環(huán)境污染的生物凈化原理20102011

1、第二篇 環(huán)境污染的生物凈化1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：環(huán)境污染凈化概述生物對(duì)污染凈化原理2第一節(jié) 環(huán)境污染凈化概述一、環(huán)境污染物的類(lèi)型和來(lái)源（一）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（二）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（三）固體廢棄物 3二、環(huán)境污染治理方法概述（一）污水處理方法物理法：沉淀法、過(guò)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、氧化還原法、離子交換法生物法：好

2、氧法、厭氧法等 目標(biāo)：去除廢水中的有機(jī)物和懸浮物； 盡量去除N、P等營(yíng)養(yǎng)鹽類(lèi)； 盡可能減少產(chǎn)生的污泥量； 盡可能將有用的物質(zhì)作為資源加以回收。4（二）大氣污染物凈化方法1、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(guò)濾式除塵2、氣體狀態(tài)污染物的吸附與凈化氣體吸收法：液體吸收劑氣體吸附法：多孔性固體3、大氣污染物的生物凈化方法生物吸收法：微生物吸收液生物洗滌法：活性污泥配置混合液生物過(guò)濾法：含有微生物的固體顆粒5（三）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6三、環(huán)境污染的污染與凈化指標(biāo)BOD5CODTODT

3、OC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)71、生化需氧量BOD生化需氧量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。BOD5：微生物5天好氧分解有機(jī)物所消耗的溶解氧量。有機(jī)物生化耗氧過(guò)程的兩個(gè)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(chēng)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(chēng)為硝化需氧量。8BOD曲線(xiàn)BOD曲線(xiàn)的七個(gè)階段：（1）微生物增殖的遲緩期（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

4、峰（5）耗氧再次平緩階段（6）硝化細(xì)菌耗氧峰（7）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(xiàn)9從(1)(7)的整個(gè)過(guò)程約為20天 BOD20BODuBODuTODBOD52/3BODu102、化學(xué)需氧量COD概念COD是指在一定條件下，用強(qiáng)氧化劑處理水樣時(shí)所消耗氧化劑的量，以氧的毫克/升來(lái)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(duì)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(jiàn)的有機(jī)污染物，故

5、在實(shí)際使用中常把COD Cr 的測(cè)定值近似地代表廢水中的全部有機(jī)物。11BOD 和COD的比較廢水處理中多以BOD 和COD兩個(gè)指標(biāo)來(lái)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(shí)際，但檢出時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，不能迅速及時(shí)指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)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(wú)法測(cè)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(cè)定不受水質(zhì)限制，并可在數(shù)小時(shí)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。12BOD 和COD的關(guān)系：可以認(rèn)為C

6、OD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 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 BBOD u = 0.87COD BBOD 5 = 2/3COD uBOD 5 = 0.58 COD B同一廢水的COD與BOD值之間常有一定的比例關(guān)系P206133、總需氧量TOD （Total Oxygen Demand）指：有機(jī)物和少量無(wú)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。以TOD值表示的總耗氧量不能反映出生物可降解的那部分有機(jī)物量,需要統(tǒng)計(jì)出其與BOD值之間的關(guān)系.4、總有機(jī)碳TOC（Total Organi

7、c 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(cè)定采用燃燒法：在950 和鉑催化下，測(cè)定二氧化碳的含量，并扣除150 燃燒測(cè)得的碳酸鹽等無(wú)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)物的總量，故常常被用來(lái)評(píng)價(jià)水體中有機(jī)物污染的程度。145、固體物質(zhì)P207總固體（TS）懸浮固體（SS）溶解性固體（DS）揮發(fā)性固體（VS）非揮發(fā)性固體（FS）156、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、尿素等氨氮：NH3N、NH4NNO2N、 NO3N。常用水質(zhì)測(cè)定指標(biāo)總氮中有機(jī)氮和氨氮量的減少,硝態(tài)氮所占比例的增加,以及總氮的去除率都是

