環(huán)境污染的生物凈化第一節(jié)環(huán)境污染凈化概述

一、環(huán)境污染物的類型和來源（一）地表水體污染物生活污水工業(yè)廢水農業(yè)廢水

NaturalSource

:自然界向環(huán)境排放，如：活動的火山或礦床。ArtificialSource:

來自人類活動，影響范圍廣、危害大，如工業(yè)三廢（二）大氣污染物氣溶膠狀態(tài)污染物粉塵、煙、飛灰、霧飄塵、降塵、總懸浮顆粒氣體狀態(tài)污染物含硫化合物、含氮化合物、碳氫化合物、碳氧化合物、鹵素化合物，又可分為一次污染物和二次污染物。**圖1-3光化學煙霧形成過程

2005年6月國家環(huán)保局發(fā)布113個重點監(jiān)測城市中，空氣污染指數最大的十個城市依次是：

臨汾、陽泉、大同、金昌、宜賓、株洲、重慶、焦作、長治、攀枝花。

（三）固體廢棄物為了便于管理，常按來源進行分類

礦業(yè)固體廢物、工業(yè)固體廢物、城市垃圾、農業(yè)廢棄物、放射性廢物。二、環(huán)境污染治理方法概述（一）污水處理方法物理法：沉淀法、過濾法、離心分離法、浮選法、吸附法、萃取法、吹脫法、蒸發(fā)結晶法、磁吸法、反滲透法化學法：化學凝聚法、中和法、氧化還原法、離子交換法、電解法、光催化降解生物法：好氧法、厭氧法等（二）大氣污染物凈化方法氣溶膠狀態(tài)污染物的控制方法重力沉降旋風除塵靜電除塵過濾式除塵氣體狀態(tài)污染物的吸附與凈化氣體吸收法氣體吸附法大氣污染物的生物凈化方法生物吸收法生物洗滌法生物過濾法（三）固體廢棄物的處理方法工業(yè)廢棄物物理與化學法：覆蓋法、化學反應再利用生物法：栽種永久性植物城市垃圾填埋法堆肥法制取沼氣焚燒法葦草牛毛草三、環(huán)境污染的污染與凈化指標

BOD5CODTODTOC固體物質含氮化合物pH值生物污染指標細菌總數、大腸菌群總數生化需氧量BOD生化需氧量BOD（BiologicalOxygenDemand）概念：在20℃條件下，微生物好氧分解水樣（廢水或受污染的天然水）中有機物所消耗的溶解氧量。BOD5：微生物5天好氧分解有機物所消耗的溶解氧量。有機物生化耗氧過程的兩個階段碳化階段：將有機物分解成CO2、H2O、NH3，碳化作用消耗的氧量稱為碳化需氧量。硝化階段：NH3被轉化為亞硝酸鹽和硝酸鹽，硝化作用消耗的氧量稱為硝化需氧量。BOD曲線BOD曲線的七個階段：（1）微生物增殖的遲緩期（2）細菌的對數生長期（3）耗氧平緩階段（4）原生動物耗氧峰（5）耗氧再次平緩階段（6）硝化細菌耗氧峰（7）所有的微生物繼續(xù)減少，有機物最終轉化為CO2和H2O。BOD1234567t/clTODUOD圖BOD曲線化學需氧量COD（ChemicalOxygenDemand）COD是指在一定條件下，用強氧化劑處理水樣時所消耗氧化劑的量，以氧的毫克/升來表示。它反映了水中受還原性物質污染的程度，水中還原性物質包括：有機物、亞硝酸鹽、亞鐵鹽、硫化物等。水被有機物污染是很普遍的，故COD也作為有機物相對含量的指標之一。在規(guī)定條件下，強氧化劑重鉻酸鉀K2Cr2O7可氧化大多數常見的有機污染物，故在實際使用中常把CODCr的測定值近似地代表廢水中的全部有機物。BOD和COD的比較（哪個值大？）廢水處理中多以BOD和COD兩個指標來度量水樣的有機污染物濃度和被凈化程度。BOD：反映的是微生物能夠降解的那部分有機物的數量，基本上反映出水體中生物氧化分解有機物所消耗的氧量，比較符合實際，但檢出時間過長，不能迅速及時指導生產實踐，而且毒性大的廢水可抑制微生物的作用而影響結果，甚至無法測定。

