第五章環(huán)境污染的生物凈化

1、中英文日報導(dǎo)航 第五章 環(huán)境污染生物凈化的原理本章將討論以下內(nèi)容：v環(huán)境污染凈化概述v生物對污染凈化原理中英文日報導(dǎo)航 5.1 環(huán)境污染凈化概述5.1.1 環(huán)境污染物的類型和來源地表水體污染物 生活污水 工業(yè)廢水 農(nóng)業(yè)廢水和灌溉水大氣污染物 氣溶膠狀態(tài)污染物 粉塵、煙、飛灰、霧 飄塵、降塵、總懸浮顆粒 氣體狀態(tài)污染物 含硫化合物、含氮化合物、碳?xì)浠衔铩⑻佳趸衔?、鹵素化合物 一次污染物和二次污染物固體廢棄物 中英文日報導(dǎo)航 5.1.2 環(huán)境污染治理方法概述污水處理方法 物理法：沉淀法、過濾法、離心分離法、浮選法、吸附法、萃取法、吹脫法、蒸發(fā)結(jié)晶法、反滲透法 化學(xué)法：化學(xué)凝聚法、中和法、氧化還

2、原法、離子交換法 物化法：電解法、電滲析法 生物法：好氧法、厭氧法等中英文日報導(dǎo)航 大氣污染物凈化方法氣溶膠狀態(tài)污染物的控制方法 重力沉降 旋風(fēng)除塵 靜電除塵 過濾式除塵氣體狀態(tài)污染物的吸附與凈化 氣體吸收法 氣體吸附法大氣污染物的生物凈化方法 生物吸收法 生物洗滌法 生物過濾法中英文日報導(dǎo)航 固體廢棄物的處理方法工業(yè)廢棄物 物理與化學(xué)法：覆蓋法、化學(xué)反應(yīng)劑法 生物法：栽種永久性植物城市垃圾 填埋法 堆肥法 制取沼氣 焚燒法中英文日報導(dǎo)航 5.1.3 環(huán)境污染的污染與凈化指標(biāo)BOD5CODTODTOC固體物質(zhì)含氮化合物pH值生物污染指標(biāo) 細(xì)菌總數(shù) 大腸菌群總數(shù)中英文日報導(dǎo)航 生化需氧量BOD生

3、化需氧量BOD（Biological Oxygen Demand） 概念：在20條件下，微生物好氧分解水樣（廢水或受污染的天然水）中有機(jī)物所消耗的溶解氧量溶解氧量。 BOD5：微生物5天天好氧分解有機(jī)物所消耗的溶解氧溶解氧量量。有機(jī)物生化耗氧過程的兩個階段 碳化階段：將有機(jī)物分解成CO2、H2O、NH3，碳化作用消耗的氧量稱為碳化需氧量。 硝化階段： NH3被轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽和硝酸鹽，硝化作用消耗的氧量稱為硝化需氧量。中英文日報導(dǎo)航 BOD曲線BOD曲線的七個階段：（1）微生物增殖的遲緩期（2）細(xì)菌的對數(shù)生長期（3）耗氧平緩階段 （4）原生動物耗氧峰（5）耗氧再次平緩階段（6）硝化細(xì)菌耗氧峰（7

4、）所有的微生物繼續(xù)減少，有機(jī)物最終轉(zhuǎn)化為CO2和H2O。BOD1234567t/clTODUOD圖51 BOD曲線中英文日報導(dǎo)航 化學(xué)需氧量COD（Chemical Oxygen Demand）概念 COD是指在一定條件下，用強(qiáng)氧化劑處理水樣時所消耗氧化劑的量，以氧的毫克/升來表示。 它反映了水中受還原性物質(zhì)污染的程度，水中還原性物質(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)物相對含量的指標(biāo)之一。 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，故在實際使用中常把COD Cr 的測定值近似地代表廢水中的全部有機(jī)物。中英文日報

5、導(dǎo)航 BOD 和COD的比較廢水處理中多以BOD 和COD兩個指標(biāo)來度量水樣的有機(jī)污染物濃度和被凈化程度。BOD： 反映的是微生物能夠降解的那部分有機(jī)物的數(shù)量，基本上反映出水體中生物氧化分解有機(jī)物所消耗的氧量，比較符合實際，但檢出時間過長，不能迅速及時指導(dǎo)生產(chǎn)實踐，而且毒性大的廢水可抑制微生物的作用而影響結(jié)果，甚至無法測定。 COD： 一般表示廢水中有機(jī)污染物重量的98，幾乎可以表示出有機(jī)物全部氧化所需氧量，測定不受水質(zhì)限制，并可在數(shù)小時內(nèi)完成；但是它不能反映微生物能夠降解的那部分有機(jī)物的數(shù)量。BOD 和COD的關(guān)系： 可以認(rèn)為COD包括兩部分：一部分為能夠被微生物降解的有機(jī)物的耗氧量COD

