第十一章 生物凈化與生物廢料再生

1、 公元公元500 年前年前 1億億人口人口 1999年年 60億億人口人口 2050年年 90億億人口人口 公元公元500 年前年前 1億人口億人口 1999年年 60億人口億人口 2050年年 90億人口億人口 地球上的天然地球上的天然資資源被源被過過度度開發(fā)開發(fā) 用更多的用更多的交通交通 用更多的土地用更多的土地 吃更多的食物吃更多的食物 耗用更多的燃料耗用更多的燃料 制造了制造了大量大量廢物廢物 制造制造了更多了更多 垃圾！垃圾！ 家居廢物家居廢物 農(nóng)業(yè)廢物農(nóng)業(yè)廢物 空氣污染物空氣污染物 噪音噪音 工業(yè)廢物工業(yè)廢物家居家居廢物廢物 污染物污染物種類種類 我們的家我們的家污水污水 垃圾垃圾

2、 金屬罐金屬罐 塑膠塑膠 家居家居廢物廢物 塑料塑料 金金屬屬罐罐 污水污水 垃圾垃圾 家居家居廢物廢物 來自我們的家來自我們的家 家居家居廢物廢物 污水污水 污水污水 污水污水處理廠處理廠 除掉有害物質(zhì)除掉有害物質(zhì) 經(jīng)處理的液體經(jīng)處理的液體 會(huì)流入大海會(huì)流入大海 含有含有 清潔劑清潔劑 洗手液洗手液 洗滌劑洗滌劑 洗衣粉洗衣粉 水花水花 磷酸鹽磷酸鹽 農(nóng)業(yè)廢料農(nóng)業(yè)廢料 無機(jī)肥料無機(jī)肥料 例子例子磷酸鹽、磷酸鹽、 硝酸鹽硝酸鹽 沖到河流及池塘沖到河流及池塘 形成藻花形成藻花 有機(jī)肥料有機(jī)肥料 大量流入河流大量流入河流 刺激分解者迅速繁殖刺激分解者迅速繁殖 大量消耗水中的氧大量消耗水中的氧 水中

3、生物會(huì)窒息死亡水中生物會(huì)窒息死亡 工業(yè)廢料工業(yè)廢料 可溶性金屬可溶性金屬 化合物化合物 熱廢水熱廢水原油原油 例子例子鉛鉛、汞、汞、鉻鉻 雖然在排放時(shí)不高，雖然在排放時(shí)不高， 但會(huì)沿食物鏈聚集但會(huì)沿食物鏈聚集 水面的油污會(huì)阻止水面的油污會(huì)阻止 陽(yáng)光穿透水面陽(yáng)光穿透水面 阻止氧氣溶于水中，阻止氧氣溶于水中， 導(dǎo)致不少動(dòng)物死亡導(dǎo)致不少動(dòng)物死亡 從工廠或發(fā)電從工廠或發(fā)電 廠排放廠排放 使水中含氧量使水中含氧量 下降下降 水中生物會(huì)窒水中生物會(huì)窒 息死亡息死亡 富營(yíng)養(yǎng)化是指水體中因氮、磷等元素含量過高富營(yíng)養(yǎng)化是指水體中因氮、磷等元素含量過高 而引起水體表層的藍(lán)細(xì)菌和藻類過度生長(zhǎng)繁殖而引起水體表層的藍(lán)細(xì)

4、菌和藻類過度生長(zhǎng)繁殖 的現(xiàn)象。的現(xiàn)象。 水華：發(fā)生在淡水水體中的富營(yíng)養(yǎng)化。水華：發(fā)生在淡水水體中的富營(yíng)養(yǎng)化。 赤潮：發(fā)生在河口、港灣或淺海等赤潮：發(fā)生在河口、港灣或淺海等 咸水區(qū)水咸水區(qū)水 體的富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象。體的富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象。 二、生物凈化二、生物凈化 生物通過自身的代謝使環(huán)境中污染物的生物通過自身的代謝使環(huán)境中污染物的 數(shù)量減少，濃度下降，毒性減輕，有害數(shù)量減少，濃度下降，毒性減輕，有害 成分轉(zhuǎn)化、分解成分轉(zhuǎn)化、分解 ，直至消失的過程。，直至消失的過程。 選擇選擇 凈化凈化 相應(yīng)的環(huán)境污染相應(yīng)的環(huán)境污染 生物（綠色植物、微生物）生物（綠色植物、微生物） 的生存特點(diǎn)、代謝特點(diǎn)的生存特點(diǎn)、代謝特

