环境污染的生物净化原理

环境污染生物净化的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（一）地表水体污染物生活污水工业废水农业废水和灌溉水（二）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（三）固体废弃物二、环境污染治理方法概述（一）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生物法：好氧法、厌氧法等目标：去除废水中的有机物和悬浮物；尽量去除N、P等营养盐类；尽可能减少产生的污泥量；尽可能将有用的物质作为资源加以回收。（二）大气污染物净化方法1、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2、气体状态污染物的吸附与净化气体吸收法：液体吸收剂气体吸附法：多孔性固体3、大气污染物的生物净化方法生物吸收法：微生物吸收液生物洗涤法：活性污泥配置混合液生物过滤法：含有微生物的固体颗粒（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CODTODTOC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1、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（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5－1BOD曲线从(1)~(7)的整个过程约为20天BOD20≈BODuBODuTODBOD5≈2/3BODu2、化学需氧量COD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％，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=0.87CODBBOD5=2/3CODuBOD5=0.58CODB同一废水的COD与BOD值之间常有一定的比例关系P2063、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。以TOD值表示的总耗氧量不能反映出生物可降解的那部分有机物量,需要统计出其与BOD值之间的关系.4、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。5、固体物质P207总固体（TS）悬浮固体（SS）溶解性固体（DS）挥发性固体（VS）非挥发性固体（FS）6、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氨氮：NH3－N、NH4＋－NNO2－－N、NO3－－N。常用水质测定指标总氮中有机氮和氨氮量的减少,硝态氮所占比例的增加,以及总氮的去除率都是重要的净化度指标.7、pH值：处理后排放废水的pH要求在6~9之间；8、生物污染指标（1）细菌总数（2）大肠菌群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(一)微生物对物质降解与转化的特点(二微生物对污染物降解与转化的途径(三)影响微生物对物质降解转化作用的因素(四)微生物对常见污染物的降解与转化(五)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:微生物个体微小，比表面积大，代谢速率大；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5－2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（Co－Metabolism）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。ABCDE1E2E2E1(二)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，把污染物大分子转化为小分子，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）P212氧化作用还原作用脱羧作用水解作用脱氨基作用等(三)影响微生物对物质降解转化作用的因素（1）微生物的代谢活性A、生物的种类：不同种类微生物对同一底物的反应不同；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。微生物的种类组成与底物有关，还与温度、湿度、酸碱度、氧气和营养供应等有关；B、生物的生长状况：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。P213图（2）微生物的适应性微生物具有较强的适应和被驯化的能力。通过适应过程：能诱导必需的降解酶的合成微生物自发突变而建立新的酶系虽然不改变基因型，但显著改变其表现型，进行自我代谢调节，来降解污染物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。（2）微生物的适应性驯化方法：常以目标化合物为唯一的或主要的碳源培养微生物，在逐步提高该化合物浓度的条件下，经多代传种而获得高效降解菌。以不同目标化合物为生长基质的各个菌株，在长期共同培养过程中，遗传信息发生交换，同时发生一个或多个突变事件，从而逐步产生新的代谢活性，最终可获得兼具各原有菌株降解转化能力的新菌株。（三）影响微生物对物质降解转化作用的因素（3）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P215分子量大小P215(4)环境因素温度酸碱度营养氧底物浓度（四）微生物对常见污染物的降解与转化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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、H2O图：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：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多氯联苯海洋石油污染的生物修复天然渗漏沉积岩的侵蚀输入微生物的合成天然来源陆地石油生产操作排污事故跑油船舶作业排污修船作业排污码头作业排污底舱污水排放海运事故溢油海洋运输大气降落机舱污水燃料油舱压舱水燃料油污泥城市污水排放工业污水排放石油工业污水其它工业污水城市地表径流携带河流输送大洋倾废等人为来源海洋石油来源1、石油污染的生物修复石油污染水体的生物修复主要是利用微生物催化降解有机污染物，从而修复被污染环境或消除环境中污染物一个受控或自发进行的过程。通过接种特定的石油降解菌、添加营养物或表面活性剂、提供电子受体和共代谢底物及优化处理条件等。2、Exxon公司Valdez油轮溢油事件1989年，3月24日美国发生了他们历史上最大的油轮溢油事件——ExxonValdez，1000万加仑的原油流向Alaska‘sPrinceWilliamSound。2.1事故背景及污染概况时间：1989年3月24日地点：PrinceWilliamSound,Alaska泄油量：约一千一百万加仑原油(42000m3)污染范围：约5000英里范围的海岸线受到油污影响，大约1300英里的海滩被油污覆盖。其中200英里海岸线受到的是重度或中度污染，剩下的1100英里为轻度油污染。ExxonValdez触礁OilswirlsthroughSnugHarboratKnightIsland.April4,1989OilisgoingeverywhereERAhelicopterpilotJohnKennebeclooksoveranoil-soakedbeachonthenorthshoreofEleanorIslandinPrinceWilliamSound.March28,1989OilisgoingeverywhereOilsteaksacrossHerringBaywiththepeaksofKnightIslandinthebackground.TheslowmigrationofthecrudeoilfromtheExxonValdezspillcontinuestospreadacrossPrinceWilliamSound.April6,1989OilisgoingeverywhereAhanddripswithoilthathaswashedontoSmithIsland.Oilisgoingeveryw