COD：一般表示廢水中有機污染物重量的98％，幾乎可以表示出有機物全部氧化所需氧量，測定不受水質限制，并可在數小時內完成；但是它不能反映微生物能夠降解的那部分有機物的數量。BOD和COD的關系：可以認為COD包括兩部分：一部分為能夠被微生物降解的有機物的耗氧量CODB，另一部分為不能夠被微生物降解的有機物的耗氧量CODN

B。BODu

CODBBOD5=0.4—0.6CODB總需氧量TOD和總有機碳TOC總需氧量TOD（TotalOxygenDemand）指：有機物和少量無機物在鉑催化下，在燃燒爐900℃高溫燃燒成穩(wěn)定的最終產物所消耗的氧的量?？傆袡C碳TOC（TotalOrganicCarbon）是以碳的含量表示水體中有機物質總量的綜合指標。它的測定采用燃燒法：在950℃和鉑催化下，測定二氧化碳的含量，并扣除150℃燃燒測得的碳酸鹽等無機碳元素的含量。該法能將有機物全部氧化，比BOD5和COD更能直接表示有機物的總量，故常常被用來評價水體中有機物污染的程度。固體物質總固體懸浮固體溶解性固體揮發(fā)性固體非揮發(fā)性固體含氮化合物含氮化合物的幾種化學形態(tài)有機氮：蛋白質、氨基酸、尿素等無機氮：包括氨氮：NH3－N、NH4＋－N和硝態(tài)氮：NO2－－N、NO3－－N。常用水質測定指標總氮：包括有機氮和無機氮化合物的測定。凱氏氮：指以凱氏法測得的氮量，包括了氨氮和在此條件下能被轉化為銨鹽的而測定的有機氮化合物。此類有機氮化合物主要指蛋白質、氨基酸、核酸、尿素以及氮為負三價的有機氮化合物，由于一般水中存在的有機氮化合物多為這些，故，在測定凱氏氮和氨氮之后，兩者的差值即有機氮。氨氮

納氏試劑分光光度法水楊酸-次氯酸分光光度法亞硝酸鹽氮

N-（1-萘基）-乙二胺分光光度法硝酸鹽氮

酚二磺酸分光光度法

水華形成的幾個要素：營養(yǎng)成分、水溫、光照、水流。第二節(jié)生物對污染凈化原理

一、微生物對污染物的降解與轉化微生物對物質降解與轉化的特點微生物對污染物降解與轉化的途徑影響微生物對物質降解轉化作用的因素微生物對常見污染物的降解與轉化有機污染物的生物可降解性及其評價方法（一）微生物對物質降解與轉化的特點:1、微生物個體微小，比表面積大，代謝速率大2、種類繁多，分布廣泛，代謝類型多樣3、微生物具有多種降解酶

微生物能合成各種降解酶，酶具有專一性，又誘導性。4、微生物繁殖快，易變異，適應性強5、微生物具有巨大的降解能力質粒（Plasmid）：染色體外遺傳物質，是在原核微生物中除染色體外，還存在的一種較小的攜帶少量遺傳基因的環(huán)狀DNA分子。質?？捎脕砼嘤齼?yōu)良菌種，或用作基因工程中基因轉移的載體。例如：多功能超級細菌的構建ABBACABC多質粒超級菌的構建示意簡圖質粒細胞的染色體注：6、共代謝（Co－Metabolism）微生物在利用生長基質A時（從中獲得能量、碳源或其他任何營養(yǎng)），同時非生長基質B（不能從中獲得能量或營養(yǎng)）也伴隨著發(fā)生氧化或其它反應。只有在初級能源物質存在時才能進行的有機物的生物降解過程。在純培養(yǎng)下，共代謝只是一種截止式轉化，但在混合培養(yǎng)和自然環(huán)境條件下，轉化可為其它微生物進行的共代謝或其他生物對某種物質的降解鋪平道路，使其代謝產物可繼續(xù)降解，故污染物在有合適的底物和環(huán)境條件下可通過共代謝作用而降解。ABCDE1E2E2E1（二）微生物對污染物降解與轉化的途徑自然界中化學物質的降解的3種方式：這三種方式往往綜合交叉進行。光降解化學降解生物降解（Biodegradation）：指由于生物的作用，把污染物大分子轉會為小分子，實現污染物的分解或降解。其中微生物所起的降解作用最大，故也稱為微生物降解。微生物代謝活動中的化學作用（實質是酶反應）氧化作用、還原作用、脫羧作用、水解作用、脫氨基作用等（三）影響微生物對物質降解轉化