5、點(diǎn) 1、微生物的凈化作用：、微生物的凈化作用： 主要分解主要分解固體固體和和水體水體中的有機(jī)污染物中的有機(jī)污染物 復(fù)雜有機(jī)物 簡(jiǎn)單有機(jī)物 需氧微生物 胞內(nèi)酶 厭氧微生物 胞內(nèi)酶 微生物 胞外酶 CO2、H2O CO2、H2O、H2、 CH4、H2S及有機(jī) 酸、醇、酮、醛等 未完全氧化產(chǎn)物 微生物分解有機(jī)物的作用示意圖 例：微生物對(duì)水體的凈化例：微生物對(duì)水體的凈化 例：微生物對(duì)水體的凈化 格柵沉砂池沉淀池 生物曝氣池 或生物濾池 二沉池 混凝、過濾、 離子交換、 消毒等設(shè)備 廢水 垃圾 處理 沉渣 處理 一級(jí)處理出水 (排放、灌溉) 污泥消化池或 其他處理設(shè)備 濃縮池 二級(jí)處理出水 (排放、灌溉

6、) 三級(jí)處理 出(排放或 回用) 沉渣處理 一級(jí)處理二級(jí)處理 三級(jí)處理 在特定的時(shí)間和溫度下在特定的時(shí)間和溫度下( (通常通常 為為5 5天，天，20)20)，微生物氧化有機(jī)物所消耗的，微生物氧化有機(jī)物所消耗的 氧量稱為生化需氧量，常以氧量稱為生化需氧量，常以BODBOD5 5表示。在污水表示。在污水 生物處理中，常用生物處理中，常用BODBOD5 5表示污水中的有機(jī)污染表示污水中的有機(jī)污染 物的含量。物的含量。BODBOD5 5是以氧來表示有機(jī)污染物濃度是以氧來表示有機(jī)污染物濃度 的一種指標(biāo)，如污水的的一種指標(biāo)，如污水的BODBOD5 5值高，表示微生物值高，表示微生物 分解有機(jī)污染物時(shí)消耗

7、的氧多，進(jìn)而反映出分解有機(jī)污染物時(shí)消耗的氧多，進(jìn)而反映出 污水中的有機(jī)污染物多。污水中的有機(jī)污染物多。BODBOD5 5只是一個(gè)間接指只是一個(gè)間接指 標(biāo)。標(biāo)。 兩個(gè)指標(biāo)： BOD5和和 活性污泥法又稱曝氣法，是利用含有好氧活性污泥法又稱曝氣法，是利用含有好氧 微生物的活性污泥，在通氣條件下，使污微生物的活性污泥，在通氣條件下，使污 水凈化的生物學(xué)方法。活性污泥法不僅用水凈化的生物學(xué)方法。活性污泥法不僅用 于處理生物污水，且在許多工業(yè)廢水處理于處理生物污水，且在許多工業(yè)廢水處理 中都取得很好的效果，一般可使污水的中都取得很好的效果，一般可使污水的 BOD5BOD5減少減少90%90%。 曝曝氣池

