昆工环境工程微生物课件4

,埃德蒙顿堆肥厂,污水处理厂污泥,生活垃圾,倾卸层,倾卸层内部,垃圾分选,污泥去水,混合柱,污泥与垃圾混合,初次过筛,旋转筛,除去不可降解物质及铁类金属,通气楼,微生物降解有机物过程,通气楼内部,螺钻,保证充分的氧气，水分及相应的降解温度,室外处理,气味去除,二次过筛,除去不能降解的物质,堆肥固化,第一节什么是堆肥法WhatisComposting?利用微生物对垃圾中的有机废物进行吸收、氧化、分解的生化降解，而使其转化为腐殖质的一种方法。堆肥施于农田或旱地，即可为作物生长提供所需的营养元素，又可起到改良土壤质地的作用。,第二节堆肥法的微生物学原理一、堆肥法的阶段（三个阶段）ThephasesofComposting（threephases）,升温阶段,降温及腐熟阶段,高温阶段,1、发热阶段(moderate-temperaturephase)：参与微生物：嗜中温菌mesophilicmicroorganisms作用：快速降解可溶解，易降解物质rapidlybreakdownthesoluble,readilydegradablecompounds温度：50C持续时间：23天,2、高温阶段(High-temperaturephase)：参与微生物：嗜高温菌Thermophilicmicroorganisms作用：加速降解蛋白质，脂类及复杂碳水化合物acceleratethebreakdownofproteins,fats,andcomplexcarbohydrateslikecelluloseandhemicellulose温度：5565C持续时间：几天或几个月,3、降温及腐熟阶段(Coolingandmaturingphase)：参与生物：真菌霉菌蠕虫昆虫fungi,moulds,wormsandinsects作用：继续降解没有降解完全的有机物Theremainingcompostablematerialscontinuetodecompose,温度：20C持续时间：几个月,二、堆肥法所涉及到的微生物Communitiesofmicroorganismsincompostingphases,1、细菌Bacteria作用：降解有机物的主要贡献者，同时也是热量产生者Bacteriaareresponsibleformostofthedecompositionandheatgenerationincompost.,栖热菌属Thermus,2、放线菌Actinomycetes作用：降解树枝，树皮，报纸等残片；其中一些种出现在高温阶段，一些出现在降温阶段Theirenzymesenablethemtochemicallybreakdowntoughdebrissuchaswoodystems,bark,ornewspaper.Somespeciesappearduringthethermophilicphase,andothersbecomeimportantduringthecoolercuringphase,3、真菌Fungi作用：1.降解大分子碳水化合物，如纤维素；Fungiareresponsibleforthedecompositionofmanycomplexplantpolymersinsoilandcompost.2.也降解很干的，酸性的物质，或是在氮源较低的情况下也可降解有机物；theycanattackorganicresiduesthataretoodry,acidic,orlowinnitrogenforbacterialdecomposition3真菌大量出现在升温和高温阶段，当温度很高时真菌会生长在堆肥的外层；Fungalspeciesarenumerousduringbothmesophilicandthermophilicphasesofcomposting.Mostfungiliveintheouterlayerofcompostwhentemperaturesarehigh.,4、原生动物Protozoa作用：吞食有机物颗粒，细菌，真菌；在堆肥法中不是主要贡献者，曾经在堆肥的水滴中发现原生动物。