环境生物学 05 环境污染生物净化的原理

第五章环境污染生物净化的原理本章将讨论以下内容：环境污染净化概述生物对污染净化原理第一节环境污染净化概述一、环境污染物的类型和来源（1）地表水体污染物•生活污水：生活污水中含有大量有机物，如纤维素、淀粉、糖类和脂肪蛋白质等；也常含有病原菌、病毒和寄生虫卵；无机盐类的氯化物、硫酸盐、磷酸盐、碳酸氢盐和钠、钾、钙、镁等。总的特点是含氮、含硫和含磷高,在厌氧细菌作用下，易生恶臭物质。•工业废水:是指工业生产过程中产生的废水和废液，其中含有随水流失的工业生产用料、中间产物、副产品以及生产过程中产生的污染物。生产过程中排出的水。•农业废水和灌溉用水：农作物栽培、牲畜饲养、农产品加工等过程中排出的、影响人体健康和环境质量的污水或液态物质。其来源主要有农田径流、饲养场污水、农产品加工污水。污水中含有各种病原体、悬浮物、化肥、农药、不溶解固体物和盐分等。农业污水数量大、影响面广。（二）大气污染物定义：是指由于人类活动或自然过程引起某些物质进入大气中，呈现出足够的浓度，达到足够的时间，并因此危害了人体的舒适、健康和福利或环境的现象。1.气溶胶状态污染物:固体、液体粒子或它们在气体介质中的悬浮体。其粒径约为0.002—100μm大小的液滴或固态粒子。粉尘、烟、飞灰、雾飘尘、降尘、总悬浮颗粒2.气体状态污染物：以分子状态存在的污染物，大部分为无机气体。常见的有五大类；以SO2为主的含硫化合物，以NO和NO2为主的含氮化合物，COX、碳氢化合物以及卤素化合物等。一次污染物：直接从污染源排放到大气中的原始污染物。如：硫氧化物，氮氧化物，碳氧化物和碳氢化物等。二次污染物：由一次污染物与大气其他组分经过一系列化学或者光化学反应而生成的新污染物。硫酸烟雾和光化学烟雾。（三）固体废弃物定义：固体废弃物是指人类在生产、消费、生活和其他活动中产生的固态、半固态废弃物质(国外的定义则更加广泛，动物活动产生的废弃物也属于此类)，通俗地说，就是“垃圾”。1、矿业废物：废矿石、尾矿、金属、废木砖瓦、石灰等。2、工业废物：冶金、交通、机械金属结构等工业。3、城市垃圾：居民生活，商业机关，市政维护、管理部门。4、农业废弃物：稻草、秸杆、蔬菜、水果等。5、放射性废物：核工业、核电站放射性医疗、科研单位。二、环境污染治理方法概述（一）污水处理方法1、物理法：用物理作用分离废水中的悬浮状态的污染物。（1）沉淀法：污水流入池内由于流速降低，污水中地固体物质在重力作用下进行沉淀，而使固体物质与水分离，这种工艺分离效果好，简单易行，应用广泛，如污水处理厂的沉砂池和沉淀池。沉砂池主要去除污水中密度较大的固体颗粒，沉淀池则主要用于去除污水中大量的呈颗粒状的悬浮固体。（2）过滤法：用石英沙、筛网、尼龙布、隔栅等作过滤介质，对悬浮物进行截留；（3）离心分离法：在机械高速旋转的离心作用下，把不同质量的悬浮物或乳化油通过不同出口分别引流出来，进行回收；（4）吸附法：用活性炭，硅藻土等吸附剂，吸附去除废水中溶解的有机或者无机污染物。（5）蒸发结晶法：加热使污水中的水气化，固体物得到浓缩结晶；（6）磁力分离法：利用磁场力的作用，快速除去废水中难于分离的细小悬浮物和胶体，如油、重金属离子、藻类、细菌、病毒等污染物质。（7）浮选法：把加压的溶气水打入废水中，使废水中细小的悬浮颗粒粘附在气泡上，随气泡上升至水面，形成浮渣而去除。2、化学法（1）化学凝聚法：指将污水中加入明矾，充分搅拌，使带电荷的胶体离子沉淀下来；（2）中和法：酸碱中和法是指采用加碱性物质处理酸性废水，加酸性物质处理碱性废水，让两者中和后，加以过滤可将废水基本净化（3）氧化还原法：氧化还原法是加入化学氧化剂或还原剂，有选择地改变废水中有毒物质的性质，使之变成无毒或微毒的物质；（4）离子交换法：利用离子交换剂的离子交换作用来置换污水中的离子态物质。3、生物法利用微生物的代谢作用除去废水中有机污染物的一种方法，亦称废水生物化学处理法,简称废水生化法,分需氧生物处理法和厌氧生物处理法两种。