废气生物处理PPT课件

.,1,第8章废气生物处理,2016.11.12,环境生物技术课件,第8章废气生物处理,.,2,本章内容8.1废气生物处理原理8.2废气生物处理工艺8.3废气生物处理的影响因素8.4废气生物处理发展8.5含硫废气的生物处理8.6二氧化碳的生物处理8.7NOX的生物处理,环境生物技术课件,.,3,8.1废气生物处理原理,气态无机化合物如CO、CO2等碳氧化合物，NO等氮氧化合物，SO2等硫氧化合物以及H2S、NH3等无机物；气态有机化合物如苯及其衍生物、酚及其衍生物、醇类、醛类、酮类、脂肪酸类等有机物。,环境生物技术课件,.,4,8.1.1概述,随着有机合成工业和石油化学工业的迅速发展，进入大气的化合物越来越多，这类气态物质往往带有恶臭，且具有一定毒性，产生致癌、致畸、致突变的“三致”效应。因此，废气治理是大气污染控制过程中的一个重要环节。生物法处理废气的工业应用最早始于美国，1957年PomeroyRD申请了利用土壤过滤装置处理硫化氢的专利，并在美国加州的污水厂成功建立起第一套土壤生物过滤装置；进入20世纪80年代后，废气生物处理技术在欧洲有了较快的发展，其应用领域也由硫化氢等恶臭废气扩展到控制挥发性有机化合物(volatileorganiccompounds，VOCs)和其他有毒污染物废气；进入21世纪，由于该技术本身具有的经济方面的优势和巨大的应用潜力，关于其基础和应用研究依然非常活跃。,环境生物技术课件,.,5,8.1.1概述,生物法净化废气主要是利用微生物将废气中有机污染物及恶臭物质降解及转化为无害或低毒类物质。同常规的处理方法相比，生物净化法具有设备简单、处理效果好、无二次污染、安全性好、投资运行费用低、易于管理等优点，尤其在处理低浓度、生物可降解性好的气态污染物时显得更加经济可行。,环境生物技术课件,.,6,8.1.2废气生物净化原理,在废气的生物净化过程中，气态污染物首先要从气相转移到液相或固相表面的液膜中，然后才能被液相或固相表面的微生物吸附并降解。荷兰科学家Ottengraf等在Jennings的数学模型基础上进一步提出了目前世界上影响较大的生物膜理论(图8-1)，该理论观点认为废气生物净化一般要经历以下几个步骤：废气中的污染物首先同水吸收剂或吸附剂接触并溶解(吸附)于吸收剂或吸附剂中(即由气膜扩散进入液膜或固相)；溶解于液膜中(或吸附与固相)的污染物在浓度差的推动下进一步扩散到生物膜，进而被其中的微生物捕获并吸收；微生物将污染物转化为生物量、新陈代谢副产物或者二氧化碳(CO2)和水(H2O)；反应产物CO2从生物膜表面脱附并反扩散进入气相，而H2O则被保持在生物膜内。,环境生物技术课件,.,7,8.1.2废气生物净化原理,废气生物净化过程是人类对自然过程的强化和工程控制，其过程速率取决于：气相向液相、固相的传质速率(与污染物的理化性质和反应器的结构等因素有关)；能起降解作用的活性生物质量；生物降解速率(与污染物的种类、生物生长环境条件、抑制作用等有关)。其中，传质速率和生物降解速率决定了废气生物净化的整体处理效果。,环境生物技术课件,.,8,8.1.3废气生物处理的微生物,不同的气态污染物都有其特定的适宜处理的微生物群落，能进行气态污染物降解的微生物可分为自养菌和异养菌两类。自养菌可以在无有机碳和氧的条件下，利用光能氧化氨、硫化氢、铁离子等获得必要能量，生长所需的碳则由CO2、CO、CO3-中的碳素提供，它特别适合于无机物的转化。