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1、有机污染物的降解第1页，本讲稿共44页生活污水、食品加工和造纸等工业生活污水、食品加工和造纸等工业废水，含有碳水化合物、蛋白质、氨基废水，含有碳水化合物、蛋白质、氨基酸、油酯、纤维素等有机物质，这些物酸、油酯、纤维素等有机物质，这些物质以悬浮状态或溶解状态存在于水中，质以悬浮状态或溶解状态存在于水中，排入水体后能在微生物作用下分解为简排入水体后能在微生物作用下分解为简单的无机物，在分解过程中消耗氧气，单的无机物，在分解过程中消耗氧气，使水体中的使水体中的溶解氧（溶解氧（DissolvedOxygen，DO）减少，因此称为减少，因此称为耗氧有机物。耗氧有机物。第2页，本讲稿共44页印染厂作孽八百
2、里洞庭？第3页，本讲稿共44页来自于水体外的耗氧有机物来自于水体外的耗氧有机物,主要有下列主要有下列三种三种:(1)水从土壤、泥炭和其他包含有生物遗体的各种形成物水从土壤、泥炭和其他包含有生物遗体的各种形成物中溶滤出来的物质中溶滤出来的物质.(2)随污水流到水中的需氧污染物包括生活污水、随污水流到水中的需氧污染物包括生活污水、畜禽污水等畜禽污水等。(3)工业废水包括造纸、制革、酿造、印染、焦化、石油工业废水包括造纸、制革、酿造、印染、焦化、石油化工等生产过程中产生的污水注入水体化工等生产过程中产生的污水注入水体,使水中含有各使水中含有各种复杂的有机污染物。种复杂的有机污染物。排入水体的需氧污染
3、物中排入水体的需氧污染物中,从排放的量上看从排放的量上看,生活污水是需氧生活污水是需氧污染物的最主要的来源污染物的最主要的来源.但畜禽污水及工业废水的生化需氧但畜禽污水及工业废水的生化需氧量一般比生活污水大数倍到数十倍量一般比生活污水大数倍到数十倍。第4页，本讲稿共44页1999年，美加五大湖是北美乃至全年，美加五大湖是北美乃至全世界重要湖泊群之一，其中首要污染物世界重要湖泊群之一，其中首要污染物就是包括有机物在内的毒性物质，由于就是包括有机物在内的毒性物质，由于有毒污染物的高残留性，近年来，五大有毒污染物的高残留性，近年来，五大湖鱼类体中仍能检测出湖鱼类体中仍能检测出1970年以来已禁年以来
4、已禁止使用的有毒污染物，如止使用的有毒污染物，如多氯联苯、滴多氯联苯、滴滴涕、二恶英、狄氏剂。滴涕、二恶英、狄氏剂。亚洲湖泊普遍亚洲湖泊普遍存在的问题除氮磷以外就是有机污染问存在的问题除氮磷以外就是有机污染问题。题。转载：http:/www.china- 4.97 11105.27.1 3.95.04.976.292.53.6水环境pH值范围在5pH8之内，酸催化是主要的。水环境pH值范围在5pH95%,氨氮去除率氨氮去除率90%。第21页，本讲稿共44页氧化反应氧化反应有机物在水环境中遇到的氧化剂主要有：有机物在水环境中遇到的氧化剂主要有：1O2（单重态氧）、（单重态氧）、RO2、RO和和O
