環(huán)境污染生物凈化的原理課件

1、環(huán)境污染生物凈化的原理第二篇 環(huán)境污染的生物凈化環(huán)境污染生物凈化的原理第五章 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)污染凈化原理環(huán)境污染生物凈化的原理n地表水體污染物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n大氣污染物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n固體廢棄物固體廢棄物 環(huán)境污染生物凈化的原理n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、厭氧法等環(huán)境污染生物凈化的原理大氣污染物凈化方法n氣溶膠狀態(tài)污染物的控制方法氣溶膠狀態(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n氣體狀態(tài)污染物的吸附與凈化氣體狀態(tài)污染物的吸附與凈化氣體吸收法氣體吸附法n大氣污染物的生物凈化方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環(huán)境污染生物凈化的原理固體廢棄物的處理方法n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n城市垃圾填埋法堆肥法制取沼氣焚燒法環(huán)境污染生物凈化的原理nBOD5nCODnTODnTOCn固體物質(zhì)n含氮化合物npH值n生物污染指標(biāo)細(xì)菌總數(shù)

3、n大腸菌群總數(shù)環(huán)境污染生物凈化的原理生化需氧量BODn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溶解氧量。BOD5：微生物5天天好氧分解有機(jī)物所消耗的溶解氧量溶解氧量。n有機(jī)物生化耗氧過程的兩個(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。環(huán)境污染生物凈化的原理BOD曲線BOD曲線的七個(gè)階段：n（1）微生物增殖的遲緩期n（2）細(xì)菌的對(duì)數(shù)生長期n（3）耗氧平緩階段 n（

4、4）原生動(dòng)物耗氧峰n（5）耗氧再次平緩階段n（6）硝化細(xì)菌耗氧峰n（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曲線環(huán)境污染生物凈化的原理化學(xué)需氧量COD（Chemical Oxygen Demand）n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)常見的有機(jī)污染物，故在實(shí)際

5、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。環(huán)境污染生物凈化的原理BOD 和COD的比較n廢水處理中多以BOD 和COD兩個(gè)指標(biāo)來度量水樣的有機(jī)污染物濃度和被凈化程度。nBOD：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)間過長，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，甚至無法測(cè)定。n 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。環(huán)境污染生物凈化的原

6、理nBOD 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(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 5 = 0.58 COD B環(huán)境污染生物凈化的原理總需氧量TOD和總有機(jī)碳TOCn總需氧量TOD （Total Oxygen Demand）指：有機(jī)物和少量無機(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。n總有機(jī)碳TOC（Total Organic 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15

7、0 燃燒測(cè)得的碳酸鹽等無機(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，故常常被用來評(píng)價(jià)水體中有機(jī)物污染的程度。環(huán)境污染生物凈化的原理固體物質(zhì)n總固體n懸浮固體n溶解性固體n揮發(fā)性固體n非揮發(fā)性固體環(huán)境污染生物凈化的原理含氮化合物n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、尿素等無機(jī)氮：包括氨氮：NH3N、NH4N和硝態(tài)氮：NO2N、 NO3N。n常用水質(zhì)測(cè)定指標(biāo)總氮：包括有機(jī)氮和無機(jī)氮化合物的測(cè)定。凱氏氮：指以凱氏法測(cè)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(cè)定的有機(jī)氮化合物。此類有機(jī)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(jià)

8、的有機(jī)氮化合物，由于一般水中存在的有機(jī)氮化合物多為這些，故，在測(cè)定凱氏氮和氨氮之后，兩者的差值即有機(jī)氮。氨氮亞硝酸鹽氮硝酸鹽氮環(huán)境污染生物凈化的原理n微生物對(duì)物質(zhì)降解與轉(zhuǎn)化的特點(diǎn)n微生物對(duì)污染物降解與轉(zhuǎn)化的途徑n影響微生物對(duì)物質(zhì)降解轉(zhuǎn)化作用的因素n微生物對(duì)常見污染物的降解與轉(zhuǎn)化n有機(jī)污染物的生物可降解性及其評(píng)價(jià)方法環(huán)境污染生物凈化的原理微生物對(duì)物質(zhì)降解與轉(zhuǎn)化的特點(diǎn):n微生物個(gè)體微小，比表面積大，代謝速率大；n種類繁多，分布廣泛，代謝類型多樣；n微生物具有多種降解酶；n微生物繁殖快，易變異，適應(yīng)性強(qiáng)；n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

9、，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)建環(huán)境污染生物凈化的原理ABBACABC圖52 多質(zhì)粒超級(jí)菌的構(gòu)建示意簡圖質(zhì)粒細(xì)胞的染色體注：環(huán)境污染生物凈化的原理n共代謝（CoMetabolism）微生物在利用生長基質(zhì)A時(shí)（從中獲得能量、碳源或其他任何營養(yǎng)），同時(shí)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(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