但是由于自养菌的新陈代谢活动较慢，导致其生长速率也非常慢，在浓度不高的脱臭场合仍然有一定的使用价值，如采用硝化、反硝化及硫酸菌等去除浓度不高的臭味气体NH3、H2S等。异养菌是通过有机化合物的氧化代谢来获得营养物质和能量，在适当的温度、pH值和氧条件下，它们能较快地完成污染物的降解。因此，这类微生物多用于有机废气的净化处理。目前适合生物处理的气态有机污染物主要有乙醇、硫醇、酚、甲酚、脂肪酸、乙醛、酮和氨等。,环境生物技术课件,.,9,8.1.3废气生物处理的微生物,微生物对有机物不仅有独立的氧化作用，而且还有协同氧化作用(共代谢)。例如，以甲苯作为唯一碳源的微生物，当有其他碳源存在时对甲苯的降解速率比单一甲苯存在时要快。同废水生物处理一样，不同的待处理成分都有特定合适的微生物群落，在某些情况下，起净化作用的多种微生物在相同条件下均可正常繁殖。因此在一套装置内可同时处理含多种成分的气体。表8-1是已经筛选到的针对一些典型气态污染物的降解菌种。,环境生物技术课件,.,10,8.1.3废气生物处理的微生物,通常，用于接种的微生物菌种可以是活性污泥，也可以是专门驯化培养的纯种微生物或人为构建的复合微生物菌群。针对较难生物降解的物质，选育优异菌种并优化其生存条件是前废气生物净化的主要研究方向之一。真菌是典型的气生型微生物，具有较大的比表面积，对干燥环境或强酸环境具有较强的耐受能力，因此真菌有可能成为废气生物处理过程中更具有广阔前景的菌类，尤其是对于疏水性VOCs表现出更好的去除效果。基于菌种的代谢特性，人为构建生态结构合理的复合微生物菌群，对缩短反应器的启动周期、提高接种微生物的竞争性和保持反应器持续高效性具有重要意义。此外，为了提高筛选到菌株的降解性能，利用现代生物技术改造目的微生物也是提高废气生物净化效率的一个途径。,环境生物技术课件,.,11,8.1.4废气生物处理的填料,填料作为微生物的载体，是废气生物处理装置的核心组件，其性能直接影响微生物的附着、系统的运行效果等。高效生物填料应具有以下特性：接触比面积大，有一定的孔隙率，微生物代谢产物容易清除，能为微生物提供最佳的营养、温度、pH等生长因素，耐腐蚀和不易分解腐烂，有足够的物理强度和较低的填充密度等。,环境生物技术课件,.,12,8.2废气生物处理工艺,废气的生物处理，按系统中微生物的存在形式可分为悬浮生长系统和附着生长系统。悬浮生长系统是指微生物及其营养物质存在于液体中，气相中的污染物通过与悬浮液接触后转移到液相，从而被微生物降解，其典型的工艺有生物吸收法、生物洗涤法。而在附着生长系统中，微生物附着生长于固体介质表面，废气通过由过滤介质构成的固定床层时，被吸附、吸收，最终被微生物降解，其典型的工艺有微生物过滤法。生物滴滤法的原理几乎与生物过滤法相同，唯一不同的是采用连续喷淋的方式给填料层提供所需的无机营养，因此生物过滤法同时具有悬浮生长系统和附着生长系统的特性。近年来，出现一些新颖的废气生物处理法，如膜生物法、转鼓生物过滤法、两相分离生物法等，受到了研究者的广泛关注。,环境生物技术课件,.,13,8.2废气生物处理工艺,8.2.1生物吸收法生物吸收法(bio-absorptionprocess)是利用由微生物、营养物和水组成的微生物混合液作为吸收液，吸收废气中可溶性的气态污染物，然后将吸收了废气的微生物混合液进行好氧处理，去除液体中吸收的污染物，经处理后的吸收液再重复使用。典型的生物吸收法由吸收和再生两个流程组成，如图8-2所示。吸收可采用各种常用的吸收设备，如喷淋塔、筛板塔、鼓泡塔等，再生则通常在生物反应器中进行。