生物技术与环境

关于生物技术与环境Outline

污水处理

大气净化

固体废弃物的生物处理

生物技术与环境污染监测第2页,共73页，2024年2月25日，星期天地球总水量13.9亿立方千米，三分之二被水覆盖。咸水97.5%2.5%冰帽和冰川地下水易得的江河湖淡水不到总淡水量1%中国水资源问题：南多北少，东多西少、时多时少、总量多人均少亩均少。水资源问题一.污水处理第3页,共73页，2024年2月25日，星期天表示水污染的几个指标：(1)生化需氧量(BOD)：表示在有氧条件下，好氧微生物氧化分解单位体积水中有机物所消耗的游离氧的数量，常用单位为mg／L，这是一种间接表示水被有机污染物污染程度的指标。在20℃和在BOD的测定条件(氧充足、不搅动)下，以五日作为测定BOD的标准时间，称之为五日生化需氧量，以BOD5表示。(2)化学需氧量(COD)：用强氧化剂——重铬酸钾，在酸性条件下能够将有机物氧化为H2O和CO2，此时所测出的耗氧量称为化学需氧量(COD)。COD能够比较精确地表示有机物含量，而且测定需时较短，不受水质限制，因此多作为工业废水的污染指标。(3)总需氧量(TOD)：有机物主要是由碳(C)、氢(H)、氮(N)、硫(S)等元素所组成。当有机物完全被氧化时，C、H、N、S分别被氧化为CO2、H2O、NO和SO2，此时的需氧量称为总需氧量(TOD)。第4页,共73页，2024年2月25日，星期天1.氧化塘法生物氧化塘(OxidationPond)又称稳定塘，是利用藻类和细菌两类生物间功能上的协同作用处理污水的一种生态系统。氧化塘的净化原理:氧化塘的净化原理是利用了细菌与藻类的互生关系。藻类进行光合作用释放氧气；细菌利用藻类产生的氧气分解流入塘内的有机物；分解产物中的CO2、N、P等无机物以及一部分小分子有机物成为藻类的营养源；增殖的细菌和藻类细胞为微型动物所捕食。第5页,共73页，2024年2月25日，星期天氧化塘内的生物学过程藻类细菌衰亡细胞CO2、NH3H2O、PO43－O2流入污水能沉淀的固体处理出水O2

风阳光（厌氧性）（兼性）有机物微生物有机酸、醇等微生物CH4＋CO2＋NH3等第6页,共73页，2024年2月25日，星期天藻类：位于氧化塘的表层，常见的有：小球藻属、衣藻属、眼虫藻属等。细菌：大量存在于氧化塘下层，在好气状态下，无色杆菌、假单胞菌、芽孢杆菌等优势生长；在氧化塘底部的厌氧层还有硫酸还原菌和甲烷细菌。微型动物：存在多种原生动物、轮虫、以及甲壳类等。氧化塘内的生物组成第7页,共73页，2024年2月25日，星期天2.人工湿地处理系统法湿地：每年在足够长的时间内均具有前的表面水层,能维持大型水生植物生长的生态系统。人工湿地：根据自然湿地模拟的人工生态系统，用于处理废水。第8页,共73页，2024年2月25日，星期天人工湿地处理系统的优点：净化效率优于氧化塘；运转费用低；对废水处理厂难以去除的营养元素净化效果好。应用实例：芦苇湿地处理系统第9页,共73页，2024年2月25日，星期天3.污水土地处理系统污水土地处理系统(LandTreatmentSystem)利用土地及其中的微生物和植物根系对污染物的净化能力来处理已经经过预处理的污水或废水，同时利用其中的水分和肥分促进农作物、牧草或树木生长的工程设施。污水土地处理系统的组成污水的预处理设施，污水的调节与储存设施，污水的输送、布水和控制系统，土地处理面积，排出水收集系统。第10页,共73页，2024年2月25日，星期天土地处理的净化机理净化机理包括：土壤的过滤截留、物理和化学的吸附、化学分解、生物氧化以及植物和微生物的摄取等作用。第11页,共73页，2024年2月25日，星期天土地处理系统要求对污水进行必要的预处理，去除污水中有害物质。土地处理系统是按照全年连续运行的污水处理设施；污灌则是按照农作物的需要进行灌溉。土地处理系统有完整的工程系统并可以调控，其底层防渗系统，有效的控制了污水对地下水可能造成的污染。土地处理系统地面上种植的植物，以有利于污水处理的牧草、林木、青饲料等经济作物为主，不中直接食用的农作物；污灌的土地常以粮食、蔬菜等农作物为主。土地处理系统与污灌的主要区别第12页,共73页，2024年2月25日，星期天4.活性污泥处理法

