環(huán)境生物學(xué)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(nèi)容：環(huán)境污染凈化概述生物對(duì)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(nóng)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?xì)浠衔?、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(jié)晶法、反浸透法化學(xué)法：化學(xué)凝聚法、中和法、氧化復(fù)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(fēng)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(xué)法：覆蓋法、化學(xué)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(zhì)含氮化合物pH值生物污染目的細(xì)菌總數(shù)大腸菌群總數(shù)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(jī)物所耗費(fèi)的溶解氧

3、量。BOD5：微生物5天好氧分解有機(jī)物所耗費(fèi)的溶解氧量。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，碳化作用耗費(fèi)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，硝化作用耗費(fèi)的氧量稱為硝化需氧量。BOD曲線BOD曲線的七個(gè)階段：1微生物增殖的緩慢期2細(xì)菌的對(duì)數(shù)生長期3耗氧平緩階段 4原生動(dòng)物耗氧峰5耗氧再次平緩階段6硝化細(xì)菌耗氧峰7一切的微生物繼續(xù)減少，有機(jī)物最終轉(zhuǎn)化為CO2和H2O。BOD1234567t/clTODUOD圖51 BOD曲線化學(xué)需氧量CODChemical Oxygen Demand概念COD是指在一定條件下，用強(qiáng)氧化劑處置水樣

4、時(shí)所耗費(fèi)氧化劑的量，以氧的毫克/升來表示。它反映了水中受復(fù)原性物質(zhì)污染的程度，水中復(fù)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)含量的目的之一。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)踐運(yùn)用中常把COD Cr 的測定值近似地代表廢水中的全部有機(jī)物。BOD 和COD的比較廢水處置中多以BOD 和COD兩個(gè)目的來度量水樣的有機(jī)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(jī)物的數(shù)量，根本上反映出水體中生物氧化分解有機(jī)物所耗費(fèi)的氧量，比較符合實(shí)踐，但檢出時(shí)間過長，不能迅速及時(shí)指點(diǎn)消費(fèi)實(shí)際

5、，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：普通表示廢水中有機(jī)污染物分量的98，幾乎可以表示出有機(jī)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(shí)內(nèi)完成；但是它不能反映微生物可以降解的那部分有機(jī)物的數(shù)量。BOD 和COD的關(guān)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(jī)物的耗氧量COD B，另一部分為不可以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總需氧量TOD和總有機(jī)碳TOC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，在熄滅爐900高溫熄滅成穩(wěn)定的

6、最終產(chǎn)物所耗費(fèi)的氧的量?？傆袡C(jī)碳TOCTotal Organic Carbon是以碳的含量表示水體中有機(jī)物質(zhì)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(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，故經(jīng)常被用來評(píng)價(jià)水體中有機(jī)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)形狀有機(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。常用水質(zhì)測定目的總氮：包括有機(jī)氮和無機(jī)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(zhuǎn)化為銨鹽的而測定的有機(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)的有機(jī)氮化合物，由于普通水中存在的有機(jī)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(jī)氮。氨氮亞硝酸鹽氮硝酸鹽氮5.2 生物對(duì)污染凈化原理5.2.1微生物對(duì)污染物降解與轉(zhuǎn)化微生物對(duì)物質(zhì)降解與轉(zhuǎn)化的特點(diǎn)微生物對(duì)污染物降解與轉(zhuǎn)化的途徑影響微生物對(duì)物質(zhì)降解轉(zhuǎn)化作用的要素微生物對(duì)常見污染物的降解與轉(zhuǎn)化有機(jī)污染物的生物可降解性及其評(píng)價(jià)方法微生物對(duì)物質(zhì)降解與轉(zhuǎn)化的特點(diǎn):微生物個(gè)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(yīng)性強(qiáng)；微生物具有宏大的降解才干；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(jí)細(xì)菌的構(gòu)建ABBACABC圖52 多質(zhì)粒超級(jí)菌的構(gòu)建表示簡圖質(zhì)粒細(xì)胞的染色體注：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)生氧化或其它反響。在純培育下，共代謝只是一種截止式轉(zhuǎn)化，但在混合培育和自然環(huán)境條件下，轉(zhuǎn)化可為其它微生物進(jìn)展的共代謝或其他生物對(duì)

9、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，故污染物在有適宜的底物和環(huán)境條件下可經(jīng)過共代謝作用而降解。ABCDE1E2E2E1微生物對(duì)污染物降解與轉(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(jìn)展。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。微生物代謝活動(dòng)中的化學(xué)作用本質(zhì)是酶反響氧化作用復(fù)原作用脫羧作用水解作用脫氨基作用等影響微生物對(duì)物質(zhì)降解轉(zhuǎn)化作用的要素1微生物的代謝活性不同種類微生物對(duì)同一底物的反響不同；微生物在不同的生長時(shí)期的活性是不一樣