,环境生物技术课件,.,14,8.2.1生物吸收法通常，若气相阻力较大可用喷淋法，反之液相阻力较大则用鼓泡法。鼓泡与废水生物处理技术中的气相似，废气从池底通入，与新鲜的生物悬浮液接触而被吸收。因此，生物吸收法也可分为洗涤式和曝气式两种。日本一铸造厂采用生物吸收法处理含胺、酚和乙醛等污染物的气体，工艺采用两段吸收塔，装置运行十多年来一直保持较高的去除率(高于95)。德围开发的二级洗涤脱臭装置臭气从上而下经过二级洗涤，浓度从2100mgL下降至50mgL，且运行费用极低。,环境生物技术课件,.,15,8.2.2生物洗涤法生物洗涤器(bioscrubber)实际上是一个悬浮活性污泥处理系统，它是将微生物及其营养物质溶解于液体中，气体中的污染物通过与悬浮液接触后转移到液体中而被微生物降解(图8-3)。,环境生物技术课件,.,16,8.2.3生物过滤法生物过滤(biofihration)是一种利用吸附性滤料作为生物填料的废气净化方法，它的工艺流程如下：具有一定温湿度的有机废气进入生物过滤塔，通过0.5lm厚的生物活性填料层，有机污染物从气相转移到生物层，进而被氧化分解(图8-4)。生物滤池的填料层是具有吸附性的滤料(如土壤、堆肥、活性炭等)。生物滤池因其较好的通气性和适度的通水与持水性，以及丰富的微生物群落，能有效地去除烷烃类化合物，而丙烷、异丁烷、对酯及乙醇等生物易降解物质的处理效果更佳。生物过滤的特点是生物相和液相均不流动，气-液接触面大，启动运行容易，操作简单，运行费用低，不产生二次污染，但反应条件不易控制，易堵塞、气体短流、沟流，占地多，且对进气负荷变化适应慢等。,环境生物技术课件,.,17,8.2.3生物过滤法生物过滤填料取材更趋广泛，改性硅藻土、沸石、泥炭、黏土陶粒、珍珠岩、贝壳、植物碎屑、植物纤维、石灰石、谷壳等均被用作填料使用。这些填料不仅使用寿命长，而且具有较高的微生物容纳能力，克服了占地面积大、易堵塞、影响传质效果等缺点。陶佳等采用自行开发的棕纤维复合填料处理鱼粉厂生产废气，处理系统在9d内就完成挂膜，当停留时间为20s，三甲胺和臭气的平均去除率分别达到了91.98和98.70，且系统的压降明显小于纯泥炭的生物过滤系统。王家德等针对传统生物滤料释放养料较快的缺点，利用浸渍法制备了缓释填料，这种填料具有营养丰富、阻力系数低、比表面积大等优点，并且所含的营养成分释放缓慢，有利于生物过滤装置长期稳定高效地运行。,环境生物技术课件,.,18,8.2.3生物过滤法生物过滤法已经成功用于化工厂、食品厂、污水处理厂等的废气净化和脱臭。例如，处理含H2S50mgm3、CS2150mgm3的聚合反应废气，在高负荷下H2S的去除率可达99；处理食品厂高浓度的恶臭废气，脱臭率可达95。,环境生物技术课件,.,19,8.2.4生物滴滤法生物滴滤法(biotricklingfilter)是一种介于生物过滤法和生物洗涤法之间的处理方法。生物滴滤法的床层填料多为惰性物质(如陶瓷、塑料等)，具有较高的机械强度和孔隙率。更适合净化负荷较高的废气。同时生物滴滤采用连续喷淋，扩大了生物法处理有机废气的应用范围。生物滴滤法处理的有机废气主要有烷烃、烯烃、醇、酮、酯、单环芳烃、卤代烃等。,环境生物技术课件,.,20,8.2.4生物滴滤法生物滴滤法常采用两种进气方式：水气逆流和水气并流，反应器内附着微生物的填料，为微生物的生长、污染物质的降解提供了条件。对填料的选择比较严格。传统的生物滴滤填料有卵石、粗碎石、木炭、陶粒、火山岩等，随后出现了一些塑料、不锈钢等材质的填料，如聚丙烯小球、不锈钢拉西环、碳素纤维、海绵等，这些填料均具有多孔、结构疏松且材料呈惰性等特点。