5、H。RO2ArOHRO2H+ArORO2ArNH2RO2H+ArNH第22页，本讲稿共44页生物降解作用生物降解作用引起有机污染物分解的最重要的环境因素。引起有机污染物分解的最重要的环境因素。条件控制：条件控制：微生物驯化微生物驯化pH值值温度温度微生物的生态幅、酶的活性微生物的生态幅、酶的活性底物浓度底物浓度营养营养化合物结构化合物结构第23页，本讲稿共44页驯化：驯化：让某个物种长期生活在某种环境之下，导致该种的耐性让某个物种长期生活在某种环境之下，导致该种的耐性限度的改变。限度的改变。试验结果表明驯化作用对微生物降解苯酚的影响很大。微试验结果表明驯化作用对微生物降解苯酚的影响很大。微生物
6、未经驯化时，降解苯酚需约生物未经驯化时，降解苯酚需约3小时小时的停滞期，且停滞期随的停滞期，且停滞期随苯酚浓度增大而延长。经苯酚驯化的微生物，可立即降解苯酚浓度增大而延长。经苯酚驯化的微生物，可立即降解苯酚。分别用苯酚。分别用0.5mg/L和和1.0mg/L苯酚驯化的微生物去降解苯酚驯化的微生物去降解1.0mg/L苯酚试液，降解过程的前苯酚试液，降解过程的前4.5小时小时，其前者的降解，其前者的降解百分数均小于后者，随后二者无明显差别；对驯化后的百分数均小于后者，随后二者无明显差别；对驯化后的1.0mg/L和和5.0mg/L苯酚试液降解曲线进行拟合，结果前者苯酚试液降解曲线进行拟合，结果前者的
7、降解系数（的降解系数（K）小于后者降解系数，说明提高驯化微生）小于后者降解系数，说明提高驯化微生物的浓度可加速苯酚的降解。其它几种受试物驯化的微生物的浓度可加速苯酚的降解。其它几种受试物驯化的微生物也表现出类似结果。物也表现出类似结果。第24页，本讲稿共44页出现以上结果的原因可能为大多数微生物为出现以上结果的原因可能为大多数微生物为无性繁殖、无性繁殖、单细胞单细胞结构，整个细胞直接与环境接触。当有外来物结构，整个细胞直接与环境接触。当有外来物质存在时，在其能够忍受的毒性范围内易发生质存在时，在其能够忍受的毒性范围内易发生变异变异，形成主要以该种物质为碳源的微生物。该种微生形成主要以该种物质为
8、碳源的微生物。该种微生物的生长繁殖需要一个适应环境的过程，而在这物的生长繁殖需要一个适应环境的过程，而在这个过程中污染物浓度不会发生明显变化。当微生个过程中污染物浓度不会发生明显变化。当微生物适应环境后，以试验物为物适应环境后，以试验物为碳源碳源并开始急剧并开始急剧繁殖繁殖，污染物就开始降解。污染物就开始降解。第25页，本讲稿共44页对已接种驯化微生物的酚、邻氯酚、邻甲酚和间对已接种驯化微生物的酚、邻氯酚、邻甲酚和间苯二酚水样苯二酚水样（pH6.7）加酸或碱调节其加酸或碱调节其pH分别为分别为4.0、8.0、9.0和和10.0进行降解实验，所得结果显示进行降解实验，所得结果显示4种酚种酚的降解
9、均明显依赖于的降解均明显依赖于pH值。当值。当pH10.0，它们几乎均不降解；而它们几乎均不降解；而pH在在6.09.0时均发生明显时均发生明显降解，而且其降解系数随降解，而且其降解系数随pH的增大而减小，说的增大而减小，说明降解酚类化合物的微生物适宜在中性条件下生明降解酚类化合物的微生物适宜在中性条件下生存，过高或过低的存，过高或过低的pH值均不利于微生物的生长。值均不利于微生物的生长。分析其原因可能是分析其原因可能是pH的改变，引起了微生物的改变，引起了微生物表面电表面电荷改变荷改变，进而影响微生物对污染物的吸收。，进而影响微生物对污染物的吸收。第26页，本讲稿共44页底物浓度对酶促反应的
