微生物在清洁生产中的应用 PPT课件

微生物技术在清洁生产中的应用 1 主要内容 一 清洁生产概述二 微生物技术在养猪业清洁生产中的应用三 清洁煤生产中的微生物脱硫四 微生物在选矿中的清洁生产应用过程五 结语 2 1 清洁生产概述 从经济学的角度 按照马克思的理论观点 生产是以一定生产关系联系起来的人们利用劳动资料 改变劳动对象以适合人们需要的过程 这里所说的生产 主要是指物质资料的生产 即使一定的原材料转化为特定的有形产品的活动 图1生产概念示意图 3 传统生产模式的环境经济特征 末端治理弊端 工业污染物种类多 控制与治理要求严格 企业的治理费用不断提高 经济负担不断加重 治理技术有限 难以彻底消除污染 存在污染物在不同介质中转移 如有毒有害物质 不仅投资增加 而且可回收的资源没有得到有效的利用 使企业原材料消耗增高 产品成本增加 经济效益下降 企业治污积极性下降 4 清洁生产与可持续发展 5 6 1990年9月在英国坎特伯雷举办了 首届促进清洁生产高级研讨会 正式推出了清洁生产的定义 清洁生产是指对工艺和产品不断运用综合性的预防战略 以减少其对人体和环境的风险 7 1 4清洁生产的概念内涵 1 4 1多种清洁生产概念术语概述 欧洲国家 少废无废工艺 无废生产 清洁技术 日本 无害化工艺 美国 废料最小化 污染预防 源削减 此外还有 环境无害化技术 生态工艺 再循环工艺 生态效率 8 1 侧重从生产角度的表述 是指着眼于改变生产系统 促进将资源环境的考虑综合融入生产活动全过程 而对清洁生产概念内涵的表述方式 体现转变人类传统生产模式的本质 9 10 图清洁生产概念的基本要素 清洁生产的基本特征 预防性 综合性和持续性 11 费用 费用 原料 产品 废渣 效益 处理 综合利用 效益 清洁生产示意图 绿色工艺和环境管理 能源 12 2 清洁生产内涵 合理有效地利用资源能源 尽可能减少废物 或污染物 的产生对无法避免产生的废物 或污染物 以对资源节约 环境安全的方式进行循环回用和综合利用对未被利用的废物 或污染物 采取适当的环境治理技术进行削减对残余的废物或污染物进行妥善的最终处置 以安全的方式排入环境 13 清洁生产战略的基本内容 14 清洁生产是一种技术 包括综合利用技术 源削减技术 再循环技术 无害化技术等 清洁生产也是一种战略 包括进行战略评估 制定战略目标 战略规划 战略步骤等 清洁生产更是一种哲学 体现了社会与自然的和谐共存 经济和环境的协调发展 精神与物质的需求平衡 15 微生物资源利用与清洁生产 1 微生物个体小 分布广泛 比表面积大 巨大的生物比表面积增加了与环境接触的机会 为巨大的营养物质的吸收面 代谢废物的排泄面和环境信息的接受面 2 微生物繁殖快 易变异 适应性强 巨大的比表面积 使微生物对生存条件的变化具有极大的敏感性 又由于微生物繁殖快 数量多 可在短时间内产生大量变异的后代 对于极端的环境 对进入环境的 陌生 污染物 微生物可通过突变 改变其原来的代谢类型而适应 并产生新的降解能力 16 3 微生物类型繁多 其营养类型 理化性状 生态习性 代谢类型多种多样 它们的代谢活动 对环境中形形色色污染物的降解转化 起着极其重要的作用 其次 微生物能合成各种降解酶 酶具有专一性 又有诱导性 对环境中的污染物 微生物通过其灵活的代谢调控机制而降解转化之 4 微生物体内还有另一种调控系统 质粒 plasmid 质粒是菌体内一种环状的DNA分子 是染色体以外的遗传物质 降解性质粒可编码生物降解过程中的一些关键酶类 抗药性质粒能使宿主细胞抗多种抗生素和有毒化学品如农药和重金属等 17 二 微生物技术在养猪业清洁生产中的应用 2 1 发酵床技术在猪场清洁生产生中的应用研究发酵床技术是一种无污染 零排放的有机农业技术 是利用我们周围自然环境的生物资源 即经采集分离与筛选多种有益微生物 通过对这些微生物进行培养 扩大培养 形成有相当活力的微生物母种 再按一定比例将微生物母种 锯木屑以及一定量的辅助材料和活性剂混合 