8、重要的凈化度指標(biāo).167、pH值：處理后排放廢水的pH要求在69之間；8、生物污染指標(biāo)（1）細(xì)菌總數(shù)（2）大腸菌群數(shù)17第二節(jié) 生物對(duì)污染凈化原理一、微生物對(duì)污染物降解與轉(zhuǎn)化(一)微生物對(duì)物質(zhì)降解與轉(zhuǎn)化的特點(diǎn)(二微生物對(duì)污染物降解與轉(zhuǎn)化的途徑(三)影響微生物對(duì)物質(zhì)降解轉(zhuǎn)化作用的因素(四)微生物對(duì)常見(jiàn)污染物的降解與轉(zhuǎn)化(五)有機(jī)污染物的生物可降解性及其評(píng)價(jià)方法18(一)微生物對(duì)物質(zhì)降解與轉(zhuǎn)化的特點(diǎn):微生物個(gè)體微小，比表面積大，代謝速率大；種類(lèi)繁多，分布廣泛，代謝類(lèi)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

9、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?lái)培育優(yōu)良菌種，或用作基因工程中基因轉(zhuǎn)移的載體。例如：多功能超級(jí)細(xì)菌的構(gòu)建19ABBACABC圖52 多質(zhì)粒超級(jí)菌的構(gòu)建示意簡(jiǎn)圖質(zhì)粒細(xì)胞的染色體注：20共代謝（CoMetabolism）微生物在利用生長(zhǎng)基質(zhì)A時(shí)（從中獲得能量、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(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，故污染物在有合適的底物和環(huán)境條件下可通過(guò)

10、共代謝作用而降解。ABCDE1E2E2E121(二)微生物對(duì)污染物降解與轉(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)化為小分子，實(shí)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(chēng)為微生物降解。微生物代謝活動(dòng)中的化學(xué)作用（實(shí)質(zhì)是酶反應(yīng)）P212氧化作用還原作用脫羧作用水解作用脫氨基作用等22(三)影響微生物對(duì)物質(zhì)降解轉(zhuǎn)化作用的因素（1）微生物的代謝活性A、生物的種類(lèi)：不同種類(lèi)微生物對(duì)同一底物的反應(yīng)不同；微生物的種類(lèi)組成決定化合物降解的方向和速度，同時(shí)微生物的種類(lèi)組成又與

11、環(huán)境中的化學(xué)物質(zhì)有關(guān)。微生物的種類(lèi)組成與底物有關(guān)，還與溫度、濕度、酸堿度、氧氣和營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)等有關(guān)；B、生物的生長(zhǎng)狀況：微生物在不同的生長(zhǎng)時(shí)期的活性是不相同的，在對(duì)數(shù)期代謝最旺盛，活性最強(qiáng)。P213圖23（2）微生物的適應(yīng)性微生物具有較強(qiáng)的適應(yīng)和被馴化的能力。通過(guò)適應(yīng)過(guò)程：能誘導(dǎo)必需的降解酶的合成微生物自發(fā)突變而建立新的酶系雖然不改變基因型，但顯著改變其表現(xiàn)型，進(jìn)行自我代謝調(diào)節(jié)，來(lái)降解污染物馴化（Domestication）：是一種定向選育微生物的方法與過(guò)程，通過(guò)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。24（2）微生物的適應(yīng)性 馴化方法：常以目標(biāo)化合物為唯一的或

12、主要的碳源培養(yǎng)微生物，在逐步提高該化合物濃度的條件下，經(jīng)多代傳種而獲得高效降解菌。 以不同目標(biāo)化合物為生長(zhǎng)基質(zhì)的各個(gè)菌株，在長(zhǎng)期共同培養(yǎng)過(guò)程中，遺傳信息發(fā)生交換，同時(shí)發(fā)生一個(gè)或多個(gè)突變事件，從而逐步產(chǎn)生新的代謝活性，最終可獲得兼具各原有菌株降解轉(zhuǎn)化能力的新菌株。25（三）影響微生物對(duì)物質(zhì)降解轉(zhuǎn)化作用的因素（3）化合物的結(jié)構(gòu)烴類(lèi)：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(shí)，對(duì)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(shí)，會(huì)生成生物氧化的阻抗物。官能團(tuán)的性質(zhì)和數(shù)量P215分子量大小P215(4) 環(huán)境因素溫度酸堿度營(yíng)

13、養(yǎng)氧底物濃度26（四）微生物對(duì)常見(jiàn)污染物的降解與轉(zhuǎn)化微生物分解有機(jī)物的作用可總括成如下圖式：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)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 微生物分解有機(jī)物的作用示意圖27微生物對(duì)常見(jiàn)污染物的降解與轉(zhuǎn)化生物大分子的降解糖類(lèi)：以纖維素和淀粉的分解為例脂肪蛋白質(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28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： 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

