环境生物学课件

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第四章环境质量的生物监测与生物评价4.1生物监测和环境质量评价概念*环境质量(EnvironmentalQuality)：指环境素质的优劣程度。*环境质量基准(EnvironmentalQualityCriteria):指环境因索在一定条件下作用育特定对象(人或生物)而不产生不良或有害效应的最人阈值。它是由污染物同特定对象之间的剂量—反应关系确定的，不考虑社会、经济、技术等人为因索，具有客观性。环境质量标准(EnvironmentalQualityStandard):是国家权力机构以前者为依据，考虑社会、经济、技术等因索，经过综合分析后，对环境中的有害因索在限定的时空范围内容许阈值所作的强制性法规，体现国家环境保护政策和要求，具有一定的主观性。*环境质量监测：指对环境指标进行定期的或连续的监测、观察和分析其变化。*坏境质量评价：指按照一定的标准，采用相应的方法对坏境质量进行评定、比较及预测。*生物监是利用生物个体、种样或样落对环境污染或变化所产生的反应阐明环境污染状况，从生物学角度为环境质量的监测和评价提供依据。思考：与理化监测相比，生物监测有何优缺点?(1)能直接反映环境质量对生态系统的影响(2)不需购置昂贵的仪器及进行仪器保养和维修(3)可人而积或长距离内密集布点(4)不足Z处：反应不够快速，无法精确监测某些污染物的含量，精度不高，易受环境因素的影响如季节和地理环境等*4.2生物监测与评价*人气污染的植物监测有以卜•几种方法：指示植物法；现场调查法；植物群落调杳法；现场盆栽定点监测法；地衣、苔薛监测法；微核技术的应用；污染量指数法；人气污染的综合生态指标法*指示生物：指对环境中某些物质(包括污染物)能产生各种反应或信息而被用来监测和评价环境质量的现状和变化的生物。*指示生物的种类：包括大气污染指示生物和水体污染指示生物。*例如：*指示节气：枣花发，种棉花；杏花开，快种麦*指示天气：燕子低E预示雨将来临，蜡蜓高飞预示天晴*指示水质：美国威斯康星地区湖泊中的软水指示植物为Gratiola,碾水指示植物为Ranunculusaquatiliso*指示资源:安徽的海州香需指示铜矿，湖南念同的野北指示金矿*注：指示生物只在一定的时空范围内起作用：安徽的海州香壽只在安徽指示铜矿，在北方则无此作用。*指示植物监测法*指示植物：利用某些植物对某些有害气体的特殊敏感性，对以监测大气中该气体的浓度,这种植物就称为该大气污染物的指示植物。*常见大气污染指示植物*二氧化硫污染指示植物：如地衣、苔鉢、芝麻、向丨I葵、落叶松、加拿大白杨等*氟化物污染指示植物：如郁金香、杏、葡萄、梅、雪松等*二氧化氮污染指示植物：向日葵、番茄、秋海棠、烟草等*指示植物的选择方法：现场比较评比法；栽培比较试验法；人工熏气法*监测方法：选择町靠的指示植物，了解其受害症状和受伤阈值，然后根据受害程度大小估测人气污染物的成分、浓度和范围。注：受伤阈值指引起指示植物受害的污染气体的最低浓度和暴露时间。\n植物群落监测法：该法是利用植物群落中各种植物对环境污染的反应估测人气污染的方法。地衣、苔蘇监测法地衣、苔蘇作为指示植物的特点：（1）这两类植物对二氧化硫和氟化氢等的反应比高等植物敏感。（2）地衣、苔鳏生长在树干上，故可以减少土壤或水体污染的干扰。（3）地衣、苔稣所需水分和养分等全部依赖丁•雨水和鉤，同时以植物整体吸收养分，而高等植物靠气孔來吸收大气屮的污染物，故前者吸收污染物的量相对较多。（4）生长速度比高等植物慢，一旦受损不易恢复，有利于掌握长时间的污染积累结果。（5）两者为多年牛©绿色植物，一年四季均可作为监测器。而高等植物往往冬季落叶，难以显示受害情况。（6）取材方便，成木低，有直观效果，但在自然条件下难以获得精确可靠的定量数据。（7）形体小，分类困难，不经过专门的学习不易掌握辨识方法。**地衣、苔蘇监测法*观察指标:通常观察地衣、苔鋒植物的多度、盖度、频度、种类数量以及内外部受害症状等指标。在大气污染状况下，地衣、苔稣分布规律*污染严重地区，地衣、苔蘇植物很少或完全绝迹；*随污染的减轻，地衣、苔S?植物种屈增加，多度、盖度、频度等也逐渐增高并且在树干上的分布高度也升高。*植物监测的其他方法*微核技术的应用：根据环境污染物会引起染色体畸变而形成微核的原理，利川紫路草花粉母细胞的微核数量指示环境污染状况，我国已应用该法来监测水、大气污染状况。*污染量指数法*K1PC=监测点指示植物叶片中某污染物的含量/对照点同种植物中某污染物的含量*大气污染的综合生态指标法*应用植物监测应注意哪些问题？采取哪些措施？（1）应注意区分大气污染对植物的伤害与其他因素对植物伤害，如冻害、病虫害、肥料不足、农药药害等也可使植物受害。（2）可从调查污染源入手，通过观察植物叶片受害症状、受害方式，或进行叶片污染物的含量分析來进行判断，这要求工作人员观察细心，并有较为丰富的实践经验。