第三章

水污染生物降解

第一節(jié)污染物生物降解

生物降解基本原理:

微生物降解污染物的基本過程:

生物降解的基本原理在污水處理過程中,可以利用生物降解作用去除污染物質(zhì).生物降解是指由生物催化的復(fù)雜化合物的分解過程.利用生物處理技術(shù)進(jìn)行污染物的無害處理已有近100年的歷史.生物處理的主體是微生物,生物降解過程本身以微生物的代謝為核心,化合物在分解過程中則遵循化學(xué)原理.

污染物、環(huán)境、微生物三者的關(guān)系污染物進(jìn)入環(huán)境，對(duì)環(huán)境造成污染，環(huán)境介質(zhì)使污染物與微生物具有相互作用的機(jī)會(huì)，生物通過環(huán)境作用于污染物，使污染物發(fā)生轉(zhuǎn)化、分解、降解，當(dāng)然生物也可向環(huán)境釋放污染物。污水水源的污染是危害最廣、最大的污染。污水的種類很多，有生活污水、工業(yè)有機(jī)污水（如屠宰、造紙、淀粉和發(fā)酵工業(yè)等的污水）、工業(yè)有毒污水（農(nóng)藥、炸藥、石油化工、電鍍、印染、制革等工業(yè)污水）和其他污水等。其中所含的各種有害物質(zhì)，例如農(nóng)藥、炸藥（TNT、黑索金等）、多氯聯(lián)苯（PCB）、多環(huán)芳烴（致癌劑）、酚、氰和丙烯腈等的污染后果尤為嚴(yán)重。在污水處理方法中，最關(guān)鍵、最有效、最常用的方法是微生物處理法。環(huán)境微生物環(huán)境微生物是生物進(jìn)化過程中的一個(gè)最有利于保持環(huán)境穩(wěn)定的選擇。資源極為豐富，種類多樣，它們?cè)谧匀唤绲奈镔|(zhì)循環(huán)和轉(zhuǎn)化中有很重要的作用，不僅維持生物圈的生態(tài)平衡，而且維持著地球系統(tǒng)的餓物質(zhì)平衡。這其中最典型的餓就是生物降解作用。環(huán)境微生物類群普遍使用的生物六界分類系統(tǒng)將生物分為原核生物、原生生物、真菌、植物和動(dòng)物和非細(xì)胞結(jié)構(gòu)的病毒。環(huán)境微生物是一個(gè)跨界的多生物集群，包括原核的細(xì)菌、原生的原生動(dòng)物和藻類、真菌的真菌、動(dòng)物的微型后生動(dòng)物以及植物中的一些低等微型植物。但環(huán)境微生物的研究主要集中在原核生物界、原生生物界和真菌界。病毒是一類寄生性的生物，一般情況下不能主動(dòng)利用或分解環(huán)境中的污染物質(zhì)，但病毒在環(huán)境中能生存，因此常將病毒列為環(huán)境污染物的一類。廢水生物處理構(gòu)筑物中還常出現(xiàn)一些微型的無脊椎動(dòng)物包括輪蟲、線蟲、寡毛類動(dòng)物、甲殼類動(dòng)物和昆蟲幼蟲等。1、輪蟲（Rotifer）是比較簡(jiǎn)單的后生動(dòng)物。特征是身體前端有一個(gè)頭冠，頭冠上有纖毛環(huán)，纖毛環(huán)擺動(dòng)時(shí)將細(xì)菌和有機(jī)顆粒等引入口部。形體微小，長(zhǎng)度4~4000um,多數(shù)為

500um左右,需要借助顯微鏡觀察.