10、影响在底物浓度较低时，反应底物浓度对酶促反应的影响在底物浓度较低时，反应速率随底物浓度增加而加快，反应速率与底物浓度近速率随底物浓度增加而加快，反应速率与底物浓度近乎成正比；在底物浓度较高时，底物浓度增加，反应乎成正比；在底物浓度较高时，底物浓度增加，反应速率也随之加快，但不显著；当底物浓度很大，且达速率也随之加快，但不显著；当底物浓度很大，且达到一定限度时，反应速率就达到一个最大值到一定限度时，反应速率就达到一个最大值。有些化合物低浓度时容易被降解，浓度高了反而会有些化合物低浓度时容易被降解，浓度高了反而会抑制微生物的活性（如抑制微生物的活性（如吡啶）吡啶）第27页，本讲稿共44页第28页，
11、本讲稿共44页生物缺乏生物缺乏N、P等必须元素，使得无法合等必须元素，使得无法合成降解有机物相关的酶，因而大大影响成降解有机物相关的酶，因而大大影响降解速率。降解速率。微生物自身的生长也需要营养物质微生物自身的生长也需要营养物质第29页，本讲稿共44页烃类物质：链烃比环烃易分解，支链比烃类物质：链烃比环烃易分解，支链比直链难分解，支链越多越难降解。直链难分解，支链越多越难降解。苯酚和苯胺比苯易降解，卤代作用使有苯酚和苯胺比苯易降解，卤代作用使有机物的降解更加困难。机物的降解更加困难。化合物的分子量较大的话，由于酶难以化合物的分子量较大的话，由于酶难以进入内部，所以降解性降低。进入内部，所以降解
12、性降低。第30页，本讲稿共44页三、水体中代表性耗氧有机物的降解三、水体中代表性耗氧有机物的降解（一）、碳水化合物的降解（一）、碳水化合物的降解（二）、脂肪和油类的降解（二）、脂肪和油类的降解（三）、含氮有机物降解（三）、含氮有机物降解（四）、三类代表性耗氧有机物在后期降解过程（四）、三类代表性耗氧有机物在后期降解过程第31页，本讲稿共44页碳水化合物的生化降解碳水化合物的生化降解一）概念：一）概念：碳水化合物也叫糖，是自然界存在的最多的一类有碳水化合物也叫糖，是自然界存在的最多的一类有机化合物，是一切生命体维持生命活动所需能量的主要机化合物，是一切生命体维持生命活动所需能量的主要来源。糖也是
13、由来源。糖也是由C、H、O组成的不含组成的不含N的有机物，通式为：的有机物，通式为：Cn(H2O)m（二）根据它可否水解，水解后生成的物质可将其分为：（二）根据它可否水解，水解后生成的物质可将其分为：单糖：包括戊糖单糖：包括戊糖(C5H10O5)(代表：木糖、阿拉伯糖代表：木糖、阿拉伯糖)巳糖巳糖(C6H12O6)(代表：葡萄糖、果糖代表：葡萄糖、果糖)二糖、低聚糖：由二糖、低聚糖：由210个分子单糖缩合而成，可水解个分子单糖缩合而成，可水解为几个分子的单糖。为几个分子的单糖。C12H22O11(代表：蔗糖、乳糖代表：蔗糖、乳糖麦芽糖麦芽糖)多糖：许多单糖形成的高聚物，可分解成数千个单糖多糖：
14、许多单糖形成的高聚物，可分解成数千个单糖(代表：淀代表：淀粉、纤维素粉、纤维素)第32页，本讲稿共44页降解：降解：微生物在细胞膜外通过水解使其从多糖转化为二微生物在细胞膜外通过水解使其从多糖转化为二糖后，透过细胞膜进入细胞内作进一步的降解。糖后，透过细胞膜进入细胞内作进一步的降解。第33页，本讲稿共44页具体的反应方程式为：具体的反应方程式为：第34页，本讲稿共44页油脂的皂化反应油脂的皂化反应皂化反应皂化反应是碱催化下的脂水解反应，尤指油脂的水解。是碱催化下的脂水解反应，尤指油脂的水解。如：脂肪和植物油的主要成分是甘油三酯，它的碱水解方程式为：如：脂肪和植物油的主要成分是甘油三酯，它的碱水
