環(huán)境生物學(xué)第五章ppt課件

1、第二篇 環(huán)境污染的生物凈化l第五章 環(huán)境污染生物凈化的原理l第六章 環(huán)境污染的生物凈化方法l第七章 現(xiàn)代生物技術(shù)與環(huán)境污染治理l第八章 污染環(huán)境的生物修復(fù)第五章第五章 環(huán)境污染生物凈化的原理環(huán)境污染生物凈化的原理本章將討論以下內(nèi)容：環(huán)境污染凈化概述生物對(duì)污染凈化原理一、環(huán)境污染治理方法一、環(huán)境污染治理方法l污水處置方法l物理法：沉淀法、過(guò)濾法、離心分別法、浮選法、吸附法、萃取法、吹脫法、蒸發(fā)結(jié)晶法、反浸透法l化學(xué)法：化學(xué)凝聚法、中和法、氧化復(fù)原法、離子交換法l物化法：電解法、電滲析法l生物法：好氧法、厭氧法等第一節(jié)第一節(jié) 環(huán)境污染凈化概述環(huán)境污染凈化概述l大氣污染物凈化方法l氣溶膠形狀污染物的

2、控制方法l重力沉降l旋風(fēng)除塵l靜電除塵l過(guò)濾式除塵l氣體形狀污染物的吸附與凈化l氣體吸收法l氣體吸附法l大氣污染物的生物凈化方法l生物吸收法l生物洗滌法l生物過(guò)濾法l固體廢棄物的處置方法l工業(yè)廢棄物l物理與化學(xué)法：覆蓋法、化學(xué)反響劑法l生物法：栽種永久性植物l城市渣滓l填埋法l堆肥法l制取沼氣l熄滅法二、廢水的污染與凈化目的二、廢水的污染與凈化目的lBOD5lCODlTODlTOCl固體物質(zhì)l含氮化合物lpH值l生物污染目的l細(xì)菌總數(shù)l大腸菌群總數(shù)1、生化需氧量、生化需氧量BODl生化需氧量BODBiological Oxygen Demandl概念：在20條件下，微生物好氧分解水樣廢水或受污

3、染的天然水中有機(jī)物所耗費(fèi)的溶解氧量。以每升水中溶解氧的mg數(shù)表示，mg/L。lBOD5：微生物5天好氧分解有機(jī)物所耗費(fèi)的溶解氧量。l有機(jī)物生化耗氧過(guò)程的兩個(gè)階段l碳化階段：將有機(jī)物分解成CO2、H2O、NH3，碳化作用耗費(fèi)的氧量稱為碳化需氧量。l硝化階段： NH3被轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽和硝酸鹽，硝化作用耗費(fèi)的氧量稱為硝化需氧量。BOD曲線曲線BOD曲線的七個(gè)階段：1微生物增殖的緩慢期2細(xì)菌的對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期3耗氧平緩階段 4原生動(dòng)物耗氧峰5耗氧再次平緩階段6硝化細(xì)菌耗氧峰7一切的微生物繼續(xù)減少，有機(jī)物最終轉(zhuǎn)化為CO2和H2O。BOD1234567t/clTODUOD圖51 BOD曲線2、化學(xué)需氧量、化學(xué)需

4、氧量COD Chemical Oxygen DemandlCOD是指在一定條件下，用強(qiáng)氧化劑處置水樣時(shí)所耗費(fèi)氧化劑的量，以氧的毫克/升來(lái)表示。l它反映了水中受復(fù)原性物質(zhì)污染的程度，水中復(fù)原性物質(zhì)包括：有機(jī)物、亞硝酸鹽、亞鐵鹽、硫化物等。水被有機(jī)物污染是很普遍的，故COD也作為有機(jī)物相對(duì)含量的目的之一。l在規(guī)定條件下，強(qiáng)氧化劑重鉻酸鉀K2Cr2O7可氧化大多數(shù)常見的有機(jī)污染物，故在實(shí)踐運(yùn)用中常把COD Cr 的測(cè)定值近似地代表廢水中的全部有機(jī)物。BOD 和和COD的比較的比較lBOD：反映的是微生物可以降解的那部分有機(jī)物的數(shù)量，根本上反映出水體中生物氧化分解有機(jī)物所耗費(fèi)的氧量。l比較符合實(shí)踐；l

