环境生物技术 PPT整理.doc

1. 环境生物技术：广义：凡是涉及环境污染控制的一切与生物技术有关的工程技术。 严格意义：是直接或间接利用生物或生物体的某些组成部分或某些机能，建立降低或消除污染物产生的生产工艺或者能够高效净化环境污染，同时又能生产有用物质的工程技术。2. 环境生物技术的研究内容：低层次：利用天然处理系统进行废物处理的技术。 中层次：以废物的生物处理为主要内容。 高层次：基因工程主导的近代污染防治生物技术。3. 环境生物技术的应用领域： 废弃（气）物处理。 生物修复。 污染防治。 环境监测。 4. 生物工程：操纵生物（微生物、植物、动物）的细胞、组织或酶，进行生物合成、生物转化或生物降解，大规模地生产预期产品或达到特殊目的的一门技术。5. 四大生物工程：基因工程，发酵工程，酶工程，细胞工程。6. 基因工程:将外源基因通过体外重组后导入受体细胞内，使这个基因能在受体细胞内复制、转录和翻译表达的操作过程。7. 基因工程技术在环保领域中的应用：（1）优化污染物的代谢途径；（2）利用质粒突变筛选高效降解菌；（3）示踪环境中的工程菌。（4）增强细菌的环境适应性。8. 细胞工程：对细胞（有时也包括器官或组织）的离体培养、繁殖、再生、融合，以及细胞核、细胞质乃至染色体与细胞器（如线粒体、叶绿体等）的移植与改建等操作技术。9. 酶工程：利用酶的催化作用进行物质转化（合成有机物、分解有害物）的技术，是将酶学理论与化工技术结合而形成的新技术10. 发酵工程:利用微生物的生长和代谢活动来生产各种有用物质的工程技术11. 生物处理：是指利用生物来除去环境中的生物垃圾和有毒物质的过程。12. 生物垃圾和有毒废弃物的处理方法：焚烧；化学处理；微生物处理法。13. 废水的生物处理（1） 水质：指水和其中所含的杂质共同表现出来的物理学、化学和生物学的综合特性。（2） 水质指标：则表示水中杂质的种类、成分和数量，是判断水质的具体衡量标准，间接表示出水体受污染的程度。（3） 水质指标种类有：有毒物质、有机物质、固体物质、pH值、色度、温度、微生物等。（4） 生化需氧量：表示在有氧情况下，由于微生物的活动，可降解有机物稳定化所需的量。常以BOD表示，BOD越大，表示水体中的有机物越多，污染越严重。（5） BOD5 20C 5d （6） 化学需氧量：在一定条件下水中有机物与强氧化剂作用所消耗的氧量，以COD表示。（7） 总需氧量：指水中的还原性物质在燃烧中变成稳定的氧化物所需要的氧量，以TOD表示。（8） 总有机碳：是间接表示水中有机物含量的一个综合性指标。将水样在高温下燃烧，有机物氧化成二氧化碳，测定所产生二氧化碳的量而求出的水样中的总碳，以TOC表示。（9）（10） 废水水质控制的基本目的：* 满足废水再回用水质要求；* 满足废水中有价值物质的回收工艺对水质的要求；* 满足废水排放对水质的要求。（11） 废水处理的基本方法：现代废水处理技术按其作用原理和去除对象可分为物理法、化学法和生物法。# 物理处理法：利用物理作用，分离废水中呈悬浮状态的污染物质，在处理过程中不改变水的化学性质。处理对象：水中不溶解的悬浮物质。# 化学方法：利用化学反应作用来分离、转化、破坏或回收废水中的污染物，并使其转化为无害物质。主要有： （1）中和处理法； （2）混凝处理法； （3）化学沉淀法； （4）氧化还原法； （5）吸附法； （6）离子交换法； （7）膜分离法。# 生物处理法：利用水中微生物的新陈代谢功能，使废水中呈溶解和胶状的有机物被降解，并转化成为无害的物质，废水得以净化。 （1）活性污泥法； （2）生物膜法； （3）自然生物处理法； （4）厌氧生物处理法； （5）废水的脱磷除氮。（8） 废水处理的任务：采用各种技术措施将废水中所含有的各种形态的污染物分离出来或将其分解、转化为无害和稳定的物质，使废水得到净化。（9） 废水处理工艺流程：主要任务是去除城市废水中的悬浮物和BOD。一般分为三级。