第六章 环境污染生物净化的原理

第六章环境污染生物净化的原理环境生物学向下向上末页首页返回结束第六章环境污染生物净化的原理本章要点：6.1环境污染净化概述6.1.1环境污染治理方法概述6.1.2一般废水的污染和净化度指标6.2生物对污染的净化原理*6.2.1微生物对污染物的降解与转化6.2.2废水生物处理的基本原理第六章环境污染生物净化的原理环境生物学向下向上末页首页返回结束6.1环境污染净化概述6.1.1环境污染治理方法概述污水处理方法物理法沉淀法（或重力分离法）、过滤法、离心分离法、浮选法（气浮法：与气泡和浮选剂亲合）、吸附法、萃取法、吹脱法、蒸发结晶法、反渗透法化学法化学凝聚法、中和法、氧化还原法、离子交换法理化结合法电解法、电渗析法生物法*利用微生物的生命活动过程，对废水中的污染物质进行转移和转化作用，从而使废水得到净化的处理方法。由于整个过程基本上是在微生物所产生的酶的参与下发生的生物化学反应，因此通常将废水生物处理称为废水生化处理。理、化、生物组合工艺根据废水性状和处理目标，把沉淀、过滤、凝聚等物理、化学处理与生物处理组合成一个系统，生物处理则作为其中的主体发挥着作用。第六章环境污染生物净化的原理环境生物学向下向上末页首页返回结束6.1环境污染净化概述大气污染净化方法理化方法①气溶胶状态污染物：重力沉降（重力沉降室）、旋风除尘（旋风除尘器）、静电除尘（静电除尘器）、过滤式除尘②气体状态污染物：气体吸附法（利用液体吸收剂）、气体吸收法（利用多孔性固体物质）生物方法*①生物吸收法：利用微生物和培养液组成的微生物吸收液作为吸收剂处理废气，然后再进行好氧处理，去除液体中吸收的污染物。②生物洗涤法：利用污水处理厂剩余的活性污泥配置混合液，作为吸收剂处理废气。③生物过滤法：用含有微生物的固体颗粒吸收废气中的污染物，然后微生物再将其转化为无害物质。第六章环境污染生物净化的原理环境生物学向下向上末页首页返回结束6.1环境污染净化概述固体废弃物处理方法固体废物的类型处理方法工业废弃物①物理与化学方法②生物方法（如在废石和尾矿上栽种永久性植物，以起固定废石和尾矿的作用）城市垃圾①填埋法②堆肥法：依靠自然界广泛分布的微生物，人为地促进可供微生物生长的有机物向稳定的腐殖质进行生物转化的微生物学过程。③制取沼气④焚烧第六章环境污染生物净化的原理环境生物学向下向上末页首页返回结束6.1环境污染净化概述6.1.2一般废水的污染和净化度指标一般废水：组分复杂，污染物的种类千差万别。含特定污染物的废水：组分明确，如含有毒有害物质、特定污染物—酚、氰（腈）、汞、铬、砷、油等。通常在评价一般废水时，采用一些具体的指标来反映废水中污染物质的含量和废水净化处理的程度和效果，从而确定所选净化工艺和设备的效率。一般废水染料废水造纸废水金矿有毒废水制药废水第六章环境污染生物净化的原理环境生物学向下向上末页首页返回结束6.1环境污染净化概述生物化学需氧量（BiochemicalOxygenDemand，BOD）废水中大多数有机污染物在相应的微生物及有氧存在的条件下，氧化分解时都要耗氧，且有机物的含量同耗氧量大小成正比。⊙BOD在20℃条件下，微生物好氧分解水样（废水或受污染的天然水）中有机物所消耗的溶解氧量。⊙BOD5微生物5d好氧分解有机物所消耗的氧的数量，包括碳化需氧量（有机碳氧化成CO2）和硝化需氧量（还原态氮氧化成NO3-或NO2-）。以每升水中消耗溶解氧的毫克数来表示－（mg/L）。一般来说，废水中所含基质不同，BOD5差别很大。第六章环境污染生物净化的原理环境生物学向下向上末页首页返回结束6.1环境污染净化概述八大指标生物化学需氧量化学需氧量总需氧量总有机碳固体物质含氮化合物pH值生物污染指标第六章环境污染生物净化的原理环境生物学向下向上末页首页返回结束6.1环境污染净化概述时间BOD⊙BOD曲线反映微生物在BOD测定瓶中耗氧的变化规律。