微生物脱氮ppt课件

.,1,第九章大气污染的环境修复技术,.,2,目录,植物修复技术,9.1,微生物修复技术,9.2,无机矿物材料修复技术,9.3,大气污染概述,9.4,.,3,9.1大气污染概述,9.1.1大气污染现状,定义:在一定范围的大气中，出现了原来没有的微量物质，其数量和持续时间，都有可能对人、动物、植物及物品、材料产生不利影响和危害。当大气中污染物质的浓度达到有害程度，以至破坏生态系统和人类正常生存和发展的条件，对人或物造成危害的现象叫做大气污染。来源:自然源:如植物腐烂、森林火灾、火山爆发等，多为一时性的;人为源:如工业企业(表9-1)、交通运输、生活炉灶和采暖锅炉等，是造成现在大气情况日益恶化的主要原因。,.,4,表9.1-1大气污染物的主要工业来源,.,5,.,6,9.1.2大气污染物的分类,生物性污染物:空气中一些原有的微生物(如真菌、杆菌等)和某些病原微生物,物理性污染物:主要是指粉尘(TSP，PM10，PM2.5，PM1),化学性污染物:CO2,CO,NOx,SOx,PAHs等,.,7,9.1.3大气污染的修复净化技术,污染的大气环境中通常有多种污染物复合或混合，并且污染物具有长距离迁移和干湿沉降等特性。空气的污染对城市居民的健康，城市景观和区域气候都有着很严重的破坏作用。因此对污染进行修复净化显得十分必要。主要的修复技术有以下三种:植物修复技术微生物修复技术无机矿物材料修复技术,.,8,植物吸附与吸收修复,植物降解修复,植物转化修复,植物同化和超同化修复,空气污染的植物修复是一种以太阳能为动力，利用绿色植物及其相关的生物区对环境污染物质进行分解、去除、屏障或脱毒的方法。,9.2植物修复,.,9,9.2.1植物吸附与吸收修复,(1)滞尘作用,植物对于污染物的吸附与吸收主要发生在地上部分的表面及叶片的气孔，将其扣留在叶片的表面;一种物理性过程;与植物表面的结构如叶片形态、粗糙程度、叶片生长角度和表面的分泌物有关;可以有效地吸附空气中的浮尘、雾滴等悬浮物及其吸附着的污染物(表9.2-1)。,.,10,表9.2-1各种树木叶片的滞尘量/(g/m2),.,11,(2)对病原体的作用,空气中的病原体一般都附着在尘埃或飞沫上随气流移动，绿色植物的滞尘作用可以减小其传播范围;植物的分泌物(柠檬油、松脂、肉桂油、丁香粉等)具有杀菌作用(表9.2-2)。,表9.2-2杀菌能力强的树种和杀死原生动物所需时间/Min,.,12,(3)对重金属的作用,绿化树种对颗粒物中的重金属也有较好的吸收和吸附作用，不同的污染金属的种类和不同的树种之间具有明显的差异(表9.2-3、9.2-4)。,表9.2-3主要绿化树种吸收铅能力比较(kg/hm2叶量),.,13,表9.2-4主要绿化树种吸收镉能力比较(kg/hm2叶量),.,14,表9.2-5太原市各采样区国槐枝条含铅量,根据植物体内重金属的含量，还可以监测环境污染(如表9.2-5)。,.,15,(4)对气态污染物的作用,植物还可以吸收空气中的气态污染物，包括SO2、Cl2、HF等;主要是通过气孔吸收，并经由植物维管系统进行运输和分布;影响因素:污染物在水中溶解性、光照条件等。,吸硫量:根据各树种间吸硫量的差异，按45距离截取，可将绿化树种划分为3类:类吸硫量高(吸硫量90，修复能力强);类吸硫量中等(吸硫量在4590，修复能力中等);类吸硫量低(吸硫量45，修复能力弱)(表9.2-6)。