第四章 微生物与生物地球化学循环

城市污水经传统的二级处理以后，虽然 绝大部分悬浮固体和有机物被去除了，但还 残留微量的悬浮固体和溶解的有害物，如氮 和磷等的化合物。氮、磷为植物营养物质， 能助长藻类和水生生物，引起水体的富营养 化，影响饮用水水源。
太湖的富营养化
一 氮、磷的去除
（一）氮的生物 去除 废水中的氮以有机氮、氨氮、亚硝酸氮和硝酸氮 四种形式存在。 (1) 生物脱氮机理 同化作用去除的氮依运行条件和水质而定，如果 微生物细胞中氮含量以12.5%计算，同化氮去除占原 污水BOD的2%~5%，氮去除率在8%~20%。 生物脱氮是在微生物的作用下，将有机氮和氨态 氮转化为N2和NxO气体的过程。其中包括硝化和反硝 化两个反应过程。
微生物与自然界物质循环
C、N、P、S
一、碳素循环
沼气-能挽救森林的生物质能源
山东民和牧业3兆瓦鸡粪沼气发电工程
二、氮素循环
• 三种存在形式：分子氮、有机氮化合物、 无机氮化物 • 四种作用：氨化作用、硝化作用、反硝作 用及固氮作用
二、自然界中的氮素循环
（一） 生物固氮： N N
1. 工业固氮作用
（四）氨化作用:
有机氮
NH4+ +SO42-+H2O
（五）铵盐同化作用：
所有绿色植物和许多微生物进行的以铵盐为营 养，合成氨基酸、蛋白质、核酸和其它含N有机
物的作用，都是---。
三、硫的生物循环
沉默的矿藏
铜（copper）：红色的金子
西班牙人从黄色的河流中获得铜矿。但直到三十年前，人们 才意识到在从微溶的铜硫化物到可溶的铜硫酸物的萃取过程 中，细菌起到了积极的辅助作用。
生物除磷过程
• 聚磷菌的过量摄取磷： 好氧条件下，除磷菌利用废水中的BOD5或体 内贮存的聚-羟基丁酸的氧化分解所释放的能量来 摄取废水中的磷，一部分磷被用来合成ATP ATP，另外 ，另外 绝大部分的磷则被合成为聚磷酸盐而贮存在细胞体 内。 • 聚磷菌的磷释放： 在厌氧条件下，除磷菌能分解体内的聚磷 酸盐而产生ATP ATP，并利用 ，并利用ATP ATP将废水中的有机物摄 将废水中的有机物摄 入细胞内，以聚-羟基丁酸等有机颗粒的形式贮存 于细胞内，同时还将分解聚磷酸盐所产生的磷酸排 出体外。一般，在好氧条件下所摄取的磷比在厌氧 条件下所释放的磷多，废水生物除磷工艺是利用除 磷菌的这一过程，将多余剩余污泥排出系统而达到 除磷的目的。
1.有机磷化物的分解(解磷作用) 2.不溶性无机磷化物的转化(溶磷作用) 3.有效磷的微生物固定
微生物解磷作用 含磷矿物
风 化 作 用
土壤固定
有机磷化物
PO43-
不溶性磷酸盐
植物微生物同化作用
微生物溶磷作用
磷的生物循环
污水的生物脱氮除磷技术
生物脱氮除磷机理及生物学基础 生物脱氮除磷机理及生物学基础
水解
RCHNH2COOH H2O RCOHCOOH NH3
细菌分解 RCHNH2COOH O2 RCOCOOH CO2 NH3
b硝化反应：
返回
硝化反应是在好氧条件下，将NH4+转化为NO2和NO3-的过程。
亚硝酸菌 2NH 3O 2NO 4H 2H2O 4 2 2
O2 硝化 硝态氮
（NO3-）
缺氧
反硝化 有机碳
氮气
（N2）
a 氨化反应：
