專題之六難降解有機(jī)物微生物處理方法

難降解有機(jī)物微生物處置法

2021.4.26有機(jī)污染化學(xué)專題之六內(nèi)容有機(jī)污染情況簡(jiǎn)介難降解有機(jī)物的微生物處置技術(shù)難降解有機(jī)物定義：指被微生物分解時(shí)速度很慢，分解不徹底的有機(jī)物(也包括某些有機(jī)物的代謝產(chǎn)物)，這類污染物易在生物體內(nèi)富集，也容易成為水體的潛在污染源來源：主要來自各種各樣工農(nóng)業(yè)消費(fèi)過程，按其化學(xué)組成可分以下幾類：多環(huán)芳烴類(PAHs)化合物、雜環(huán)類化合物、氯代芳香族化合物、有機(jī)氰化物、有機(jī)合成高分子化合物難降解性有機(jī)物的根本特性長(zhǎng)期殘留性生物蓄積性半揮發(fā)性高毒性一、長(zhǎng)期殘留性一旦排放到環(huán)境中，它們難于被分解，因此可以在水體、土壤和底泥等環(huán)境介質(zhì)中存留數(shù)年或更長(zhǎng)的時(shí)間。根據(jù)半衰期,水體＞180天，土壤＞360天。二、生物蓄積性指有機(jī)化學(xué)品以比在周圍環(huán)境中高的濃度蓄積在活組織中的特性，以標(biāo)靶組織中的濃度與環(huán)境中的濃度之比表示;根據(jù)生物富集系數(shù)＞5000三、半揮發(fā)性指化學(xué)品在空氣中揮發(fā)的才干,可以在大氣環(huán)境中遠(yuǎn)間隔遷移根據(jù)蒸氣壓,0.01～1kPa四、高毒性指化學(xué)品對(duì)人體或環(huán)境呵斥危害的特性它們對(duì)人和動(dòng)物普通具有毒性作用，有的可以導(dǎo)致生物體內(nèi)分泌紊亂、生殖及免疫機(jī)能失調(diào)，有的甚至引起癌癥等嚴(yán)重疾病有機(jī)物難降解的緣由對(duì)微生物有毒害作用功能化學(xué)構(gòu)造穩(wěn)定物理化學(xué)生物難降解有機(jī)物的降解方法生物修復(fù)(Bioremediation)是一門新興、高效、無害且投資低的技術(shù)。利用生物(微生物、植物或動(dòng)物)來吸收、轉(zhuǎn)化、降解和去除環(huán)境中的有毒有害物質(zhì)，使其濃度減少或無害化，從而實(shí)現(xiàn)被污染環(huán)境生態(tài)恢復(fù)的過程。其中生物處置中的微生物法由于處置費(fèi)用低、效果好、無二次污染且操作簡(jiǎn)單遭到國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛的關(guān)注。土壤微生物修復(fù)技術(shù)原位生物修復(fù)原位地耕法土壤氣相抽提生物修復(fù)異位生物修復(fù)土壤耕作法生物堆放法土壤堆肥法生物反響器修復(fù)生物預(yù)制床法微生物對(duì)有機(jī)污染物的降解方式以有機(jī)污染物為獨(dú)一碳源和能源對(duì)其進(jìn)展代謝降解；微生物之間相互協(xié)同利用有機(jī)污染底物對(duì)其進(jìn)展降解；作為非生長(zhǎng)基質(zhì)的難降解有機(jī)物同生長(zhǎng)基質(zhì)以共代謝方式進(jìn)展降解。難降解有機(jī)物的微生物處置技術(shù)共代謝技術(shù)缺氧反硝化技術(shù)生物強(qiáng)化技術(shù)細(xì)胞固定化技術(shù)厭氧水解酸化預(yù)處置技術(shù)難降解有機(jī)物的微生物處置技術(shù)

