第五章环境管理

1、n 第二篇 环境污染的生物净化n 第五章 环境污染生物净化的原理n 本章将讨论以下内容：n 环境污染净化概述n 生物对污染净化原理n 5.1 环境污染净化概述5.1.1 环境污染物的类型和来源n 地表水体污染物 生活污水 工业废水 农业废水和灌溉水n 大气污染物 气溶胶状态污染物 粉尘、烟、飞灰、雾 飘尘、降尘、总悬浮颗粒 气体状态污染物 含硫化合物、含氮化合物、碳氢化合物、碳氧化合物、卤素化合物 一次污染物和二次污染物n 固体废弃物 n 5.1.2 环境污染治理方法概述n 污水处理方法 物理法：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 化学法：化学凝聚

2、法、中和法、氧化还原法、离子交换法 物化法：电解法、电渗析法 生物法：好氧法、厌氧法等n 大气污染物净化方法n 气溶胶状态污染物的控制方法 重力沉降 旋风除尘 静电除尘 过滤式除尘n 气体状态污染物的吸附与净化 气体吸收法 气体吸附法n 大气污染物的生物净化方法 生物吸收法 生物洗涤法 生物过滤法n 固体废弃物的处理方法n 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n 城市垃圾 填埋法 堆肥法 制取沼气 焚烧法n 5.1.3 环境污染的污染与净化指标n BOD5n CODn TODn TOCn 固体物质n 含氮化合物n pH值n 生物污染指标 细菌总数n 大肠菌群总

3、数n 生化需氧量BODn 生化需氧量BOD（Biological Oxygen Demand） 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。n 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。n BOD曲线BOD曲线的七个阶段：n （1）微生物增殖的迟缓期n （2）细菌的对数生长期n （3）耗氧平缓阶段 n （4）原生动物耗氧峰n （5）耗氧再次平缓阶段n

4、 （6）硝化细菌耗氧峰n （7）所有的微生物继续减少，有机物最终转化为CO2和H2O。n 化学需氧量COD（Chemical Oxygen Demand）n 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COD Cr 的测定值近似地代表废水中的全部有机物。n BOD 和COD的比较n 废水处理中多以B

5、OD 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。n 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。n COD： 一般表示废水中有机污染物重量的98，几乎可以表示出有机物全部氧化所需氧量，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。n 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COD B，另一部分为不能够被微生物降解的

6、有机物的耗氧量CODN B。 BOD u COD B BOD 5 = 0.58 COD Bn 总需氧量TOD和总有机碳TOCn 总需氧量TOD （Total Oxygen Demand）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。n 总有机碳TOC（Total Organic Carbon） 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BOD 5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

7、染的程度。n 固体物质n 总固体n 悬浮固体n 溶解性固体n 挥发性固体n 非挥发性固体n 含氮化合物n 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：NH3N、NH4N和硝态氮：NO2N、 NO3N。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n 5.2 生物对污染

8、净化原理5.2.1微生物对污染物降解与转化n 微生物对物质降解与转化的特点n 微生物对污染物降解与转化的途径n 影响微生物对物质降解转化作用的因素n 微生物对常见污染物的降解与转化n 有机污染物的生物可降解性及其评价方法n 微生物对物质降解与转化的特点:n 微生物个体微小，比表面积大，代谢速率大；n 种类繁多，分布广泛，代谢类型多样；n 微生物具有多种降解酶；n 微生物繁殖快，易变异，适应性强；n 微生物具有巨大的降解能力； 质粒（Plasmid）：染色体外遗传物质，是在原核微生物中除染色体外，还存在的一种较小的携带少量遗传基因的环状DNA分子。 质粒可用来培育优良菌种，或用作基因工程中基因转

9、移的载体。 例如：多功能超级细菌的构建n 共代谢（CoMetabolism） 微生物在利用生长基质A时（从中获得能量、碳源或其他任何营养），同时非生长基质B（不能从中获得能量或营养）也伴随着发生氧化或其它反应。 在纯培养下，共代谢只是一种截止式转化，但在混合培养和自然环境条件下，转化可为其它微生物进行的共代谢或其他生物对某种物质的降解铺平道路，使其代谢产物可继续降解，故污染物在有合适的底物和环境条件下可通过共代谢作用而降解。n 微生物对污染物降解与转化的途径n 自然界中化学物质的降解的3种方式：这三种方式往往综合交叉进行。 光降解 化学降解 生物降解（Biodegradation）：指由于生物

10、的作用，把污染物大分子转会为小分子，实现污染物的分解或降解。其中微生物所起的降解作用最大，故也称为微生物降解。n 微生物代谢活动中的化学作用（实质是酶反应） 氧化作用 还原作用 脱羧作用 水解作用 脱氨基作用等n 影响微生物对物质降解转化作用的因素（1）n 微生物的代谢活性 不同种类微生物对同一底物的反应不同； 微生物在不同的生长时期的活性是不相同的，在对数期代谢最旺盛，活性最强。 微生物的种类组成决定化合物降解的方向和速度，同时微生物的种类组成又与环境中的化学物质有关。n 微生物的适应性 驯化（Domestication）：是一种定向选育微生物的方法与过程，通过人工措施使微生物逐步适应某特定

