难降解有机物的处理

难降解有机物的处理及处理原理难降解有机物的处理及处理原理 摘要 难降解有机物严重污染和威胁人类身体健康 因此难降解有机物的治理技术 研究是目前水污染防治研究的热点与难点 近年来 难降解有机物的生物处理技术 研究取得了广泛的成果 目前运用生物技术处理难降解有机物的主要技术路线 包 括共代谢技术 缺氧反硝化技术 高效菌种技术 细胞固定化技术 厌氧水解酸 化预处理技术 关键词 难降解有机污染物 生物技术 共代谢技术 1 前言 难降解有机物通常指在自然条件难于被生物作用发生递降分解的有机化学物 质 有机物被微生物降解 转化为无机物 又由于无机物经过生命活动合成各 种有机物 这是自然界生物地球化学的基本循环 合成洗涤剂 有机氯农药 多氯联苯等化合物在水中较难被生物降解 无氮有机物中的脂肪和油类也是难 降解物质 它们往往通过食物链逐步被浓缩而造成危害 在生产 使用过程中 以及使用后 会通过各种途径进入水体造成污染 难降解物质在环境中的持久 性 以及广域的分散性 对环境与生态造成影响较大 因此 一直是环境污染 生态环境恶性循环的重要环节 难降解有机物被微生物分解时速度很慢 分解不彻底的有机物 也包括某些有 机物的代谢产物 这类污染物易在生物体内富集 也容易成为水体的潜在污染 源 这类污染物包括多环芳烃 卤代烃 杂环类化合物 有机氰化物 有机磷 农药 表面活性剂 有机染料等有毒难降解有机污染物 这些物质的共同特点 是毒性大 成份复杂 化学耗氧量高 一般微生物对其几乎没有降解效果 如 果这些物质不加治理地向环境排放 势必严重地污染环境和威胁人类的身体健 康 随着工农业的迅速发展 人们合成了越来越多的有机物 其中难降解有机物 占了很大比例 因此难降解有机物的治理研究已引起国内外有关专家的高度重 视 是目前水污染防治研究的热点与难点 2 难降解有机物的处理方式 2 1 难降解有机物的分类 难降解 难生物降解 有机物是指微生物在任何条件下不能以足够快的速度降 解的有机物 形成有机物难于生物降解的原因除了在处理时的外部环境条件 如 温度 pH 值等 没有达到生物处理的最佳条件外 还有两个重要的原因 一是 由于化合物本身的化学组成和结构 在微生物群落中 没有针对要处理的化合 物的酶 使其具有抗降解性 二是在废水中含有对微生物有毒或者能抑制微生物 生长的物质 有机物或无机物 从而使得有机物不能快速的降解 1 这些难降 解的有机物种类繁多 来源于各行各业如化工 印染 农药等 且有潜在的危 险 表 1 列出了主要的难降解有机物的种类及危害 2 2 难降解有机物的主要处理方法及原理 目前国内外针对难降解有机物的主要处理方法主要有 生物法 物化学 氧 化法及联合处理法等 2 2 1 氧化技术 1 化学氧化法 常用于生物处理的前处理 一般是在催化剂的作用下 用化 学氧化剂处理有机废水可提高废水可生化性 或直接氧化降解废水中有机物使 之稳定化 常用的氧化剂有 O3 H2O2 KMnO4等 现代工业的发展使含有高 浓度难生化降解有机物的工业废水日益增多 对于这类废水的处理 常用氧化剂 表现出氧化能力不强 存在选择性氧化等缺点 难以达到实际的要求 2 湿式氧化法 湿式氧化法是在高温高压条件下 利用空气或氧气将有机物 氧化为 CO2和水 不受废水浓度的限制 处理效果较好 但对设备要求高 3 催化氧化法 催化氧化法可分为光催化氧化 均相催化氧化 多相催化氧 化 超临界水氧化法等 2 2 2 物化法 物化法处理难降解有机污染物主要有吸附法 萃取法 各种膜处理技术等 2 2 3 生物法 表 1 难降解有机污染物的种类及危害 难降解有机物危害 多环芳烃类化合物性质稳定 致癌性强 杂环类化合物性质稳定 生物富集 具有致突变 致癌作用 有机氰化合物剧毒物质 合成洗涤剂发泡 影响生物处理效果且对多环芳 烃具有增溶效果 多氯联苯通过食物链进入人体 对人体产生急 性中毒和致癌作用 增塑剂稳定性强 对人体中枢神经具有抑制 作用 合成农药对人体具有毒性及致癌作用 合成染料色度高 