专题之六难降解有机物微生物处理方法.ppt

难降解有机物微生物处理法 2010.4.26 有机污染化学专题之六 内容 有机污染情况简介 难降解有机物的微生物处理技术 难降解有机物 定义：指被微生物分解时速度很慢，分解不彻 底的有机物(也包括某些有机物的代谢产物) ， 这类污染物易在生物体内富集，也容易成为水 体的潜在污染源 来源：主要来自各种各样工农业生产过程，按 其化学组成可分以下几类：多环芳烃类(PAHs) 化合物 、杂环类化合物、氯代芳香族化合物、 有机氰化物、有机合成高分子化合物 难降解性有机物的基本特性 长期残留性 生物蓄积性 半挥发性 高毒性 一、长期残留性 一旦排放到环境中，它们难于被分 解，因此可以在水体、土壤和底泥 等环境介质中存留数年或更长的时 间。 根据半衰期, 水体 180天，土壤 360天。 二、生物蓄积性 指有机化学品以比在周围环境 中高的浓度蓄积在活组织中的 特性，以标靶组织中的浓度与 环境中的浓度之比表示; 根据生物富集系数5000 三、半挥发性 指化学品在空气中挥发的能力 ,可以在大气环境中远距离 迁移 根据蒸气压, 0.011kPa 四、高毒性 指化学品对人体或环境造成危害的特性 它们对人和动物一般具有毒性作用，有 的可以导致生物体内分泌紊乱、生殖及 免疫机能失调，有的甚至引起癌症等严 重疾病 有机物难降解的原因 对微生物有毒害作用功能 化学结构稳定 物理 化学 生物 难降解有机物的降解方法 生物修复(Bioremediation) 是一门新兴、高效、无害且投资低的技术 。利用生物(微生物、植物或动物)来吸收 、转化、降解和清除环境中的有毒有害物 质，使其浓度减少或无害化，从而实现被 污染环境生态恢复的过程。 其中生物处理中的微生物法由于处理费用 低、效果好、无二次污染且操作简单受到 国内外学者广泛的关注。 土壤微生物修复技术 原位生物修复 原位地耕法 土壤气相抽提生物修复 异位生物修复 土壤耕作法 生物堆放法 土壤堆肥法 生物反应器修复 生物预制床法 微生物对有机污染物的降解方式 以有机污染物为唯一碳源和能源对其进行代 谢降解； 微生物之间相互协同利用有机污染底物对其 进行降解； 作为非生长基质的难降解有机物同生长基质 以共代谢方式进行降解。 难降解有机物的微生物处理技术 共代谢技术 缺氧反硝化技术 生物强化技术 细胞固定化技术 厌氧水解酸化预处理技术 难降解有机物的微生物处理技术 共代谢技术 共代谢作用来源于共氧化概念，后由Jensen 对其 内涵进行了扩展，提出共代谢的概念并将其扩展到 微生物氧化脱氯过程的研究。 利用共代谢技术可以加快化合物的降解速度，达到 处理难降解性污染物的作用效果。 概念 特点 影响因素 在处理难降解有机物的作用 共代谢技术 共代谢技术概念 共代谢作用的定义 第一基质、第二基质 关键酶 共代谢作用：微生物在利用碳源和能源的 同时，对难降解性污染物进行异化作用， 但是在污染物降解转化的过程中，微生物 不能从中获得维持生长的碳源或能源。 共代谢技术概念 第一/二基质 微生物利用一种易于摄取的基质作为碳和能 量的来源，称为第一基质，同时共代谢基质 或者称为第二基质被微生物分解。 第二基质的共代谢产物通常不能直接作为营 养被转化为细胞质。第二基质的共代谢是需 能反应，能量来自第一营养基质的产能代谢 。 共代谢技术概念 关键酶：在微生物共代谢反应中产 生的既能代谢转化生长基质，又能代 谢转化目标污染物的非专一性的酶是 微生物共代谢反应发生的关键，这种 非专一性的酶被称为关键酶 共代谢技术概念 共代谢技术主要特点 (1)微生物首先利用易于摄取的生长 基质作为一级基质，维持自身细胞 的生长 (2)难降解性污染物作为二级基质被 微生物降解 (3)一级基质和二级基质之间对发挥 降解作用的关键酶存在竞争现象 (4)污染物共代谢的中间产物不能作为营 养被同化成细胞质，有些会抑制关键酶 的活性，甚至对微生物有毒害作用。 (5)共代谢是需能反应，能量主要来自生 长基质的产能代谢，当生长基质被完全 消耗时，能量来源于细胞自身储存能量 物质，如PHB。 共代谢技术主要特点 关键酶的诱导 好氧条件下，具有共代谢氯代化合物功能的微 生物有很多种，研究中主要选用苯酚氧化菌群 、甲烷营养菌群、丙烯氧化菌以及硝化细菌， 它们具有很强的代谢能力以及对污染物的逆抗 性。 在诱导此类微生物生成关键酶进行催化分解污 染物时，一般需要投加特异性的底物，例如苯 酚、甲烷、丙烯、丙烷或者氨。 由于甲烷、丙烯、丙烷是气体，具有很低的水 溶性，就苯酚而言，虽具有可降解性，但它是 一种危险性物质，所以在现实的污水处理中， 选择诱导性的生长基质，一定要综合考虑 从共代谢过程的机理和特点可以看 出,关键酶的诱导及其活性的维持、 生长基质与目标污染物之间的竞争 抑制、目标污染物及其中间降解产 物对微生物的毒性作用将是影响共 代谢过程的关键性因素。 共代谢例子 Lajoie 等发现，在以甲烷和甲醇作为初级能 源物质时，甲烷营养型的微生物可代谢在单 一基质下不能降解的化合物三氯乙烯( TCE) 。 Jianwei Gao 等发现在好氧条件下，利用葡萄 糖诱导顺式1 ,2-二氯乙烯的生物降解，其降 解效率、降解速率都明显高于厌氧条件，说 明葡萄糖诱导的共代谢过程发挥了决定性的 作用。 影响共代谢作用效果的因素 1. 一级基质的选择 Gupta 等研究发现，在产甲烷菌作用环境下降 解废水中的三氯甲烷时，甲醇是比乙酸盐更有 效的一级基质。 2. 一级基质与二级基质的浓度比 Speece报道，共代谢过程中一级基质与 二级基质的浓度比对生物难降解物质的降 解率有重要影响。 罗宇煊采用嗜碱性木质素降解菌以共代 谢方式降解废水中的木质素，发现一级基 质蔗糖的浓度过高时，菌株不但产酶能力 减弱，而且由于更多地利用易于降解的蔗 糖，以致削弱了对木质素的降解效果 3. 营养物质和能量 微生物的生长须有足够的营养物质。共代谢不仅需 要加入一级基质提供碳源，而且还需要足够的氮、 磷、硫等营养。 任大军等利用模拟焦化废水，研究一株白腐菌BP对 吲哚分别与氨氮、喹啉、苯酚共基质的降解，考察 不同共代谢基质物质对白腐菌漆酶分泌和吲哚降解 的影响。结果显示，充分的氮源可提高白腐菌的活 性和漆酶酶活性的峰值；共基质苯酚和喹啉可以增 加白腐菌漆酶产量。 罗宇煊等采用不同碳源对嗜碱性木质素降解 菌降解木质素的能力进行了比较试验,发现在葡 萄糖、乳糖、蔗糖、可溶淀粉等碳源中蔗糖是 嗜碱性木质素降解菌最理想的碳源。 除了一级基质的产能代谢为微生物生长和生物 难降解物质降解提供能量外,也可以考虑外加适 量能量物质提供额外能量, 以提高难降解物质 代谢的速率 3. 营养物质和能量 4.温度 孙力平等在好氧共基质代谢作用下，采 用SBR法处理DSD酸还原段的生产废水 研究发现：温度对系统除污效果的影响 较显著，10时污泥的活性最低，36时 污泥的活性最高。 1.共代谢技术在降解酚类中的作用 2.共代谢技术在降解甲基叔丁基醚（ MTBE）的作用 3.共代谢技术降解DSD酸的作用 共代谢在处理难降解有机物的作用 共代谢在处理难降解有机物的作用 1.共代谢技术在降解酚类中的作用 Hendriksen等证实，常规的颗粒污泥可以使水中的 五氯酚脱氯，但五氯酚的去除率仅30%75%，当进 水中补充葡萄糖后五氯酚的去除率可提高至99%。 夏柳荫讨论了共基质分别为不同浓度的葡萄糖、丙 三醇、苯酚、和丁二酸时，混合固定化细菌对五氯酚 (PCP) 降解的影响。结果表明共代谢降解过程中共基 质对PCP的降解影响较大，葡萄糖和丁二酸对PCP的 降解具有一定的促进作用，苯酚对PCP降解的影响与 它的质量浓度有关，丙三醇对PCP的降解起到抑制作 用。 