Theyarefoundinwaterdropletsincompostbutplayarelativelyminorroleindecomposition.Protozoaobtaintheirfoodfromorganicmatterinthesamewayasbacteriadobutalsoactassecondaryconsumersingestingbacteriaandfungi.,5、轮虫Rotifers作用：吞食有机物颗粒，细菌，真菌；在堆肥法中不是主要贡献者，曾经在堆肥的水膜中发现轮虫。Rotifersaremicroscopicmulticellularorganismsalsofoundinfilmsofwaterinthecompost.Theyfeedonorganicmatterandalsoingestbacteriaandfungi.,第三节、影响堆肥法的因素(FactorsAffectingCompostingProcess)1、碳氮比(C:NRation):20：12、湿度(Moisture)：起始含水率，一般为5060%3、氧(OxygenandAeration)4、温度(Temperature)5、pH值(pHValue):68适宜,第四节、堆肥工艺TypeofComposting,。,高温动态堆肥工艺Active(hot)composting温度55oC高温可以杀死致病菌Highertemperaturekillmostpathogens机械搅拌保证充足空气Regularlystirringensureaeration分解较快Faster(takeweeks)静态堆肥工艺Passive(cold)composting温度30oC分解较慢Muchslower(maytakemonths)厌氧状态，有味道并会产生温室气体甲烷Maydevelopanaerobiccondition,releasingodorandgreenhousegas(e.g.methane),地点：1、家庭厨房(城市、城郊）2、学校食堂3、农村农场,Howtocomposting?,第一步：分清C、N源,第二步：选址（地点、方法）,家庭厨房(城市、城郊）,学校食堂,第三步：注意条件,二卫生填埋法(Landfill)及渗滤液(Leachate)p353,定义：卫生填埋是采用底层防渗，垃圾分层填埋，压实后顶层覆盖土层，使垃圾在厌氧条件下发酵，以达到无害化处理。特点：1、它有处理成本低、工艺较简单、维护费用低和运行人员少等优点，目前被广泛采用。2、产生大量的污水即垃圾渗漏液，污染地表水和地下水，严重危害生态平衡和人类健康。3、城市生活垃圾在填埋后由于发酵会产生有毒气体，进入大气扩散而污染环境。,这项技术的关键点有三处：垃圾填埋场的选址1、远离生活区和水源地2、避开上风口和水源地上游3、自然地理条件不适宜飘浮扩散和渗漏对填埋场需要进行严格的防渗漏处理垃圾场表面覆土和排气管网设置,三焚烧方法(Incineration)定义：污泥焚烧是一种高温热处理技术，它是以过量的空气与被处理的污泥在焚烧炉内进行氧化燃烧反应，使污泥中的全部有机质、病原体在800-1200的高温下发生氧化、热解而被破坏。最大限度地减少污泥的体积，焚烧残渣仅为原有体积的10左右（相对于含水率75的污泥）。一类是直接焚烧，即将脱水污泥直接送往焚烧炉焚烧；一类是干化焚烧，它是指将脱水污泥进行干化处理后再进行焚烧。,第二节废气的生物处理p354,一废气的处理方法二含硫恶臭污染物及NH3、CO2的微生物处理（一）含硫恶臭污染物的净化1氧化硫的细菌代谢途径2运行操作条件（二）废气中NH3和CO2净化（三）废气中挥发性有机污染物处理,本章小结：1、有机固体废弃物的微生物处理方法2、废气的生物处理方法专业词汇：堆肥法卫生填埋法焚烧法,第六章微生物学新技术在环境工程中的应用,第一节固定化酶和固定化微生物在环境工程中的应用一酶制剂剂型（一）干燥粗酶制剂（二）稀液体酶制剂（三）浓液体酶制剂（四）干燥粉状酶制剂（五）结晶酶,二酶的提取（一）预处理（二）酶的提取1水溶液提取法2表面活性剂提取法3丁醇提取法三酶的纯化（一）浓缩（二）去杂质（三）纯化（四）结晶,四固定化酶和固定化微生物的固定化方法,（一）固定化酶和固定化微生物1固定化酶从筛选培育获得的优良菌种体中提取活性极高的酶,再用包埋法等方法将酶固定在载体上,制成不溶于水的固态酶,即固定化酶.2固定化微生物3固定化酶和固定化微生物的特性,（二）固定化酶和固定化微生物的固定方法1载体结合法以共价结合,离子结合和物理吸附等将酶固定在非水溶性载体上.