需氧生物处理法:利用需氧微生物在有氧条件下将废水中复杂的有机物分解的方法。厌氧生物处理法:主要用于处理污水中的沉淀污泥，因而又称污泥消化，也用于处理高浓度的有机废水。这种方法是在厌氧细菌或兼性细菌的作用下将污泥中的有机物分解，最后产生甲烷和二氧化碳等气体，这些气体是有经济价值的能源。（二）大气污染物净化方法1.气溶胶状态污染物的控制•重力沉降：含尘气体中的颗粒受重力作用而自然沉降的原理，将颗粒污染物与气体分离的过程。•旋风除尘：使含尘气流作旋转运动，借作用于颗粒上的离心力，把颗粒污染物从气体中分离出来的过程。•静电除尘：利用静电力从气体中分离悬浮粒子的一种除尘方法，所采用的是静电除尘器。过滤式除尘：利用过滤介质对气流中的尘粒吸收的的方法。2、气体状态污染物的吸附与净化主要借助分子间和分子内的作用力，吸收并去除污染物•气体吸收法：利用物质的溶解度不同来分离气态污染的方法。•气体吸附法：用一种多孔性固体处理流体混合物，使其含有的一种或者几种污染物组分浓集在固体表面，而与其他组分分离的过程。3、大气污染物的生物净化方法•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，适合处理可溶性的气态污染物。•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，对脱除复合型臭气效果很好。•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。常用土壤和堆肥。（三）固体废弃物的处理方法工业废弃物•物理与化学法：覆盖法、化学反应剂法•生物法：栽种永久性植物城市垃圾•填埋法•堆肥法•制取沼气•焚烧法三、环境污染的污染与净化指标BOD5：生化需氧量COD：化学需氧量TOD：总需氧量TOC：总有机碳固体物质含氮化合物pH值生物污染指标•细菌总数•大肠菌群总数生化需氧量BOD生化需氧量BOD（BiologicalOxygenDemand）•概念：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5天好氧分解有机物所消耗的溶解氧量。有机物生化耗氧过程的两个阶段•碳化阶段：将有机物分解成CO2、H2O、NH3，碳化作用消耗的氧量称为碳化需氧量。•硝化阶段：NH3被转化为亚硝酸盐和硝酸盐，硝化作用消耗的氧量称为硝化需氧量。BOD曲线BOD曲线的七个阶段：（1）微生物增殖的迟缓期耗氧量增加缓慢，原因：细菌本来就处于延迟期，细菌刚刚进入新的营养及环境条件，有个适应的过程，BOD1234567t/clTODUOD图5－1BOD曲线（2）细菌的对数生长期特点：耗氧量迅速增加原因：异养细菌利用废水中的营养物质而迅速增值。BOD1234567t/clTODUOD图5－1BOD曲线（3）耗氧平缓阶段特点：耗氧量减少原因：废水中养分被异养细菌所消耗，细菌生长因营养缺乏而减慢，逐渐进入内源呼吸。BOD1234567t/clTODUOD图5－1BOD曲线（4）原生动物耗氧峰特点：耗氧量增加原因：原生动物的活动所引起的。原生动物以细菌为食。BOD5中，原生动物的耗氧量约占20%。BOD1234567t/clTODUOD图5－1BOD曲线（5）耗氧再次平缓阶段特点：耗氧量下降。原因：原生动物的食物逐渐耗尽，原生动物大量死亡。BOD1234567t/clTODUOD图5－1BOD曲线（6）硝化细菌耗氧峰特点：缓慢增加原因：硝化细菌对氨的氧化而耗氧的结果。硝化作用引起的好氧峰一般都在5d以后，所以BOD5主要是异养生物对含碳有机物氧化分解的结果。BOD1234567t/clTODUOD图5－1BOD曲线（7）所有的微生物继续减少，有机物最终转化为CO2和H2O。