环境治理污染控制微生物学第十章（2）

《环境治理污染控制微生物学第十章（2）》由会员分享，可在线阅读，更多相关《环境治理污染控制微生物学第十章（2）（80页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、厌氧生物学原理及厌氧生物处理技术 Principle of Microbiological and Technology for Anaerobic Treatment,厌氧处理工艺失败往往归结于系统酸化，原因是丙酸积累。许多人提出丙酸产生的一些原因，如厌氧反应器启动阶段、冲击负荷或超负荷运行时。特别是提出丙酸积累是由于氢分压较高所致,1-丙酸乙酸 2-丁酸乙酸 3-乙醇乙酸 4-乳酸丙酸,产氢产乙酸作用,产酸过程产氢产乙酸阶段,产酸过程废水处理限速步骤,传统认为，厌氧生物处理的限速步骤是产甲烷阶段。而事实上，对于某些废水，产酸发酵对系统的成败起着关键的作用 产酸细菌的产物是产甲烷细菌的基质。

2、提供易于被产甲烷细菌利用的产物，可保证系统高效、稳定运行 产甲烷菌仅能利用1C化合物和2C的乙酸，有机物质能否顺利降解成甲烷，主要看产酸过程能否转化为1C化合物和2C的乙酸 产酸过程中产生的乙醇、丙酸、丁酸、乳酸等挥发性有机酸，经产氢产乙酸菌的作用生成乙酸、H2/CO2才可被利用，经研究发现，丙酸难以发生产氢产乙酸代谢,产酸发酵细菌的微生物学、生物化学、生态学及运行控制对策等开展研究 影响产酸发酵类型的原因：pH、氧化-还原电位(ORP)、底物浓度、有机负荷、水力停留时间和碱度等 一般认为，含脂类和蛋白质废水易发生丙酸型发酵，但事实上，碳水化合物废水发生丙酸型发酵的几率亦很高。因此，发酵类型的

3、不可预见性是困扰人们的一大难题,产酸过程废水处理限速步骤,表1 产酸相碳水化合物发酵产物组成,大量试验结果表明，超负荷会使发酵类型由丁酸型转变为丙酸型，并伴随着较高的氢分压。这就是为什么在有些试验中氢分压与丙酸的产生有相关性的原因 而在我们的实验中，由于利用乙醇型发酵，即使氢分压很高也不许转为丙酸型发酵，所以代谢稳定,产酸过程废水处理限速步骤,产氢产乙酸速率顺序：乙醇乳酸丁酸丙酸,产酸过程丙酸产生问题的提出,丙酸发酵细菌的生化反应如下： C6H12O6 + 2NADH2CH3CH2COO- + 2H2O + 2NAD+ G = -357.87 kJ/mol 表明理论上丙酸的产生与氢气无关(如丙

4、酸菌属) Denac等(1988)利用糖蜜为底物，人为向产酸反应器中投加氢气提高氢分压，并未增加丙酸的代谢产量 我们的试验发现，氢分压高达45.3kPa以上，未发现丙酸大量产生。发生丙酸型发酵时，氢分压很低(13.2kPa) 为什么诸多现象表明丙酸的积累是由较高氢气分压引起的？另外，氢分压高就必然造成丙酸的产生和积累吗？,原因二生态原因：现象 丙酸大量产生时氢分压可能不高 发现ORP和pH值是影响丙酸型发酵的限制性生态因子 从生态学角度分析，自然界中必然存在适宜丙酸菌属生存的最佳条件,产酸过程丙酸产生的原因,原因一生理原因：氢分压高 丙酸积累,产酸过程丙酸产生的生态原因,1#反应器中pH值和O

5、RP影响末端发酵产物产量变化规律 (投加FeCl3提高氧化还原电位,丁酸型乙醇型丁酸型) Nv=8kgCOD/m3d, T=300.1,丙酸的产生并非由氢气和氢分压高引起，而是由生理的原因或生态的条件两种机制造成 pH和ORP可决定发酵类型 典型的丁酸型发酵发生在pH6.0 典型的丙酸型发酵发生在pH约5.5 典型的乙醇型发酵发生pH4.5 pH5.0，可发生丁酸、丙酸、混合酸型发酵，取决于ORP 较高的NADH产率、较高的ORP和pH在5.5左右的条件，是丙酸产生的“原因”；较高的氢分压常是伴随过量的NADH出现的，它只是丙酸积累的“现象” 对于生理的原因引起的丙酸产生，氢分压较高的现象可作