共代謝技術(shù)共代謝作用來源于共氧化概念，后由Jensen對(duì)其內(nèi)涵進(jìn)展了擴(kuò)展，提出共代謝的概念并將其擴(kuò)展到微生物氧化脫氯過程的研討。利用共代謝技術(shù)可以加快化合物的降解速度，到達(dá)處置難降解性污染物的作用效果。概念特點(diǎn)影響要素在處置難降解有機(jī)物的作用共代謝技術(shù)共代謝技術(shù)－概念共代謝作用的定義第一基質(zhì)、第二基質(zhì)關(guān)鍵酶共代謝作用：微生物在利用碳源和能源的同時(shí)，對(duì)難降解性污染物進(jìn)展異化作用，但是在污染物降解轉(zhuǎn)化的過程中，微生物不能從中獲得維持生長(zhǎng)的碳源或能源。共代謝技術(shù)－概念第一/二基質(zhì)微生物利用一種易于攝取的基質(zhì)作為碳和能量的來源，稱為第一基質(zhì)，同時(shí)共代謝基質(zhì)或者稱為第二基質(zhì)被微生物分解。第二基質(zhì)的共代謝產(chǎn)物通常不能直接作為營(yíng)養(yǎng)被轉(zhuǎn)化為細(xì)胞質(zhì)。第二基質(zhì)的共代謝是需能反響，能量來自第一營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)的產(chǎn)能代謝。共代謝技術(shù)－概念關(guān)鍵酶：在微生物共代謝反響中產(chǎn)生的既能代謝轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)基質(zhì)，又能代謝轉(zhuǎn)化目的污染物的非專注性的酶是微生物共代謝反響發(fā)生的關(guān)鍵，這種非專注性的酶被稱為關(guān)鍵酶共代謝技術(shù)－概念共代謝技術(shù)－主要特點(diǎn)(1)微生物首先利用易于攝取的生長(zhǎng)基質(zhì)作為一級(jí)基質(zhì)，維持本身細(xì)胞的生長(zhǎng)(2)難降解性污染物作為二級(jí)基質(zhì)被微生物降解(3)一級(jí)基質(zhì)和二級(jí)基質(zhì)之間對(duì)發(fā)揚(yáng)降解作用的關(guān)鍵酶存在競(jìng)爭(zhēng)景象(4)污染物共代謝的中間產(chǎn)物不能作為營(yíng)養(yǎng)被同化成細(xì)胞質(zhì)，有些會(huì)抑制關(guān)鍵酶的活性，甚至對(duì)微生物有毒害作用。(5)共代謝是需能反響，能量主要來自生長(zhǎng)基質(zhì)的產(chǎn)能代謝，當(dāng)生長(zhǎng)基質(zhì)被完全耗費(fèi)時(shí)，能量來源于細(xì)胞本身儲(chǔ)存能量物質(zhì)，如PHB。共代謝技術(shù)－主要特點(diǎn)關(guān)鍵酶的誘導(dǎo)好氧條件下，具有共代謝氯代化合物功能的微生物有很多種，研討中主要選用苯酚氧化菌群、甲烷營(yíng)養(yǎng)菌群、丙烯氧化菌以及硝化細(xì)菌，它們具有很強(qiáng)的代謝才干以及對(duì)污染物的逆抗性。在誘導(dǎo)此類微生物生成關(guān)鍵酶進(jìn)展催化分解污染物時(shí)，普通需求投加特異性的底物，例如苯酚、甲烷、丙烯、丙烷或者氨。