新鲜污水中，含氮化合物主要是以有机氮，如蛋白 质、尿素、胺类化合物、硝基化合物以及氨基酸等形式 存在的，此外也含有少数的氨态氮如NH3及NH4+等。 微生物分解有机氮化合物产生氨的过程称为氨化作 用，很多细菌、真菌和放线菌都能分解蛋白质及其含氮 衍生物，其中分解能力强并释放出氨的微生物称为氨化 微生物，在氨化微生物的作用下，有机氮化合物分解、 转化为氨态氮，以氨基酸为例：
亚硝酸还原菌 6NO 3 CH OH 3 N 3 CO 3 H O 6OH 2 3 2 2 2
总反应式为：
6NO3 5CH3OH 反硝化菌 3N2 5CO2 7H2O 6OH-
反硝化菌属异养兼性厌氧菌，在有氧存在时，它 会以O2为电子进行呼吸；在无氧而有NO3-或NO2-存在 时，则以NO3-或NO2-为电子受体，以有机碳为电子供 体和营养源进行反硝化反应。
微生物能把上亿吨的低价值铜转变成纯铜。在美国、加拿大、 智利、澳大利亚及其南非，微生物通过生物浸矿法生产出的 铜占总产量的四分之一。
沉默的矿藏
细菌沥滤（bacterial leaching） 又称细菌浸出或细菌冶金 它利用化能自养的硫化细菌对矿物中的硫或硫化物的氧化作 用，让其不断制造和再生酸性浸矿剂，使所需要的铜等金属 不断地从低品位的矿石中溶解出来，成为硫酸铜等金属盐类 的溶液，然后再通过电动序较低的铁等金属（一般用废铁粉 ）加以置换，也可用离子交换等方法，以取得其中铜等有色 金属或其他稀有金属。
RCHNH2COOH H2O RCOHCOOH NH3
有机氮
（蛋白质、尿素）
RCHNH2COOH O2 RCOCOOH CO2 NH3
细菌分解和水解 氨 氮 同 化
（NH3-N）
有机氮
（细菌细胞）
有机氮
（净增长）
O2 硝化 亚硝态氮
（NO2-）
自溶和自身氧化 缺氧 反硝化 有机碳
• 聚磷菌 • 厌氧条件下释放磷（DO≈0，NOX-≈0） ATP+H2O→ADP+H3PO4+能量 需要易生物降解有机物 • 好氧条件下过量摄取磷 ADP+H3PO4+能量 → ATP+H2O
生物除磷示意图
Anaerobic HAc Influent PO4 HAc PO4 Aerobic / Anoxic CO 2 PO4
从以上的过程可知，约96％的NO3-N经异化过 程还原，4％经同化过程合成微生物。
污水脱氮工艺
2.4 生物除磷
（二）污水中磷的去除
磷也是有机物中的一种主要元素，是仅次于氮的微生物生 长的重要元素。 磷主要来自：人体排泄物以及合成洗涤剂、牲畜饲养场及 含磷工业废水。 危害：促进藻类等浮游生物的繁殖，破坏水体耗氧和复氧 平衡；使水质迅速恶化，危害水产资源。
（1）溶矿 铜矿石的种类很多，小颗粒的低品位矿石在浸矿剂Fe2(SO4)3或H2SO4 的作用下，溶出了大量的CuSO4。例如：
• 优点是投资少、建设快、成本低、操作简便、规
模可大可小，尤其适合于贫矿、废矿、尾矿或火
治炉渣中金属的浸出；
• 缺点是周期长、矿种有限以及不适宜高寒地区使
用等。
四、磷的生物循环
硝化细菌是化能自养菌，生长率低，对环境条件 变化较为敏感。温度、溶解氧、污泥龄、pH、有机 负荷等都会对它产生影响。
c 反硝化反应： 反硝化反应是指在无氧的条件下，反硝化菌将硝 酸盐氮(NO3-)和亚硝酸盐氮(NO2-)还原为氮气的过程。
6NO3 2CH3OH 硝酸还原菌 6NO 2 2CO2 4H2O
有机磷 含磷化合物 无机磷
有机磷包括磷酸甘油酸、磷肌酸等
