第十章生物技术与环境

第十章生物技术与环境【学习指南】环境生物技术特点、应用和发展；“三废”生物处理的方法；城市污泥的概念及利用；生物修复的特点、类型和应用。环境污染物的类型和来源地表水污染物生活污水工业废水农业废水和灌溉水大气污染物气溶胶状态污染物：风尘、烟、飞灰、雾、飘尘、降尘、总悬浮颗粒气体状态污染物：含硫化物、含氮化合物、碳氧化合物、卤素化合物一次污染和二次污染物固体废弃物环境生物技术的产生现代环境生物技术是现代生物技术应用于环境污染防治的一门新兴边缘学科。它诞生于1980年代末期，以高新技术为主体，并包括对传统生物技术的强化与创新。环境生物技术涉及众多的学科领域，主要由生物技术、工程学、环境学和生态学等组成。它是由生物技术与环境污染防治工程及其它工程技术紧密结合形成的，既具有较强的基础理论，又具有鲜明的技术应用特点。环境生物技术概念：将现代生物技术与环境工程技术相结合，直接或间接地利用生物体或生物体的某些组成成分或某些机能，对环境进行监控、治理或修复，将有机污染物资源化，开发新的生物材料和能源等。环境生物技术特点环境生物技术特点：效率高、成本低、反应条件温和、无二次污染、可增强自然环境的自我净化能力等。环境生物技术特点环境生物技术可分高、中、低三个层次高层次：以基因工程为主导的现代污染防治生物技术；如基因工程菌构建、抗污染型转基因植物培养等中层次：传统生物处理技术；如活性污泥法、生物膜法及其在新的理论和技术背景下产生的强化生物处理技术和工艺等低层次：利用天然（生态）处理系统进行污染治理的技术；如氧化塘、人工湿地系统等，起特点是最大限度地发挥自然界的生物净化功能环境生物技术的三个层次均是污染治理不可缺少的生物技术手段。为了解决日益严重的环境污染问题，需配合使用高、中、低三个层次的技术，针对不同的问题，采用不同的技术或不同的技术组合。环境生物技术应用1、环境生物技术的核心：微生物学技术2、概念：采用现代分子生物学和分子生态学的原理和方法，充分利用环境微生物的生物净化、生物转化和生物催化等特性，进行污染治理、环境检测和可再生资源的利用。3、研究重点：工业及生化三废中污染物的微生物降解技术、生态环境的生物防治和生物修复技术、以生物传感器为代表的环境污染监控技术、环境友好可再生材料和能源的生物合成技术等。第一节废水的生物治理水处理方法（三类）：物理法化学法生物法活性污泥法生物膜法氧化塘法土地处理法厌氧微生物处理法一、活性污泥法（1）概念活性污泥法：微生物利用废水中的有机物进行生长与繁殖所形成的絮凝体，另外还包含一些无机物和分解中的有机物。活性污泥法利用含有大量好氧微生物的活性污泥，在强力通气的条件下使污水净化的生物学方法。（2）作用活性污泥能从污水中除溶解和胶体的可生物降解有机物，以及能被活性污泥吸附的悬浮固体和其它一些物质，无机盐也能部分被去除。（3）特性一是具有较强的吸附与分解有机物质的能力二是具有较好的自身凝聚与沉降性能（4）原理在有机废水中通过曝气供氧，促进微生物生长形成活性污泥，利用活性污泥的吸附、氧化分解、凝聚和沉降性能，来净化废水中的有机污染物。（5）工艺流程系统组成—初沉池、曝气池、二沉池工艺流程图（P228）二、生物膜法（1）生物膜法的概念生物膜：附着或固定于特定固体上的结构复杂的微生物共同体生物膜法：利用生物膜来处理废水的方法，又称为生物过滤发、固着生长法（2）生物膜法的原理生物膜对废水中污染物的吸附、污染物从废水向生物膜内的传递和微生物对污染物的氧化分解过程（3）生物膜法的类型润壁型、浸没型、流化床型（4）生物膜法的特点及应用速度快、效率高、动力消耗较少、无需污泥回流、运转管理方便三、氧化塘法（1）氧化塘的概念和类型氧化塘：即稳定塘，大面积敞开式的污水处理池塘，是一种模拟自然界湖泊、池塘等静态水域自净作用的废水处理方法。氧化塘分类：好氧塘、兼氧塘、曝气塘（2）氧化塘的原理：利用细菌和藻类的共生系统来降解水中的有机污染物，使水得以净化。（3）氧化塘法的特点及应用结构简单、不需特殊技术、可连续处理污水，占地面积大、效率低、适用于轻度且较少量污水的处理采用了稳定塘系统处理造纸、制糖、纺织印染、制革、食品等工业废水。四、土地处理法（1）土地处理法的概念：将污水投配到土壤中，凭借土壤-植物-微生物系统的物理、化学与生物的作用，使水质得到净化的一种污水生态处理技术。土壤既是载体，也是净化剂，土壤微生物在该净化过程中起主导作用。（2）人工湿地法的概念及作用原理人工湿地法：将污水有控制的投配到湿地中，污水在沿一定方向流动的过程中，经耐水植物和土壤微生物的联合作用，得到净化的一种土地处理系统。