发酵形成有机垫料 在经过特殊设计的猪舍里 填入上述有机填垫 再将仔猪放入猪舍 18 目前我国的养殖形式逐渐向规模化发展 现代规模化的养猪 提高了生产率 但同时产生的粪便却难以处理 我国每年畜禽粪便产生量已达19亿吨 超过了工业固体废弃物排放量的2倍多 采用发酵床养猪技术后 由于有机垫料里含有相当活性的土壤微生物 能够迅速有效地降解 消化猪的排泄物 不在需要对猪粪采用清扫排放 也不会形成大量的冲圈污水 从而没有任何废弃物 排泄物排除养猪场 大大减轻了养猪业对环境的污染 该技术不需要用水冲猪舍 不需要每天清除猪粪 真正从源头解决废水 19 20 2 2 微生物饲料微生物饲料是以微生物 复合酶为生物饲料发酵剂菌种 将饲料原料转化为微生物菌体蛋白 生物活性小肽类氨基酸 微生物活性益生菌 复合酶制剂为一体的生物发酵饲料 具有增强消化吸收 促进生长 减少粪中营养素排放 达到净化养殖空气质量的效果 用微生物饲料喂养的猪与普通饲料进行对比 如表3 21 由表3可知 经分批屠宰 饲喂10 微生物发酵饲粮的猪 分别提高屠宰率1 95 肌肉嫩度11 67 肌肉系水率7 04 肌内脂肪7 23 肉色达2 92分 肌肉品质明显提高 但不能提高瘦肉率 生猪饲喂微生物发酵料 由于提高了饲粮的消化吸收 能降低蛋白和能量 促生长剂等的使用 也降低粪氮 粪磷的排泄 保护生态环境 试验表明能明显降低棚舍内二氧化碳 氨气 硫化氢等有害气体浓度及空气中细菌菌落数 有利于控制棚舍空气质量 净化养殖环境 促进猪健康生长 同时提高肉品质量 从而实现生猪健康养殖 清洁生产的目的 在饲粮 饮水 空气中同时使用微生物制剂产品效果将更好 22 三 清洁煤生产中的微生物脱硫微生物脱硫就是把煤粉悬浮在含细菌的气泡液中 细菌产生的酶促使硫氧化为硫酸盐 从而达到脱硫的目的 煤炭中的硫分为无机硫和有机硫 其比例因煤炭的种类和产地而异 无机硫主要以矿物形式 FeS2 存在 有机硫主要以化学键与成煤矿原子结合的形式存在 3 1 无机硫的脱除在有水和空气的条件下 脱硫微生物能通过生物氧化还原作用将煤炭中的黄铁矿氧化成可溶解的硫酸和亚铁离子 铁离子 在微生物的作用下 铁离子又可作为氧化剂 将硫铁矿氧化成单质硫 单质硫可被氧化成硫酸 黄铁矿最终生成可溶性的硫酸和硫酸铁 23 3 2 有机硫的脱除煤基中的有机硫主要以噻吩基 C4H4S 硫基 S 和多硫链 S x的形式存在 二苯并噻吩 DBT 是煤炭中含量较高的一类有机硫 微生物降解有两条途径 一是环羟基化 使碳环开环 结构降解 把不溶于水的DBT生成可溶性的噻吩衍生物 二是通过微生物直接作用于噻吩核上的硫原子 最终生成硫酸 而后者是不破坏环结构的 因此煤就不损失热量 24 对煤中有机硫起作用的微生物主要为细菌 如硫化叶菌 布氏酸菌 假单胞菌 以二苯并噻吩 DBT 为模型化合物的脱硫机理分为两种 1 以硫代谢为目的的4S途径 2 以碳代谢为目的的Kodamakht途径 DBT脱硫的4S途径 25 表4 主要脱硫微生物的基本特征 3 3 常用工艺 1 浸出法就是利用微生物的作用把黄铁硫分解成铁离子和硫酸 硫酸溶于水中被排出的脱硫方法 即在煤炭中加入含有脱硫微生物的溶液 溶液渗入煤粒间隙浸出硫酸和硫酸铁等稀溶液 稀液在底部移动中从煤中除去 26 2 空气搅拌式浸出法反应器内装入粉碎了的煤和含有微生物的浸出液 从反应器底部鼓入空气以搅拌煤粉浸出液 使煤中硫分和微生物充分接触 并供给微生物繁殖所需的O2和CO2 浸出液循环使用 反应器外套用循环水冷却以控制温度 此法比机械搅拌对微生物的损伤小 同时由于能迅速供给微生物生长必需的CO2和O2 所以缩短了处理时间 这种反应器10 28天能脱去黄铁矿硫的90 95 此外 还有管道式 水平旋转滚筒式反应器等方案 27 3 表面氧化法这是把煤的浮选法和微生物处理相结合的方法 浮选法利用了微小颗粒表面性质不同把煤粉碎成微粒与水混合 在其悬浊液下面吹进微气泡 使具有疏水性表面特点的颗粒附在气泡上并飘浮于水面而不分开 