6、B，另一部分為不能夠被微生物降解的有機(jī)物的耗氧量CODN B。 BOD u COD B BOD 5 = 0.58 COD B中英文日報導(dǎo)航 總需氧量TOD和總有機(jī)碳TOC總需氧量TOD （Total Oxygen Demand）指：有機(jī)物和少量無機(jī)物在鉑催化下，在燃燒爐900高溫燃燒成穩(wěn)定的最終產(chǎn)物所消耗的氧的量。總有機(jī)碳TOC（Total Organic Carbon） 是以碳的含量表示水體中有機(jī)物質(zhì)總量的綜合指標(biāo)。 它的測定采用燃燒法：在950 和鉑催化下，測定二氧化碳的含量，并扣除150 燃燒測得的碳酸鹽等無機(jī)碳元素的含量。 該法能將有機(jī)物全部氧化，比BOD 5和COD更能直接表示有機(jī)物

7、的總量，故常常被用來評價水體中有機(jī)物污染的程度。中英文日報導(dǎo)航 固體物質(zhì)總固體懸浮固體溶解性固體揮發(fā)性固體非揮發(fā)性固體中英文日報導(dǎo)航 含氮化合物含氮化合物的幾種化學(xué)形態(tài) 有機(jī)氮：蛋白質(zhì)、氨基酸、尿素等 無機(jī)氮：包括氨氮：NH3N、NH4N和硝態(tài)氮：NO2N、 NO3N。常用水質(zhì)測定指標(biāo) 總氮：包括有機(jī)氮和無機(jī)氮化合物的測定。 凱氏氮：指以凱氏法測得的氮量，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)三價的有機(jī)氮化合物，由于一般水中存在的有機(jī)氮化合物多為這些，故，在測定凱氏氮和氨氮之后，兩者的差值即有機(jī)氮。 氨氮 亞硝酸鹽

8、氮 硝酸鹽氮中英文日報導(dǎo)航 5.2 生物對污染凈化原理5.2.1微生物對污染物降解與轉(zhuǎn)化微生物對物質(zhì)降解與轉(zhuǎn)化的特點微生物對污染物降解與轉(zhuǎn)化的途徑影響微生物對物質(zhì)降解轉(zhuǎn)化作用的因素微生物對常見污染物的降解與轉(zhuǎn)化有機(jī)污染物的生物可降解性及其評價方法中英文日報導(dǎo)航 微生物對物質(zhì)降解與轉(zhuǎn)化的特點:微生物個體微小，比表面積大，代謝速率大；種類繁多，分布廣泛，代謝類型多樣；微生物具有多種降解酶；微生物繁殖快，易變異，適應(yīng)性強(qiáng)；微生物具有巨大的降解能力； 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。 質(zhì)?？捎脕砼嘤齼?yōu)良菌種，或用

9、作基因工程中基因轉(zhuǎn)移的載體。 例如：多功能超級細(xì)菌的構(gòu)建中英文日報導(dǎo)航 ABBACABC圖52 多質(zhì)粒超級菌的構(gòu)建示意簡圖質(zhì)粒細(xì)胞的染色體注：中英文日報導(dǎo)航 共代謝（CoMetabolism） 微生物在利用生長基質(zhì)A時（從中獲得能量、碳源或其他任何營養(yǎng)），同時非生長基質(zhì)B（不能從中獲得能量或營養(yǎng)）也伴隨著發(fā)生氧化或其它反應(yīng)。 在純培養(yǎng)下，共代謝只是一種截止式轉(zhuǎn)化，但在混合培養(yǎng)和自然環(huán)境條件下，轉(zhuǎn)化可為其它微生物進(jìn)行的共代謝或其他生物對某種物質(zhì)的降解鋪平道路，使其代謝產(chǎn)物可繼續(xù)降解，故污染物在有合適的底物和環(huán)境條件下可通過共代謝作用而降解。ABCDE1E2E2E1中英文日報導(dǎo)航 微生物對污染物降

