环境污染的生物净化原理20102011

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第二篇 环境污染的生物净化,1,第五章 环境污染生物净化的原理,本章将讨论以下内容：,环境污染净化概述,生物对污染净化原理,2,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,3,二、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。,4,（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,5,（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,6,三、环境污染的污染与净化指标,BOD,5,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,7,1、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）中有机物所消耗的,溶解氧量,。,BOD,5,：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CO,2,、H,2,O、NH,3,，碳化作用消耗的氧量称为碳化需氧量。,硝化阶段： NH,3,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。,8,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CO,2,和H,2,O。,BOD,1,2,3,4,5,6,7,t/cl,TOD,UOD,图51 BOD曲线,9,从(1)(7)的整个过程约为20天,BOD,20,BODu,BODuTOD,BOD,5,2/3BODu,10,2、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K,2,Cr,2,O,7,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。,11,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。,12,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COD,N,B,。,BOD,u,COD,B,BOD,u,= 0.87COD,B,BOD,5,= 2/3COD,u,BOD,5,= 0.58 COD,B,同一废水的COD与BOD值之间常有一定的比例关系,P206,13,3、总需氧量TOD （Total Oxygen Demand）,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（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。,14,5、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）,15,6、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：NH,3,N、NH,4,N,NO,2,N、 NO,3,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.,16,7、pH值,：,处理后排放废水的pH要求在69之间；,8、生物污染指标,（1）细菌总数,（2）大肠菌群数,17,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,18,(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,19,A,B,B,A,C,A,B,C,图52 多质粒超级菌的构建示意简图,质粒,细胞的染色体,注：,20,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，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。,A,B,C,D,E,1,E,2,E,2,E,1,21,(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,22,(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,23,（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。,24,（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。,25,（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,26,（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,CO,2,、H,2,O,CO,2,、H,2,O、H,2,、CH,4,、H,2,S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,27,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H,2,O,脂肪酶,甘油高级脂肪酸,蛋白质,肽,氨基酸,蛋白酶,肽酶,28,丁酸、CO,2,、H,2,等,CO,2,、H,2,、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,CO,2,、H,2,O,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, H,2,O,纤维素酶,CO,2,、H,2,O,图： 纤维素分解途径示意图,纤维二糖, H,2,O,纤维素酶,29,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,30,海洋石油污染的生物修复,31,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,32,1、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 。,33,2、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Exxon Valdez，1000万加仑的原油流向,Alaskas Prince William Sound,。,34,2.1事故背景及污染概况,时间： 1989,年,3,月,24日,地点：Prince William Sound, Alaska,泄油量：,约一千一百万加仑原油,(42000m,3,),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。,35,Exxon Valdez触礁,36,37,Oil swirls through Snug Harbor at Knight Island.,April 4, 1989,Oil is going everywhere,38,ERA helicopter pilot John Kennebec looks over an oil-soaked beach on the north shore of Eleanor Island in Prince William Sound.,March 28, 1989,Oil is going everywhere,39,Oil steaks across Herring Bay with the peaks of Knight Island in the background. The slow migration of the crude oil from the Exxon Valdez spill continues to spread across Prince William Sound.,April 6, 1989,Oil is going everywhere,40,A hand drips with oil that has washed on to Smith Island.,Oil is going everywhere,41,42,应急措施,水体:,尝试采用了三种比较成熟的方法清除这次溢油事件：,机械清除,，化学分散剂，燃烧。,海滩:,对油污覆盖的海滩采用高压冷水冲洗，热水冲洗方法,以及擦除。,2.2 处理措施,43,A pressurized hot water hose attached to a barge mounted crane is used to clean oil spilled by the Exxon Valdez from the rocky beach of Perry Island in Prince William Sound. June 10, 1989,44,Edward Jones of Valdez wipes oil off of shoreline rocks at Cabin Bay on Naked Island. April 13, 1989,45,46,投加化学分散剂,首先化学分散剂并未消除油污而只是,加速了油污的扩散,，一定程度上它减轻了事故发生地点的油污浓度,其次，分散到更广水体的油污，很可能杀死对海洋生态系统食物链至关重要的微生物群落，从而更加严重的危害到区域的海洋生态系统。,而且分散剂本身可能对海洋生物有毒害作用，使得水体更富毒性。,47,对海滩的生物修复,第一步：,确认具有可降解石油的微生物在阿拉斯加水域丰富可得,N、P营养元素成为控制油污微生物降解,速率,的限制因子,第二步,：通过实验选取添加肥料类型,第三步,：,现场施用,使用了两种肥料清除油污，Inipol EAP 222清,除,沙滩表面鹅卵石上粘附的油污，采用胶囊状的缓释肥料Customblen清出滩体下部的石油。,48,2.3 修复效果及恢复时间,1990 冬季，在重污染程度海滩表面，石油浓度降至初始浓度的20；而中等污染及掩蔽型海岸线的石油浓度分别降至初始值的40及50,。,1992 年美联邦调查组确认,油污已基本清除, 残留的油污可以靠微生物自行消解。而其自然状态下要花上1020年的时间才能降解到这个水平。,49,大气光分解,20,，自然分散到水体,1,，生物降解或水中光解掉,50,。清洁人员清除掉约,14,，将近,13,沉到海底，仍然油,2,（,216000,加仑）留在海滩上,50,人工合成有机物,农药,合成洗涤剂,增塑剂,多氯联苯,51,农药的微生物降解与转化,农药的类型,有机氯农药污染的特性:?,(残留期长、易迁移、脂溶性高、生物放大),有机磷及有机氮农药分解的中间产物,52,合成洗涤剂的降解与转化,合成洗涤剂的基本成分是表面活性剂,合成洗涤剂的结构影响其生物降解性：,支链型、含有,4,级碳原子,直链型、不含有,4,级碳原子,53,增塑剂的降解,增塑剂的生物降解,塑料聚合物先经不同程度的光降解作用，可促进生物降解。,可生物降解的无污染塑料。P229,54,多氯联苯的降解,大量试验表明微生物能降解PCBs。,共代谢作用、降解性质粒以及微生物之间的互生关系也能使PCBs降解、矿化。,55,（五）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？通过微生物的生命活动改变污染物理化性能所能达到的程度.,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BOD,5,与COD,Cr,之比,测COD,30,培养法,56,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,t,a,b,c,57,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,58,二、废水生物处理的原理（一）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。,59,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,60,氧垂曲线（Oxygensag Curve）,自净过程中DO的变化,有机物浓度 ，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。,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。,61,L（km）,饱和DO线,DO（mg/L）,0,DO,min,图58,氧垂曲线示意图,62,（二） 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。,63,污水处理中的生化过程,O,2,、CO,2,、SO,4,2,、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,CO,2,、H,2,O、SO,4,2,、NO,3,、NH,4,、PO,4,3,、H,2,S、CH,4,、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,64,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,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,是附着在填料上呈薄膜状的活性污泥。,65,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,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。,66,三、废水生物处理的类型,1、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,2、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,3、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,67,68,