環(huán)境生物技術復習.doc

生物技術：以現(xiàn)代生命科學為基礎，結合先進的工程技術手段及其他基礎學科的科學原理，按照預先的設計改造生物體或加工生物原料，為人類生產出所需產品或達到某種目的。環(huán)境生物技術：應用于環(huán)境領域的生物技術生物技術基本特征：高效益，高智力，高投入，高競爭，高風險，高勢能環(huán)境生物技術三個層次高層次是指以基因工程為主導的近現(xiàn)代污染防治生物技術；中層次是指傳統(tǒng)的廢物生物處理技術（如廢水處理中的活性污泥法、生物膜法等）；低層次是指利用天然處理系統(tǒng)進行廢物處理的技術（如氧化塘、人工濕地、土地處理系統(tǒng)、農業(yè)生態(tài)工程等）。環(huán)境生物技術的技術組成：環(huán)境污染治理基因工程技術；環(huán)境污染生物治理技術；環(huán)境污染生物修復技術；環(huán)境污染預防生物技術；環(huán)境生物監(jiān)測技術；環(huán)境生物資源化技術環(huán)境生物技術在環(huán)境中的應用：環(huán)境生物技術研究內容可分為三個部分：一，以基因工程為主導的近代防治污染生物技術；二，以廢物的生物處理為注意內容；三，主要包括氧化塘、人工濕地和農藥生態(tài)工程等。生物氧化的方式:1.有氧氧化：在有氧條件下，好氣生物或兼性生物吸收空氣中的氧作為電子受體，可將有機物基質完全氧化分解。2.無氧氧化：在無氧條件下，兼性生物或厭氣生物能利用細胞中的氧化型物質作為電子受體，將燃料分子氧化分解。3.無氧呼吸：以無機物分子作為氫受體。4.厭氧發(fā)酵：以有機物作為最終氫受體。有機污染物代謝的基本過程包括：向基質接近、吸附在固體基質上、胞外酶的分泌、基質的跨膜運輸、細胞內代謝。自然界中生物有機物分解的代謝途徑1， 好氧降解：多糖類-單糖類 |脂肪類-甘油+脂肪酸類 |-丙酮酸-氧化脫羧-乙酰-CoA-三羧酸循環(huán)-CO2+H20蛋白質類-氨基酸類 |木質素-芳香族單體 |2.厭氧降解第一階段：水解發(fā)酵階段：多糖-（水解）-單糖-（糖酵解）-乙醇和脂肪酸蛋白質-（水解）氨基酸-(脫氨基）-脂肪酸和氨第二階段：產氫、產乙酸階段，由產氫產乙酸細菌將丙酸、丁酸等脂肪酸和乙醇等轉化為乙酸、H2和CO2。第三階段：產甲烷階段，由產甲烷細菌利用乙酸、H2和CO2，產生甲烷。共代謝只有在初級能源物質存在時才能進行的有機化合物的生物降解過程共代謝的原理：一種污染物可以被微生物轉化為另一種有機物，但它們卻不能被微生物所利用共代謝應用：在搞清微生物降解環(huán)境污染物的能力和途徑的基礎上 ,應用現(xiàn)代基因工程技術 ,擴展微生物酶對基質的專一性和代謝途徑 ,更有效地處理和降解各種污染物 ,更好地保護環(huán)境判斷共代謝作用：是否是外生物質或異生物質，是否需要添加其他物質才可被微生物降解微生物對污染物的去毒與激活作用去毒：是使污染物的分子結構發(fā)生改變（鈍化反應），從而降低或去除其對敏感物種的有害性。去毒形式：水解作用，羥基化作用，脫鹵作用。甲基化作用，去甲基與去烷基作用，腈轉化為酰胺，硝基還原，去氨基，醚鍵斷裂，軛合作用。激活：是無害的前體物質形成有害產物的過程，也就是，微生物群落可以產生新的環(huán)境污染物。