环境生物化学第八章

第8章工业污染微生物治理中的生物化学环境生物化学8.1造纸废水微生物治理中的生物化学蒸煮废液制浆中段废水钞纸废水制浆蒸煮过程中产生的超高浓度废液，包括碱法制浆的黑液和酸法制浆的红液。我国目前大部分造纸厂所排放的黑液是制浆过程中污染物浓度最高、色度最深的废水，呈棕黑色，几乎集中了制浆造纸过程90％的污染物。是经黑液提取后的蒸煮浆料在洗涤、筛选、漂白以及打浆中所排出的废水。这部分废水水量较大，含有较多的木质素、纤维素等降解产物、有机酸等有机物，以可溶性COD为主。又称白水，是在纸的抄造过程中产生，主要含有细小纤维和抄纸时添加的填料、胶料和化学品等，这部分废水的水量较大，污染物负荷低，以不溶性COD为主，易于处理。造纸工业废水包括：环境生物化学8.1造纸废水微生物治理中的生物化学造纸废水微生物处理中的生物化学法原理(1)厌氧微生物处理中的生物化学法原理利用兼性厌氧菌和专性厌氧菌在无氧的条件下降解有机污染物的处理技术。复杂有机物厌氧处理简单、稳定的化合物+能量大部分能量以甲烷形式出现石灰草浆蒸煮废液、石灰法稻草浆浓废液、碱法制浆废水等都具有pH高、COD、色度高而BOD5/CODCr较低等特点，所以直接好氧生化困难很多，厌氧法则较有前途。目前一大批高效的厌氧生物处理工艺和设备相继出现，包括有厌氧生物滤池、上流式厌氧滤池、升流式厌氧污泥床(UASB)、厌氧流化床(AFB)、厌氧附着膜膨胀床(AAFEB)以及厌氧浮动生物膜反应器(AFBBR)和厌氧折流板反应器(ABR)等。环境生物化学8.1造纸废水微生物治理中的生物化学厌氧微生物种类对制浆造纸废水降解的厌氧微生物主要是细菌，分为产酸细菌和甲烷细菌二大类。产酸细菌甲烷细菌：是产甲烷阶段的主要细菌，种类不同，有多种形态，在生理上具有非常相似的高度专一性专性厌氧菌：梭状芽孢菌属、拟杆菌属、双岐杆菌属等，对有机物降解起主要作用兼性厌氧菌：主要为严格厌氧细菌创造有利于生长的厌氧条件，包括假单孢菌属、芽孢杆菌属、链状菌属、黄杆菌属产碱菌属、埃希氏菌属和产气杆菌属等环境生物化学8.1造纸废水微生物治理中的生物化学厌氧微生物处理机理(四个阶段)①水解阶段有机物细菌胞外酶小分子化合物能够溶解于水并透过细胞膜为细菌所利用②发酵(或酸化)阶段小分子化合物发酵细菌更简单的化合物分泌到细胞外这一阶段的主要产物有挥发性脂肪酸(简写作VFA)、乳酸、二氧化碳、氢气、氨、硫化氢等。与此同时，酸化菌也利用部分物质合成新的细胞物质，因此未酸化废水厌氧处理时产生更多的剩余污泥。环境生物化学8.1造纸废水微生物治理中的生物化学以葡萄糖酵解为例：C6H12O6+2NAD++2ADP+2Pi→2CH3COCOOH+2NADH+2H++2ATP+2H2O经酵解，一个分子葡萄糖可氧化分解产生2个分子丙酮酸。丙酮酸在厌氧条件下可以被厌氧微生物转化形成许多种代谢产物，由于无氧条件，这些中间产物不能进一步气化成CO2和水而在环境中积累。这种生物学过程，就是人们常说的发酵，如：乙醇发酵环境生物化学8.1造纸废水微生物治理中的生物化学乳酸发酵除此之外，丙酮酸还能发酵成乙酸、丙酸等。发酵阶段反应式：C6H12O6+2H2O+2NAD+→2CH3COO-+2H2+2CO2(aq)+2NADH+4H+C6H12O6+2NADH+2H+→2CH3CH2COO-+2H2O+2NAD++2H+C6H12O6+2NADH+2H+→2CH3CH2OH+2H2+2CO2(aq)+2NAD+环境生物化学8.1造纸废水微生物治理中的生物化学③产乙酸阶段上一阶段的产物被进一步转化为乙酸、氢气、碳酸以及新的细胞物质a.产氢产乙酸过程CH3CH2COO-+2H2O→CH3COO-+3H2+CO2(aq)CH3CH2CH2COO-+2H2O→2CH3COO-+2H2+H+CH3CH2OH+H2O→CH3COO-+2H2+H+b.同型产乙酸过程有一类产乙酸菌能使用氢作为电子供体将二氧化碳还原为乙酸，此即同型产乙酸过程。