载体有葡聚糖,活性炭,胶原,琼脂糖,多孔玻璃珠,高岭土,硅胶,氧化铝,羧甲基纤维素等.2交联法将酶与两个或两个以上官能团的试剂反应形成共价键的固定方法.交联剂有:戊二醛,双重氮联苯胺和六甲撑二异氰酸酯.,3包埋法将酶包埋在凝胶微小格子(格子型)中,或将酶包裹在半透性的聚合物膜内(微胶囊)的固定材料.格子型的包埋材料:聚丙烯酰胺凝胶,聚乙烯醇,琼脂,硅胶等.微胶囊型的包埋材料有尼龙,乙基纤维素和硝酸纤维素.4逆胶束酶反应系统表面活性剂的两性分子在有机溶剂中自发形成聚集体,其亲水性一端连接成逆胶束的极性核,水分子插入核中,其疏水性的一端进入主体有机溶剂中,酶分子溶于逆胶束中,组成逆胶束酶系统.,五固定化酶和固定化微生物在环境工程中的应用,（一）固定化酶和固定化微生物在废水生物处理中的研究现状单一酶系,多酶体系（二）固定化酶和固定化微生物在废水生物中应用的可能性（三）固定化微生物在废水生物处理中的应用前景,第二节微生物细胞外多聚物的开发与应用,胞外多聚物是微生物在一定的环境条件下，在其代谢过程中分泌的，包围在微生物细胞壁外的多聚化合物。包括荚膜，粘液层及其它表面物质。这些多聚物经分析得知成分为脂，脂肽，多糖脂，中性类脂衍生物等。,生物表面活性剂定义：利用酶或微生物等通过生物催化和生物合成等生物技术从微生物、植物和动物上得到的具有表面活性的天然表面活性剂。用途：用于化妆品、食品、制药等行业,由于用量少、附加值高,可以在很大程度上抵消生物表面活性剂的高成本,这也是一个发展的方向之一。局限：是一种公认的多功能的、性能优异的化学处理剂,具有很强的市场竞争,也有很多注册专利,但只有很少一部分得以商品化,主要原因是生产成本较高。目前的研究方向：主要集中在对这些表面活性剂的鉴定,对其表面活性和生理特性进行深入研究和评价,以及改进其制备工艺,降低生产成本等。,生物表面活性剂在石油和环境领域中的应用与合成表面活性剂相比,生物表面活性剂具有如下突出优点:化学结构的多样性为特定应用的需要提供了更为广泛的选择,而这些特定基团一般用化学方法难以合成;良好的生物降解性使其在使用过程中与环境友好;生物表面活性剂一般无生物毒性。正是由于生物表面活性剂具有优越的理化性能和环保优势,其应用范围日益扩大到农业建筑食品饮料工业清洗皮革造纸石油及环保等许多领域。在此仅介绍生物表面活性剂在石油及环保中的应用。,生物表面活性剂具有无毒易生物降解等环境友好性,因而十分适合于环境领域的应用。如为了消除土壤中有机污染物,可利用生物表面活性剂使污染物分散增溶乳化,进而促使污染物尽快生物降解,有人利用鼠李糖脂去除土壤中的脂肪族和芳香族烃类。生物表面活性剂在油污土壤的治理等领域具有良好的发展前景。,二微生物絮凝剂和沉淀剂的开发与应用微生物絮凝剂就是利用生物技术，从微生物或其分泌物提取、纯化而获得的一种安全、高效、且能自然降解的新型水处理剂，包括糖蛋白、多糖、纤维素、蛋白质和DNA等。由于微生物絮凝剂可以克服无机高分子和合成有机高分子絮凝剂本身固有的缺陷，既可生物降解又安全可靠，最终实现无污染排放，因此越来越受到关注。,具有分泌絮凝剂能力的微生物称为絮凝剂产生菌，至今发现的具有絮凝性的微生物已经超过17种，包括霉菌、细菌、放线菌和酵母菌等。最早发现的絮凝剂产生菌是Butterfield于1935年从活性污泥中筛选得到的，至今最具代表性的微生物絮凝剂有以下三种：NakamuraJ发现的酱油曲霉(Aspergillussojae)产生的絮凝剂AJ7002；TakagiH用拟青霉素(Paecilomycessp.I1)产生的微生物絮凝剂PF101，它对枯草杆菌、大肠杆菌、啤酒酵母、血红细胞、活性污泥、硅藻土、纤维素粉、活性炭、氧化铝等有良好的絮凝效果；Kurane利用红平红球菌(Rhodococcuserythropolis)研制成功微生物絮凝剂NOC1，对大肠杆菌、酵母、泥浆水、河水、粉煤灰水、活性炭粉水、膨胀污泥、纸浆废水等均有极好的絮凝和脱色效果，是目前发现的最好的微生物絮凝剂。,具有絮凝性的微生物种类,微生物絮凝剂在水处理中的应用与有机或无机合成高分子絮凝剂相比，微生物絮凝剂具有絮凝范围广、活性高、安全无害、不污染环境等特点，而且作用条件粗放，大多不受离子强度、pH值及温度的影响，因此可以广泛应用于给水和污水处理。