磷酸盐：正磷酸盐(PO43-)、磷酸氢盐(HPO42-) 、 磷酸二氢盐H2PO4-、偏磷酸盐(PO3-) 聚合磷酸盐：焦磷酸盐(P2O74－) 、三磷酸盐(P3O105-)、 三磷酸氢盐(HP3O92-)
• 磷在废水中的存在形式： 磷酸盐、聚磷酸盐和有机磷等。 • 微生物从水中摄取一定量的磷来满足其生理需要， 从而去除部分磷。 • 聚磷细菌，可以过量地、超出其生理需要地从外部 摄取磷，并以聚合磷酸盐的形式贮存在细胞体内， 如果从系统中排出这种高磷污泥，则能达到除磷的 效果。
硝酸菌 2NO 2 O 2 NO 2 2 3
总反应式为：
2e 2e 2e 2e NH NH OH 羟胺 NOH 硝 酰酰 NO NO 4 2 2 3
硝化细菌 NH 2 O NO 2 H H2O 4 2 3
NH3
300大气压 300℃铁触媒
N2+3H2
2NH3
Байду номын сангаас
2、生物固氮作用
6NAD(P)H NAD(P)+
N N
ATP
Mg2+
NH3
ADP+Pi
（二）硝化作用:
好氧时 亚硝酸细菌： NH4+ 两类细菌： 硝化细菌： NO2NO3NO2-
（三）反硝化作用：
兼性厌氧的硝酸盐还原细菌将硝酸盐还原为氮气。 NO3NO2NO N2O N2 反硝化作用的三种结果： a.通过硝酸还原酶的作用将硝酸还原为氨。 b.反硝化细菌在厌氧条件下，将硝酸还原为氮气。 c. 硝酸盐还原为亚硝酸。 反硝化作用的危害：反硝化作用一般只在厌氧条件下， 如淹水的土壤，或死水塘中发生。使土壤的肥力下降， 在污水生物处理系统中，使出水含有多量的泥花，影 响出水的水质。
一般城市污水水质与排放要求
项 目 CODcr BOD5 SS TKN(NH3-N) 进水水质/（mg· L-1） 250~300 100~150 150~200 35（25）
国家排放标准/（mg· L-1） 一级A
50 10 10 5（8）
一级B
60 20 20 8（15）
TP
5~6
1
1.5
如何去除以达到排放标准？ 常规活性污泥法的微生物同化和吸附； 生物强化除磷； 投加化学药剂除磷。
在反硝化菌代谢活动的同时，伴随着反硝化菌 的生长繁殖，即菌体合成过程，反应如下：
3NO3 14CH3OH CO2 3H 3C5H7O2 N 19H2O
式中：C5H7O2N为反硝化微生物的化学组成。
反硝化还原和微生物合成的总反应式为：
NO3 1.08CH3OH H 0.065C 5H7 O2 N 0.47N2 0.76CO 2 2.44H 2O
Poly-P
Settling phase Effluent
PHA
Poly-P
PHA
O2 (NO3) Return sluge Waste sluge Anaerobic Aerobic / Anoxic Settling phase PO4
Bulk liquid
HAc PHA Poly-P GLY
PO4 Poly-P
常规活性污泥法的微生物同化和吸附 普通活性污泥法剩余污泥中磷含量约占微生物干 重的1.5%~2.0%，通过同化作用可去除磷12%~20%。
dTP 0.015 yobserve dBOD
生物强化除磷工艺 生物强化除磷工艺可以使得系统排除的剩余污泥 中磷含量占到干重5%~6%。 如果还不能满足排放标准，就必须借助化学法除 磷。
PO4 GLY PHA GLY PHA
Biomass
正常细胞的磷含量：1%~3%； 聚磷菌吸磷后磷含量：可达12%。