8、氣池 曝曝氣氣法法 v 活性污泥活性污泥一般經(jīng)過人工培養(yǎng)馴化而一般經(jīng)過人工培養(yǎng)馴化而 獲得，并在污水處理過程中，能被不斷獲得，并在污水處理過程中，能被不斷 地返回接種使用。活性污泥是一種絨絮地返回接種使用?；钚晕勰嗍且环N絨絮 狀小顆粒，主要由菌膠團(tuán)形成菌、原生狀小顆粒，主要由菌膠團(tuán)形成菌、原生 動(dòng)物及懸浮物組成。動(dòng)物及懸浮物組成。 活性污泥微生物： l細(xì)菌：微生物主要組成部分，以異養(yǎng)性原核細(xì) 菌為主，1ml正常污泥中含細(xì)菌107-108個(gè)，細(xì)菌 種屬與污水中有機(jī)成分有關(guān)，是有機(jī)污染物的 分解者，在環(huán)境條件適宜時(shí)其世代時(shí)間僅為20- 30min。 l真菌：種類繁多，活性污泥中較多出現(xiàn)的為腐 生或

9、寄生的絲狀菌，異常增殖會(huì)引發(fā)污泥膨脹。 l原生動(dòng)物：為活性污泥系統(tǒng)中的指示性生物， 是首次捕食者。 l后生動(dòng)物：僅在完全氧化型活性污泥系統(tǒng)中出 現(xiàn)，是水質(zhì)非常穩(wěn)定的標(biāo)志，是生態(tài)系的二次 捕食者。 以好氧細(xì)菌為主，也存活有真菌、 原生動(dòng)物、后生動(dòng)物，構(gòu)成穩(wěn)定生態(tài)系 由曝氣池、沉淀池，污泥回流，剩余污泥排除 系統(tǒng)組成。 經(jīng)過沉淀處理的污水，經(jīng)過沉淀處理的污水，進(jìn)入進(jìn)入接種有接種有 活性污泥的活性污泥的曝氣池曝氣池后，充分混合和后，充分混合和 通氣，使活性污泥中的細(xì)膠菌等大通氣，使活性污泥中的細(xì)膠菌等大 量繁殖，量繁殖，形成菌膠團(tuán)絮凝物形成菌膠團(tuán)絮凝物。它具。它具 有很強(qiáng)的吸附與分解有機(jī)污染物的有很

10、強(qiáng)的吸附與分解有機(jī)污染物的 能力，當(dāng)污水與這些顆粒接觸時(shí)，能力，當(dāng)污水與這些顆粒接觸時(shí)， 其中的其中的有機(jī)污染物可以很快地被吸有機(jī)污染物可以很快地被吸 附與分解附與分解。當(dāng)處理結(jié)束時(shí)，將曝氣。當(dāng)處理結(jié)束時(shí)，將曝氣 池中的混合液池中的混合液輸入二次沉淀池輸入二次沉淀池，使，使 其中的活性污泥在此凝集而沉淀。其中的活性污泥在此凝集而沉淀。 其中其中一部分再回流到曝氣池一部分再回流到曝氣池中，作中，作 為活性污泥接種物。為活性污泥接種物。 重要的工作參數(shù) 微生物種類和數(shù)量 混合懸浮固體：1L曝氣池混合液中所含懸浮 固體的干重。間接反映廢水中微生物濃度。 混合液揮發(fā)性懸浮固體：去除混合液中無機(jī) 物的重

11、量，更接近活性污泥中微生物的重量。 污泥沉降比污泥沉降比：一定量的曝氣池混合液，靜置 30min后，沉降污泥體積與原混合液體積之比。 反映曝氣池正常運(yùn)行時(shí)的污泥量，大小也能反 映出污泥膨脹等異常現(xiàn)象。 污泥容積指數(shù)污泥容積指數(shù)：曝氣池中混合液經(jīng)30min靜置 后的體積與污泥干重之比。反映污泥的凝聚性 和沉降性。 污泥負(fù)荷污泥負(fù)荷：在單位時(shí)間內(nèi)，單位重量的活性污 泥能處理的有機(jī)物數(shù)量。 活性污泥法對(duì)廢水的要求及運(yùn)行 pH在6-9之間，不能波動(dòng)太大。 進(jìn)水中有機(jī)物濃度的控制：進(jìn)水BOD 500-1000mg/ L。 水中養(yǎng)料要具有微生物生長(zhǎng)所必需的基本 化合物和元素。BOD:N:P=100:5:1