15、解方程式为：CHOCOR|加热加热CHOCOR+3NaOH3RCOONa+CHOHCHOHCHOH|CHOCORR基可能不同，但生成的基可能不同，但生成的RCOONa都可以做肥皂都可以做肥皂。狭义的讲，皂化反应仅限于油脂与氢氧化钠或氢氧化钾混合，得到高狭义的讲，皂化反应仅限于油脂与氢氧化钠或氢氧化钾混合，得到高级脂肪酸的钠、钾盐和甘油的反应。这个反应是制造肥皂流程中的一步，级脂肪酸的钠、钾盐和甘油的反应。这个反应是制造肥皂流程中的一步，因此而得名。因此而得名。第35页，本讲稿共44页脂肪和油可以通过脂肪酶（属水解酶）脂肪和油可以通过脂肪酶（属水解酶）水解为甘油和脂肪酸。水解为甘油和脂肪酸。脂肪
16、酶不仅存在于人脂肪酶不仅存在于人和动物的小肠中，也存在于细菌、霉菌以及富含和动物的小肠中，也存在于细菌、霉菌以及富含油脂的植物种子中。油脂的植物种子中。CH2O-COR1CH2OH|脂肪酶脂肪酶|R2OC-OCH+H2OR2OC-OCH+R1COOH+R3COOH|CH2O-COR3CH2OH第36页，本讲稿共44页含氮有机物的生化降解含氮有机物的生化降解一一、含氮有机物简介：、含氮有机物简介：含氮有机物指除含氮有机物指除C、H、O外，还含有外，还含有N、S、P等元素的有机化合等元素的有机化合物，包括蛋白质、氨基酸、尿素、物，包括蛋白质、氨基酸、尿素、腈类、胺类及硝基化合物等。腈类、胺类及硝基
17、化合物等。含氮有机物降解比不含氮有机物降解难，其含氮有机物降解比不含氮有机物降解难，其产物与不含氮有机物降产物与不含氮有机物降解产物会发生相互作用。解产物会发生相互作用。污染性也更强。污染性也更强。第37页，本讲稿共44页尿素及其降解尿素及其降解一）、尿素简介一）、尿素简介尿素亦称尿素亦称“脲脲”。化学式。化学式CO(NH2)2。白色晶体，易。白色晶体，易溶于水。人类和动物尿中主要的含氮物质，是蛋溶于水。人类和动物尿中主要的含氮物质，是蛋白质的代谢产物。白质的代谢产物。（二）、尿素的降解（二）、尿素的降解在有氧条件下氨化在有氧条件下氨化第38页，本讲稿共44页三类代表性耗氧有机物在后期降解过程
18、三类代表性耗氧有机物在后期降解过程一）硝化和硫化：含氮有机物的降解产物一）硝化和硫化：含氮有机物的降解产物NH3和和H2S都会造成水的都会造成水的污染，如果在污染，如果在有氧条件有氧条件下，可由细菌作用继续发生硝化和下，可由细菌作用继续发生硝化和硫化过程。硫化过程。（1）硝化：）硝化：第一阶段：第一阶段：2NH3+3O22HNO2+2H2O+1Q(6105J)第二阶段：第二阶段：2HNO2+O22HNO3+Q(2105J)（2）硫化：由硫化细菌作用，将）硫化：由硫化细菌作用，将H2S氧化为氧化为S2和硫酸盐和硫酸盐第一阶段：第一阶段：2H2S+O22H2O+S2+Q第二阶段：第二阶段：S2+3