激活作用的類型：典型激活，使毒性、遷移率、持久性增強；緩解：A（無毒）激活為B（有毒）或緩解為C(無毒)。有機污染物的生物降解原則一般來說，具有易失去電子的取代基（如-OH、-COOH、-NH2）的芳香族化合物要比具有易壞的電子的取代基（如-NO2、-SO3H、鹵代烴的芳香）更易氧化代謝。各種有機化合物的降解性能：脂肪酸有機磷酸鹽長鏈苯氧基脂肪酸短鏈苯氧基脂肪酸單基取代苯氧基脂肪酸三基取代苯氧基脂肪酸硝基苯氯代烴類重金屬污染危害：1毒性效應2轉化為毒性更強的金屬化合物。3在介質間轉移，對其他介質中的生物造成傷害。4從不同器官進入生物，發(fā)生選擇性和非選擇性積累，造成相應的損害。5經過食物鏈的逐級放大，在較高的生物體內富集。重金屬污染的生物處理原理和機制1）轉化機制降低其在環(huán)境中的轉移性和生物利用性2）吸附機制取決生物吸附劑本身的特性；金屬對生物體的親和性3）絮凝機制（一）微生物菌體對重金屬的吸附（二）微生物對重金屬的溶解（三）微生物對重金屬的氧化還原 （四）微生物對重金屬-有機絡合物的生物降解固定化技術包括固定化酶技術與固定化微生物技術。是用化學或物理手段將游離酶或游離微生物定位于限定的空間區(qū)域,以提高微生物細胞的濃度,使其保持較高的生物活性并反復利用的方法。細胞固定化技術方法：吸附法、包埋法、交聯(lián)法、載體截留法固定化酶的優(yōu)點：1）易于提純2)可重復利用3)可以提高產物的產量4)有一定的機械強度，便與機械化和自動化5)廉價缺點：1）酶的活力難免損失 2）底物要求是水溶性 3）要有輔助因子固定化細胞的優(yōu)點：節(jié)省了酶的分離成本；可再生；多酶體系可以催化多步反應；穩(wěn)定性好， 耐環(huán)境沖擊缺點：必須保持細胞的完整性；必須抑制胞內蛋白酶的作用；多酶體系影響產物濃度。固定化生物技術應用a固定化技術在水處理中的應用：1，有毒有害物質的降解2，避免生物量流失，延長生物在反應器中停留的時間3，創(chuàng)造微環(huán)境，提高脫氮效果4，減少剩余污泥產量。b 固定化技術在土壤污染物的去除中的應用：最大限度克服土壤環(huán)境變化及不確定性給處理生物帶來的沖擊，可延長生物在土壤中的存活時間。固定化生物膜法：是指使廢水流過生長在固定支承物表面上的生物膜，利用生物氧化作用和各相間的物質交換，降解廢水中有機污染物的方法。載體選擇的基本原則：1）無毒性或抑制性 2）足夠的機械強度 3）優(yōu)良的穩(wěn)定性 4）良好的表面帶電特性 5）優(yōu)越的物理性狀固定化生物膜技術方法生物濾池 生物轉盤 接觸氧化法 生物流化床 微孔膜反應器五大類。生物膜形成的機理：1，廢水中有機分子向生物膜附著生長的載體表面輸送；2，廢水中的浮游微生物細胞在載體表面的不可逆吸附；3，生長在生物膜內部的微生物對廢水中營養(yǎng)物質的利用與氧化分解。固定化生物膜技術特點：1微生物多樣性高2生物膜各段的微生物類群不同3生物膜中的食物鏈較長4具有較高的脫氮能力5單位處理能力大6系統(tǒng)維護方便7系統(tǒng)運行穩(wěn)定活性污泥：是由細菌、原生動物等微生物與懸浮物質、膠體物質混雜在一起形成的具有很 強吸附分解有機物能力的絮狀體顆粒。好氧活性污泥的生物相：以細菌為主，還有酵母菌，霉菌，放線菌，原生動物和某些微型后生動物等多種微生物。