环境生物技术1.doc

PS。还有一个有机固体废弃物生物转化沼气和有机固体发酵设备没整理出来还有各组的PPT主题概念，请告诉小蓉，好一起整理。还有仅供参考，不知道老师怎么考第一章 绪论生物技术：以现代生命科学为基础，结合先进的工程技术手段及其他基础学科的科学原理，按照预先的设计改造生物体或加工生物原料，为人类生产出所需产品或达到某种目的。环境生物技术：指凡是自然界涉及环境污染控制的一切与生物技术有关的技术，都可称为环境生物技术。环境生物技术三个层次：高层次是指以基因工程为主导的近现代污染防治生物技术；中层次是指传统的废物生物处理技术（如废水处理中的活性污泥法、生物膜法等）；低层次是指利用天然处理系统进行废物处理的技术（如氧化塘、人工湿地、土地处理系统、农业生态工程等）。环境生物技术的技术组成：环境污染治理基因工程技术；环境污染生物治理技术；环境污染生物修复技术；环境污染预防生物技术；环境生物监测技术；环境生物资源化技术第二章 有机污染物生物降解与转化原理2.1 生物氧化的方式与代谢的基本过程2.1.1 生物氧化的方式生物氧化过程根据末端电子受体不同，可分为：有氧呼吸：以分子氧作为末端电子受体的生物氧化过程。无氧呼吸：在无氧条件下进行的以无机氧化物作为末端电子受体的生物氧化过程。发酵：在无氧条件下进行的以有机物作为末端电子受体的生物氧化过程。2.1.2有机污染物代谢的基本过程有机污染物代谢的基本过程包括：向基质接近、吸附在固体基质上、胞外酶的分泌、基质的跨膜运输、细胞内代谢。2.2自然界中生物的有机物分解的代谢途径与产能（略）2.2.1蛋白质的降解2.2.2脂质物质的转化2.2.3多糖类的转化2.3 有机污染物生物降解的动力学通过研究基质浓度与降解速率之间的关系，提出两类常用的经验模式：幂指数定律不考虑微生物生长的基质降解模式；双曲线定律考虑微生物生长的基质降解模式。2.3.1幂指数定律根据幂指数定律，降解速率与基质的浓度n次幂城正比：式中，S为基质浓度；k为生物降解速率常数；n为反应级数。 反应可以是零级反应，即反应速率与任何基质浓度无关。在单一的反应物转变为单一的生成物的条件下转变为单一的生成物的条件，或在基质浓度很高的情况下，可考虑零级反应。在基质浓度很低，又不了解系统的动力学关系的前提下，可以假定n为1，即一级反应，反应速率与基质的浓度成正比。 反应速率与基质浓度的二次方成正比，为二级反应。2.3.2双曲线定律 式中，为微生物的比增长速率，即单位生物量的增长速率，单位为时间-1；max为微生物的最大比增长速率。单位为时间-1；Ks是饱和常数。是=max/2时所对应的基质浓度，单位为浓度单位。基质浓度低时，微生物的比增长速率随基质浓度的增加而呈线性增加；在基质浓度较高时，比增长速率接近最大值，微生物的的比增长速率与基质浓度无关。2.4共代谢的原理共代谢又称协调作用，指利用一种任容易降解的甚至作为支持微生物生长繁殖的营养物质，微生物同时又降解另一种物质，而被降解和转化的物质并不能使共代谢的微生物获得能量、碳源或其他的任何营养物质。共代谢的原理：一种污染物可以被微生物转化为另一种有机物，但它们却不能被微生物所利用，原因有：1） 、缺少进行反应是酶 2）、中间产物的抑制作用 3）、供给其他基质2.5 微生物对污染物的去毒与激活作用（举例）去毒作用是指污染物的分子结构发生改变，从而降低或去除其对敏感物种的有害性。激活作用是指无害的前体物质形成有毒产物的过程。也就是微生物群落可以产生新的环境污染。2.5.1微生物对污染物的去毒作用 促使活性分子转化为无毒产物的酶反应太长在细胞内进行。形成的产物通常有3种转归：直接分泌到细胞外；经过一步或几步特殊的酶反应，进入正常代谢途径，然后以有机废物的形式分泌到胞外；经过一步或几步特殊的酶反应。进入正常的代谢途径。但最后的碳以二氧化碳的形式释放出来。常见污染物毒性的去除的形式：水解作用、羟基化作用、脱卤作用、去甲基与去烷基作用、甲基化、硝基还原、去氨基、醚键断裂、轭和作用。2.5.2微生物的激活作用形式：脱卤作用、亚硝胺的形成、环化作用、硫代磷酸酯转化为磷酸酯、笨氧羧酸的代谢、硫醚的氧化、酯的水解、甲基化、去甲基化。