第六章----污染治理生物技术

第六章污染治理生物技术第一节生物处理技术概述第二节固体废弃物生物处理及处置技术第三节大气污染的生物治理技术第四节重金属的生物处理技术第五节有害有机污染物的现代生物处理技术第六节生物修复技术第一节生物处理技术概述一、生物处理的基本原理生物处理的主体是微生物。有机物的转化广义上可以定义为两种：矿化和共代谢矿化是将有机物完全无机化的过程，是与微生物生长包括分解代谢与合成代谢过程相关的过程。共代谢通常是由非专一性酶促反应完成的，不导致细胞质量或能量的增加,使有机物得到修饰和转化，但不能使其分子完全分解。1.好氧生物处理的基本原理在好氧条件下，有机物在好氧微生物的作用下氧化分解，有机物浓度下降，微生物量增加。微生物将有机物摄入体内后，以其作为营养源加以代谢，代谢按两条途径进行：合成代谢和分解代谢图6-1有机物好氧分解图示在有机物的好氧分解过程中，有机物的降解、微生物的增殖及溶解氧的消耗这三个过程是同步进行的，也是控制好氧生物处理成功与否的关键过程。（1）有机物的降解图6-2有机物好氧生物降解的一般途径（2）微生物的增殖图6-3静态培养微生物生长曲线（3）溶解氧的提供溶解氧是影响好氧生物处理过程的重要因素。充足的溶解氧供应有利于好氧生物降解过程的顺利进行。溶解氧的需求量与微生物的代谢过程密切相关。在不同的好氧生物处理过程和工艺中，溶解氧的提供方式也不同。2.厌氧生物处理的基本原理厌氧生物处理是在无氧条件下，利用多种厌氧微生物的代谢活动，将有机物转化为无机物和少量细胞物质的过程。（1）厌氧生物分解有机物的过程图6-4有机物厌氧分解过程■水解阶段复杂有机物首先在发酵性细菌产生的胞外酶的作用下分解为溶解性的小分子有机物。该过程通常比较缓慢，是复杂有机物厌氧降解的限速阶段。■发酵（酸化）阶段溶解性小分子有机物进入发酵菌（酸化菌）细胞内，在胞内酶作用下分解为挥发性脂肪酸（VFA),同时合成细胞物质。■产乙酸阶段发酵酸化阶段的产物丙酸、丁酸、乙醇等，在此阶段经产氢产乙酸菌作用转化为乙酸、氢气和二氧化碳。■产甲烷阶段产甲烷菌通过以下两个途径之一，将乙酸、氢气和二氧化碳等转化为甲烷。其一是在二氧化碳存在时，利用氢气生成甲烷。其二是利用乙酸生成甲烷。（2）水解处理水解处理是指将厌氧过程控制在水解或酸化阶段，利用兼性的水解产酸菌将复杂有机物转化为简单有机物。能降低污染物的复杂程度，提高后续好氧生物处理的效率。（3）缺氧处理在没有分子氧存在的条件下，一些特殊的微生物类群可以利用含有化合态氧的物质进行代谢活动。二、微生物催化降解的必要条件1.存在含有某种降解酶的微生物。2.微生物必须在目标化合物出现的环境中出现。3.化合物必须是具有适宜酶的微生物可获得的。4.如果产生降解的启动酶是胞外酶，酶作用的化学键必须暴露以利于催化作用发生，这种条件并不是总能满足，因为许多化合物会发生吸附。5.催化起始降解的酶如果是胞内酶，化合物分子则必须进入细胞内部的酶作用位点，或者胞外反应产物进入细胞内部进行进一步降解。6.由于能作用于多种合成化合物的细菌或真菌种群或生物量起始浓度较低，环境条件必须适合具有活性潜力的微生物增殖。三、影响生物降解的因素1.微生物活性2.目标化合物特征3.环境因素（1）营养（2）温度（3）pH（4）氧第二节固体废弃物生物处理及处置技术一、概述1.