由于甲烷、丙烯、丙烷是氣體，具有很低的水溶性，就苯酚而言，雖具有可降解性，但它是一種危險(xiǎn)性物質(zhì)，所以在現(xiàn)實(shí)的污水處置中，選擇誘導(dǎo)性的生長(zhǎng)基質(zhì)，一定要綜合思索從共代謝過程的機(jī)理和特點(diǎn)可以看出,關(guān)鍵酶的誘導(dǎo)及其活性的維持、生長(zhǎng)基質(zhì)與目的污染物之間的競(jìng)爭(zhēng)抑制、目的污染物及其中間降解產(chǎn)物對(duì)微生物的毒性作用將是影響共代謝過程的關(guān)鍵性要素。共代謝例子Lajoie等發(fā)現(xiàn)，在以甲烷和甲醇作為初級(jí)能源物質(zhì)時(shí)，甲烷營(yíng)養(yǎng)型的微生物可代謝在單一基質(zhì)下不能降解的化合物三氯乙烯(TCE)。JianweiGao等發(fā)如今好氧條件下，利用葡萄糖誘導(dǎo)順式1,2--二氯乙烯的生物降解，其降解效率、降解速率都明顯高于厭氧條件，闡明葡萄糖誘導(dǎo)的共代謝過程發(fā)揚(yáng)了決議性的作用。影響共代謝作用效果的要素1.一級(jí)基質(zhì)的選擇Gupta等研討發(fā)現(xiàn)，在產(chǎn)甲烷菌作用環(huán)境下降解廢水中的三氯甲烷時(shí)，甲醇是比乙酸鹽更有效的一級(jí)基質(zhì)。2.一級(jí)基質(zhì)與二級(jí)基質(zhì)的濃度比Speece報(bào)道，共代謝過程中一級(jí)基質(zhì)與二級(jí)基質(zhì)的濃度比對(duì)生物難降解物質(zhì)的降解率有重要影響。羅宇煊采用嗜堿性木質(zhì)素降解菌以共代謝方式降解廢水中的木質(zhì)素，發(fā)現(xiàn)一級(jí)基質(zhì)蔗糖的濃度過高時(shí)，菌株不但產(chǎn)酶才干減弱，而且由于更多地利用易于降解的蔗糖，以致減弱了對(duì)木質(zhì)素的降解效果3.營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和能量微生物的生長(zhǎng)須有足夠的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。共代謝不僅需求參與一級(jí)基質(zhì)提供碳源，而且還需求足夠的氮、磷、硫等營(yíng)養(yǎng)。任大軍等利用模擬焦化廢水，研討一株白腐菌BP對(duì)吲哚分別與氨氮、喹啉、苯酚共基質(zhì)的降解，調(diào)查不同共代謝基質(zhì)物質(zhì)對(duì)白腐菌漆酶分泌和吲哚降解的影響。結(jié)果顯示，充分的氮源可提高白腐菌的活性和漆酶酶活性的峰值；共基質(zhì)苯酚和喹啉可以添加白腐菌漆酶產(chǎn)量。羅宇煊等采用不同碳源對(duì)嗜堿性木質(zhì)素降解菌降解木質(zhì)素的才干進(jìn)展了比較實(shí)驗(yàn),發(fā)如今葡萄糖、乳糖、蔗糖、可溶淀粉等碳源中蔗糖是嗜堿性木質(zhì)素降解菌最理想的碳源。除了一級(jí)基質(zhì)的產(chǎn)能代謝為微生物生長(zhǎng)和生物難降解物質(zhì)降解提供能量外,也可以思索外加適量能量物質(zhì)提供額外能量,以提高難降解物質(zhì)代謝的速率3.營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和能量4.溫度