作用的因素微生物的代謝活性不同種類微生物對同一底物的反應不同；微生物在不同的生長時期的活性是不相同的，在對數期代謝最旺盛，活性最強。微生物的種類組成決定化合物降解的方向和速度，同時微生物的種類組成又與環(huán)境中的化學物質有關。微生物的適應性馴化（Domestication）：是一種定向選育微生物的方法與過程，通過人工措施使微生物逐步適應某特定條件，最后獲得具有較高耐受力和代謝活性的菌株。（三）影響微生物對物質降解轉化

作用的因素化合物的結構烴類：鏈烴的易降解性大于環(huán)烴，直鏈烴大于支鏈烴，不飽和烴大于飽和烴，支鏈烷基越多，越不易被降解當主鏈上的C被S、N、O取代時，對生物氧化的阻抗上升當C原子上的H被烷基或芳基取代時，會生成生物氧化的阻抗物。官能團的性質和數量分子量大小環(huán)境因素溫度、酸堿度、營養(yǎng)、氧、底物濃度（四）微生物分解有機物的作用微生物分解有機物的作用可總括成如下圖式：復雜有機物簡單有機物需氧微生物胞內酶厭氧微生物胞內酶微生物胞外酶CO2、H2OCO2、H2O、H2、CH4、H2S及有機酸、醇、酮、醛等未完全氧化產物微生物對常見污染物的降解與轉化生物大分子的降解脂肪＋H2O脂肪酶甘油＋高級脂肪酸蛋白質肽氨基酸蛋白酶肽酶丁酸、CO2、H2等CO2、H2、有機酸等淀粉葡萄糖需氧微生物胞內酶厭氧微生物胞內酶微生物淀粉酶CO2、H2O

淀粉分解途徑示意圖纖維素葡萄糖需氧微生物胞內酶厭氧微生物胞內酶＋H2O纖維素酶CO2、H2O纖維素分解途徑示意圖纖維二糖＋H2O纖維素酶烴類石油類人工合成有機物農藥合成洗滌劑增塑劑多氯聯苯危險性化合物危險性化合物（HazardousChemicals）微生物具有降解自然界產生的有機化合物的代謝機制，從而促使地球有機碳平衡，而在自然界具有新穎結構的合成化合物（異型生物質，又稱非生物性物質，xenobiotics）往往對微生物的降解表現出抗逆性，其原因可能是這些化合物進入自然界的時間比較短，微生物界還未進化出降解此類難降解化合物的代謝機制。這些化合物大多數對環(huán)境具有毒害作用，故稱之危險性化合物。危險性化合物來源人工合成的農藥、殺蟲劑、除草劑、防腐劑、溶劑、增塑劑、表面活性劑等。危險性化合物的降解特點和研究盡管其在自然界可能會有部分緩慢降解，微生物有可能通過多種途徑來改變自身的結構信息以獲得對這類化合物的降解能力，但這需要一個漫長的過程來實現，依靠微生物的自然進化過程遠不能滿足要求，而且長此以往將會造成生態(tài)系統(tǒng)的失衡。因此，研究一些可以使微生物群體在較短時間內獲得最大的降解該物質能力的方法顯得愈加重要和迫切。近年來科學工作者做了大量工作，包括：通過長時間的馴化來得到具有一定降解能力的微生物群體；通過基因工程手段來改造微生物使其具有特定的降解能力；此外在對危險性化合物的降解研究中發(fā)現，混合培養(yǎng)比純培養(yǎng)具有潛在的優(yōu)勢，徹底礦化往往需要一個或一個以上的營養(yǎng)菌群（如發(fā)酵－水解菌群、產硫菌群、產乙酸菌群、產甲烷菌群等）通過多步反應將有毒化合物轉化為礦化最終產物。研究人員依據不同的代謝作用至少可以將微生物群落中的微生物分為7種類型：①提供特殊營養(yǎng)物；②去除生長抑制產物；③改善單個微生物的基本生長參數；④對底物協(xié)調攻擊；⑤共代謝；⑥氫（電子）轉移；⑦提供一種以上初級底物利用者。（五）有機污染物的生物可降解性

