水处理生物学
引言一、水处理微生物学的研究对象微生物（microorganism）：是个体很小的生物，其大小用um（微米）度量，肉眼看不见，只有在显微镜下放大以后，才能看到的低等生物。微生物学：研究微生物的形态、分类和生理等特性；研究它们的生存环境条件；研究它们在自然界物质转化中所起的作用；研究控制它们生命活动的方法。水处理微生物学：研究水微生物的形态、生理特性和控制方法；研究水微生物在水处理中的作用机理和规律；研究水微生物的检验方法；判定水体污染和自净能力以及水处理效果的好坏。二、水中常见微生物的类型及特点1、微生物的名称和分类(1)界―门―纲―目―科―属―种微生物的名用二个拉丁语拼写，第一个是属名，词首字母大写,第二个是种名,如：Escherichiacoli大肠杆菌属名相当于我们的姓，种名相当于名。(2)生物系统分类见图(1-1)2、微生物的动植物属性细菌类不能进行光合作用，不能运动，但属于植物。植物和动物的本质区别见(表1)：-74-\n图(1-1)新生动物动物界中生动物生物界原生动物种子植物植物界羊齿植物分裂菌类细菌类苔藓植物菌类叶状植物地衣类真菌类藻类表1:植物(细菌类)和动物(原生动物)的不同点植物动物能量来源光合作用有机物叶绿素有无主要储存物淀粉糖原固态食物不可可运动性没有有细胞壁有无细胞分裂方式沿横轴分裂为2沿纵轴分裂为23、类型非细胞形态的微生物—病毒细菌水中微生物原核生物放线菌细胞形态的微生物蓝藻藻类酵母菌真核生物真菌霉菌肉足类原生动物鞭毛类纤毛类后生动物轮虫线虫-74-\n(1)病毒：使用光学显微镜看不见，（病毒个体小于0.2um）必须使用超显微镜或电子显微镜。(2)原核生物：具用原核细胞的生物，其内部结构简单，细胞的核发育不完全，只是一个核物质高度集中的核区（拟核、似核），不具核膜，核物质裸露，与细胞质没有明显的界限，没有分化的特异的细胞器，只有膜体系的不规则泡沫结构，不进行有丝分裂。(3)真核生物：具有真核细胞的生物，其内部结构比较复杂，有发育完好的细胞核，有核膜使细胞核和细胞质有明显界限，有高度分化的特异细胞器，进行有丝分裂。4、微生物的五大特点(1)个体小，面积大；(2)吸收快，转化快；(3)生长旺，繁殖快；几十分钟内可繁殖一代，按一个分裂为两个；(4)适应强，易变异；适应外界环境能力强；(5)分布广，种类多；微生物无处不在；三、微生物在给水排水工程中的作用1、给水工程中去除病原微生物，满足供水水质要求；2、污水处理中的生物处理法利用微生物降解有机物，减少对水体的耗氧污染.由于生物处理法经济有效,迄今为止,仍是有机污水处理的主力军；3、水处理的微生物检查是生物处理功能判断的重要指标；4、微生物在水体自净中的作用；5、土壤的自净作用；-74-\n第一章细菌的形态和结构1.2.1细菌的外形和大小一、细菌：是微小的，单细胞的没有真正细胞核的原核生物。二、细菌的外形（个体形态）有三种：球菌，杆菌，螺旋菌。1球菌2杆菌3螺旋菌单球菌双球菌1、球菌链球菌四联球菌八叠球菌葡萄球菌产甲烷球菌球菌直径0.5—2um大肠杆菌2、杆菌伤寒杆菌产甲烷杆菌尺寸大小：长1—5um宽0.5—1um-74-\n3、螺旋菌（只有一个弯曲的螺旋菌称弧菌）尺寸大小：长5—15um宽0.5—5um1.2.2细菌细胞的结构基本结构细菌的结构特殊结构：一部分细菌所特有一、基本结构细胞壁细菌的基本结构细胞膜原生质体细胞质核质内含物1、细胞壁细胞壁在菌外的最外层，又称外膜，膜薄无色而透明，具有高度的坚韧和强性，起保护细胞及维护细胞外形的功能。细胞壁是鞭毛的支点，实现鞭毛运动。细胞壁上有很多微小的小孔，直径为1nm溶解性物质能够通过。细胞壁厚度为10—20nm，约占菌体干重的10—25％。1884年丹麦病毒学家Gram提出染色法（革兰氏染色法）的操作过程：结晶紫初染—碘液媒染—酒精脱色—番红或沙黄复染—结果：G+-74-\n：初染结晶紫的蓝紫色（颜色不变）G-：初染色消退，带上了复染色原因是G+和G-细菌具有绝然不同的细胞壁结构革兰氏阳性与阴性菌细胞壁比较2、细胞膜（1）细胞膜是一层紧贴着细胞壁内侧，柔软而富有弹性的半滲透性薄膜，厚约7—8nm，占细胞干重的10％（2）成分：蛋白质60—70％脂类20—30％糖类2％（3）功能a控制细胞内外物质（营养物质和代谢产物）的运送和交换；b维护细胞内正常滲透压；c合成细胞壁组合和夹膜的场所；d进行氧化磷酸化或光合磷酸化的产能基地；e许多代谢酶和运输酶以及电子呼吸链组分的所在地；f鞭毛的着生和生长点3、细胞质（1）-74-\n特点：细胞质是细胞膜以内，核质以外的物质，是一种无色透明而粘稠的胶体。（1）成分：水、蛋白质、核酸和脂类（2）功能：细胞质内具有各种酶系统，能不断的进行新陈代谢活动4、核质（1）特点：一般细菌具有分散而不固定形态的核质，核的结构和形态都比较原始。（2）成分：DNA（脱氧核糖核酸）（3）功能:DNA是细菌遗传物质5、内含物（1）特点：内含物是细菌新陈代谢的产物，或使储备的营养物质（2）成分：A异染颗粒：化学成分为多聚偏磷酸盐，使磷源和能源的储藏物。因用篮色染料染色后不呈蓝色而成紫色故称异染颗粒。生物除磷中好氧条件下，利用有机物分解产生大量能量，可“过度摄取”溶液中的磷酸盐并转化为多聚偏磷酸盐，以异染颗粒的方式储存于细胞内。B聚β羟基丁酸盐（PHB）：是细菌的碳源和能源储藏物，是有机物在厌氧代谢过程中形成的代谢产物。C肝糖和淀粉颗粒：是碳源和能源的储藏物。D硫粒：是元素硫的储藏物。二、特殊结构1、荚膜（1）定义：细菌在一定的营养条件下，能够向细胞壁的表面上分泌出一层粘液样的物质而形成较厚的一层膜称为荚膜-74-\n（2）成分：多糖类物质，水占90％（3）功能：有保护作用，当营养缺乏时，细菌可以利用荚膜多糖作为它的碳源和能源物质，保护细菌免受干燥危害。（4）菌胶团：当荚膜物质相融合称为一团，内含许多细菌时，称为菌胶团。（5）菌胶团的形态分支状、蚕丝状、球形状、椭圆形、蘑菇形、片状几种不同形态的菌胶团（6）菌胶团在废水生物处理中的作用A菌胶团是活性污泥中细菌的主要存在形式,在较强的吸附和氧化有机物的能力。B良好的废水处理效果,要求菌胶团结构紧密,吸附沉淀性能良好。2、芽孢(内生孢子或耐久体)(1)定义:在部分杆菌和极少球菌中,当生长到一定时,增殖速度降低,菌体细胞内细胞质出现浓缩聚集现象,并逐步形成圆形或椭圆形折光很强的特殊结构,称为芽孢(也称内生孢子或耐久体).一般细菌只形成一个芽孢。-74-\n芽孢结构图（2）特点：a.芽孢是抵抗恶劣环境的一个休眠体；b.壁厚；c.水分少，一般在40%左右；d.不易透水；e.含有特殊的抗热性物质和耐热性酶，对高温、低温、干燥和化学药剂有很高的耐受力和抵抗力，生存能力强；（3）形成条件和过程细菌在一定的环境条件下或处在一定的生活阶段，如果环境条件改变，如营养物质缺乏、温度发生变化、进入有毒物质等，就会形成芽孢。芽孢形成的时间较短，一般只要24小时或多一点时间。形成过程：脱水浓缩――芽孢膜形成――芽孢游离释放（4）芽孢发芽在适宜的条件下，芽孢吸收大量水分，体积膨胀，失去光泽，折光率减弱，芽孢内酶系统开始活动3、鞭毛-74-\n（1）定义：有一些细菌从菌体内生长出细长、波浪形弯曲的丝状物，是细菌的运动器官，称之为鞭毛。（2）结构大小鞭毛非常细，一般为10—20nm，使用电子显微镜才能观察到。鞭毛由基体、鞭毛钩、鞭毛丝组成鞭毛革兰氏阴性细菌鞭毛图（3）成分蛋白质99%、碳水化合物和类脂组成。（4）特点球菌都无鞭毛；大部分杆菌和所有的螺旋菌具有鞭毛。