12、。 水中有毒物的控制 溶解氧：2-4mg/ L. 上例是傳統(tǒng)的凈化水體的 方法，如果碰到難以降 解的有機(jī)物，怎么辦？ 基因工程，細(xì)胞工程、發(fā)酵工程 基因工程的方法構(gòu)建甲基對(duì)硫 磷 MP 和呋喃丹分解菌株 發(fā)展一種能將外源目的基因整合到受體 菌的染色體上且不帶入抗性的整合系統(tǒng) 甲基對(duì)硫磷水解酶基因 mpd,雖然不能完 全礦化 MP,但水解生成的 PNP 的毒性比 MP 低 100120 倍 1、甲基對(duì)硫磷 MP 和呋喃丹為兩種劇毒農(nóng)藥，很難降解 2、質(zhì)粒的不穩(wěn)定性，且多含有抗性帶來的環(huán)境釋 放潛在風(fēng)險(xiǎn) 策略：甲基對(duì)硫磷水解酶基因 mpd整合 到Sphingomonas sp.CDS-1菌株中染色

13、 體中，且不帶抗性。 能夠高效、快速降解呋喃丹的鞘 氨醇單胞菌完全礦化呋喃丹 重組載體的特點(diǎn) 1.同源重組的方式 2.復(fù)制起始位點(diǎn)為 oriR ,只有在宿主菌提 供 蛋白 基因編碼 的情況下才能正常 復(fù)制 。 3.含有兩個(gè)拷貝的 sacB 基因 ,該基因編碼 的果糖蔗糖酶 ,能將蔗糖水解為果糖并生 成大分子量的果聚糖 ,在 G- 細(xì)菌周質(zhì)空 間累積 ,導(dǎo)致細(xì)胞停止生長(zhǎng)或死亡 ,因此 , 含有該基因的 G- 宿主菌對(duì)蔗糖高度敏 感 ,可以用來作為同源重組雙交換的正篩 選標(biāo)記 4、含有 oriT 位點(diǎn) ,可以在宿主 E. coliSM10 染 色體上tra 基因的作用下直接進(jìn)行二親結(jié)合轉(zhuǎn) 移 5、

14、含有Amp 和 Km兩種抗性 ,便于同源重組單 交換子的篩選 陽(yáng)性克隆的篩選 在 Str、Km 和 Amp 三抗平板上長(zhǎng)出來 的能水解MP產(chǎn)生黃色水解圈的即為重組 交換子。 涂布于添加 Str 和MP的 SLB 平板上 , 挑取能產(chǎn)生黃色水解圈的單菌落即為陽(yáng) 性同源重組雙交換子 細(xì)胞工程技術(shù) 原生質(zhì)體融合技術(shù)降解纖維素 一、好氧堆肥一、好氧堆肥 發(fā)酵工程的應(yīng)用發(fā)酵工程的應(yīng)用 -固體垃圾的堆肥處理技術(shù)固體垃圾的堆肥處理技術(shù) 通氣條件下借好氧性微生物活動(dòng)使有機(jī)物降解，通氣條件下借好氧性微生物活動(dòng)使有機(jī)物降解， 從而使固體廢棄物無害化、資源化。從而使固體廢棄物無害化、資源化。 特點(diǎn)：高溫堆肥（一般在

15、50-60，極限可達(dá)80-90） 堆制 升溫 高溫 降溫 腐熟 1-2d50-60 中溫菌嗜熱菌中溫菌 寄生蟲和病原菌被殺死 30-40 一次發(fā)酵二次發(fā)酵 發(fā)熱階段發(fā)熱階段 堆溫升到堆溫升到50度左右稱為發(fā)熱階度左右稱為發(fā)熱階 段。主要是無芽孢桿菌、放線菌、真段。主要是無芽孢桿菌、放線菌、真 菌等中溫性微生物活動(dòng)，分解有機(jī)物，菌等中溫性微生物活動(dòng)，分解有機(jī)物， 同時(shí)釋放氨、二氧化碳和熱量。同時(shí)釋放氨、二氧化碳和熱量。 高溫階段高溫階段 堆溫升到堆溫升到65度，稱為高溫階段。度，稱為高溫階段。 主要有好熱放線菌、高溫纖維分解菌，主要有好熱放線菌、高溫纖維分解菌， 主要分解纖維素、半纖維素和部分木

