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1、第二篇 环境污染的生物净化第五章 环境污染生物净化的原理本章将讨论以下内容：v环境污染净化概述v生物对污染净化原理5.1 环境污染净化概述5.1.1 环境污染物的类型和来源地表水体污染物生活污水工业废水农业废水和灌溉水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固体废弃物 5.1.2 环境污染治理方法概述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：化学凝聚法、中和法、氧化还原法、离子交换法物化法：电解法、电渗
2、析法生物法：好氧法、厌氧法等大气污染物净化方法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气体状态污染物的吸附与净化气体吸收法气体吸附法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5.1.3 环境污染的污染与净化指标BOD5CODTODTOC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（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
3、消耗的溶解氧量溶解氧量。BOD5：微生物5天天好氧分解有机物所消耗的溶解氧溶解氧量量。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（2）细菌的对数生长期（3）耗氧平缓阶段（4）原生动物耗氧峰（5）耗氧再次平缓阶段（6）硝化细菌耗氧峰（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51 BOD曲线化学需氧量COD（Chemical Oxygen D
4、emand）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。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
5、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，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。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有机物的耗氧量CODN B。BOD u COD BBOD 5=0.58 COD B总需氧量TOD和总有机碳TOC总需氧量TOD（Total Oxygen Demand）指：有机物
6、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（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染的程度。固体物质总固体悬浮固体溶解性固体挥发性固体非挥发性固体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：NH3N、NH4N和硝态氮：NO2N、NO3N。常用水质测定
7、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5.2 生物对污染净化原理5.2.1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微生物对物质降解与转化的特点:微生物个体微小，比表面积大，代谢
8、速率大；种类繁多，分布广泛，代谢类型多样；微生物具有多种降解酶；微生物繁殖快，易变异，适应性强；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移的载体。例如：多功能超级细菌的构建ABBACABC图52 多质粒超级菌的构建示意简图质粒细胞的染色体注：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，
9、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。ABCDE1E2E2E1微生物对污染物降解与转化的途径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。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影响微生物对物质降解转化作用的因素（1）微生
10、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。微生物的适应性驯化（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条件，最后获得具有较高耐受力和代谢活性的菌株。影响微生物对物质降解转化作用的因素（2）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
11、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环境因素温度酸碱度营养氧底物浓度微生物分解有机物的作用微生物分解有机物的作用可总括成如下图式：复杂有机物简单有机物需氧微生物胞内酶厌氧微生物胞内酶微生物胞外酶CO2、H2OCO2、H2O、H2、CH4、H2S及有机酸、醇、酮、醛等未完全氧化产物图53 微生物分解有机物的作用示意图微生物对常见污染物的降解与转化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脂肪蛋白质脂肪H2O脂肪酶甘油高级脂肪酸蛋白质肽氨基酸蛋白酶肽酶丁酸、CO2、H2等CO2、H2、有机酸等淀粉葡萄糖需氧微生物胞内酶厌氧微生物胞内酶微生物淀粉酶CO2
12、、H2O图55 淀粉分解途径示意图纤维素葡萄糖需氧微生物胞内酶厌氧微生物胞内酶 H2O纤维素酶CO2、H2O图54 纤维素分解途径示意图纤维二糖 H2O纤维素酶烃类石油类人工合成有机物农药合成洗涤剂增塑剂多氯联苯危险性化合物危险性化合物（Hazardous Chemicals）的概念微生物具有降解自然界产生的有机化合物的代谢机制，从而促使地球有机碳平衡，而在自然界具有新颖结构的合成化合物（异型生物质，又称非生物性物质，xenobiotics）往往对微生物的降解表现出抗逆性，其原因可能是这些化合物进入自然界的时间比较短，微生物界还未进化出降解此类难降解化合物的代谢机制。这些化合物大多数对环境具有
13、毒害作用，故称之危险性化合物。危险性化合物来源人工合成的农药、杀虫剂、除草剂、防腐剂、溶剂、增塑剂等危险性化合物的降解特点和研究尽管其在自然界可能会有部分缓慢降解，微生物有可能通过多种途径来改变自身的结构信息以获得对这类化合物的降解能力，但这需要一个漫长的过程来实现，依靠微生物的自然进化过程远不能满足要求，而且长此以往将会造成生态系统的失衡。因此，研究一些可以使微生物群体在较短时间内获得最大的降解该物质能力的方法显得愈加重要和迫切。近年来科学工作者做了大量工作，包括：通过长时间的驯化来得到具有一定降解能力的微生物群体；通过基因工程手段来改造微生物使其具有特定的降解能力；此外在对危险性化合物的降
14、解研究中发现，混合培养比纯培养具有潜在的优势，彻底矿化往往需要一个或一个以上的营养菌群（如发酵水解菌群、产硫菌群、产乙酸菌群、产甲烷菌群等）通过多步反应将有毒化合物转化为矿化最终产物。研究人员依据不同的代谢作用至少可以将微生物群落中的微生物分为7种类型：提供特殊营养物；去除生长抑制产物；改善单个微生物的基本生长参数；对底物协调攻击；共代谢；氢（电子）转移；提供一种以上初级底物利用者。有机污染物的生物可降解性及其评价方法什么是生物可降解性？所有化合物根据微生物对它们的降解性可分成可生物降解、难生物降解和不可生物降解。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C
15、OD Cr之比测COD30培养法时间（h）耗氧量（mg/g）内呼吸线生化呼吸线生化呼吸线时间（h）耗氧量（mg/g）内呼吸线图56 生化呼吸线与内呼吸线比较时间（h）耗氧量（mg/g）内呼吸线生化呼吸线tabc底物浓度D、有毒，不能被利用C、有毒，能被利用A、无毒，不能被利用B、无毒，能被利用相对耗氧速度（以内呼吸的表示）100图57 相对耗氧速率曲线5.2 废水生物处理的原理5.2.1 水体自净作用什么是水体自净作用（water selfcleansing，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
16、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。水体自净过程的三个阶段和三个变化三个阶段阶段一：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；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 恢复原有水平氧垂曲线（Oxygensag Curve）自净过程中DO的变化有
17、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。（见图56）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。L（km）饱和DO线DO（mg/L）0DO min图58 氧垂曲线示意图5.2.2 废水生物处理的作用机理废水生物处理实际是水体的自净原理在水污染治理中的
18、应用，即模拟天然水体自净作用的生物过程。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。污水处理中的生化过程O2、CO2、SO42、NO3等细胞构成物C、H、O、N、维生素等能 源受氢体微生物微生物细胞合成生物污泥分解能量代谢产物热能CO2、H2O、SO42、NO3、NH4、PO43、H2S、CH4、有机酸、醇等排水排出不可降解残留物内源呼吸图59 污水处理中的生化过程活性污泥法和生物膜法目前最常用的生物处理方法是活性污泥法和生物膜法。活性污泥和生物膜的概念活性污泥活
19、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；生物膜生物膜是附着在填料上呈薄膜状的活性污泥。活性污泥和生物膜的特点具有很强的吸附能力具有很强的分解、氧化有机物的能力图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。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。5.2.3 废水生物处理的类型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思考题水环境污染有哪些指标？为什么BOD和COD能说明水的污染程度和净化程度？微生物的哪些特点使其在环境污染处理过程中起着不可替代的作用？什么是水体自净？可根据哪些指标判断水体自净程度？为什么活性污泥和生物膜能够在污水净化中发挥重要作用？