激活类型：1) 、典型的激活：毒性、迁移性、持久性增强 2）缓解：一种化合物A可以转化为更有毒的化合物B即激活；也可以转化为无毒化合物C.第三章 有机污染物的的生物降解途径 1、不同链烃的降解途径的特点： 1）短链烷烃比长链烷烃难降解； 2）长链脂肪烃在好氧条件下易被多种微生物降解 3）具有支链的烷烃很难降解2、 脂肪烃化合物生物降解的特点： 1)链烃比环烃易降解。直链烃比支链烃易降解，不饱和烃比饱和烃易降解 2）当有机物主要分子链上的碳原子被其他元素取代时，对生物降解的阻抗性就会加强。 3）有机物中每个碳原子至少保持一个碳氢键，其支链做生物降解的阻抗较弱。当碳原子 的氢全部被烷基和芳香取代时，就会产生很强的阻抗作用。带羧基的容易降解带氯原子的抗降解性较强；带有长碳侧链的环烷烃抗微生物的降解；有偶数碳原子正烷烃侧链的环烷烃，其侧链容易氧化；有奇数碳原子正烷烃基侧链的环烷烃，其侧链甲基易羟化，然后被氧化为对应的算，在进行氧化。一般来说，具有易失去电子的取代基（如-OH、-COOH、-NH2）的芳香族化合物要比具有易坏的电子的取代基（如-NO2、-SO3H、卤代烃的芳香）更易氧化代谢。各种有机化合物的降解性能：脂肪酸有机磷酸盐长链苯氧基脂肪酸短链苯氧基脂肪酸单基取代苯氧基脂肪酸三基取代苯氧基脂肪酸硝基苯氯代烃类3.3重金属污染生物处理危害：1毒性效应2转化为毒性更强的金属化合物。3在介质间转移，对其他介质中的生物造成伤害。4从不同器官进入生物，发生选择性和非选择性积累，造成相应的损害。5经过食物链的逐级放大，在较高的生物体内富集。生物处理原理与机制：1）转化机制降低其在环境中的转移性和生物利用性2）吸附机制取决生物吸附剂本身的特性；金属对生物体的亲和性3）絮凝机制（一）微生物菌体对重金属的吸附 （二）微生物对重金属的溶解（三）微生物对重金属的氧化还原 （四）微生物对重金属-有机络合物的生物降解第四章 微生物固定化技术4.1固定化生物技术1、细胞固定化技术方法：吸附法、包埋法、交联法、载体截留法固定化酶的优点：1）易于提纯 2)可重复利用 3)可以提高产物的产量 4)有一定的机械强度，便与机械化和自动化 5)廉价缺点：1）酶的活力难免损失 2）底物要求是水溶性 3）要有辅助因子固定化细胞的优点：节省了酶的分离成本；可再生；多酶体系可以催化多步反应；稳定性好， 耐环境冲击。 缺点：必须保持细胞的完整性；必须抑制胞内蛋白酶的作用；多酶体系影响产 物浓度。固定化技术在水处理中的应用：1) 有毒有害物质的降解； 2）避免生物量流失，延长生物在反应器中的停留时间 3） 创造微环境，提高脱氮效果； 4)减少剩余污泥产量。4.2 固定化生物膜技术生物膜法：是指使废水流过生长在固定支承物表面上的生物膜，利用生物氧化作用和各相间的物质交换，降解废水中有机污染物的方法。1、 载体选择的基本原则： 1）无毒性或抑制性 2）足够的机械强度 3）优良的稳定性 4）良好的表面带电特性 5）优越的物理性状2、 方法：生物滤池、生物转盘、接触氧化法、生物流化床和微孔膜反应器五大类。3、 生物膜形成的机理： 1）废水中的有机分子向生物膜附着生长的载体表面运输 2）废水中浮游微生物细胞在载体表面的不可逆吸附 3）生长在生物膜内部的微生物对废水中营养物质的利用与氧化分解 4、优点：1）微生物多样性高 2）生物膜各段的微生物类群不同 3）生物膜中的食物链较长 4）具有较高的脱氮能力 5)单位处理能力大 6）系统维护方便 7）系统运行稳定5、应用（典型生物膜工艺举例）第五章 好氧活性污泥法处理废水 活性污泥：是由细菌、原生动物等微生物与悬浮物质、胶体物质混杂在一起形成的具有很 强吸附分解有机物能力的絮状体颗粒。特点：强的吸附能力；强的降解和氧化有机物能力；食物链长；沉降性能好活性污泥吸附作用的大小与哪些因素有关：微生物的活性程度；废水的性质、特征； 反应器的类型。活性污泥的基本流程（书P112）第六章 厌氧活性污泥法处理厌氧生物处理过程的生化反应动力学：优点：1）厌氧废水处理技术成本低、经济性好。 