-74-\n§1.3、细菌的生长繁殖和命名一、细菌的生长繁殖和菌落特征1、细菌是活的生命有机体2、细菌的繁殖是二分裂法，即一分为二3、菌落特征由于细菌很小，单个细菌的生长和繁殖肉眼无法观察到，所以要采用群体生长的菌落，即将细菌接种到固体培养基上，经迅速繁殖形成许多菌体聚集在一起的并且肉眼可见的细菌集合体，称之为菌落典型的细菌菌落一般是1—3mm，圆形或椭圆形、湿润、较光滑、较透明、质地均匀、正反面颜色一致.正面观：1扁平2隆起3低凸起4高凸起5脐状6草帽状7乳头状表面结构形态及边缘：8圆形边缘完整9不规则边缘波浪10不规则颗粒状11规则放射状边缘呈叶状12规则边缘呈扇状13规则边缘呈齿状14规则有同心圆边缘完整15不规则似毛毯状16规则呈菌丝状17不规则卷发状边缘波形18不规则呈丝状19不规则根状4、细菌的生长条件（1）温度：低温、中温、高温（2）ph值：6—8二、细菌的命名-74-\n采用双命名法，即属名+种名属名种名拉丁文，词首字母大写Escherichia(主要特性)拉丁文，词首字母不大写coli（次要特征）第二章、细菌的生理特性及功能§2.1细菌的营养营养：生物体从外部环境摄取其生命活动所必须的能量和物质，以满足其自身生长繁殖需要的一种生理功能。营养是代谢的基础，代谢是生命活动的表现。一、细菌细胞的化学组分及生理功能1、化学组成：C、H、O、N、P、S六大元素和各种矿物元素;细菌的化学式为：C5H7O2N80%水（芽孢40%水）碳水化合物细胞湿重90%有机物蛋白质20%干物质脂肪DNARAN10%无机物（灰分）2、各组分的生理功能（1）水分-74-\n水是细菌的最主要的组成成分，细菌的各项生理活动，必须有水的参于才能进行。水的存在状态：自由水（游离水）和结合水自由水/结合水=4/1水的生理功能有四点：a、溶剂作用，物质先溶解于水，才能参与生化反应b、参与生化反应c、运输物质的载体d、维持和调节一定的温度（2）、无机盐是指细菌内存在的一些金属离子盐类大量金属元素：P.S.K.Mg.Na.Fe无机盐微量金属元素：Zn.Ni.Co.Mo.Mn无机盐的生理功能有五点：a.构成细胞的组成成分，如H3PO4是DNA、RNA主要成分b.酶的组成成分c.酶的激活剂，如Mg2＋、K＋、Fe3＋d.维持适宜的滲透压，如Na＋、K＋、CL－e.自养性细菌的能源，如S、Fe（3）碳源糖类有机碳源蛋白质碳源脂肪有机酸无机碳源：CO2、CO32－、HCO3－-74-\n提供细胞骨架碳源作用碳素的来源生命活动的能源（4）氮源蛋白质有机碳源蛋白栋氮氨基酸无机碳源：NH4CLNH4NO3氮源作用：是细菌细胞质的基本元素（5）脂类脂肪脂类磷脂腊细菌细胞的脂类主要集中在细胞壁与细胞膜，与细胞的渗透压有密切关系（6）核酸RNA（核糖核酸）：存在于细胞质内核酸DNA（脱氧核糖核酸）：存在于细胞核内（7）生长因子某些细菌在生长过程中不能自身合成的，同时又是生长所必须的由外界提供的营养物质，叫生长因子。生长因子:氨基酸维生素嘌呤、嘧啶-74-\n注意点：细菌总是先利用现成的容易被吸收、利用的有机物质。如果这种现成的有机物质的量已满足它的要求，细菌就不利用其他的物质了。在工业废水生物处理中，常加生活污水以补充工业废水中某些营养物质的不足。但如果工业废水中的各种成分已基本满足细菌的营养要求，再投加生活污水反而会把细菌养娇。因为生活污水中有机物比工业废水中的容易被细菌吸收利用，因而影响工业废水的处理净化程度。二、细菌的营养类型1、自养型细菌：能完全在无机物的环境中生长繁殖，以CO2和CO32－作为碳源；NH4＋或NO3—作为氮源，来合成菌体成分。它们生命活动所需能量则来自于外来的无机物或阳光。（1）光能自养型细菌细菌内含有光合色素，能进行光合作用，合成有机物质。绿色细菌：光能菌绿素CO2+2H2S------[CH2O]+H2O+S2高等绿色植物：光能叶绿素CO2+H2O-----------------[CH2O]+O2（2）化能自养型细菌在氧充足条件下，氧化一定的无机化合物（H2SNH4＋NO2－利用产生的化学能还原CO2合成有机物质。如亚硝酸盐细菌2NH3+2O2----2HNO2+4H++能CO2+4H＋-----CH2O+H2O-74-\n如铁细菌2FeCO3+3H2O+1／2O2-----2Fe(OH)3+CO2+能CO2+H2O----CH2O+O22、异养性细菌异养性细菌是以有机物为营养和能源碳源：来源于有机含碳化合物；氮源：来源于无机和有机含氮化合物能源：从有机物分解过程中产生的能源获得（1）光能异氧性细菌这类细菌比较少（2）化能异氧性细菌大部分细菌是以这种营养方式生长繁殖的，是以有机物为碳源和能源腐生细菌：从死的有机残体中获的营养而生存寄生细菌：生活在活的生物体内三、培养基1、培养基定义：指人工配制的适合不同的细菌生长繁殖或积累代谢的营养物质2、培养基配制原则（1）不同细菌的营养需要配制不同的培养基，如培养细菌采用牛肉膏蛋白胨（2）注意营养物浓度与配比如污水生物处理中要求BOD：N：P=100：5：1（3）调节适宜的PH值-74-\n（4）添加生长因子（5）培养基应物美价廉3、培养基分类固体培养基：液体培养基中加2%琼脂为凝固剂（1）按物理状态分半固体培养基：加1%琼脂液体培养基天然培养基：利用动植物或细菌体（2）按组分合成培养基：成分精确、重复性好但价格贵半合成培养基选择性培养基：细菌得到选择性生长和分离（3）按用途鉴别性培养基：肉眼直接判定细菌的培养剂加富培养基：用于细菌的富集4、配制方法（一般最好现用现配）适量水分—加入营养成分、无机盐—加入凝固剂——调节PH——加入生长因子及指示剂——高压蒸气灭菌——冷却放置备用四、营养物质的吸收和运输细菌没有专门的摄食器官，各种营养物质的摄入主要通过细胞膜进行的细胞膜具有半渗透性，有选择性的使需要的营养物质进入细胞，无用的代谢产物排除体外营养物质的吸收和运输有以下四种途径：（1）单纯扩散：是一种物理现象，物质顺着浓度差进行，由高浓度区向低浓度区扩散（2）促进扩散：在细胞膜内存在促进扩散的一种机制，起主要作用的是位于细胞膜上的特异性蛋白质-74-\n外内SCCSSC——蛋白质载体S‘CSCSS——物质促进扩散模式图（3）主动输送（主动运输）特点：a、运输过程中需要消耗能量，可逆浓度差进行b、需要载体蛋白质参与和催化c、是细菌吸收营养物质的最主要的方式定义：需要能量和透膜酶催化作用的逆浓度梯度运输营养物质的过程，称之为主动运输。(4)基团转位营养物质与载体蛋白质之间发生化学反应物质结构有所改变。§2.2酶及其作用一、酶的概念与特征1、定义：酶是生物催化剂，其基本成分是蛋白质，实现生化反应。2、特征：a酶的催化效率极高，比一般的催化剂106—1013倍；b催化反应的高度专一性，一种酶只能催化一种化学反应或一类相似的反应c酶是蛋白质，对环境条件极为敏感，如在高温、强酸、强碱、重金属毒物等条件下导致蛋白质变性，使酶丧失活性；d酶存在于所有的活体中。-74-\n二、酶的命名与分类迄今已发现2000多种酶，为避免混乱，便于比较必须统一的分类和命名。（一）按照酶促反应性质及催化反应类型，将酶分为六大类，即1、氧化还原酶这种酶能够引起基质的脱氢或受氢作用,产生氧化还原反应。