**大气污染的细菌总数测定*空气污染的微生物学评价指标：细菌总数；链球菌总数*测定方法：沉降平肌法；吸收管法；撞击平HIL法；滤膜法*4.2.2水污染的生物监测*水污染的生物监测主要包括以下方町⑴水污染的细菌学监测（2）浮游4：物监测法（3）底栖大型无脊椎动物监测法（4）微型生物群落监测法*水污染的细菌学监测指标冇以F两个：*细菌总数*细菌总数指ImL水样在营养琼脂培养基中，于3代、24小时培养后所生长的细菌菌落总\n数。*它可反映水体有机污染的程度，如每1毫升自來水中细菌总数不得超过100个。大肠菌群数*大肠杆菌是一•群需氧和兼性厌氧的、能发酵乳糖、产酸、产气的革兰氏阴性无芽他杆状细\n菌。主要來源于人畜粪便屮，在肠道小普遍存在并4是数星最多的一种。故大肠杆菌群的检测作为监测水体是否受粪便污染的指标。*人肠菌群数指每升水样中含有的大肠菌群的数量。如每升饮用水中人肠菌群数不得超过3个。*大肠菌群数的测定：多管发酵法和滤膜法*什么是大肠菌群？为何用其作为水质粪便污染的指示菌？*致病菌在水体小存在数量极少，检测技术复杂，不易直接检测；*人肠菌在水中存在的数口与致病菌呈一定止相关，抵抗力略强，易于检杳等特点，故作为水体受粪便污染的指标，以大肠菌群最为理想。**浮游生物监测法*浮游生物包括浮游植物和浮游动物，如藻类、原生动物、轮虫、枝角类等*浮游生物监测法的特点：浮游生物小的某些种类对有机污染或化学污染非常敬感，长期被用作指示牛物，但由丁•浮游生物的不稳定性且常常集群分布，因而其作为水质指示牛物的可靠性和准确性受到限制。*浮游生物监测法的具体步骤：采样；检验标心的制作；计数；生物量的测定：叶绿素a法；生物体积法；重量法；ATP测定法*底栖人型无脊椎动物：包括水生昆虫、大型甲壳类、软体动物、环节动物等，一般栖息在水底或附着在水中植物和石块上，肉眼可见。*底栖大型无脊椎动物监测法*在未受干扰的环境里，河流和湖泊屮大型无脊椎动物群落的组成和密度比较稳定，这些群落可调节群落结构來反映牛境质量变化，这些对坏境变化的反应可用來监测和评价城市、工业、石汕、农业废物及其土地利用对自然水体的影响。*微型生物群落是生活在水中的微小生物，包括藻类、原生动物、轮虫、线虫、甲売类等,如环境受到外界的严重干扰，其群落的平衡被破坏，其结构特征也随之变化，因而可用其进行水体的监测和评价。*PFU法（聚氨酯泡沫塑料块法）*原牛动物在PFU内的群集速度和时间受坏境的影响，不同污染水体，莫群集速度和种类数不同。*4.2.3水环境质量的生物学评价*水环境质量的生物学评价有以下几种方法：⑴一般描述对比法（2）指示生物法（3）污水生物系统法（4）生物指数法（5）种的多样性指数（6）生产力法（7）残留量指数及富集系数**指示生物法*水体污染指示生物；常采用底栖动物中的环节动物、软体动物、固着生活的甲壳动物以及水生昆虫等。它们个体较大，在坏境川相对位移小，无逃避行为，生命周期较氏，故成为水体污染指示生物的重要研究对彖。*常用的水体污染指示生物种类：颤蚓类；摇蚊幼虫；蚂蝗；浮游牛物和藻类*污水生物系统法的原理：受污染的河流由于自身的自净过程从而导致自上游往下游形成一系列在污染程度上逐渐减轻的连续带。随污染物浓度的降低，牛物种类也发生变化，每一带都生存有人体上能够表示这一带特性的动物和植物，由此可以将河流依次划分为四个污染带,即多污带、a污带、B—屮污带、寡污带，从而可以根据一条河流中一定区域内所发现\n的动物区系和植物区系來鉴别该区域的有机污染程度。\n污水生物系统中各带特点：*多污带：有机污染严重，溶解氧含量低，细菌极多，无好氧生物，无角类生存；*屮污带：包括a污带（有机污染较为严重，溶解氧略有回升，多为耐污性生物种类，）和中污带（中等程度的有机污染区域，溶解氧较高，有多种藻类和原生动物，有角类出现）;*寡污带：溶解氧恢复正常或达饱和，水质透明，细菌数量少，藻类种类和数量多。*污水生物系统的应用*主要应用对象是被牛活污水污染的水域，对重金屈和其他工业废水引起的污染水域的应用问题尚需进一步研究。*应用该法來监测和评价环境比较全血，但工作很繁重，耗费时问，而且需要具有熟练的分类知识，同时调查结果也不易表示。**生物指数法：它是依据不利环境因素，用数学形式表现群落结构来指示环境质量状况，包括污染在内的水质变化对生物群落的生态学效应的一种方法。*生物指数法的应用特点：方法简单，有一个粗略数字概念，便于比较；*缺点：需分类学和牛态学专门人员进行种类鉴定，同时只考虑了种类数，而未考虑个体数量。*应用时应结合生物学其他指标和物理、化学指标，综合考虑各方面的影响因索。*多样性指数法（1）*多样性指数法是应用数理统计方法來表示生物群落的种类和个体数量的比值从而评价环境质量的一种方法。*多样性指数法的工作原理：其丁•作原理为不同的生物对污染的敏感性和耐受性不同，敏感的种类在不利的条件下死亡，抗性强的种类在新的条件下可大量发现。利用群落中个体数与种类数的比值在不同污染区的不同，从Ifu反映环境污染的状况。*小结*多样性指数具有简明的数值概念，对以直接反映环境质量状况。