2CO2(aq)+4H2→CH3COO-+2H2O+H+环境生物化学8.1造纸废水微生物治理中的生物化学④产甲烷阶段这一阶段里，乙酸、氢气、碳酸、甲酸和甲醇等被转化为甲烷、二氧化碳和新的细胞物质。在厌氧消化过程中，70%以上的甲烷来自乙酸的降解：CH3COO-+H+→CH4+CO2；另一类产甲烷的微生物是能由氢气和二氧化碳形成甲烷的细菌(可称作嗜氢甲烷菌)。在反应器正常条件下，它们形成占总量30％的甲烷：4H2+CO2→CH4+2H2O大约一半嗜氢甲烷菌也能利用甲酸，这个过程可以直接进行：4HCOO-+4H+→CH4+3CO2+2H2O甲醇的降解在自然界的生态系统中并非十分重要，但在厌氧处理含甲醇废水时它的作用相当重要。4CH3OH→3CH4+CO2+2H2O环境生物化学8.1造纸废水微生物治理中的生物化学其他有机物厌氧降解途径①果胶的厌氧降解：果胶是一种由1，4β键连接的并在羧基部分不同程度地甲氧基化的半乳糖醛多聚体原果胶+H2O→可溶性果胶+多缩戊糖可溶性果胶+H2O→果胶酸+甲醇果胶酸+H2O→半乳糖醛酸②木质纤维素的厌氧降解：木质纤维素也称半纤维素。半纤维素的构成为多缩戊糖(木糖和阿拉伯糖)、多缩己糖(半乳糖、甘露糖)以及多缩糖醛酸(葡萄糖醛酸和半乳糖醛酸)等。2HO半纤维素酶多缩糖酶H2O半纤维素多缩糖类单糖糖醛酸乙酸、丁酸、甲酸、乙醇、H2、CO2等环境生物化学8.1造纸废水微生物治理中的生物化学③木素的降解：木素是一类由苯丙烷单元通过醚键和碳碳键连接成的复杂无定型高聚物。有关厌氧降解木质素的微生物的研究不多，然而已分离到两种类型的能分解芳香族化合物的细菌一类是能运动的革兰氏阴性杆菌，与利用氢的细菌协作可完成降解，其产物是甲酸、乙酸、二氧化碳和氢。另一类不要求利用氢的细菌的协作，单独降解环状化合物的革兰氏阴性无芽苞的杆状厌氧菌。植物纤维原料中含有的三大组分是纤维素、半纤维素和木素。木素降解物是制浆废液中最重要的成分，含有高浓度木素的废水难以在厌氧处理中达到很高的去除率。半纤维素制浆过程中半纤维素以单糖或低聚糖形式进入废水中。原料中的少量纤维素在制桨中也会以葡萄糖及其寡聚物形式进入废水中，纤维素、半纤维素的降解产物也会形成有机酸。它们在厌氧处理过程中是易于降解的。环境生物化学8.1造纸废水微生物治理中的生物化学(2)好氧微生物处理造纸工业中污染物浓度较低的废水—般可用好氧生物处理法以减少其中的BOD5，同时还可以消除对水生物的毒性。降低其发泡性，减少由于废水中无机涂料填加剂而产生的浊度，消除接纳水体中黏泥的产生。但此法对废水颜色的去除效果不大。制浆造纸工业废水中最普通的好氧生物处理法包括：大型贮存氧化塘系统、曝气稳定塘系统、不同改进型活性污泥系统及土地处置系统等。此外，对于规模较小的造纸厂，生物转盘、生物滴滤池、接触氧化等好氧生物系统也有不同程度的应用。环境生物化学8.1造纸废水微生物治理中的生物化学好氧微生物种类好氧微生物主要是细菌、真菌、藻类、原生动物等。活性污泥主要组成菌：肠杆菌科的大肠杆菌、产气气杆菌、变形杆菌等菌胶团细菌是细菌类的主要成份，具有巨大的表面积和一定粘度藻类的种类和数量在活性污泥中很少真菌不是活性污泥中的正常区系，仅少量存在丝状真菌因会使处理效果下降。生物膜真菌比活性污泥中多，生物滤池中有30%左右是真菌藻类比较多，如绿球藻属、席藻属、颤藻属、毛枝藻属等原生动物很多，主要有独缩虫属、钟虫属、累枝虫属、针管虫属、尖毛虫属、豆形虫属等。主要组成菌好氧的芽孢杆菌属、不动杆菌属专性厌氧的脱硫菌属、假单孢菌属、产碱杆菌属、黄杆菌属、无色杆菌属、微球菌属以及动胶菌属环境生物化学8.1造纸废水微生物治理中的生物化学好氧微生物处理机理对于造纸废水中主要的物质：纤维素和半纤维素，好氧和厌氧都是先水解成葡萄糖。葡萄糖的有氧氧化分两个阶段进行。第一阶段是由葡萄糖生成的丙酮酸，在细胞液中进行。