BOD1234567t/clTODUOD图5－1BOD曲线一般来说，（1）-（7）过程约20d，即BOD20大致等于BODU（又称UOD，最终需氧量）；BODU小于TOD（总需氧量）；BOD5约为2/3BODU2、化学需氧量COD（ChemicalOxygenDemand）概念•COD是指在一定条件下，用强氧化剂处理水样时所消耗氧化剂的量，以氧的毫克/升来表示。•它反映了水中受还原性物质污染的程度，水中还原性物质包括：有机物、亚硝酸盐、亚铁盐、硫化物等。水被有机物污染是很普遍的，故COD也作为有机物相对含量的指标之一。•在规定条件下，强氧化剂重铬酸钾K2Cr2O7可氧化大多数常见的有机污染物，故在实际使用中常把CODCr的测定值近似地代表废水中的全部有机物。BOD和COD的比较废水处理中多以BOD和COD两个指标来度量水样的有机污染物浓度和被净化程度。BOD：•反映的是微生物能够降解的那部分有机物的数量，基本上反映出水体中生物氧化分解有机物所消耗的氧量，比较符合实际，但检出时间过长，不能迅速及时指导生产实践，而且毒性大的废水可抑制微生物的作用而影响结果，甚至无法测定。COD：•一般表示废水中有机污染物重量的98％，测定不受水质限制，并可在数小时内完成；但是它不能反映微生物能够降解的那部分有机物的数量。BOD和COD的关系：•可以认为COD包括两部分：一部分为能够被微生物降解的有机物的耗氧量CODB，另一部分为不能够被微生物降解的有机物的耗氧量CODNB。•BODuCODB•BODU=1/3CODB＋（2/3CODB）×0.8=0.87CODB•BOD5==2/3BODU=0.58CODB•事实上，由于硫化物、亚硝酸盐等的存在BOD50.58CODBCOD=a×BOD5+b3、总需氧量TOD和总有机碳TOC总需氧量TOD（TotalOxygenDemand）指：有机物和少量无机物在铂催化下，在燃烧炉900℃高温燃烧成稳定的最终产物所消耗的氧的量。总有机碳TOC（TotalOrganicCarbon）•是以碳的含量表示水体中有机物质总量的综合指标。•它的测定采用燃烧法：在950℃和铂催化下，测定二氧化碳的含量，并扣除150℃燃烧测得的碳酸盐等无机碳元素的含量。•该法能将有机物全部氧化，比BOD5和COD更能直接表示有机物的总量，故常常被用来评价水体中有机物污染的程度。BOD5/TOC=1.38CODCr/TOC=3.13~3.454、固体物质总固体（TS）：单位体积的水样在103-105℃蒸干后的残留物质总量悬浮固体（SS）：废水经过滤器过滤，被滤器截留的固体溶解性固体（DS）：废水经过滤器过滤，通过滤器进入滤液中的固体挥发性固体（VS）：水样中的固体物，经550℃灼烧1h，固体中有机物被气化挥发。非挥发性固体（FS）：水样中的固体物，经550℃灼烧1h后残留的固体。主要是砂、石、无机盐等组成的灰分。5、含氮化合物含氮化合物的几种化学形态•有机氮：蛋白质、氨基酸、尿素等•无机氮：包括氨氮：NH3－N、NH4＋－N和硝态氮：NO2－－N、NO3－－N。常用水质测定指标•总氮：包括有机氮和无机氮化合物的测定。•凯氏氮：指以凯氏法测得的氮量，包括了氨氮和在此条件下能被转化为铵盐的而测定的有机氮化合物。此类有机氮化合物主要指蛋白质、氨基酸、核酸、尿素以及氮为负三价的有机氮化合物，由于一般水中存在的有机氮化合物多为这些，故，在测定凯氏氮和氨氮之后，两者的差值即有机氮。•氨氮•亚硝酸盐氮•硝酸盐氮有机氮：不稳定，易转化成氨氮氨氮：不稳定，可进一步氧化成硝氮硝氮：较稳定，是水质净化的指标亚硝氮：不稳定，是水体老化的指标氨态氮的好氧作用是造成水体变黑的主要原因。6、pH值7、生物污染指标•细菌总数•大肠菌群总数第二节生物对污染净化原理一、微生物对污染物降解与转化微生物对物质降解与转化的特点微生物对污染物降解与转化的途径影响微生物对物质降解转化作用的因素微生物对常见污染物的降解与转化有机污染物的生物可降解性及其评价方法（一）微生物对物质降解与转化的特点1、微生物个体微小，比表面积大，代谢速率大同样重量的大肠杆菌和人，前者的表