第二篇 环境污染的生物净化

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

5.1 环境污染净化概述 5.1.1 环境污染物的类型和来源 地表水体污染物 生活污水 工业废水 农业废水和灌溉水 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 固体废弃物

5.1.2 环境污染治理方法概述 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 物化法：电解法、电渗析法 生物法：好氧法、厌氧法等

大气污染物净化方法 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 气体状态污染物的吸附与净化 气体吸收法 气体吸附法 大气污染物的生物净化方法 生物吸收法 生物洗涤法 生物过滤法

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

5.1.3 环境污染的污染与净化指标 BOD5 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

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。 BOD5：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CO2、H2O、NH3，碳化作用消耗的氧量称为碳化需氧量。 硝化阶段： NH3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。

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 6 7 t/cl TOD UOD 图5－1 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CO2和H2O。

化学需氧量COD（Chemical Oxygen Demand） 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K2Cr2O7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。

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。 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CODN B。 BOD u COD B BOD 5 = 0.58 COD B

总需氧量TOD和总有机碳TOC 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。 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。

固体物质 总固体 悬浮固体 溶解性固体 挥发性固体 非挥发性固体

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 无机氮：包括氨氮：NH3－N、NH4＋－N和硝态氮：NO2－－N、 NO3－－N。 常用水质测定指标 总氮：包括有机氮和无机氮化合物的测定。 凯氏氮：指以凯氏法测得的氮量，包括了氨氮和在此条件下能被转化为铵盐的而测定的有机氮化合物。此类有机氮化合物主要指蛋白质、氨基酸、核酸、尿素以及氮为负三价的有机氮化合物，由于一般水中存在的有机氮化合物多为这些，故，在测定凯氏氮和氨氮之后，两者的差值即有机氮。 氨氮 亚硝酸盐氮 硝酸盐氮

5.2 生物对污染净化原理 5.2.1微生物对污染物降解与转化 微生物对物质降解与转化的特点 微生物对污染物降解与转化的途径 影响微生物对物质降解转化作用的因素 微生物对常见污染物的降解与转化 有机污染物的生物可降解性及其评价方法

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

A B C 图5－2 多质粒超级菌的构建示意简图 质粒 细胞的染色体 注：

共代谢（Co－Metabolism） 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 E1 E2

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。 微生物代谢活动中的化学作用（实质是酶反应） 光降解 化学降解 生物降解（Biodegradation）：指由于生物的作用，把污染物大分子转会为小分子，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） 氧化作用 还原作用 脱羧作用 水解作用 脱氨基作用等

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 微生物的适应性 不同种类微生物对同一底物的反应不同； 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。 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。 微生物的适应性 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。

影响微生物对物质降解转化作用的因素（2） 化合物的结构 环境因素 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 分子量大小 环境因素 温度 酸碱度 营养 氧 底物浓度

微生物分解有机物的作用 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 微生物 胞外酶 CO2、H2O CO2、H2O、H2、CH4、H2S及有机酸、醇、酮、醛等未完全氧化产物 图5－3 微生物分解有机物的作用示意图

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，见图5－4，5－5 脂肪 蛋白质 脂肪＋H2O 脂肪酶 甘油＋高级脂肪酸 蛋白质 肽 氨基酸 蛋白酶 肽酶

图5－4 纤维素分解途径示意图 纤维素 葡萄糖 需氧微生物 胞内酶 厌氧微生物 ＋ H2O 纤维素酶 CO2、H2O 纤维二糖 淀粉 葡萄糖 需氧微生物 胞内酶 厌氧微生物 微生物 淀粉酶 CO2、H2O 图5－5 淀粉分解途径示意图

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

危险性化合物 危险性化合物（Hazardous Chemicals）的概念 危险性化合物来源 微生物具有降解自然界产生的有机化合物的代谢机制，从而促使地球有机碳平衡，而在自然界具有新颖结构的合成化合物（异型生物质，又称非生物性物质，xenobiotics）往往对微生物的降解表现出抗逆性，其原因可能是这些化合物进入自然界的时间比较短，微生物界还未进化出降解此类难降解化合物的代谢机制。这些化合物大多数对环境具有毒害作用，故称之危险性化合物。 危险性化合物来源 人工合成的农药、杀虫剂、除草剂、防腐剂、溶剂、增塑剂等 qqq

危险性化合物的降解特点和研究 尽管其在自然界可能会有部分缓慢降解，微生物有可能通过多种途径来改变自身的结构信息以获得对这类化合物的降解能力，但这需要一个漫长的过程来实现，依靠微生物的自然进化过程远不能满足要求，而且长此以往将会造成生态系统的失衡。因此，研究一些可以使微生物群体在较短时间内获得最大的降解该物质能力的方法显得愈加重要和迫切。 近年来科学工作者做了大量工作，包括：通过长时间的驯化来得到具有一定降解能力的微生物群体；通过基因工程手段来改造微生物使其具有特定的降解能力； 此外在对危险性化合物的降解研究中发现，混合培养比纯培养具有潜在的优势，彻底矿化往往需要一个或一个以上的营养菌群（如发酵－水解菌群、产硫菌群、产乙酸菌群、产甲烷菌群等）通过多步反应将有毒化合物转化为矿化最终产物。 研究人员依据不同的代谢作用至少可以将微生物群落中的微生物分为7种类型：①提供特殊营养物；②去除生长抑制产物；③改善单个微生物的基本生长参数；④对底物协调攻击；⑤共代谢；⑥氢（电子）转移；⑦提供一种以上初级底物利用者。

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？ 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BOD5与COD Cr之比 测COD30 培养法

时间（h） 耗氧量（mg/g） 内呼吸线 生化呼吸线 ② ③ 图5－6 生化呼吸线与内呼吸线比较 t a b c

图5－7 相对耗氧速率曲线 （以内呼吸的％表示） B、无毒，能被利用 相对耗氧速度 A、无毒，不能被利用 100％ C、有毒，能被利用 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 （以内呼吸的％表示） 相对耗氧速度 100％ 图5－7 相对耗氧速率曲线

5.2 废水生物处理的原理 5.2.1 水体自净作用 什么是水体自净作用（water self－cleansing，self－purification） 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。

水体自净过程的三个阶段和三个变化 三个阶段 三个变化 阶段一：有机物进入河流，有机物浓度，异养菌数量，DO ； 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

氧垂曲线（Oxygen－sag 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。（见图5－6） 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。

L（km） 饱和DO线 DO（mg/L） DO min 图5－8 氧垂曲线示意图

5.2.2 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。

污水处理中的生化过程 图5－9 污水处理中的生化过程 O2、CO2、SO42－、NO3－等 细胞构成物 C、H、O、N、维生素等 能 源 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 CO2、H2O、SO42－、NO3－、NH4＋、PO43－、H2S、CH4、有机酸、醇等 排水排出 不可降解残留物 内源呼吸 图5－9 污水处理中的生化过程

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。

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 具有良好的沉降性能 图 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。

5.2.3 废水生物处理的类型 按所利用的微生物种类 按处理系统中微生物存在的状态 按反应器的形式 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 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 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

思考题 水环境污染有哪些指标？为什么BOD和COD能说明水的污染程度和净化程度？ 微生物的哪些特点使其在环境污染处理过程中起着不可替代的作用？ 什么是水体自净？可根据哪些指标判断水体自净程度？ 为什么活性污泥和生物膜能够在污水净化中发挥重要作用？