指数值越人，表明生态环境状态越好。该法如与其他生物监测方法综合起來分析，其效果更好。*其他生物学评价方法*生产力：反映一个生态系统内物质循环和能量流动的指标。*P/R值：初级生产量和呼吸量的比率。*自养指数Iai：去灰分重和叶绿素含量的比值。**残留量指数和富集系数*残留量指数I=Ci/Csi*富集系数K=Ci/Csi*注：Ci——生物个体或种群的某种化合物或元素的实测残留量，mg/kg；Csi——环境中的本底值，mg/kgo*比值小于1时表明水体未受污染，比值大于1时表明水体受到污染，并按不同数值划分污染程度。*生物标志物（Biomarker）:化学污染物所导致的生物有机体的生物化学和生理学改变称之为牛物标志物。暴露生物标志物（ExposureBiomarkers）：口J扌旨示机体対化学污染物的暴露，但不显示发生这种变化所造成的于利效应的程度。*效应生物标志物（EffectBiomarkers）:可证明化学污染物对机体的不利效应。*4.4化学品生态风险评价\n风险（Risk）：不利事件发生的概率\n*风险评价(RiskAssessment)*生态风险评价(EcologicalRiskAssessmeni)*指确定环境危害(环境中岀现的物理的、化学的或生物的媒介)对非人群生态系统不利影响的概率和大小，以及这些风险可接受程度的过程。*生态风险评价的主要内容*暴露评价：提供污染物在牛态系统中的时空分布规律*受体分析：受危害的生物或生态系统的相关信息*危害评价：研究剂量一效应关系，提出某种控制指标或阈值*风险表征：根据上述信息综合分析，给出有无风险及风险大小的结论*生态风险评价程序**放射性污染和射频电磁辐射污染的住物学效应放射性污染的生物学效应放射性污染的来源对人体從康的影响防治和监测*射频电磁辐射污染的生物学效应污染源；对人体健康的影响；预防措施及监测第五章环境污染生物净化的原理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；T业废水；农业废水和灌溉水；*人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、卤索化合物一次污染物和二次污染物5.1.2环境污染治理方法概述*污水处理方法*物理法：蒸发结品法、化学法：物化法：生物法：*固体废弃物沉淀法、过滤法、离心分离法、浮选法、吸附法、萃取法、吹脱法、反渗透法化学凝聚法、中和法、氧化还原法、离子交换法电解法、电渗析法好氣法、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\n*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(BiologicalOxygenDemand)概念：在20°C条件下，微生物好氧分解水样(废水或受污染的天然水)屮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)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?和出0。化学需氧屋COD(ChemicalOxygenDemand)*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，水中还原性物质包扌匚有机物、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\n对含量的指标之一。\n宣在规定条件下，强氧化剂重f各酸钾K2Cr2O7可氧化大多数常见的有机污染物,故在实际使用中常把CODCr的测定值近似地代表废水小的全部有机物。BOD和COD的比较*废水处理屮多以BOD和COD两个指标來度量水样的冇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，基本上反映出水体屮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，共至无法测定。*COD：*一般表示废水中有机污染物重量的98%,儿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包拾两部分：一部分为能够被微生物降解的有机物的耗氧量CODb，另一部分为不能够被微生物降解的有机物的耗氧量CODnbo*BODuHCODbBOD5=0.58CODB总需氧量TOD和总有机碳TOC*总需氧量TOD(TotalOxygenDemand)指：有机物和少量无机物在钳催化下，在燃烧炉900°C高温燃烧成稳定的最终产物所消耗的氧的量。*总有机碳TOC(TotalOrganicCarbon)*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°C和钳催化下，测定二氣化碳的含量，并扣除150°C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BOD5和COD更能直接表示有机物的总量，故常常被用来评价水体屮有机物污染的程度。