生物技术概论：11.生物技术与环境

1、11 生物技术与环境,学习目的 认识环境生物技术的基本原理；了解环境生物技术在污水、废气和废料处理以及环境监测评价方面的应用及发展。,生物技术与环境引言,当今社会的环境问题,大气污染,生物技术与环境引言,当今社会的环境问题,水污染（含富营养化、赤潮等）,当今社会的环境问题,土壤污染,生物技术与环境 引言,当今社会的环境问题,水土流失,生物技术与环境 引言,当今社会的环境问题,沙漠化,干旱缺水,生物技术与环境 引言,当今社会的环境问题,物种灭绝加快,生物技术与环境 引言,当今社会的环境问题,环境生物技术,“环境革命”,人类的生存和发展面临着严峻的挑战,生物技术与环境 引言,环境生物技术的概念及内

2、容,一种简单和通俗的定义: 环境生物技术就是应用于环境污染防治方面的生物技术。,生物技术与环境 引言,环境生物技术的概念及内容,环境生物技术的研究内容,按照污染对象可划分为水、土、气、生的污染防治和生态系统的污染防治等；,按照污染物质的类型可分为有机污染、无机污染、噪声污染和辐射污染的防治等；,按照学科还可划分为化学污染、物理污染和生物污染的防治等；,按照具体污染物种类分，可详细地分为杀虫剂污染、除草剂污染、石油烃类污染、多环芳烃污染、重金属污染、有机无毒高浓度废水污染、病毒污染、致病菌污染、废塑料污染的防治等等。,生物技术与环境 引言,污水处理的方法主要可以分为三大类： 物理法、化学法和生物

3、法。,常见的生物法包括： 稳定塘法、人工湿地处理系统法、土地处理系统法、 活性淤泥处理法和生物膜处理法等。,11.1 污水处理,生物技术与环境 11 生物技术与环境,11.1.1 稳定塘法,稳定塘（stabilization pond），又称氧化塘。 稳定塘工程是在科学理论基础上建立的技术系统，是人工强化措施和自然净化功能相结合的新型净化技术。 稳定塘可以划分为兼性塘、厌氧塘、好氧高效塘、精制塘、曝气塘等。 稳定塘去污原理是污水或废水进入塘内后，在细菌、藻类等多种生物的作用下发生物质转化反应，如分解反应、硝化反应和光合反应等，达到降低有机污染成分的目的。,生物技术与环境 11.1 污水处理,不

4、同稳定塘的去污效果比较 - 参数项 好氧塘 兼性塘 厌氧塘 曝气兼性塘 - 塘深（m） 0.150.5 0.92.4 2.43.0 1.84.5 BOD负荷(g/m2) 11.222.4 2.25.6 35.656.0 3.411.2 BOD去除率（） 8095 7595 5070 6080 停留时间(天) 23 750 3050 720 - 注：BOD是指生物需氧量 微生物完全分解污水或淤泥中有机物质时所需要的溶解氧量。,生物技术与环境 11.1.1 稳定塘法,11.1.2 人工湿地处理系统法,人工湿地处理系统 (artificial wetland treatment system) 法是

5、一种新型的废水处理工艺。 特点：出水水质好，具有较强的氮、磷处理能力，运行维护管理方便，投资及运行费用低，比较适合于管理水平不高，水处理量及水质变化不大的城郊或乡村。,生物技术与环境 11.1 污水处理,污水 格栅 三个潜流湿地并联（种植芦苇和大米草） 两个潜流湿地并联（种植茳芏和芦苇） 三个稳定塘并联 一个潜流湿地（种植茳芏和席草） 出水 深圳白泥坑人工湿地简单流程示意图,生物技术与环境 11.1.2 人工湿地处理系统法,11.1.3 污水处理土地系统法,污水处理土地系统（land systems for wastewater treatment）法主要是利用土地以及其中的微生物和植物的根系