孫力平等在好氧共基質(zhì)代謝作用下，采用SBR法處置DSD酸復(fù)原段的消費(fèi)廢水研討發(fā)現(xiàn)：溫度對(duì)系統(tǒng)除污效果的影響較顯著，10℃時(shí)污泥的活性最低，36℃時(shí)污泥的活性最高。1.共代謝技術(shù)在降解酚類中的作用2.共代謝技術(shù)在降解甲基叔丁基醚〔MTBE〕的作用3.共代謝技術(shù)降解DSD酸的作用共代謝在處置難降解有機(jī)物的作用共代謝在處置難降解有機(jī)物的作用1.共代謝技術(shù)在降解酚類中的作用Hendriksen等證明，常規(guī)的顆粒污泥可以使水中的五氯酚脫氯，但五氯酚的去除率僅30%～75%，當(dāng)進(jìn)水中補(bǔ)充葡萄糖后五氯酚的去除率可提高至99%。夏柳蔭討論了共基質(zhì)分別為不同濃度的葡萄糖、丙三醇、苯酚、和丁二酸時(shí)，混合固定化細(xì)菌對(duì)五氯酚(PCP)降解的影響。結(jié)果闡明共代謝降解過程中共基質(zhì)對(duì)PCP的降解影響較大，葡萄糖和丁二酸對(duì)PCP的降解具有一定的促進(jìn)作用，苯酚對(duì)PCP降解的影響與它的質(zhì)量濃度有關(guān)，丙三醇對(duì)PCP的降解起到抑制造用。1.共代謝技術(shù)在降解酚類中的作用李萍等利用吸附-共代謝再生活性污泥法去除污水中五氯苯酚，研討發(fā)現(xiàn):新工藝對(duì)污水中的PCP具有較好的去除效果。李萍等以苯酚、葡萄糖作為五氯酚(PCP)的共代謝基質(zhì)，調(diào)查其在加速活性污泥馴化進(jìn)程方面的作用，結(jié)果闡明：葡萄糖可以加強(qiáng)活性污泥中微生物對(duì)PCP的順應(yīng)才干，能加快馴化進(jìn)程并提高對(duì)PCP的降解速率；苯酚的毒性可與PCP的相互疊加，從而延滯了活性污泥的馴化進(jìn)程。安淼等對(duì)不同共代謝基質(zhì)存在下的2,4-二氯代酚(2,4-DCP)的生物降解進(jìn)展了研討，發(fā)現(xiàn)投加苯酚或4-氯代酚(4-MCP)能明顯促進(jìn)復(fù)合菌對(duì)2,4-DCP的降解。孫劍輝等分別用蔗糖、葡萄糖、丁酸鹽和乙醇作為馴化好的厭氧污泥的共代謝基質(zhì)，在厭氧序批式反響器(ASBR)中對(duì)間苯二酚的降解進(jìn)展研討。結(jié)果闡明：共代謝基質(zhì)SCOD濃度在500mg/L～2000mg/L時(shí)，間苯二酚的降解速率很高；其中葡萄糖和丁酸鹽的混合基質(zhì)降解速率最高。1.共代謝技術(shù)在降解酚類中的作用2.共代謝技術(shù)在降解甲基叔丁基醚〔MTBE〕的作用甲基叔丁基醚(MethylTert-ButylEther,MTBE)作為一種廣泛運(yùn)用的無鉛汽油含氧添加劑，已成為地下水中典型耐久有機(jī)污染物。方芳等以MTBE為目的污染物、乙醇為共代謝基質(zhì)，在SBR反響器中勝利實(shí)現(xiàn)了好氧污泥的顆?；?。反響器內(nèi)污泥完全顆粒化后，MTBE進(jìn)水濃度提高至400mg·L-1左右，出水濃度可穩(wěn)定在5mg·L-1以下，去除率高達(dá)98.5%以上(其中揮發(fā)量約占25%)。3.共代謝技術(shù)降解DSD酸的作用DSD酸(4,4-二氨基二苯乙烯-2,2-二磺酸)是一種重要的染料中間體，它以對(duì)硝基甲苯為原料，經(jīng)磺化、氧化縮合和復(fù)原而合成。孫力平等在好氧共基質(zhì)代謝作用下，采用SBR法處置DSD酸復(fù)原段的消費(fèi)廢水，調(diào)查了葡萄糖的投量、水力停留時(shí)間及溶解氧濃度等要素對(duì)廢水處置效果的影響。結(jié)果闡明，投加葡萄糖可提高復(fù)原段DSD酸消費(fèi)廢水的可生化性。在缺氧條件下，反硝化菌可以利用有機(jī)碳源作為反硝化過程的電子供體，而以硝酸鹽氮(NO3－－N)或亞硝酸鹽氮(NO2－－N)作為電子受體進(jìn)展厭氧呼吸，因此，反硝化過程可以在脫氮的同時(shí)去除有機(jī)碳。缺氧反硝化降解難降解有機(jī)物就是在缺氧條件下，為反硝化菌提供適當(dāng)比例的氮源，使反硝化菌對(duì)有機(jī)物進(jìn)展降解。難降解有機(jī)物的微生物處置技術(shù)