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"含氮化合物的儿种化学形态有机氮：蛋白质、氨基酸、尿索等无机氮：包括氨氮：NH3—N、NH4+-N和硝态氮：NO2_—N、NO3_-No*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钱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，rti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。\n*氨氮*亚硝酸盐氮硝酸盐氮*5.2牛物对污染净化原理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。*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坏境条件下，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。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。(1)光降解(2)化学降解(3)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。英屮微生物所起的降解作用最大，故也称为微生物降解。*微牛物代谢活动中的化学作用(实质是酚反应)*氧化作用；还原作用；脱竣作用；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乂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)\n*化合物的结构*绘类：链桂的易降解性大于坏怪，直链桂大于支链姪，不饱和姪大于饱和怪，支链烷基越多，越不易被降解*当主链上的C被S、N、0取代时，对生物氧化的阻抗上升*当C原了上的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；底物浓度微生物对常见污染物的降解与转化危险性化合物（HazardousChemicals）的概念*微生物具有降解自然界产牛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*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，依靠微生物的口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吋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：通过长时间的驯化來得到具有一定降解能力的微牛•物群体；通过基因工程手段來改造微牛•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（如发酵一水解菌群、产硫菌群、产乙酸菌群、产屮烷菌群等）通过多步反应将有壽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屮的微生物分为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（电了）转移；⑦提供一种以上初级底物利用者。有机污染物的牛物町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、难生物降解和不可牛物降解。*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BODs与COD°Z比；测COD30：培养法\n5.2废水牛物处理的原理5.2.1水体自净作用*什么是水体自净作用(waterself—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*阶段一：有机物进入河流，有机物浓度T,异养菌数量T,doJ；*阶段二：有机物浓度I,升养菌数量J,原生动物数量T,doT；*阶段三：有机物浓度异养菌数量J,原牛动物数量T,藻类数量T,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T=>藻类T；*变化三：do的变化：doI=>doT=>恢复原有水平氣垂曲线(Oxygen—sagCurve)*自净过程中DO的变化*有机物浓度T,耗氧速率〉复氧速率，DOJ*有机物浓度丄，耗氧速率=复氧速率，DO=>D0min*有机物浓度丄=>0,耗氣速率V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llll线來表示，1111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口净能力时，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，氧垂曲线出现屮断。