一级处理（物理处理）：主要去除水中呈悬浮状态的固体污染物质。二级处理（生化处理）：大幅度去除水中呈胶体和溶解状态的有机污染物；三级处理（深度处理）：进一步去除二级处理未能去除的污染物，包括微生物未能降解的有机物和氮、磷等。10. 废水的生物处理定义：通过微生物的新陈代谢作用，将废水中的有机物的一部分转化为微生物的细胞物质，另一部分转化为比较稳定的化学物质（无机物或简单有机物）的方法。（1） 有机物的好养分解：好氧生物处理法主要依赖好氧菌和兼性厌氧菌的生化作用来完成处理工艺的过程。作用机理：废水的好氧处理是在提供游离氧的前提下，以好氧微生物为主，使有机物降解的方法。特点：反应速度较快，所需反应时间较短，且在反应过程中，基本上没有什么臭气，较卫生，对BOD5浓度在600mg/L以下的废水较为适用。（2） 好氧分解对废水水质的要求 ：* 溶解氧：废水中的溶解氧应在0.32mg/L之间，此时好氧菌和兼性菌都能进行好氧呼吸。* PH值：对好氧的处理，pH值应在69之间。* 温度：水温在2040之间最为合适。* 微生物生长必须的营养：含有微生物生长必需的营养元素，C,N,P,S等。* 毒性物质：Zn,Cu,Pb,Cr等有毒物质在某些程度上使其适应新的环境，提高处理效率。* 进水有机物的浓度：进水BOD5浓度一般在100600mg/L。* 废水的可生化性：指废水中所含的污染物，在微生物的代谢作用下改变化学结构，从而改变化学和物理性能所能达到的生物降解程度。（3） 活性污泥法& 定义：就是以含于废水中的有机污染物为培养基，在有溶解氧的条件下，连续地培养活性污泥，再利用其吸附凝聚和氧化分解作用净化废水中的有机污染物。& 基本流程：活性污泥法通常是由曝气池、沉淀池、曝气系统、污泥回流和剩余污泥排除系统所组成。& 活性污泥的净化反应过程：吸附阶段；氧化阶段；絮凝体的形成与凝聚沉淀阶段。& 活性污泥的性能指标两个重要概念：污泥沉降比（SV）：指一定量的曝气池混合液，静止30min后，沉降污泥体积与原混合液体积之比，是控制运行的重要指标之一。一般在1530。污泥浓度（MLSS）：指曝气池单位混合液中所含悬浮固体的质量（g/L或mg/L），反映微生物的量。一般MLSS值控制在24g/L。污泥（容积）指数（SVI）:是指曝气池混合液静止30min后，1g干污泥湿时所占有的体积（mL/g）。即SVI（mL/g）SV/MLSS注：SVI过低，说明污泥颗粒细小紧密，无机物含量多，缺乏活性和吸附能力；SVI过高，说明污泥难于凝聚沉降，已经发生或即将发生污泥膨胀。污泥密度指数（SDI）： 曝气池混合液在静置30min后，含于100mL沉降污泥中的活性污泥悬浮固体的克数。SDI=100/SVI活性污泥净化反应的影响因素：1、溶解氧；2、水温；3、营养物质；4、pH；5、有毒和有抑制物质；6、有机负荷率。& 活性污泥法运行中常见的问题污泥膨胀。解决方法：加强管理，及时监测，合理调节进氧量与碳氮比。污泥上浮。解决方法：增加曝气、及时排泥、减少曝气池进水量。污泥的致密与减少。解决方案：投加营养料；缩短曝气时间或减少曝气量；调整回流比和污泥排放量；防止污泥上浮，提高沉淀效果。 泡沫问题。解决：安装压力水打破泡沫或者定时添加除沫剂。（4） 生物膜法& 基本原理：生物膜是依靠附着于固体表面滤料的介质上而生长繁殖的微生物净化有机物的好氧处理方法。& 主要生物膜法有： 生物滤池：其中又可分为普通生物滤池、高负荷生物滤池、塔式生物滤池等； 生物转盘； 生物接触氧化法； 好氧生物流化床等。& 生物膜的生长周期：生物膜的形成；生物膜的成熟；生物膜的更新与脱落。& 生物膜法的特点：优点：（1）附着于固体介质表面上的微生物对水量，水质的变化有较强的适应。（2）固体介质有利于微生物形成稳定的生态体系，栖息微生物的种类较多，处理效率高。（3）降解产物污泥量少。（4）管理方便。 缺点：*滤料表面积小，BOD容积负荷小。