污水处理新技术第五章

5.难降解有机物的特性及微生物降解技术措施作用

5.1合成有机物的种类及特性

合成有机物除了具有一般有机物共同的特性外，也具有一些不同于一般有机物的特性。例如分子量大，结构复杂，有的对生命体具有毒害作用，有的不易被生物所降解等。按照合成有机物的化学结构及其特性，一般可将其分为以下几类：（1）卤代脂肪烃，如氯代或溴代的烷烃和氯代和溴代的烯烃，这类化合物的分子量在50～300之间。

（2）卤代酯，如氯代酯和氯苯基酯等。

（3）单环芳香化合物，如氯代苯、烷基苯、硝基苯。

（4）酚和甲酚类，包括氯代酚、硝基酚、烷基酚和含取代基的甲酚。

（5）邻苯二甲酸酯，含二烃基邻苯二甲酸酯。

（6）多环芳香烃，如萘、蒽，苯并（α）芘等。

（7）氯代化合物，如烷基胺、亚硝胺和卤代苯胺。

（8）多氯联苯，生物降解速率极其缓慢。

（9）有机氯杀虫剂，如艾化剂，DDT，氯丹。

（10）有机磷杀虫剂，如对硫磷。

（11）氨基甲酸酯杀虫剂和除草剂。

5.2人工合成有机物的去除途径和机理

（1）吹脱

即在常温常压或减压、或升温减压等条件下通过吹脱去除有机物。一般来说，低沸点、高挥发性的有机物易被吹脱。注意，大气环境污染或引起爆炸，应利用冷凝法回收吹脱污染物。活性污泥法曝气，有机物因曝气法而被吹脱去除。（2）化学氧化

利用强氧化剂，如O

3、H

2

O

2

等作用使有机物氧化分解，有时需要投入催化剂

以加速其氧化分解过程。运行费用较大。近年来，化学氧化法特别是高级化学氧化的研究十分活跃，取得了较大进展。所谓高级氧化过程，是指利用复合氧化剂，或在光催化的条件下，或通过非均相催化途径不断产生氧化能力极强的OH·自

由基，OH·自由基几乎可以无选择地与任何有机物发生反应，生成CO

2、H

2

O、矿

物盐，不会产生任何中间产物。

几种主要的高级氧化过程：

①均相催化氧化过程：利用O

3/H

2

O

2

可诱发自由基，使有机物的氧化速率比

采用单一氧化剂臭氧或H

2O

2

显著加快。

②光催化氧化过程：H

2O

2

溶液被紫外光线照射时会产生OH·自由基，O

3

在紫

外照射下也可激发OH·自由基和其他某些激态物质的生成；

③非均相催化氧化过程：作用原理是在装有固体催化剂的反应器中，使污染物、氧化剂扩散到催化剂表面的活性中心被吸附，在催化剂表面发生催化氧化反应，最后产物再从催化剂表面脱附返回溶剂主体。

均相：在连续相和分散相之间没有相界面，分离较难。

非均相：在连续相和分散相之间存在着明显界面，机械分离过程，如油和水。（3）吸附

通过某些介质的表面对有机物的吸附作用将污染物从水中除去。

（4）萃取

利用有机溶剂将废水中有机物取出并回收。

（5）生物降解

5.3微生物在有机化合物生物降解中的作用

微生物降解有机物一般有二种方式，一种方式是微生物以某一类有机物作为其唯一生长的碳源和能源，有时还作为唯一的氮源，具有这种能力的微生物很多；另一方式是通过共代谢（come-tabolism）进行降解，即微生物从某些其他化合物获得碳源和能源，转化原来不能被利用的一些有机物，甚至完全降解。许多化合物需要多种微生物的一系列共代谢反应才能完全降解。

微生物对有机物的代谢过程是通过自身的酶的催化作用来完成的，由于各种微生物产生的酶不同，因此不同微生物对各种有机物的降解能力存在着很大的差别。

由于微生物对有机物的降解有特异性和选择性，所以自然界环境中的有机物的生物降解多是通过混合微生物群落来完成的，即一些微生物可以利用某一种或某一类有机物并将其转化成为另一种化合物，而另一些微生物则可利用转化产生

的中间产物作为营养，并使其进一步分解代谢，直至生成CO

2、H

2

O及其他无机物。

人工生物处理，如将厌氧与好氧结合，就是利用微生物的多样性和特异性，以及它们在有机物降解中的“接力”作用。

自然界的微生物几乎能降解所有天然的有机化合物，这是长期驯化的结果，但是这些自然界存在的微生物却降解不了许多人工合成的有机物，这是由于许多人工合成的有机物与天然有机物在化学结构上的差异所造成的。现有微生物产生的酶不具有催化分解这些化合物的特性，或者说自然界缺少能产生催化分解这些与天然有机物组成结构不同的人工合成物的酶的微生物。而微生物所具有的很强的变异性又为人类提供了进一步改造生物和挖掘微生物潜力的可能性。通过技术来加快微生物的驯化、培养、分离高级微生物。这些方法包括：菌种的筛选、驯化和富集；通过基因工程培养出具有降解特定化合物特性的微生物以及细胞固定化等生物技术。

5.3.1菌种的驯化、筛选、富集和分离

菌种的驯化、筛选和富集是培养并寻找出那些对某些人工合成有机物有降解能力的微生物，并通过人工办法来驯化它们对难降解有机物的降解能力。菌种分离是从经过驯化、筛选的混合菌群中分离出单个的并对某一类或某几类特定化合物有降解能力的菌种。

菌种的驯化、筛选和富集过程应注意以下三个要素：

（1）选择适当的微生物来源；

（2）选定作为微生物生长代谢的碳源和能源的目标化合物的适当浓度；

（3）选择和创造适宜微生物生长的环境条件（包括培养液的成分、pH、适宜的温度、好氧降解条件下足够的氧及厌氧条件下的无氧环境等。）

经目标化合物驯化、筛选出的优势菌，有的只对目标化合物有降解活性，有的则对与目标化合物属于同系物的化合物也会表现出较高的降解活性。用目标化合物驯化和筛选的菌种可以增强对该化合物的利用能力。换言之，可以提高对该化合物的降解能力，但并不能改变化合物降解易难的本质。

5.3.2 应用基因工程培养降解难降解有机化合物的高效菌

虽然在自然界里已演化出一些对某些人工合成有机物有一定降解能力的微生物，但微生物的自然演化过程是十分缓慢的。基因工程是加快这一演化过程的