Hartmans、Diks等的实验结果表明，气速145156mh，进气二氯甲烷浓度为0.71.8gm3时，二氯甲烷的去除率为8095。Chen等采用泡沫聚氨酯作为生物滴滤中试装置的填料处理高浓度H2S，去除率可达90以上。,环境生物技术课件,.,21,8.2.5新型废气生物处理法(1)膜生物反应器膜生物反应器(membranebioreactor)的气流和液流分别位于纤维素膜的两侧，在液相面的纤维素膜上形成生物膜(图8-6)，其比表面积大、生物量高，可清除过量的生物量以防堵塞，同时可向流动的液相添加pH缓冲剂、营养物质、共代谢物及其他促进剂，也可排除有毒或抑制性的产物，保持较高的微生物活性。膜反应器可在较大范围内对气、液实现独立控制，膜基吸收只需要用低压作为推动力，保持气、液两相的独立，形成稳定的接触界面。膜反应器几乎可以对绝大部分的常规气体进行吸收与解吸。各种膜分离过程的分离机制有孔径筛分、溶解-扩散和静电作用这三种。膜生物反应器是利用不同气体分子的溶解扩散速度不同来达到分离气体的目的。,环境生物技术课件,.,22,8.2.5新型废气生物处理法生物膜法降解有机废气的过程，不仅仅是简单的物理吸收过程。在膜生物反应器内，液相中带有大量的微生物，当有机体通过膜材料时，就会被悬浮在液相或附着在生物膜的微生物降解成CO2、H2O和其他物质，转化为生物体自身生长所需要的养分。优点：膜作为分离气相和液相的界面，提供了大的比表面积，其气液接触面比其他类型的反应器要大，能更有效地去除不易溶于水的气体污染物；膜生物反应器中由于膜的分离作用可在很宽的范围内对气体、液体流动进行单独控制，提高抗冲击负荷能力，避免了泛沫、泛液等问题；膜生物反应器对微生物的保护作用比其他类型的生物反应器更强，如在去除N2O时，膜能阻隔汽车尾气中的重金属离子对微生物的侵袭；膜生物反应器中活性微生物的浓度更高，能有效提高有机废气的处理量，大大减少污泥排放量。,环境生物技术课件,.,23,(2)转动式生物滤床转动式生物滤床（rotatingdrumbiofilter，RDB)由生物转盘废水处理技术演变而来。该装置由密封外壳、内置生物填料转鼓和营养液槽三个部分构成(图8-7)。该工艺运用于有机废气的治理已初见成效，并在美国建成了工业化中试装置。,环境生物技术课件,.,24,(3)两相分离生物反应器为了强化疏水性有机废气的气液传质过程，研究者提出了基于“油-水相的两相分离生物反应器。通过在反应体系中加入非水相油相可以有效克服有机废气组分在气相、水相和微生物相之间的传质障碍，实现有机废气的高效净化(图8-8)。两相分离生物反应器的该项功能无疑使其具备相比传统反应器更高的去除负荷。由于具备生物相容性好、生物可降解性低、疏水性强、热稳定性高、难挥发、无臭味和对目标物亲和性高等特点，硅油作为非水相体系在两相分离生物反应器中的应用研究常有报道。研究者研究发现在生物搅拌器和生物滴滤塔中各加入10硅油后，二氯甲烷去除负荷分别由117g(m3h)和160g(m3h)提高至350g(m3h)和200g(m3h)。,环境生物技术课件,.,25,8.3废气生物处理的影响因素由于废气生物处理主要是利用微生物的新陈代谢作用使污染物转化为简单的无机物或细胞自身组成物质，因此微生物的活性决定了反应器的性能。废气与废水处理技术的最大区别在于，有机物首先必须由气相扩散进入液相，然后才能被微生物吸附降解(图8-9)，整个过程影响因素较多而且比较复杂。