活性污泥

污水经过一段时间的曝气后，水中会产生一种以好氧菌为主体的茶褐色絮凝体，其中含有大量的活性微生物，这种污泥絮体就是活性污泥。活性污泥是以细菌，原生动物和后生动物所组成的活性微生物为主体，此外还有一些无机物，未被微生物分解的有机物和微生物自身代谢的残留物。根据生物反应器中微生物存在状态(悬浮，附着)可将污水生物处理技术分为活性污泥法(悬浮的有活性的生物絮体)和生物膜法(附着的有活性的生物膜)，及后来的复合式(悬浮，附着)生物处理、技术。第13页,共73页，2024年2月25日，星期天

基本流程

污水→格栅→泵间→沉砂池→初沉池→活性污泥曝气池→二沉池→消毒1.曝气池：微生物降解有机物的反应场所2.二沉池：泥水分离3.污泥回流：确保曝气池内生物量稳定4.曝气：为微生物提供溶解氧，同时起到搅拌混合的作用。曝气系统与空气扩散装置活性污泥反应器来自空压机的空气剩余污泥污泥井混合液回流污泥系统二沉池处理水进水第14页,共73页，2024年2月25日，星期天活性污泥法的基本工艺流程出水初沉池曝气池二沉池进水污泥回流污泥剩余污泥活性污泥法的基本流程第15页,共73页，2024年2月25日，星期天

1.污水中有足够的可溶解性易降解有机物

2.混合液中含有足够的溶解氧

3.活性污泥再曝气池中呈悬浮状态

4.活性污泥连续回流

5.及时排除剩余污泥

6.没有对微生物有毒害作用的物质进入活性污泥法处理系统有效运行得基本条件第16页,共73页，2024年2月25日，星期天活性污泥净化污水的过程活性污泥净化污水的作用是由吸附和氧化两个阶段完成的，活性污泥在与废水初期接触的20～30min内，就可以去除75%以上的BOD，在于活性污泥具有巨大的表面积(2000~10000m2/m3),且其表面具有多糖类粘液层。氧化分解在吸附阶段之后，所需时间比吸附时间长的多，可见暴气池的大部分容积是在进行有机物的氧化和微生物的合成。可降解有机物氧化合成1/32/3无机物＋能量新细胞物质无机物＋能量残留物质80％20％内源代谢第17页,共73页，2024年2月25日，星期天厌氧生物处理的特点

与废水的好氧生物处理工艺相比，废水的厌氧生物处理工艺具有以下主要优点：①能耗降低，而且还可以回收生物能(沼气)；因为厌氧生物处理工艺无需为微生物提供氧气，所以不需要鼓风曝气，减少了能耗，而且厌氧生物处理工艺在大量降低废水中的有机物的同时，还会产生大量的沼气。②污泥产量很低。③厌氧微生物可以使生物不能降解的一些有机物进行降解或部分降解；对于某些含有难降解有机物的废水，利用厌氧工艺进行处理可以获得更好的处理效果。第18页,共73页，2024年2月25日，星期天

①厌氧生物处理过程中所涉及到的生化反应过程较为复杂。②厌氧微生物特别是其中的产甲烷细菌对温度、pH等环境因素非常敏感。③厌氧生物处理出水水质仍通常较差，一般需要利用好氧工艺进行进一步的处理；④厌氧生物处理的气味较大；⑤对氨氮的去除效果不好，还可能由于原废水中含有的有机氮在厌氧条件下的转化导致氨氮浓度的上升。主要缺点：第19页,共73页，2024年2月25日，星期天5.生物膜处理法生物膜法与活性污泥法均属于好氧生物处理技术。

