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、碳氫化合物、碳氧化合物、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BOD5CODTODTOC固體物質(zhì)含氮化合物pH值生物污染指標 細菌總數(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天天好氧分解有機物所消耗的溶解氧溶解氧量量。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。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）硝化細菌耗氧峰（7

4、）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COD Cr 的測定值近似地代表廢水中的全部有機物。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COD

6、B，另一部分為不能夠被微生物降解的有機物的耗氧量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和總有機碳TOC總需氧量TOD （Total Oxygen Demand）指：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（Total Organic Carbon） 是以碳的含量表示水體中有機物質(zhì)總量的綜合指標。 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BOD 5和COD更能直接表示有機物

7、的總量，故常常被用來評價水體中有機物污染的程度。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) 有機氮：蛋白質(zhì)、氨基酸、尿素等 無機氮：包括氨氮：NH3N、NH4N和硝態(tài)氮：NO2N、 NO3N。常用水質(zhì)測定指標 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

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；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)粒可用來培育優(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。 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 當主鏈上的C被S、N、O取代時，對生物氧化的阻抗上升 當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 微生物分解有機物的作用微生物分解

12、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)物圖53 微生物分解有機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)生的有機化合物的代謝機制，從而促使地球有機碳平衡，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入自然界的時間比較短，微生物界還未進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

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化過程遠不能滿足要求，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，即生物對無機物和有機物的同化和異化作用。 生物中最活躍的是細菌，捕食細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：有機物進入河流，有機物濃度，異養(yǎng)菌數(shù)量，DO ； 階段二：有機物濃度，異養(yǎng)菌數(shù)量 ，原生動物數(shù)量 ，DO ； 階段三：有機物濃度，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 有機物濃度 ，耗氧速率復(fù)氧速率， DO 有機物濃度，耗氧速率復(fù)氧速率， DO DO min 有機物濃度 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，曲線呈下垂狀，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。當有機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。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)化有機物，將有機物最終轉(zhuǎn)化為無害的二氧化碳和水，從而