1.共代谢技术在降解酚类中的作用 李萍等利用吸附-共代谢再生活性污泥法去除污 水中五氯苯酚，研究发现: 新工艺对污水中的 PCP具有较好的去除效果。 李萍等以苯酚、葡萄糖作为五氯酚(PCP)的共 代谢基质，考察其在加速活性污泥驯化进程方 面的作用，结果表明：葡萄糖可以增强活性污 泥中微生物对PCP的适应能力，能加快驯化进 程并提高对PCP的降解速率；苯酚的毒性可与 PCP的相互叠加，从而延滞了活性污泥的驯化 进程。 安淼等对不同共代谢基质存在下的2,4-二氯代酚(2,4 -DCP)的生物降解进行了研究，发现投加苯酚或4-氯 代酚(4-MCP)能明显促进复合菌对2,4-DCP的降解。 孙剑辉等分别用蔗糖、葡萄糖、丁酸盐和乙醇作为 驯化好的厌氧污泥的共代谢基质，在厌氧序批式反 应器(ASBR)中对间苯二酚的降解进行研究。结果表 明：共代谢基质SCOD浓度在500mg/L2000mg/L 时，间苯二酚的降解速率很高；其中葡萄糖和丁酸 盐的混合基质降解速率最高。 1.共代谢技术在降解酚类中的作用 2.共代谢技术在降解甲基叔丁基醚（ MTBE）的作用 甲基叔丁基醚(Methyl Tert-Butyl Ether,MTBE)作为一种广泛使用的无铅汽油含 氧添加剂，已成为地下水中典型持久有机污染 物。方芳等以MTBE为目标污染物、乙醇为共 代谢基质，在SBR反应器中成功实现了好氧污 泥的颗粒化。 反应器内污泥完全颗粒化后，MTBE进水浓度 提高至400mgL - 1左右，出水浓度可稳定在 5mgL - 1以下，去除率高达98. 5%以上(其中挥 发量约占25% )。 3.共代谢技术降解DSD酸的作用 DSD酸(4,4-二氨基二苯乙烯-2,2-二磺酸)是一种 重要的染料中间体，它以对硝基甲苯为原料， 经磺化、氧化缩合和还原而合成。 孙力平等在好氧共基质代谢作用下，采用SBR 法处理DSD酸还原段的生产废水，考察了葡萄 糖的投量、水力停留时间及溶解氧浓度等因素 对废水处理效果的影响。结果表明，投加葡萄 糖可提高还原段DSD酸生产废水的可生化性。 在缺氧条件下，反硝化菌可以利用有机 碳源作为反硝化过程的电子供体，而以硝 酸盐氮(NO3N) 或亚硝酸盐氮(NO2 N) 作为电子受体进行厌氧呼吸，因此， 反硝化过程可以在脱氮的同时去除有机碳 。 缺氧反硝化降解难降解有机物就是在缺 氧条件下，为反硝化菌提供适当比例的氮 源，使反硝化菌对有机物进行降解。 难降解有机物的微生物处理技术 缺氧反硝化技术 关键和限制因素 在缺氧反硝化过程中投加的 N源 是有机物降解的关键和限制因素 ，C/ N 比对缺氧反硝化的降解效 果有重要意义。 当C/ N 比过大时，有机物的降解不完全 。 当C/ N 比过小时，出水中会含有过量的 硝酸盐氮或亚硝酸盐氮 只有在适当的C/ N 比下，才能保证有机 物的完全降解以及出水中几乎没有硝酸盐 氮或亚硝酸盐氮。 焦化废水中难降解有机物 吡啶的C /N值宜为45 吲哚和喹啉的C /N值均宜为8 左右。 以生物强化为基础的生物修复理念非常 简单，通过具有降解功能的微生物强化 受污染体系，能加速生物修复，核心是 投加高效降解微生物。 其效果由微生物本身的降解性能和各种 生态因素综合作用决定。高竞争力和适 应性强的高效菌株筛选是生物强化技术 成败的关键 难降解有机物的微生物处理技术 生物强化技术 根据用于生物强化的菌株筛选或 构建途径不同，生物强化技术主 要可分为以下3种 第一、含有代谢功能的可移动基 因组分的菌株强化 第二、通过基因工程手段改造得 到具有特定功能的微生物强化 第三、利用常规的微生物学手段, 通过长期驯化得到具有一定降解能 力的微生物菌群或从特定环境中分 离纯化得到某些具有特定降解性能 的微生物强化。 