分析现代生物技术在污水处理中的应用(刘晓燕).doc

给水排水与生物学融合生物技术在污水处理中的应用 姓名：刘晓燕 学号：1062108230 专业：给水排水 学院：能源与环境 任课教师：司万童 上课时间：星期二、四给水排水与生物学融合 生物技术在污水处理中的应用姓名：刘晓燕 学号：1062108230 学院：能源与环境学院给水排水摘要：随着工业的高速发展，水环境污染问题越来越严重地威胁着人类的生存环境，制约着社会和经济的进一步发展。因此，水污染控制成为全世界共同关注的问题。当今的水处理技术中生物处理法已成为水污染控制的主要方法，尤其是现代生物技术将成为水污染控制领域重点开发和应用的技术手段。本文介绍了现代生物技术及其在污水处理中的应用和发展，有效地控制了水污染问题。工业生产和日常生活废水的排放产生了大量的城市污水，人类又面临着水资源短缺的现状，所以城市污水的治理显得越来越重要。生物技术处理污水广泛具有操作简单，成本低，分解有机物能力强等特点，显示出了其治理污水的优势。关键词：现代生物技术 基因工程 生物修复技术 固定化技术 hcr工艺前言：随着工业的发展和人们生活质量的提高，工业生产和日常生活中产生的污水越来越多，很多工厂为了节约成本，直接把未经处理的污水排到河流中，造成了河流的污染，进而加剧了水资源短缺的现状。全球工业化、城市化和农业集约化的发展等等使得许多城市原有水资源不敷所用，导致全球的水危机。城市污水一般是由生活污水和工业废水两者混合组成，水量往往很大，且水质污染较轻，就近易得，处理技术较成熟，所以当今世界各国解决水问题，首先将城市污水作为可靠的供水水源。正文：一、现代生物技术的发展概况现代生物技术是指以dna 技术为先导，包括微生物工程、细胞工程、酶工程、基因工程、蛋白质工程和生物修复技术在内的一系列生物高新技术的统称1。其中每个方面都有其特定的理论基础和不同的应用领域，但它们之间又相互补充和衔接，形成一个完整的体系。现代生物技术可应用于农业、医药、化工、食品、环境保护等众多领域，主要包括发酵工程、基因工程、酶工程和细胞工程等。现代环境生物技术是现代生物技术和环境工程技术相结合的产物，它是20 世纪80 年代才诞生的一种崭新的技术，是对传统生物技术的强化和创新。作为一门新兴的边缘学科，环境生物技术主要涉及生物技术、工程学、环境学和生态学等学科，不仅包含了生物技术所有的特点，而且还融合了环境污染防治及其他工程技术。二、现代生物技术在污水治理中的应用和发展近10 年来，环境生物技术发展极其迅速，研究领域不断扩大，而且工程实践也已经表明其成为一种经济效益和环境效益俱佳的技术，是解决复杂环境污染问题的有效手段之一3 。以基因工程为主导的现代污染防治生物技术是高新的环境生物技术，为改变微生物细胞内的关键酶或酶系统提供了可能，使大量的人工合成有机化合物，特别是那些难于生物降解或是降解缓慢的化合物，得到了很快的降解。污水处理技术可分为物理法、化学法、物理化学法和生物化学法等。生物法处理污水的技术。生物法处理污水的技术分为：好氧处理技术、厌氧处理技术、自然净化处理技术。好氧处理技术又分为活性污泥法和生物膜法，厌氧处理技术常用的有普通硝化池、厌氧接触法、厌氧生物滤池、升流式厌氧污泥床、厌氧硫化床、水解酸化法，自然净化处理技术又有稳定塘和废水土地处理系统。