此时 微生物在溶液中就仅附着在黄铁矿上使其表面氧化 于是黄铁矿的表面变成亲水性能溶于水 因此就再难以附着在气泡上而下沉到底部 由于煤炭本身是疏水性的 经过微生物处理后 清洁的煤炭颗粒与黄铁矿成分多的颗粒表面性质差异增大 浮选时只需把沉降的颗粒除去即可脱硫 28 图1 煤炭微生物技术浮选脱硫工艺流程 29 四 微生物技术在选矿过程中的清洁生产应用选矿过程的清洁生产可以通过优化分离工艺 优化浮选捕收剂配方等方法来实现 但是通常都离不开化学药品的应用 有机 无机浮选药剂都会有残留 另外 选矿废水的处理大都采用混凝等物理化学方法 成本高 且带来二次污染 这些都难达到清洁生产指标 而微生物因其繁殖快 种类多 分布广 容易培养 代谢能力强 容易变异等特点在各个领域都得到了广泛的应用 生物技术在矿物工程中的应用 称之为矿物生物技术 矿物生物技术具有能充分利用资源 成本低 投资小 基本上无污染等优点 近年来它已成为矿物工程领域中发展最快 研究最为活跃的领域之一 其应用也越来越普遍 应用范围正不断扩大 30 4 1 金属的生物吸附与沉淀金属离子是选矿废水中的主要污染物 常规去除废水中的重金属离子的方法是化学沉淀法 电解法 离子交换法和膜技术分离法等 这些方法最突出的缺点在于处理低浓度金属废水时 操作繁琐 运行费用较高 能耗大 且易造成二次污染 而微生物法的优势在于 不产生二次污染 操作的pH及温度范围宽 高吸附速率 高选择性 对稀溶液的处理效果好 许多研究集中在细菌 真菌对重金属的生物吸附作用 现已发展到用藻类及一些高等植物材料 非活体生物材料能快速结合重金属离子 可用于贵金属的回收 金属的富集以及从水体中去除重金属离子 活体细菌对重金属离子也有吸附作用 但是重金属离子对细菌的毒性作用限制了其应用 31 表5 不同微生物及其吸附金属种类 利用基因工程技术构建具有强吸附能力的菌种是生物吸附剂的新的发展方向 32 4 2 生物浮选技术生物浮选是将微生物技术与传统的浮选工艺结合起来处理各种难选矿石的一种方法 微生物外膜上的某些特殊基团可选择性地吸附在矿物表面 使矿物表面物理化学性质发生改变 利用此特性实现矿物之间的分离 目前研究较多的有 利用细菌对矿物进行预处理 改变其表面性质如润湿性 增加矿物间的可浮选性差别 生物浮选在煤炭脱硫上的应用研究 生物絮凝剂 捕收剂 浮选调整剂在选矿中的应用研究 用微生物及其代谢产物处理传统浮选药剂 提高药剂的功效 用细菌或者其代谢产物替代传统的化学选矿药剂 就满足了清洁生产中的污染物产生指标 减少了选矿废水中的有机 无机浮选药剂含量 避免了环境污染 33 4 2 矿物的生物浸出矿物的生物浸出是借助某些微生物的催化作用 使矿石中的金属溶解的湿法冶金过程 它特别适合于处理贫矿 废矿 表外矿及难采 难选 难冶炼矿的堆浸和就地浸出 其优点有 投资费用和生产成本低 一般只需对矿石进行部分氧化就能达到较高的金氰化浸出率 设备建造时间短 操作简单 可直接回收贱金属 金回收率高 往往大于90 不造成环境污染 34 细菌浸出法处理贫矿 废矿的应用正符合清洁生产的原则 例如 硫脲直接浸出金 银的回收率分别为23 和45 而对细菌浸出残渣硫脲进行浸取可将金 银的回收率提高到92 和78 提高了资源的利用率 微生物及其代谢产物在选矿过程中的应用完全符合清洁生产原则 能达到清洁生产指标 而且各种应用的前景是乐观的 微生物可以通过生物吸附 吸收 聚集除去有毒重金属离子 生物治理和生物降解可用于处理选矿废水和尾矿 可通过生物氧化等作用浸出有价矿物 可以作生物浮选药剂以替代传统的化学选矿药剂 减少环境污染 从而在环境保护中发挥重要的作用 35 表6降低矿物工程废物对环境污染的几种生物技术方法 微生物浸出虽然有许多优点 但其不足之处在一定程度上限制了它在工业上的应用 如反应速度慢 生产流程长 微生物的耐热性较差 容易受到金属离子的干扰等 对这些不足之处 国内外研究者正着力于改善细菌浸出动力学 加强微生物浸出设备的研究