故氧垂曲线可作为衡量水体口净的指标。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白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來降解转化有机物，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。活性污泥法和生物膜法*日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、胶休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。活性污泥是貝有很强的吸附分解有机物能力\n的、充满微牛物的污泥；*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1.具有很强的吸附能力2.具有很强的分解、氧化有机物的能力3.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，在系统屮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。4.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0的。5.2.3废水生物处理的类型*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*按处理系统屮微生物存在的状态*悬浮生长系统*I古I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*I古I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屮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小发挥重耍作用？第六章环境污染物的牛物净化方法6.1废水的好氧生物处理6.1.1活性污泥法*活性污泥法的原理活性污泥法是利用悬浮生长的微生物絮体处理有机废水的一类好氧生物处理方法。*注：微生物絮体rti好气性微牛物（细菌、真菌、原牛动物和后牛动物）及其代谢和吸附的有机物、无机物组成。*活性污泥的净化反应过程\n活性污泥系统対有机底物的降解是通过儿个阶段和一系列作用完成的。包括以下阶段：*①絮凝和吸附阶段宣②活性污泥屮微牛物的代谢和增殖*③活性污泥的凝聚、沉淀和浓缩活性污泥中的微生物*形成活性污泥絮状体的细菌——菌胶团细菌*菌胶团：狭义指动胶菌属（Zoogloea）形成的细菌团块，广义指所有具有荚膜或粘液或明胶质的絮凝性细菌互相絮凝聚集形成的菌胶团块。*菌胶团细菌是活性污泥的主体，它的作用：*具冇很强的吸附、氧化分解冇机物的能力。菌胶团的形成可使细菌避免被微型动物所吞噬，并且与污泥的沉降性能和二沉池能否有效泥水分离密切和关；*为原生动物、微型后生动物提供了良好的生存环境、附着场所。*丝状细菌*它的作用有两方面：（1）：是活性污泥的重耍组分，交叉穿织与菌胶团内，或附着生长于絮状体表面，具有强氧化分解有机物能力，起到一定的净化作用。（2）：当丝状菌的数量超过菌胶团细菌时，可使絮状体沉降性能下降，严重时可引发污泥膨胀（bulking）现象。活性污泥中的微生物（1）原牛动物及微型后生动物*净化作用：腐生性营养的原生动物可吸收溶解性冇机物，动物性营养的原生动物可吞食有机颗粒、游离细菌及其它微小生物*促进絮凝和沉淀作用*指示作用:可作为处理系统运转管理的指标（2）真菌活性污泥净化反应的影响因素*溶解氧（DO）*曝气池出口处的混合液的DO浓度保持在2mg/L左右，可使活性污泥保持良好的净化功能。*水温*活性污泥微生物的最适温度范15〜30°C。*营养物质*微牛物对氮和磷的需要量可按BOD：N：P=100：5：1来考虑。*pH*活性污泥微生物的最适pH范围：6.5〜8.5。*有毒和有抑制物质*如重金属、鼠化物、硫化氢、酚、醇、醛、染料等*有机负荷率（BOD污泥负荷）\n活性污泥的工作参数(1)混合液悬浮固体(MLSS)*1L曝气池混合液中所含悬浮固体的重量，单位g/Lo(2)混合液挥发性悬浮固体(MLVSS)*1L曝气池混合液中所含挥发性悬浮固体的重量，单位g/L„(3)污泥沉降比(SV)*一定量的混合液静置30分钟后，沉降的污泥体积与原混合液体积之比，以百分数来表示。(4)污泥容积系数(SVI)*曝气池混合液静置30分钟后，沉降的污泥体积与污泥干重Z比。*它反映了活性污泥的凝聚性和沉降性，一般控制在50-150Z间，若人于200,则表明发生了污泥膨胀。