,.,16,表9.2-6主要绿化树种吸收净化SO2能力比较,.,17,挥发或半挥发性的有机污染物植物可以通过其吸收作用有效的降低空气中苯三氯乙烯、甲苯和PAHs等挥发或半挥发性的有机污染物;影响因素:污染物本身的物理化学性质(包括分子量溶解性蒸气压和辛醇-水分配系数等)和气候条件等。其它大多数植物都能吸收臭氧，其中银杏、柳杉、樟树、青冈栎、夹竹桃、刺槐等10余种树木净化臭氧的作用较大。吸滞大气氯污染能力强的有树种有榆树、京桃、枫杨、皂角、卫矛、美青杨、桂香柳；吸滞大气氟污染能力强的有:榆树、花曲柳、刺槐、旱柳等。,.,18,9.2.2植物降解修复,主要针对大气中有机物污染，利用植物含有一系列代谢异生素的专性同功酶及相应的基因来完成对有机污染物的分解。参与植物代谢异生素的酶主要包括细胞色素P450、过氧化物酶、加氧酶、谷胱甘肽S-转移酶、羧酸酯酶、O-糖苷转移酶、N-糖苷转移酶、O-丙二酸单酰转移酶和N-丙二酸单酰转移酶等。能直接降解有机物的酶类主要有脱卤酶、硝基还原酶、过氧化物酶、漆酶和腈水解酶等。植物从外界吸收各种物质的同时，也不断地分泌各种物质，这其中包括一些能够降解有机污染物的酶类转基因技术可以有效的提高植物的降解作用。如将人的细胞色素P4502E1基因转入烟草后，转基因植株氧化代谢三氯乙烯(TCE)和二溴乙烯（EDB）的能力提高了约640倍。,.,19,9.2.3植物转化修复,植物转化修复是利用植物的生理过程将污染物由一种形态转化为另一种形态的过程，需要有植物体内多种酶类的参与。,光合作用:CO2O2反硝化作用:O3:通过植物体内的一系列的酶如超氧化物岐化酶SOD、过氧化物酶、过氧化氢酶等和一些非酶抗氧化剂如维生素C、维生素E、谷胱甘肽等进行转化清除;有机污染物:经过一定的转化后隔离在植物细胞的液泡中或与不溶性细胞结构如木质素相结合。,.,20,9.2.4植物同化和超同化修复,同化:植物通过气孔将CO2、SO2等污染气体吸入体内，参与代谢，最终以有机物的形式储存在氨基酸和蛋白质中;超同化:将含有植物所需营养元素的大气污染物如氮氧化合物、硫氧化合物等，作为营养物质源高效吸收与同化。,筛选技术:如筛选一些“嗜NO2植物”或者对SO2、HF等污染物净化作用明显的超同化植物(表9.2-7);转基因技术:如将亚硝酸盐代谢过程中所需的硝酸盐还原酶(NR)、亚硝酸盐还原酶(NIR)和谷氨酰胺合成酶（GS）转入植物体中。,.,21,表9.2-7不同试验点植物叶片S和F含量,.,22,9.2.5总结,植物不但能改变城市的景观状况，而且选择合适的树种对于修复城市大气污染有着非常重要的作用。表9.2-8总结了不同绿化植物对大气污染物的修复能力。尽管如此，植物修复技术还存在着一定的问题。表9.2-9总结的则市各种植物修复技术目前所存在的一些问题。,.,23,.,24,表9.2-8不同树种对大气污染的修复作用,.,25,表9.2-9各种植物修复技术存在的问题,.,26,与其他治理大气污染的方法比较，大气污染的植物修复具备以下优点：绿色净化，清洁并储存可利用的太阳能;经济有效，具有潜在的环境价值;美化环境，普遍接受;适用植物修复的污染物范围较广。同时植物修复技术也存在其缺点:植物修复的本身耗时长;污染物可通过食用含污染物植物的昆虫和动物进入食物链;有毒污染物可能在植物体内转化为毒性更强的物质;植物修复能力受水力控制。