第五章 環(huán)境污染生物凈化的原理

第二篇

環(huán)境污染的生物凈化第五章

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污染凈化原理第一節(jié)環(huán)境污染凈化概述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

一、環(huán)境污染物的類型和來源二、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、厭氧法等方法類別處理目的去除懸濁物去除溶解性無機物去處溶解性有機物消毒殺菌等物理法篩分重力沉降自然浮上過濾超過濾電滲析反滲透氣提氣提超過濾紫外線照射化學(xué)法和物理化學(xué)法凝聚沉淀凝聚浮上電解酸堿中和離子交換鰲合吸附氧化還原臭氧氧化氯氣氧化焚燒萃取活性碳吸附加氯加臭氧生物法活性污泥生物濾池接觸氧化生物轉(zhuǎn)盤厭氧消化生物硝化/脫氮活性污泥生物濾池接觸氧化生物轉(zhuǎn)盤厭氧消化去除物質(zhì)——不溶性的、呈懸浮狀態(tài)的污染物。主要工藝——篩濾截留、重力分離、離心分離等。處理設(shè)備——格柵和篩網(wǎng)、沉砂池和沉淀池、氣浮裝置、離心機、旋流分離器等?！鑫锢硖幚矸ㄈコ镔|(zhì)——呈溶解、膠體狀態(tài)的污染物。主要工藝——中和、混凝、化學(xué)沉淀、氧化還原、吸附、離子交換、膜分離等?！龌瘜W(xué)處理法微生物作用分為：好氧生物處理、厭氧生物處理多種處理方法、多個處理單元有機組合■生物處理法

需氧生物處理法：利用需氧微生物在有氧條件下將廢水中復(fù)雜的有機物分解的方法

厭氧生物處理法：在厭氧細(xì)菌或兼性細(xì)菌的作用下將污泥中的有機物分解，最后產(chǎn)生甲烷和二氧化碳等氣體?；钚晕勰喾ɑ钚晕勰啵簩⒖諝膺B續(xù)鼓入曝氣池的廢水中，經(jīng)過一段時間后，水中就形成大量好氣性微生物的絮凝體，這絮凝體就是“活性污泥”。主要設(shè)備是曝氣池和兩次沉淀池。

活性污泥法基本流程圖曝氣池二次沉淀池空氣進(jìn)水回流污泥剩余污泥出水活性污泥法

活

性

污

泥

法常規(guī)工藝流程——一級處理處理方法：物理法凈化效率：懸浮物60％~70%有機物20％~40%二級處理處理方法：生物法凈化效率：有機物70％~90%三級處理處理方法：化學(xué)法、物化法凈化效率：滿足排放及回用需要城市污水的典型流程圖污水排放格柵沉沙池初次沉淀池曝氣池二次沉淀池消毒沼氣池濃縮池曬泥場農(nóng)肥污水污泥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氣體生物凈化法分類生物過濾法生物洗滌法生物吸收法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三、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)生化需氧量BOD生化需氧量BOD（BiologicalOxygenDemand）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）中有機物所消耗的溶解氧量。BOD5：微生物5天好氧分解有機物所消耗的溶解氧量。有機物生化耗氧過程的兩個階段碳化階段：將有機物分解成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。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）所有的微生物繼續(xù)減少，有機物最終轉(zhuǎn)化為CO2和H2O。BOD1234567t/clTODUOD

BOD曲線化學(xué)需氧量COD（ChemicalOxygenDemand）概念COD是指在一定條件下，用強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：有機物、亞硝酸鹽、亞鐵鹽、硫化物等。水被有機物污染是很普遍的，故COD也作為有機物相對含量的指標(biāo)之一。在規(guī)定條件下，強氧化劑重鉻酸鉀K2Cr2O7可氧化大多數(shù)常見的有機污染物，故在實際使用中常把CODCr的測定值近似地代表廢水中的全部有機物。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物的數(shù)量，基本上反映出水體中生物氧化分解有機物所消耗的氧量，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污染物重量的98％，幾乎可以表示出有機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物的耗氧量CODB，另一部分為不能夠被微生物降解的有機物的耗氧量CODN