目前的水处理技术中，生物处理法已成为世界各国控制水污染的主要手段，尤其是现代生物技术将成为水污染控制领域重点开发和应用的技术手段，现代生物技术在污水处理中的应用非常广泛，包括基因工程、生物修复以及固定化技术等领2.1基因工程技术基因工程是将外源基因通过体外重组后导入受体细胞内，使这个基因能在受体细胞内复制、转录、翻译和表达，从而获得新个体的一种育种方法。将基因工程技术运用于环境污染治理中，能够提高微生物的降解速率，拓宽底物的专一性范围，维持低浓度下的代谢活性，改善有机污染物降解过程中的生物催化稳定性等。因此，从环境中筛选分离出的菌种，利用基因工程的手段，实现质粒转移，分子育种，基因重组技术，能够构建出具有特殊降解功能的超级工程菌4 ；其生长繁殖速度极快，生物降解活性极高。以大肠杆菌e. coli jm l09 为宿主菌通过dna 质粒转化得到基因工程菌，该菌对废水中的汞离子有很强的富集能力。中山大学生物系将假单胞细菌r4 染色体中的抗镉菌株转入大肠杆菌hb101 中，使之获得了抗镉特性， 该菌株可在100mgpl 的含镉溶液中生长5 。自从各种降解性质粒被发现后，人们应用基因工程技术获得了能够同时分解多种有毒物质的菌种。美国生物学家chakra barty 利用质粒转移技术将能够降解芳烃、萜烃、多环芳烃的细胞质粒成功地转移到能够降解脂烃的假单胞菌属中，获得了能够同时降解四种烃类的“超级菌”，此菌能够将海面浮油中2p3 的烃降解掉5 。再如，除草剂降解基因工程菌、细菌杀虫剂、卤代芳烃降解基因工程菌、多糖降解基因工程菌等，都是基因工程技术在环境污染治理中的具体应用。2.2 生物修复技术生物修复技术是利用生物，特别是微生物将土壤、地下水或海洋中污染物现场降解为co2和h2o 或转化为无害物质的工程技术系统。这项技术正被用于清除地下水、污水中的污染物。金属虽然不能被生物降解，但微生物可将其转移或降低其毒性。为了加快去除污染物的进程，常常采用许多强化措施，使自然生态系统维持原状的前提下，使受污染的环境得以修复。经研究表明，生物修复与传统的物化法相比具有以下优点：经济，仅为物化法30%-50%；对环境影响小，不产生二次污染，遗留问题少；最大限度地降低污染物的浓度；修复时间较短，就地修复，操作方便。生物修复中主要涉及两大问题，即有效性和安全性评价。为提高有效性今后将应用分子微生物学分离、鉴别、制造更高效降解和聚集有害有毒化合物的微生物。为提高生物修复的安全性评价水平，需发展鉴定微生物的分子生物技术，以确定微生物在环境中的去留和基因。2.3固定化技术 固定化技术是指通过采用化学或物理方法将游离微生物定位于限定的空间区域内，使其保持活性并可反复使用，包括固定化酶、固定化细胞和固定化藻6 。固定化方法主要包括三种:载体结合法、交联法和包埋法7 。它是20 世纪80 年代开始向环境科学领域进展，在废水处理中日益受到人们的重视。用海藻酸钠包埋小球藻细胞和紫非硫光合细菌混合菌株，对含酚废水处理24 h ，去除率达到95 %以上。用三乙酸纤维素脂单载体和海藻酸钙的复合载体固定混合好氧菌处理含酚废水，去除率达90 %以上8 。以pva 为包埋载体，添加适量粉末活性炭包埋固定硝化污泥，处理用(nh4 ) 2 so4 和葡萄糖配成的废水，nh42n去除率可达95. 5 % ，cod 去除率保持80 %以上。采用动胶杆菌固定化技术来降解土壤中菲、芘污染物，降解率达84. 89 %和76. 94 %。因此，固定化技术以其廉价、高效、传质好、强度高、抗毒性好等优点，为废水处理开创了美好前景。