6、对污染物的净化能力来处理污水或废水，同时利用其中的水分和肥分来促进农作物、牧草或树木生长的工程设施。 污水处理土地系统法具有投资少、能耗低、易管理和净化效果好的特点。,生物技术与环境 11.1 污水处理,污水处理土地系统法与传统的污水灌溉的区别 处理系统要求对污水进行必要的预处理，对污水中的有害物质进行控制，避免对周围环境造成污染。 处理系统是按照要求进行精心施工，有完整的工程系统可以调控。 处理系统地面上种植的植物以有利于污水处理为主，多为牧草和林木等；而污灌土地常以粮食蔬菜等农作物为主。,生物技术与环境 11.1.3 污水处理土地系统法,11.1.4 活性污泥处理法,活性污泥是由具有生命活

7、力的多种微生物类群组成的颗粒状絮绒物，有时称之为生物絮体。 活性污泥是一个平衡的生态系统，好氧微生物是活性污泥中的主体生物，其中又以细菌最多。同时还有酵母菌、放线菌、霉菌以及原生动物和后生动物等。 活性污泥几乎无臭味，略有土壤的气味，多为黄色或褐色。 活性污泥的粒径小，为0.020.2mm，有较大的比表面积，利于吸附与净化处理废水中的污染物。,生物技术与环境 11.1 污水处理,厦门市第一污水处理场工艺流程示意图,生物技术与环境 11.1.4 活性污泥处理法,原理 活性污泥与废水充分接触混合后，由于活性污泥颗粒有较大的比表面积，其表面的黏液层能迅速吸附大量的有机或无机污染物。 被吸附的有机或无

8、机污染物又在微生物酶的作用下，进行分解或合成代谢活动，实现了物质的转化，从而使废水或污水得以净化。,生物技术与环境 11.1.4 活性污泥处理法,一种用于污水处理的活性污泥法工艺（引自Smith，2004）,生物技术与环境 11.1.4 活性污泥处理法,污水处理的深井发酵系统示意图,生物技术与环境 11.1.4 活性污泥处理法,其他新工艺 上流式厌氧污泥床(UASB)法 水解-好氧生物处理(H/O)法 间歇式活性污泥(SBR)法 厌氧-好氧（anaerobic/oxic,A/O）法,生物技术与环境 11.1.4 活性污泥处理法,厌氧-好氧（anaerobic/oxic,A/O）法是一种脱氮除磷

9、的典型工艺。,厌氧-好氧除磷工艺流程,生物技术与环境 11.1.4 活性污泥处理法,11.1.5 生物膜处理法,生物膜法，又称固定膜法，是通过渗滤或过滤生物反应器进行废水好氧处理的方法。,在这个系统中，液体流经不同的滤床表面。滤床填料可以是石头、砂砾或塑料网等，其表面附着的大量微生物群落而形成一层黏液状膜，即生物膜。生物膜中的微生物与废水不断接触，能吸附去除有机物以供自身生长。,生物技术与环境 11.1 污水处理,采用这种方法的构筑物有生物滤池、生物转盘、生物接触氧化池和生物流化床等。,生物滤池的结构示意图,生物技术与环境 11.1.5 生物膜处理法,大气净化生物技术的基本原理是将污染气体与水

10、体充分混合，使污染气体分子转化为液相成分，然后利用生物，尤其是微生物的生理代谢机能来净化液相污染成分。 目前大气净化生物技术中常用的方法有：生物过滤法、生物洗涤法和生物吸收法等，所采用的生物反应器包括生物净气塔、渗滤器和生物滤池等。,11.2 大气净化,生物技术与环境 11 生物技术与环境,11.2.1 生物净气塔,生物净气塔示意图,生物技术与环境 11.2 大气净化,11.2.2 渗滤器,简单渗滤器的结构示意图,生物技术与环境 11.2 大气净化,11.2.3 生物滤池,用于废气处理的开放式生物滤池,生物技术与环境 11.2 大气净化,11.3.1固体垃圾的生物处理,处理城市垃圾的方法主要有