11、条件，最后获得具有较高耐受力和代谢活性的菌株。n 影响微生物对物质降解转化作用的因素（2）n 化合物的结构 烃类：链烃的易降解性大于环烃，直链烃大于支链烃，不饱和烃大于饱和烃，支链烷基越多，越不易被降解 当主链上的C被S、N、O取代时，对生物氧化的阻抗上升 当C原子上的H被烷基或芳基取代时，会生成生物氧化的阻抗物。 官能团的性质和数量 分子量大小n 环境因素 温度 酸碱度 营养 氧 底物浓度n 微生物分解有机物的作用n 微生物分解有机物的作用可总括成如下图式：n 微生物对常见污染物的降解与转化n 生物大分子的降解 糖类：以纤维素和淀粉的分解为例，见图54，55 脂肪 蛋白质n 烃类n 石油类n

12、 人工合成有机物 农药 合成洗涤剂 增塑剂 多氯联苯n 微生物对常见污染物的降解与转化n 降解微生物/index.htmln 降解途径 /n 美国典型微生物菌种保藏中心 American Type Culture Collection(ATCC)n 网址：n ATCC 主要从事农业、遗传学、应用微生物、免疫学、细胞生物学、工业微生物学、菌种保藏方法、医学微生物学、分子生物学、植物病理学、普通微生物学、分类学、食品科学等的研究。 该中心保藏有藻类111株，细菌和抗生素16865株，细胞

13、和杂合细胞4300株，丝状真菌和酵母46000株，植物组织79株，种子600株，原生动物1800株，动物病毒、衣原体和病原体2189株，植物病毒1563种。另外，该中心还提供菌种的分离、鉴定及保藏服务。该中心保藏的菌种可出售。 n 德国微生物菌种保藏中心Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen (DSMZ) n 网址：www.dsmz.de/n DSMZ成立于1969年，是德国的国家菌种保藏中心。该中心一直致力于细菌、真菌、质粒、抗菌素、人体和动物细胞、植物病毒等的分类、鉴定和保藏工作。 该中心是欧洲规模最大的生物资源中心，保

14、藏有细菌9400株，真菌2400株，酵母500株，质粒300株，动物细胞500株，植物细胞500株，植物病毒600株，细菌病毒90株等。该中心保藏的菌种可出售。另外，该中心还提供菌种的分离、鉴定保藏服务 n 1.甲基对硫磷降解菌Alcaligenes.sp.YcX-20的分离鉴定及降解性能研究n Isolation, Identification and Characterization of a Methyl-Parathion Degrading Bacteriumn 2005年05期n 采用室内培养方法,对分离到的一株具有降解甲基对硫磷活性的细菌进行了鉴定,并对其降解性能进行了研究.通过

15、形态观察、生理生化特征及16S rDNA同源性分析将其初步鉴定到属,并确定为产碱菌属的一个新种,命名为Alcaligenes.sp.YcX-20,16SrDNA序列在GenBank中注册号为AY.其酯酶活性随菌液浓度和培养时间的增加呈上升趋势;在基础培养基中可耐受700mgL-1的甲基对硫磷,在普通培养基中耐受浓度达2 500mgL-1;X-20可降解甲基对硫磷形成对硝基苯酚;以甲基对硫磷为惟一碳源时,30培养30 h降解率达60. n 2. 产碱菌（Alcaligenes sp.）119转化苯丙酮酸形成L苯丙氨酸的研究 n 微生物学报1993年 33卷 6期 ：418-426n 从土壤中分离

16、到一株产碱菌，能将苯丙酮酸一步转化成苯丙氨酸。酶反应的最适为，该酶在之间稳定，最适反应温度为，金属离子，等对酶有不同程度的抑制作用。该菌株培养在由葡萄糖，蛋白胨、牛肉膏等组成的培养基中，可获得最高转化率。天冬氨酸为酶反应的最佳氨基供体。当苯丙酮酸浓度为时，细胞在下反应小时，可产苯丙氨酸n 有机污染物的生物可降解性及其评价方法n 什么是生物可降解性？通过微生物的活性使某一物质改变其原有的化学和物理性质的特性,可用这种物质被微生物所分解或消耗的难易和快慢程度来表示n 有机物生物降解性能的分类：1）易生物降解易于被微生物作为碳源和能源物质而被利用；2）可生物降解能够逐步被微生物所利用；3）难生物降解

17、降解速率很慢或根本不降解。n 评价生物可降解性的方法 测定生物氧化率 测呼吸线 测定相对耗氧速度曲线 测BOD5与COD Cr之比 测COD30 培养法n 1. 测定生物氧化率n 瓦氏呼吸仪检测好氧量n 被测化合物的生物氧化率实际好氧量/理论好氧量n 瓦氏呼吸仪的使用方法 /swxsyzx/ReadNews.asp?NewsID=442n 瓦氏呼吸仪对硝基苯类污染物可生化性的研究n STUDY OF BIODEGRADABILITY OF NITROBENZENE WITH WARBURG RESPIROMETERn 2004年05期陈华 , 李燕 ,