16、主要分解纖維素、半纖維素和部分木 質(zhì)素，并進(jìn)行腐殖化過程。質(zhì)素，并進(jìn)行腐殖化過程。 降溫階段降溫階段 堆溫降到堆溫降到50度以下，稱為降溫階段。度以下，稱為降溫階段。 此時(shí)，堆內(nèi)的微生物種類和數(shù)量都比前一階此時(shí)，堆內(nèi)的微生物種類和數(shù)量都比前一階 段多，中溫性微生物數(shù)量顯著增加，腐殖化段多，中溫性微生物數(shù)量顯著增加，腐殖化 作用占優(yōu)勢(shì)。作用占優(yōu)勢(shì)。 腐熟保肥階段腐熟保肥階段 堆內(nèi)碳氮比減小，腐殖質(zhì)明顯堆內(nèi)碳氮比減小，腐殖質(zhì)明顯 增加，放線菌繼續(xù)分解有機(jī)質(zhì)，緩慢進(jìn)行后增加，放線菌繼續(xù)分解有機(jī)質(zhì)，緩慢進(jìn)行后 期的腐熟作用。期的腐熟作用。 環(huán)境溫度：環(huán)境溫度：對(duì)二次發(fā)酵的影響大 有機(jī)質(zhì)含量：有機(jī)質(zhì)含量

17、：20-80%為宜。太低，升溫慢，太 高，供氧不足（發(fā)臭） 水分：水分：50-60%為宜。過高，氧不足 碳氮比：碳氮比：初始30-35：1為宜。過高，缺氮，周 期長(zhǎng)，過低，氮損失。 碳磷比：碳磷比：75-150為宜。 酸堿度：中性或弱堿性。酸堿度：中性或弱堿性。有利于堆肥中微生物的有利于堆肥中微生物的 活動(dòng)，能加速腐解活動(dòng)，能加速腐解 通風(fēng)供氧：動(dòng)力供氧通風(fēng)供氧：動(dòng)力供氧 影影 響響 堆堆 肥肥 的的 因因 素素 立式堆肥發(fā)酵塔立式堆肥發(fā)酵塔 臥式堆肥發(fā)酵滾筒臥式堆肥發(fā)酵滾筒 簡(jiǎn)倉(cāng)式堆肥發(fā)酵倉(cāng)簡(jiǎn)倉(cāng)式堆肥發(fā)酵倉(cāng) 箱式堆肥發(fā)酵池箱式堆肥發(fā)酵池 堆肥發(fā)堆肥發(fā) 酵裝置酵裝置 5-8天完成一次發(fā)酵天完成

18、一次發(fā)酵 立式堆肥發(fā)酵塔立式堆肥發(fā)酵塔 臥式堆肥發(fā)酵滾筒臥式堆肥發(fā)酵滾筒 箱式堆肥發(fā)酵池箱式堆肥發(fā)酵池 二、厭氧堆肥二、厭氧堆肥 厭氧堆肥 在無氧條件下，借厭氧微生物的作用， 將有機(jī)廢棄物（包括城市垃圾、人畜糞便、 植物秸稈、污水處理廠的剩余污泥等）進(jìn)行 厭氧發(fā)酵，制成有機(jī)肥料，使固體廢棄物無 害化的過程。 特點(diǎn)： 1）堆置方式與好氧堆肥法相同 2）堆內(nèi)不設(shè)通氣系統(tǒng)，堆溫低，腐 熟及無害化所需時(shí)間較長(zhǎng) 3）簡(jiǎn)便、省工 4）封堆后1個(gè)月左右翻堆1次 Compost turning over 二、綠色植物的凈化作用：二、綠色植物的凈化作用： 圓柏圓柏夾竹桃夾竹桃 山毛櫸山毛櫸 吸收大氣中一定濃度范圍