10、解與轉(zhuǎn)化的途徑自然界中化學(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)行。 光降解 化學(xué)降解 生物降解（Biodegradation）：指由于生物的作用，把污染物大分子轉(zhuǎn)會為小分子，實現(xiàn)污染物的分解或降解。其中微生物所起的降解作用最大，故也稱為微生物降解。微生物代謝活動中的化學(xué)作用（實質(zhì)是酶反應(yīng)） 氧化作用 還原作用 脫羧作用 水解作用 脫氨基作用等中英文日報導(dǎo)航 影響微生物對物質(zhì)降解轉(zhuǎn)化作用的因素（1）微生物的代謝活性 不同種類微生物對同一底物的反應(yīng)不同； 微生物在不同的生長時期的活性是不相同的，在對數(shù)期代謝最旺盛，活性最強(qiáng)。 微生物的種類組成決定化合物降解的方向和速度，同時微生物的種類組

11、成又與環(huán)境中的化學(xué)物質(zhì)有關(guān)。微生物的適應(yīng)性 馴化（馴化（Domestication）：是一種定向選育微生物的方法與過程，通過人工措施使微生物逐步適應(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。中英文日報導(dǎo)航 影響微生物對物質(zhì)降解轉(zhuǎn)化作用的因素（2）化合物的結(jié)構(gòu) 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 當(dāng)主鏈上的C被S、N、O取代時，對生物氧化的阻抗上升 當(dāng)C原子上的H被烷基或芳基取代時，會生成生物氧化的阻抗物。 官能團(tuán)的性質(zhì)和數(shù)量 分子量大小環(huán)境因素 溫度 酸堿度 營養(yǎng) 氧 底物濃度中英文日報導(dǎo)航 微生物分解有機(jī)物的作用微生物分解

12、有機(jī)物的作用可總括成如下圖式：復(fù)雜有機(jī)物簡單有機(jī)物需氧微生物胞內(nèi)酶厭氧微生物胞內(nèi)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)物的作用示意圖中英文日報導(dǎo)航 微生物對常見污染物的降解與轉(zhuǎn)化生物大分子的降解 糖類：以纖維素和淀粉的分解為例，見圖54，55 脂肪 蛋白質(zhì)脂肪H2O脂肪酶甘油高級脂肪酸蛋白質(zhì)肽氨基酸蛋白酶肽酶中英文日報導(dǎo)航 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 淀粉分解途徑示意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

13、維素酶CO2、H2O圖54 纖維素分解途徑示意圖纖維二糖 H2O纖維素酶中英文日報導(dǎo)航 烴類石油類人工合成有機(jī)物 農(nóng)藥 合成洗滌劑 增塑劑 多氯聯(lián)苯中英文日報導(dǎo)航 危險性化合物危險性化合物（Hazardous Chemicals）的概念 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結(jié)構(gòu)的合成化合物（異型生物質(zhì)，又稱非生物性物質(zhì)，xenobiotics）往往對微生物的降解表現(xiàn)出抗逆性，其原因可能是這些化合物進(jìn)入自然界的時間比較短，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)對環(huán)境具有毒害作用，故稱之危險性化合物。危險性化合物來源

14、 人工合成的農(nóng)藥、殺蟲劑、除草劑、防腐劑、溶劑、增塑劑等中英文日報導(dǎo)航 危險性化合物的降解特點和研究 盡管其在自然界可能會有部分緩慢降解，微生物有可能通過多種途徑來改變自身的結(jié)構(gòu)信息以獲得對這類化合物的降解能力，但這需要一個漫長的過程來實現(xiàn)，依靠微生物的自然進(jìn)化過程遠(yuǎn)不能滿足要求，而且長此以往將會造成生態(tài)系統(tǒng)的失衡。因此，研究一些可以使微生物群體在較短時間內(nèi)獲得最大的降解該物質(zhì)能力的方法顯得愈加重要和迫切。 近年來科學(xué)工作者做了大量工作，包括：通過長時間的馴化來得到具有一定降解能力的微生物群體；通過基因工程手段來改造微生物使其具有特定的降解能力； 此外在對危險性化合物的降解研究中發(fā)現(xiàn)，混合培養(yǎng)