14、 H2O纖維素酶CO2、H2O圖： 纖維素分解途徑示意圖纖維二糖 H2O纖維素酶29烴類(lèi)石油類(lèi)人工合成有機(jī)物農(nóng)藥合成洗滌劑增塑劑多氯聯(lián)苯30海洋石油污染的生物修復(fù)31天然滲漏沉積巖的侵蝕輸入微生物的合成天然來(lái)源陸地石油生產(chǎn)操作排污事故跑油船舶作業(yè)排污修船作業(yè)排污碼頭作業(yè)排污底艙污水排放海運(yùn)事故溢油海洋運(yùn)輸大氣降落機(jī)艙污水燃料油艙壓艙水燃料油污泥城市污水排放工業(yè)污水排放石油工業(yè)污水其它工業(yè)污水城市地表徑流攜帶河流輸送大洋傾廢等人為來(lái)源海洋石油來(lái)源321、石油污染的生物修復(fù)石油污染水體的生物修復(fù)主要是利用微生物催化降解有機(jī)污染物，從而修復(fù)被污染環(huán)境或消除環(huán)境中污染物一個(gè)受控或自發(fā)進(jìn)行的過(guò)程。 通過(guò)

15、接種特定的石油降解菌、添加營(yíng)養(yǎng)物或表面活性劑、提供電子受體和共代謝底物及優(yōu)化處理?xiàng)l件等 。33 2、Exxon公司Valdez油輪溢油事件 1989年，3月24日美國(guó)發(fā)生了他們歷史上最大的油輪溢油事件Exxon Valdez，1000萬(wàn)加侖的原油流向Alaskas Prince William Sound 。 342.1事故背景及污染概況時(shí)間： 1989年3月24日地點(diǎn)：Prince William Sound, Alaska泄油量：約一千一百萬(wàn)加侖原油(42000m3)污染范圍：約5000英里范圍的海岸線(xiàn)受到油污影響，大約1300英里的海灘被油污覆蓋。其中200英里海岸線(xiàn)受到的是重度或中度污

16、染，剩下的1100英里為輕度油污染。35Exxon Valdez觸礁3637Oil swirls through Snug Harbor at Knight Island. April 4, 1989 Oil is going everywhere38ERA helicopter pilot John Kennebec looks over an oil-soaked beach on the north shore of Eleanor Island in Prince William Sound. March 28, 1989 Oil is going everywhere39 Oil s

17、teaks across Herring Bay with the peaks of Knight Island in the background. The slow migration of the crude oil from the Exxon Valdez spill continues to spread across Prince William Sound. April 6, 1989 Oil is going everywhere40 A hand drips with oil that has washed on to Smith Island. Oil is going

18、everywhere4142應(yīng)急措施 水體:嘗試采用了三種比較成熟的方法清除這次溢油事件：機(jī)械清除，化學(xué)分散劑，燃燒。 海灘:對(duì)油污覆蓋的海灘采用高壓冷水沖洗，熱水沖洗方法,以及擦除。 2.2 處理措施43A pressurized hot water hose attached to a barge mounted crane is used to clean oil spilled by the Exxon Valdez from the rocky beach of Perry Island in Prince William Sound. June 10, 198944Edward J

19、ones of Valdez wipes oil off of shoreline rocks at Cabin Bay on Naked Island. April 13, 19894546投加化學(xué)分散劑首先化學(xué)分散劑并未消除油污而只是加速了油污的擴(kuò)散，一定程度上它減輕了事故發(fā)生地點(diǎn)的油污濃度其次，分散到更廣水體的油污，很可能殺死對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)食物鏈至關(guān)重要的微生物群落，從而更加嚴(yán)重的危害到區(qū)域的海洋生態(tài)系統(tǒng)。而且分散劑本身可能對(duì)海洋生物有毒害作用，使得水體更富毒性。47對(duì)海灘的生物修復(fù) 第一步：確認(rèn)具有可降解石油的微生物在阿拉斯加水域豐富可得 N、P營(yíng)養(yǎng)元素成為控制油污微生物降解速率的限制