人工湿地是人工建造和管理控制的、工程化的湿地，是由水、滤料以及水生生物所组成，具有较高生产里和较天然湿地有更好的污染物去除效果的生态系统。填料、植物、微生物是构成人工湿地生态系统的主要组成部分。（3）人工湿地法的特点及应用投资小、能耗低、运行管理方便人工湿地的主要目的是保护水资源、改善水生态环境五、厌氧微生物处理法（1）概念是在厌氧或缺氧条件下，利用厌氧性微生物分解污水中的有机物，使其最终被转化为甲烷、二氧化碳、水及少量硫化氢和氨。（2）特点优点：能耗低；运转费用低；可处理高浓度的有机物；有机物容积负荷大；反应时间段；产物可利用性高；可获得清洁能源、菌体蛋白、或有用的有机物；出水水质难以达到直接排放标准。缺点：水质排放难以达标，有机物降解不彻底。3、厌氧微生物处理法的发展最早用于处理城市污水处理厂的沉淀污泥，后来用于处理高浓度有机废水。“第二代厌氧生物反应器”，主要包括：厌氧接触发、厌氧滤池、上流式厌氧污泥床反应器、厌氧流化床、厌氧生物转盘和挡板式厌氧反应器等；进入20世纪90年代后，应用于处理高浓度有机废水，依靠厌氧生物过程本身所产生的大量沼气形成内部混合液循环与混合，达到更高的有机负荷。被称为“第三代厌氧生物反应器”。六、废水处理的环境生物制剂1、微生物菌剂：细菌、酵母菌、光合菌、放线菌等2、生物吸附剂：藻类、细菌、真菌等3、微生物絮凝剂：由微生物产生的絮凝活性的次生代谢产物4、生物工程菌：借助基因工程、细胞工程等手段构建的生物工程菌第二节大气的生物净化1、生物净化原理利用微生物代谢作用将废气中的污染物分解，转化为无害或少害的物质废气生物处理的两个阶段：一是污染物质由气相转入液相或固相表面；二是污染物在液相或固相表面被微生物降解。2、生物净化类型生物过滤法、生物吸收法、生物滴滤法第三节固体垃圾的生物处理一、固体垃圾的危害1、占用土地；2、污染土壤和水源；3、污染大气二、概念依靠自然界广泛分布微生物的作用、通过生物转化、将固体废物中易于生物降解的有机组分转化为腐殖质肥料、沼气或其他转化产品，从而达到固体废弃物无害化的一种处理方法。可回收最好产品，达到固体废物的资源化利用三、处理类型堆肥法、卫生填埋法第四节城市污泥的利用一、概念城市污泥：城市污水处理的副产物，是一种由各种微生物及有机、无机颗粒组成的及其复杂的非均质体二、危害体积庞大、含大量的有毒有害物质三、利用途径农业：堆肥、生产有机肥、动物饲料建材：制砖、水泥、制陶颗粒、化纤板其他P241第五节污染环境的生物修复一、生物修复的概念利用处理系统中的生物，特别是微生物，催化降解土壤和水体中的有机污染物或使其转化为无害物质的过程，从而使污染生态环境修复为正常生态环境的工程技术体系。二、生物修复的特点污染物可在原地被降解清除；修复时间较短；操作简便、对周围环境干扰少；费用低；无二次污染。优点：1、可以现场进行，节省了很多治理费用2、环境影响小3、最大限度的降低污染物浓度4、可用于其他处理受污染的土壤和地下水缺点：1、耗时长2、运行条件苛刻3、并非所有进入环境的污染物都能被生物利用4、特定的生物只能吸收、利用、降解、转化特定类型的化学物质，状态稍有变化的化合物就可能不会被同一种生物酶破坏三、生物修复的发展生物修复起源于有机污染物的治理，利用好氧或厌氧微生物的处理污水已有100多年的历史，但是利用生物修复技术处理现场有机污染物才有30多年的历史。1972年美国清除宾夕法尼亚州的Ambler管线泄漏的汽油是史料所记载的首次应用生物修复技术。20世纪80年代以后基础研究的成功被应用于大范围的污染环境治理，并取得了相当的成功，从而发展成为一种新的生物治理技术。1989年，美国阿拉斯加海域受到大面积石油污染，生物修复技术首次大规模应用，取得了很好的效果。阿拉斯加溢油生物修复成为生物修复史上的里程碑，至此，生物修复技术成为一种可被人们接受的有泄漏治理方法。我国关于生物修复的研究起步较晚，目前尚处于小试与中试阶段，还需进一步发展。四、生物修复的类型按修复主体分1、微生物修复2、植物修复3、动物修复4、生态修复按修复受体分土壤生物修复、河流水生物修复、湖泊水库生物修复、海洋生物修复、地下水生物修复、大气生物修复、矿区生物修复、垃圾场生物修复等按修复场所分1、原位生物修复（原位工程生物修复和原位自然生物修复）2、异位生物修复3、原位-异位联合生物修复五、生物修复的措施通气；补充营养物质；调节水活性；调节PH；接种有效或高效的微生物六、生物修复的应用石油污染重金属污染水体富营养化