10、環(huán)境條件下可通過共代謝作用而降解。ABCDE1E2E2E1環(huán)境污染生物凈化的原理微生物對(duì)污染物降解與轉(zhuǎn)化的途徑n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)會(huì)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，故也稱為微生物降解。n微生物代謝活動(dòng)中的化學(xué)作用（實(shí)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環(huán)境污染生物凈化的原理影響微生物對(duì)物質(zhì)降解轉(zhuǎn)化作用的因素（1）n微生物的代謝活性不同種類微生物對(duì)同一底物的反應(yīng)不同；微生物在不同的生長時(shí)期的活性是不相同的，在對(duì)數(shù)

11、期代謝最旺盛，活性最強(qiáng)。微生物的種類組成決定化合物降解的方向和速度，同時(shí)微生物的種類組成又與環(huán)境中的化學(xué)物質(zhì)有關(guān)。n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。環(huán)境污染生物凈化的原理影響微生物對(duì)物質(zhì)降解轉(zhuǎn)化作用的因素（2）n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(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)量分子量大小n環(huán)境

12、因素溫度酸堿度營養(yǎng)氧底物濃度環(huán)境污染生物凈化的原理微生物分解有機(jī)物的作用n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53 微生物分解有機(jī)物的作用示意圖環(huán)境污染生物凈化的原理微生物對(duì)常見污染物的降解與轉(zhuǎn)化n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(jí)脂肪酸蛋白質(zhì)肽氨基酸蛋白酶肽酶環(huán)境污染生物凈化的原理丁酸、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C

13、O2、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纖維素酶環(huán)境污染生物凈化的原理n烴類n石油類n人工合成有機(jī)物農(nóng)藥合成洗滌劑增塑劑多氯聯(lián)苯環(huán)境污染生物凈化的原理危險(xiǎn)性化合物n危險(xiǎn)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(jī)化合物的代謝機(jī)制，從而促使地球有機(jī)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(duì)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(shí)間比較短，微生物界還未進(jìn)化出降

14、解此類難降解化合物的代謝機(jī)制。這些化合物大多數(shù)對(duì)環(huán)境具有毒害作用，故稱之危險(xiǎn)性化合物。n危險(xiǎn)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、增塑劑等環(huán)境污染生物凈化的原理n危險(xiǎn)性化合物的降解特點(diǎn)和研究盡管其在自然界可能會(huì)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(duì)這類化合物的降解能力，但這需要一個(gè)漫長的過程來實(shí)現(xiàn)，依靠微生物的自然進(jìn)化過程遠(yuǎn)不能滿足要求，而且長此以往將會(huì)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(shí)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(shí)間的馴化來得到具有一定降解能力的微生物

15、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(duì)危險(xiǎn)性化合物的降解研究中發(fā)現(xiàn)，混合培養(yǎng)比純培養(yǎng)具有潛在的優(yōu)勢(shì)，徹底礦化往往需要一個(gè)或一個(gè)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(gè)微生物的基本生長參數(shù)；對(duì)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(jí)底物利用者。環(huán)境污染生物凈化的原理有機(jī)污染物的生物可降解性及其評(píng)價(jià)方法n什么是生物可降解性？n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

16、、難生物降解和不可生物降解。n評(píng)價(jià)生物可降解性的方法：測(cè)定生物氧化率測(cè)呼吸線測(cè)定相對(duì)耗氧速度曲線測(cè)BOD5與COD Cr之比測(cè)COD30培養(yǎng)法環(huán)境污染生物凈化的原理時(shí)間（h）耗氧量（mg/g）內(nèi)呼吸線生化呼吸線生化呼吸線時(shí)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(shí)間（h）耗氧量（mg/g）內(nèi)呼吸線生化呼吸線tabc環(huán)境污染生物凈化的原理底物濃度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(duì)耗氧速度（以內(nèi)呼吸的表示）100圖57 相對(duì)耗氧速率曲線環(huán)境污染生物凈化的原理n什么是水體自凈作用（water selfcleansing，self

17、purification）水體自凈作用指天然水體受到污染后，在無人為處理?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(duì)無機(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。環(huán)境污染生物凈化的原理水體自凈過程的三個(gè)階段和三個(gè)變化n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 ，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 ，藻類數(shù)量 ，DO ；n三個(gè)變化變化一：有機(jī)污染物濃度由高降至

18、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 ；變化三：DO的變化： DO DO 恢復(fù)原有水平環(huán)境污染生物凈化的原理氧垂曲線（Oxygensag Curve）n自凈過程中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n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?fàn)?，叫做氧垂曲線。（見圖56）氧垂曲線從耗氧這個(gè)側(cè)面反映了河流的自凈過程。當(dāng)有機(jī)污染程度超過河流的自凈能力時(shí)，河流將出現(xiàn)無氧的河段，此段的有機(jī)物轉(zhuǎn)入無氧分解，出現(xiàn)黑臭現(xiàn)象，此時(shí)，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(biāo)。環(huán)境污染生物凈化的原理L（km）飽和DO線DO（mg/L）0DO min圖58 氧垂曲線示意圖環(huán)境污染生物凈化的原理n廢水生物處理實(shí)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(jī)物，將有機(jī)物最終轉(zhuǎn)化為無害的二