15、比純培養(yǎng)具有潛在的優(yōu)勢，徹底礦化往往需要一個或一個以上的營養(yǎng)菌群（如發(fā)酵水解菌群、產(chǎn)硫菌群、產(chǎn)乙酸菌群、產(chǎn)甲烷菌群等）通過多步反應(yīng)將有毒化合物轉(zhuǎn)化為礦化最終產(chǎn)物。 研究人員依據(jù)不同的代謝作用至少可以將微生物群落中的微生物分為7種類型：提供特殊營養(yǎng)物；去除生長抑制產(chǎn)物；改善單個微生物的基本生長參數(shù)；對底物協(xié)調(diào)攻擊；共代謝；氫（電子）轉(zhuǎn)移；提供一種以上初級底物利用者。中英文日報導(dǎo)航 有機(jī)污染物的生物可降解性及其評價方法什么是生物可降解性？所有化合物根據(jù)微生物對它們的降解性可分成可生物降解、難生物降解和不可生物降解。評價生物可降解性的方法： 測定生物氧化率 測呼吸線 測定相對耗氧速度曲線 測BOD5

16、與COD Cr之比 測COD30 培養(yǎng)法中英文日報導(dǎo)航 時間（h）耗氧量（mg/g）內(nèi)呼吸線生化呼吸線生化呼吸線時間（h）耗氧量（mg/g）內(nèi)呼吸線圖56 生化呼吸線與內(nèi)呼吸線比較時間（h）耗氧量（mg/g）內(nèi)呼吸線生化呼吸線tabc中英文日報導(dǎo)航 底物濃度D、有毒，不能被利用C、有毒，能被利用A、無毒，不能被利用B、無毒，能被利用相對耗氧速度（以內(nèi)呼吸的表示）100圖57 相對耗氧速率曲線中英文日報導(dǎo)航 5.2 廢水生物處理的原理5.2.1 水體自凈作用什么是水體自凈作用（water selfcleansing，selfpurification） 水體自凈作用指天然水體受到污染后，在無人為處

17、理條件下，借助水體自身的能力使之得到凈化的過程。 該過程中包括稀釋、沉降等物理作用，氧化、還原、分解、凝聚等化學(xué)作用，還有更重要的生物作用，即生物對無機(jī)物和有機(jī)物的同化和異化作用。 生物中最活躍的是細(xì)菌，捕食細(xì)菌的原生動物和微型生物亦起很大作用。中英文日報導(dǎo)航 水體自凈過程的三個階段和三個變化三個階段 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 ； 階段二：有機(jī)物濃度，異養(yǎng)菌數(shù)量 ，原生動物數(shù)量 ，DO ； 階段三：有機(jī)物濃度，異養(yǎng)菌數(shù)量 ，原生動物數(shù)量 ，藻類數(shù)量 ，DO ；三個變化 變化一：有機(jī)污染物濃度由高降至低； 變化二：生物相發(fā)生一系列變化：異養(yǎng)菌 原生動物數(shù)量 藻類 ；

18、變化三：DO的變化： DO DO 恢復(fù)原有水平中英文日報導(dǎo)航 氧垂曲線（Oxygensag Curve）自凈過程中DO的變化 有機(jī)物濃度 ，耗氧速率復(fù)氧速率， DO 有機(jī)物濃度，耗氧速率復(fù)氧速率， DO DO min 有機(jī)物濃度 0，耗氧速率復(fù)氧速率， DO DO 飽和氧垂曲線的概念 河流受到污染后，河水中DO含量的變化情況用一條曲線來表示，曲線呈下垂?fàn)?，叫做氧垂曲線。（見圖56） 氧垂曲線從耗氧這個側(cè)面反映了河流的自凈過程。當(dāng)有機(jī)污染程度超過河流的自凈能力時，河流將出現(xiàn)無氧的河段，此段的有機(jī)物轉(zhuǎn)入無氧分解，出現(xiàn)黑臭現(xiàn)象，此時，氧垂曲線出現(xiàn)中斷。故氧垂曲線可作為衡量水體自凈的指標(biāo)。中英文日報導(dǎo)航 L（km）飽和DO線DO（mg/L）0DO min圖58 氧垂曲線示意圖中英文日報導(dǎo)航 5.2.2 廢水生物處理的作用機(jī)理廢水生物處理實際是水體的自凈原理在水污染治理中的應(yīng)用，即模擬天然水體自凈作用的生物過程。在特定構(gòu)筑物中人工創(chuàng)造適宜條件，充分發(fā)揮微生物的作用以高速度、高效率凈化污水，通過微生物代謝產(chǎn)生的酶來降解轉(zhuǎn)化有機(jī)物，將有機(jī)物最終轉(zhuǎn)化為無害的二氧化碳和水，從而