第五章 环境污染生物净化的原理

第二篇

环境污染的生物净化第五章

环境污染生物净化的原理本章将讨论以下内容：环境污染净化概述生物对污染净化原理第一节环境污染净化概述地表水体污染物生活污水工业废水农业废水和灌溉水大气污染物气溶胶状态污染物粉尘、烟、飞灰、雾飘尘、降尘、总悬浮颗粒气体状态污染物含硫化合物、含氮化合物、碳氢化合物、碳氧化合物、卤素化合物一次污染物和二次污染物固体废弃物

一、环境污染物的类型和来源二、环境污染治理方法概述污水处理方法物理法：沉淀法、过滤法、离心分离法、浮选法、吸附法、萃取法、吹脱法、蒸发结晶法、反渗透法化学法：化学凝聚法、中和法、氧化还原法、离子交换法物化法：电解法、电渗析法生物法：好氧法、厌氧法等方法类别处理目的去除悬浊物去除溶解性无机物去处溶解性有机物消毒杀菌等物理法筛分重力沉降自然浮上过滤超过滤电渗析反渗透气提气提超过滤紫外线照射化学法和物理化学法凝聚沉淀凝聚浮上电解酸碱中和离子交换鳌合吸附氧化还原臭氧氧化氯气氧化焚烧萃取活性碳吸附加氯加臭氧生物法活性污泥生物滤池接触氧化生物转盘厌氧消化生物硝化/脱氮活性污泥生物滤池接触氧化生物转盘厌氧消化去除物质——不溶性的、呈悬浮状态的污染物。主要工艺——筛滤截留、重力分离、离心分离等。处理设备——格栅和筛网、沉砂池和沉淀池、气浮装置、离心机、旋流分离器等。■物理处理法去除物质——呈溶解、胶体状态的污染物。主要工艺——中和、混凝、化学沉淀、氧化还原、吸附、离子交换、膜分离等。■化学处理法微生物作用分为：好氧生物处理、厌氧生物处理多种处理方法、多个处理单元有机组合■生物处理法

需氧生物处理法：利用需氧微生物在有氧条件下将废水中复杂的有机物分解的方法

厌氧生物处理法：在厌氧细菌或兼性细菌的作用下将污泥中的有机物分解，最后产生甲烷和二氧化碳等气体。活性污泥法活性污泥：将空气连续鼓入曝气池的废水中，经过一段时间后，水中就形成大量好气性微生物的絮凝体，这絮凝体就是“活性污泥”。主要设备是曝气池和两次沉淀池。

活性污泥法基本流程图曝气池二次沉淀池空气进水回流污泥剩余污泥出水活性污泥法

活

性

污

泥

法常规工艺流程——一级处理处理方法：物理法净化效率：悬浮物60％~70%有机物20％~40%二级处理处理方法：生物法净化效率：有机物70％~90%三级处理处理方法：化学法、物化法净化效率：满足排放及回用需要城市污水的典型流程图污水排放格栅沉沙池初次沉淀池曝气池二次沉淀池消毒沼气池浓缩池晒泥场农肥污水污泥大气污染物净化方法气溶胶状态污染物的控制方法重力沉降旋风除尘静电除尘过滤式除尘气体状态污染物的吸附与净化气体吸收法气体吸附法大气污染物的生物净化方法生物吸收法生物洗涤法生物过滤法气体生物净化法分类生物过滤法生物洗涤法生物吸收法固体废弃物的处理方法工业废弃物物理与化学法：覆盖法、化学反应剂法生物法：栽种永久性植物城市垃圾填埋法堆肥法制取沼气焚烧法三、环境污染的污染与净化指标BOD5CODTODTOC固体物质含氮化合物pH值生物污染指标细菌总数大肠菌群总数生化需氧量BOD生化需氧量BOD（BiologicalOxygenDemand）概念：在20℃条件下，微生物好氧分解水样（废水或受污染的天然水）中有机物所消耗的溶解氧量。BOD5：微生物5天好氧分解有机物所消耗的溶解氧量。有机物生化耗氧过程的两个阶段碳化阶段：将有机物分解成CO2、H2O、NH3，碳化作用消耗的氧量称为碳化需氧量。硝化阶段：NH3被转化为亚硝酸盐和硝酸盐，硝化作用消耗的氧量称为硝化需氧量。BOD曲线BOD曲线的七个阶段：（1）微生物增殖的迟缓期（2）细菌的对数生长期（3）耗氧平缓阶段（4）原生动物耗氧峰（5）耗氧再次平缓阶段（6）硝化细菌耗氧峰（7）所有的微生物继续减少，有机物最终转化为CO2和H2O。BOD1234567t/clTODUOD