(5)污泥负荷(Ls)*单位吋间内，单位重量的活性污泥能处理的有机物的数量，用kg(BOD)/kg(MLSS)*d表示。又称有机负荷率，F/M值。活性污泥法的基本特征*利用生物絮状体为生化反应的主体物*利用曝气设备向生化反应系统分散空气或氧气，为微生物提供氧源*对体系进行混合搅拌以增加接触和加速生化反应传质过程*采样沉淀方式去除有机物，降低出水中的微生物的固体含量*通过冋流使沉淀池浓缩的微牛物絮凝体返冋到反应系统*为保证系统内生物细胞平均停留的时间的稳定，经常排出一部分生物I古I体。活性污泥法的主要运行方式(1)按废水和回流污泥的进入方式及其在曝气池中的混合方式活性污泥法主要有两大运行方式：推流式和完全混合式。*推流式*推流式活性污泥曝气池有若干个狭长的流槽，废水从一端进入，另一端流出。随水流的过程，底物降解，微生物增长；从池首端到尾端，混合液内影响活性污泥净化功能的各种因素，如F/M值、微生物的组成和数量、基质的组成和数量等都在连续地变化，有机物降解速率、耗氧速率也连续变化。*特点：在曝气池的任何断面上都存在冇机基质的浓度梯度，因此存在基质降解动力，BOD降解菌为优势菌，可避免发生污泥膨胀现彖、运行可采用多种方式，能够增加净化功能如脱氮、除磷等。活性污泥法的主要运行方式(2)*完全混合式宣废水进入曝气池后在搅拌下立即与池内活性污泥混合液混合，从而使进水得到良好的稀释，污泥与废水得到充分混合，可以最大限度地承受废水水质变化的冲击。*特点：能够承受高浓度废水，对冲击负荷有一定的适应能力；需氧全池要求相同，能够节省动力；可使曝气池与沉淀池合建，无需单独设叠污泥回流系统，易于\n运行管理。几种活性污泥法的工艺流程:*推流式活性污泥法*完全混合式活性污泥法*矩时曝气法（渐减曝气法）*阶段曝气法（多点进水法）*牛物吸附法（AB法）*序批式间歇反应器（SBR法）*氧化沟法（OxidationDitch）*深水曝气活性污泥法6.1.2生物膜法*什么是生物膜法？*利用微生物在固体表面的附着生长对废水进行生物处理的技术方法。*生物膜法的特征*通过废水与生物膜的相对运动，使废水与生物膜接触，进行固液两和的物质交换，并在膜内进行有机物的生物氧化和降解，使废水得到净化，同时，生物膜内微生物不断得以生长和繁殖。生物膜屮的微生物组成*细菌和真菌*在生物膜的好气层专性好气的芽饱杆菌占优势;*在厌气层可见到反硫化弧菌属*数量最多的是兼性菌，如假单胞菌属等*原生动物*纤毛虫居多。*微型后生动物*如轮山类、线虫类、昆虫类等，个体数较多。生物膜法的特点（与活性污泥法相比较）*微生物多样性高*生物膜各段的微生物类群不同*生物膜中的食物链较长*具有较高的脱氮能力*单位处理能力大*系统维护方便*操作运行方便固定床生物处理的主要类型*普通生物滤池\n*塔式生物滤池*生物转盘滤池\n牛•物接触氧化滤池流化床生物处理技术*什么是流化床生物处理技术？*使废水通过运动态并附着生长有生物膜的颗粒床，废水屮的基质在床内同均匀分散的牛物膜相接触而获得降解去除，故在流化床小既有牛物膜，乂有活性污泥。*根据反应器屮的微生物的营养形式，可分为好氧流化床和厌氧流化床*好氧生物流化床*流化床中生物膜屮的指示牛物（1）滤膜生物（2）中间滤膜生物（3）非滤膜生物（4）滤月莫清扫生物6.2废水的厌氧生物处理6.2.1厌氧生物处理的原理与过程*什么是厌氧生物处理（AnaerobicProcess）?在厌氧条件下，利用厌氧微生物分解废水中的有机物并产生甲烷、二氧化碳的过程，又称厌氧发酵。与好氧生物处理的区别：不以分子氧为受轼体（最终电子受体），以无机物、化合态盐、碳、硫、氮为受氢体，如CO、CO2、so42">no3_等。*厌氧生物处理的优缺点*优点：耐有机负荷高；可生成甲烷；剩余污泥量少；无需充氧，能耗低；*缺点：污泥量增长慢，工艺过程启动时间长；对负荷变化、毒物敏感；故厌氧处理-•般只用于预处理，要使废水达标排放，还需要进一步处理厌氧牛物处理的过程（三个阶段）*水解阶段：复杂冇机物〜水解和发酵性细菌*酸化阶段：简单有机物（可溶态）〜产氢、产乙酸细菌*甲烷化阶段：简单有机酸类、醇类〜产甲烷菌ch4>co2厌氧反应器内的微生物*不产叩烷菌*细菌（以厌氧菌、兼性菌为主）、真菌，参与产卬烷阶段以前所有分解有机物过程，并产生小分子有机酸*产甲烷菌*英形态有八叠球状、杆状、球状、螺旋状*其特点：严格厌氧，代谢活动所需最佳pH值为6.772,只能利用少数的儿种简单化合物厌氧牛物处理的影响因素：*温度\n*中温发酵35°C〜38°C,高温发酵52°C〜55°C\n*pH值*中性坏境，甲烷化阶段7.0〜7.5*营养成分*BOD5:N：P*有机负荷厌氧生物处理的类型(1)普通厌氧反应器(2)厌氧接触反应器(3)上流式庆氧污泥床反应器(UASB)(4)厌氧生物滤池(5)厌氧流化床反应器*厌氣处理的活性污泥混合菌种来源：城市污水处理厂消化池污泥、初沉池污泥、人畜粪便、有机肥料等。甲烷含量达55%以上作为厌氧污泥培养成熟的指标，此时方可引入废水。