在自然界分布很廣,主要棲息在沼澤,池塘,淺水湖泊和深水湖的沿岸區(qū)域.有固著生活和自由生活的種類,有個(gè)體生活也有群體生活對(duì)PH的適應(yīng)范圍較廣,PH為6.8左右的環(huán)境中分布居多.大多數(shù)輪蟲以細(xì)菌、霉菌、藻類、原生動(dòng)物和有機(jī)顆粒為食。在廢水的生物處理過程中，輪蟲作為指示生物，當(dāng)活性污泥中出現(xiàn)輪蟲時(shí)，往往表示處理效果好。但數(shù)量過多可能破壞污泥的結(jié)構(gòu)，使污泥松散而上浮，污泥中常出現(xiàn)的輪蟲有轉(zhuǎn)輪蟲，紅眼旋輪蟲甲殼類動(dòng)物--水蚤甲殼類動(dòng)物是水體污染和水體自凈的指示生物。水蚤的血液中含有血紅素，血紅素的含量常隨環(huán)境中溶解氧的高低而變化：氧低時(shí)，水蚤的血紅素含量高，體色加深；反之則體色變淺。所以在污染水體中水蚤的體色比清水中的紅些，利用此特點(diǎn)來判斷水體的清潔程度。甲殼類浮游動(dòng)物以細(xì)菌和藻類為食，若大量繁殖可影響水廠濾池的正常運(yùn)行。氧化塘出水中往往含有較多的藻類可用甲殼類動(dòng)物除藻。線蟲污水處理中五.影響微生物生物降解的環(huán)境因素

1.溫度影響微生物的生長(zhǎng)繁殖、代謝速率嗜冷菌（psychrophiles）最適溫度15°C以下

耐冷菌（psychrotroph）最適溫度15~20°C

中溫菌（mesophiles）最適溫度20~40°C

嗜熱菌（thermophiles

）最適溫度45°C以上超嗜熱菌（hyperthermophiles）最適溫度80°C

影響有機(jī)物的物理狀態(tài)：固相

液，溶解度

2.濕度在土壤中濕度是一個(gè)重要的環(huán)境因素1）微生物的生命活動(dòng)需要水2）濕度可控制氧的水平水充滿土壤微孔的80~90%時(shí)土壤從好氧條件轉(zhuǎn)變?yōu)閰捬鯒l件3.溶解氧好氧細(xì)菌：有氧呼吸的電子受體好氧性異養(yǎng)菌：以有機(jī)污染物為底物好氧性自養(yǎng)菌：以還原態(tài)的無機(jī)物為底物活性污泥法、生物膜法：好氧微生物降解好氧生物處理氧化速率高，必須滿足微生物對(duì)氧的需要

兼性厭氧細(xì)菌：有氧時(shí)有氧呼吸電子受體：氧無氧時(shí)進(jìn)行發(fā)酵電子受體：有機(jī)物

反消化細(xì)菌（硝酸鹽還原細(xì)菌）有氧時(shí)將有機(jī)物氧化為無機(jī)物當(dāng)缺氧時(shí)無氧呼吸氧化葡萄糖等NO3-本身被還原為分子氮，污水除碳與脫氮

厭氧細(xì)菌不需要氧有氧條件產(chǎn)生陰離子自由基，對(duì)細(xì)胞有毒害缺少過氧化物酶和超氧化物歧化酶（SOD）

產(chǎn)甲烷細(xì)菌厭氧條件降解廢水有機(jī)物產(chǎn)生甲烷4.酸堿度不同pH環(huán)境存在不同類型的微生物：酸性環(huán)境:真菌中性和堿性環(huán)境:細(xì)菌和放線菌pH不同影響有機(jī)污染物的溶解狀態(tài)

5.鹽度:

嗜鹽菌和耐鹽菌，不同環(huán)境微生物的適應(yīng)性

6.吸附作用和沉積物

污染物被其他物質(zhì)所吸附形成絡(luò)合物影響降解

污染物生物降解的營(yíng)養(yǎng)動(dòng)力學(xué)1、氧的消耗及其反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

ThOD（理論需氧量）：某個(gè)有機(jī)物分子被完全氧化所需的氧。

COD（化學(xué)需氧量）：在一定條件下有機(jī)物分子在強(qiáng)氧化劑（高錳酸鉀、重鉻酸鉀）作用下所消耗的氧。COD的測(cè)定過程中即包括有機(jī)物的氧化,也包括溶液中無機(jī)物的還原，所以COD中包含有不可生物降解（CODnb)和可生物降解（CODb)兩部分。