BOD曲线化学需氧量COD（ChemicalOxygenDemand）概念COD是指在一定条件下，用强氧化剂处理水样时所消耗氧化剂的量，以氧的毫克/升来表示。它反映了水中受还原性物质污染的程度，水中还原性物质包括：有机物、亚硝酸盐、亚铁盐、硫化物等。水被有机物污染是很普遍的，故COD也作为有机物相对含量的指标之一。在规定条件下，强氧化剂重铬酸钾K2Cr2O7可氧化大多数常见的有机污染物，故在实际使用中常把CODCr的测定值近似地代表废水中的全部有机物。BOD和COD的比较废水处理中多以BOD和COD两个指标来度量水样的有机污染物浓度和被净化程度。BOD：反映的是微生物能够降解的那部分有机物的数量，基本上反映出水体中生物氧化分解有机物所消耗的氧量，比较符合实际，但检出时间过长，不能迅速及时指导生产实践，而且毒性大的废水可抑制微生物的作用而影响结果，甚至无法测定。COD：一般表示废水中有机污染物重量的98％，几乎可以表示出有机物全部氧化所需氧量，测定不受水质限制，并可在数小时内完成；但是它不能反映微生物能够降解的那部分有机物的数量。BOD和COD的关系：可以认为COD包括两部分：一部分为能够被微生物降解的有机物的耗氧量CODB，另一部分为不能够被微生物降解的有机物的耗氧量CODN

B。BODu

CODBBOD5=0.58CODB总需氧量TOD和总有机碳TOC总需氧量TOD（TotalOxygenDemand）有机物和少量无机物在铂催化下，在燃烧炉900℃高温燃烧成稳定的最终产物所消耗的氧的量。总有机碳TOC（TotalOrganicCarbon）是以碳的含量表示水体中有机物质总量的综合指标。它的测定采用燃烧法：在950℃和铂催化下，测定二氧化碳的含量，并扣除150℃燃烧测得的碳酸盐等无机碳元素的含量。该法能将有机物全部氧化，比BOD5和COD更能直接表示有机物的总量，故常常被用来评价水体中有机物污染的程度。固体物质总固体悬浮固体溶解性固体挥发性固体非挥发性固体含氮化合物含氮化合物的几种化学形态有机氮：蛋白质、氨基酸、尿素等无机氮：包括氨氮：NH3－N、NH4＋－N和硝态氮：NO2－－N、NO3－－N。常用水质测定指标总氮：包括有机氮和无机氮化合物的测定。凯氏氮：指以凯氏法测得的氮量，包括了氨氮和在此条件下能被转化为铵盐的而测定的有机氮化合物。此类有机氮化合物主要指蛋白质、氨基酸、核酸、尿素以及氮为负三价的有机氮化合物，由于一般水中存在的有机氮化合物多为这些，故，在测定凯氏氮和氨氮之后，两者的差值即有机氮。氨氮,亚硝酸盐氮,硝酸盐氮第二节生物对污染净化原理