運行正常的污水處理設施的活性污泥生物相 絮粒以菌膠團細菌為骨架，穿插生長一些絲狀菌，但絲狀菌數量遠少于菌膠團細菌，未見游離細菌、微型動物以固著類纖毛蟲為主，如鐘蟲、蓋纖蟲、累枝蟲等；還可見到木盾纖蟲在絮粒上爬動，偶爾還可看到少量的游動纖毛蟲等，輪蟲生長活躍?；钚晕勰嗑z團的凈化反應原理：有機物在各種微生物的作用下，通過生化反應轉變成二氧化碳和細胞質?；钚晕勰喾ǚ磻獎恿W可以定量或半定量地揭示系統(tǒng)內有機物降解、污泥增長、耗氧等作用與各項設計參數、運行參數以及環(huán)境因素之間的關系。主要包括： 基質降解的動力學，涉及基質降解與基質濃度、生物量等因素的關系； 微生物增長動力學，涉及微生物增長與基質濃度、生物量、增長常數等因素的關系； 還研究底物降解與生物量增長、底物降解與需氧、營養(yǎng)要求等的關系。活性污泥特點：強的吸附能力；強的降解和氧化有機物能力；食物鏈長；沉降性能好活性污泥凈化反應的影響因素微生物的活性程度，廢水的性質，特征，反應器的類型?；钚晕勰嗟幕玖鞒涛勰嗯蛎浀脑蚣皩Σ呓z狀菌污泥膨脹的原因1 進水1）原水中營養(yǎng)物質含量不足。2）原水中碳水化合物和可溶性物質含量高。3）硫化物含量高4）進水波動。2 反應器環(huán)境（1）溫度。（2）溶解氧。（3）pH值。（4）BOD污泥負荷。控制方法1 投加藥劑法 1投加氧化劑如Cl2或漂白粉 ，投加H2O2 ，O3 。2投加凝聚劑2 改善環(huán)境法控制污泥膨脹。如1 增設生物選擇器。我們可在曝氣池之前設一個小池，局部地提高F/M值，或把曝氣池前端設置成高負荷接觸區(qū)，選擇性地培養(yǎng)菌膠團細菌，使其成為優(yōu)勢菌種。2 采用SBR工藝3 回流污泥再生法非絲狀菌污泥膨脹的原因1 進水中含有毒物質。2 營養(yǎng)物質缺乏或不平衡控制方法1投加充足的氮源和磷源，并適當提高污泥負荷。2投加酶也可以控制污泥膨脹的發(fā)生。厭氧活性污泥法處理優(yōu)點：1）厭氧廢水處理技術成本低、經濟性好。 2）厭氧處理耗能少，產能大3)產泥量少，剩余污泥脫水性能好4)厭氧廢水處理負荷高、占地少，反應體積小5)可以處理高濃度有機廢水6)對營養(yǎng)物的需求量少 7）厭氧方法的菌種沉降性能好，生物活性保存期長8)設備簡單、易于操作影響因素： 1）溫度：嗜冷微生物（520）；嗜溫微生物（2042）；嗜熱微生物（4275）2）PH：適宜PH范圍為6.57.8 3）氧化還原電位4)營養(yǎng)物質與微量元素（BOD:N:P=100:6:1）5)有毒物質 厭氧處理過程的四個階段：1）水解階段 ：復雜的非溶解性聚合物轉化為建大的溶解性單體或二聚體的過程。如淀粉在水體中被水解為葡萄糖，蛋白質被水解為二肽或氨基酸等。）發(fā)酵或酸化階段 ：水解過程產生的小分子化合物在發(fā)酵細菌（即酸化菌）的細胞內轉化為更為簡單的化合物并分泌到胞外。以此同時，酸化菌液利用部分物質合成新的細胞物質。主要產物有揮發(fā)性脂肪酸、醇類、乳酸、二氧化碳、氫氣、氨、硫化氫等。3）產乙酸階段 ：酸化產物被進一步轉化為乙酸、氫氣、碳酸及新的細胞物質。4）產甲烷階段：乙酸、氫氣、碳酸、甲酸和甲醇等被轉化為甲烷、二氧化碳和新的細胞物質。水中氮、磷的危害：水中大量含氮磷會使藻類大量繁殖，水體缺氧產生毒素，水質惡化，對生物產生危害。