环境生物技术复习.doc

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：应用于环境领域的生物技术生物技术基本特征：高效益，高智力，高投入，高竞争，高风险，高势能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环境生物技术在环境中的应用：环境生物技术研究内容可分为三个部分：一，以基因工程为主导的近代防治污染生物技术；二，以废物的生物处理为注意内容；三，主要包括氧化塘、人工湿地和农药生态工程等。生物氧化的方式:1.有氧氧化：在有氧条件下，好气生物或兼性生物吸收空气中的氧作为电子受体，可将有机物基质完全氧化分解。2.无氧氧化：在无氧条件下，兼性生物或厌气生物能利用细胞中的氧化型物质作为电子受体，将燃料分子氧化分解。3.无氧呼吸：以无机物分子作为氢受体。4.厌氧发酵：以有机物作为最终氢受体。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。自然界中生物有机物分解的代谢途径1， 好氧降解：多糖类-单糖类 |脂肪类-甘油+脂肪酸类 |-丙酮酸-氧化脱羧-乙酰-CoA-三羧酸循环-CO2+H20蛋白质类-氨基酸类 |木质素-芳香族单体 |2.厌氧降解第一阶段：水解发酵阶段：多糖-（水解）-单糖-（糖酵解）-乙醇和脂肪酸蛋白质-（水解）氨基酸-(脱氨基）-脂肪酸和氨第二阶段：产氢、产乙酸阶段，由产氢产乙酸细菌将丙酸、丁酸等脂肪酸和乙醇等转化为乙酸、H2和CO2。第三阶段：产甲烷阶段，由产甲烷细菌利用乙酸、H2和CO2，产生甲烷。共代谢只有在初级能源物质存在时才能进行的有机化合物的生物降解过程共代谢的原理：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共代谢应用：在搞清微生物降解环境污染物的能力和途径的基础上 ,应用现代基因工程技术 ,扩展微生物酶对基质的专一性和代谢途径 ,更有效地处理和降解各种污染物 ,更好地保护环境判断共代谢作用：是否是外生物质或异生物质，是否需要添加其他物质才可被微生物降解微生物对污染物的去毒与激活作用去毒：是使污染物的分子结构发生改变（钝化反应），从而降低或去除其对敏感物种的有害性。去毒形式：水解作用，羟基化作用，脱卤作用。甲基化作用，去甲基与去烷基作用，腈转化为酰胺，硝基还原，去氨基，醚键断裂，轭合作用。激活：是无害的前体物质形成有害产物的过程，也就是，微生物群落可以产生新的环境污染物。激活作用的类型：典型激活，使毒性、迁移率、持久性增强；缓解：A（无毒）激活为B（有毒）或缓解为C(无毒)。有机污染物的生物降解原则一般来说，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重金属污染危害：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。重金属污染的生物处理原理和机制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固定化技术包括固定化酶技术与固定化微生物技术。是用化学或物理手段将游离酶或游离微生物定位于限定的空间区域,以提高微生物细胞的浓度,使其保持较高的生物活性并反复利用的方法。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。固定化生物技术应用a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停留的时间3，创造微环境，提高脱氮效果4，减少剩余污泥产量。b 固定化技术在土壤污染物的去除中的应用：最大限度克服土壤环境变化及不确定性给处理生物带来的冲击，可延长生物在土壤中的存活时间。固定化生物膜法：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。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）优越的物理性状固定化生物膜技术方法生物滤池 生物转盘 接触氧化法 生物流化床 微孔膜反应器五大类。生物膜形成的机理：1，废水中有机分子向生物膜附着生长的载体表面输送；2，废水中的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。固定化生物膜技术特点：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。好氧活性污泥的生物相：以细菌为主，还有酵母菌，霉菌，放线菌，原生动物和某些微型后生动物等多种微生物。运行正常的污水处理设施的活性污泥生物相 絮粒以菌胶团细菌为骨架，穿插生长一些丝状菌，但丝状菌数量远少于菌胶团细菌，未见游离细菌、微型动物以固着类纤毛虫为主，如钟虫、盖纤虫、累枝虫等；还可见到木盾纤虫在絮粒上爬动，偶尔还可看到少量的游动纤毛虫等，轮虫生长活跃。