環(huán)境生物學及教案 第五章ppt課件

1、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容：環(huán)境污染凈化概述生物對污染凈化原理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)廢水農業(yè)廢水和灌溉水大氣污染物氣溶膠形狀污染物 粉塵、煙、飛灰、霧 飄塵、降塵、總懸浮顆粒氣體形狀污染物 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 5.1.2 環(huán)境污染治理方法概述污水處置方法物理法：沉淀法、過濾法、離心分別法、浮選法、吸附法、萃取法、吹脫法、蒸發(fā)結晶法、反浸透法化學法：化學凝聚法、中和法、氧化復原法、離子交換法物化法：電解法、電滲析法

2、生物法：好氧法、厭氧法等大氣污染物凈化方法氣溶膠形狀污染物的控制方法重力沉降旋風除塵靜電除塵過濾式除塵氣體形狀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固體廢棄物的處置方法工業(yè)廢棄物物理與化學法：覆蓋法、化學反響劑法生物法：栽種永久性植物城市渣滓填埋法堆肥法制取沼氣熄滅法5.1.3 環(huán)境污染的污染與凈化目的BOD5CODTODTOC固體物質含氮化合物pH值生物污染目的細菌總數大腸菌群總數生化需氧量BOD生化需氧量BODBiological 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耗費的溶解氧

3、量。BOD5：微生物5天好氧分解有機物所耗費的溶解氧量。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，碳化作用耗費的氧量稱為碳化需氧量。硝化階段： NH3被轉化為亞硝酸鹽和硝酸鹽，硝化作用耗費的氧量稱為硝化需氧量。BOD曲線BOD曲線的七個階段：1微生物增殖的緩慢期2細菌的對數生長期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7一切的微生物繼續(xù)減少，有機物最終轉化為CO2和H2O。BOD1234567t/clTODUOD圖51 BOD曲線化學需氧量CODChemical Oxygen Demand概念COD是指在一定條件下，用強氧化劑處置水樣

4、時所耗費氧化劑的量，以氧的毫克/升來表示。它反映了水中受復原性物質污染的程度，水中復原性物質包括：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目的之一。在規(guī)定條件下，強氧化劑重鉻酸鉀K2Cr2O7可氧化大多數常見的有機污染物，故在實踐運用中常把COD Cr 的測定值近似地代表廢水中的全部有機物。BOD 和COD的比較廢水處置中多以BOD 和COD兩個目的來度量水樣的有機污染物濃度和被凈化程度。BOD：反映的是微生物可以降解的那部分有機物的數量，根本上反映出水體中生物氧化分解有機物所耗費的氧量，比較符合實踐，但檢出時間過長，不能迅速及時指點消費實際

5、，而且毒性大的廢水可抑制微生物的作用而影響結果，甚至無法測定。 COD：普通表示廢水中有機污染物分量的98，幾乎可以表示出有機物全部氧化所需氧量，測定不受水質限制，并可在數小時內完成；但是它不能反映微生物可以降解的那部分有機物的數量。BOD 和COD的關系：可以以為COD包括兩部分：一部分為可以被微生物降解的有機物的耗氧量COD B，另一部分為不可以被微生物降解的有機物的耗氧量CODN B。BOD u COD BBOD 5 = 0.58 COD B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，在熄滅爐900高溫熄滅成穩(wěn)定的

6、最終產物所耗費的氧的量。總有機碳TOCTotal Organic Carbon是以碳的含量表示水體中有機物質總量的綜合目的。它的測定采用熄滅法：在950 和鉑催化下，測定二氧化碳的含量，并扣除150 熄滅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的總量，故經常被用來評價水體中有機物污染的程度。固體物質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形狀有機氮：蛋白質、氨基酸、尿素等無機氮：包括氨氮：NH3N、NH4N和硝態(tài)氮：NO2N、 NO3N。常用水質測定目的總氮：包括有機氮和無機氮化合物的測定。凱氏氮：指以凱