有毒性且致癌 1 生物强化技术 生物强化技术主要是指通过接种能够降解难降解有机物的微生物来改善原有 生物处理体系对难降解有机物的去除效能 如提高含难降解有机物废水中难降 解有机物的去除率 用于土壤的生物修复 去除其中难降解有机污染物等 高 效菌株的培育与来源主要有 从自然界中筛选 构建基因工程菌 水平基因转 移等 2 共代谢技术 共代谢是微生物为了适应复杂的生存环境而长期进化形成的一种特性 在共 代谢过程中 微生物利用一种基质的同时还能够分解另外一种基质 微生物利 用一种易于摄取的基质作为碳和能量的来源 称为第一基质 同时共代谢基质 或者称为第二基质被微生物分解 第二基质包括很多难降解物质 如稠环芳烃 杂环化合物 染料中间体以及农药等 共代谢存在于各种各样的微生物中 包 括好氧微生物 厌氧微生物和自养微生物 在微生物共代谢反应中产生的既能 代谢转化生长基质又能代谢转化目标污染物的非专一性的酶是微生物共代谢反 应发生的关键 这种非专一性的酶被称为关键酶 共代谢的作用机理实际上是 非专一性关键酶的产生和作用的机理 目前在污水处理领域报道的关键酶主要 有两大类 即单氧酶和双氧酶 这两类酶通常处在反应链的首端或末端 是整个反 应的 步伐控制器 其数量与活性决定整个反应进行的速率和程度 关键酶的 一个重要的特点是其诱导性 通常只有在一定浓度的诱导基质存在时细菌才能 合成并释放关键酶 所以共代谢只有在诱导基质存在且达到一定浓度时才能够 发生 通常对于难降解的工业有机废水 由于缺乏易降解的诱导基质 使有机物 的生物降解难以进行 研究表明 通过补充碳源的方式可以促进共代谢的发生 提高难降解有机物的降解性 3 缺氧反硝化技术 在缺氧条件下 反硝化菌可以利用有机碳源作为反硝化过程的电子供体 而以硝 酸盐氮或亚硝酸盐氮作为电子受体进行厌氧呼吸 因此 反硝化过程可以在脱氮的 同时去除有机碳 缺氧反硝化降解难降解有机物就是在缺氧条件下 为反硝化菌 提供适当比例的氮源 使反硝化菌对有机物进行降解 在缺氧反硝化过程中投加 的氮源是有机物降解的关键和限制因素 C N 比对缺氧反硝化的降解效果有着 重要意义 C N 比过大时 有机物降解不完全 C N 比过小时 出水中会含有 过量的硝酸盐氮或亚硝酸盐氮 所以 只有在适当的 C N 比下 才能保证有机 物的完全降解及出水中几乎没有硝酸盐氮或亚硝酸盐氮 4 细胞固定化技术 细胞固定化技术是通过物理 化学手段使游离细菌固定在载体上 它是生物 工程领域中的一项新兴技术 用于污水处理 按照细胞的制备方法可分为载体结 合法 交联法和包埋法 固定化载体对细胞起一 种保护作用 固定化载体对有机污染物的扩散会产生阻碍作用 使得细胞表面 的实际污染物浓度降低 毒性减小 细胞经固定化后 在载体与细胞之间建立了某 种物理或化学联系 增加了细胞膜的稳定性 固定化细胞所处的微环境与游离细 胞不同 这种微环境的变化可能会引起细胞的形态结构 生理特性及代谢活性的 改变 以上固定化细胞特有的性能 使微生物对有毒物质的承受能力及降解能力 都有明显提高 细胞固定化技术在难降解有机污染物治理中的应用研究十分广 泛 用于处理难降解有机污染物的固定化技术主要有 PVA 包埋 海藻酸钙包埋 及各种载体的吸附等 5 厌氧水解酸化预处理技术 厌氧水解酸化预处理过程通常要经过水解和酸化阶段 第一阶段为水解阶段 大分子有机物或不溶性有机物质 经过微生物胞外酶的水解催化作用可水解为小 分子或可溶性有机物 如葡萄糖 氨基酸和甘油等 第二阶段为酸化阶段 在厌氧 或兼性厌氧的条件下 葡萄糖通过 EMP 途径生成丙酮酸 氨基酸生成乙酸 不 饱和脂肪酸 丙酮酸等 甘油生成丙酮酸 厌氧水解酸化技术不必控制严格的 好氧或厌氧条件 只要保持厌氧或兼厌氧条件 即可达到很好的效果 厌氧水解酸化预处理技术对于处理含难降解有机物的废水是一种有效的手段 它能将大分子难降解的有机物转化为小分子易降解的有机物 改善废水的可生化 性 为后续好氧生化处理创造条件 同时 经水解一酸化预处理 出水水质稳定 减小