在生化反应中有三种氧化还原的形式：氢的得失—失氢为氧化，得氢为还原氧的得失—加氧为氧化，失氧为还原电子得失—失电子为氧化，得电子为还原（1）脱氢酶能活化基质上的氢并转移到另一物质，使基质因脱氢而氧化（催化底物脱氢）脱氢酶AH2+BA+BH2还原酶（2）氧化酶能活化分子氧作为受氢体而形成水AH2+1／2O2A+H2O2、转移酶能够催化一个分子上的基团转移到另一个分子上，其反应通式为：AR+BA+BR3、水解酶能促使基质的水解作用，反应通式为：AB+H2OAOH+BH-74-\n4、裂解酶能催化有机质碳链的断裂，产生碳链较短的产物，反应通式为：AB+CABA+B5、同分异构酶能催化分子的异构化反应的酶，形成同分异构体6、合成酶能催化二个分子合成一个分子的反应，反应通式：A+B+ATPAB+ADP（二）酶的其它分类方法1、根据酶存在部位是在细胞内外的不同，分为：胞内酶：水解催化作用胞外酶：合成和呼吸作用2、诱导酶：能产生适应新环境的酶（三）二种情况1、当营养物质是较简单、溶解性物质，通过运输途径吸入细胞，在胞内酶作用下，迅速完成氧化、合成等生化反应；2、当是复杂或固体物质时，首先分泌的胞外酶将复杂的大分子水解为简单的小子并透过细胞膜进入细胞，在胞内酶作用下，进行氧化合成反应。三、酶促反应的影响及动力学（一）温度和PH值对酶活力的影响1、温度微生物各种酶的最适温度在30--60Ć，过高温度会破坏酶蛋白，过低温度会破坏酶活性。-74-\n在最适温度范围内,温度每升高10Ć,酶催化反应速度可提高1—2倍.2、PH值大部分酶的最适PH值在6—7左右,废水生物处理中的混合微生物最适PH在6—9。(二)酶促反应动力学----米---门中间产物学说设定E是酶,S是基质,ES是酶与基质的复合物,P是产物，K1,K2,K3分别为各步反应的速度常数。酶催化的过程是一个两步过程，即K1K3E+SESE+PK2K4根据后一步反应的速度，酶促反应生成产物的最终速度v为：v=k3[ES]上式中ES的浓度往往不知道，但可以导出E、S与ES的关系设：[E0]=酶的总浓度[S]=基质的总浓度[ES]=中间复合物浓度则[E0]—[ES]=游离态酶的浓度-74-\n根据质量作用定律，在平衡状态下：ES生成反应的速度=k1{[E0]—[ES]}[S]ES分解反应的速度=K2[ES]+K3[ES]在平衡时，有：k2+k3KM{[E0]—[ES]}[S]k1[ES]或[ES]=[E0][S]／(KM+[S])v=k3[ES]代入得v=k3[E0][S]／(KM+[S])=VMAX[S]／(KM+[S])----米门公式当[ES]=[E0]时，所有的酶分子都与基质形成了结合状态，即：Vmax=K3[E0]式中:V—反应速度；S—基质浓度Vmax—最大反应速度；Km—米氏常数。VVmax1／2Ｖ Km公式讨论：1、Km是酶的一个基本特征常数（a）由米--门公式知，当Km=S时有V=1／2Vmax-74-\n由此可见，Km表示当V=1／2Vmax时的基质浓度。（b）Km表示酶对基质亲和力的大小，Km小，亲和力高；Km大，亲和力底。2、当S<
>Km时，则V=VmaxV和S呈零级关系。4、在水处理反应器中，增加细菌数量和浓度，提高酶浓度，以增加反应器处理能力和速度。5、求解Km和Vmax（采用双倒数作图法）对米--门公式求倒数，得1／V=V／Vmax*(1／S)+1／Vmax 1／V Km／Vmax 1／Vmax6、由酶促反应推导出的米--门公式， 1／S也适用于细菌生长。1942年monod得出基质浓度与微生物比增长速度的关系：U=UmaxS／(Ks+S)式中：U:微生物比增长速度；Umax:微生物最大比增长速度；S:基质浓度；Ks:饱和常数（基质常数）。-74-\n1970年Lawrence---McCarty得出反应器中微生物量与基质浓度关系：ds／dt=KXS／(Ks+S)式中：ds/dt—基质利用速度；K—速度常数；S—基质浓度；X—微生物浓度。（三）酶促反应速度的测定测定方法：1.测定单位时间内底物的消耗量2.测定单位时间内产物的生成量Ｐ产物当量 曲线上各点的斜率，即该时刻的反应速度Ｖ。DP／DT＝V时间Ｔ(四)酶在废水生物处理中的应用1、将酶从生物体内分离出来制成酶制剂，用于废水处理。2、固定化酶（固相酶）是从生物体内提取出的水溶性酶，通过物理或化学的方法使之与载体相结合而形成一种不溶性酶，可以反复使用。3、固定化微生物细菌技术的应用。§2.3细菌的呼吸-74-\n细菌新陈代谢：细菌从外界环境摄取其生化与繁殖所必须的营养物质，并将代谢产物质（废物）排泄到外界环境中去的过程。新陈代谢：是维持生命的各种活动（生长、繁殖、运动）过程中，生物学变化（物质的分解与合成）的总称。合成反应（将营养物质转化为细胞物质）同化作用（合成代谢）吸收能量新陈代谢将营养物质分解分解代谢异化作用将细胞内营养物质分解（分解代谢）放出能量有机物好氧代谢模式图(CO2H2ONH3)微生物分解代谢产物+能量有机物+氧合成产物(CO2H2ONH3)+能量细胞物质+氧内源呼吸(C5H7NO2)残留物有机物厌氧代谢模式图：微生物分解细胞物质有机物释放微生物细胞物质 能量+有机酸.醇.醛及CO2.NH3.H2SCO2.CH4.能量酸性发酵甲烷作用-74-\n一、呼吸作用的本质呼吸作用是生物氧化和还原的统一过程，其结果有：1、将有机物转化为CO2.H2O及其它简单物质；供给合成作用2、呼吸中产生的能量可分三部分供维持生命变成热能释放3、呼吸作用产生的中间产物，一部分继续分解，另一部分做合成机体物质的原料。4、呼吸作用中，吸收和同化各种营养二、细菌的呼吸类型好氧呼吸——好氧菌DO>0.2-0.3按与氧的关系兼性菌厌氧呼吸——厌氧菌DO<0.21、好氧菌呼吸作用（受氢体为氧）（1）好氧呼吸过程的反应图基质-H2辅酶H2O脱氢酶氧化酶基质辅酶-H2O2过程：脱氢酶脱下基质上的H2，氧化酶活化氧与氢结合成水，最终电子受体是游离的氧。（2）EMP途径—糖酵解示意图葡萄糖在有氧和无氧条件下发生糖酵解过程，将葡萄糖转化为丙酮酸。（3）TCA循环（柠檬酸循环）-74-\n丙酮酸——CO2、H2O2、厌氧细菌呼吸作用（1）厌氧呼吸过程反应图式基质-H2辅酶受氢体-H2脱氢酶基质辅酶-H2受氢体（O2以外的物质）3、兼氧细菌呼吸作用4、微生物呼吸过程中的能量关系（1）氧化分解为放能反应，合成过程为需能反应；（2）当物质完全氧化时，放出的能量多，氧化不完全时，放出的能量少；（3）ATP循环CO2.H2OATP有机物ADP能量三、代谢产物1、气体物质：CO2.H2.CH4.H2S.NH32、有机代谢产物3、分解产物4、其它四、细菌呼吸类型在废水生物处理中应用1、好氧呼吸：活性污泥法、生物膜法2、厌氧呼吸：剩余污泥处理、高浓度有机废水处理§2.4、其它环境因素对细菌生长的影响-74-\n1、温度低温细菌：最适温度10-20ºC按照温度将微生物分为中温细菌：最适温度20-40ºC高温细菌：最适温度50-60ºC细菌的最适温度是指细菌在其温度下，生长速度快，世代时间短。下图表示温度对细菌活力的影响： 细菌活力 低温 中温 高温 15 35 55 温度 （1）高温为什么会杀死细菌呢？细菌细胞基本组成是蛋白质，而蛋白质不耐热性原因生物催化剂—酶也是蛋白质，无耐热性（2）为什么湿热比干热容易杀死细菌呢？因为湿热水蒸气的传导力与穿透力都比较强，更容易破坏蛋白质。2、PH值大多数细菌最适的PH=6-83、氧化还原电位各种细菌对氧化还原电位要求不同（1）好氧菌E=0.3-0.4v（2）厌氧菌E<0.1v-74-\n（3）兼性菌E>0.1v好氧呼吸E<0.1v厌氧呼吸（4）在污水处理中活性污泥：E=200至600mv；污泥厌氧消化：E=-100至-200mv4、干燥环境过于干燥，细菌不能生长，但荚膜、芽孢细菌抗干燥能力较强5、渗透压什么叫渗透压？