5、檢出時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，不能迅速及時(shí)指點(diǎn)消費(fèi)實(shí)際，而且毒性大的廢水可抑制微生物的作用而影響結(jié)果，甚至無(wú)法測(cè)定。lCOD：普通表示廢水中有機(jī)污染物分量的98，幾乎可以表示出有機(jī)物全部氧化所需氧量。l測(cè)定不受水質(zhì)限制，并可在數(shù)小時(shí)內(nèi)完成；l不能反映微生物可以降解的那部分有機(jī)物的數(shù)量。lBOD 和COD的關(guān)系：可以以為COD包括兩部分：一部分為可以被微生物降解的有機(jī)物的耗氧量COD B，另一部分為不可以被微生物降解的有機(jī)物的耗氧量CODN B。lBOD u COD B = 0. 87 COD BlBOD 5 = 0.58 COD B3、總需氧量、總需氧量TOD和總有機(jī)碳和總有機(jī)碳TOCl總需氧量TOD Tot

6、al Oxygen Demandl 有機(jī)物和少量無(wú)機(jī)物在鉑催化下，在熄滅爐900高溫熄滅成穩(wěn)定的最終產(chǎn)物所耗費(fèi)的氧的量。l總有機(jī)碳TOCTotal Organic Carbonl是以碳的含量表示水體中有機(jī)物質(zhì)總量的綜合目的。l它的測(cè)定采用熄滅法：在950 和鉑催化下，測(cè)定排出氣體中二氧化碳的含量，并扣除150 熄滅測(cè)得的碳酸鹽等無(wú)機(jī)碳元素的含量。4、固體物質(zhì)、固體物質(zhì)l總固體TSl懸浮固體SS與溶解性固體DSl揮發(fā)性固體VS與非揮發(fā)性固體FS5、含氮化合物、含氮化合物l含氮化合物的幾種化學(xué)形狀l有機(jī)氮：蛋白質(zhì)、氨基酸、尿素等物質(zhì)中所含的氮l無(wú)機(jī)氮：包括氨氮：NH3N、NH4N和硝態(tài)氮：NO2N

7、、 NO3N。l常用水質(zhì)測(cè)定目的l總氮：包括有機(jī)氮和無(wú)機(jī)氮化合物的測(cè)定。l凱氏氮：指以凱氏法測(cè)得的氮量，包括了氨氮和在此條件下能被轉(zhuǎn)化為銨鹽的而測(cè)定的有機(jī)氮化合物。此類有機(jī)氮化合物主要指蛋白質(zhì)、氨基酸、核酸、尿素以及氮為負(fù)三價(jià)的有機(jī)氮化合物，由于普通水中存在的有機(jī)氮化合物多為這些，故，在測(cè)定凱氏氮和氨氮之后，兩者的差值即有機(jī)氮。l氨氮l亞硝酸鹽氮l硝酸鹽氮第二節(jié)第二節(jié) 生物對(duì)污染凈化原理生物對(duì)污染凈化原理l微生物對(duì)物質(zhì)降解與轉(zhuǎn)化的特點(diǎn)l微生物對(duì)污染物降解與轉(zhuǎn)化的途徑l影響微生物對(duì)物質(zhì)降解轉(zhuǎn)化作用的要素l微生物對(duì)常見污染物的降解與轉(zhuǎn)化l有機(jī)污染物的生物可降解性及其評(píng)價(jià)方法一、微生物對(duì)污染物降解與

8、轉(zhuǎn)化一、微生物對(duì)污染物降解與轉(zhuǎn)化微生物對(duì)物質(zhì)降解與轉(zhuǎn)化的特點(diǎn)微生物對(duì)物質(zhì)降解與轉(zhuǎn)化的特點(diǎn):l微生物個(gè)體微小，比外表積大，代謝速率大；l種類繁多，分布廣泛，代謝類型多樣；l微生物具有多種降解酶；l微生物繁衍快，易變異，順應(yīng)性強(qiáng)；l微生物具有宏大的降解才干；l質(zhì)粒Plasmid：染色體外遺傳物質(zhì)，是在原核微生物中除染色體外，還存在的一種較小的攜帶少量遺傳基因的環(huán)狀DNA分子。l質(zhì)?？捎脕?lái)培育優(yōu)良菌種，或用作基因工程中基因轉(zhuǎn)移的載體。l例如：多功能超級(jí)細(xì)菌的構(gòu)建ABBACABC圖52 多質(zhì)粒超級(jí)菌的構(gòu)建表示簡(jiǎn)圖質(zhì)粒細(xì)胞的染色體注：123l共代謝CoMetabolisml微生物在利用生長(zhǎng)基質(zhì)A時(shí)從中獲