一、微生物对污染物降解与转化微生物对物质降解与转化的特点微生物对污染物降解与转化的途径影响微生物对物质降解转化作用的因素微生物对常见污染物的降解与转化有机污染物的生物可降解性及其评价方法微生物对物质降解与转化的特点:微生物个体微小，比表面积大，代谢速率大；种类繁多，分布广泛，代谢类型多样；微生物具有多种降解酶；微生物繁殖快，易变异，适应性强；微生物具有巨大的降解能力；质粒（Plasmid）：染色体外遗传物质，是在原核微生物中除染色体外，还存在的一种较小的携带少量遗传基因的环状DNA分子。质粒可用来培育优良菌种，或用作基因工程中基因转移的载体。例如：多功能超级细菌的构建ABBACABC多质粒超级菌的构建示意简图质粒细胞的染色体注：共代谢（Co－Metabolism）微生物在利用生长基质A时（从中获得能量、碳源或其他任何营养），同时非生长基质B（不能从中获得能量或营养）也伴随着发生氧化或其它反应。在纯培养下，共代谢只是一种截止式转化，但在混合培养和自然环境条件下，转化可为其它微生物进行的共代谢或其他生物对某种物质的降解铺平道路，使其代谢产物可继续降解，故污染物在有合适的底物和环境条件下可通过共代谢作用而降解。ABCDE1E2E2E1微生物对污染物降解与转化的途径降解光降解化学降解生物降解氧化还原水解酯化乙酰化DDT—DDD+DDE影响微生物对物质降解转化作用的因素（1）微生物的代谢活性不同种类微生物对同一底物的反应不同；微生物在不同的生长时期的活性是不相同的，在对数期代谢最旺盛，活性最强。微生物的种类组成决定化合物降解的方向和速度，同时微生物的种类组成又与环境中的化学物质有关。微生物的适应性驯化（Domestication）：是一种定向选育微生物的方法与过程，通过人工措施使微生物逐步适应某特定条件，最后获得具有较高耐受力和代谢活性的菌株。按微生物生长速率，其生长可分为四个生长期停滞期（调整期）对数期（生长旺盛期）静止期（平衡期）衰老期（衰亡期）影响微生物对物质降解转化作用的因素（2）化合物的结构烃类：链烃的易降解性大于环烃，直链烃大于支链烃，不饱和烃大于饱和烃，支链烷基越多，越不易被降解当主链上的C被S、N、O取代时，对生物氧化的阻抗上升当C原子上的H被烷基或芳基取代时，会生成生物氧化的阻抗物。官能团的性质和数量分子量大小环境因素温度酸碱度营养氧底物浓度微生物分解有机物的作用微生物分解有机物的作用可总括成如下图式：复杂有机物简单有机物需氧微生物胞内酶厌氧微生物胞内酶微生物胞外酶CO2、H2OCO2、H2O、H2、CH4、H2S及有机酸、醇、酮、醛等未完全氧化产物微生物分解有机物的作用微生物对常见污染物的降解与转化生物大分子的降解糖类：纤维素和淀粉蛋白质脂肪＋H2O脂肪酶甘油＋高级脂肪酸蛋白质肽氨基酸蛋白酶肽酶好氧细菌——粘细菌、镰状纤维菌和纤维弧菌厌氧细菌——产纤维二糖芽孢梭菌、无芽孢厌氧分解菌及嗜热纤维芽孢梭菌。放线菌——链霉菌属。真菌——青霉菌、曲霉、镰刀霉、木霉及毛霉。需要时可以向有菌种库的研究机构购买或自行筛选。CO2、H2、有机酸等淀粉葡萄糖需氧微生物胞内酶厌氧微生物胞内酶微生物淀粉酶CO2、H2O淀粉分解途径示意图半纤维素的转化存在于植物细胞壁的杂多糖。造纸废水和人造纤维废水中含半纤维素。分解过程TCA循环聚糖酶CO2+H2O半纤维素单糖+糖醛酸H2O各种发酵产物厌氧分解分解纤维素的微生物大多数能分解半纤维素。许多芽孢杆菌、假单胞菌、节细菌及放线菌能分解半纤维素。霉菌有根霉、曲霉、小克银汉霉、青霉及镰刀霉。烃类石油类人工合成有机物农药合成洗涤剂增塑剂多氯联苯降解石油的微生物很多，据报道有200多种细菌——假单胞菌、棒杆菌属、微球菌属、产碱杆菌属放线菌——诺卡氏菌酵母菌——假丝酵母霉菌——青霉属、曲霉属藻类——蓝藻和绿藻危险性化合物危险性化合物（HazardousChemicals）的概念在自然界具有新颖结构的合成化合物（异型生物质，又称非生物性物质，xenobiotics）往往对微生物的降解表现出抗逆性，其原因可能是这些化合物进入自然界的时间比较短，微生物界还未进化出降解此类难降解化合物的代谢机制。这些化合物大多数对环境具有毒害作用，故称之危险性化合物。危险性化合物来源人工合成的农药、杀虫剂、除草剂、防腐剂、溶剂、增塑剂等有机污染物的生物可降解性及其评价方法什么是生物可降解性？所有化合物根据