生物脫氮作用：廢水中氨的存在狀態(tài)4種：有機氮、氨氮、亞硝酸氮鹽、硝酸氮鹽氨化作用：作用微生物很多，除細菌外還有各種霉菌，作用包括蛋白質分解、硝酸分解、其他含氮物質分解。硝化作用 第一步：NH4+轉化成NO2-，主要的亞硝化菌有亞硝化單胞菌；第二步：NO2-轉化成NO3-，主要有硝化桿菌。反硝化作用：將NO2-或NO3-轉化為N2或N2O，異養(yǎng)的兼性厭氧細菌以有機物作為電子供體，進行厭氧呼吸。生物除磷原理生物除磷就是利用聚磷菌一類的細菌，過量地、超出其生理需要地從外部攝取磷，并將其以聚合形態(tài)儲藏在體內，形成高磷污泥，排出系統(tǒng)，達到從廢水中除磷的效果。聚磷菌的作用機理：厭氧放磷，好氧聚磷厭氧條件下，聚磷菌將胞內有機磷轉化成無機磷釋放，利用產生的能量提取廢水中有機質形成PHB顆粒，菌體內ATP水解形成ADP。好氧條件下，進行有氧呼吸。菌從外部攝取有機物，產生能量，與ADP結合形成ATP。聚磷菌的超量累計，集聚廢水中的磷，聚磷菌與剩余污泥一起排除廢水體系。影響生物除磷過程的因素：（1）溶解氧，磷攝取過程要求充足的氧，放磷的過程應保持絕對厭氧的條件。（2）污泥齡， 一般污泥齡短的系統(tǒng)產生的剩余污泥量較多，可以取得較高的除磷效果。（3）溫度和pH值，530 pH 68（4）BOD負荷， 較高的BOD負荷可取得較好的除磷效果。（5）硝酸氮和亞硝酸氮，抑制磷的釋放堆肥化特點：有機固體體廢棄物在微生物的作用下，通過生物化學反應實現(xiàn)轉化和穩(wěn)定化的過程。注意要求需注意氧氣需求的不同。衛(wèi)生填埋的特點是為防止地下水和大氣污染，利用坑洼地填埋城市垃圾，是一種既可處置廢物，又可覆土造地的保護環(huán)境措施?，F(xiàn)在主要進行厭氧填埋，同時可回收甲烷氣體。注意事項：衛(wèi)生填埋相對焚燒處理，投資和運行費用較低，但填埋場占地相當大，大量有機物和電池等物質的填埋，使衛(wèi)生填埋場滲濾液防滲透、收集處理系統(tǒng)負荷和技術難度大，投資高，填埋操作復雜，管理困難，處理后污水也難以達標排放。此外，填埋場的甲烷、硫化氫等廢氣也必須處理好，以確保防爆和環(huán)保要求。好氧堆肥的作用原理（三個階段）：好氧堆肥過程應伴隨著兩次升溫，將其分成三個階段：起始階段、高溫階段和熟化階段。起始階段（主發(fā)酵前期,1-3d）：不耐高溫的細菌分解有機物中易降解的碳水化合物、脂肪等，同時放出熱量使溫度上升，溫度可達1540。高溫階段（主發(fā)酵、一次發(fā)酵，3-8d）：耐高溫細菌迅速繁殖，在有氧條件下，大部分較難降解的蛋白質、纖維等繼續(xù)被氧化分解，同時放出大量熱能，使溫度上升至6070。當有機物基本降解完，嗜熱菌因缺乏養(yǎng)料而停止生長，產熱隨之停止。堆肥的溫度逐漸下降，當溫度穩(wěn)定在40，堆肥基本達到穩(wěn)定，形成腐植質。熟化階段（后發(fā)酵、二次發(fā)酵，需時20-30d）：冷卻后的堆肥，一些新的微生物借助殘余有機物（包括死后的細菌殘體）而生長，將堆肥過程最終完成。甲烷產生的機理：沼氣發(fā)酵又稱厭氧消化，是指各種有機物在厭氧條件下 ，被各類沼氣發(fā)酵微生物 分解轉化 ，最終生成沼氣的過程。