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8. 工业污染物微生物治理中的生物化学
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8.1 造纸废水微生物治理中的生物化学
8.1.1造纸废水概述
第8章 工业污染物微生物治理中的生物化学
2
8.1.2造纸废水微生物处理中的生物化学法原理
1.厌氧微生物处理中的生物化学法原理
利用兼性厌氧菌和专性厌氧菌在无氧的条件下降解有机污染物的处理技术。
复杂有机物
厌氧处理
简单、稳定的化合物
+ 能量
大部分能量以甲烷形式出现
石灰草浆蒸煮废液、石灰法稻草浆浓废液、碱法制浆废水等都具有pH高、COD、色度高而BOD5/CODCr较低等特点，所以直接好氧生化困难很多，厌氧法则较有前途。目前一大批高效的厌氧生物处理工艺和设备相继出现，包括有厌氧生物滤池、上流式厌氧滤池、升流式厌氧污泥床 (UASB)、厌氧流化床(AFB)、厌氧附着膜膨胀床(AAFEB)以及厌氧浮动生物膜反应器(AFBBR)和厌氧折流板反应器(ABR)等。
第8章 工业污染物微生物治理中的生物化学
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(1)厌氧微生物种类
对制浆造纸废水降解的厌氧微生物主要是细菌，分为产酸细菌和甲烷细菌二大类。
产酸细菌
甲烷细菌 ：是产甲烷阶段的主要细菌，种类不同，有多种形态，在 生理上具有非常相似的高度专一性
专性厌氧菌 ：梭状芽孢菌属、拟杆菌属、双岐杆菌属等，对有机物降解起主要作用
兼性厌氧菌：主要为严格厌氧细菌创造有利于生长的厌氧条件，包括假单孢菌属、芽孢杆菌属、链状菌属、黄杆菌属产碱菌属、埃希氏菌属和产气杆菌属等
第8章 工业污染物微生物治理中的生物化学
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(2)厌氧微生物处理机理 (四个阶段 )
1)水解阶段
有机物
细菌胞外酶
小分子化合物
能够溶解于水并透过细胞膜为细菌所利用
2)发酵(或酸化)阶段
小分子化合物
发酵细菌
更简单的化合物
分泌到细胞外
这一阶段的主要产物有挥发性脂肪酸(简写作VFA)、乳酸、二氧化碳、氢气、氨、硫化氢等。与此同时，酸化菌也利用部分物质合成新的细胞物质，因此未酸化废水厌氧处理时产生更多的剩余污泥。
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以葡萄糖酵解为例：
经酵解，一个分子葡萄糖可氧化分解产生2个分子丙酮酸。丙酮酸在厌氧条件下可以被厌氧微生物转化形成许多种代谢产物，由于无氧条件，这些中间产物不能进一步气化成CO2和水而在环境中积累。这种生物学过程，就是人们常说的发酵，如：
乙醇发酵
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乳酸发酵
除此之外，丙酮酸还能发酵成乙酸、丙酸等。
发酵阶段反应式：
C6H12O6 + 2H2O + 2NAD+ → 2CH3COO- + 2H2 + 2CO2(aq) + 2NADH + 4H+
C6H12O6 + 2NADH + 2H+ → 2CH3CH2COO- + 2H2O + 2NAD+ + 2H+
C6H12O6 + 2NADH + 2H+ → 2CH3CH2OH + 2H2 + 2CO2(aq) + 2NAD+
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3)产乙酸阶段
上一阶段的产物被进一步转化为乙酸、氢气、碳酸以及新的细胞物质
产氢产乙酸过程
CH3CH2COO- + 2H2O → CH3COO- + 3H2 + CO2(aq)
CH3CH2CH2COO- + 2H2O → 2CH3COO- + 2H2 + H+
CH3CH2OH + H2O → CH3COO- + 2H2 + H+
同型产乙酸过程
有一类产乙酸菌能使用氢作为电子供体将二氧化碳还原为乙酸，此即同型产乙酸过程。
2CO2(aq) + 4H2 → CH3COO- + 2H2O + H+
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4)产甲烷阶段
这一阶段里，乙酸、氢气、碳酸、甲酸和甲醇等被转化为甲烷、二氧化碳和新的细胞物质。
