第六章 环境污染生物净化原理2006

第六章环境污染生物净化原理第一节环境污染净化概述第二节生物对污染的净化原理第二篇环境污染的生物净化第一节环境污染净化概述一、环境污染物的类型和来源二、环境污染治理方法概述污水处理方法物理法化学法生物法沉淀法过滤法离心分离法浮选法吸附法萃取法吹脱法蒸发结晶法反渗透法化学凝聚法中和法氧化还原法离子交换法活性污泥法生物膜厌氧反应器法光合细菌法A/O工艺（－）污水处理方法二、环境污染治理方法概述1．物理法－物理作用分离悬浮态（1）沉淀法（重力分离法）：比重不同，借沉降（或上浮）作用分离，如洗砂池、沉淀池、隔油池。（2）过滤法：过滤介质（如钢条、筛网、砂、布、塑料、微孔管等）截留。格栅、微滤机、砂滤池、真空过滤机、压滤机等等。（3）离心分离法：离心力作用。（4）浮选法（气浮法）：加压溶气水打入废水，使细小悬浮颗粒粘附在气泡上，形成浮渣。（5）吸附法：活性炭、硅藻土等吸附剂-溶解性有机、无机污染物。（6）萃取法：不同溶解度来回收有机物。高浓度会酚废水中酚的回收，回收率可达90％以上。（7）吹脱法：大量空气通入、使溶解性气体吹入大气。含CO、H2S、HCN等废水处理。（8）蒸发结晶法：加热蒸发，使溶质浓缩，再冷却结晶。如酸洗钢材的含酸废水可采用此法处理，分离出硫酸亚铁晶体及酸性母液。（9）反渗透法：压力下过半渗透膜，溶质被截留，废水浓缩，残留污染物浓缩液可采用焚烧等进一步处理。2．化学法（1）化学凝聚法：水中胶体物质通常带负电荷，投加带有相反电荷电解质（即凝聚剂），凝聚大颗粒下沉，或气浮法上浮。凝聚剂有硫酸铝、硫酸亚铁、三氯化铁、碱铝、聚铁以及消石灰、明矾等。（2）中和法：（3）氧化还原法：投加氧化剂或还原剂。氧化剂有空气、漂白粉、氯气、臭氧等，多用含酚、氰、硫等处理。还原剂有铁屑、硫酸亚铁、二氧化硫，多用于含铬、含汞处理。（4）离子交换法：树脂物理、化学方法结合的电解法、电渗析法3．生物法利用微生物生命活动过程，对废水污染物质进行转移和转化作用，使废水净化（废水生化处理）。物理、化学与生物处理组合，生物处理作为主体。生物处理的优点：(1)去除效率较高：(2)经济；(3)出水水质一般较好(除非原水中含有难降解物质)；(4)污泥沉降性能好，对进一步脱水有利。缺点：(1)运行较复杂，污泥膨胀和上浮现象，需要经验；(2)对原水质有一定要求，否则妨害微生物成长；(3)气候严寒地带如不采取特殊措施难以适用；(4)一般占地面积较大。大气污染净化方法气溶胶态气态重力沉降旋风除尘静电除尘过滤除尘气体吸附气体吸收（二）大气污染净化方法1．气溶胶状态污染物的控制（1）重力沉降：重力。重力沉降室。（2）旋风除尘：含尘气流作旋转运动，颗粒离心力分离。旋风除尘器。（3）静电除尘：静电力从气体分离悬浮粒子。静电除尘器。（4）过滤式除尘：过滤介质对气流中尘粒吸收（由于惯性碰撞、布朗扩散、截留效应、重力沉降、静电沉降等共同作用，而被滤料吸收）2．气体状态污染物的吸附与净化（1）气体吸附法：多孔性固体处理流体混合物浓集在固体表面而与其他组分分离。（2）气体吸收法：溶解度不同。大气污染生物净化方法生物吸收法生物洗涤法生物过滤法可溶性气体复合型臭气土壤、堆肥3．生物处理方法（1）生物吸收法：微生物和培养液组成的微生物吸收液作吸收剂，然后再进行好氧处理，去除液体中吸收的污染物，可溶性气态污染物。（2）生物洗涤法：污水处理厂剩余的活性污泥配置混合液作吸收剂，脱除复合型臭气。（3）生物过滤法：含微生物的固体颗粒吸收废气中污染物，然后微生物再将其转化为无害物质。常用固体颗粒：土壤和堆肥。（三）固体废弃物处理方法1．工业废弃物（l）物理与化学方法：覆盖石头、泥土（2）生物方法：在废石和尾矿上栽种永久性植物，以起固定废石和尾矿作用。2．城市垃圾的处理和利用（l）填埋法：压实，覆盖土壤。（2）堆肥法：自然界微生物，人为促进可供微生物生长的有机物向稳定腐殖质进行生物转化。