概念固体废弃物是指在社会生产、流通、消费等一系列过程中产生的一般不再具有进一步使用价值而被丢弃的以固态和泥状存在的物质。2.危害性⑴侵占土地⑵污染土壤⑶影响环境卫生⑷有害废物具有毒性、易燃性、腐蚀性、反应性和放射性3.分类按性质有机废物无机废物按形状固体的泥状的按来源矿业固体废弃物工业固体废弃物城市垃圾农业废弃物放射性固体废弃物4.固体废弃物处理技术的发展历史二、堆肥堆肥（composting)是在控制条件下，使来源于生物的有机废物发生生物稳定作用的过程。废物经稳定化作用形成的堆肥，是一种腐殖质含量很高的疏松物质，故也称“腐殖土”。废物经过堆肥化，体积一般可减少30％～50%适用于堆肥化处理的废物主要有：城市垃圾、粪便、城市及某些工业废水处理过程中产生的污泥、农林废物等。好氧堆肥堆肥系统温度一般为50～65℃，最高可达80~90℃厌氧堆肥空气与发酵原料隔绝，堆制温度低，但堆制周期长（3～6个月),且异味强烈，分解不够充分。好氧堆肥法原理：以好氧菌为主对废物进行氧化、吸收与分解。参与微生物：嗜温菌嗜热菌废物降解过程的四个阶段：中温阶段高温阶段降温阶段腐熟阶段堆肥化的方法：间歇堆积法堆积前对原料进行预处理，每周翻动1～2次，约需30～90天。连续堆积法先在发酵器完成动态发酵。然后将物料运往发酵室进行静态发酵。机械连续堆制法具有发酵快，堆肥质量高，能防气味，杀死全部细菌、堆肥粒度整齐等优点。三、填埋技术填埋法是将固体废弃物铺成一定厚度的薄层，加以压实，并覆盖土壤。1.填埋生物反应器生态系统特征及原因填埋系统的极度不均匀的特征表现在系统水平及垂直单元均具有空间及时间上的不均匀性上。不均匀特征形成的原因：⑴固体废弃物组分及性质有差异，运输方式不同，填埋地点或单元环境条件不同。⑵一些参数，如温度、产生气体、液体氧化还原电位、pH、酶活性等，此外还有其他一些控制因素，如水溶解度、脂-水分配系数等。⑶穿越好氧-厌氧界面、固-液界面、气-液界面、固-气界面的双向扩散。图6-5填埋场生态系统2.代谢机理图6-6固体废弃物中聚合物的代谢⑴好氧代谢⑵厌氧代谢第三节大气污染的生物治理技术随着有机合成工业和石油工业的迅速发展，进入大气的有机化合物越来越多，这类物质往往带有恶臭，不仅对感观有刺激作用，而且不少有机化合物具有一定毒性，产生“三致”效应，从而多人体和环境产生很大的危害。一、生物法净化有机废气的原理有机废气生物净化是利用微生物以废气中的有机组分作为其生命活动的能源或其他养分，经代谢降解，转化为简单的无机物（CO2、水等）及细胞组成物质。与废水生物处理过程的最大区别在于：废气中的有机物质首先要经历由气相转移到液相（或固体表面液膜）中的传质过程，然后在液相（或固体表面生物层）被微生物吸附降解。图6-7微生物净化有机废气模式图二、生物处理的工艺研究及应用根据微生物在有机废气处理过程中存在的形式，将处理方法分为：生物吸附法（悬浮态）生物过滤法（固着态）1.生物吸附法即将微生物及其营养物配料存在于液体中，气体中的有机物通过与悬浮物接触后转移到液体中而被微生物降解。生物吸附法装置由一个吸收室和一个再生池构成。图6-8生物吸收法示意图2.生物过滤池生物过滤法则是微生物附着生长于固体介质(填料）上，废气通过由介质构成的固定床层（填料层）时被吸附或吸收，最终被微生物降解。图6-9生物滤池处理废气流程示意图