水解作用:由棱菌屬、擬桿菌屬等細菌將碳水化合物和蛋白質等大分子有機質降解為小分子有機化合物，如葡萄糖、氨基酸等；發(fā)酵作用：由梭菌屬、擬桿菌屬及其他細菌（如乳酸菌類、丙酸桿菌屬）進一步將水解的產物降解為小分子的醇類、有機酸類、二氧化碳、氫氣、氨氣等；產乙酸和產氫作用：把發(fā)酵作用所產生的小分子醇類和一些脂肪酸降解為乙酸、甲酸、二氧化碳和氫產甲烷作用：由產甲烷細菌將前3階段所產生的氫氣、二氧化碳以及甲酸、乙酸、甲醇和甲胺類等轉化為甲烷。沼氣發(fā)酵中的注意事項嚴格的厭氧條件，沼氣微生物中的產甲烷菌嚴格厭氧，不能在有氧的環(huán)境中生存；接種物，即新池啟動時沼氣發(fā)酵所需的微生物，接種量越大啟動越快；發(fā)酵溫度在1060范圍內，溫度越高，產氣越快，但調節(jié)發(fā)酵溫度必須是漸進的，一天溫度變化不超過2，突然上升到下降超過5，產氣量就會顯著下降甚至停止；發(fā)酵液的酸堿度，沼氣發(fā)酵的最適PH值為6.87.5，當PH值低于6或高于8時，發(fā)酵就會受到抑制，甚至停止壓力，沼氣發(fā)酵與池內壓力有密切關系，池內壓力過高或處于變。狀態(tài)對產氣都有一定的影響，對于水壓式沼氣池而言，其產氣速度隨著氣壓的升高而下降；攪拌，沼氣池在不攪拌的情況下發(fā)酵料液會明顯分為結殼層、清液層和沉渣層，致使沼氣微生物分布不均勻，與原料不能充分接觸，不利于產氣，應勤于攪拌，這樣也有利于促進沼氣從發(fā)酵液中釋放；添加劑和抑制劑，實踐表明在以牛糞為主的沼氣發(fā)酵中，添加尿素可加快產氣，添加碳酸鈣可促進產氣并提高沼氣中的甲烷含量，而各種農藥和消毒劑都有殺菌作用，只要達到一定濃度就可使正常的沼氣發(fā)酵完全遭到破壞，廢電池、大蒜、辣蓼、姜、辣椒、樟樹葉等對發(fā)酵菌均有強烈的抑制作用。有機固體廢物發(fā)酵制備酒精為了尋找垃圾的再生利用新方法，采用微生物酶制劑對有機垃圾酶解后，用酒精酵母對有機垃圾進行厭氧發(fā)酵生產乙醇的方法。有機廢氣生物處理技術原理：由氣體吸收的雙膜理論提出的生物膜理論。雙膜是指氣液傳質過程中的氣膜與液膜，而生物膜指固體載體表面上有微生物群體形成的具有一定厚度的膜1生物洗滌:利用液態(tài)介質,將氣太污染物轉入水相,把氣態(tài)污染物轉化為水中污染物的凈化.它的裝置一般由洗滌器和生物反應器兩部分組成,吸收器和生物反應器分開設置.吸收主要是物理溶解過程,采用的收設備有噴淋塔,篩板塔,鼓泡塔等,吸收過程進程很快,水在吸收設備中的停留時間僅幾秒.更準確地說,它是一個通過氣味成分的高效溶解而去除氣味的方法.它主要適合于親水性的化合物,如丙酮或甲醇。2生物過濾:固態(tài)介質.可分為1)生物濾池主要是充填有機材料，利介質表面的可溶化學物質和微生物凈化氣體，反應器內部條件佳，合理維護去除率可以達到95%或以上。但是水浸會導致處理效率降低。它的濾料有三類：1.堆肥，原料常用污水處理廠污泥，有機垃圾，蓄糞及植物凋落物。2土壤常以腐土為好。3草炭其通氣性能良好，適于微生物生長，除臭效果比土壤好。2)生物滴濾池使用惰性材料，如爐渣，礦渣，陶瓷，塑料，或金屬等。處理時水不斷通過，從上往下滴流，多數情況在上升氣體與下流氣體間形成一個逆循環(huán)，因此提高了氣體的溶解效率。它的優(yōu)點是濾料重量輕，空隙大，表面積大，廢氣和介質的接觸時間短，處理效率高，同時濾料不用更換。監(jiān)控簡單，與生物濾池相比，處理負荷更高，效率相當，占地面積小。處理濃度100MG/M35G/M3流量550000M3/H。但它需要較高的運行成本和投資。