7、氏法測得的氮量，包括了氨氮和在此條件下能被轉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、氨基酸、核酸、尿素以及氮為負三價的有機氮化合物，由于普通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化微生物對物質降解與轉化的特點微生物對污染物降解與轉化的途徑影響微生物對物質降解轉化作用的要素微生物對常見污染物的降解與轉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降解與轉化的特點:微生物個體微小，比外表積大，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

8、降解酶；微生物繁衍快，易變異，順應性強；微生物具有宏大的降解才干；質粒Plasmid：染色體外遺傳物質，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。質粒可用來培育優(yōu)良菌種，或用作基因工程中基因轉移的載體。例如：多功能超級細菌的構建ABBACABC圖52 多質粒超級菌的構建表示簡圖質粒細胞的染色體注：共代謝CoMetabolism微生物在利用生長基質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)生氧化或其它反響。在純培育下，共代謝只是一種截止式轉化，但在混合培育和自然環(huán)境條件下，轉化可為其它微生物進展的共代謝或其他生物對

9、某種物質的降解鋪平道路，使其代謝產物可繼續(xù)降解，故污染物在有適宜的底物和環(huán)境條件下可經過共代謝作用而降解。ABCDE1E2E2E1微生物對污染物降解與轉化的途徑自然界中化學物質的降解的3種方式：這三種方式往往綜合交叉進展。光降解化學降解生物降解Biodegradation：指由于生物的作用，把污染物大分子轉會為小分子，實現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作用本質是酶反響氧化作用復原作用脫羧作用水解作用脫氨基作用等影響微生物對物質降解轉化作用的要素1微生物的代謝活性不同種類微生物對同一底物的反響不同；微生物在不同的生長時期的活性是不一樣

10、的，在對數期代謝最旺盛，活性最強。微生物的種類組成決議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)境中的化學物質有關。微生物的順應性馴化Domestication：是一種定向選育微生物的方法與過程，經過人工措施使微生物逐漸順應某特定條件，最后獲得具有較高耐受力和代謝活性的菌株。影響微生物對物質降解轉化作用的要素2化合物的構造烴類：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。官能團的性質和數量分子量大小環(huán)境要素溫度酸堿度營養(yǎng)氧底物濃度微生

11、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以下圖式：復雜有機物簡單有機物需氧微生物胞內酶厭氧微生物胞內酶微生物胞外酶CO2、H2OCO2、H2O、H2、CH4、H2S及有機酸、醇、酮、醛等未完全氧化產物圖53 微生物分解有機物的作用表示圖微生物對常見污染物的降解與轉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脂肪蛋白質脂肪H2O脂肪酶甘油高級脂肪酸蛋白質肽氨基酸蛋白酶肽酶丁酸、CO2、H2等CO2、H2、有機酸等淀粉葡萄糖需氧微生物胞內酶厭氧微生物胞內酶微生物淀粉酶CO2、H2O圖55 淀粉分解途徑表示圖纖維素葡萄糖需氧微生物胞內酶厭氧微生物胞內酶 H2O纖維素酶C

12、O2、H2O圖54 纖維素分解途徑表示圖纖維二糖 H2O纖維素酶烴類石油類人工合成有機物農藥合成洗滌劑增塑劑多氯聯苯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構造的合成化合物異型生物質，又稱非生物性物質，xenobiotics往往對微生物的降解表現出抗逆性，其緣由能夠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藥、殺蟲劑、除草劑、防腐劑、溶劑、增塑劑等危險

13、性化合物的降解特點和研討雖然其在自然界能夠會有部分緩慢降解，微生物有能夠經過多種途徑來改動本身的構造信息以獲得對這類化合物的降解才干，但這需求一個漫長的過程來實現，依托微生物的自然進化過程遠不能滿足要求，而且長此以往將會呵斥生態(tài)系統(tǒng)的失衡。因此，研討一些可以使微生物群體在較短時間內獲得最大的降解該物質才干的方法顯得愈加重要和迫切。近年來科學任務者做了大量任務，包括：經過長時間的馴化來得到具有一定降解才干的微生物群體；經過基因工程手段來改造微生物使其具有特定的降解才干；此外在對危險性化合物的降解研討中發(fā)現，混合培育比純培育具有潛在的優(yōu)勢，徹底礦化往往需求一個或一個以上的營養(yǎng)菌群如發(fā)酵水解菌群、產