（1）当细菌外的水溶液渗透压=细胞内液体渗透压时，细菌生活最好（2）当在高渗透压溶液中（如盐水中），细胞要失水，发生质壁分离； 滲透压（3）当在底渗透压溶液中（如0.01%NaCL），细胞质吸水而膨胀。 水 水（4）一般在0.85-0.9%的NaCL溶液是最适的渗透压。 稀 半透膜 浓6、光线除光合细菌外，一般细菌都不喜欢光线。7、化学药剂8、微量元素9、有毒有机物第三章细菌的生长和遗传变异§3.1细菌的生长及其特性-74-\n细菌的生长：细菌细胞的体积或重量增加的过程。细菌的繁殖：以无性二分裂的形式增殖，每隔20-30分钟分裂一次。杆菌和螺旋菌分裂模式图：一、细菌生长测定方法涂片染色法显微镜直接计数法计数器测定法（一）直接测定比例计数法比浊计数法平板计数法：细菌菌落以30-300为宜，太多计数难，太少误差大（二）间接计数法液体计数法（活菌计数法）薄膜计数法（三）重量法1、测定细胞干重：取样—离心或过滤—烘干（105）—称重活性污泥以MLSS重量法（MLSS=MixedLiquorSuspendedSolids）：取样――蒸发皿中干燥――称重测定：干燥泥样――5500-74-\nC马福炉下灼烧2H小时，将有机物分解为CO2H2O蒸发――称重1、细胞含氮量细胞蛋白质中氮的含量为16%，已知氮含量可反推算细菌量3、DNA含量（四）水处理采用的方法1、有机物的消耗2、DO的消耗（瓦呼仪）3、H2.CH4的产生二、细菌的生长特性1、间歇培养和生长曲线(1)间歇培养：将少量细菌接种于一定量的液体培养基内，在适宜的条件下培养，并定时取样测定活细菌数目或重量的变化，即为间歇培养。(2)生长曲线A按活细菌重量—培养时间绘制曲线细菌生长曲线a生长率上升阶段：食料（营养物）过剩，细菌生长不受食料数量的影响，只受自身生理机能限制。（肉多狼少）b生长率下降阶段：食料降低和减少，导致食料不足，限制细菌的生长（狼多肉少）-74-\nc内源呼吸阶段：食料耗尽，细菌代谢自己体内的营养物或利用死亡的细菌作为营养物。（狼多没肉）B按细菌数目的对数—培养时间绘制曲线a缓慢期：适应环境并开始个别细菌繁殖b对数期：细菌繁殖旺盛c稳定期：细菌繁殖速度逐渐下降，并达到“生死”平衡。d衰老期：细菌死亡率大于繁殖率。（3）动力学反应模式A对数增长期特征：食料过剩动力学反应模式：dx／dt=kt式中：x---某一时间t时微生物的重量或浓度；k1--微生物增长速度。积分的：ln（x／x0）=k1t式中：xO—起始微生物的重量或浓度；在活性污泥法中，微生物量可用MLSS或MLVSS间接表示。时代时间（倍增时间）：指的是细菌繁殖一带的时间。设时间t0时细菌浓度为x0，到时间t时细菌浓度为x-74-\n，期间细菌共繁殖分裂了n代。则：x=x02Nn=(lnx-lnx0)／ln2=3.3ln（x／x0）G=(t-tO)／n式中：G---时代时间。通常细菌时代时间为20-30min.B生长率下降阶段（减速增长期）特征：食料减少，并成为微生物增长限制条件。动力学反应模式：dx／dt=k2S式中：S---某一时间t时的基质浓度；K2—常数。C内源呼吸阶段特征：食料耗尽，微生物减少率与生物自身量呈一级反应。动力学反应模式：-dx\dt=k3x式中：k3--微生物自身氧化速度常数。积分得：ln(x\x0)=-k3t（4）归纳小节a-b段：对数增长期条件生物降解反应式污泥状态食料过剩微生物以最大速率降解有机物及合成新的细胞物质微生物增长率与生物自身的量呈一级反应与浓度无关DX／DT＝K1X微生物能量高污泥松散絮凝及沉淀性能差b-c段：减速增长期条件生物降解反应式污泥状态食料降低食料不足成为限制微生物生长的主要因素微生物增长率与残存有机物浓度呈一级反应dx／dt=k2S微生物能量低，活性污泥絮凝体形成-74-\nc-d段：内源呼吸期条件生物降解反应式污泥状态食料耗尽细菌代谢自身体内的营养物质，并逐渐死亡微生物减少速率与生物自身量呈一级反应dx／dt=-k3x能量水平低，污泥量减少，絮凝性能和沉淀性能好2、连续培养：连续进料，连续出料§3.2细菌的遗传与变异一、概述1、细菌的遗传性：细菌通过分裂而产生下一代，所生的子代与亲代之间，不论在形态结构和生理机能方面都十分相似，这一现象叫遗传性。2、细菌的变异性：生物的子代和亲代之间，在形态结构和生理机能方面又不完全相同，或多或少有所差异，这一现象叫细菌的变异性。3、二者之间关系细菌的遗传性是由内因引起的，而变异性则是由外部生活环境条件发生变化所决定的。遗传与变异是生物最基本的属性，二者之间存在着对立统一关系，二者相辅相成，相互依存，遗传中有变异，变异中有遗传，遗传是相对的，变异是绝对的。二者之间可以相互转化，遗传性的动摇就是变异，变异性的巩固就是遗传。在短期内看来是遗传的性状，但从长远的观点来看，又必然发生变异。发生了变异的形态或性状，又会以相对稳定的状态遗传下去。遗传保证了物种的延续，变异保证了物种的多样化。生物界之所以能够不断地进化，就是生物的遗传性与变异性共同作用的结果。4、遗传与变异性在废水生物处理中的应用微生物的培养与驯化二、细菌的遗传-74-\n（一）细菌遗传的物质基础研究表明一切生物遗传变异的物质基础是核酸，而核酸又分为二类，即：DNA核酸mRNA(信使RNA)（占5%）RNAtRNA(转移RNA)（占15%）rRNA(核糖体RNA)（占80%）（二）核酸核酸是生物体的基本组成物质，是生物遗传变异的物质基础。由于核酸是从细胞核中提取发现的，故称核酸。1、核酸的类型按核酸分子所含戊糖和碱基的不同，核酸分为二大类，即：DNA核酸mRNA(信使RNA):传达的遗传信息存在于细质中RNAtRNA(转移RNA)：在蛋白质合成过程中起转移氨基酸的作用，存在于细胞质中rRNA(核糖体RNA)：是蛋白质合成的场所，存在于细胞质中DNA98%以上存在于细胞核中，是染色体的主要成分。RNA90%存在于细胞质中，10%存在于细胞核中。2、核酸的水解核酸是一种多聚核苷酸，在核酸酶、核苷酸和核苷酶等作用下水解，产生戊糖、磷酸和碱基，水解过程为：-74-\n核酸酶核苷酸酶磷酸核酸单核苷酸戊糖核苷碱基嘌呤碱嘧啶CO2氨、有机酸氨、CO2尿素3、核酸的化学组成组成DNARNA磷酸H3PO4H3PO4戊糖D-2-脱氧核糖D-核糖嘌呤碱腺嘌呤（A）鸟嘌呤（G）腺嘌呤（A）鸟嘌呤（G）嘧啶碱胞嘧啶（C）胸腺嘧啶（T）胞嘧啶（C）尿嘧啶（U）4、核酸的结构DNA的双螺旋结构-74-\n（三）DNA的复制1、目的：为确保机体内DNA中碱基顺序精确不变以及准确控制物种的遗传性。在细胞分裂前，DNA必须十分精确地进行复制。2、方法：边解旋边复制（四）微生物中的DNA1、原核微生物中的DNA原核微生物中的DNA不与蛋白质结合，也没有核膜，而是以单独裸露状态存在。细菌含有PO4而带负电2、真核微生物中的DNA真核微生物的DNA与蛋白质结合，主要存在与细胞核的染色体上。细菌只有一个染色体，染色体上含有大量不同的基因，染色体是遗传信息主要储存场所。人类有23对染色体，10万个基因，30亿个碱基对。染色体——DNA——基因——碱基对染色体集中大量DNA，DNA上含有许多基因。细菌质粒带有DNA，如F因子、因R子。细菌质粒：在原核生物细菌中，除还存在着另一类较小的环状DNA分子，它们也携带少数遗传性基因。它们在细胞分裂中，也能进行复制，这样的DNA构造称为质粒。