11、3种，即填埋、堆肥和焚烧等。 填埋和堆肥主要是通过微生物的作用来完成垃圾处理的。,11.3 固体废弃物的生物处理,生物技术与环境 11 生物技术与环境,11.3.1.1填埋技术,填埋技术就是将固体废物存积在大坑或低洼地，并通过科学的管理来恢复地貌和维护生态平衡的工艺。 填埋法处理垃圾量大、简便易行、投入少，是自古以来人类处理生活垃圾的一种主要方法。,生物技术与环境 11.3.1 固体垃圾的生物处理,厦门东孚垃圾填埋场,生物技术与环境 11.3.1.1 填埋技术,新型可调控的填埋地的示意图,生物技术与环境 11.3.1.1 填埋技术,11.3.1.2 堆肥法,堆肥是实现城市垃圾资源化、减量化的一

12、条重要途径。 利用微生物的降解作用使得垃圾中的有机废料转换成稳定的腐殖质。,漏气处理 废弃物预处理堆肥后处理存放 通气,堆肥工场处理过程的流程图,生物技术与环境 11.3.1 固体垃圾的生物处理,11.3.2 矿渣的生物淋溶处理,生物淋溶技术主要指微生物冶金或微生物浸矿技术。 应用微生物溶浸某些贫矿、废矿、尾矿或火冶炉渣等时，微生物可以通过其溶解作用，即淋溶作用，来回收提取有商业价值的贵重金属或稀有金属。 可以防止矿产资源的流失，达到最大限度地利用矿藏的目的；同时还能避免或减少固体废物对环境的污染。,生物技术与环境 11.3 固体废弃物的生物处理,微生物采矿的原理,生物技术与环境 11.3 矿

13、渣的生物淋溶处理,11.4.1 生物修复概述,对于污染地的处理多采用洗脱和吸附等物理或化学去污方法。这些方法需要较高的投资成本，并仅适用于严重污染的小范围地点。 生物修复(bioremediation)是利用生物，特别是微生物的代谢活动来减少或清除污染环境中的化学污染物的过程。这种技术涉及生物催化进行的降解、去毒或积累作用，并且可用于大面积污染环境的治理，又称为生物改善、生物挽救、生物再建或生物处理等。,11.4 污染环境的生物修复,生物技术与环境 11 生物技术与环境,类型,根据所采用的生物类型不同，生物修复可分为微生物修复 (microbial remediation)和植物修复(phyt

14、o-remedia- tion)等； 根据修复的污染物类型不同，生物修复可分为石油污染的 生物修复、重金属污染的生物修复和农药污染的生物修复 等； 根据修复的污染地不同，生物修复又可分为土壤污染的生 物修复、地下水污染的生物修复和地表水污染的生物修复 等。,生物技术与环境 11.4.1 生物修复概述,11.4.2 生物修复的方法,生物修复的技术大致可分为原位生物修复（in situ）和异位（ex situ）生物修复两类。 原位生物修复中的污染对象不需移动，处理费 用低，但处理过程控制比较难。 异位生物修复需要通过某种方法将污染对象转 移到污染现场之外，再进行处理。,生物技术与环境 11.4 环

15、境污染的生物修复,环境条件的改善或修饰，如向环境中提供营养 物质和通气等。 接种合适的微生物以降解污染物。 种植合适的植物类型以吸收或降解污染物。,生物技术与环境 11.4.2 生物修复的方法,三种方法,11.4.3 生物修复技术的应用,11.4.3.1石油污染的生物修复,19891990年成功地清除了Exxon Valdez号油轮在Prince William Sound海岸和阿拉斯加湾海岸的漏油。 具体做法：将某种肥料（N、P营养物）以各种形式施与海岸，促进了该地土著微生物的生长，然后通过这些微生物的作用把石油降解成低危害产物，并不断地成为食物链的一部分。,生物技术与环境 11.4 环境污