共同特点：是在有氧的条件下，利用好氧微生物来氧化分解污水中可生物降解的有机物。

不同之处：微生物在处理构筑物中的生存方式有所不同。第20页,共73页，2024年2月25日，星期天生物膜法分为以下三类：

1）润壁型生物膜法

废水和空气沿固定的或转动的接触介质表面的生物膜流过，如生物滤池和生物转盘等；

2）浸没型生物膜法

接触滤料固定在曝气池内，完全浸没在水中，采用鼓风曝气，如生物接触氧化；

3）流动床型生物膜法

使附着有生物膜的活性炭、砂等小粒径接触介质悬浮流动于曝气池中，如生物流化床。第21页,共73页，2024年2月25日，星期天生物滤池于1889年在劳伦斯实验厂首先开始研究,1910年后期在美国开始了大规模的应用，20世纪70年代逐步被好氧法代替，随着新型滤料的不断诞生，生物滤池又得到了的改进，应用范围不断扩大。生物滤池第22页,共73页，2024年2月25日，星期天生物滤池的构造生物滤池由滤床、布水装置和排水系统三部分组成。第23页,共73页，2024年2月25日，星期天池壁滤料布水系统排水系统第24页,共73页，2024年2月25日，星期天二.大气净化什么是大气污染物的微生物处理？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。目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由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。第25页,共73页，2024年2月25日，星期天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。第26页,共73页，2024年2月25日，星期天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有：氨和硫化氢。例如：硫化氢的生物处理第27页,共73页，2024年2月25日，星期天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(生物处理过程)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中的污染物。包括以下类型：堆肥滤池、土壤滤池、微生物过滤箱第28页,共73页，2024年2月25日，星期天吸收设备－填料塔第29页,共73页，2024年2月25日，星期天三.固体废弃物的生物处理生物处理就是以固体废物中的可降解有机物或其它组分为对象，利用生物对其作用，转化为稳定产物、能源和其他有用物质的一种处理技术。第30页,共73页，2024年2月25日，星期天1、生活垃圾中50~60%是有机物，会腐烂变质，释放臭气，污染环境；会孳生蚊蝇，危害健康。2、粪便、污水厂污泥大部分是有机物，堆放过程中会释放污染物，污染环境。3、农业废弃物基本上全是有机物，倾倒水体中会释放污染物；焚烧会污染大气。有机物是固体废物污染的重要来源有机污染物有必要进行治理有机污染物通常是可生物降解的生物处理是一种很好的途径第31页,共73页，2024年2月25日，星期天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：堆肥法卫生填埋法厌氧发酵法(厌氧堆肥化)第32页,共73页，2024年2月25日，星期天堆肥化是利用自然界广泛存在的微生物，有控制地促进固体废物中可降解有机物转化为稳定的腐殖质的生物化学过程。根据微生物生长的环境可将堆肥化分为好氧堆肥化和厌氧堆肥化两种。(一)堆肥法[堆肥化]第33页,共73页，2024年2月25日，星期天1.好氧堆肥化好氧堆肥化是以好氧菌为主对废物中的有机物进行吸收、氧化、分解及转化，微生物把一部分有机物氧化成简单的无机物，并释放出能量，把另一部分有机物转化合成为新的细胞物质，使微生物生长繁殖，产生更多的生物体。第34页,共73页，2024年2月25日，星期天好氧堆肥化微生物堆肥中含有的微生物种类主要有细菌、真菌和放线菌，堆肥过程中，随有机物的降解，堆肥微生物在数量和种群上会发生变化。高温阶段会出现较多的真菌。第35页,共73页，2024年2月25日，星期天好氧堆肥化过程温度变化规律(1)中温阶段嗜温性微生物比较活跃，主要利用堆肥中可溶性有机物进行繁殖，并释放出能量，温度不断上升。这阶段的微生物主要是细菌和真菌。第36页,共73页，2024年2月25日，星期天当堆温升高到45℃以上即进入高温阶段，嗜热性微生物逐渐代替了嗜温性微生物，复杂的有机物如半纤维素、纤维素和蛋白质等也开始被强烈分解。在高温阶段，在50℃进行活动的主要是嗜热性真菌和放线菌，温度上升到60℃时，真菌停止活动，仅为嗜热性放线菌与细菌活动，温度升至70℃以上时，微生物大量死亡或进入休眠状态。在该阶段后期，由于可降解有机物已大部分耗尽，微生物的内源呼吸占主导作用。(2)高温阶段第37页,共73页，2024年2月25日，星期天第38页,共73页，2024年2月25日，星期天在此阶段嗜温性微生物又占优势，对残余较难降解的有机物进一步分解，腐殖质不断增多且稳定化。在此阶段，只剩下部分较难降解的有机物和新形成的腐殖质，此时微生物活性下降，发热量减少，温度下降至中温，并最终过渡到环境温度。(3)降温阶段第39页,共73页，2024年2月25日，星期天好氧静态堆肥工艺一般采用露天强制通风垛，当一批物料堆积成垛后，不再添加新料和翻堆，直至物料腐熟后运出。