20、因子 第二步：通過(guò)實(shí)驗(yàn)選取添加肥料類(lèi)型第三步：現(xiàn)場(chǎng)施用 使用了兩種肥料清除油污，Inipol EAP 222清除沙灘表面鵝卵石上粘附的油污，采用膠囊狀的緩釋肥料Customblen清出灘體下部的石油。 482.3 修復(fù)效果及恢復(fù)時(shí)間 1990 冬季，在重污染程度海灘表面，石油濃度降至初始濃度的20；而中等污染及掩蔽型海岸線(xiàn)的石油濃度分別降至初始值的40及50 。 1992 年美聯(lián)邦調(diào)查組確認(rèn)油污已基本清除, 殘留的油污可以靠微生物自行消解。而其自然狀態(tài)下要花上1020年的時(shí)間才能降解到這個(gè)水平。49大氣光分解20，自然分散到水體1，生物降解或水中光解掉50。清潔人員清除掉約14，將近13沉到海

21、底，仍然油2（216000加侖）留在海灘上 50人工合成有機(jī)物農(nóng)藥合成洗滌劑增塑劑多氯聯(lián)苯51農(nóng)藥的微生物降解與轉(zhuǎn)化農(nóng)藥的類(lèi)型有機(jī)氯農(nóng)藥污染的特性:? (殘留期長(zhǎng)、易遷移、脂溶性高、生物放大)有機(jī)磷及有機(jī)氮農(nóng)藥分解的中間產(chǎn)物52合成洗滌劑的降解與轉(zhuǎn)化合成洗滌劑的基本成分是表面活性劑合成洗滌劑的結(jié)構(gòu)影響其生物降解性： 支鏈型、含有4級(jí)碳原子 直鏈型、不含有4級(jí)碳原子53增塑劑的降解增塑劑的生物降解塑料聚合物先經(jīng)不同程度的光降解作用，可促進(jìn)生物降解?？缮锝到獾臒o(wú)污染塑料。P22954多氯聯(lián)苯的降解大量試驗(yàn)表明微生物能降解PCBs。共代謝作用、降解性質(zhì)粒以及微生物之間的互生關(guān)系也能使PCBs降解、

22、礦化。55（五）有機(jī)污染物的生物可降解性及其評(píng)價(jià)方法什么是生物可降解性？通過(guò)微生物的生命活動(dòng)改變污染物理化性能所能達(dá)到的程度.所有化合物根據(jù)微生物對(duì)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(píng)價(jià)生物可降解性的方法：測(cè)定生物氧化率測(cè)呼吸線(xiàn)測(cè)定相對(duì)耗氧速度曲線(xiàn)測(cè)BOD5與COD Cr之比測(cè)COD30培養(yǎng)法56時(shí)間（h）耗氧量（mg/g）內(nèi)呼吸線(xiàn)生化呼吸線(xiàn)生化呼吸線(xiàn)時(shí)間（h）耗氧量（mg/g）內(nèi)呼吸線(xiàn)圖56 生化呼吸線(xiàn)與內(nèi)呼吸線(xiàn)比較時(shí)間（h）耗氧量（mg/g）內(nèi)呼吸線(xiàn)生化呼吸線(xiàn)tabc57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（

23、以?xún)?nèi)呼吸的表示）100圖57 相對(duì)耗氧速率曲線(xiàn)58二、廢水生物處理的原理（一）水體自?xún)糇饔檬裁词撬w自?xún)糇饔茫╳ater selfcleansing，selfpurification）水體自?xún)糇饔弥柑烊凰w受到污染后，在無(wú)人為處理?xiàng)l件下，借助水體自身的能力使之得到凈化的過(guò)程。該過(guò)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(duì)無(wú)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(dòng)物和微型生物亦起很大作用。59水體自?xún)暨^(guò)程的三個(gè)階段和三個(gè)變化三個(gè)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

24、 ，原生動(dòng)物數(shù)量 ，DO ；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(lèi)數(shù)量 ，DO ；三個(gè)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(dòng)物數(shù)量 藻類(lèi) ；變化三：DO的變化： DO DO 恢復(fù)原有水平60氧垂曲線(xiàn)（Oxygensag Curve）自?xún)暨^(guò)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(xiàn)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(xiàn)來(lái)表示，曲線(xiàn)呈下垂?fàn)?，叫做氧垂曲線(xiàn)。氧垂曲線(xiàn)從耗氧這個(gè)側(cè)面反映了河流的自?xún)暨^(guò)程。當(dāng)有機(jī)污染程度超過(guò)河流的自?xún)裟芰r(shí)，河流將出現(xiàn)無(wú)氧的河