14、硫菌群、產乙酸菌群、產甲烷菌群等經過多步反響將有毒化合物轉化為礦化最終產物。研討人員根據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；去除生長抑制產物；改善單個微生物的根本生長參數；對底物協調攻擊；共代謝；氫電子轉移；提供一種以上初級底物利用者。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？一切化合物根據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與COD Cr之比測COD30培育法時間h耗氧量mg/g內呼吸線生化呼吸線生化呼吸線時間h耗氧量mg/g內呼吸線圖5

15、6 生化呼吸線與內呼吸線比較時間h耗氧量mg/g內呼吸線生化呼吸線tabc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呼吸的表示100圖57 相對耗氧速率曲線5.2 廢水生物處置的原理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遭到污染后，在無人為處置條件下，借助水體本身的才干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、復原、分解、凝聚等化學作用，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。生物中最活潑的是細菌，捕

16、食細菌的原生動物和微型生物亦起很大作用。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)菌數量，DO ；階段二：有機物濃度，異養(yǎng)菌數量 ，原生動物數量 ，DO ；階段三：有機物濃度，異養(yǎng)菌數量 ，原生動物數量 ，藻類數量 ，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 原生動物數量 藻類 ；變化三：DO的變化： DO DO 恢復原有程度氧垂曲線Oxygensag Curve自凈過程中DO的變化有機物濃度 ，耗氧速率復氧速率， DO 有機物濃度，耗氧速率復氧速率， DO DO min有機物濃度 0，耗氧速率復氧速率， DO

17、 DO 飽和氧垂曲線的概念河流遭到污染后，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面反映了河流的自凈過程。當有機污染程度超越河流的自凈才干時，河流將出現無氧的河段，此段的有機物轉入無氧分解，出現黑臭景象，此時，氧垂曲線出現中斷。故氧垂曲線可作為衡量水體自凈的目的。Lkm飽和DO線DOmg/L0DO min圖58 氧垂曲線表示圖5.2.2 廢水生物處置的作用機理廢水生物處置實踐是水體的自凈原理在水污染治理中的運用，即模擬天然水體自凈作用的生物過程。在特定構筑物中人工發(fā)明適宜條件，充分發(fā)揚微生物的作用以高速度、高效率凈化污水，經過微生物代謝

18、產生的酶來降解轉化有機物，將有機物最終轉化為無害的二氧化碳和水，從而使廢水得到凈化。污水處置中的生化過程O2、CO2、SO42、NO3等細胞構成物C、H、O、N、維生素等能 源受氫體微生物微生物細胞合成生物污泥分解能量代謝產物熱能CO2、H2O、SO42、NO3、NH4、PO43、H2S、CH4、有機酸、醇等排水排出不可降解殘留物內源呼吸圖59 污水處置中的生化過程活性污泥法和生物膜法目前最常用的生物處置方法是活性污泥法和生物膜法?；钚晕勰嗪蜕锬さ母拍罨钚晕勰嗍怯杉毦?、原生動物等微生物與懸浮物質、膠體物質混雜在一同構成的具有吸附分解有機物才干的絮狀體?；钚晕勰嗍蔷哂泻軓姷奈椒纸庥袡C物才干的、充溢微生物的污泥；生物膜是附著在填料上呈薄膜狀的活性污泥?；钚晕勰嗪蜕锬さ奶攸c具有很強的吸附才干具有很強的分解、氧化有機物的才干圖具有較強的食物鏈食物鏈越長，作為能量耗費的比例就越大，在系統(tǒng)中存在的生物量就比較少，所剩余的污泥量就相應較少