6、为丙酸积累的指示因素,产酸过程丙酸产生的结论,产甲烷阶段,由严格专性厌氧的产甲烷细菌将乙酸、甲酸、甲醇、甲胺和CO2/H2等转化为CH4和CO2（沼气）的过程 “产甲烷细菌”这一词是1974年由Bryant提出的，目的是为了避免这类细菌与另一类好氧性甲烷氧化细菌“甲烷细菌”相混淆 产甲烷细菌属古细菌，是一个很特殊的生物类群，亲缘关系既不属于真核生物，也不属于原核生物 与原核生物极其接近，但在分子生物学方面又明显区别于原核生物，特别是DNA组成区别明显 细胞壁中不含胞壁酸，对作用于细胞壁的高效抗菌素例如青霉素、右旋环丝氨酸、万古霉素和头孢菌素等不敏感，利用这一特性，在分离产甲烷菌时可制成选择性培

7、养基,产甲烷阶段,根据产甲烷细菌对底物利用的类型，可将其分为3类 氧化氢产甲烷细菌(H2-oxidizing methanogens，HOM) 氧化氢利用乙酸产甲烷细菌(H2-oxidizing acetate-utilizing methanogens，HOAM) 非氧化氢利用乙酸产甲烷细菌(non-hydrogen -oxidizing acetate-utilizing methanogens，NHOAM) 截至20世纪90年代初，人们已经发现产甲烷细菌65个种，他们分属于3个目，7个科，19个属,已发现的主要产甲烷种属（参考Balch分类，1979）,已发现的主要产甲烷种属（参考Bal

8、ch分类，1979）,产甲烷菌的种类及形态特征,产酸发酵细菌相比，产甲烷细菌种类较少，但它们在形态上仍有明显的差异，有杆状、丝状、球状、螺旋状和八叠球状等 。,产甲烷菌的种类及形态特征,产甲烷细菌的生理特征,严格专性厌氧：产甲烷细菌对氧非常敏感，遇氧后会立即受到抑制 世代长，生长缓慢 ：即使在人工培养条件下，也要经过18d乃至几十天才能长出菌落,主要原因是：(1) 可利用的底物少；(2) 底物转化为CH4所释放的能量少，使微生物的生长繁殖速率很低,对环境变化非常敏感：如，只能生活在ORP低于-300mV以下的环境中，pH值大多要求在6.57.5 产甲烷细菌分离培养比较困难 ：由于严格厌氧，受技

9、术手段限制，培养分离很困难。70年代中期以前产甲烷细菌新种发现得不多，目前全世界报导的产甲烷细菌约有40多种,产甲烷细菌的营养特征,几乎所有的产甲烷细菌都能利用H2和CO2生成CH4 绝大多数都能利用甲醇、甲胺、乙酸 不能直接利用除乙酸外的二碳以上的有机物质 所有的产甲烷细菌都能利用NH4+ 在生活中需要某些维生素，尤其是B族维生素,产甲烷细菌 氧化氢产甲烷菌HOM 氧化氢利用乙酸产甲烷菌HOAM 非氧化氢利用乙酸产甲烷菌NHOAM,HOM还原CO2产生甲烷示意图,厌氧微生物生态学 Anaerobic Microbiology Ecology,影响产酸细菌的主要生态因子,氧化还原电位（ORP）

10、 ORP的高低主要影响着生物种群中专性厌氧和兼性厌氧细菌的比例，一般认为，产酸细菌的最适ORP范围为200300mV。 ORP高，丙酸杆菌多,pH值和碱度 足够的碱度可保证系统中具有良好的缓冲能力，避免pH迅速降低而导致细菌受到抑制 自然环境下主要碱度：碳酸盐碱度、乙酸盐碱度、铵盐碱度等 温度 水力停留时间和有机负荷,对系统中pH值影响的各种因素,影响产甲烷细菌的主要生态因子,氧化还原电位 专性厌氧的产甲烷细菌对介质中分子态氧的存在极为敏感，最适氧化还原电位为300500mV pH值和碱度 一般，产甲烷细菌的最适pH值为6.5-7.5。碱度要求高于产酸阶段，一般为高于500mg/L 周雪飞等（

11、2000年）研究发现，对于颗粒污泥，当pH为4.5时产甲烷细菌在48小时内仍然具有较高的产甲烷活性；即使将颗粒污泥破碎，pH为5时产甲烷细菌仍能够生存，并具有产甲烷活性，经生物相观察主要产甲烷细菌为八叠球菌属 有机负荷率 温度 抑制物和激活剂,产酸发酵细菌 产酸发酵菌 AFB 产氢产乙酸菌 HPA 同型产乙酸菌 HOMA 产甲烷细菌 氧化氢产甲烷菌 HOM 氧化氢利用乙酸产甲烷菌 HOAM 非氧化氢利用乙酸产甲烷菌 NHOAM,厌氧细菌分类 (按底物利用情况),在厌氧生物处理系统中，由于内部各区域生态位的差异，造成产酸细菌、产甲烷菌中各种群细菌有规律地出现更迭,两相厌氧反应器 单相厌氧反应器

