2 或CO合成CH4 ； 另一组将乙酸脱羧生成CH4和CO2 ； 第四阶段：为同型产乙酸阶段，同型产乙酸细菌 将H2和CO2转化为乙酸。