(五)遗传信息的传递和表达根据分子遗传学观点，储存在DNA上的遗传信息的传递，主要的DNA形式是DNA上储存的遗传信息通过RNA的中间作用指导蛋白质的合成。其三步过程（称为中心法则）为：1、将携带遗传信息的DNA复制；-74-\n2、将DNA携带的遗传信息转录到RNA上；3、将RNA获的得信息翻译成蛋白质。复制复制反向转录DNARNA蛋白质转录翻译（六）基因表达的调控1、基因定义：生物体内储存遗传信息的因子称为基因。是DNA分子上的片段。2、相互关系染色体—DNA—基因—碱基对结构基因3、基因按功能分类调节基因操纵基因第四章、其它微生物§4.1、放线菌和丝状细菌放线菌：单细胞而有细长分枝的细菌铁细菌丝状细菌硫磺细菌原核生物球衣细菌细菌蓝藻一、放线菌-74-\n放线菌是一种单细胞而有细长分枝的菌丝体。菌丝较长，约为50-600um。营养菌丝：伸入营养物质内菌丝体分为二部分气生菌丝：伸向空中的菌丝*不同的放线菌的菌落呈不同的颜色；*放线菌菌落不易用接种环挑起；*放线菌为好氧菌，最适PH为7-8，最适温度为25-30ºC。二、铁细菌铁细菌1多孢泉发菌2赭色纤发菌3含铁嘉利翁氏菌多孢泉发菌铁细菌赭色纤发菌含铁嘉利翁氏菌铁细菌是自养性丝状细菌。铁细菌可促使下列反应进行4FeCO3+O2==4Fe(OH)3+4CO2生成的沉淀，缩小过水断面，沉积物，使水产生浑浊，促使铁管不断溶解，加速钢铁管的腐蚀三、硫磺细菌贝日阿托氏菌1．2.3.体内含明显硫粒-74-\n发硫细菌1菌丝一段吸附在植物残片上或纤维2从活性污泥菌胶团中伸出的菌丝贝日阿托氏菌硫磺细菌发硫细菌硫磺细菌是自养性丝状细菌，它能氧化H2S或硫磺(S)H2SO4，并同化CO2，合成有机成分:2H2S+O2-----2H2O+2S+Q2S+3O2+2H2O----2H2SO4+QCO2+H2O-----[CH2O]+O2H2SO4对管道有腐蚀作用。四、球衣细菌1、特点：具有假分枝的异养丝状细菌球衣细菌1高倍镜放大2低倍镜放大2、生活特点（1）衣细菌是好氧菌，但因其比表面积大，在微量DO环境中（<0.01mg/l)-74-\n也能较好生长。（2）生长最适为6-8；（3）生长最适温度为30ºC左右，在15ºC以下生长不良；（4）对碳源要求高，反应灵敏，故大量碳水化合物能加速球衣细菌的繁殖；（5）球衣细菌对液氯、漂白粉的抵坑力不及菌胶团；（6）球衣细菌分解有机物的能力很强；（7）球衣细菌过多，活性污泥膨胀。3、球衣细菌对活性污泥正常运行的影响（1）球衣细菌是活性污泥膨胀的主要诱因细菌；（2）球衣细菌难于利用复合的高分子有机物，如油脂、蛋白质等。§4.2、真菌单细胞：酵母菌真菌多细胞：呈丝状的霉菌真菌生物藻类（除蓝藻外）原生动物后生动物一、酵母菌1、形状及大小：圆形、卵形或原柱形，长8-10um，宽1-5um。2、培养试验情况：酵母菌在固体培养基上，在适宜温度下培养一定时间，可形成圆形菌落，通常呈白色或红色，表面湿润有光泽、带粘性。-74-\n3、生理特性（1）最适PH=4.5—6.5,中性偏酸；（2）大多数酵母菌进行无性繁殖。4、应用酵母菌（1）发酵酵母菌用于生活中的酿酒、或发面；（2）利用氧化型酵母菌处理废水.二、霉菌1、霉菌：是多细胞的腐生或寄生的异养性丝壮菌，是由分枝的菌丝组成的叶状体。霉菌菌丝A无隔多核菌丝B有隔单核菌丝C有隔多核菌丝营养菌丝菌丝气生菌丝2、生理特性（1）霉菌的繁殖：无性繁殖有性繁殖（2）霉菌的培养呈绒毛状或絮状的圆形菌落；（3）大多数霉菌为好氧菌；-74-\n（4）最适温度为20-30ºC；（5）最适PH为4.5—6.5。3、应用（1）霉菌的代谢能力很强，特别对复杂有机物（如纤维素、木质素等）具有很强的分解能力；（2）镰刀霉菌能有效氧化分解无机氰化物（CN－）。§4.3、藻类（algae）一、藻类分类原核生物：蓝藻真核生物：绿藻、硅藻、褐藻、金藻二、生理特性1、藻类是一种无机自养型的低等植物，细胞内含有叶绿素，能进行光合作用：白天利用光能，吸收CO2合成细胞物质，放出O2；夜间吸收O2放出CO22、最适PH=6-83、蓝藻生理特性蓝藻是单细胞或丝状的群体，细胞内除含有叶绿素外，还含有藻蓝素，而呈蓝绿色。喜欢较温暖的地区蓝藻是引起水体富营养化的主要藻类之一几种蓝藻1铜色微囊藻2区鱼腥藻3大颤藻-74-\n4、绿藻是一种单细胞或多细胞的绿色植物有鱼腥或青草气味，也是引起水体富营养化的主要藻类之一5、硅藻为单细胞或单细胞群体，细胞壁中含有大量的硅质。适宜在较底温度生长，有发香气，也有发鱼腥气的。6、金藻黄群金藻能发出强烈的臭味，水味发苦。三、藻类在给水排水工程中的作用与影响1、藻类对给水工程有一定的危害性水体富营养化污染当N、P达到一定量后，藻类大量繁殖，造成下列危害：A.产生色、臭、味，使水质净化困难，影响滤池工作；B.夜间由于藻类死亡后消耗O2，使DO=0，危及水生生物的生存；C.湖泊——沼泽——旱地2、在排水工程中的作用污水溶解氧藻类群体细菌氧化作用藻类光合作用菌体CO2+H2O+NH3光藻类在氧化塘中的作用废水处理中使用氧化塘，就是利用藻类供应，使好氧菌氧化有机物成为CO2.H2O，而CO2又被藻类合成为细胞物质，并放出O2。-74-\n§4.4原生动物一、原生动物的形态及生理特性原生动物是动物界中最低等的单细胞动物，长度一般在100-300um，形状有长形、圆形、卵形等且都呈扁平状。原生动物虽属单细胞动物，但在生理上都是一个完善的生物有机体，能和多细胞动物一样具有运动、营养、呼吸、排泄、生殖、对外界刺激的感应性和对环境的适应性等生理功能。形成机能不同的“胞器”：1、运动胞器：伪足、鞭毛、纤毛2、营养胞器：原生动物主要进行动物性营养，以吞食细菌、真菌、藻类、有机物颗粒为主。动物性营养：以摄食细菌、真菌、藻类、有机物颗粒为主原生动物营养方式植物性营养：在阳光条件下，将CO2和H2O合成有机物腐生性营养：以死的机体，腐烂的物质为主3、排泄胞器：伸缩泡，通过伸缩泡不断伸缩，将体内多余的水分及积聚在细胞内的代谢产物排除体外。4、感觉胞器：运动胞器和眼点（鞭毛虫具有）5、呼吸：O2通过细胞膜进入体内6、生殖：无性生殖和有性生殖肉足类水处理中常见的原生动物有鞭毛类纤毛类-74-\n（一）肉足类特征：没有固定形状，可形成伪足，为动物性营养，中污染带水体多见。种类：变形虫、辐射变形虫、太阳虫几种肉足类原生动物1变形虫2辐射变形虫3太阳虫（二）鞭毛虫特征：有一根或一根以上的鞭毛，是运动器官。种类：植物性鞭毛虫和动物性鞭毛虫植物性鞭毛虫在中多污水体中，生活污水中绿眼虫多见；动物性鞭毛虫在有机物较多的水体或曝气池进口会出现。（三）纤毛虫特征：周身表面或部分表面具有纤毛，是运动和摄食的工具。游泳性纤毛虫：如草履虫种类固着型纤毛虫：如钟虫、群体钟虫＊当生物处理中有群体钟虫和钟虫出现时，可作为处理效果较好的指示生物。-74-\n＊指示生物：一种生物只在某一环境中生长，这种生物就是这一环境的指示生物。二、原生动物在废水生物处理中的作用＊废水生物处理中细菌起主要作用，其次为原生动物，并切原生动物可作为指示生物。＊在氧化塘中，细菌起主要作用，其次为藻类，第三为原生动物。