10、的，在對(duì)數(shù)期代謝最旺盛，活性最強(qiáng)。微生物的種類組成決議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)。微生物的順應(yīng)性馴化Domestication：是一種定向選育微生物的方法與過程，經(jīng)過人工措施使微生物逐漸順應(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。影響微生物對(duì)物質(zhì)降解轉(zhuǎn)化作用的要素2化合物的構(gòu)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(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(jī)物的作用微生物分解有機(jī)物的作用可總括成如以下圖式：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)物的作用表示圖微生物對(duì)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(jí)脂肪酸蛋白質(zhì)肽氨基酸蛋白酶肽酶丁酸、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(nèi)酶厭氧微生物胞內(nèi)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(jī)物農(nóng)藥合成洗滌劑增塑劑多氯聯(lián)苯危險(xiǎn)性化合物危險(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構(gòu)造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，其緣由能夠是這些化合物進(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。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、增塑劑等危險(xiǎn)

13、性化合物的降解特點(diǎn)和研討雖然其在自然界能夠會(huì)有部分緩慢降解，微生物有能夠經(jīng)過多種途徑來改動(dòng)本身的構(gòu)造信息以獲得對(duì)這類化合物的降解才干，但這需求一個(gè)漫長的過程來實(shí)現(xiàn)，依托微生物的自然進(jìn)化過程遠(yuǎn)不能滿足要求，而且長此以往將會(huì)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(shí)間內(nèi)獲得最大的降解該物質(zhì)才干的方法顯得愈加重要和迫切。近年來科學(xué)任務(wù)者做了大量任務(wù)，包括：經(jīng)過長時(shí)間的馴化來得到具有一定降解才干的微生物群體；經(jīng)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(duì)危險(xiǎn)性化合物的降解研討中發(fā)現(xiàn)，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(gè)或一個(gè)以上的營養(yǎng)菌群如發(fā)酵水解菌群、產(chǎn)

14、硫菌群、產(chǎn)乙酸菌群、產(chǎn)甲烷菌群等經(jīng)過多步反響將有毒化合物轉(zhuǎn)化為礦化最終產(chǎn)物。研討人員根據(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)微生物的根本生長參數(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。有機(jī)污染物的生物可降解性及其評(píng)價(jià)方法什么是生物可降解性？一切化合物根據(jù)微生物對(duì)它們的降解性可分成可生物降解、難生物降解和不可生物降解。評(píng)價(jià)生物可降解性的方法：測定生物氧化率測呼吸線測定相對(duì)耗氧速度曲線測BOD5與COD Cr之比測COD30培育法時(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5

15、6 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(fù)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。生物中最活潑的是細(xì)菌，捕

16、食細(xì)菌的原生動(dòng)物和微型生物亦起很大作用。水體自凈過程的三個(gè)階段和三個(gè)變化三個(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 ；三個(gè)變化變化一：有機(jī)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(dòng)物數(shù)量 藻類 ；變化三：DO的變化： DO DO 恢復(fù)原有程度氧垂曲線Oxygensag Curve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

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?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)污染程度超越河流的自凈才干時(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)黑臭景象，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(jī)理廢水生物處置實(shí)踐是水體的自凈原理在水污染治理中的運(yùn)用，即模擬天然水體自凈作用的生物過程。在特定構(gòu)筑物中人工發(fā)明適宜條件，充分發(fā)揚(yáng)微生物的作用以高速度、高效率凈化污水，經(jīng)過微生物代謝

18、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(xì)胞構(gòu)成物C、H、O、N、維生素等能 源受氫體微生物微生物細(xì)胞合成生物污泥分解能量代謝產(chǎn)物熱能CO2、H2O、SO42、NO3、NH4、PO43、H2S、CH4、有機(jī)酸、醇等排水排出不可降解殘留物內(nèi)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?xì)菌、原生動(dòng)物等微生物與懸浮物質(zhì)、膠體物質(zhì)混雜在一同構(gòu)成的具有吸附分解有機(jī)物才干的絮狀體?；钚晕勰嗍蔷哂泻軓?qiáng)的吸附分解有機(jī)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(diǎn)具有很強(qiáng)的吸附才干具有很強(qiáng)的分解、氧化有機(jī)物的才干圖具有較強(qiáng)的食物鏈?zhǔn)澄镦溤介L，作為能量耗費(fèi)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(yīng)較少