（3）制取沼气：利用有机垃圾，采用严格厌氧环境，经过多种微生物发酵作用，生成可燃气体--甲烷(沼气)。（4）焚烧：热能可生产蒸汽或电能。三、环境污染净化指标除含有有毒有害物或特定污染物的废水外，常采用BOD、COD、SS、pH、含氮化合物等项目作为其污染指标和净化度指标。1、BOD生物化学需氧量（BiochemicalOxygenDemand）指20℃微生物好氧分解水样中有机物所消耗溶解氧量（mg/L）。BOD5为5天。5为BOD5碳化需氧量（有机碳氧化为CO2），6后为硝化需氧量（还原态氮氧化为亚、硝态氮）异养细菌原生动物占20%典型BOD曲线（20天）自养-硝化细菌-氧化氨BOD20=BODu=UODTODBOD5=2/3BOD202、化学需氧量COD（ChemicalOxygenDemand）COD表示废水中有机污染物重量的98％；BOD表示微生物能降解的有机物数量。重铬酸钾氧化率可达80％—100％。但部分直链脂肪族化合物、芬香烃和吡啶类环式化合物不易被氧化。=异化作用同化作用（0.8异化分解+0.2不能分解）COD=CODB+CODNBBODuCODB=还原性无机物（硫化物、亚硫酸盐、亚硝酸盐）耗氧使BOD偏低COD=a×BOD5+b3.总需氧量（TotalOxygenDemand）废水有机物彻底燃烧氧化的总需氧量。高温900℃条件下，有机物(难分解有机物和部分无机还原性物质)燃烧过程中，通过气体载体中氧量的减少测定被燃烧物质氧化过程中所消耗的氧数量。TOD分析仪自动分析4.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。红外线分析仪测定CO2。生活污水：BOD5/TOC=1.38CODcr/TOC=3.13-3.455、固体物质（1）总固体（TS）：单位体积水样在103℃～105℃蒸发干后的残留物质总量；（2）悬浮固体（SS）与溶解性固体（DS）：废水经过滤器过滤，可将TS分成：被滤器截留的为悬浮固体SS，通过滤器进入滤液中的为溶解性固体DS；（3）挥发性固体（VS）与非挥发性固体（FS）：水样固体物经550℃灼烧lh，固体中有机物即被气化挥发---挥发性固体VS；残剩的固体为非挥发性固体FS，主要是由砂、石、无机盐等组成的灰分。6、含氮化合物有机氮(蛋白质、氨基酸、尿素、尿酸、偶氮染料等物质中所含的氮)—氨化为氨态氮氨氮（NH3－N及NH4+－N）--氧化为硝态氮亚硝酸盐氮（NO2—－N）硝酸盐氮（NO3—-N）。指标：氨氮、硝态氮7、生物污染指标（1）细菌总数：（2）大肠菌群数：第二节生物对污染净化原理一、微生物对物质降解与转化的特点二、微生物对污染物降解与转化的途径降解光降解化学降解生物降解氧化还原水解酯化乙酰化DDT—DDD+DDE微生物降解的生物化学作用1．氧化作用:污染物在微生物氧化酶类的作用下，引入氧原子使氧化水平提高（1）醇的氧化：如乙醇乙酸，醋化醋杆菌丙二醇乳酸，氧化节杆菌（2）醛的氧化：如乙醛乙酸，铜绿假单胞菌；（3）甲基的氧化：如甲苯安息香酸，铜绿假单胞菌；（4）氨的氧化：NH3NO2-，亚硝化单胞菌属；（5）亚硝酸的氧化：NO2-NO3-，硝化杆菌属；（6）硫的氧化SSO42—，氧化硫硫杆菌；（7）铁的氧化：Fe2+Fe3+，氧化亚铁硫杆菌2．还原作用：污染物在微生物还原酶类作用下被还原（1）乙烯基：延胡索酸－－琥珀酸，大肠杆菌；（2）醇：乳酸－－丙酸，丙酸梭菌；（3）硝酸：硝酸根－－氨，土壤微生物；（4）硫酸：硫酸－－硫化氢，脱硫弧菌3．水解作用：酯类水解，许多微生物；4．酯化作用：如乳酸－－乳酸酯；5．乙酰化作用：如克氏梭菌。实质都是酶反应。三、影响微生物降解转化的因素1．微生物代谢活性微生物种类和生长状况等。不同种类微生物对同一有机底物或有毒金属反应不同。如加Hg时，杀死铜绿假单胞菌，降低荧光假单胞菌，而枯草和巨大芽孢杆菌氧化汞。