(一)原生动物对废水净化的影响1、从数量上看，原生动物占微型动物总数的95%以上；2、从食物链上看，动物营养型的原生动物，与吞食细菌为主，特别是游离细菌，但也直接利用水中的有机颗粒；3、从生物絮凝上看，在活性污泥中，细菌本身有生物絮凝作用，特别是纤毛虫能促进生物絮凝，因为纤毛虫可分泌出能促进絮凝的糖类和粘液；见表:纤毛虫在废水净化中的作用项目未加纤毛虫加入纤毛虫出水平均BOD5（mg\l)54――707――24过滤后BOD5（mg\l)30――353――9平均有机氮（mg\l)31――5014――25悬浮物（mg\l)50――7317――58沉降30分钟的悬浮物（mg\l)37――5610――36100nm时的光密度0.340――0.5170.051―0.219（二）以原生动物为指示生物1、原生动物的形体比细菌大的多，以低陪显微镜即可观察，通过观察原生动物种群的生长情况，判断生物处理运转情况和废水净化效果。种类的组成2、原生动物镜检种类的数量变化各种群的代谢活力-74-\n3、原生物处理中常见的原生动物：4、原生动物为指示生物：5、活性污泥的培养驯化过程中，初期出现肉足类、鞭毛虫，然后会出现纤毛虫，当出现钟虫且数量多，则污泥已经成熟，培养驯化完成。§4.5、后生动物后生动物也称多细胞动物轮虫后生动物甲壳类动物其它小动物：线虫昆虫一、轮虫轮虫头部有经常摆动的纤毛环，可作为运动胞器，并将细菌和有机颗粒等吸入口内。轮虫就是因为其纤毛环摆动时形如旋转的轮盘而得名。轮虫以细菌、原生动物、有机物等为轮虫食料。轮虫也可作为指示生物，当活性污泥中出现轮虫时，表明处理效果良好，但数量太多，则污泥的絮凝性受影响。二、壳类动物：水蚤、剑水蚤特点：具有坚硬的甲壳三、其它小动物线虫：形态为长线形，长0.25-2mm，断面为圆形。动物生活时需要氧气，一般来说，在无毒废水的生物处理中，如无动物出现，往往说明DO不足。§4.6、微生物之间的关系一、-74-\n互生关系：二种不同种的生物，当其生活在一起时，可以由一方为另一方提供或创造有利的生活条件，这种关系称为互生关系。如氨化细菌、亚硝酸细菌、硝酸细菌的关系：氨化亚硝化硝化有机物——NH+4——NO－2——NO－3在如；氧化塘中的细菌与藻类之间的关系。二、共生关系二种不同种的生物共同生活在一起互相依赖，并彼此获的一定的利益。三、拮抗（对抗）关系一种微生物可以产生不利于另一种微生物生存代谢的产物，如改变生长环境条件、具有毒素干扰、抑制其它生物的生长和繁殖或死亡；另外，一种微生物还可以以另一种微生物为食料。这种关系称为拮抗关系。如原生动物与细菌之间的关系：原生动物吞食细菌；如原生动物与后生动物之间的关系。l天然水体中有机物自净过程微生物的变化：肉足类—鞭毛虫—游泳型纤毛虫—固着型纤毛虫—轮虫、线虫。活性污泥系统的食物链有机污染物（溶解性）细菌类游离小块絮大块絮沉淀细菌凝体细菌凝体细菌污泥处理原生轮虫线虫寡毛剩余水动物动物动物类污泥曝气池-74-\n四、寄生关系第五章、水的卫生细菌学本章是给水工程的基础，通过本章学习了解水中的病原微生物及检验方法和消毒方法，以保证饮用水的质量。§5.1水的循环(watercycle,circulation)一、水的循环分为自然循环和社会循环1、自然循环：由自然力促使的水循环。降雨蒸发降雨蒸发降雨蒸发陆地地面径流海洋地下径流大循环：海洋—内陆—海洋自然循环小循环：在水自然区域内的循环水蒸发的基本动力：太阳热能循环动力云气运动的动力：密度差造成的大气环流水流动的动力：重力2、社会循环：由人的因素促成的水循环，称为社会循环。它直接为人类的生活和生产服务。(1)用水：取之自然而直接供生活和生产使用的水。-74-\n(2)废水：使用后因丧失使用价值而排放的水。(3)给水工程：为保证用水能满足使用要求（水量、水质、水压）的工程设施，称为给水工程。(4)排水工程：为保证废水能安全可靠排放的工程设施，称为排水工程。(5)社会循环；由给水工程和排水工程组成的水循环，称为社会循环。地面水生活用水设施取水泵站净水厂地下水生产用水设施污水处理厂水体§5.2水中细菌的来源及其分布一、水中细菌的来源水体自有的：死的动植物产生水中细菌的来源自然循环带入的外界带来得：社会循环带入的二、水中细菌的分布1、空气质量好，雨水、雪中所含细菌也少；2、地面环境卫生状态好，水的地面径流带入的细菌也就少；3、湖泊及水库水的表面和深水区、中心区含细菌少，岸边附近及低泥中细菌较多；-74-\n4、地下水经土壤过滤及缺少有机物，故地下水所含细菌也很少。§5.3水中病原微生物肠道病原菌：伤寒、痢疾、霍乱水中病原细菌病毒伤寒沙门氏菌伤寒杆菌副伤寒沙门氏菌乙型伤寒沙门氏菌各病原微生物特征及传播方式见下表名称形状及特征发病表征传播方式伤寒杆菌大小为0.6-0.7um*2.0-4.0um,不生芽孢和荚膜，借鞭毛运动，G-加热到60℃，30分钟可杀死。对5﹪石炭酸可抵抗5分钟。急性传染病，持续发烧，脾脏肿大，身体出现红斑，腹泻发病者传染及带菌的尿粪，通过物品、食物、水等接触而传染痢疾杆菌杆菌，不生芽孢和荚膜，无鞭毛，G-加热到60℃，耐10分钟对1﹪石炭酸抵抗30分钟腹泻，发烧通过食物、水、蝇类等传染霍乱弧菌弧菌，有一根鞭毛，能运动，G-,无荚膜和芽孢。在60℃下，耐10分钟；1﹪石炭酸中耐5分钟腹泻，呕吐，腹疼，昏迷通过水、食物、蝇类传染炭疽杆菌杆菌，炭疽杆菌芽孢可以在土壤中存活多年。炭疽分为皮肤炭疽、肺炭疽和肠炭疽三种牛、羊、骆驼、骡等食草动物是主要传染源§5.4大肠菌群和生活饮用水的细菌标准一、大肠菌群作为卫生指标的意义-74-\n生活粪便污水：SS.BOD、肠道细菌1、体污染物质生产废水：含有毒有害物质城市污水：生活+工业废水所以说水中有肠道细菌，表明水被生活粪便所污染，也说明有被病原微生物污染的可能。2、水中各种细菌繁多，要将它们全部检出，其培养分离技术复杂，费时费力费钱。因此，一般不直接作细菌的全分析，只做肠道细菌的存在。3、大肠菌群为何作为水的卫生细菌学指标（1）大肠菌群的生理习性与肠道病原菌的生理习性较为相似，在外界生存时间也基本一致；（2）大肠菌群在粪便中数量较多，5000万个/克；3万个/毫升生活污水（3）大肠菌群的检验技术简单。二、大肠菌群的形态和生理特性大肠埃希氏杆菌（大肠杆菌）大肠菌群产气杆菌柯椽酸盐副大肠杆菌1、大肠杆菌形态和生理特性好氧及兼性的G-，无芽孢，大小0.5-0.8*2.0-3.0um，适宜温度37℃，适宜PH为中性，能分解多种碳水化合物，产生的CO2/H2=1.02、大肠菌群检验方法按国标《生活饮用水卫生标准》的配套的《生活饮用水标准检验法》测定。-74-\n三、生活饮用水及水源细菌卫生标准1、细菌总数≤100个/毫升水；2、大肠菌群数≤3个/升水；3、若只经过加氯消毒即作为生活饮用水的水源水，其大肠菌群数≤1000个/升；若经过净化处理及加氯消毒后作为生活饮用水的水源水，其大肠菌群数≤10000个/升。§5.5水的卫生细菌学检验一、细菌总数的测定将一定量的水样接种于营养琼脂培养基中，在37℃温度下培养34小时后，数出生长的细菌菌落数，然后根据接种的水样数量即可知每毫升水中所含的细菌量。发酵法二、大肠菌群数的测定滤膜法电子显微镜直接观察法（一）发酵法（需72小时）本法分为三个步骤进行1、初步发酵试验（判断有无大肠菌群存在试验）将水样置于糖类液体培养基中，在一定温度下，经一定时间培养后，观察有无酸和气体产生，即有无发酵，从而确定有无大肠菌群存在；若采用葡萄糖或甘露醇培养基，则包括副大肠杆菌；若采用乳糖培养基，则不包括副大肠杆菌。-74-\n水中除大肠杆菌外，还可能存在其它发酵类物质的细菌，所以培养后，如发现产气产酸，并不一定能肯定水中含有大肠菌群，还可能存在厌氧或好氧芽孢杆菌。