缺氧反硝化技術(shù)關(guān)鍵和限制要素在缺氧反硝化過程中投加的N源是有機(jī)物降解的關(guān)鍵和限制要素，C/N比對(duì)缺氧反硝化的降解效果有重要意義。當(dāng)C/N比過大時(shí)，有機(jī)物的降解不完全。當(dāng)C/N比過小時(shí)，出水中會(huì)含有過量的硝酸鹽氮或亞硝酸鹽氮只需在適當(dāng)?shù)腃/N比下，才干保證有機(jī)物的完全降解以及出水中幾乎沒有硝酸鹽氮或亞硝酸鹽氮。焦化廢水中難降解有機(jī)物吡啶的C/N值宜為4～5吲哚和喹啉的C/N值均宜為8左右。以生物強(qiáng)化為根底的生物修復(fù)理念非常簡(jiǎn)單，經(jīng)過具有降解功能的微生物強(qiáng)化受污染體系，能加速生物修復(fù)，中心是投加高效降解微生物。其效果由微生物本身的降解性能和各種生態(tài)要素綜協(xié)作用決議。高競(jìng)爭(zhēng)力和順應(yīng)性強(qiáng)的高效菌株挑選是生物強(qiáng)化技術(shù)成敗的關(guān)鍵難降解有機(jī)物的微生物處置技術(shù)

生物強(qiáng)化技術(shù)根據(jù)用于生物強(qiáng)化的菌株挑選或構(gòu)建途徑不同，生物強(qiáng)化技術(shù)主要可分為以下3種第一、含有代謝功能的可挪動(dòng)基因組分的菌株強(qiáng)化第二、經(jīng)過基因工程手段改造得到具有特定功能的微生物強(qiáng)化第三、利用常規(guī)的微生物學(xué)手段,經(jīng)過長(zhǎng)期馴化得到具有一定降解才干的微生物菌群或從特定環(huán)境中分別純化得到某些具有特定降解性能的微生物強(qiáng)化。1經(jīng)過向具有競(jìng)爭(zhēng)力的土著微生物中引入可挪動(dòng)代謝基因，能加速自然基因的交換和代謝途徑的構(gòu)建，可作為受污染土壤和水體生物強(qiáng)化的有效手段2運(yùn)用微生物遺傳學(xué)的手段去改造生物反響器中的微生物特性，使之獲得高耐毒性、高降解活性以及特異或廣譜降解污染物等優(yōu)良遺傳性狀，從而發(fā)明出新的高效生物處置工藝3高效微生物挑選固定化微生物技術(shù)是用化學(xué)或物理手段將游離微生物定位于限定的空間區(qū)域，并使其堅(jiān)持活性及反復(fù)利用的方法該技術(shù)是對(duì)完好細(xì)胞進(jìn)展固定，防止了人為破壞生物酶的活性和生化反響的穩(wěn)定性，單位體積水體內(nèi)微生物細(xì)胞密度高且能長(zhǎng)期堅(jiān)持活性，可以有效地處理污染環(huán)境修復(fù)問題。固定化微生物細(xì)胞載體主要有無機(jī)載體、有機(jī)載體、復(fù)合載體。難降解有機(jī)物的微生物處置技術(shù)