2）厌氧处理耗能少，产能大 3)产泥量少，剩余污泥脱水性能好 4)厌氧废水处理负荷高、占地少，反应体积小 5)可以处理高浓度有机废水 6)对营养物的需求量少 7）厌氧方法的菌种沉降性能好，生物活性保存期长 8)设备简单、易于操作影响因素： 1）温度：嗜冷微生物（520）；嗜温微生物（2042）；嗜热微生物（4275） 2）PH：适宜PH范围为6.57.8 3）氧化还原电位 4)营养物质与微量元素（BOD:N:P=100:6:1） 5)有毒物质 厌氧处理过程的四个阶段：1）水解阶段 ：复杂的非溶解性聚合物转化为建大的溶解性单体或二聚体的过程。如淀粉在水体中被水解为葡萄糖，蛋白质被水解为二肽或氨基酸等。2） 发酵或酸化阶段 ：水解过程产生的小分子化合物在发酵细菌（即酸化菌）的细胞内转化为更为简单的化合物并分泌到胞外。以此同时，酸化菌液利用部分物质合成新的细胞物质。主要产物有挥发性脂肪酸、醇类、乳酸、二氧化碳、氢气、氨、硫化氢等。 3）产乙酸阶段 ：酸化产物被进一步转化为乙酸、氢气、碳酸及新的细胞物质。 4）产甲烷阶段：乙酸、氢气、碳酸、甲酸和甲醇等被转化为甲烷、二氧化碳和新的细胞 物质。第七章 生物脱氮除磷技术水中氮和磷的危害：大量含氮、磷肥料的生产和使用，食品加工、畜产品加工等造成的工业废水和大量城市生活废水，特别是含磷洗涤剂产生的污水未经处理即行排放，使海水、湖水中富含氮、磷等植物营养物质，造成水体富营养化，藻类及其他浮游生物迅速繁殖，水体溶解氧量下降，水质恶化，鱼类及其他生物大量死亡。生物脱氮作用：（P188）废水中氨的存在状态4种：有机氮、氨氮、亚硝酸氮盐、硝酸氮盐氨化作用：作用微生物很多，除细菌外还有各种霉菌，作用包括蛋白质分解、硝酸分解、其他含氮物质分解。硝化作用 第一步：NH4+转化成NO2-，主要的亚硝化菌有亚硝化单胞菌；第二步：NO2-转化成NO3-，主要有硝化杆菌。反硝化作用：将NO2-或NO3-转化为N2或N2O，异养的兼性厌氧细菌以有机物作为电子供体，进行厌氧呼吸。生物除磷原理（P193）聚磷菌的作用机理：厌氧放磷，好氧聚磷厌氧条件下，聚磷菌将胞内有机磷转化成无机磷释放，利用产生的能量提取废水中有机质形成PHB颗粒，菌体内ATP水解形成ADP.好氧条件下，进行有氧呼吸。菌从外部摄取有机物，产生能量，与ADP结合形成ATP。聚磷菌的超量累计，集聚废水中的磷，聚磷菌与剩余污泥一起排除废水体系。第八章 固体废物处理生物处理技术堆肥化与卫生填埋（P215）好氧堆肥的作用原理（三个阶段）：好氧堆肥过程应伴随着两次升温，将其分成三个阶段：起始阶段、高温阶段和熟化阶段。起始阶段（主发酵前期,1-3d）：不耐高温的细菌分解有机物中易降解的碳水化合物、脂肪等，同时放出热量使温度上升，温度可达1540。高温阶段（主发酵、一次发酵，3-8d）：耐高温细菌迅速繁殖，在有氧条件下，大部分较难降解的蛋白质、纤维等继续被氧化分解，同时放出大量热能，使温度上升至6070。当有机物基本降解完，嗜热菌因缺乏养料而停止生长，产热随之停止。堆肥的温度逐渐下降，当温度稳定在40，堆肥基本达到稳定，形成腐植质。熟化阶段（后发酵、二次发酵，需时20-30d）：冷却后的堆肥，一些新的微生物借助残余有机物（包括死后的细菌残体）而生长，将堆肥过程最终完成。第九章 有机废气生物处理技术生物过滤塔（附着生长系统）生物滴滤塔生物洗涤塔（悬浮生长系统）比较生物过滤、生物滴滤、生物洗涤废气处理的特点：废气或尾气（挥发性或有毒有害气体）在生物反应器中进行；去除效率高；投资少、运费低；污染少；能耗低第十章 环境污染生物修复技术生物修复：也称生物整治、生物补救，是指利用微生物、植物或动物，吸收、转化受污染场地（水体、土壤）中的有机污染物或其他污染物，去除其毒性，使受污染场地恢复生态功能的一种生物处理过程。生物修复技术影响因素：污染物的特性；受污染场地（水体、土壤）的微生物生态结构；受污染场地（水体、土壤）的环境因子生物修复的基本措施：接种微生物或引种超级累植物；添加营养物；提供电子受体；提供共代谢底物以诱导共代谢酶产生；添加表面活性剂生物修复技术的分类：1、原位修复技术：处理