2.4.hcr工艺1.1 hcr工艺简介hcr工艺是德国克劳斯塔尔工科大学物相传递研究所于80年代发明的。该工艺的问世是好氧生物处理技术的一个飞跃，它融合了当今的高速射流曝气、物相强化传递、紊流剪切等技术，并具有深井曝气和流化污泥床的特点。1.2 hcr工艺的优点hcr工艺具有所需空间少、占地省、设计集成合理、cod降解率高、空气氧利用率高且操作便利安全等优点。1.3 hcr工艺的应用现状hcr工艺可以用于造纸废水治理，污水处理，农药废水的处理等。因其空气氧的转化率高，反应器的容积负荷大，水力停留时间短，所以是当前为西方国家所广泛接受的一种高效好氧生物处理方法。至今，已经在德国、瑞典、加拿大、意大利、法国、韩国等国家建成了数十个hcr系统，并已投产运行，污水处理效果普遍良好。2.5ab工艺2.1 ab工艺简介ab法工艺由德国bohuke教授首先开发。该工艺将曝气池分为高低负荷两段，各有独立的沉淀和污泥回流系统。高负荷段（a段） 停留时间约20-40分钟，以生物絮凝吸附作用为主，同时发生不完全氧化反应，生物主要为短世代的细菌群落，去除bod达50%以上。 b段与常规活性污泥法相似，负荷较低，泥龄较长。2.2 ab工艺的优点ab工艺的优点主要有：对有机底物去除效率高；系统运行稳定，主要表现在：出水水质波动小，有极强的耐冲击负荷能力，有良好的污泥沉降性能；有较好的脱氮除磷效果；节能，运行费用低，耗电量低，可回收沼气能源，经试验证明，ab法工艺较传统的一段法工艺节省运行费用20%25%。2.3 ab工艺的缺点缺点一：a段在运行中如果控制不好，很容易产生臭气，影响附近的环境卫生，这主要是由于a段在超高有机负荷下工作，使a段曝气池运行于厌氧工况下，导致产生硫化氢、大粪素等恶臭气体。缺点二：当对除磷脱氮要求很高时，a段不宜按ab法的原来去处有机物的分配比去除bod55%60%，因为这样b段曝气池的进水含碳有机物含量的碳、氮比偏低，不能有效的脱氮。缺点三：污泥产率高，a段产生的污泥量较大，约占整个处理系统污泥产量的80%左右，且剩余污泥中的有机物含量高，这给污泥的最终稳定化处置带来了较大压力。2.4 ab工艺的应用自上世纪80年代起，中国逐步开始将“ab法”应用到城市污水处理和工业废水处理工程中，已建成相当数量的ab法工艺的城市污水处理厂，成效显著，取得了十分可观的社会效益和环境效益。ab法工艺适合于污水浓度高、具有污泥消化等后续处理设施的大中规模的城市污水处理厂，有明显的节能效果。3.usab工艺（升流式厌氧污泥床）2.6 usab工艺简介升流式厌氧污泥床uasb( up-flow anaerobic sludge bed）工艺由于具有厌氧过滤及厌氧活性污泥法的双重特点，作为能够将污水中的污染物转化成再生清洁能源沼气的一项技术。1971年荷兰瓦格宁根农业大学拉丁格教授通过物理结构设计，利用重力场对不同密度物质作用的差异，发明了三相分离器。使活性污泥停留时间与废水停留时间分离，形成了上流式厌氧污泥床（uasb）反应器的雏型。1974年荷兰csm公司在其6m3反应器处理甜菜制糖废水时，发现了活性污泥自身固定化机制形成的生物聚体结构，即颗粒污泥。颗粒污泥的出现，不仅促进了以uasb为代表的第二代厌氧反应器的应用和发展，而且还为第三代厌氧反应器的诞生奠定了基础。