*高浓度有机废水厌氧处理与好氧处理的经济分析*厌氧处理相对好氧处理可节省投资、占地面积，能提供干净的沼气能源，具有较高的经济效益，但出水还需经过好氧法的补充处理方能排放。6.4废水的微生物脱氮除磷6.4.1微生物脱氮微生物脱氮基木原理*生物脱氮主要通过硝化作用和反硝化作用来完成。*首先利用好氧段，由亚硝化细菌、硝化细菌的硝化作用，将NH3转化为NO3一一N,再利用缺氧段，由反硝化细菌将NCh一-N反硝化还原为N2,溢出水面释放到大气。微生物脱氮——硝化作用段硝化作用是指NH3被氧化成NO»,再被氧化成NO*的过程。*反应：NH3-N6—->NO3_*微生物：亚硝化细菌和硝化细菌，两者为化能自养菌，专性好氧，要求中性、弱碱性环境，以CO2为唯一碳源，最适温度25°C〜30°C,pH值范围7.5〜8.0。*运行操作关键：*(1)泥龄％RT(悬浮固体停留时间)较长*(2)要供给足够的DO；*(3)耍控制适度的曝气时间(HRT???)*(4)控制pH值在7.5〜&0微生物脱氮——反硝化作用段*反硝化作用是指兼性厌氧的硝酸盐还原菌将硝酸盐还原为N2的过程。*反应：HNO3fHNO2fN2Ofn2\n*微生物：假m胞菌属的微生物在厌氧条件下利用no厂氧化有机质，获得能量,碳源来自有机物，最终电子受体为NCV、NO2\要求屮件、弱碱件环境，最适温度10°C〜35°C,pH值范围7.0〜8.0,在一个有极低的DO、有NO3_和有机物存在的环境，pH值和温度合适就会产生反硝化。*运行操作关键：碳源、NO?一、NO?-、pH值、DO等影响微牛物脱氮的因素*pH值硝化反应要耗碱，如果污水中没有足够的碱度，随着硝化的进行，pH值会急剧下降，而硝化细菌对pH十分敏感，硝化细菌和亚硝化细菌分别在7.0〜7.8和7.7〜8.1时活性最强，在这个范围以外，其活性就急剧下降。*7nn_两类硝化细菌的最适温度在30°C左右。*溶解氧硝化过程的DO一般应维持在1.0〜2.0mg/LoDO对反硝化脱氮有抑制作用，但氧的存在对能进行反硝化作用的反硝化菌是有利的，因为这类菌为兼性厌氧菌。故工艺上最好使其交替处于好氧、缺氧的环境下,所以脱氮反应并不要求DO保持在零的状态。如在悬浮污泥系统中，缺氧段DO应控制在0.5mg/L以下，在膜法系统屮，可控制在1.0〜2.0mg/Lo*碳源*废水中所含的有机碳源：当废水中所含碳(BOD5)与总氮的比值大于3：1时,无需外加碳源，即可达到脱氮H的。*外加碳源：当废水中所含碳(BOD5)与总氮的比值小于3：1时，需外加碳源,多采用甲醇。*内碳源：*内碳源指活性污泥微牛物死亡、自溶后释放出来的有机碳，也称二次性基质。*利用内碳源，要求反应器的泥龄长、污泥负荷低，使微生物处于生长曲线稳定期的后部或衰亡期，反硝化速度极低，为前两种方法的I•分之一左右。*利用内碳源，可使在废水碳氮比较低使不必外加碳源也可达到脱氮H的，并且污泥产率低可减少污泥处理的费用。生物脱氮工艺的类型：按脱氮所用的碳源：内碳源和外加碳源6.4.2微生物除磷微生物除磷原理：厌氧放磷，好氧吸磷生物除磷中的微生物*积磷菌*是一类生长缓慢的细菌，在厌氧条件下，分解体内的聚磷來获得能量生长繁殖,在好氧条件和外界营养基质少的情况下，分解体内的PHB获得能量而生长繁殖，故它与不积磷菌相比更能适应厌氧、好氧交替的环境而成为优势菌群。\n*hl前认为，在微牛物除磷过程小起主耍作用的是假单胞菌屈、和气单胞菌属。*发酵产酸菌和积磷菌的关系*积磷菌只能利用低级的脂肪酸，不能直接利用大分子有机基质，而发酵产酸菌可将大分子物质降解为小分子，故在除磷过程小这两类菌是互不可分、密切相关的。微牛物除磷工艺*A/0(Anaerobic/Oxic)法*A/A/O(Anaerobic/Anoxic/Oxic)法*SBR生物除磷法*Phoredox法*UCT法生物除磷的影响因素(1)*碳源的浓度和种类*诱导积磷菌放磷的有机基质分为三类：*A类：乙酸、卬酸、丙酸等低分子有机酸，该类物质存在时放磷速度最快；*B类：乙醇、叩醇、柠檬酸、葡萄糖等需在厌氧条件下转化成A类基质后才能被积磷菌利用*C类：丁酸、乳酸和琥珀酸等，该类能否引发放磷与污泥的微生物有关*溶解氧*厌氧区DO存在对污泥的放磷不利，DO应小于0.2mg/L；*好氧区的DO应大于2.0mg/L,以保证积磷菌利用好氧代谢中释放的大量能量充分地吸磷。生物除磷的影响因素(2)*硝酸盐和亚硝酸盐*厌氧区两者的存在会抑制厌氧发酵而不产牛挥发性脂肪酸。*温度*pH*屮性或弱碱性环境*工艺的运行参数和运行方式*泥龄*厌氧区停留时间6.5固体废弃物的微牛物处理*固体废弃物的分类*固体废弃•物处理的基本原则：*无害化、减量化、资源化*固体废弃物的微生物处理的主要方法：*堆肥法\n*卫生填埋法*厌氧发酵法\n6.5.1堆肥法(Compost)*什么是堆肥法？*指依靠自然界广泛分布的细菌、放线菌、真菌等微牛物有控制地促进可被牛物降解的有机物向稳定的腐殖质转化的生物化学过程。*堆肥：堆肥化的产物。