这些因素包括湿度、pH、温度、氧含量等。,环境生物技术课件,.,26,8.4有机废气生物处理发展8.4.1微生物净化有机废气有机废气的生物处理所面临的问题日益凸显：传统的废气生物净化技术还只限于处理低浓度且组成简单的有机废气；有机废气流量和浓度波动较大时，容易造成废气在设备内的停留时间不够，处理效率降低；废气中的颗粒物在滤床中积累过多，易造成滤床堵塞，阻力增大；适合于特定有机物降解的细菌种类和接种方法有待进一步研究与开发，目前能用生物法处理的有机废气几乎都是亲水性或易生物降解的，对于疏水性或难降解废气的处理能力差。,环境生物技术课件,.,27,8.4.1微生物净化有机废气采用预处理一生物净化组合工艺来处理工业有机废气，特别是废气中含有浓度较大且可生化性较差的组分时预处理技术就显得尤为重要。常见的预处理技术主要有物理技术(主要是吸附、吸收、冷凝等)和化学技术(主要是高级氧化技术等)。典型的工艺流程包括吸收-生物过滤、冷凝-生物过滤和高级氧化-生物过滤组合工艺等(图8-10)，适用于医药化工、石油石化、制革、油漆喷涂等.高级氧化技术因而成为了生物净化的预处理技术的备选技术之一。,环境生物技术课件,.,28,8.4.1微生物净化有机废气紫外线氧化是高级氧化技术的典型技术，它与生物净化相结合用于废水的处理已有20多年的历史，但其应用于废气治理仍是一个相对新的研究领域。Koh等利用该项技术实现了对难降解-蒎烯的有效去除，指出两种技术的组合有利于减小各反应单元的体积，特别适于低水溶性、难生物降解VOCs的处理。Mohseni和Zhao对比了有/无紫外线氧化预处理的生物过滤系统对二甲苯的去除效果，其中组合系统在20g/m3h)进口负荷下实现了对二甲苯的完全去除，而单一生物过滤系统在15g(m3h)较低的负荷下运行，出气中仍能检测到目标污染物；组合系统较好的运行效果归因于紫外线将二甲笨转化成了水溶性较好的易降解中间产物及过滤系统中较高的生物量和活性。,环境生物技术课件,.,29,8.4.2植物净化有机废气植物净化是一种经济、有效的环境污染净化方式，具有操作简单、成本低等特点。绿色植物能有效控制一些物理性和化学性大气污染，并对空气中病原体附着在尘埃或飞沫上随气流移动进行有效阻止，而且植物的分泌物具有杀菌作用，可减轻生物性大气污染。植物净化大气污染的主要过程是持留和去除。植物对污染物的持留主要发生在地上部分表面，是一种物理过程，其与植物表面的结构如叶片心态、粗糙程度、叶片着生角度和表面分泌物等有关。研究表明，植物是从大气中清除多环芳烃(PAH)等亲脂性有机污染物的最主要途径，其吸附过程是清除的第一步。植物降解是指植物通过代谢过程来降解污染物或通过植物自身的物质如酶类来分解植物体内外来污染物。植物净化是最经济实惠的绿色“空气净化器”。,环境生物技术课件,.,30,8.4.3有机废气生物净化的研究热点有机废气生物处理是一项新的技术，有关的理论研究及实际应用还不够深人，需要从以下几方面进行探索和研究。(1)反应动力学模式研究废气生物净化过程涉及气液传质和生化降解两个步骤。对于疏水性有机组分，主要的控速步骤是气液传质；而对于难生物降解的有机组分，主要的控速步骤为生化降解反应。通过反应机制的研究，找出决定反应速率的内在依据，并对模型进行完善，揭示废气组分在不同反应器内的去除行为，以便更有效地调控反应速率，提高污染物在生物反应器中的净化效率。,环境生物技术课件,.,31,8.4.3有机废气生物净化的研究热点(2)填料特性研究填料的比表面积、孔隙率与单位体积填充量不仅与生物量有关，还直接影响着整个床层的压降、堵塞等。