畜产废水的处理畜产废水是含BOD较高的难处理有机废水，采用合成有机絮凝剂虽然有较好的效果，但存在二次污染。猪粪尿废水采用NOC1加Ca2+处理10min后，废水的上清液变成几乎透明的液体，废水中的TOC由处理前的8200mg/L变为2980mg/L，去除率达63.7%，浊度去除达94.5%。,可消除污泥膨胀不少工业废水在采用活性污泥处理过程中，形成的活性污泥容易发生膨胀，从而影响处理效率，若添加微生物絮凝剂，会取得良好效果。如甘草制药废水生化处理过程中形成的膨胀性污泥，当在其中添加NOC1微生物絮凝剂后，污泥的SVI很快从290下降到50，消除了污泥的膨胀，恢复了活性污泥的沉降能力。建材废水的处理含有高悬浮物的建筑材料加工废水也是较难处理的一类废水，例如陶瓷厂废水，主要包括胚体废水和釉药废水两种，前者主要含有较多的粘土颗粒，后者除含粘土颗粒外，还有相当数量的釉药。当添加NOC1后5min，胚体废水的OD从原来的1.4降低到0.043；釉药废水的OD660从17.2下降到0.35；浊度去除率分别为96.6%和97.9%，可得到几乎透明的上清液。,废水的脱色现今的活性污泥法技术除去废水中的BOD并非难事，但对于脱色几乎还没有特效的方法，特别是对于那些可溶性色素很难处理，而采用微生物絮凝剂NOC1，对墨水、糖蜜废水、造纸黑液、颜料废水等进行的试验表明，处理后上清液变为无色透明。辛宝平用P.alcaligenes8724菌株产生的絮凝剂在实验室对纸浆黑液和氯霉素等颜色较深的废水进行脱色处理，其脱色率分别达95%和98%以上。给水处理邓述波等人利用含有糖醛酸、中性糖和氨基糖的多糖絮凝剂处理河水，相比于海藻酸钠、明胶絮凝剂而言，絮团大、沉降快、上清液浊度低，而且处理后COD值最小。,微生物絮凝剂的研制和开发应用方兴未艾，其特性和优势为水处理技术的发展展示了一个广阔的前景，决定了它在污水处理等众多领域有很大的应用潜力。微生物絮凝剂将可能在未来取代或大部分取代传统的无机高分子和合成有机高分子絮凝剂。今后微生物絮凝剂领域的研究将出现几个重要的发展方向：利用现代分子生物学技术把获得的高效絮凝基因转化到一些有一定可应用酶活化或能降解污染物的微生物中，组建工程菌，找出微生物絮凝剂的最佳应用场所，既明显地提高絮凝效果，还可以大大降低絮凝剂的投加量，从而降低处理成本。,优选原料和优化生产路线，降低微生物絮凝剂生产成本。例如在NOC1的培养基中，作为氮源的酵母浸膏价格比较贵，占NOC1生产成本的80%。人们研制出用豆饼、水产废水和牛血取代酵母浸膏后，培养基的价格下降了2/3以上。另外有些絮凝剂产生菌还能以自然界中或人工合成的高分子物质作为培养基碳源，如Corynebacteriumhydrocarboclastus可利用煤油生长并产生絮凝剂。从天然植物中提取出能释放激素的生物絮凝剂，如高等海藻和芦荟。,将酶和激素等促进微生物生长的物质加载到常规絮凝剂上，实现生化与絮凝处理的有机结合，以期在保证出水水质的前提下，缩短生化系统启动和废水在生化系统的停留时间，从而将微生物絮凝剂拓展到概念更广的生物絮凝剂研究范畴。就我国的微生物絮凝剂的研究而言，起步晚，层次低，正面临着来自国外的竞争和环境质量要求越来越严的挑战。除邓德丰和辛宝平、王镇等人进行过基础研究外，其余仅见一些综述性报道文章。因此迫切需要从我国的实际国情出发，组建较强的科研队伍，投入更多的财力，为我国微生物絮凝剂的发展奠定理论和物质基础。,第三节优势菌种与生物制剂的开发与应用,在微生物工业应用中，微生物菌种工作主要包括以下四方面：菌种的分离筛选：挑选符合生产要求的菌种，这是选种工作的任务。菌种培育：改良已有菌种的生产性能，使产品的质和量不断提高，或使它更适应于工艺的要求，这是育种工作的任务。菌种的保藏：一切生产菌种都要使它避免死亡和生产性能的下降，这是菌种保藏工作的任务。退化菌种的复壮：如果发现菌种的生产性能下降，就要设法使它恢复，这便是菌种复壮工作的任务。,从自然界中分离筛选菌种的方法步骤,注入油藏的微生物必须能在油藏条件下生长、代谢和繁殖。因此菌种必须适应油层的温度、压力、含盐量、pH值及其他物理化学条件。现在获取微生物的主要方法是从自然界筛选和直接利用油层微生物，用于油层的微生物应具备以下特征：1尺寸小，能在不利的油藏环境下（高温、高盐、高压和无氧等）迅速繁殖和运移；2代谢产物中含有大量气、酸、溶剂、表面活性剂和聚合物等有益于原油流动的代谢产物；3厌氧和耐