在厌氧消化过程中，70%以上的甲烷来自乙酸的降解：CH3COO- + H+ → CH4 + CO2；另一类产甲烷的微生物是能由氢气和二氧化碳形成甲烷的细菌(可称作嗜氢甲烷菌)。在反应器正常条件下，它们形成占总量30％的甲烷：4H2 + CO2 → CH4 + 2H2O
大约一半嗜氢甲烷菌也能利用甲酸，这个过程可以直接进行：
4HCOO- + 4H+ → CH4 + 3CO2 + 2H2O
甲醇的降解在自然界的生态系统中并非十分重要，但在厌氧处理含甲醇废水时它的作用相当重要。4CH3OH → 3CH4 + CO2 + 2H2O
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(3)其他有机物厌氧降解途径
1)果胶的厌氧降解：果胶是一种由1，4β键连接的并在羧基部分不同程度地甲氧基化的半乳糖醛多聚体
原果胶+H2O→可溶性果胶+多缩戊糖
可溶性果胶+H2O→果胶酸+甲醇
果胶酸+H2O → 半乳糖醛酸
2)木质纤维素的厌氧降解 ：木质纤维素也称半纤维素。半纤维素的构成为多缩戊糖(木糖和阿拉伯糖)、多缩己糖(半乳糖、甘露糖)以及多缩糖醛酸(葡萄糖醛酸和半乳糖醛酸)等。
乙酸、丁酸、甲酸、乙醇、H2、CO2等
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3)木素的降解：木素是一类由苯丙烷单元通过醚键和碳碳键连接成的复杂无定型高聚物。有关厌氧降解木质素的微生物的研究不多，然而已分离到两种类型的能分解芳香族化合物的细菌一类是能运动的革兰氏阴性杆菌，与利用氢的细菌协作可完成降解，其产物是甲酸、乙酸、二氧化碳和氢。另一类不要求利用氢的细菌的协作，单独降解环状化合物的革兰氏阴性无芽苞的杆状厌氧菌。
植物纤维原料中含有的三大组分是纤维素、半纤维素和木素。木素降解物是制浆废液中最重要的成分，含有高浓度木素的废水难以在厌氧处理中达到很高的去除率。半纤维素制浆过程中半纤维素以单糖或低聚糖形式进入废水中。原料中的少量纤维素在制桨中也会以葡萄糖及其寡聚物形式进入废水中，纤维素、半纤维素的降解产物也会形成有机酸。它们在厌氧处理过程中是易于降解的。
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2.好氧微生物处理
造纸工业中污染物浓度较低的废水—般可用好氧生物处理法以减少其中的BOD5，同时还可以消除对水生物的毒性。降低其发泡性，减少由于废水中无机涂料填加剂而产生的浊度，消除接纳水体中黏泥的产生。但此法对废水颜色的去除效果不大。
制浆造纸工业废水中最普通的好氧生物处理法包括：大型贮存氧化塘系统、曝气稳定塘系统、不同改进型活性污泥系统及土地处置系统等。此外，对于规模较小的造纸厂，生物转盘、生物滴滤池、接触氧化等好氧生物系统也有不同程度的应用。
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(1)好氧微生物种类
好氧微生物主要是细菌、真菌、藻类、原生动物等。
活性污泥
主要组成菌：肠杆菌科的大肠杆菌、产气气杆菌、变形杆菌等
菌胶团细菌是细菌类的主要成份，具有巨大的表面积和一定粘度
藻类的种类和数量在活性污泥中很少
真菌
不是活性污泥中的正常区系，仅少量存在
丝状真菌因会使处理效果下降。
生物膜
真菌比活性污泥中多，生物滤池中有30%左右是真菌
藻类比较多，如绿球藻属、席藻属、颤藻属、毛枝藻属等
原生动物很多，主要有独缩虫属、钟虫属、累枝虫属、针管虫属、尖毛虫属、豆形虫属等。
主要组成菌
好氧的芽孢杆菌属、不动杆菌属
专性厌氧的脱硫菌属、假单孢菌属、产碱杆菌属、黄杆菌属、无色杆菌属、微球菌属以及动胶菌属
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(2)好氧微生物处理机理
对于造纸废水中主要的物质：纤维素和半纤维素，好氧和厌氧都是先水解成葡萄糖。葡萄糖的有氧氧化分两个阶段进行。
第一阶段是由葡萄糖生成的丙酮酸，在细胞液中进行。
第二阶段是上述过程中产生的NADH+H+和丙酮酸在有氧状态下，进入线粒体中，丙酮酸氧化脱羧生成乙酰CoA进入三羧酸循环，进而氧化生成CO2和H2O，同时NADH+H+等可经呼吸链传递，伴随氧化磷酸化过程生成H2O和ATP。
将葡萄糖酵解、丙酮酸有氧脱羧和三羧酸循环的反应式联合，即可得到有机物好氧降解总反应式：
C6H12O6 + 6O2 + 36ADP + 36H2PO4 → 6CO2 + 6H2O + 36ATP