,大气污染植物修复的优缺点,.,27,9.3微生物修复,气态污染物的微生物修复就是利用微生物将废气中的污染物转化为低害甚至无害物质的处理方法。,9.3.1无机废气的生物修复(1)微生物脱硫原理:菌种:目前主要是硫杆菌属、硫化叶菌、大肠杆菌和假单细胞菌属,.,28,煤炭的脱硫工艺:早期的研究主要利用下氧化亚铁硫杆菌(Thiobacillusferrooxidans)在几天时间里将黄铁矿氧化分解成铁离子和硫酸，硫酸溶于水中而排出;浮选法和微生物处理相结合含硫(H2S)废气的脱硫工艺(图9.3-1):,吸收塔,分离器,生物反应器,低硫气,酸性气,硫,空气,图9.3-1含硫废气的脱硫工艺,.,29,(2)微生物脱氮:,净化原理:适宜的脱氮菌在有外加碳源的情况下，利用NOx作为氮源，将NOx还原为最基本无害的N2，而脱氮菌本身获得生长繁殖。,脱氮菌及菌种培养:无色杆菌属、产碱杆菌属、杆菌属、色杆菌属、棒杆菌属等,.,30,微生物的存在形式:悬浮生长系统:微生物及其营养物配料存在于液相中，气体中的污染物通过与悬浮液接触后转移到液相中而被微生物所净化，其形式有喷淋塔、鼓泡塔等生物洗涤器(图9.3-2、9.3-3);,图9.3-2喷淋塔,图9.3-3鼓泡塔,.,31,附着生长系统:废气在增湿后进入生物滤床，通过滤层时，污染物从气相转移到生物膜表面并被微生物净化(图9.3-4)。,图9.3-4生物滤床,.,32,发展趋势:改进燃烧过程以控制NOx的排放;二是发展脱硫脱氮一体化技术。,优缺点:悬浮生长和附着生长两套系统在脱氮方面各有优缺点，前者相当来说微生物的环境条件及操作条件容易控制，但NOx中NO占据较大的比例，不易溶于水，因此净化效率相当较低。,.,33,原理:有机废气生物修复是利用微生物以废气中的有机组分作为其生命活动的能源或其他养分，经代谢降解，转化为简单的无机物(CO2、水等)及细胞组成物质。生物反应器处理的一般步骤:废气中的有机物同水接触并溶于水中，也就是说，使气相中的分子转移到水中；溶于水中的有机物被微生物吸收，吸收剂被再生复原，继而再用以溶解新的有机物；被微生物细胞所吸收的有机物，在微生物的代谢过程中被降解、转换成为微生物生长所需的养分或CO2和H2O。基本条件:水分、养分、温度、氧气（有氧或无氧）以及酸碱度等。,9.3.2有机废气的微生物修复,.,34,分类:据微生物在工业废气处理过程中存在的形式，可将其处理方法分为生物洗涤法（悬浮态）和生物过滤法（固着态）两类。,生物洗涤法:主要的反应器:喷淋塔、鼓泡塔和穿孔板塔。主要的处理工艺如图9.3-5所示。其去除率除了与污泥的浓度、PH、溶解氧等因素有关外，还与污泥的驯化与否、营养盐的投加量及投加时间有关;活性污泥浓度:500010000ml/L，气速20m3/h时，装置的负荷及去除效率均较理想。,.,35,图9.3-5生物洗涤法处理工业废气装置,.,36,生物过滤法生物滤池法主要有两种:生物滤池法和生物滴滤法。生物滤池法生物滤池具体由滤料床层（生物活性填充物）、砂砾层和多孔布气管等组成。多孔布气管安装在砂砾层中，在池底有排水管排除多余的积水，如图9.3-6。,图9.3-6生物滤池法修复废气装置,.,37,生物滤池分为土壤滤池和堆肥滤池以及微生物过滤箱。土壤滤池构造:气体分配层下层由粗石子、细石子或轻质陶粒骨料组成，上部由沙或细粒骨料组成，总厚度为400500mm。