*附着于固体表面的微生物量较难控制，操作伸缩性差。*靠自然通风供氧，不如活性污泥供氧充足，容易产生厌氧。影响生物滤池功能的主要因素：（1）滤床的比表面积和空隙率；（2）滤床的高度；（3）负荷（有机负荷、水力负荷）；（4）回流（高负荷滤池和塔式滤池）；（5）供氧。（5） 污水的厌氧生物处理技术厌氧生物处理又称厌氧消化，是在厌氧条件下由活性污泥中的多种微生物共同作用，使有机物分解并生成CH4和CO2的过程& 复杂污染物的厌氧降解过程可以分为三个阶段水解发酵阶段（又称酸化阶段）、 产氢产乙酸阶段、产甲烷阶段 & 特点。 优点：* 产生的沼气可用于发电或作为能源 * 对营养物的需求量少 * 产生的污泥量少，运行费用低 缺点 * 出水的有机物浓度高于好氧处理 * 对温度变化较为敏感 * 厌氧微生物对有毒物质较为敏感 * 初次启动过程缓慢,处理时间长 * 处理过程中产生臭气和有色物质& 厌氧微生物群体之间的关系1、 不产甲烷细菌为产甲烷细菌提供生长和产甲烷所需要的基质；2、 不产甲烷细菌为产甲烷细菌创造适宜的氧化还原条件；3、 不产甲烷细菌为产甲烷细菌清除有毒物质；4、 产甲烷细菌为不产甲烷细菌的生化反应解除反馈抑制；5、 不产甲烷细菌和产甲烷细菌共同维持环境中适宜的pH值。& 影响厌氧生物处理的主要因素：温度；PH；氧化还原电位（含氧浓度）；营养；食料微生物比；有毒有害物质。& 工艺流程！（6） 污水的生物脱氮工艺（7） 污水的生物脱氮除磷技术& 脱氮机理：生物脱氮是在微生物的作用下，将有机氮和氨态氮转化为N2和NxO气体的过程，其中包括硝化和反硝化两个反应过程。& 硝化反应：在好氧条件下，将NH4+转化为NO2-和NO3-的过程。主要有硝化细菌的作用。 影响因素：在好氧条件下且保持一定的碱度；混合液中有机物的含量不宜过高；适宜的温度20-30度；硝化菌在反应器内的停留时间；有毒物质。& 反硝化反应： 在无氧的条件下，反硝化菌将硝酸盐氮(NO3-)和亚硝酸盐氮(NO2-)还原为氮气的过程。（主要是反硝化细菌）。 影响因素：碳源；PH；温度；溶解氧浓度。& 微生物脱氮工艺流程图！A/O工艺的特点：优点：流程简单，构筑物少，节省基建费用； 反硝化池不需外加碳源，降低运行费用；好氧池在缺氧池之后，可以使反硝化残留的有机物得到进一步去除，提高出水水质；缺氧池在前，反硝化菌可利用原污水中的部分有机碳，减轻好氧池的有机负荷。 不足：脱氮效率不高，一般为70-80%； 沉淀池易发生反硝化反应，造成污泥上浮，出水水质恶化。生物强化除磷工艺机理:利用好氧微生物中聚磷菌在好氧条件下对污水中溶解性磷酸盐过量吸收作用，然后沉淀分离而除磷。厌氧环境中: 活性污泥中的聚磷菌在厌氧的不利状态下，将体内积聚的聚磷分解，分解产生的能量一部分供聚磷菌生存，另一部分能量供聚磷菌主动吸收乙酸苷转化为PHB(聚-羟基丁酸)的形态储藏于体内。 聚磷分解形成的无机磷释放回污水中，这就是厌氧释磷。好氧环境中：进入好氧状态后，聚磷菌将储存于体内的PHB进行好氧分解并释出大量能量供聚磷菌增殖等生理活动，部分供其主动吸收污水中的磷酸盐，以聚磷的形式积聚于体内，这就是好氧吸磷。剩余污泥中包含过量吸收磷的聚磷菌，也就是从污水中去除的含磷物质固体废物管理的发展趋势:”减量化”、“资源化”和“无害化”。11. 固体废弃物的处理 & 城市垃圾处理处置方法比较： 技术 土地填埋 焚烧 堆肥 技术特点设备简单、操作简便、工艺可行设备复杂、工艺要求高、操作要求严格机械设备复杂、维修费用高 价格620元/吨2035元/吨3050元/吨 & 有机物的结构与生物降解性的相互关系 对于烃类化合物，生物降解性一般是直链烃大于支链烃，不饱和烃大于饱和烃，链烃大于环烃； 当主链上存在其他元素时，其生物降解性较完全由碳组成主链的化合物要差； 每个碳原子上至少保持一个氢的有机化合物，其支链对生物氧化的阻抗作用较小； 官能团的性质及数量多少，对有机物的生物降解性影响很大； 分子量的大小也影响有机物的生物降解性。 