*根据处理过程中起作用的微牛物对氧气要求的不同，堆肥法可分为：*好氧堆肥法*厌氧堆肥法好氧堆肥法的微牛物学过程*发热阶段*初期，主耍由中温好氧的细菌和真菌利用堆肥中的易分解有机物，释放热量，使温度不断上升。*高温阶段*堆肥温度升至50°C以上进入高温阶段,好热性的微生物逐渐代替了中温微生物,一些复杂的有机物开始分解，腐殖质逐渐形成。病原性微生物逐渐被高温杀死。*降温和腐熟保肥阶段*当易分解有机物大部分被分解以后，剩下的是木质索等难分解有机物和新形成的腐殖质，好热性微生物的活动减弱，产热量下降，温度逐渐下降，中温性微生物又成为优势菌群，残余物进一步分解，腐殖质逐渐积累，堆肥进入腐熟阶段。好氧堆肥的影响因索1•有机质含量*有机质含量含量过低，产牛的热量不足以维持堆肥所需温度；*有机质含量含量过高不利于通风供氧从而产生厌氧和发臭。2冰分*水分过高不利于升温和通风；*水分过低，不能满足微生物生长需要，有机物也不能分解。3.温度*温度过低将大大延长堆肥吋间；*温度过高对微牛物产牛不利影响。4.碳氮比*碳氮比小，升温快，但最高温度较低；*碳氮比大，升温慢，但最I爲温度较高。5.氮磷比*堆肥原料的氮磷比一般在75〜150之间。6.pH厌氧堆肥法*指在不通气的条件下，将有机废弃物进行庆氧发酵，制成有机肥料，使固体废弃物无害化的过程。*厌氧堆肥过程的两个阶段*酸性发酵阶段：产酸细菌分解有机物，产牛有机酸、醇、二氧化碳、氨、硫化\n氢等，使pH下降；*产气发酵阶段：主要rti产甲烷细菌分解有机酸和醇，产牛甲烷和二氧化碳，随着有机酸的下降，pH迅速上升。*厌氧堆肥法特点（与好氧堆肥相比较）*堆内不设通气系统，堆温低，腐熟及无害化所需时间较长，但方法简便、省工,在不急需用肥或劳力紧张的情况下可以采用。6.5.2卫生填埋（SanitaryLandfill）*什么是卫生填埋法？*指将垃圾在填埋场里分层填埋的处理方法。由废物层（一般厚度2.5〜3.0m）和覆上层（一•般厚度为0.2〜0.3m）构成一个填埠单元，由一系列填埋单元构成一个填埋层，当填埋至设计高度后再盖上一层0.9〜1.2m的土壤，压实后就得到了一个完整的卫生填埋场。填埋坑内微生物活动过程的四个阶段（1）好氧分解阶段*微生物利用垃圾空隙中的空气进行好氧分解。（2）厌氧分解不产甲烷阶段*微生物利用硝酸根和硫酸根作为氧源，产生硫化物、氮气和二氧化碳，硫酸盐还原菌和反硝化细菌的繁殖速度人于产甲烷细菌。*（3）厌氧分解产甲烷阶段*当述原状态达到一定程度时开始产甲烷，坑内温度升至55°C时，进入稳定产气阶段。（4）稳定产气阶段*此阶段稳定地产生二氧化碳和甲烷。填埋场渗沥水和气体收集*渗沥水*垃圾分解过程中产生的液体以及渗出的地下水和渗入的地表水统称为填理场渗沥水。*渗沥水的性质主要取决于所埋垃圾的种类，数量取决于渗沥水的來源、填埋场的面积、垃圾状况和下层土情况等。*为防止渗沥水对地下水的污染可采取以下措施：*在填埋场底部构筑不透水层、集水管、集水井、监测井等；*对收集的渗沥水进行生物或物化处理。*气体收集*垃圾填埋后，由于微牛物的厌氧发酵，产牛甲烷、二氧化碳、氨、一氧化碳、氢气、氮气、硫化氢等气体。*填埋5年后为甲烷发酵旺盛期，可对气体进行收集处理后作为能源进行利用。6.5.3厌氧发酵（消化）*厌氧发酵的原理和过程\n*固体废弃物的厌氧发酵原理同厌氧堆肥，只是类似于高浓度有机废水的处理，在水相中进行，一般在厌氧发酵罐（池）中进行。*厌氧发酵的影响因素：有机物投入量；营养；粒度；发酵温度；发酵槽的搅拌;厌氧状态；加温；平均滞留时间；pH的影响6.6大气污染物的微牛物处理*什么是大气污染物的微牛物处理？指利用微生物的生物化学作用，使大气污染物分解。转化为无害或少害物质。冃前主要用来净化有机污染物特别是脱除臭味。*废气微生物处理的特点设备简单、能耗低、不消耗有用的原料、安全可靠、无二次污染等。*废气生物处理的两个阶段污染物甫气相转入液相或固相表面的液膜中；污染物在液相或固相表面被微生物降解。煤炭的微生物脱硫*细菌浸出法:利用微生物把煤炭中不同类型的硫分解成可溶性铁盐和硫酸后滤出煤粉。*表面改性法:利用细菌的氧化作用或附着作用改变黄铁矿表面性质（疏水性），提高分离能力，从而将黄铁矿从煤中脱除。微生物对无机废气的处理*微生物对无机废气的处理主要利用一些化能自养菌如硝化细菌、硫化细菌和氢细菌等。*适合于微生物处理的无机废气污染组分主要冇：氨和硫化氢。*微生物对有机废气的处理*微生物吸收法（MicroorganismAbsorption）*原理：利用微生物、营养物和水组成的吸收液处理废气，适合于处理可溶性的气态污染物。*装置：由吸收器（物理溶解过程）和废水反应器（牛物处理过程）两部分组成。*微生物洗涤法（MicroorganismWash）*利用污水厂剩余污泥配制混合液作为吸收剂处理废气，对脱除复合型臭气效果较好。*微生物过滤法（MicroorganismAdsorption）*利用含有微生物的固体颗粒吸收废气屮的污染物。*包括以下类型：堆肥滤池、土壤滤池、微生物过滤箱