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3.其他污染物降解途径
(1)树脂的降解： CTMP废水中松脂酸和脂肪酸可用活性污泥接种长喙壳菌的方法除去。产物为二氧化碳和水。
(2)芳香化合物的降解
芳香化合物的降解主要包括芳烃和酚类、氯代酚类二大类物质的降解等。芳烃的降解以发生开环反应为特征，生成羧酸和醛，然后进入EMP和TCA循环，开环反应可由过氧化物酶催化。酚类、氯代酚类的降解是一般先进行取代基的脱除反应，再进行开环反应。
(3)含硫化合物的降解
含硫化合物主要是苯丙烷单体磺酸盐、含硫烷烃类化合物等，一般是发生脱磺酸基或S基反应。
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8.2 染料废水微生物治理中的生物化学
8.2.1染料废水概述
来源：染料及染料中间体生产行业, 由各种产品和中间体结晶的母液、生产过程中流失的物料及冲刷地面的污水等组成。
染料废水
特点： 一是COD 高,而BOD/ COD 值较小, 可生化性差；二是色度高, 组分复杂。COD 的去除与脱色相关, 但脱色问题困难更大。
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8.2.2染料废水微生物处理中的生物化学原理
好氧生物处理对BOD去除效果明显，一般可达80%左右，但色度和COD去除率不高，尤其如PVA等化学浆料、表面活性剂、溶剂及匹布碱减量技术的广泛应用，不但使印染废水的CODcr，达到2000～300Omg/L，而且BOD5/CODcr也由原来的0.4～0.5下降到0.2以下，单纯的好氧生物处理难度越来越大，出水难以达标；此外，好氧法的高运行费用及剩余污泥处理或处置问题历来是废水处理领域没有解决好的一个难题。
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1.活性污泥法
在活性污泥系统中，有机物的净化过程，分为吸附、生物氧化和絮凝沉淀三个阶段。
一般在10—20min内完成,表现出初期废水中的BOD和COD浓度大幅度下降.由于吸附的历时很短多数被吸附的有机物来不及被氧化分解，当活性污泥表面吸满了有机颗粒达到吸附饱和后,吸附能力随之消失，转入有机物的生物氧化阶段。
吸附
生物氧化
絮凝沉淀
被吸附和吸收的有机物，在细菌内外酶的作用下，经过氧化和合成，使有机物得以降解。活性污泥微生物处于缺乏营养的饥饿状态，重新呈现活性，恢复吸附能力，所以又称活性污泥再生。再生污泥经二沉池分离后，回流入曝气池继续对废水中的有机物进行吸附和氧化。
进入二沉池的混合液中的活性污泥颗粒仍然较细 ，但因它本身具有良好的凝聚性能，可以很快的絮凝成较大的絮凝体，加速其沉淀过程。二沉池中的泥水分离是活性污泥系统的最后一道工序，其工作好坏直接影响处理效果与出水水质，因此二沉池的设计应给予足够重视。
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2.生物膜法
污水的生物膜处理法是与活性污泥法并列的一种污水好氧生物处理技术。这种处理法的实质是使细菌和其他菌类微生物和原生动物、后生动物一类的微型动物附着在滤料或某些载体上生长繁育，并在其上形成膜状生物污泥——生物膜。污水与生物膜接触，污水中的有机污染物，作为营养物质被生物膜上的微生物所摄取，污水得到净化，微生物自身也得到繁衍增值。
生物膜法工艺是20世纪50—60年代开始出现的，近年来，该工艺在水处理领域又取得了重大进展。在印染废水处理中，生物膜法的应用工艺主要有接触氧化法、生物转盘法和生物滤床法等。
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(1)接触氧化法
接触氧化技术是在池内充填填料，已经充氧的污水浸没全部填料，并以一定的流速流经填料。在填料上布满生物膜，污水与生物膜广泛接触，在生物膜上微生物新陈代谢功能的作用下，污水中有机污染物得到去除，污水得到净化，因此，生物接触氧化处理技术称为“淹没式生物滤池”。
生物接触氧化处理技术的另一项技术实质是采用与曝气池相同的曝气方法，向微生物提供其所需要的氧，并起到搅拌与混合作用，这样，这种技术有相当于在曝气池内充填供生物栖息的填料，又称为“接触曝气法”，是介于活性污泥法与生物滤池两者之间的生物处理技术。
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(2)生物转盘法