有资料表明，填料对分配系数有较大的影响，Hodge等用生物滤池处理乙醇蒸气时，发现颗粒活性炭作填料时污染物的分配系数是以堆肥作填料时的2.53倍。对填料进行适当的亲水与生物亲和改性，能够大大提高填料的传质性能、挂膜性能和废气处理效果。经过改进的大孔径的发泡聚氨酯(图8-11)作为填料处理挥发性有机污染物和恶臭物质，处理效果比普遍填料好，从而得到更多的实际应用。陶粒、聚氨酯、聚乙烯等合成材料的力学性能往往优于天然材料，通过改变和控制生产工艺，可以控制填料的形状、孔径、粒径、孔隙率等，得到的填料更具保水性，其孔径和孔隙率也更适合微生物附着生长，更有利于与污染物的充分接触，提高处理效果。,环境生物技术课件,.,32,8.4.3有机废气生物净化的研究热点（3）动态负荷研究目前，绝大多数研究报道中采用的是单一组分(或几个简单组分组合)气体作为实验对象，气体负荷的变化是非常有顺序的、平稳的，气速波动不大。而对于非常态负荷气流、组分复杂混合废气的研究较少。在实际工程应用中，气速和负荷都是随时变化的，因此，动态负荷研究具有实际意义。,环境生物技术课件,.,33,8.5含硫废气的生物处理热电、煤化工、橡胶再生、污水处理及城市垃圾处理等工业过程会产生许多含硫废气。含硫废气的种类很多，典型的代表为二氧化硫、硫化氢、二硫化碳、硫醇、硫醚等。目前，净化二氧化硫、硫化氢等废气的物理和化学方法已比较成熟，根据净化方法的特点，主要有吸收、氧化等。这些方法虽然脱硫效果较好，资源化程度小，而且对设备有腐蚀，存在二次污染问题。微生物脱硫技术的开发，可以很好地解决传统物理化学处理方法存在的弊端。,环境生物技术课件,.,34,8.5.1脱硫微生物脱硫微生物是在需氧条件下能够氧化Fe2+、S和无机硫化物，并将还原性硫化物氧化为SO4-，使环境变酸，并放出能量。至今人们已发现的具有脱硫能力的微生物约有十几种，如氧化亚铁硫杆菌、氧化硫杆菌、光合硫细菌以及真菌等。(1)异养型的硫氧化菌异养型的硫氧化菌分布很广，包括许多土壤细菌、放线菌和真菌，它们都是以氧化态的含硫化合物作为电子受体，最终生成硫单质。(2)自养型硫氧化菌自然界中大部分硫氧化菌属于化能自养型，主要可分为三大类：丝状硫细菌、光合硫细菌和无色硫细菌。,环境生物技术课件,.,35,8.5.2含硫污染物的脱硫机制含硫污染物主要包括二氧化硫、硫化氢、甲硫醇、二甲基硫醚、二甲基亚砜等，它们在微生物的代谢下，大部分S元素都转化为单质S或SO42-。生物降解含硫污染物的过程可以归纳为以下几个步骤进行(如图8-12所示)：气态污染物与吸收液接触，由气相转移至液相，液相含硫物质经生物转化为单质S或SO42-，转化过程中产生能量为微生物的生长与繁殖提供能源。生物降解过程中，S元素一部分转化成为硫黄颗粒，一部分则转化为硫酸盐溶解于喷淋液中，此过程遵循能量守恒定律。,环境生物技术课件,.,36,8.5.3生物脱硫技术(1)烟气生物脱硫(Bio-FGD)烟气中硫主要以SO2形式存在。根据图8-12，烟气中的SO2通过水膜除尘器或吸收塔溶解于碱转化为亚硫酸盐、硫酸盐；在厌氧环境及有外加碳源的条件下，硫酸盐还原菌将亚硫酸盐、硫酸盐还原成硫化物；然后再在好氧条件下通过好氧微生物的作用将硫化物转化为单质硫，从而将硫从系统中去除。因此，烟气生物脱硫过程分为两个阶段：SO2的吸收过程和含硫吸收液的生物脱硫过程。1992年，荷兰HTSE&E公司和Paques公司开发的烟道气生物脱硫工艺。