BOD是在某種特定條件下水中有機(jī)污染物經(jīng)過需氧微生物作用進(jìn)行分解時(shí)所需的氧量。2Monod方程是指描述單種基質(zhì)消耗與微生物生長(zhǎng)之間的關(guān)系的模型，其模型與酶促反應(yīng)相似。3能量代謝與物質(zhì)平衡微生物的耗氧降解過程需氧的參與,將有機(jī)物代謝降解為CO2和水，并部分的轉(zhuǎn)化為微生物細(xì)胞體。厭氧時(shí)不需氧但有水的參與，生成CO2和CH4以及細(xì)胞體。

：

1氧化作用包括Fe,S等單質(zhì)的氧化,NH3,NO2等化合物的氧化和一些有機(jī)物基團(tuán)的氧化,如甲基,羥基,醛等.在環(huán)境中，這些氧化作用大都是由微生物引起的，如：氧化亞鐵硫桿菌對(duì)亞鐵的氧化，銅綠假單胞桿菌對(duì)乙醛的氧化，以及亞硝化菌和硝化菌對(duì)氨的氧化作用等。氧化普遍存在于各種好氧環(huán)境中，是最常見的也是最重要的生物代謝活動(dòng)。2還原作用包括高價(jià)鐵和硫酸鹽的還原、NO3的還原、羥基或醇的還原等，還原作用與氧化作用所存在的環(huán)境不同，還原需要缺氧或無氧（厭氧）的環(huán)境。有些是氧化作用的逆過程，但有些則不是如：NH3被氧化為NO3，而NO3-被還原為N2。微生物在環(huán)境中主要的生物化學(xué)降解轉(zhuǎn)化作用有以下幾種類型3水解作用是一種基本的生物代謝作用，在處理一些有機(jī)大分子時(shí)使有機(jī)大分子轉(zhuǎn)化為更小的分子，甚至接近其他生物或其他反應(yīng)所要求的污染物質(zhì)特征。4脫羧基作用有機(jī)酸是普遍存在于手有機(jī)污染的各種環(huán)境中，通過脫羧基直接使有機(jī)酸分子變小。連續(xù)的脫羧基反應(yīng)可以使有機(jī)酸得到徹底的降解，尤其短鏈的有機(jī)酸很快降解。5脫氨基作用使帶有氨基的有機(jī)物質(zhì)脫除氨基并能得到進(jìn)一步的降解。主要是蛋白質(zhì)降解方面作用很大。污染物的降解與累積

生物降解有機(jī)化合物的難易程度首先決定于生物體本身的特性，同時(shí)也與有機(jī)物的結(jié)構(gòu)特征有關(guān)影響生物降解的因素主要有：

1、脂肪族和環(huán)狀有機(jī)化合物較芳香族化合物容易被降解。

2、不飽和脂肪族化合物一般是可生物降解的，但有些（如苯代亞乙基化合物）有相對(duì)不溶性，影響生物降解的程度。如果有機(jī)化合物分子的主鏈上除碳元素外還有其他元素時(shí)就會(huì)增加對(duì)生物降解的抵抗力。

3、有機(jī)化合物分子的大小對(duì)生物降解有重要的影響聚合物和復(fù)合物的分子能抵抗生物降解。

4、具有取代基團(tuán)的化合物其異構(gòu)體的多樣性可能影響降解力。

5、增加或去除某一功能團(tuán)會(huì)影響有機(jī)化合物的生物降解程度，如鹵代作用能抵抗生物降解。污染物質(zhì)在環(huán)境中經(jīng)過稀釋、擴(kuò)散、遷移、轉(zhuǎn)化和降解等多種不同的過程，仍然有一部分殘存于環(huán)境中，或者經(jīng)轉(zhuǎn)化或降解后的產(chǎn)物存留在環(huán)境中。當(dāng)環(huán)境系統(tǒng)不斷地接納污染物質(zhì)，而遷移、轉(zhuǎn)化或降解又總是不徹底時(shí)，污染物質(zhì)就會(huì)在環(huán)境中積累。環(huán)境污染和逐漸惡化的環(huán)境都是因?yàn)槲廴疚锏姆e累而引起的。污染物的生物富集污染物在生物體內(nèi)可以造成積累，當(dāng)達(dá)到一定程度時(shí)就會(huì)厭氧處