及其評價方法什么是生物可降解性？所有化合物根據微生物對它們的降解性可分成可生物降解、難生物降解和不可生物降解。評價生物可降解性的方法：測定生物氧化率測呼吸線測定相對耗氧速度曲線測BOD5與CODCr之比測COD30培養(yǎng)法時間（h）耗氧量（mg/g）內呼吸線生化呼吸線②生化呼吸線時間（h）耗氧量（mg/g）內呼吸線③

生化呼吸線與內呼吸線比較時間（h）耗氧量（mg/g）內呼吸線生化呼吸線tabc底物濃度D、有毒，不能被利用C、有毒，能被利用A、無毒，不能被利用B、無毒，能被利用相對耗氧速度（以內呼吸的％表示）100％

相對耗氧速率曲線二、廢水生物處理的原理

（一）水體自凈作用（Selfpurification）水體自凈作用指天然水體受到污染后，在無人為處理條件下，借助水體自身的能力使之得到凈化的過程。該過程中包括稀釋、沉降等物理作用，氧化、還原、分解、凝聚等化學作用，還有更重要的生物作用，即生物對無機物和有機物的同化和異化作用。生物中最活躍的是細菌，捕食細菌的原生動物和微型生物亦起很大作用。水體自凈過程的三個階段和三個變化三個階段階段一：有機物進入河流，有機物濃度

，異養(yǎng)菌數量

，DO；階段二：有機物濃度

，異養(yǎng)菌數量

，原生動物數量

，DO；階段三：有機物濃度

，異養(yǎng)菌數量

，原生動物數量

，藻類數量

，DO；三個變化變化一：有機污染物濃度由高降至低；變化二：生物相發(fā)生一系列變化：異養(yǎng)菌

原生動物數量

藻類

；變化三：DO的變化：DODO恢復原有水平氧垂曲線（Oxygen－sagCurve）自凈過程中DO的變化有機物濃度

，耗氧速率＞復氧速率，DO有機物濃度

，耗氧速率＝復氧速率，DODOmin有機物濃度0，耗氧速率＜復氧速率，DODO飽和氧垂曲線的概念河流受到污染后，河水中DO含量的變化情況用一條曲線來表示，曲線呈下垂狀，叫做氧垂曲線。氧垂曲線從耗氧這個側面反映了河流的自凈過程。當有機污染程度超過河流的自凈能力時，河流將出現無氧的河段，此段的有機物轉入無氧分解，出現黑臭現象，此時，氧垂曲線出現中斷。故氧垂曲線可作為衡量水體自凈的指標。L（km）飽和DO線DO（mg/L）0DOmin氧垂曲線示意圖(二）廢水生物處理的作用機理廢水生物處理實際是水體的自凈原理在水污染治理中的應用，即模擬天然水體自凈作用的生物過程。在特定構筑物中人工創(chuàng)造適宜條件，充分發(fā)揮微生物的作用以高速度、高效率凈化污水，通過微生物代謝產生的酶來降解轉化有機物，將有機物最終轉化為無害的二氧化碳和水，從而使廢水得到凈化。污水處理中的生化過程O2、CO2、SO42－、NO3－等細胞構成物C