(2)天然气生物脱硫(Bio-SR)天然气和沼气中硫主要以硫化氢形式存在。硫化氢通过化学吸收塔被硫酸铁氧化为单质硫回收，硫酸铁则还原为硫酸亚铁；亚铁在氧化亚铁硫杆菌作用下被氧化为三价铁，获得再生的硫酸铁继续氧化吸收硫化氢，在1984年最初由日本DowaMining公司开发成功。,环境生物技术课件,.,37,8.6CO2的生物处理大气“温室效应”与全球变暖将是21世纪全人类所面临的最大环境问题。其中，CO2是对“温室效应”影响最大的气体，占总效应的49。由于，工业的急速发展和人口的迅猛增加，CO2的体积分数已由工业革命前的2.80X10-4增加到现在的3.60X10-4，其浓度远远超出了自然生态系统所能承受的能力。近年来，能源紧张，资源短缺，环境污染严重，世界各国都在探索解决上述问题的途径，因此，CO2的固定在环境、能源方面具有极其重要的意义。目前CO2的固定方法主要有物理法、化学法和生物法，而大多数物理和化学方法最终必须依赖生物法来固定CO2。大气中游离的CO2主要通过陆地、海洋生态环境中的植物、自养微生物等的光合作用或化能作用来实现分离和固定，维持整个生物圈的碳循环。,环境生物技术课件,.,38,8.6CO2的生物处理8.6.1植物固定CO2高等植物固定CO2的生化途径有3种，即卡尔文循环(C3途径)、四碳二羧酸途径(C4途径)和景天科植物酸代谢途径(CAM途径)，并以此将高等植物分为C3、C4和CAM植物。8.6.2微生物固定CO2固定CO2的微生物：光能自养型微生物主要包括微藻类和光合细菌，它们都含叶绿素，以光为能源、CO2为碳源合成菌体组成物质或代谢产物；化能自养型微生物以CO2为碳源，能源主要有H2、H2S、S2O32-、NH4+、NO2-及Fe2+等还原态无机物质。,环境生物技术课件,.,39,8.6CO2的生物处理由于微藻(包括蓝细菌)和氢细菌具有生长速率快、适应性强等特点，对它们固定CO2的研究及开发较为广泛、深入。利用微藻固定CO2的光生物技术被认为是一种经济高效的新方法。培养微藻不仅可获得藻生物体，同时还可以产生氢气和许多附加值很高的胞外产物(蛋白质、类胡萝卜素等)，是精细化工和医药开发的重要资源。氢氧化细菌是生长速率最快的自养菌，作为化能自养菌固定CO2的代表，引起了人们的高度重视。目前已发现的氢氧化细菌有18个属，近40个种。Igarashi和Nishibara等筛选的噬氢假单胞菌(Pseudomonashydrogenovora)和海洋氢弧菌(Hydrogenovibriomarinus)在固定CO2的同时还可分别积累大量的胞外多糖和胞内糖原型多糖。自养微生物固定CO2的途径除了卡尔文循环外，还有三羧酸循环、乙酰辅酶A途径和甘氨酸途径。,环境生物技术课件,.,40,8.6.3生物固定CO2的发展趋势今后微生物固定CO2的研究方向主要是：利用基因工程技术构建高效固定CO2的菌株；开发具有高光密度的光生物反应器；高效且经济的固定CO2制氢技术，进一步深入研究不同种类微生物固定CO2的机制，为CO2固定反应的调控提供理论依据等。在微生物固定CO2机制方面，还需做许多大量深入细致的研究工作，但可以预见的是，利用微生物分离固定CO2，开发CO2作为潜在资源转化为甲烷、丙烷、甲醇等的技术手段，是21世纪环境工程防治大气“温室效应”、实现CO2资源化的有效途径，应用前景广阔。,环境生物技术课件,.,41,8.7NO的生物处理氮氧化物(NO)是重要的空气污染物，它是诱发光化学烟雾和酸雨的主要物质之一。