土壤滤层可按黏土12、含有机质沃土15.3、细砂土53.9和粗砂29.6的比例混配，厚度一般为0.51.0m;影响因素:温度、湿度、PH值以及土壤中得营养成分;优点:投资小、无二次污染、有较强的抗冲击能力;缺点:占地面积大。目前正在研究多层土壤床，这将是解决该问题的重要研究方向。应用:化工、制药和食品加工行业中废气处理及卫生填埋厂、动物饲养场和堆肥场等产生的废气，处理废气中低浓度的氨、硫化氢、甲硫醇、二甲基硫、乙醛、三甲胺等。,.,38,堆肥滤池工作原理与土壤床基本相同，但在应用上有以下不同点：土壤床的孔隙较小，渗透性较差，所以在处理相同量的废气时，土壤床占地的面积较大。土壤床对处理无机气体如SO2、NOX、NH3和H2S所形成的酸性有一定的中和能力，如果经石灰预处理，其中和能力更强。堆肥床不能用石灰处理，否则会变成致密床层，降低处理效果。堆肥床中的微生物较土壤中多，对废气去除率较高，且接触时间只有土壤床的1/41/2，约20s，所以适用于处理含易生物降解污染物、废气量大的场合。对于生物降解较慢的气体，需要较长的反应时间。如果在废气量不大的情况下，用土壤层较合适。堆肥床使用一定时间后，有结块的趋势因此需周期性地进行搅动，防止结块。堆肥为疏水性，需防止干燥，否则再湿润比较困难。土壤为亲水性，一般不会发生上述现象。在服务年限方面，土壤床比堆肥床长，土壤床处理挥发性有机废气，其使用时间几乎趋于无限长；而对有机废气地使用年限则取决于土壤的中和能力。,.,39,微生物过滤箱构成:封闭式装置，主要由箱体、生物活性床层、喷水器等组成。床层由多种有机物混和制成的颗粒状载体构成，厚度按需要确定，一般在0.51.0m。应用:化工厂、食品厂、污水泵站等方面地废气净化和脱臭。处理含硫化氢50mg/m3、二氧化硫150mg/m3的聚合反应废气，在高负荷下硫化氢的去除率可达99。处理食品厂高浓度（600010000Nod/m3,Nod/m3为臭气单位）恶臭废气，脱臭率可达95。此外，还用于去除废气中的四氢呋喃、环己酮、甲基乙基甲酮等有机溶剂蒸汽。,.,40,生物滴滤池处理工艺如图9.3-7所示。,图9.3-7生物滴滤法修复废气装置,.,41,使用的填料不同。滴滤池使用的填料如粗碎石、塑料蜂窝状填料、塑料波纹板填料等，不具吸附性，填料之间的空隙很大。回流水由生物滴滤池上部喷淋到填料床层上，并沿填料上的生物膜滴流而下。通过水回流可以控制滴滤池水相的pH，也可以在回流水中加入K2HPO4和NH4NO3等物质，为微生物提供N、P等营养元素。由于生物滴滤池中存在一个连续流动的水相，因此整个传质过程涉及气、液、固三相。但从整体上讲，仍然是一个传质与生化反应的串联过程。如果设计合理，生物膜反应器具有微生物浓度高、净化反应速度快、停留时间短等优点，可以使反应装置小型化，从而降低设备投资。,生物滴滤池和生物滤池主要不同之处：,.,42,有机废气生物修复方法的比较(表9.3-1):,表9.3-1有机废弃生物修复方法的比较,.,43,9.4天然无机矿物材料修复,9.4.1天然无机矿物的基本性能,矿物表面效应,孔道效应,结构效应,离子交换效应,结晶效应,溶解效应,水合效应,氧化还原效应,半导体效应,纳米效应,矿物生物交互效应,.,44,9.4.2天然无机矿物材料的修复技术,原理:利用天然矿物对污染物的如矿物表面吸附性作用与矿物吸附剂、矿物孔道过滤性作用与矿物过滤剂和分子筛、矿物层间离子交换作用与矿物交换剂、矿物热效脱硫除尘作用与矿物添加剂等净化功能实现对污染物的净化