第十一章 生物净化与生物废料再生

第十一章生物净化本章将讨论以下内容：环境污染的来源及状况；生物对污染净化原理与应用；一、污染的产生公元500年前1亿人口1999年60亿人口2050年90亿人口公元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资源被过度开发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废物制造了更多垃圾！家居廢物农业废物空气污染物噪音工业废物家居废物污染物种类我們的家污水垃圾金屬罐塑膠家居廢物塑料金属罐污水垃圾家居廢物来自我们的家家居废物污水污水污水处理厂除掉有害物质经处理的液体会流入大海含有清洁剂洗手液洗涤剂洗衣粉水花磷酸盐农业废料无机肥料例子︰磷酸盐、硝酸盐冲到河流及池塘形成藻花有机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会窒息死亡工业废料可溶性金属化合物热废水原油例子︰铅、汞、铬虽然在排放时不高，但会沿食物链聚集水面的油污会阻止阳光穿透水面阻止氧气溶于水中，导致不少动物死亡从工厂或发电厂排放使水中含氧量下降水中生物会窒息死亡富营养化是指水体中因氮、磷等元素含量过高而引起水体表层的蓝细菌和藻类过度生长繁殖的现象。水华：发生在淡水水体中的富营养化。赤潮：发生在河口、港湾或浅海等咸水区水

体的富营养化现象。二、生物净化生物通过自身的代谢使环境中污染物的数量减少，浓度下降，毒性减轻，有害成分转化、分解

，直至消失的过程。

选择净化相应的环境污染生物（绿色植物、微生物）的生存特点、代谢特点1、微生物的净化作用：主要分解固体和水体中的有机污染物复杂有机物简单有机物需氧微生物胞内酶厌氧微生物胞内酶微生物胞外酶CO2、H2OCO2、H2O、H2、CH4、H2S及有机酸、醇、酮、醛等未完全氧化产物微生物分解有机物的作用示意图例：微生物对水体的净化例：微生物对水体的净化格栅沉砂池沉淀池生物曝气池或生物滤池二沉池混凝、过滤、离子交换、消毒等设备废水垃圾处理沉渣处理一级处理出水(排放、灌溉)污泥消化池或其他处理设备浓缩池二级处理出水(排放、灌溉)三级处理出(排放或回用)沉渣处理一级处理二级处理三级处理生化需氧量在特定的时间和温度下(通常为5天，20℃)，微生物氧化有机物所消耗的氧量称为生化需氧量，常以BOD5表示。在污水生物处理中，常用BOD5表示污水中的有机污染物的含量。BOD5是以氧来表示有机污染物浓度的一种指标，如污水的BOD5值高，表示微生物分解有机污染物时消耗的氧多，进而反映出污水中的有机污染物多。BOD5只是一个间接指标。两个指标：BOD5和CODCOD（chemicaloxygendemand）

：即“化学需氧量”，是表示水体中有机物含量的一个简便的间接指标。一般是指1L污水中所含的有机物在用强氧化剂将它氧化后，所消耗氧的毫克数（mg/L）。

常用的化学氧化剂有K2Cr2O7,KMnO4活性污泥法又称曝气法，是利用含有好氧微生物的活性污泥，在通气条件下，使污水净化的生物学方法。活性污泥法不仅用于处理生物污水，且在许多工业废水处理中都取得很好的效果，一般可使污水的BOD5减少90%。活性污泥法

曝气池曝气法

活性污泥一般经过人工培养驯化而获得，并在污水处理过程中，能被不断地返回接种使用。活性污泥是一种绒絮状小颗粒，主要由菌胶团形成菌、原生动物及悬浮物组成。活性污泥微生物：细菌：微生物主要组成部分，以异养性原核细菌为主，1ml正常污泥中含细菌107-108个，细菌种属与污水中有机成分有关，是有机污染物的分解者，在环境条件适宜时其世代时间仅为20-30min。真菌：种类繁多，活性污泥中较多出现的为腐生或寄生的丝状菌，异常增殖会引发污泥膨胀。原生动物：为活性污泥系统中的指示性生物，是首次捕食者。后生动物：仅在完全氧化型活性污泥系统中出现，是水质非常稳定的标志，是生态系的二次捕食者。以好氧细菌为主，也存活有真菌、原生动物、后生动物，构成稳定生态系活性污泥法的基本流程由曝气池、沉淀池，污泥回流，剩余污泥排除系统组成。