1 通过向具有竞争力的土著微生物中引入可移 动代谢基因，能加速自然基因的交换和代谢 途径的构建，可作为受污染土壤和水体生物 强化的有效手段 2 运用微生物遗传学的手段去改造生物反应器 中的微生物特性，使之获得高耐毒性、高降 解活性以及特异或广谱降解污染物等优良遗 传性状，从而创造出新的高效生物处理工艺 3 高效微生物筛选 固定化微生物技术是用化学或物理手段将游 离微生物定位于限定的空间区域，并使其保 持活性及反复利用的方法 该技术是对完整细胞进行固定，避免了人为 破坏生物酶的活性和生化反应的稳定性，单 位体积水体内微生物细胞密度高且能长期保 持活性，能够有效地解决污染环境修复问题 。 固定化微生物细胞载体主要有无机载体、有 机载体、复合载体 。 难降解有机物的微生物处理技术 微生物固定化技术 不同的固定化载体在处理污水时的效果 不同。蒋宇红等以海藻酸钙、琼脂、明 胶、聚乙烯醇和丙烯酰胺凝胶为固定化 微生物细胞的包埋固定载体。 结果表明：聚乙烯醇和海藻酸钙具有机 械强度较高，传质性能较好，生物毒性 较低和固定化操作容易等优点。 王建龙等分别用聚乙烯醇(PVA)和多孔陶瓷作 为载体固定化梭形气芽孢杆菌，比较其在处理 油墨废水时微观形态的变化情况。 研究发现：用PVA作为载体时，由于细胞被包 埋在PVA内部，和底物的接触时扩散阻力较大 ，因而废水中COD的去除效率较低。而用多孔 陶瓷固定化细胞，不仅简便易行，固定牢固， 而且对废水COD的去除效果也较好。 固定化微生物的制备方法可以分为共价结合法 、交联法、吸附法和包埋法，这些方法各有优 缺点。 共价结合法结合紧密，稳定性好，但是基团 结合时反应激烈，操作复杂、难控制。 交联法微生物反应活性损失较大，且采用的 交联剂大都比较昂贵，因此其应用受到一定的 限制。 吸附法是利用微生物所具有的可吸附到固体 物质表面或其他细胞表面的能力，将微生物吸 附在附加剂的表面的方法，可分为物理吸附和 离子吸附。 包埋法操作简单，微生物固定过程对生物的 影响较小，所制备的高分子载体具有密度低、 易于流态化的优点，是目前最为常用的的方法 ，但包埋材料会在一定程度上阻碍底物和氧的 扩散，影响微生物的生长和产物的代谢。 固定化微生物技术在处理废水 中的作用 处理地表水 李海波等采用改进的聚乙烯醇、海藻酸钠包埋法 固定微球菌修复受污染地表水，结果表明： 相同时间内固定化细菌对COD的去除率明显高于 游离菌, 72 h的去除率可达到64. 7%； 固定化颗粒的适宜接种量为10%； 固定化颗粒对环境的耐受能力远远强于游离菌； 固定化颗粒再生性能好，可以长期反复使用。 降解底泥 吴光前等在实验室条件下研究了固定化微生物 技术对黑臭水体和底泥的净化性能。结果表明 ： 底泥厚度降低80%以上； 底泥COD去除率达到93%； 上清液COD去除率达到70%； 上清液NH3-N去除率达到95%； 处理后的水体生物相种类和数量显著增长。 降解酚类 丁成对实验室保存的光合细菌用不同浓度的模 拟含酚废水进行驯化后，用海藻酸钠-壳聚糖- 活性炭微胶囊法对光合细菌进行固定，结果表 明：固定化光合细菌更具优势 影响固定化光合细菌处理含酚废水各因素的影 响次序分别为：温度、接种量、pH值，其最佳 降解条件是温度为30，接种量为20%，pH值 为7.0，此时废水中苯酚降解率为85.3%。 含氮废水的处理 李晔等利用包埋法将硝化菌和反硝化菌 固定后，发现这种混合固定法有利于废 水中氮的去除，且去除率高于纯种固定 法。 含重金属离子废水的处理 曹德菊等采用明胶、琼脂、海藻酸钠作 为载体对枯草杆菌进行固定 结果表明海藻酸钠作为固定化载体其传 质性能强、方法简便、机械强度好；固 定化枯草杆菌对含镉废水去除效果明显 高于游离枯草杆菌。 郭平等研究表明铅离子的存在能够影响固定化 细菌对镉