2、平板分离（根据大肠菌群在固体培养基上可以在空气中生长并且G-和不生芽孢特性）将上一试验产酸产气的菌种移植于品红亚硫酸钠培养基或伊红美蓝固体培养基上可以在空气中生长，以便与好氧芽孢杆菌区分；（培养基所含染料物质可以抑制许多其它细菌生长繁殖）3、复发酵试验将可疑的菌落再移植于糖类培养基中，观察是是否发酵，是否产酸产气而最后确定有无大肠菌群存在。对于自来水出水，初步发酵发酵试验一般在10个小发酵管和2个大发酵管内进行。计算公式：每升水中大肠菌群数（MPN）=1000*得阳性结果的发酵管的数目√得阳性结果的水样体积毫升）＊（水样体积）MPN(mostprobblenumber):细菌最大可能数（二）滤膜法（30小时左右完成）滤膜法是采用多孔性硝化纤维薄膜，圆形滤膜直径一般为35mm,厚0.1mm,滤膜小孔直径平均为0.2um。§5.6、水中微生物的控制方法消毒（disinfection）水中微生物的控制方法藻类的去除（algaeremoval）一、病原微生物的去除消毒：去除对人体健康有害的病原微生物。-74-\n加氯消毒（Cl2）O3消毒水厂常用消毒方法紫外线消毒漂白粉消毒（CaOCl2）1、加氯消毒原理Cl2+H2O-----HOCl+HClHOCl-----H＋+OCl—HOCl：中性分子，可进入带负电的细菌表面，并渗入菌体内氧化破坏酶系统，使细菌死亡。OCl—：带负电荷，难靠近带负电的细菌，消毒作用差。2、有效氯凡是化合价高于-1的氯化物都有氧化能力，有效氯即表示氯化物的氧化能力。3、漂白粉中为何有效氯最多为35%左右在漂白粉中：Ca2+O-2Cl-1Cl+1价Cl到-1价可接受2个电子，在Cl中，2个Cl可接受2个电子。故以CaOClCl与Cl2比较，1摩尔的CaOClCl氧化能力相当于1摩尔的Cl2，所以漂白粉（CaOClCl分子量为127）中的有效氯为：2*35.5/127=56%一般漂白粉中含CaOClCl最多为62.5%,则它所含有效氯最多为：0.56*0.625=35%。4、PH值对氯消毒效果的影响由HOCl=H＋+OCl—知PH值越高，OCl成分多，消毒作用差.PH值较底，HOCl成分多，消毒作用好。5、饮用水卫生标准中对余氯的规定(1)加氯接触30分钟后,游离性余氯不底于0.3mg/L-74-\n(1)管网末梢水的游离性余氯不低于0.05mg/L,以保证自来水出厂后仍有持续的杀菌能力.并可以作为水质受到再度污染的指示信号(2)加氯量=需氯量+余氯量加氯量一般为1.0—2.5mg/L6、液氯消毒,当水中有腐植酸时,易形成三氯甲烷致癌物.二、藻类的去除1、藻类一般是无机营养的,即为自养型植物,尤其是在水库.湖泊中藻类较多,使水产生色.臭.味,加重了水处理单元负荷.2、控制藻类的方法（1）投加硫酸铜和漂白粉对水库.湖泊投加时,将药装在布袋中,系在船尾上,侵泡在水里航行.投药量随藻类的种类和数量而定.计算投药量时一般以上层水(距水面1.5-3.0米的深度)容积来计算,而非总容积.（2）为防止死藻而产生的致臭物质,以及处理构筑物生长藻类,在水厂一级泵房或进水处投加1-2mg/L氯.（3）加强水库水.湖泊水上下水的循环,使上下水温度.溶解氧均匀.从而抑制藻类生长.§5.7.水中病毒及其检验脊髓灰质炎一、水中病毒肝炎病毒其它肠道病毒柯萨奇病毒埃可病毒-74-\n第六章、废水生物处理中的微生物及水体污染的指示生物§6.1、废水中污染物在微生物作用下的降解与转化好氧分解1、按微生物对O2的要求厌氧分解生活污水：SS.BOD.细菌等2、按废水来源分为石化废水工业废水造纸废水食品废水好氧分解：C—CO23、按微生物分解的产物H---H2ON---NH3—NO2——NO3—S---H2SO4P---H3PO4厌氧分解：C—RCOOH—CH4—CO2有机酸N—RCHNH2COOH—NH3＋RCOOH（氨基酸）S---H2S+Fe－FeS(黑色)P---PO4-3-74-\n§6.2、不含氮有机物的分解一、纤维素、半纤维素、木质素的转化1、纤维素的转化纤维素是多糖的一种，属于碳水化合物。碳水化合物由C.H.O三种元素组成。（1）碳水化合物通式：Cx(H2O)y（2）碳水化合物分类：单糖：葡萄糖C6H12O6双糖：水解生成2分子单糖的碳水化合物，蔗糖、乳糖、麦芽糖为双糖。通式：C12H22O11多糖：水解能生成n个单糖的碳水化合物，淀粉、纤维素为多糖。通式：(C6H10O5)n淀粉：n=22—28纤维素：n=100—200(3)葡萄糖的水解及氧化A无氧分解过程EMP途径葡萄糖————丙酮酸—中间产物—CH4.CO2.H2B有氧分解过程EMP途径TCA循环葡萄糖————丙酮酸————CO2.H2O.EMP和TCA循环是糖类分解的主要途径。（4）双糖的水解-74-\n酶麦芽糖+H2O—————2葡萄糖（5）多糖的水解多糖的分子很大，不能透过细胞膜，必须在胞外酶作用下水解为单糖或双糖后，才能被吸收和利用。水解反应为：纤维酶2(C6H10O5)+nH2O-----nC12H22O11（纤维二糖）纤维二糖酶nC12H22O11+nH2O---------2nC6H12O6（葡萄糖）2、半纤维素的转化各种酶好氧半纤维素——单糖+糖醛酸———CO2.H2OH2O厌氧3、木质素的降解木质素是由以苯环为核心带有丙烷支链所组成的一种或多种芳香族化合物氧化缩合而成。木质素突出的微生物特点是它对酶的降解作用有抵抗性，是公认的难生物降解有机物。二、淀粉的转化淀粉是最重要的多糖，水解过程为：淀粉—糊精—麦芽糖—葡萄糖2(C5H10O5)n+nH2O=nC12H22O11C12H22O11+H2O=2C6H12O6三、脂肪的转化脂肪：是由甘油和三分子脂肪酸组成的甘油三脂，常温下为固体。来自于动物体的称为脂肪；来自于植物体的称为油。脂肪的水解：-74-\n脂肪+3H2O=甘油+脂肪酸有氧无氧CO2+H2OCH4+CO2四、芳香族化合物的转化1、结构芳香族化合物都是苯的衍生物，分为单环和多环二类。2、降解机理：分二步（1）苯环先双羟基化作用进行氧化，再脱氢形成二羟化合物，即形成二元酚，如邻苯二酚；（2）二元酚进一步降解，直到形成乙酰副酶和琥泊酸，最后进入TCA循环，氧化分解为CO2.H2O五、烃类化合物的分解与转化烃：由C.H二种元素组成的化合物。烷烃（饱和烃）烃开链烃不饱和烃:烯烃、炔烃环烃：环烷烃、芳香烃1、烷烃类化合物的降解烷烃的通式：CnH2n+2降解机理：（1）在加氧酶化的催化下，分子进入烃，形成过氧氢化物；（2）过氧氢化物继续被氧化成醇、醛、脂肪酸；（3）脂肪酸进行β—氧化形成乙酸.丙酸等，进入TCA循环彻底被氧化。-74-\nR—CH2—CH2—CH3O2R—CH2—CH2—CH2OOH脂肪酸R—CH2—CH2—CH2OHβ—氧化R—CH2—CH2—CHO乙酰副酶R—CH2—CH2—CH2OOHTCA循环β—氧化2、烯烃化合物的降解烯烃比烷烃、芳香烃易降解。降解机理为：加氧—脂肪酸—β—氧化—乙酰副酶—TCA循环—CO2.H2O六、合成洗涤剂的分解合成洗涤剂是人工合成的含有二亲分子的表面活性剂的高分子聚合物。合成洗涤剂具有降解表面张力，促进乳化作用，在曝气池和天然水体中会产生大量泡沫，阻碍大气向水中复氧。合成洗涤剂对环境不构成破坏，因为它可以被微生物所降解。应推广使用无磷洗衣粉。七、自然界中碳的循环-74-\n§6.3、含氮有机物质的分解（degradationofnitrogeneousorganicmatter）蛋白质氨基酸废水中含氮有机物尿素胺类晴化物硝基化合物一、氮的循环大气中氮：79%自然界中的氮有机氮：不能被植物直接吸收利用无机氮（NO3.NH4）：可被植物吸收利用三者在微生物作用下相互转化。