B。BODu

CODBBOD5=0.58CODB總需氧量TOD和總有機碳TOC總需氧量TOD（TotalOxygenDemand）有機物和少量無機物在鉑催化下，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?？傆袡C碳TOC（TotalOrganicCarbon）是以碳的含量表示水體中有機物質(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碳元素的含量。該法能將有機物全部氧化，比BOD5和COD更能直接表示有機物的總量，故常常被用來評價水體中有機物污染的程度。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)性固體含氮化合物含氮化合物的幾種化學(xué)形態(tài)有機氮：蛋白質(zhì)、氨基酸、尿素等無機氮：包括氨氮：NH3－N、NH4＋－N和硝態(tài)氮：NO2－－N、NO3－－N。常用水質(zhì)測定指標(biāo)總氮：包括有機氮和無機氮化合物的測定。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氮化合物。此類有機氮化合物主要指蛋白質(zhì)、氨基酸、核酸、尿素以及氮為負(fù)三價的有機氮化合物，由于一般水中存在的有機氮化合物多為這些，故，在測定凱氏氮和氨氮之后，兩者的差值即有機氮。氨氮,亞硝酸鹽氮,硝酸鹽氮第二節(jié)生物對污染凈化原理

一、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)化有機污染物的生物可降解性及其評價方法微生物對物質(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；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ABBACABC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：共代謝（Co－Metabolism）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微生物對污染物降解與轉(zhuǎn)化的途徑降解光降解化學(xué)降解生物降解氧化還原水解酯化乙?；疍DT—DDD+DDE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。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（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。按微生物生長速率，其生長可分為四個生長期停滯期（調(diào)整期）對數(shù)期（生長旺盛期）靜止期（平衡期）衰老期（衰亡期）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)氧底物濃度微生物分解有機物的作用微生物分解有機物的作用可總括成如下圖式：復(fù)雜有機物簡單有機物需氧微生物胞內(nèi)酶厭氧微生物胞內(nèi)酶微生物胞外酶CO2、H2OCO2、H2O、H2、CH4、H2S及有機酸、醇、酮、醛等未完全氧化產(chǎn)物微生物分解有機物的作用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：纖維素和淀粉蛋白質(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好氧細(xì)菌——粘細(xì)菌、鐮狀纖維菌和纖維弧菌厭氧細(xì)菌——產(chǎn)纖維二糖芽孢梭菌、無芽孢厭氧分解菌及嗜熱纖維芽孢梭菌。放線菌——鏈霉菌屬。真菌——青霉菌、曲霉、鐮刀霉、木霉及毛霉。需要時可以向有菌種庫的研究機構(gòu)購買或自行篩選。CO2、H2、有機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淀粉分解途徑示意圖半纖維素的轉(zhuǎn)化存在于植物細(xì)胞壁的雜多糖。造紙廢水和人造纖維廢水中含半纖維素。分解過程TCA循環(huán)聚糖酶CO2+H2O半纖維素單糖+糖醛酸H2O各種發(fā)酵產(chǎn)物厭氧分解分解纖維素的微生物大多數(shù)能分解半纖維素。許多芽孢桿菌、假單胞菌、節(jié)細(xì)菌及放線菌能分解半纖維素。霉菌有根霉、曲霉、小克銀漢霉、青霉及鐮刀霉。烴類石油類人工合成有機物農(nóng)藥合成洗滌劑增塑劑多氯聯(lián)苯降解石油的微生物很多，據(jù)報道有200多種細(xì)菌——假單胞菌、棒桿菌屬、微球菌屬、產(chǎn)堿桿菌屬放線菌——諾卡氏菌酵母菌——假絲酵母霉菌——青霉屬、曲霉屬藻類——藍(lán)藻和綠藻危險性化合物危險性化合物（HazardousChemicals）的概念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。危險性化合物來源人工合成的農(nóng)藥、殺蟲劑、除草劑、防腐劑、溶劑、增塑劑等有機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)