9、得能量、碳源或其他任何營(yíng)養(yǎng)，同時(shí)非生長(zhǎng)基質(zhì)B不能從中獲得能量或營(yíng)養(yǎng)也伴隨著發(fā)生氧化或其它反響。l在純培育下，共代謝只是一種截止式轉(zhuǎn)化，但在混合培育和自然環(huán)境條件下，轉(zhuǎn)化可為其它微生物進(jìn)展的共代謝或其他生物對(duì)某種物質(zhì)的降解鋪平道路，使其代謝產(chǎn)物可繼續(xù)降解，故污染物在有適宜的底物和環(huán)境條件下可經(jīng)過(guò)共代謝作用而降解。ABCDE1E2E2E1微生物對(duì)污染物降解與轉(zhuǎn)化的途徑微生物對(duì)污染物降解與轉(zhuǎn)化的途徑l自然界中化學(xué)物質(zhì)的降解的3種方式：這三種方式往往綜合交叉進(jìn)展。l光降解l化學(xué)降解l生物降解Biodegradation：指由于生物的作用，把污染物大分子轉(zhuǎn)會(huì)為小分子，實(shí)現(xiàn)污染物的分解或降解。其中微生物所

10、起的降解作用最大，故也稱為微生物降解。l微生物代謝活動(dòng)中的化學(xué)作用本質(zhì)是酶反響l氧化作用l復(fù)原作用l脫羧作用l水解作用l脫氨基作用等影響微生物對(duì)物質(zhì)降解轉(zhuǎn)化作用的要素影響微生物對(duì)物質(zhì)降解轉(zhuǎn)化作用的要素1l微生物的代謝活性l不同種類微生物對(duì)同一底物的反響不同；l微生物在不同的生長(zhǎng)時(shí)期的活性是不一樣的，在對(duì)數(shù)期代謝最旺盛，活性最強(qiáng)。l微生物的種類組成決議化合物降解的方向和速度，同時(shí)微生物的種類組成又與環(huán)境中的化學(xué)物質(zhì)有關(guān)。l微生物的順應(yīng)性l馴化Domestication：是一種定向選育微生物的方法與過(guò)程，經(jīng)過(guò)人工措施使微生物逐漸順應(yīng)某特定條件，最后獲得具有較高耐受力和代謝活性的菌株。l在環(huán)境生物學(xué)

11、中常經(jīng)過(guò)馴化，獲取對(duì)污染物具有較高降解效能的菌株，用于廢水、廢物的凈化處置或有關(guān)科學(xué)實(shí)驗(yàn)中。影響微生物對(duì)物質(zhì)降解轉(zhuǎn)化作用的要素影響微生物對(duì)物質(zhì)降解轉(zhuǎn)化作用的要素2l化合物的構(gòu)造l烴類：鏈烴的易降解性大于環(huán)烴，直鏈烴大于支鏈烴，不飽和烴大于飽和烴，支鏈烷基越多，越不易被降解l當(dāng)主鏈上的C被S、N、O取代時(shí)，對(duì)生物氧化的阻抗上升l當(dāng)C原子上的H被烷基或芳基取代時(shí)，會(huì)生成生物氧化的阻抗物。l官能團(tuán)的性質(zhì)和數(shù)量l分子量大小l環(huán)境要素l溫度l酸堿度l營(yíng)養(yǎng)l氧l底物濃度微生物分解有機(jī)物的作用微生物分解有機(jī)物的作用l微生物分解有機(jī)物的作用可總括成如以下圖式：復(fù)雜有機(jī)物簡(jiǎn)單有機(jī)物需氧微生物胞內(nèi)酶厭氧微生物胞內(nèi)

