第十一章 生物凈化與生物廢料再生

第十一章生物凈化本章將討論以下內(nèi)容：環(huán)境污染的來(lái)源及狀況；生物對(duì)污染凈化原理與應(yīng)用；一、污染的產(chǎn)生公元500年前1億人口1999年60億人口2050年90億人口公元500年前1億人口1999年60億人口2050年90億人口地球上的天然資源被過度開發(fā)用更多的交通用更多的土地吃更多的食物耗用更多的燃料制造了大量廢物制造了更多垃圾！家居廢物農(nóng)業(yè)廢物空氣污染物噪音工業(yè)廢物家居廢物污染物種類我們的家污水垃圾金屬罐塑膠家居廢物塑料金屬罐污水垃圾家居廢物來(lái)自我們的家家居廢物污水污水污水處理廠除掉有害物質(zhì)經(jīng)處理的液體會(huì)流入大海含有清潔劑洗手液洗滌劑洗衣粉水花磷酸鹽農(nóng)業(yè)廢料無(wú)機(jī)肥料例子︰磷酸鹽、硝酸鹽沖到河流及池塘形成藻花有機(jī)肥料大量流入河流刺激分解者迅速繁殖大量消耗水中的氧水中生物會(huì)窒息死亡工業(yè)廢料可溶性金屬化合物熱廢水原油例子︰鉛、汞、鉻雖然在排放時(shí)不高，但會(huì)沿食物鏈聚集水面的油污會(huì)阻止陽(yáng)光穿透水面阻止氧氣溶于水中，導(dǎo)致不少動(dòng)物死亡從工廠或發(fā)電廠排放使水中含氧量下降水中生物會(huì)窒息死亡富營(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)繁殖的現(xiàn)象。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、港灣或淺海等咸水區(qū)水

體的富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象。二、生物凈化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，有害成分轉(zhuǎn)化、分解

，直至消失的過程。

選擇凈化相應(yīng)的環(huán)境污染生物（綠色植物、微生物）的生存特點(diǎn)、代謝特點(diǎn)1、微生物的凈化作用：主要分解固體和水體中的有機(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、H2OCO2、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)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)處理生化需氧量在特定的時(shí)間和溫度下(通常為5天，20℃)，微生物氧化有機(jī)物所消耗的氧量稱為生化需氧量，常以BOD5表示。在污水生物處理中，常用BOD5表示污水中的有機(jī)污染物的含量。BOD5是以氧來(lái)表示有機(jī)污染物濃度的一種指標(biāo)，如污水的BOD5值高，表示微生物分解有機(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。BOD5只是一個(gè)間接指標(biāo)。兩個(gè)指標(biāo)：BOD5和CODCOD（chemicaloxygendemand）

：即“化學(xué)需氧量”，是表示水體中有機(jī)物含量的一個(gè)簡(jiǎn)便的間接指標(biāo)。一般是指1L污水中所含的有機(jī)物在用強(qiáng)氧化劑將它氧化后，所消耗氧的毫克數(shù)（mg/L）。

常用的化學(xué)氧化劑有K2Cr2O7,KMnO4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，使污水凈化的生物學(xué)方法?；钚晕勰喾ú粌H用于處理生物污水，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BOD5減少90%?；钚晕勰喾?/p>

曝氣池曝氣法

活性污泥一般經(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、原生動(dòng)物及懸浮物組成。活性污泥微生物：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。真菌：種類繁多，活性污泥中較多出現(xiàn)的為腐生或寄生的絲狀菌，異常增殖會(huì)引發(fā)污泥膨脹。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。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)系活性污泥法的基本流程由曝氣池、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，進(jìn)入接種有活性污泥的曝氣池后，充分混合和通氣，使活性污泥中的細(xì)膠菌等大量繁殖，形成菌膠團(tuán)絮凝物。它具有很強(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)，其中的有機(jī)污染物可以很快地被吸附與分解。當(dāng)處理結(jié)束時(shí)，將曝氣池中的混合液輸入二次沉淀池，使其中的活性污泥在此凝集而沉淀。其中一部分再回流到曝氣池中，作為活性污泥接種物。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?；旌弦簱]發(fā)性懸浮固體：去除混合液中無(wú)機(jī)物的重量，更接近活性污泥中微生物的重量。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)：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：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BOD500-1000mg/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。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100～120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(lái)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Sphingomonassp.CDS-1菌株中染色體中，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λ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(lái)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、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(lái)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、好氧堆肥發(fā)酵工程的應(yīng)用-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，從而使固體廢棄物無(wú)害化、資源化。特點(diǎn)：高溫堆肥（一般在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)熱階段堆溫升到50度左右稱為發(fā)熱階段。主要是無(wú)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，同時(shí)釋放氨、二氧化碳和熱量。高溫階段堆溫升到65度，稱為高溫階段。主要有好熱放線菌、高溫纖維分解菌，主要分解纖維素、半纖維素和部分木質(zhì)素，并進(jìn)行腐殖化過程。降溫階段堆溫降到50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)。腐熟保肥階段堆內(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)行后期的腐熟作用。環(huán)境溫度：對(duì)二次發(fā)酵的影響大有機(jī)質(zhì)含量：20-80%為宜。太低，升溫慢，太高，供氧不足（發(fā)臭）水分：50-60%為宜。過高，氧不足碳氮比：初始30-35：1為宜。過高，缺氮，周期長(zhǎng)，過低，氮損失。碳磷比：75-150為宜。酸堿度：中性或弱堿性。有利于堆肥中微生物的活動(dòng)，能加速腐解通風(fēng)供氧：動(dòng)力供氧影響堆肥的因素立式堆肥發(fā)酵塔臥式堆肥發(fā)酵滾筒簡(jiǎn)倉(cāng)式堆肥發(fā)酵倉(cāng)箱式堆肥發(fā)酵池堆肥發(fā)酵裝置5-8天完成一次發(fā)酵立式堆肥發(fā)酵塔臥式堆肥發(fā)酵滾筒箱式堆肥發(fā)酵池二、厭氧堆肥厭氧堆肥在無(wú)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(wú)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(wú)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Compostturningover二、綠色植物的凈化作用：圓柏夾竹桃山毛櫸⑴吸收大氣中一定濃度范圍內(nèi)的有害氣體⑵阻滯和吸附大氣中的粉塵和放射性物質(zhì)⑶分泌抗生素等物質(zhì)殺滅空氣中的細(xì)菌