2．微生物适应性微生物具有较强的适应和被驯化的能力。分：可，难、不可生物降解。①烃类化合物：•链烃环烃，直链烃支链烃，不饱和烃饱和烃。支链烷基愈多愈难降解。•碳原子上的氢都被烷基或芳基取代时，会形成生物阻抗物质。②主要分子链上C被其他元素取代时，对生物氧化的阻抗就会增强。OSN。3．化合物结构③C原子上至少一个氢C原子H都被烷基或芳基所取代。④官能团的性质及数量。例如，苯环上的氢被羟基或氨基取代，形成苯酚或苯胺时，与原来的苯相比较，将更易被生物降解。卤代作用却使生物降解性降低。⑤化合物分子量大小。高分子化合物，生物可降解性降低。提倡:“环境友好材料”。3．化合物结构4．环境因素（1）温度：温度是酶反应动力学的重要支配因素。（2）酸碱度：生长和繁殖的最佳pH范围不同。（3）营养：微生物生长除碳源外，还需要氮、磷、硫、镁等无机元素。H2O（4）氧：降解转化过程可能是好氧的，也可能是厌氧的。（5）底物浓度：1．生物大分子有机物降解—易微生物降解，消耗DO物质降解顺序：污水中单糖和蛋白质首先酶解然后是淀粉、脂肪、几丁质、纤维素、木质素及其它高分子化合物。在中、高温期堆肥降解顺序是：淀粉脂肪蛋白质腐殖质。四、微生物对常见污染物的降解与转化（1）蛋白质A.氨基酸脱氨基作用－氧化脱氨（好氧微生物）丙酮酸（2）氨基酸有的转化成另一种氨基酸或合成蛋白质和某些含氮化合物；有的进行降解，主要通过脱氨基和脱羧基。B.还原脱氨--厌氧菌C.水解脱氨—大肠杆菌及变形杆菌（2）氨基酸色氨酸吲哚饱和脂肪酸D.氨基酸脱羧作用（2）氨基酸（3）多糖：含10个以上单糖残基的缩聚物细胞外酶水解成单体-----细胞内酶降解A.纤维素：300-2500个葡萄糖高分子缩聚物。植物细胞壁成分，占干重35-60％。β－1，4糖苷键纤维素降解：纤维素－－纤维素糊精－－纤维二糖－－葡萄糖（厌氧：丁酸发酵成丁酸、丁醇、乙酸、乙醇、CO2、H2O；奥氏梭菌、高温溶纤维素梭菌、木霉、曲霉、青霉、葡萄状穗霉、好热霉等好氧:CO2、H2O；噬纤维粘菌属、纤维弧菌属、纤维单胞菌属等）产纤维素酶：•C1酶：水解天然纤维素•Cx酶（又称β－1，4葡聚糖酶）：切割多糖及四、三寡糖为纤维二糖、葡萄糖•β－葡萄糖苷酶：纤维二糖、三糖为葡萄糖。（3）多糖：A.纤维素：（3）多糖：B.淀粉热水溶解时可溶的是直链淀粉（10－20％），不溶解的为支链淀粉（80-90％）。直链淀粉相当于250-300个葡萄糖分子以α－1，4糖苷键缩和而成。（3）多糖：B.淀粉支链淀粉：支链淀粉相当于6000个以上葡萄糖分子以α－1，4糖苷键及α－1，6糖苷键缩和而成。（3）多糖：B.淀粉淀粉水解：淀粉－－糊精－－麦芽糖－－葡萄糖淀粉酶：---4种酶共同作用,完全水解•α－淀粉酶：专切割α－1，4糖苷键生成糊精、麦芽糖、少量葡萄糖•β－淀粉酶：从链一端每次切下一个麦芽糖•异淀粉酶：作用于α－1，6糖苷键生成糊精•葡萄糖淀粉酶：从链一端每次切下一个葡萄糖---------糖酵解微生物：•芽孢杆菌属、假单胞菌属、节杆菌属、无色杆菌属、溶淀粉梭菌、淀粉梭菌等（4）脂类－脂肪、类脂质、蜡质脂类降解：微生物：好氧：假单孢菌、分枝杆菌、无色杆菌、芽孢杆菌等C、能源β氧化－－乙酸脂肪降解：2.烃类化合物的微生物降解－－碳氢化合物（甲烷16-1000）气体：甲、乙、丙、丁烷，乙炔、乙烯、丙烯挥发性液体：汽油、苯、甲苯固体（蜡）：烷烃类、烯烃类、炔烃类、芳烃类、脂环烃类（1）烷烃类易降解性:链烃环烃;正构异构烷烃;直链烃支链烃。直链烃中碳链长碳链短。A.甲烷：CH4---CH3OH---HCHO---HCOOH--CO2专一甲基营养型细菌：甲烷氧化弯曲菌、甲基孢囊菌、甲基杆菌、甲基单胞菌、甲基球菌。B.乙、丙、丁烷甲烷共氧化为酸类、酮类或专一分解。多种脱氢酶系2.烃类化合物的微生物降解C.高级烷起始氧化有三种途径：•生成羧酸：常见。末端的甲基被氧化