被公认为是一种净化效果好、能耗低的生物处理技术。
构造：生物转盘是由盘片、接触氧化槽、转轴及驱动装置所组成。生物转盘处理系统中除核心装置生物转盘外，还包括污水与处理设备和二次沉淀池。二次沉淀池的作用是去除经生物转盘处理后的污水所挟带的脱落生物膜。
原理：接触反应槽内充满污水，转盘交替的和空气与污水相接触。经过一段时间后，在转盘上即附着一层栖息着大量微生物的生物膜。微生物的种属组成逐渐稳定，其新陈代谢功能也逐步发挥出来，并达到稳定的程度，污水中的有机污染物为生物膜所讲解。生物膜逐级增厚，在其内部形成厌氧层，并开始老化。老化的生物膜在污水水流与盘面之间产生的剪切力的作用下剥落，剥落的破碎生物膜在二次沉淀池内被截留，生物膜脱落所形成的污泥密度较高、易于沉淀。
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(3)生物滤池法
1)概念
以土壤自净原理为依据，在污水灌溉的实践基础上，经较原始的间歇砂滤池和接触滤池而发展起来的人工生物处理技术。
进入生物滤池的污水，必须经过预处理，去除原污水中的悬浮物等可能堵塞滤料的污染物，并使水质均化。滤料上的生物膜，不断脱落更新，脱落的生物膜随处理水流出。
2)净化机理
通过布水装置流到滤池表面的废水以滴流的形式下落，一部分被吸附于滤料表面，成为呈薄膜状的附着水层，另一部分则以薄层状流过滤料，成为流动水层并从上层流向下层，最后排出池外。流动水层具有使好氧微生物繁殖活动的良好条件。
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废水连续滴流，在滤料表面上生成生物膜并逐渐成熟。有机物的降解是在生物膜表层的好氧性生物膜内进行的。在好氧性生物膜内栖息着大量的细菌、原生动物和后生动物，形成了有机污染物→细菌→原生动物（后生动物）的食物链，通过细菌的代谢活动，有机物被降解，使附着水层得到净化。流动水层与附着水层相接触，在传质作用下，流动水层中的有机污染物传递附着水层，从而使流动水层在流下过程中逐步得到净化。耗氧微生物的代谢产物H2O及CO2，通过附着水层传递给流动水层。
生物膜成熟后，微生物仍不断增殖，厚度不断增加，在超过好氧层的厚度后，其深部即转变为厌氧状态，形成厌氧膜，厌氧性代谢产物H2S、NH3等通过好氧性膜排出膜外。
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8.2.3染料废水厌氧生物处理原理中的生物化学原理
从图可知，为了保证废水中有足够数量的细菌以达到预期的处理效果，废水中的有机物应具有一定的浓度。实践证明，采用好氧生物处理时，废水中的BOD5浓度一般应控制在100~500mg/L范围内为宜。
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8.3冶金废水微生物治理中的生物化学
8.3.1冶金废水概述
冶金工业
黑色冶金(钢铁)
钢铁工业用水
量很大，每炼一吨
钢，约用水200-250
m3水。废水中主要
含有酸、碱、酚、
氰化物、石油类
和重金属等有害
物质。
有色冶金
有色金属冶炼废水
也可以分为酸性
废水、碱性废水、
重金属废水、含氰
废水、含油废水
和含放射性废水等。
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8.3.2含酚废水微生物治理中的生物化学原理
含酚废水如不经处理直接排放会对人体、水体、鱼类、农作物、环境等带来严重危害。
清除工业废水中苯酚的方法包括:微生物降解、萃取、活性炭吸附和化学氧化等,其中微生物降解法不仅经济、安全,而且处理的污染物阈值低、残留少、无二次污染。
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1.降酚菌的筛选
许多微生物经长时间的驯化后具有降解苯酚的能力，例细菌、藻类、酵母菌、真菌等。
富集培养技术 ：
增菌 单菌落 接种 苯酚降解菌
局限性：选择效率低,不能正确反映代谢类型的多样性。
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2.苯酚的生物降解途径
在有氧情况下 苯酚的微生物降解通过这两个独立的代谢系统进行 如图８-２ 所示。
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在厌氧条件下，苯酚的微生物降解则可能通过 途径进行， 如图８-３ 所示。