3.2 usab工艺的优点uasb内污泥浓度高，平均污泥浓度为2040gvss/1；有机负荷高，水力停留时间短，采用中温发酵时，容积负荷一般为10kgcod/m3.d左右；无混合搅拌设备，靠发酵过程中产生的沼气的上升运动，使污泥床上部的污泥处于悬浮状态，对下部的污泥层也有一定程度的搅动；污泥床不填载体，节省造价及避免因填料发生堵赛问题；uasb内设三相分离器，通常不设沉淀池，被沉淀区分离出来的污泥重新回到污泥床反应区内，通常可以不设污泥回流设备。 3.3 usab工艺的缺点进水中悬浮物需要适当控制，不宜过高，一般控制在100mg/l以下；污泥床内有短流现象，影响处理能力；对水质和负荷突然变化较敏感，耐冲击力稍差。3.3usab工艺的应用及发展现状3.3.1 应用厌氧生物处理法不仅适用于高浓度有机废水，进水bod最高浓度可达数万mg/l，也可适用于低浓度有机废水，如城市污水等。uasb工艺对于不同含固量污水的适应性也强，且其结构、运行操作维护管理相对简单，造价也相对较低，技术已经成熟，正日益受到污水处理业界的重视，得到广泛的欢迎和应用。3.3.2 发展在全社会提倡循环经济，关注工业废弃物实施资源化再生利用的今天，厌氧生物处理显然是能够使污水资源化的优选工艺。近年来，污水厌氧处理工艺发展十分迅速，各种新工艺、新方法不断出现，包括有厌氧接触法、升流式厌氧污泥床、档板式厌氧法、厌氧生物滤池、厌氧膨胀床和流化床，以及第三代厌氧工艺egsb和ic厌氧反应器，发展十分迅速。而uasb工艺由于具有厌氧过滤及厌氧活性污泥法的双重特点，作为能够将污水中的污染物转化成再生清洁能源沼气的一项技术。对于不同含固量污水的适应性也强，且其结构、运行操作维护管理相对简单，造价也相对较低，技术已经成熟，正日益受到污水处理业界的重视，得到广泛的欢迎和应用。4.1 rbs技术简介远古以来，地球上的所有生物都是在土壤的恩惠下生长，作为回报，生物最终又都将残骸归还给土壤，由土壤中的菌群将其分解消化后再还原给生物，如此周而复始实现着自然循环。与此相类似，一直以来，河川湖泊的净化也是由自然环境中栖息的土壤菌群的活动来进行的。而rbs技术就是模仿自然界，对本来就栖息在土壤中的微生物进行人为的诱导、驯养及筛选，在标准活性污泥法基础之上衍生并发展，并最终在土壤菌培养槽中效率更高地实现这一自然现象，进而研制而成的reactor-bio-system系统，简称为rbs。故rbs技术被形象地命名为自然净化法。标准活性污泥法是由需氧性微生物的活动而引起有机物的分解、气体化、低分子化，而rbs是到达了腐植化的过程。腐植化指的是由土壤中微生物群的活动，分解动植物遗体等新鲜的营养源，起到高分子凝集化的作用。土壤中存在的硅酸盐在厌氧的（一部分需氧的）条件下，发酵发霉反应引起有机物的高分子凝集化，土壤菌群正是起到促进有机物的高分子凝集化的作用。rbs是灵活运用了土壤中的微生物群（以下称土壤菌群）的活动原理来进行排水机理的技术。4.2 rbs技术的优点利用rbs技术，高浓度有机废水不加稀释也可安定获得高品位的处理水，污染物去除率高，具有高效的脱氮、脱磷性能，有良好的污泥性状，使得污泥的有机肥料制造简单，能有效抑制不愉快臭气的发生。4.3 rbs技术的应用及发展现状rbs技术可用于城市粪便，垃圾渗滤液，集约化畜禽养殖废水等有机物浓度高、恶臭污染严重、水质水量波动大污水的处理。通过应用rbs技术的850几个工程实践，特别是该技术在中国辽宁鞍山种猪场废水、长春市粪便无害化处理工程（现长春市有机废弃物处理中心）及通化市垃圾卫