自然来源包括火山爆发、雷电和细菌活动等。人为来源主要是工业、交通运输业各种燃料的燃烧，另外，硝酸、氮肥、炸药、燃料等的生产过程排出的废气中也含有大量的NO。NO是指NO、N2O、NO2、N2O3、N2O4和N2O5等氮氧化物总称，其中，对人体危害较大的是NO和NO2。用微生物进行废气脱NO是近年来的研究热点，它能有效脱除废气中的NO，并且具有生物净化法的优点，工艺设备简单、能耗低、处理费用少、无二次污染等。,环境生物技术课件,.,42,8.7.1生物法处理NOx的原理(1)NO的生物净化机制因为NO具有不与水发生化学反应且溶解度小的特点,亨利系数17.331.4Pa(030)，它在反应器中可能的降解途径有两条：一是NO溶解于水；二是被反硝化细菌及固相载体吸附，然后在反硝化细菌中被氧化氮还原酶作用还原为N2。(2)NO2的生物净化机制NO2与水发生化学反应，转化为NO3-、NO2-和NO，然后通过硝酸盐还原酶、亚硝酸盐还原酶和氯化氮还原酶的生化反应过程。还原为N2。,环境生物技术课件,.,43,8.7.2降解NOx的主要微生物(1)反硝化细菌反确化细菌可分为异养反硝化细菌和自养反硝化细菌。其中。异养反硝化细菌数量最多，包括无色杆菌属(Achromobacter)、产碱杆菌属(Alcaligebes)、杆菌属(Bacillus)、黄单胞菌属(Xanthomonas)等，以有机物为电子供体，以NO3-、NO2-和NO为电子受体，进行缺氧呼吸，氧化有机物来获取生长所需的能量。将NO3-、NO2-和NO还原为N2，同时生成与好氧呼吸相比相对比较少的ATP和生物质。自养反硝化细菌包括专性自养反硝化细菌和兼性自氧反硝化细菌，如硫杆菌属(Thiobacillus)中的脱氮硫杆菌(T.deniftrificans)，以无机质如H2、H2S、S、亚硫酸盐等为电子供体，以NO3-、NO2-和NO为电子受体，以无机碳为碳源，将NO3-、NO2-和NO还原为N2。,环境生物技术课件,.,44,8.7.2降解NOx的主要微生物(2)硝化细菌硝化过程处理NOx是在亚硝化细菌、硝化细菌的作用下，以氧为最终电子受体，氧化无机物质获得能量，以CO2为碳源合成细胞物质，将NOx氧化为NO3-。因此,硝化细菌为专性好氧自养菌。整个硝化过程一般分为两个阶段：第一阶段由亚硝化细菌(Nitrosomonas)将NOx转化为亚硝酸盐，亚硝化细菌包括亚硝化单胞菌属(Nitrosmonas)、亚硝化球菌属(Nitrosococcus)、亚硝化螺菌属(Nitrosospim)和亚硝化叶菌属(Nitrosolobus)等；第二阶段由硝化细菌(Nitrobacter)将亚硝酸盐转化为硝酸盐。硝化细菌包括硝化杆菌属(Nitrobacter)、硝化刺菌属(Nitrospina)、硝化球菌属(Nitrosococcus)等。,环境生物技术课件,.,45,8.7.2降解NOx的主要微生物(3)真菌真菌在空气中会生成菌丝，向四周分布呈丝网，大气相污染物与菌体的接触面积，更好地完成传质过程，适合NO这类难溶性物质转化。但多数真菌由于缺乏N2O还原酶，反硝化产物主要是N2O。如与细菌共同反硝化，则可生成N2。真菌和细菌混合培养协同反硝化可相互促进，提高脱氮率，具有重要的理论意义和实际应用价值。近来有研究表明，腐皮镰刀菌(Fusariumsolani)、柱孢菌(Cylindrocarpontonkinese)和毛壳菌属(Chaetomiumsp)反硝化的最终产物为N2，而且少数真菌能与其他微生物共