二、蛋白质的转化-74-\n蛋白质是由许多氨基酸分子组成，蛋白质和核酸是生命的重要物质基础，没有蛋白质就没有生命。1、氨化作用脂肪酸+CO2+NH3蛋白质—眎---胨---肽---氨基酸脂肪酸+NH3+H2S氨化作用:在氨化细菌作用下，有机氮化物转化为氨态氮（NH3.NH4）的过程，称为氨化作用。几种氨化细菌2、硝化作用硝化作用:将氨氧化成硝酸的过程。亚硝酸菌2NH3+3O2———2HNO2+2H2O硝酸菌2HNO2+O2———HNO3硝化细菌（自养菌）：亚硝酸菌，硝酸细菌几种硝化细菌-74-\n3、反硝化作用反硝化：在缺氧条件下，硝酸盐被厌氧菌还原成NO2和N2的过程。反硝化细菌多数为异养或兼养性的，在厌氧条件下，利用NO3中的氧，氧化有机物，以获得能量。C6H12O6+4NO3——6CO2+6H2O+2N2三、尿素的转化尿素含氮47%，每人每天排尿素约30克。尿素分解为：CO(NH2)2+2H2O——(NH4)2CO3——2NH3+CO2+H2O§6.4、无机元素的转化一、硫的转化1、H2S是有毒物质，对人体有毒害作用，对铁有腐蚀作用；2、硫化作用：H2S被氧化成硫磺和H2SO4的过程，由硫化细菌引起；反硫化作用：硫酸盐被还原成H2S的过程，由反硫化细菌引起。3、自然界中硫的循环2H2S+O2——2H2O+S2S2+3O2+2H2O——2H2SO4+-----------------------------------2H2S+4O2——2H2SO4自然界中硫的循环图-74-\n4、H2S对管道的腐蚀二、磷的转化不溶性无机磷酸盐可借微生物分解有机物时所产生的有机酸和二氧化碳或由于硝化细菌及硫化细菌所形成的硝酸和硫酸的作用转化成可溶性磷酸盐。Ca(PO4)2+2CO2+2H2O——2CaHPO4+Ca(HCO3)2Ca(PO4)2+2HNO3——2CaHPO4+Ca(NO3)2Ca(PO4)2+H2SO4——2CaHPO4+CaSO4可溶性磷酸盐能被微生物或植物吸收，组成有机化合物中的含磷有机物，如卵磷脂、核酸等。微生物体内含磷量较其他生物为高，以P2O5计，约为干重的4%—5%，占全部灰分的一半以上，其中80%的磷存在于核酸中。有机磷在好氧条件下也可以被很多微生物分解为磷酸。在缺氧条件下，磷酸盐可在微生物作用下而被还原：H3PO4——H3PO3——H3PO2——PH3三、铁的转化§6.5废水生物处理中的微生物-74-\n生物处理法:利用微生物处理有机污染物的方法.就目前技术经济等方面来看,利用微生物氧化分解废水中的溶解性和胶体有机物是最经济最有效的方法.*按微生物与氧的关系可将生物处理分为两大类:好氧生物处理和厌氧生物处理*按生物处理单元(反应器)中微生物所处的状态分为:悬浮生长型和附着生长型常规活性污泥法吸附再生法氧化沟法悬浮生长型AB法A2O法SBR法好氧生物处理生物转盘附着生长型生物滤池塔滤生物接触氧化悬浮生长型:厌氧活性污泥法厌氧生物处理附着生长型:厌氧生物膜法生物反应器中的微生物皆为混合型微生物,从生物学的角度看,反应器内微生物构成了一个完整的生态体系.各类生物构成了一个食物链,即:悬浮型胶体溶解性有机物异氧型细菌真菌动物营养型原生动物后生动物-74-\n生物滤池和活性污泥法的食物金字塔的对比一、废水好氧生物处理及处理单元(反应器)内的微生物1、好氧生物处理工艺基本流程QQSOSeRQSeX（1）活性污泥法(ASP)充足的溶解氧;工程措施:人工强制曝气活性污泥法(ASP)良好充足的微生物工程措施:污泥回流排放剩余污泥泥水分离,出水达标排放工程措施:设二沉池（2）生物滤池-74-\n进水填料出水污泥处理2、好氧生物处理机理与过程(1)有机物好氧降解模式图1／3分解代谢代谢产物+能量(CO2H2ONH3)有机物+O2CO2H2O能量2／3合成代谢细胞物质+O2残留物(2)有机物的氧化CXHYO2+(X+1／4Y-1／2Z)O2——XCO2+1／2YH2O+Q(3)细胞物质的氧化C5H7NO2+5O2——5CO2+2H2O+NH3+Q(4)细胞物质的合成n(CXHYOX)+NH3+(nX+n/4Y-n/2Z-5)O2——C5H7NO2+(nX-5)CO2+1/2(nY-4)H2O+Q(5)细胞物质的增加计算公式物料平衡:生物处理单元内细胞物质增加量=合成的细胞物质量-内源呼吸耗去的细胞物质的量S=aLr-bSa=aq(la-le)-bvx式中:S:细胞物质净增长量(Kg/d);-74-\nLr:所利用的食料净,即去除的BOD5(Kg/d);lr=q(la-le)(Kg/d)式中:Sa:处理单元内细胞物质量(Kg);a:合成系数(产率系数)即合成的细胞物质(Kg)/去除的BOD5b:衰减系数(1/d)ab的确定方法:S/Sa=aLr/Sa-bS/Sa生活污水:a=0.5-0.7b=0.05-0.1a（6）有机物生物氧化所需的氧量物料平衡:bLr/SaO2=微生物生长活动所需的O2+微生物自身氧化所需的O2即:O2=a1Lr+b1Sa式中:O2/SaO2:微生物的需氧量(KG/D)a1Lr:去除的BOD5(KG/D)a1:去除单位BOD5所需的氧量(Kg/Kg)b1b1:微生物自身氧化需氧量(1/d)Lr/SaO2/Sa=a1Lr/Sa+b1其中a1、b1见下表:废水a1b1废水a1b1石油化工废水0.750.160酿造废水0.44---含酚废水0.56——制药废水0.350.354合成纤维废水0.550.142亚硫酸浆粑废水0.40.185-74-\n漂染废水0.5-0.60.065制浆造纸废水0.380.092炼油废水0.50.120可按去除1KgBOD5需氧1Kg来估算,氧的比重为1.33Kg/M3,空气中含氧量为21%,则每立方米空气之中含氧量为1.33*0.21=0.28Kg即:3.6M3空气/KgO23、好氧生物处理反应器内的微生物(1)活性污泥中的微生物（2）活性污泥中常见的微生物及生态系统活性污泥食物金字塔二、废水厌氧生物处理微生物学及常用的处理构筑物1、废水厌氧生物处理二阶段理论A酸性发酵阶段----碱性发酵B液化----气化C水解酸化----甲烷化细胞物质细胞物质有机物+微生物有机酸醇+微生物CO2CH4-74-\n产酸细菌作用甲烷细菌作用三阶段理论酸性发酵----产氢产乙酸----产甲烷四阶段理论酸性发酵----产氢产乙酸----同型产氢产乙酸----产甲烷有机物1发酵性细菌脂肪酸（丙酸丁酸乳酸等）醇类2产氢产乙酸细菌乙酸4同型产乙酸细菌H2+CO23产甲烷细菌CH4厌氧消化三四阶段过程（1)沼气中成分组成CH4:50----75%CO2:20----30%(2)厌氧生物处理适用条件污泥处理和好浓度有机废水（3）根据发酵温度常温自然发酵中温发酵(30--35)高温发酵(50--60)-74-\n2、参与厌氧生物处理的微生物不产甲烷菌:发酵细菌产氢产乙酸细菌两大类同型产乙酸细菌产甲烷菌:普通消化池两级消化池3、厌氧处理的各种反应器两相消化池厌氧活性污泥法厌氧流化床UASB三、生物脱氮除磷中的微生物1、水体的富营养化当磷大与0.01mg/l,氮大于0.1mg/l,水体开始发生富营养化污染2、活性污泥运行中微生物造成的问题污泥膨胀不絮凝微小絮体起泡沫反硝化3、生物滤池中的微生物生物滤池中的微生物大多数为革兰氏阳性菌,如无色杆菌黄杆菌产碱杆菌等。-74-\n生物滤池微生物食物网生物滤池微生物食物网-74-