16、染的生物修复,油类污染生物修复的优点与不足,生物技术与环境 11.4.3.1 石油污染的生物修复,11.4.3.2 重金属污染的生物修复,生物吸附法 一种利用廉价的失活细胞分离有毒重金属的方法。尤其适用于工业废水的处理和地下水的净化。生物吸附剂为自然界中丰富的生物资源，如藻类、地衣、真菌和细菌等。 生物累积法 主要是利用生物细胞的新陈代谢作用，吸收金属离子并输送到细胞内部累积起来，从而达到去除环境中的金属污染物的效果。,生物技术与环境 11.4.3 生物修复技术的应用,11.4.3.3 地下水污染的生物修复,地下水污染的原位生物修复示意图,生物技术与环境 11.4.3 生物修复技术的应用,11

17、.5.1指示生物,传统的指示生物常采用哺乳动物。 但是哺乳动物存在生长周期长、费用高、结果有 较大偶然性等不足之处。 为了获得大量准确有效的毒理数据，人们建立了 多种多样的短期生物试验法，分别用细菌、原生 动物、藻类、高等植物和鱼类等作为指示生物。,11.5 环境污染监测与评价的生物技术,生物技术与环境 11 生物技术与环境,11.5.2 核酸探针和PCR技术,核酸杂交指单链DNA片段在适合的条件下能和与之互补的另一个单链片段结合。 如果对最初的DNA片段进行标记，即做成探针，就可监测外界环境中有无对应互补的片段存在。 利用核酸探针杂交技术可以检测水环境中的致病菌，如大肠杆菌、志贺氏菌、沙门氏

18、菌和耶尔森氏菌等。也可用于检测病毒，如乙肝病毒、艾滋病病毒等。,生物技术与环境 11.5 环境污染监测与评价的生物技术,PCR技术是特异性DNA片段体外扩增的一种非常 快速而简便的新方法，有极高的灵敏度和特异性。 对于微量甚至常规方法无法检测出来的DNA分子通 过PCR扩增后，由于其含量成百万倍地增加，从而 可以采用适当的方法予以检测。 采用PCR技术可直接用于土壤、废物和污水等环境 标本中的生物检测，包括那些不能进行人工培养的 微生物的检测。,生物技术与环境 11.5.2 核酸探针和PCR技术,可以利用生物芯片快速检测污染微生物或有机化合物对环境、人体、动植物的污染和危害。,11.5.3 生

19、物芯片,生物技术与环境 11.5 环境污染监测与评价的生物技术,11.5.4 生物传感器及其他,生物传感器是以微生物、酶、抗原或抗体等具有生物活性的生物材料作为分子识别元件的一类特殊的化学传感器。 待测物质经扩散作用进入生物活性材料，经生物材料的分子识别后，发生生物学反应，产生的信息被相应的物理或化学换能器转变成可定量和可处理的电信号，再经二次仪表放大并输出，由此可知待测物的性质及浓度。,生物技术与环境 11.5 环境污染监测与评价的生物技术,生物传感器具有成本低、易制作、使用方便、测定快速及在线监测等优点，作为一种新的环境监测手段具有广阔的发展前景。,生物传感在线分析系统,生物技术与环境 1

20、1.5.4 生物传感器及其他,复习思考题： 1.生物法处理污水或废水有哪几种常见方法？污水治理的意义何在？ 2.空气污染治理与水污染治理有什么关系？常见的方法有哪几种？ 3.填埋技术有哪些优点？为什么说堆肥技术是一种可循环利用资源的方法？ 4.什么是生物修复技术？举例说明其应用价值。 5.举例说明生物技术在环境检测方面的应用。,生物技术与环境 11 生物技术与环境,参考文献 藏文超. 1998.我国城市生活垃圾现状与管理问题.环境保护.（2）：4143 陈玲等. 2004. 环境监测. 北京 : 化学工业出版社教材出版中心 程树培. 1994. 环境生物技术.南京：南京大学出版社. 崔理华等. 2003. 污水渗滤湿地处理系统技术的研究进展. 应用生态学报. 14(4)：597600 丰捃明. 1993.固体废物的处理与处置.北京:高等教育出版社 孔繁翔.2000.环境生物学.北京:高等教育出版社 刘亚男等. 2005. 分子生物学技术在生物除磷中的应用及进展.水处理技术. 31（9）：1012 彭清涛. 1998. 植物在环境污染治理中的应用.环境保护.（2