第二阶段是上述过程中产生的NADH+H+和丙酮酸在有氧状态下，进入线粒体中，丙酮酸氧化脱羧生成乙酰CoA进入三羧酸循环，进而氧化生成CO2和H2O，同时NADH+H+等可经呼吸链传递，伴随氧化磷酸化过程生成H2O和ATP。将葡萄糖酵解、丙酮酸有氧脱羧和三羧酸循环的反应式联合，即可得到有机物好氧降解总反应式：C6H12O6+6O2+36ADP+36H2PO4→6CO2+6H2O+36ATP环境生物化学8.1造纸废水微生物治理中的生物化学其他污染物降解途径①树脂的降解：CTMP废水中松脂酸和脂肪酸可用活性污泥接种长喙壳菌的方法除去。产物为二氧化碳和水。②芳香化合物的降解芳香化合物的降解主要包括芳烃和酚类、氯代酚类二大类物质的降解等。芳烃的降解以发生开环反应为特征，生成羧酸和醛，然后进入EMP和TCA循环，开环反应可由过氧化物酶催化。酚类、氯代酚类的降解是一般先进行取代基的脱除反应，再进行开环反应。③含硫化合物的降解含硫化合物主要是苯丙烷单体磺酸盐、含硫烷烃类化合物等，一般是发生脱磺酸基或S基反应。环境生物化学8.2染料废水微生物治理中的生物化学染料废水概述来源：染料及染料中间体生产行业,由各种产品和中间体结晶的母液、生产过程中流失的物料及冲刷地面的污水等组成。染料废水特点：一是COD高,而BOD/COD值较小,可生化性差；二是色度高,组分复杂。COD的去除与脱色相关,但脱色问题困难更大。环境生物化学8.2染料废水微生物治理中的生物化学染料废水微生物处理中的生物化学原理(1)好氧生物处理原理好氧生物处理对BOD去除效果明显，一般可达80%左右，但色度和COD去除率不高，尤其如PVA等化学浆料、表面活性剂、溶剂及匹布碱减量技术的广泛应用，不但使印染废水的CODcr，达到2000～300Omg/L，而且BOD5/CODcr也由原来的0.4～0.5下降到0.2以下，单纯的好氧生物处理难度越来越大，出水难以达标；此外，好氧法的高运行费用及剩余污泥处理或处置问题历来是废水处理领域没有解决好的一个难题。环境生物化学8.2染料废水微生物治理中的生物化学活性污泥法：在活性污泥系统中，有机物的净化过程，分为吸附、生物氧化和絮凝沉淀三个阶段。•一般在10—20min内完成,表现出初期废水中的BOD和COD浓度大幅度下降.由于吸附的历时很短多数被吸附的有机物来不及被氧化分解，当活性污泥表面吸满了有机颗粒达到吸附饱和后,吸附能力随之消失，转入有机物的生物氧化阶段。吸附生物氧化絮凝沉淀•被吸附和吸收的有机物，在细菌内外酶的作用下，经过氧化和合成，使有机物得以降解。活性污泥微生物处于缺乏营养的饥饿状态，重新呈现活性，恢复吸附能力，所以又称活性污泥再生。再生污泥经二沉池分离后，回流入曝气池继续对废水中的有机物进行吸附和氧化。•进入二沉池的混合液中的活性污泥颗粒仍然较细，但因它本身具有良好的凝聚性能，可以很快的絮凝成较大的絮凝体，加速其沉淀过程。二沉池中的泥水分离是活性污泥系统的最后一道工序，其工作好坏直接影响处理效果与出水水质，因此二沉池的设计应给予足够重视。环境生物化学8.2染料废水微生物治理中的生物化学生物膜法污水的生物膜处理法是与活性污泥法并列的一种污水好氧生物处理技术。这种处理法的实质是使细菌和其他菌类微生物和原生动物、后生动物一类的微型动物附着在滤料或某些载体上生长繁育，并在其上形成膜状生物污泥——生物膜。污水与生物膜接触，污水中的有机污染物，作为营养物质被生物膜上的微生物所摄取，污水得到净化，微生物自身也得到繁衍增值。生物膜法工艺是20世纪50—60年代开始出现的，近年来，该工艺在水处理领域又取得了重大进展。在印染废水处理中，生物膜法的应用工艺主要有接触氧化法、生物转盘法和生物滤床法等。环境生物化学8.2染料废水微生物治理中的生物化学①接触氧化法接触氧化技术是在池内充填填料，已经充氧的污水浸没全部填料，并以一定的流速流经填料。在填料上布满生物膜，污水与生物膜广泛接触，在生物膜上微生物新陈代谢功能的作用下，污水中有机污染物