活性污泥菌胶团的净化反应原理：有机物在各种微生物的作用下，通过生化反应转变成二氧化碳和细胞质。活性污泥法反应动力学可以定量或半定量地揭示系统内有机物降解、污泥增长、耗氧等作用与各项设计参数、运行参数以及环境因素之间的关系。主要包括： 基质降解的动力学，涉及基质降解与基质浓度、生物量等因素的关系； 微生物增长动力学，涉及微生物增长与基质浓度、生物量、增长常数等因素的关系； 还研究底物降解与生物量增长、底物降解与需氧、营养要求等的关系。活性污泥特点：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净化反应的影响因素微生物的活性程度，废水的性质，特征，反应器的类型。活性污泥的基本流程污泥膨胀的原因及对策丝状菌污泥膨胀的原因1 进水1）原水中营养物质含量不足。2）原水中碳水化合物和可溶性物质含量高。3）硫化物含量高4）进水波动。2 反应器环境（1）温度。（2）溶解氧。（3）pH值。（4）BOD污泥负荷。控制方法1 投加药剂法 1投加氧化剂如Cl2或漂白粉 ，投加H2O2 ，O3 。2投加凝聚剂2 改善环境法控制污泥膨胀。如1 增设生物选择器。我们可在曝气池之前设一个小池，局部地提高F/M值，或把曝气池前端设置成高负荷接触区，选择性地培养菌胶团细菌，使其成为优势菌种。2 采用SBR工艺3 回流污泥再生法非丝状菌污泥膨胀的原因1 进水中含有毒物质。2 营养物质缺乏或不平衡控制方法1投加充足的氮源和磷源，并适当提高污泥负荷。2投加酶也可以控制污泥膨胀的发生。厌氧活性污泥法处理优点：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。）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。水中氮、磷的危害：水中大量含氮磷会使藻类大量繁殖，水体缺氧产生毒素，水质恶化，对生物产生危害。生物脱氮作用：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。生物除磷原理生物除磷就是利用聚磷菌一类的细菌，过量地、超出其生理需要地从外部摄取磷，并将其以聚合形态储藏在体内，形成高磷污泥，排出系统，达到从废水中除磷的效果。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。影响生物除磷过程的因素：（1）溶解氧，磷摄取过程要求充足的氧，放磷的过程应保持绝对厌氧的条件。（2）污泥龄， 一般污泥龄短的系统产生的剩余污泥量较多，可以取得较高的除磷效果。（3）温度和pH值，530 pH 68（4）BOD负荷， 较高的BOD负荷可取得较好的除磷效果。（5）硝酸氮和亚硝酸氮，抑制磷的释放堆肥化特点：有机固体体废弃物在微生物的作用下，通过生物化学反应实现转化和稳定化的过程。注意要求需注意氧气需求的不同。卫生填埋的特点是为防止地下水和大气污染，利用坑洼地填埋城市垃圾，是一种既可处置废物，又可覆土造地的保护环境措施。现在主要进行厌氧填埋，同时可回收甲烷气体。注意事项：卫生填埋相对焚烧处理，投资和运行费用较低，但填埋场占地相当大，大量有机物和电池等物质的填埋，使卫生填埋场渗滤液防渗透、收集处理系统负荷和技术难度大，投资高，填埋操作复杂，管理困难，处理后污水也难以达标排放。此外，填埋场的甲烷、硫化氢等废气也必须处理好，以确保防爆和环保要求。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。甲烷产生的机理：沼气发酵又称厌氧消化，是指各种有机物在厌氧条件下 ，被各类沼气发酵微生物 分解转化 ，最终生成沼气的过程。水解作用:由棱菌属、拟杆菌属等细菌将碳水化合物和蛋白质等大分子有机质降解为小分子有机化合物，如葡萄糖、氨基酸等；发酵作用：由梭菌属、拟杆菌属及其他细菌（如乳酸菌类、丙酸杆菌属）进一步将水解的产物降解为小分子的醇类、有机酸类、二氧化碳、氢气、氨气等；产乙酸和产氢作用：把发酵作用所产生的小分子醇类和一些脂肪酸降解为乙酸、甲酸、二氧化碳和氢产甲烷作用：由产甲烷细菌将前3阶段所产生的氢气、二氧化碳以及甲酸、乙酸、甲醇和甲胺类等转化为甲烷。沼气发酵中的注意事项严格的厌氧条件，沼气微生物中的产甲烷菌严格厌氧，不能在有氧的环境中生存；接种物，即新池启动时沼气发酵所需的微生物，接种量越大启动越快；发酵温度在1060范围内，温度越高，产气越快，但调节发酵温度必须是渐进的，一天温度变化不超过2，突然上升到下降超过5，产气量就会显著下降甚至停止；发酵液的酸碱度，沼气发酵的最适PH值为6.87.5，当PH值低于6或高于8时，发酵就会受到抑制，甚至停止压力，沼气发酵与池内压力有密切关系，池内压力过高或处于变。