12、酶微生物胞外酶CO2、H2OCO2、H2O、H2、CH4、H2S及有機(jī)酸、醇、酮、醛等未完全氧化產(chǎn)物圖53 微生物分解有機(jī)物的作用表示圖微生物對(duì)常見污染物的降解與轉(zhuǎn)化微生物對(duì)常見污染物的降解與轉(zhuǎn)化l生物大分子的降解l糖類：以纖維素和淀粉的分解為例，見圖54，55l脂肪l蛋白質(zhì)脂肪H2O脂肪酶甘油高級(jí)脂肪酸蛋白質(zhì)肽氨基酸蛋白酶肽酶丁酸、CO2、H2等CO2、H2、有機(jī)酸等淀粉葡萄糖需氧微生物胞內(nèi)酶厭氧微生物胞內(nèi)酶微生物淀粉酶CO2、H2O圖55 淀粉分解途徑表示圖纖維素葡萄糖需氧微生物胞內(nèi)酶厭氧微生物胞內(nèi)酶 H2O纖維素酶CO2、H2O圖54 纖維素分解途徑表示圖纖維二糖 H2O纖維素酶l烴類l

13、石油類l人工合成有機(jī)物l農(nóng)藥l合成洗滌劑l增塑劑l多氯聯(lián)苯危險(xiǎn)性化合物危險(xiǎn)性化合物l危險(xiǎn)性化合物Hazardous Chemicals的概念l微生物具有降解自然界產(chǎn)生的有機(jī)化合物的代謝機(jī)制，從而促使地球有機(jī)碳平衡，而在自然界具有新穎構(gòu)造的合成化合物異型生物質(zhì)，又稱非生物性物質(zhì)，xenobiotics往往對(duì)微生物的降解表現(xiàn)出抗逆性，其緣由能夠是這些化合物進(jìn)入自然界的時(shí)間比較短，微生物界還未進(jìn)化出降解此類難降解化合物的代謝機(jī)制。這些化合物大多數(shù)對(duì)環(huán)境具有毒害作用，故稱之危險(xiǎn)性化合物。l危險(xiǎn)性化合物來(lái)源l人工合成的農(nóng)藥、殺蟲劑、除草劑、防腐劑、溶劑、增塑劑等l危險(xiǎn)性化合物的降解特點(diǎn)和研討l雖然其在自

14、然界能夠會(huì)有部分緩慢降解，微生物有能夠經(jīng)過(guò)多種途徑來(lái)改動(dòng)本身的構(gòu)造信息以獲得對(duì)這類化合物的降解才干，但這需求一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)，依托微生物的自然進(jìn)化過(guò)程遠(yuǎn)不能滿足要求，而且長(zhǎng)此以往將會(huì)呵斥生態(tài)系統(tǒng)的失衡。因此，研討一些可以使微生物群體在較短時(shí)間內(nèi)獲得最大的降解該物質(zhì)才干的方法顯得愈加重要和迫切。l近年來(lái)科學(xué)任務(wù)者做了大量任務(wù)，包括：經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的馴化來(lái)得到具有一定降解才干的微生物群體；經(jīng)過(guò)基因工程手段來(lái)改造微生物使其具有特定的降解才干，如多質(zhì)粒超級(jí)菌的構(gòu)建。有機(jī)污染物的生物可降解性及其有機(jī)污染物的生物可降解性及其評(píng)價(jià)方法評(píng)價(jià)方法l什么是生物可降解性？l一切化合物根據(jù)微生物對(duì)它們的降解性可分成可

15、生物降解、難生物降解和不可生物降解。l評(píng)價(jià)生物可降解性的方法：l測(cè)定生物氧化率l測(cè)呼吸線l測(cè)定相對(duì)耗氧速度曲線l測(cè)BOD5與COD Cr之比l測(cè)COD30l培育法時(shí)間h耗氧量mg/g內(nèi)呼吸線生化呼吸線生化呼吸線時(shí)間h耗氧量mg/g內(nèi)呼吸線圖56 生化呼吸線與內(nèi)呼吸線比較時(shí)間h耗氧量mg/g內(nèi)呼吸線生化呼吸線tabc底物濃度D、有毒，不能被利用C、有毒，能被利用A、無(wú)毒，不能被利用B、無(wú)毒，能被利用相對(duì)耗氧速度以內(nèi)呼吸的表示100圖57 相對(duì)耗氧速率曲線二、廢水生物處置的原理二、廢水生物處置的原理l什么是水體自凈作用water selfcleansing，selfpurificationl水體自