邻苯二酚是芳香化合物氧化过程中生成的重要中间代谢产物，它通过间位和邻位途径形成三羧酸循环的中间氧化物。& 化学农药在微生物降解的三种作用：酶促作用；非酶促作用；微生物代谢引起农药参与系列生化反应。12. 生物修复& 定义：指利用生物将土壤、地表及地下水或海洋中的危险性污染物现场去除或降解的工程技术系统。& 优点：投资费用省，对环境影响小，能有效降低污染物浓度，适用于在其他技术难以应用的场地，而且能同时处理受污染的土壤和地下水。局限性： 需对具体地点的状况和污染物进行详细而昂贵的考察， 微生物活性受温度和其他环境条件的影响， 某些情况下，生物修复不能去除全部的污染物。与生物处理的区别：两者原理一致，但生物修复侧重于受污区域的原位生物处理。 & 生物修复中的微生物修复：通过微生物的降解和转化，将有机污染物转化为无害的小分子化合物和CO2与H2O。& 环境污染的植物修复特点：可同时去除有机污染物和重金属、放射性核素，适用于大面积、低污染的位点。& 植物在土壤修复中的应用：环境中金属污染的去除；环境中有机物的降解与去除；环境中放射性核素的去除。13. 环境可持续发展 一、废物生产能源物质:（一）生物制氢（二）生物柴油（三）生物乙醇（四）生物沼气降解塑料是塑料家族中带降解功能的一类新材料，在使用前或使用过程中与同类普通塑料具有相当或相近的应用性和卫生性能，而在完成其使用功能后，能在自然环境条件下较快的降解成为易于被环境消纳的碎片或碎末，并随时间的推移进一步降解成为CO2和H2O，最终回归自然。降解塑料的特点： 工艺操作方法简单； 合成中几乎没有环境污染； 产品具有生物可降解性和生物相容性； 可进行高分子材料的结构调控。表面活性剂：由亲水基和疏水基两部分组成的物质，具有影响不相溶界面的特性。生物表面活性剂：表现出特别高表面活性的生物分子。（1） 生物表面活性剂应用： 生物表面活性剂的应用具有超过合成表面活性剂的优点：化学多样性为切合特定需要提供更为广泛的选择范围，具有适合特定需要的能力，良好的环境相容性* 生物表面活性剂在采油工业上的应用（MEOR）；* 生物表面活性剂在环境生物工程上的应用（生物修复）；* 生物表面活性剂在食品工业和精细化工上的应用（乳化、保湿、起泡、增稠）。微生物脱无机硫的机制：微生物脱无机硫是微生物把2价铁变为作为催化剂3价铁的铁氧化作用，以及把硫化物中的硫和单体硫变成硫酸的硫氧化作用过程。微生物降解有机硫的机制：（1）碳架破坏途径DBT的碳架被专一氧化而C-S键依然保留，在假单胞菌、固氮菌、不动杆菌和根瘤菌的混合培养中发现。（2）直接氧化DBT的C-S键生成苯甲酸酯途径以DBT为惟一碳源、硫源和能源，将DBT完全降解为生物物质和硫酸盐。（3）硫专一途径专一地切断DBT的C-S键生成联苯,“4S途径” 对含硫烃进行专一性脱硫、保持芳香结构不变14. 生物监测（1） 生物监测包括生物学监测和生态监测。（2） & 生物学监测：生物学监测是利用生物个体、种群或群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。 & 生态监测：对人类活动引起的生态系统状况的变化进行观测、评价和预测。（3）生物监测的特点 优点：（1）能综合、真实的反应环境质量状况； （2）具有连续监测的功能； （3）具有多功能性； （4）监测灵敏度高； （5）简单易行。 不足：（1）不能快速、定量地反映环境污染状况和变化； （2）易受外界各种因素的影响； （3）生物生长发育、生理代谢状况等制约着外界干 扰的作用； （4）指示生物同一受害症状可由多种因素造成； （5）技术水平高，推广困难。（4） 指示生物的概念：对某一环境特征具有某种指示特性的生物，则叫做这一环境特征的指示生物。它可分为水污染指示生物、大气污染指示生物。15. 生物安全性评价（1）意义： 防止基因转化的随意性； 解释公众对各种生物安全性