19、O2+2H2O2H2SO4+Q第39页，本讲稿共44页）反硝化：反硝化：缺氧水体，不能进行硝化过程，使硝酸盐又缺氧水体，不能进行硝化过程，使硝酸盐又还原为还原为NH3，称为反硝化过程。称为反硝化过程。即嫌气细菌把即嫌气细菌把NO3和和NO2作为呼吸作用的受作为呼吸作用的受氢体，使它们发生还原反应，逐步又转化为还原态，氢体，使它们发生还原反应，逐步又转化为还原态，形式是气体形式是气体N2O和和N2。NO3NO2N2ON2从这种转化过程，可作为耗氧有机物自净过程的从这种转化过程，可作为耗氧有机物自净过程的判断标志。判断标志。第40页，本讲稿共44页耗氧有机物在降解后期都生成低级有耗氧有机物在降解后
20、期都生成低级有机酸类物质，在无氧条件下进行酸性发机酸类物质，在无氧条件下进行酸性发酵，这时的产物酵，这时的产物(有机酸有机酸)未能完全氧化而未能完全氧化而停留在酸、醇、酮等化合物状态，停留在酸、醇、酮等化合物状态，pH值值会迅速下降，如果会迅速下降，如果pH值降得太多，可使值降得太多，可使细菌中断生命活动而使生物降解无法进细菌中断生命活动而使生物降解无法进行行(酸性发酵）酸性发酵）但如果条件适宜，就可发生另一种发但如果条件适宜，就可发生另一种发酵过程，使有机物在无氧条件下继续氧酵过程，使有机物在无氧条件下继续氧化，这就是甲烷发酵，最终产物是甲烷化，这就是甲烷发酵，最终产物是甲烷气体气体CH4。
21、第41页，本讲稿共44页甲烷发酵的条件：甲烷发酵的条件：A、在甲烷细菌作用下、在甲烷细菌作用下B、绝对厌氧条件、绝对厌氧条件C、最适的最适的pH值为值为6.47.2D、最佳温度为、最佳温度为3270之间。之间。这些条件在污水和污泥中广泛存在，这些条件在污水和污泥中广泛存在，可分解这些酸性发酵产生的低级的醇、可分解这些酸性发酵产生的低级的醇、酸及醋酸。酸及醋酸。第42页，本讲稿共44页因此，有机物降解的后期过程可出现不同情况因此，有机物降解的后期过程可出现不同情况(有氧：硝有氧：硝化、硫化；无氧：反硝化、甲烷发酵化、硫化；无氧：反硝化、甲烷发酵)对于任一水质体系处于无氧条件，有三种情况可发生：对
22、于任一水质体系处于无氧条件，有三种情况可发生：A、酸性发酵状态：酸性发酵状态：碳水化合物处于发酵状，而蛋白质尚未碳水化合物处于发酵状，而蛋白质尚未大量分大量分解，那么体系的解，那么体系的pH值急剧下降，甲烷发酵很少，主值急剧下降，甲烷发酵很少，主B、甲烷发酵：、甲烷发酵：如果要为酸性发酵状态，条件不充分。如果要为酸性发酵状态，条件不充分。水体中碳水化合物分解缓慢，水体中碳水化合物分解缓慢，pH值没有值没有过分降低时，蛋白质已进行相当数量的分解，这时蛋白质的过分降低时，蛋白质已进行相当数量的分解，这时蛋白质的脱氨作用生成的脱氨作用生成的NH4OH很多，就可能使体系的很多，就可能使体系的pH超过超过8.0，难以发酵。可以中和产生的有机酸，使体系的难以发酵。可以中和产生的有机酸，使体系的pH不下降，维不下降，维持在持在6.08.0范围内，使甲烷发酵发展。范围内，使甲烷发酵发展。C、不发酵：、不发酵：蛋白质含量过高时，脱氨作用加快，速度加大，则产物为蛋白质含量过高时，脱氨作用加快，速度加大，则产物为NH4OH。第43页，本讲稿共44页还我绿水谢谢大家第44页，本讲稿共44页