BOD曲线可分7个阶段（整个时间经历大约20d）：细菌增殖的迟缓期细菌的对数生长期耗氧平缓阶段原生动物耗氧峰耗氧再次平缓阶段微生物减少，耗氧稳定硝化细菌耗氧峰TOD—总需氧量BODu或UOD—最终需氧量BOD20≈BODuTOD大量实际分析测定的结果表明：BOD5大致在5～6之间：BOD5≈2/3UOD第六章环境污染生物净化的原理环境生物学向下向上末页首页返回结束6.1环境污染净化概述化学需氧量（ChemicalOxygenDemand，COD）用强化学试剂在化学氧化被测废水所含有机物过程中所消耗的氧量。强氧化剂：如重铬酸钾（K2Cr2O7），所测得的COD表示为CODcr。COD值包括两部分：①能被生物降解的有机物的耗氧量，即CODB；②不能被生物降解的有机物的耗氧量，即CODNB。第六章环境污染生物净化的原理环境生物学向下向上末页首页返回结束6.1环境污染净化概述★BOD与COD之间的关系①BODuCODB：因为作为微生物营养基质的有机物中，约有1/3通过微生物的呼吸（异化）被氧化分解，并转变成能量；2/3的营养基质通过微生物的合成代谢（同化）转为细胞物质，即表现为菌体自身的增长。BODu=1/3CODB＋2/3CODB×0.8=0.87CODB微生物的呼吸作用微生物的自身增长菌体自身的分解率∵BOD5＝2/3BODu∴BOD5＝2/3×0.87CODB=0.58CODB一般情况下，即使废水中的有机污染物能全部被生物降解，也即假定COD＝CODB，BOD5/COD的最大值也只有0.58。第六章环境污染生物净化的原理环境生物学向下向上末页首页返回结束6.1环境污染净化概述②同一废水的COD与BOD之间的比例关系：COD＝a×BOD5＋ba、b为常数，对同一种废水，存在着一定的a、b值，可通过对该废水COD和BOD的多次平行测试进行推算（P206），根据这个关系式就可从水样的COD值来推算BOD的近似值。总需氧量（TotalOxygenDemand，TOD）指废水有机物彻底燃烧氧化（900℃）的总需氧量。一般可用TOD分析仪测定TOD值，3min即可自动分析出数据。但以TOD值表示的总耗氧量不能反映出生物可降解的那部分有机物数量。只有在统计出特定样品的TOD与BOD值之间的关系式之后，TOD指标在废水生物处理中的应用才可能有价值。第六章环境污染生物净化的原理环境生物学向下向上末页首页返回结束6.1环境污染净化概述总有机碳（TotalOrganicCarbon，TOC）在950℃，以铂为催化剂，高温燃烧水样，测定排出气体中的CO2含量，以此确定废水水样中碳元素的重量，并从中扣除碳酸盐等无机碳元素的含量（通过低温150℃燃烧测得），即为总有机碳。目前已有红外线分析仪测定CO2气体含量。因为TOC数据可靠性强，国内外已广泛使用TOC作为废水的有机污染指标。（目前普遍采用TOC测定仪测定）TOC测定仪★在生活污水中，TOC和BOD、COD之间的关系：BOD5/TOC=1.38CODCr/TOC=3.13～3.45第六章环境污染生物净化的原理环境生物学向下向上末页首页返回结束6.1环境污染净化概述★废水中各种有机污染物指标之间的关系理论有机碳量TOCThOC理论需氧量ThOD100%TODCODCrBODuBOD5有机碳量需氧量第六章环境污染生物净化的原理环境生物学向下向上末页首页返回结束6.1环境污染净化概述固体物质⊙总固体（TotalSolid，TS）单位体积的水样在103℃～105℃蒸发干后的残留物质总量。⊙悬浮固体（SuspendedSolid,SS）与溶解性固体（DissolvedSolid,DS）废水经过滤器过滤，可将TS分成两部分：被滤器截留的固体称为悬浮固体SS，通过滤器进入滤液中的固体称为溶解性固体DS。⊙挥发性固体（VolatileSolid,VS）与非挥发性固体（FilteredSolid,FS）把水样中的固体物，经550℃灼烧1h，固体中的有机物即被气化挥发，此即为挥发性固体VS；残剩的固体为非挥发性固体FS。