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8.3.3含氰废水微生物治理中的生物化学原理
氰化合物毒性很大，在生物体内可以抑制细胞色素氧化酶，阻碍血液对氧的运输，是生物体缺氧窒息死亡。急性中毒可感到恶心、呕吐 头昏、耳鸣、全身乏力、呼吸困难、出现痉挛、麻痹等。
能分解氰化合物的微生物: 假单胞杆菌属
诺卡氏菌属
茄病镰刀霉
绿色木莓
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无机氰的降解途径
1.氰化物降解菌的种类:
诺卡氏菌、荧光假单胞菌、木糖氧化产碱菌木糖氧化亚种PF3 、恶臭假单胞菌、施氏假单胞菌AK61 、腐皮镰孢菌、尖镰孢N —10 、短小芽孢杆菌、隐球菌属Humicol us MCN2 、产酸克雷伯氏菌等20个属,计50多种菌株。
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2.氰化物降解菌的生理生化特性
氰化物降解菌的生理生化特性研究表明 不同的氰化物降解菌的生理生化特性是不同的 几种氰化物降解菌的生理生化特性见表８-1.
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3.氰化物生物降解的方式
（1）氰化物的生物去除方式
同基质的化学反应
生物吸附作用
生物代谢作用
脱除
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（2）氰化物生物转化机制
1）将氰化物分解为二氧化碳和氨
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2）将氰化物分解为二氧化碳、氨或甲酸、氨或甲酰胺
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8.3.4酸性废水微生物治理中的生物化学原理
酸性水是水、氧气、细菌、矿物质共同作用且随时间推移而酸度增大的结果。
酸性废水综合治理是一个宏大的系统工程， 自采场排水到达标排放，经历一个十分复杂的处理过程。水量水质不断发生变化，在酸性水库的调节下， 处理废水量保持总体动态平衡。 以细菌堆浸回收铜治理酸性废水为例简要说明其机理。
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酸性废水,不仅含有多种金属离子,而且还含有可观的氧化亚铁硫杆菌。氧化亚铁硫杆菌浸出铜,其机理主要表现为直接和间接二种作用,一是靠细菌细胞内特有的氧化酶氧化催化黄铜矿,破坏矿物的晶格结构,使矿物中的铜酸化呈硫酸铜形式进入浸出液中,二是细菌氧化矿物中的硫和铁,使其形成硫酸与硫酸高铁溶液,从而进一步促使硫化铜氧化和浸出矿物的中铜。
其反应如下：
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吸附法
微生物法
处理重金属
生物
还原法
8.3.5重金属废水微生物治理中的生物化学原理
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1.微生物对重金属的吸附
两种形式:主动吸附和被动吸附
2.生物还原的处理
（1）硫酸盐生物还原处理重金属的原理
1）代谢阶段
可以简单地将硫酸盐还原菌(ＳＲＢ) 的代谢过程分为分解代谢、电子传递、氧化三个阶段， 如图８-４ 所示。
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２) SRB利用的基质碳源
SRB在利用多种多样的化合物作为电子供体时表现出了很强的能力和多样性 迄今发现可支持其生长的基质已超过100种。
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(2)SRB生物还原SO42-方法去除重金属的处理特点
1)可处理的重金属种类多
2)处理潜力大
3)处理彻底且工艺稳定
4)以废治废
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8.4燃料微生物脱硫预防治理中的生物化学
8.4.1燃料中的硫概述
两种形式：
无机硫
占60%-70%，主要有硫铁矿硫和
硫酸盐硫，常以 CaSO4、BaSO4、 FeSO4Fe(SO4)3等形式存在 .