18、严莲荷 , 周申范 利用瓦氏呼吸仪测定微生物耗氧量的方法,对硝基苯类污染物可生化性进行了研究.结果表明预处理、废水浓度以及污泥驯化对提高硝基苯类废水的生物降解性能有重要的意义.经铁碳内电解絮凝后的硝基苯类废水可生化性有明显提高,经驯化后的污泥能改善废水的生物降解性能.硝基苯可生化性的抑制浓度为200400mg/L.实验证明利用瓦氏呼吸仪测定硝基苯类废水可生化性具有直接、快速的优点. n 2. 测呼吸线n 内呼吸线：微生物以自身的细胞物质为底物进行呼吸，其呼吸速度是恒定的，好氧量与时间的变化程直线关系。n 生化呼吸线：微生物以外源底物进行呼吸，好氧量随时间的变化是一条特征曲线。n 比较内呼吸线和

19、生化呼吸线，就可对底物的可生物降解性进行评价。n 4. 测BOD5与COD Cr之比n 根据BOD5与COD Cr之比,推测废水的可生物降解性废水的可生化性n BOD5与COD Cr之比 0.45， 生化性较好 0.30， 可生化 0.30, 较难生化 0.25, 不宜生化5. 测COD306. 培养法其他的方法：脱氢酶活性的变化，ATP量的变化等n 5.2 废水生物处理的原理5.2.1 水体自净作用n 什么是水体自净作用（water cleansing，selfpurification） 水体自净作用指天然水体受到污染后，在无人为处理条件下，借助水体自身的能力使之得到净化的过程。 该过程中包

20、括稀释、沉降等物理作用，氧化、还原、分解、凝聚等化学作用，还有更重要的生物作用，即生物对无机物和有机物的同化和异化作用。 生物中最活跃的是细菌，捕食细菌的原生动物和微型生物亦起很大作用。n 水体自净过程的三个阶段和三个变化n 三个阶段 阶段一：有机物进入河流，有机物浓度，异养菌数量，DO ； 阶段二：有机物浓度，异养菌数量 ，原生动物数量 ，DO ； 阶段三：有机物浓度，异养菌数量 ，原生动物数量 ，藻类数量 ，DO ；n 三个变化 变化一：有机污染物浓度由高降至低； 变化二：生物相发生一系列变化：异养菌 原生动物数量 藻类 ； 变化三：DO的变化： DO DO 恢复原有水平n 氧垂曲线（Ox

21、ygensag Curve）n 自净过程中DO的变化 有机物浓度 ，耗氧速率复氧速率， DO 有机物浓度，耗氧速率复氧速率， DO DO min 有机物浓度 0，耗氧速率复氧速率， DO DO 饱和n 氧垂曲线的概念 河流受到污染后，河水中DO含量的变化情况用一条曲线来表示，曲线呈下垂状，叫做氧垂曲线。（见下图） 氧垂曲线从耗氧这个侧面反映了河流的自净过程。当有机污染程度超过河流的自净能力时，河流将出现无氧的河段，此段的有机物转入无氧分解，出现黑臭现象，此时，氧垂曲线出现中断。故氧垂曲线可作为衡量水体自净的指标。n 5.2.2 废水生物处理的作用机理n 废水生物处理实际是水体的自净原理在水污染

22、治理中的应用，即模拟天然水体自净作用的生物过程。n 在特定构筑物中人工创造适宜条件，充分发挥微生物的作用以高速度、高效率净化污水，通过微生物代谢产生的酶来降解转化有机物，将有机物最终转化为无害的二氧化碳和水，从而使废水得到净化。n 污水处理中的生化过程n 活性污泥法和生物膜法n 目前最常用的生物处理方法是活性污泥法和生物膜法。n 活性污泥和生物膜的概念 活性污泥是由细菌、原生动物等微生物与悬浮物质、胶体物质混杂在一起形成的具有吸附分解有机物能力的絮状体活性污泥是具有很强的吸附分解有机物能力的、充满微生物的污泥； 生物膜是附着在填料上呈薄膜状的活性污泥。n 生物填料n 悬浮型生物填料n 悬挂型填

23、料 n 弹性立体填料n 活性污泥和生物膜的特点n 具有很强的吸附能力n 具有很强的分解、氧化有机物的能力n 具有较强的食物链 食物链越长，作为能量消耗的比例就越大，在系统中存在的生物量就比较少，所剩余的污泥量就相应较少，可减轻生物处理后污泥处理的负担。n 具有良好的沉降性能 处理水易与污泥分离，最终达到废水净化的目的。n 5.2.3 废水生物处理的类型n 按所利用的微生物种类 好氧处理：活性污泥法 厌氧处理：污泥消化 兼性处理：生物膜法n 按处理系统中微生物存在的状态 悬浮生长系统 固定膜系统n 按反应器的形式 完全混合式反应器 间歇式反应器 完全推流式反应器 固定填充床式反应器 流化床式反应器n 掌握概念： BOD、COD、共代谢、生物可降解性、水体自净要点：有机污染物的可生物降解的确定