状态对产气都有一定的影响，对于水压式沼气池而言，其产气速度随着气压的升高而下降；搅拌，沼气池在不搅拌的情况下发酵料液会明显分为结壳层、清液层和沉渣层，致使沼气微生物分布不均匀，与原料不能充分接触，不利于产气，应勤于搅拌，这样也有利于促进沼气从发酵液中释放；添加剂和抑制剂，实践表明在以牛粪为主的沼气发酵中，添加尿素可加快产气，添加碳酸钙可促进产气并提高沼气中的甲烷含量，而各种农药和消毒剂都有杀菌作用，只要达到一定浓度就可使正常的沼气发酵完全遭到破坏，废电池、大蒜、辣蓼、姜、辣椒、樟树叶等对发酵菌均有强烈的抑制作用。有机固体废物发酵制备酒精为了寻找垃圾的再生利用新方法，采用微生物酶制剂对有机垃圾酶解后，用酒精酵母对有机垃圾进行厌氧发酵生产乙醇的方法。有机废气生物处理技术原理：由气体吸收的双膜理论提出的生物膜理论。双膜是指气液传质过程中的气膜与液膜，而生物膜指固体载体表面上有微生物群体形成的具有一定厚度的膜1生物洗涤:利用液态介质,将气太污染物转入水相,把气态污染物转化为水中污染物的净化.它的装置一般由洗涤器和生物反应器两部分组成,吸收器和生物反应器分开设置.吸收主要是物理溶解过程,采用的收设备有喷淋塔,筛板塔,鼓泡塔等,吸收过程进程很快,水在吸收设备中的停留时间仅几秒.更准确地说,它是一个通过气味成分的高效溶解而去除气味的方法.它主要适合于亲水性的化合物,如丙酮或甲醇。2生物过滤:固态介质.可分为1)生物滤池主要是充填有机材料，利介质表面的可溶化学物质和微生物净化气体，反应器内部条件佳，合理维护去除率可以达到95%或以上。但是水浸会导致处理效率降低。它的滤料有三类：1.堆肥，原料常用污水处理厂污泥，有机垃圾，蓄粪及植物凋落物。2土壤常以腐土为好。3草炭其通气性能良好，适于微生物生长，除臭效果比土壤好。2)生物滴滤池使用惰性材料，如炉渣，矿渣，陶瓷，塑料，或金属等。处理时水不断通过，从上往下滴流，多数情况在上升气体与下流气体间形成一个逆循环，因此提高了气体的溶解效率。它的优点是滤料重量轻，空隙大，表面积大，废气和介质的接触时间短，处理效率高，同时滤料不用更换。监控简单，与生物滤池相比，处理负荷更高，效率相当，占地面积小。处理浓度100MG/M35G/M3流量550000M3/H。但它需要较高的运行成本和投资。2.生物滤池法：土壤滤池，堆肥滤池，箱式滤池3.生物滴滤法：基本与2相同，不同地方为他利用通过滤层后的废液回流进行循环喷淋，填料不同废气处理的特点：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；能耗低微生物法去除硫化氢和二氧化碳的方法是光合硫菌吸收利用。首先将受蓝、绿藻侵袭的水经过水转换器的转化，水转化器是一种高效过滤的一体化装置，可以去除水体中的悬浮物、大分子有机物、藻类和细菌等杂质。然后，对水进行输入CO2酸化，以降低水的pH值，形成弱酸性环境。这一步需要通过水调器一种水质调控装置来完成。弱酸性环境不仅可以抑制蓝藻、绿藻等污染藻类的生长，还可以促进硅藻生长，当然也适合鱼类等生物生存。最后，硅藻生长过程中会吸收污水中的营养成分（有机物、氮、磷等），并会分解代谢有机物，硅藻的代谢产物不同于蓝、绿藻的一点是硅藻代谢产物中的氮、磷不会回溶到水中。同时硅藻具有强烈的吸附性，能把污水中的有机物和无机物吸附，在絮凝作用下沉降至底部，将污水净化。氮氧化物处理技术：生物洗涤法和生物滤床。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：处理费用低，但处理过程控制较难 投菌法/生物强化法（如超级细菌法、混合菌群法）；生物培养法/生物刺激（加过氧化氢和营养物）；生物通气（空气喷雾、生物抽气、生物抽提）；农耕法；光修复2、异位修复技术：污染物搬运处理费高，且反应器的加工制造控制系统设置也会增加费用，处理过程易控制 预制床法；堆肥法；生物反应器法生物补救的可行性评估程序：数据调查（a污染物的种类、化学性质、分布、浓度、污染时间长短；b污染前后微生物的种类、数量、活性及分布）；技术咨询；技术路线选择；可行性试验；工程实施生物发电就是人类利用能够产生强生物电的生物，并收集、转化利用其产生的生物电的一种发电方式。生物塑料指以淀粉等天然物质为基础在微生物作用下生成的塑料。超级细菌指滥用抗生素使得细菌的抗药性越来强，所以给这类细菌统称超级细菌。 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动物油脂、餐饮垃圾油等为原料油通过酯交换工艺制成的可代替石化柴油的再生性柴油燃料。生物农药是指利用生物活体（真菌，细菌，昆虫病毒，转基因生物，天敌等）或其代谢产物（信息素，生长素，萘乙酸，2，4-D等）针对农业有害生物进行杀灭或抑制的制剂。生物人工肝就是将体外培养增殖的肝细胞置于特殊的生物反应器内，利用体外循环装置将肝衰竭患者血液或血浆引入生物反应器，通过反应器内的半透膜与肝细胞进行物质交换与生物作用。生物脱硫，又称生物催化脱硫(简称BDS)，是一种在常温常压下利用需氧、厌氧菌除去石油含硫杂环化合物中结合硫的