废水中的TS、SS、DS都可分成VS和FS两部分。第六章环境污染生物净化的原理环境生物学向下向上末页首页返回结束6.1环境污染净化概述含氮化合物（NitrogenousCompounds）含氮化合物在废水处理中既是微生物重要的营养物质，又是废水污染和净化程度的重要指标。有机氮—蛋白质、氨基酸、尿素、尿酸、偶氮染料等物质所含的氮氨氮—NH3-N、NH4--N，水体黑臭的重要指标亚硝酸盐氮—NO2--N硝酸盐氮—NO3--N废水的净化主要是通过氧化达到无机化、稳定化，以及有效地去除总氮。第六章环境污染生物净化的原理环境生物学向下向上末页首页返回结束6.1环境污染净化概述pH值生产过程中采用碱性染料的染色废水一般pH较高，可达pH9～12。淀粉厂、豆制品厂废水往往酸度较高，pH在4～5左右。而处理后排放水的pH要求在6～9之间。因此在进入生物处理前，对此类过酸或过碱的废水需要将pH调节至生物可以耐受的范围。生物污染指标细菌细胞总数：废水样品中的总菌群数即为细菌总数。大肠菌群数：大肠菌群包括大肠埃希氏杆菌、肠杆菌、枸椽酸盐杆菌和克雷伯氏杆菌，是一类菌的总称。第六章环境污染生物净化的原理环境生物学向下向上末页首页返回结束6.2生物对污染的净化原理6.2.1微生物对污染物的降解与转化微生物对物质降解与转化的六大特点①个体微小，比表面积（m2/g）大，代谢速率快巨大的表面积与环境接触，成为巨大的营养物质吸收面、代谢废物排泄面和环境信息接受面，故而使微生物具有惊人的代谢活性。②种类繁多，分布广泛，代谢类型多样③具有多种降解酶：酶具有专一性，又具有诱导性④繁殖快，易变异，适应性强对进入环境的“新”污染物，微生物可通过基因突变，改变原来的代谢类型而适应、降解之。第六章环境污染生物净化的原理环境生物学向下向上末页首页返回结束6.2生物对污染的净化原理⑤具有巨大的降解能力大多数细菌具有降解性质粒（Plasmid）：质粒是菌体内一种环状DNA分子，是染色体以外的遗传物质。降解性质粒编码生物降解过程中的一些关键酶类。质粒能通过基因工程实现不同物种的细胞间转移，获得质粒的细胞同时获得质粒所具有的性状。将各种供体细胞的不同降解性质粒转移到同一个受体细胞中，可构建多质粒菌株，同时处理含多种成分的废水。第六章环境污染生物净化的原理环境生物学向下向上末页首页返回结束6.2生物对污染的净化原理⑥共代谢作用（Co-Metabolism）微生物在利用生长基质A时，同时非生长基质B也伴随着发生氧化或其它反应，这是由于B与A具有类似的化学结构，而微生物降解生长基质A的初始酶E1的专一性不高，在将A降解为C的同时，将B转化为D。必须有初级能源物质（可作为碳源和能源的生长基质）存在。定义条件特点共代谢微生物不能从非生长基质的转化作用中获得能量、碳源或其它任何营养。意义微生物的共代谢作用对于难降解污染物的彻底分解起着重要的作用。例如，甲烷氧化菌产生的单加氧酶是一种非特异性酶，可以通过共代谢降解多种污染物，包括对人体健康有严重威胁的三氯乙烯（TCE）和多氯联苯（PCBs）等。BDACE1第六章环境污染生物净化的原理环境生物学向下向上末页首页返回结束6.2生物对污染的净化原理微生物对污染物降解与转化的途径氧化作用1乙醇醋化醋杆菌乙酸丙二醇氧化节杆菌乳酸乙醛铜绿假单胞菌乙酸甲苯铜绿假单胞菌安息香酸NH3亚硝化单胞菌NO2-NO2-硝化杆菌NO3-S氧化硫硫杆菌SO4-Fe2+氧化亚铁硫杆菌Fe3+主要由一些杆菌和单胞菌来完成，由其所产生的酶催化的生化反应。还原作用2延胡索酸大肠杆菌琥珀酸乳酸丙酸羧菌丙酸NO3-多种微生物NH3H2SO4脱硫弧菌H2S第六章环境污染生物净化的原理环境生物学向下向上末页首页返回结束6.2生物对污染的净化原理脱羧作用3琥珀酸戊糖丙酸杆菌丙酸脱氨基作用4丙氨酸腐败芽孢杆菌氨基戊丙酸水解作用5酯类在多种微生物作用下进行水解。酯化作用6乳酸异形汉逊氏酵母菌乳酸酯脱水作用7甘油芽孢杆菌丙稀醛缩合作用8乙醛酵母菌3-