缺点是有机物和微生物分布不均匀，局部会发生厌氧。第40页,共73页，2024年2月25日，星期天间歇式好氧动态堆肥工艺采用间歇翻堆的强制通风垛或间歇进出料的发酵仓，将物料批量地进行发酵处理。堆肥装置有垛体、长方形池式发酵仓、立筒形发酵仓等。第41页,共73页，2024年2月25日，星期天连续式好氧动态堆肥工艺是一种发酵时间更短的动态二次发酵技术，采取连续进料和连续出料的方式进行，物料在发酵装置内处于连续翻动状态下，组分易于混合均匀，形成空隙利于通风、水分蒸发迅速，使发酵周期缩短。堆肥装置有达诺筒和浆叶式发酵塔等。第42页,共73页，2024年2月25日，星期天2.厌氧堆肥化厌氧消化是指在厌氧状态下，利用厌氧微生物，有控制地使废物中可生物降解的有机物转化为CH4、CO2和稳定物质的生物化学过程。第43页,共73页，2024年2月25日，星期天优点：缺点：厌氧微生物生长速度慢，处理效率低，设备体积大会产生H2S等恶臭气体可将废弃物中低品位生物能转化为高品位沼气适于处理高浓度有机废水和废物厌氧消化后的残渣已基本稳定，可做农肥、饲料或堆肥化原料生产过程全封闭厌氧消化特点第44页,共73页，2024年2月25日，星期天厌氧消化过程——三个阶段1、第一阶段(水解阶段)：在水解与发酵细菌作用下，大分子有机物如碳水化合物、蛋白质、脂肪，经水解与发酵转化为单糖、氨基酸、脂肪酸、甘油及二氧化碳、氢等。水解与发酵细菌：纤维素分解菌、淀粉分解菌、蛋白质分解菌、脂肪分解菌原生动物：鞭毛虫、纤毛虫、变形虫参与第一阶段代谢的微生物：真菌：毛霉、根霉、曲霉第45页,共73页，2024年2月25日，星期天2、第二阶段(产酸阶段)：在产氢、产乙酸菌和同型乙酸菌作用下，把第一阶段产物转化成氢、二氧化碳和乙酸。CH3CH2CH2CH2COOH+2H2OCH3CH2COOH+CH2COOH+H2CH3CH2COOH+2H2OCH3COOH+3H2+CO2CH3CH2OH+2H2OCH3COOH+2H22CO2+4H2CH3COOH+2H2O产氢、产乙酸菌：将丙酮酸及其它脂肪酸转化为乙酸、二氧化碳、氢气。同型乙酸菌：将二氧化碳、氢气转化为乙酸；将甲酸、甲醇转化为乙酸。参与第二阶段代谢的微生物：第46页,共73页，2024年2月25日，星期天3.第三阶段(产甲烷阶段)：通过两组不同的产甲烷菌作用，将氢和二氧化碳转化为甲烷或者乙酸脱羧产生甲烷。产甲烷菌：甲烷杆菌甲烷球菌参与第三阶段代谢的微生物甲烷八叠球菌甲烷螺旋菌4H2+CO2CH4+2H2OCH3COOHCH4+CO2第47页,共73页，2024年2月25日，星期天三阶段厌氧消化模式第48页,共73页，2024年2月25日，星期天(二)卫生填埋法(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)和覆土层(一般厚度为0.2～0.3m)构成一个填埋单元，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。覆土层废物层第二层第一层不透水层夯实粘土卫生填埋场示意图第49页,共73页，2024年2月25日，星期天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。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大于产甲烷细菌。厌氧分解产甲烷阶段当还原状态达到一定程度时开始产甲烷，坑内温度升至55℃时，进入稳定产气阶段。稳定产气阶段此阶段稳定地产生二氧化碳和甲烷。填埋坑内微生物活动过程的四个阶段第50页,共73页，2024年2月25日，星期天四.生物技术与环境污染监测生物与其生存环境之间存在着相互影响，相互制约，相互依存的密切关系，生物需要不断地直接或间接从环境中吸取营养，进行新陈代谢，维持自身生命。当环境受到污染后，生物在吸收营养的同时，也吸收了污染物质，并在体内迁移、积累，从而遭受污染，受到污染的生物，在生态、生理和生化指标，污染物在体内的行为等方面会发生变化，出现不同的症状或反应，可以利用这些变化来反映和度量环境污染的程度。第51页,共73页，2024年2月25日，星期天1.指示生物(IndicatorOrganism)被用来监测评价环境质量及其变化、污染程度的生物称作指示生物。已用指示生物作为监测气象、水土、周围环境污染程度。现在所指的指示生物包括自然指示生物、活性污泥指示生物和有毒物质指示生物等。第52页,共73页，2024年2月25日，星期天发光细菌在适当条件下能发射出肉眼可见的蓝绿色光，当发光细菌与水样中有毒物质接触时，可影响或干扰细菌的新陈代谢，使细菌的发光强度下降或熄灭，在一定毒物浓度范围内，有毒物质浓度与发光强度呈负相关线性关系，因为可使用生物发光光度计测定水样的相对发光强度来监测有毒物质的浓度。发光细菌作为毒性检测的生物学方法，因其简便、快速、灵敏且成本较低而受到重视。市场上已有专门利用发光细菌法原理的生物毒性(污染)测定仪。应用举例：发光细菌第53页,共73页，2024年2月25日，星期天细菌回复突变试验简称细菌回变试验，使用鼠沙门氏伤寒杆菌称为Ames试验，这种细菌的野生型即原养型能自行合成组氨酸或色氨酸和乳糖，其突变体则缺乏这些能力，在相应的营养缺乏培养基中不能生长，若在受试物的作用下，能生长成菌株，则说明受试物使之发生了回变。应用举例：Ames试验第54页,共73页，2024年2月25日，星期天第55页,共73页，2024年2月25日，星期天S.t.his回变S.t.his