经过沉淀处理的污水，进入接种有活性污泥的曝气池后，充分混合和通气，使活性污泥中的细胶菌等大量繁殖，形成菌胶团絮凝物。它具有很强的吸附与分解有机污染物的能力，当污水与这些颗粒接触时，其中的有机污染物可以很快地被吸附与分解。当处理结束时，将曝气池中的混合液输入二次沉淀池，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气池中，作为活性污泥接种物。重要的工作参数微生物种类和数量混合悬浮固体：1L曝气池混合液中所含悬浮固体的干重。间接反映废水中微生物浓度。混合液挥发性悬浮固体：去除混合液中无机物的重量，更接近活性污泥中微生物的重量。污泥沉降比：一定量的曝气池混合液，静置30min后，沉降污泥体积与原混合液体积之比。反映曝气池正常运行时的污泥量，大小也能反映出污泥膨胀等异常现象。污泥容积指数：曝气池中混合液经30min静置后的体积与污泥干重之比。反映污泥的凝聚性和沉降性。污泥负荷：在单位时间内，单位重量的活性污泥能处理的有机物数量。活性污泥法对废水的要求及运行pH在6-9之间，不能波动太大。进水中有机物浓度的控制：进水BOD500-1000mg/L。水中养料要具有微生物生长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.上例是传统的净化水体的方法，如果碰到难以降解的有机物，怎么办？基因工程，细胞工程、发酵工程基因工程的方法构建甲基对硫磷MP和呋喃丹分解菌株发展一种能将外源目的基因整合到受体菌的染色体上且不带入抗性的整合系统甲基对硫磷水解酶基因mpd,虽然不能完全矿化MP,但水解生成的PNP的毒性比MP低100～120倍

1、甲基对硫磷MP和呋喃丹为两种剧毒农药，很难降解2、质粒的不稳定性，且多含有抗性带来的环境释放潜在风险策略：甲基对硫磷水解酶基因mpd整合到Sphingomonassp.CDS-1菌株中染色体中，且不带抗性。能够高效、快速降解呋喃丹的鞘氨醇单胞菌完全矿化呋喃丹重组载体的特点1.同源重组的方式2.复制起始位点为oriR,只有在宿主菌提供λ蛋白基因编码的情况下才能正常复制。3.含有两个拷贝的sacB

基因,该基因编码的果糖蔗糖酶,能将蔗糖水解为果糖并生成大分子量的果聚糖,在G-细菌周质空间累积,导致细胞停止生长或死亡,因此,含有该基因的G-宿主菌对蔗糖高度敏感,可以用来作为同源重组双交换的正筛选标记4、含有oriT

位点,可以在宿主E.coliSM10染色体上tra

基因的作用下直接进行二亲结合转移5、含有Amp和Km两种抗性,便于同源重组单交换子的筛选阳性克隆的筛选在Str、Km和Amp三抗平板上长出来的能水解MP产生黄色水解圈的即为重组交换子。涂布于添加Str

和MP的SLB平板上,挑取能产生黄色水解圈的单菌落即为阳性同源重组双交换子细胞工程技术原生质体融合技术降解纤维素一、好氧堆肥发酵工程的应用-固体垃圾的堆肥处理技术通气条件下借好氧性微生物活动使有机物降解，从而使固体废弃物无害化、资源化。特点：高温堆肥（一般在50-60℃，极限可达80-90℃）堆制升温高温降温腐熟1-2d50-60℃中温菌嗜热菌中温菌寄生虫和病原菌被杀死30-40℃一次发酵二次发酵发热阶段堆温升到50度左右称为发热阶段。主要是无芽孢杆菌、放线菌、真菌等中温性微生物活动，分解有机物，同时释放氨、二氧化碳和热量。高温阶段堆温升到65度，称为高温阶段。主要有好热放线菌、高温纤维分解菌，主要分解纤维素、半纤维素和部分木质素，并进行腐殖化过程。降温阶段堆温降到50度以下，称为降温阶段。此时，堆内的微生物种类和数量都比前一阶段多，中温性微生物数量显著增加，腐殖化作用占优势。腐熟保肥阶段堆内碳氮比减小，腐殖质明显增加，放线菌继续分解有机质，缓慢进行后期的腐熟作用。环境温度：对二次发酵的影响大有机质含量：20-80%为宜。太低，升温慢，太高，供氧不足（发臭）水分：50-60%为宜。过高，氧不足碳氮比：初始30-35：1为宜。过高，缺氮，周期长，过低，氮损失。碳磷比：75-150为宜。酸碱度：中性或弱碱性。有利于堆肥中微生物的活动，能加速腐解通风供氧：动力供氧影响堆肥的因素立式堆肥发酵塔卧式堆肥发酵滚筒简仓式堆肥发酵仓箱式堆肥发酵池堆肥发酵装置5-8天完成一次发酵立式堆肥发酵塔卧式堆肥发酵滚筒箱式堆肥发酵池二、厌氧堆肥厌氧堆肥在无氧条件下，借厌氧微生物的作用，将有机废弃物（包括城市垃圾、人畜粪便、植物秸秆、污水处理厂的剩余污泥等）进行厌氧发酵，制成有机肥料，使固体废弃物无害化的过程。

特点：1）堆置方式与好氧堆肥法相同2）堆内不设通气系统，堆温低，腐熟及无害化所需时间较长3）简便、省工4）封堆后1个月左右翻堆1次Compostturningover二、绿色植物的净化作用：圆柏夹竹桃山毛榉⑴吸收大气中一定浓度范围内的有害气体⑵阻滞和吸附大气中的粉尘和放射性物质⑶分泌抗生素等物质杀灭空气中的细菌