有机硫
种类多，结构复杂，但含量较低。有机硫常以噻吩基、巯基、单硫链和多硫链等官能团形式存在。
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⑴煤中硫的存在形式
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⑵石油中硫的存在形式
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煤脱硫
微生物
脱硫微生物
石油脱硫
微生物
8.4.2燃料微生物脱硫的生物化学机理
1.脱硫微生物
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⑴煤脱硫微生物
煤中有机硫和无机硫的脱除方式及其脱硫微生物是不同的, 按脱硫微生物的种类,可分为专性自养微生物、兼性自养微生物和异养微生物三类。 见表８-３。
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同化型硫酸盐还原作用，先由微生物把硫酸盐变成还原态的硫化物，然后再固定到蛋白质。
微生物对无机
硫化物的还原
作用
异化型硫酸盐还原作用，是在厌氧条件下，将硫酸盐还原成硫化氢。
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⑵石油脱硫微生物
表８-４列出了用于原油脱硫的部分微生物及其脱硫途径与特色。
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2.微生物脱硫途径及机理
⑴无机硫的脱除机理
1）直接途径
2）间接途径
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研究DBT降解的模型反应发现其由于微生物酶的作用，有以下几种途径:
1)以碳代谢为中心的Kodama途径：
⑵有机硫的脱除机理
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2)以硫代谢为中心的4S(sulphoxide sulphone sulponate sulphate)途径
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芳烃化合物的同系化，然后转至细胞内,是微生物与不溶性基质的相互作用。
Holland 对微生物脱有机硫提出了两种生化分子机理
芳环在胞外解离，转化为可溶物进入细胞内，要求微生物必须具有一定的胞外酶。
此外,还有一种直接氧化ＤＢＴ 的Ｃ-Ｓ 键生成苯甲酸酯的途径。
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3.生物降解有机硫的机理
(1) 有氧脱硫机理
在有氧操作条件下，有很多种微生物可选择性地脱除DBT中的硫并将其转化为亚硫酸盐和硫酸。
(2) 酶生物催化剂的脱硫机理
红球菌属DBT脱硫酶对底物特异性比较宽，可以把烷基或芳香族替代基团的DBT衍生物脱硫为相应的单酚。
(3) dsz基因脱硫机理
dszA、dszB、dszC、dszD 为４种生物催化剂，在这些催化剂的作用下DBT最终被氧化成硫酸盐或者亚硫酸盐。
目前，dsz途径已被建议应用于石油的脱硫及其相关产品生产与精制。
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8.5.1化石燃料中的芳香氮化台物
8.5化石燃料微生物脱氮预防治理中的生物化学
原油是各种有机分子的混合物， 包括烷烃、芳烃和含硫、含氮的杂环芳香族化合物 含硫和含氮芳香族化合物的存在会影响和限制原油的应用。
原油中的含氮化合物分为两类: 一类为非碱性分子，包括吡咯、吲哚、但它们大多与咔唑的烷基衍生物混合,另一类是碱性分子,大部分是吡啶和喹啉的衍生物(图８-９)。
化石燃料中的含氮化合物在燃烧过程中形成的氮氧化合物可导致空气污染，形成酸雨，并且在原油提炼过程中导致催化剂中毒而影响产量。
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8.5.2含氮污染物的微生物脱氮的生物化学机理
大多数含氮化合物降解的生物化学途径没有得到深入研究， 微生物代谢咔唑和喹啉的可能途径如图８-10 和图８-11 所示.
利用微生物去除原油中的含氮芳香化合物可以在常温常压下进行 目前关于微生物降解含氮化合物的研究主要集中在降解石油中的非碱性化合物 特别是咔唑及其烷基衍生物方面。一是因为它们是氮的主要成分， 二是碱性氮化合物可以很容易地利用苯萃取除去。
关于生物降解含氮芳香族化合物的研究报道不多。已有的研究表明：可以从废水污泥和被各种废水和烃污染的土壤、煤和页岩液化工厂分离出能够降解石油中含氮物质的微生物。能降解咔唑及其烷基衍生物的几种假单胞菌已分离出来。有报道，一些其他微生物也能使非碱性含氯化合物矿化，包括 Bacillus、Xanthomonas、Burkholderia、Comamona、Beijerinkia、Mycaobacterium、Serratia等。
第8章 工业污染物微生物治理中的生物化学
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