吸入滤纸片保温可疑“三致”试样

鼠肝匀浆（含羟化酶）阳性阴性利用回变检测致癌剂

——艾姆斯试验法鼠伤寒沙门氏菌的组氨酸营养缺陷型第56页,共73页，2024年2月25日，星期天2.核酸探针和PCR技术全世界每年有2亿5千万人感染水源性疾病，而不同的的微生物病原体具有不同的致病剂量，因此确定水样中病原体的数量，提高检测的准确度显得十分重要。已经发现PCR对星状病毒的检测灵敏度比电镜更高，并可鉴定这一病毒的不同血清型。利用多链PCR技术可检测非人源性E.coli的甘氨酸羧酶基因，从而可快速鉴定河流是否受到人粪便的污染。英国人开发了一种基于PCR的E.coli检测方法可以在24小时完成对99种不同的环境水样的检测，与标准方法100%相吻合，现已列为泰晤士河的例行项目。基于PCR技术的生物监测第57页,共73页，2024年2月25日，星期天3.生物芯片生物芯片主要指通过平面微细加工技术在固体芯片表面构建的微流体分析单元和系统，以实现对细胞蛋白质、核酸以及其他生物组分的准确、快速、大信息量的检测。他是继大规模集成电路之后的又一次具有深远意义的科学技术革命。第58页,共73页，2024年2月25日，星期天生物芯片的种类第59页,共73页，2024年2月25日，星期天ComparisonofDNAChipTechnologies

Oligo-Chip cDNA-Chip GenomicChip8nor20n<2,000n>50,000n sequencingexpressionexpressiongenomicanalysis

SensitivityofDNAchipbasedassaysisafunctionof:ProbeandtargetDNA/RNA(Complexity)Chipsurface(autofluorescence&non-spec.bkg)Attachmentchemistry/methodology(hyb.efficiency&crosshyb.)Hybridizationefficiency(lotsoffactors)Detectiontechnology(signaltype,efficiency,noise)第60页,共73页，2024年2月25日，星期天4.生物传感器转换器敏感元件待测物是一门由生物、化学、物理、医学、电子技术等多种学科互相渗透成长起来的高新技术。

应用领域：环境监测、食品分析、生物医学。生物传感器的模型第61页,共73页，2024年2月25日，星期天敏感材料由生物体成分(或本身)组成的传感器。利用生物活性物质具有的分子识别功能，专一、灵敏。第62页,共73页，2024年2月25日，星期天敏感元件：酶、抗体、核酸、细胞等。转换器：电化学电极、光学检测元件、场效应晶体管、