微生物固定化技術(shù)不同的固定化載體在處置污水時(shí)的效果不同。蔣宇紅等以海藻酸鈣、瓊脂、明膠、聚乙烯醇和丙烯酰胺凝膠為固定化微生物細(xì)胞的包埋固定載體。結(jié)果闡明：聚乙烯醇和海藻酸鈣具有機(jī)械強(qiáng)度較高，傳質(zhì)性能較好，生物毒性較低和固定化操作容易等優(yōu)點(diǎn)。王建龍等分別用聚乙烯醇(PVA)和多孔陶瓷作為載體固定化梭形氣芽孢桿菌，比較其在處置油墨廢水時(shí)微觀形狀的變化情況。研討發(fā)現(xiàn)：用PVA作為載體時(shí)，由于細(xì)胞被包埋在PVA內(nèi)部，和底物的接觸時(shí)分散阻力較大，因此廢水中COD的去除效率較低。而用多孔陶瓷固定化細(xì)胞，不僅簡(jiǎn)便易行，固定結(jié)實(shí)，而且對(duì)廢水COD的去除效果也較好。固定化微生物的制備方法可以分為共價(jià)結(jié)合法、交聯(lián)法、吸附法和包埋法，這些方法各有優(yōu)缺陷。共價(jià)結(jié)合法結(jié)合嚴(yán)密，穩(wěn)定性好，但是基團(tuán)結(jié)合時(shí)反響猛烈，操作復(fù)雜、難控制。交聯(lián)法微生物反響活性損失較大，且采用的交聯(lián)劑大都比較昂貴，因此其運(yùn)用遭到一定的限制。吸附法是利用微生物所具有的可吸附到固體物質(zhì)外表或其他細(xì)胞外表的才干，將微生物吸附在附加劑的外表的方法，可分為物理吸附和離子吸附。包埋法操作簡(jiǎn)單，微生物固定過程對(duì)生物的影響較小，所制備的高分子載體具有密度低、易于流態(tài)化的優(yōu)點(diǎn)，是目前最為常用的的方法，但包埋資料會(huì)在一定程度上妨礙底物和氧的分散，影響微生物的生長(zhǎng)和產(chǎn)物的代謝。固定化微生物技術(shù)在處置廢水中的作用處置地表水李海波等采用改良的聚乙烯醇、海藻酸鈉包埋法固定微球菌修復(fù)受污染地表水，結(jié)果闡明：一樣時(shí)間內(nèi)固定化細(xì)菌對(duì)COD的去除率明顯高于游離菌,72h的去除率可到達(dá)64.7%；固定化顆粒的適宜接種量為10%；固定化顆粒對(duì)環(huán)境的耐受才干遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于游離菌；固定化顆粒再生性能好，可以長(zhǎng)期反復(fù)運(yùn)用。降解底泥吳光前等在實(shí)驗(yàn)室條件下研討了固定化微生物技術(shù)對(duì)黑臭水體和底泥的凈化性能。結(jié)果闡明：底泥厚度降低80%以上；底泥COD去除率到達(dá)93%；上清液COD去除率到達(dá)70%；上清液NH3-N去除率到達(dá)95%；處置后的水體生物相種類和數(shù)量顯著增長(zhǎng)。降解酚類丁成對(duì)實(shí)驗(yàn)室保管的光合細(xì)菌用不同濃度的模擬含酚廢水進(jìn)展馴化后，用海藻酸鈉-殼聚糖-活性炭微膠囊法對(duì)光合細(xì)菌進(jìn)展固定，結(jié)果闡明：固定化光合細(xì)菌更具優(yōu)勢(shì)影響固定化光合細(xì)菌處置含酚廢水各要素的影響次序分別為：溫度、接種量、pH值，其最正確降解條件是溫度為30℃，接種量為20%，pH值為7.0，此時(shí)廢水中苯酚降解率為85.3%。含氮廢水的處置李曄等利用包埋法將硝化菌和反硝化菌固定后，發(fā)現(xiàn)這種混合固定法有利于廢水中氮的去除，且去除率高于純種固定法。含重金屬離子廢水的處置曹德菊等采用明膠、瓊脂、海藻酸鈉作為載體對(duì)枯草桿菌進(jìn)展固定結(jié)果闡明海藻酸鈉作為固定化載體其傳質(zhì)性能強(qiáng)、方法簡(jiǎn)便、機(jī)械強(qiáng)度好；固定化枯草桿菌對(duì)含鎘廢水去除效果明顯高于游離枯草桿菌。郭平等研討闡明鉛離子的存在可以