2.生物濾池法：土壤濾池，堆肥濾池，箱式濾池3.生物滴濾法：基本與2相同，不同地方為他利用通過濾層后的廢液回流進行循環(huán)噴淋，填料不同廢氣處理的特點：廢氣或尾氣（揮發(fā)性或有毒有害氣體）在生物反應器中進行；去除效率高；投資少、運費低；污染少；能耗低微生物法去除硫化氫和二氧化碳的方法是光合硫菌吸收利用。首先將受藍、綠藻侵襲的水經過水轉換器的轉化，水轉化器是一種高效過濾的一體化裝置，可以去除水體中的懸浮物、大分子有機物、藻類和細菌等雜質。然后，對水進行輸入CO2酸化，以降低水的pH值，形成弱酸性環(huán)境。這一步需要通過水調器一種水質調控裝置來完成。弱酸性環(huán)境不僅可以抑制藍藻、綠藻等污染藻類的生長，還可以促進硅藻生長，當然也適合魚類等生物生存。最后，硅藻生長過程中會吸收污水中的營養(yǎng)成分（有機物、氮、磷等），并會分解代謝有機物，硅藻的代謝產物不同于藍、綠藻的一點是硅藻代謝產物中的氮、磷不會回溶到水中。同時硅藻具有強烈的吸附性，能把污水中的有機物和無機物吸附，在絮凝作用下沉降至底部，將污水凈化。氮氧化物處理技術：生物洗滌法和生物濾床。生物修復：也稱生物整治、生物補救，是指利用微生物、植物或動物，吸收、轉化受污染場地（水體、土壤）中的有機污染物或其他污染物，去除其毒性，使受污染場地恢復生態(tài)功能的一種生物處理過程。生物修復技術影響因素：污染物的特性；受污染場地（水體、土壤）的微生物生態(tài)結構；受污染場地（水體、土壤）的環(huán)境因子生物修復的基本措施：接種微生物或引種超級累植物；添加營養(yǎng)物；提供電子受體；提供共代謝底物以誘導共代謝酶產生；添加表面活性劑生物修復技術的分類：1、原位修復技術：處理費用低，但處理過程控制較難 投菌法/生物強化法（如超級細菌法、混合菌群法）；生物培養(yǎng)法/生物刺激（加過氧化氫和營養(yǎng)物）；生物通氣（空氣噴霧、生物抽氣、生物抽提）；農耕法；光修復2、異位修復技術：污染物搬運處理費高，且反應器的加工制造控制系統(tǒng)設置也會增加費用，處理過程易控制 預制床法；堆肥法；生物反應器法生物補救的可行性評估程序：數據調查（a污染物的種類、化學性質、分布、濃度、污染時間長短；b污染前后微生物的種類、數量、活性及分布）；技術咨詢；技術路線選擇；可行性試驗；工程實施生物發(fā)電就是人類利用能夠產生強生物電的生物，并收集、轉化利用其產生的生物電的一種發(fā)電方式。生物塑料指以淀粉等天然物質為基礎在微生物作用下生成的塑料。超級細菌指濫用抗生素使得細菌的抗藥性越來強，所以給這類細菌統(tǒng)稱超級細菌。 生物柴油是指以油料作物、野生油料植物和工程微藻等水生植物油脂以及動物油脂、餐飲垃圾油等為原料油通過酯交換工藝制成的可代替石化柴油的再生性柴油燃料。生物農藥是指利用生物活體（真菌，細菌，昆蟲病毒，轉基因生物，天敵等）或其代謝產物（信息素，生長素，萘乙酸，2，4-D等）針對農業(yè)有害生物進行殺滅或抑制的制劑。生物人工肝就是將體外培養(yǎng)增殖的肝細胞置于特殊的生物反應器內，利用體外循環(huán)裝置將肝衰竭患者血液或血漿引入生物反應器，通過反應器內的半透膜與肝細胞進行物質交換與生物作用。生物脫硫，又稱生物催化脫硫(簡稱BDS)，是一種在常溫常壓下利用需氧、厭氧菌除去石油含硫雜環(huán)化合物中結合硫的