16、凈作用指天然水體遭到污染后，在無(wú)人為處置條件下，借助水體本身的才干使之得到凈化的過(guò)程。l該過(guò)程中包括稀釋、沉降等物理作用，氧化、復(fù)原、分解、凝聚等化學(xué)作用，還有更重要的生物作用，即生物對(duì)無(wú)機(jī)物和有機(jī)物的同化和異化作用。l生物中最活潑的是細(xì)菌，捕食細(xì)菌的原生動(dòng)物和微型生物亦起很大作用。水體自凈作用水體自凈作用水體自凈過(guò)程的三個(gè)階段和三個(gè)變化水體自凈過(guò)程的三個(gè)階段和三個(gè)變化l三個(gè)階段l階段一：有機(jī)物進(jìn)入河流，有機(jī)物濃度，異養(yǎng)菌數(shù)量，DO ；l階段二：有機(jī)物濃度，異養(yǎng)菌數(shù)量 ，原生動(dòng)物數(shù)量 ，DO ；l階段三：有機(jī)物濃度，異養(yǎng)菌數(shù)量 ，原生動(dòng)物數(shù)量 ，藻類數(shù)量 ，DO ；l三個(gè)變化l變化一：有機(jī)污染

17、物濃度由高降至低；l變化二：生物相發(fā)生一系列變化：異養(yǎng)菌 原生動(dòng)物數(shù)量 藻類 ；l變化三：DO的變化： DO DO 恢復(fù)原有程度氧垂曲線氧垂曲線Oxygensag Curvel自凈過(guò)程中DO的變化l有機(jī)物濃度 ，耗氧速率復(fù)氧速率， DO l有機(jī)物濃度，耗氧速率復(fù)氧速率， DO DO minl有機(jī)物濃度 0，耗氧速率復(fù)氧速率， DO DO 飽和l氧垂曲線的概念l河流遭到污染后，河水中DO含量的變化情況用一條曲線來(lái)表示，曲線呈下垂?fàn)?，叫做氧垂曲線。見圖56l氧垂曲線從耗氧這個(gè)側(cè)面反映了河流的自凈過(guò)程。當(dāng)有機(jī)污染程度超越河流的自凈才干時(shí)，河流將出現(xiàn)無(wú)氧的河段，此段的有機(jī)物轉(zhuǎn)入無(wú)氧分解，出現(xiàn)黑臭景象，

18、此時(shí)，氧垂曲線出現(xiàn)中斷。故氧垂曲線可作為衡量水體自凈的目的。Lkm飽和DO線DOmg/L0DO min圖58 氧垂曲線表示圖二、廢水生物處置的作用機(jī)理二、廢水生物處置的作用機(jī)理l廢水生物處置實(shí)踐是水體的自凈原理在水污染治理中的運(yùn)用，即模擬天然水體自凈作用的生物過(guò)程。在特定構(gòu)筑物中人工發(fā)明適宜條件，充分發(fā)揚(yáng)微生物的作用以高速度、高效率凈化污水，經(jīng)過(guò)微生物代謝產(chǎn)生的酶來(lái)降解轉(zhuǎn)化有機(jī)物，將有機(jī)物最終轉(zhuǎn)化為無(wú)害的二氧化碳和水，從而使廢水得到凈化。污水處置中的生化過(guò)程污水處置中的生化過(guò)程O2、CO2、SO42、NO3等細(xì)胞構(gòu)成物C、H、O、N、維生素等能 源受氫體微生物微生物細(xì)胞合成生物污泥分解能量代謝產(chǎn)物熱能CO2、H2O、SO42、NO3、NH4、PO43、H2S、CH4、有機(jī)酸、醇等排水排出不可降解殘留物內(nèi)源呼吸圖59 污水處置中的生化過(guò)程活性污泥法和生物膜法活性污泥法和生物膜法l目前最常用的生物處置方法是活性污泥法和生物膜法。l活性污泥和生物膜的概念l活性污泥是由細(xì)菌、原生動(dòng)物等微生物與懸浮物質(zhì)、膠體物質(zhì)混雜在一同構(gòu)成的具有吸附分解有機(jī)物才干的絮狀體?；钚晕勰嗍蔷哂泻軓?qiáng)的吸附分解有機(jī)物才干的、充溢微生物的污泥；l生物膜是附著