12、优势种群沿水流方向的演替规律,优势种群的演替及相互关系,产酸菌和产甲烷菌间的相互关系,产酸细菌为产甲烷细菌提供生长繁殖的底物 产酸细菌将复杂大分子有机物转化为H2、CO2、NH3、VFA（挥发性有机酸，为产甲烷细菌提供了生长和代谢所需要的碳源和能源 产酸细菌为产甲烷细菌创造了适宜的氧化还原电位 在厌氧反应器运转过程中，由于进水过程难免使空气进入装置，有时液体原料里也含有微量溶解氧，这显然对产甲烷细菌是有害的。氧的去除可依赖产酸细菌类群中那些兼性厌氧或兼性好氧微生物的活动，将氧消耗掉，从而降低反应器中氧化还原电位,产酸菌和产甲烷菌间的相互关系,产酸细菌为产甲烷细菌清除了有毒物质 以工业废水或废弃

13、物为发酵原料时，可能含有酚、氰、苯甲酸、长链脂肪酸和重金属离子等，这些物质对产甲烷细菌有毒害作用。但产酸细菌中有许多种类能裂解苯环，有些菌还能以氰化物作为碳源和能源，解除毒害，提供底物 产酸细菌的代谢产物硫化氢，可以和一些重金属离子作用，生成不溶性的金属硫化物沉淀，从而解除了重金属的毒害作用 产甲烷细菌为产酸细菌的生化反应解除了反馈抑制 产酸细菌的发酵产物可以抑制本身的生命活动。在正常厌氧反应器中，产甲烷细菌能连续利用由产酸细菌产生的氢、乙酸、二氧化碳等生成CH4，不会由于氢和酸的积累而产生反馈抑制作用，使产酸细菌的代谢能够正常进行,产酸菌和产甲烷菌间的相互关系,产酸细菌和产甲烷细菌共同维持环

14、境中的适宜pH值 在厌氧代谢初期，产酸细菌首先降解废水中的有机物质，产生大量的有机酸和碳酸盐，使发酵液中pH值明显下降。同时产酸细菌类群中还有一类氨化细菌，能迅速分解蛋白质产生氨。氨可中和部分酸，起到一定的缓冲作用 另一方面，产甲烷细菌可利用乙酸、氢和CO2形成甲烷，从而避免了酸的积累，使pH值稳定在一个适宜的范围，不会使发酵液中pH值达到对产甲烷过程不利的程度 如果发酵条件控制不当，如进水负荷过高、CN失调，则可造成pH值过低，称为酸化。这将严重影响产甲烷细菌的代谢活动，甚至使产甲烷作用中断,分子生态学 (Molecular Ecology) 研究,哈尔滨产乙醇杆菌,荧光原位杂交技术FISH

15、 （Fluorescent in situ hybridization） 举例,分子生态学 (Molecular Ecology) 研究,Research Taskfrom complexity,思考题,有机物最终被降级转化为CH4、CO2、H2O等的过程中，需要产酸发酵细菌、产氢产乙酸菌、同型产乙酸菌等非产甲烷菌和产甲烷菌的共同参与。请你分析有机废水厌氧生物处理过程中非产甲烷菌和产甲烷菌两大微生物类群之间的生态关系。 请以两相厌氧工艺处理高浓度有机废水为例，叙述不同处理单元中微生物的生态位分离和生态位重叠，并说明微生物实现相分离的生态学意义。,Question? 如何解决产酸、产甲烷两类菌群

16、的代谢平衡？ 如何进一步提高厌氧处理效率？,H2O,厌氧生物学原理及厌氧生物处理技术 Principle of Microbiological and Technology for Anaerobic Treatment,存在的主要问题,正常运行的单相厌氧生物处理反应器中，由于产甲烷细菌代谢速率低，并且对环境条件要求高，一旦发生冲击负荷，发酵细菌群体代谢能力增强，而产甲烷细菌的代谢难以利用所产生的大量有机酸，则可能引起产酸进程与产甲烷进程平衡的失调，造成反应器内有机酸积累，使pH急骤下降，最终导致反应器的运行失败 对于单相反应器，两大类群细菌之间的代谢平衡是建立在限制产酸发酵细菌对有机物代谢能力的基础上，这就必然降低了厌氧生物处理系统的能力,如何解决？,两相厌氧生物处理 Two-phase Anaerobic Biotreatment,“相分离”概念,生物相分离技术概念：针对具有不同生理生态特性的微生物类群，通过一定的工程手段