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第十一章生物技术与环境BiotechnologyandEnvironment环境生物技术EnvironmentalBiotechnology是指直接或间接利用生物或生物体的某些组成部分或某些功能，建立降低或消除污染物的生产工艺或能够高效净化环境污染，同时又能生产有用物质的工程技术。环境生物技术包括的内容很广，分成三个层次：高层次生物技术：以基因工程为主导的近代污染防治技术中层次生物技术：一些传统的污染治理方法低层次生物技术：氧化塘、人工湿地、生态工程以及厌氧发酵等处理技术环境生物技术的特点环境生物技术在解决环境问题过程中所显示出的独特功能和优越性，它是纯生态过程，体现出了可持续发展的战略思想，它具有速度快、消耗低、效率高、成本低、反应条件温和以及无二次污染等显著优点。应用Applications水污染控制大气污染治理有毒有害物质的降解化环境监测环境污染的修复Sectionone:Biologicalcontrolofwastewater1.Distributionstatusonwaterresources2.Causesofwaterpollution3.Protectivemeasurementsofwaterresources近5年耕地受旱面积逐月变化过程2003年大型淡水湖泊水质依据地表水水域环境功能和保护目标，按功能高低依次划分为五类Ⅰ类:国家级自然保护区，水质未受污染Ⅱ类:较清洁，过滤后可成为饮用水Ⅲ类:过滤清洁后可用作普通工业用水污水类Ⅳ类:普通农业用水，灌溉用Ⅴ类:普通景观用水劣V类：无用脏水ThestatusofwaterresourcesinChina我国是一个干旱缺水严重的国家。淡水资源总量为28000亿立方米，占全球水资源的6％，仅次于巴西、俄罗斯和加拿大，居世界第四位，但人均只有2300立方米，仅为世界平均水平的1／4、美国的1／5，在世界上名列121位，是全球13个人均水资源最贫乏的国家之一。Thesourceofwaterpollution:医院废水工业废水含油废水生活废水电镀废水印染废水面临问题：水资源短缺是21世纪人类面临的最为严峻的资源问题解决缺水问题的首选方案：将城市污水净化回用ReasonsofwaterresourcesdecreaseandprotectivemeasurementProtectivemeasurementsofwaterresourceswithBiotechnology活性淤泥法生物膜法稳定塘法土地处理系统法厌氧微生物处理法一、活性污泥处理法活性污泥：是由具有生命活力的多种微生物类群组成的颗粒状絮绒物，还包括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，在强力通气条件下使污水净化的生物学方法。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，这些污染物又在微生物的作用下，进行分解或合成代谢获得，实现了物质的转化，使废水或污水得以净化。基本流程污水→格栅→泵间→沉砂池→初沉池→活性污泥曝气池→二沉池→消毒1.曝气池：微生物降解有机物的反应场所2.二沉池：泥水分离3.污泥回流：确保曝气池内生物量稳定4.曝气：为微生物提供溶解氧，同时起到搅拌混合的作用。曝气系统与空气扩散装置活性污泥反应器来自空压机的空气剩余污泥污泥井混合液回流污泥系统二沉池处理水进水活性污泥净化污水的过程活性污泥净化污水的作用是由吸附和氧化两个阶段完成的，活性污泥在与废水初期接触的20～30min内，就可以去除75%以上的BOD，在于活性污泥具有巨大的表面积（2000~10000m2/m3）,且其表面具有多糖类粘液层。氧化分解在吸附阶段之后，所需时间比吸附时间长的多，可见暴气池的大部分容积是在进行有机物的氧化和微生物的合成。BOD：(BiochemicalOxygenDemand的简写)生化需氧量或生化耗氧量(五日化学需氧量)，表示水中有机物等需氧污染物质含量的一个综合指示可降解有机物氧化合成1/32/3无机物＋能量新细胞物质无机物＋能量残留物质80％20％内源代谢二、生物膜处理法生物膜：附着或固定于特定固体上的结构复杂的微生物共生体。生物膜法是利用在固体载体表面附着生长的微生物所形成的生物膜来处理废水的一类方法，又称生物过滤法、固着生长法。活性污泥法中的微生物是呈悬浮状态的，属于悬浮生长体系；而生物膜法中的生物呈附着膜状，属于附着生长系统或固定膜工艺生物膜法的基本流程初沉池初沉池作用：去除大部分悬浮固体物质，防止生物膜反应器堵塞，尤其对空隙小的填料是非常必要的。二沉池作用：去除脱落的生物膜，提高出水水质出水回流出水回流作用：提高生物膜反应器的水力负荷，加大水流对生物膜的冲刷作用，更新生物膜，避免生物膜的过量累积，从而维持良好的生物膜活性和合适膜厚度。生物膜反应器处理水原污水普通生物滤池构造普通生物滤池又称滴滤池三、氧化塘法氧化塘是一个面积大、能接受阳光照射的浅池，污水从一端流入，从另一端溢出。氧化塘法指污水中的污染物在池塘处理工程中反应速率和去除效果达到稳定的水平，是人工强化措施和自然净化功能相结合的新型净化技术原理：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。即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，达到降低有机污染成分的目的。氧化塘法的特点：结构简单、不需要特殊技术、可连续处理污水，但占地面积大、效率低应用：处理造纸、制糖、纺织印染、制革、食品等工业废水四、土地处理法土地处理法是一种以土壤作为介质的净化污水的方法，通过农田、林地、草地、苇地等土壤—植物系统的生物、化学、物理作用固定与降解污水中各种污染物。人工湿地处理系统法组成：土壤、砾石等混合组成填料床，床体表面种上植物原理：人工湿地成熟稳定后，填料表面和植物根系中生长了大量的微生物形成生物膜，废水流经时，固态悬浮物被填料及根系阻挡截留，有机质通过生物膜的吸附及异化、同化作用而得以去除。人工湿地处理系统法优点：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。五、厌氧微生物处理法厌氧生物处理：在无氧的条件下，利用厌氧微生物的生命活动，将各种有机物转化为甲烷、二氧化碳等的过程。与废水的好氧生物处理工艺相比，废水的厌氧生物处理工艺具有以下主要优点：①能耗降低，而且还可以回收生物能（沼气）；无需为微生物提供氧气，减少了能耗，而且厌氧生物处理工艺在大量降低废水中的有机物的同时，还会产生大量的沼气。②厌氧微生物可以使生物不能降解的一些有机物进行降解或部分降解；对于某些含有难降解有机物的废水，利用厌氧工艺进行处理可以获得更好的处理效果。主要缺点①厌氧生物处理过程中所涉及到的生化反应过程较为复杂。②厌氧微生物特别是其中的产甲烷细菌对温度、pH等环境因素非常敏感。③厌氧生物处理出水水质仍通常较差，一般需要利用好氧工艺进行进一步的处理；④厌氧生物处理的气味较大；⑤对氨氮的去除效果不好，还可能由于原废水中含有的有机氮在厌氧条件下的转化导致氨氮浓度的上升。六、废水处理的环境生物制剂微生物菌剂硫酸盐还原菌、酚的降解菌、氰的降解菌生物吸附剂藻类、细菌、真菌微生物絮凝剂微生物产生的絮凝活性的次生代谢产物，含蛋白质和多聚糖类生物聚合体生物工程菌如能快速降解石油污染的“超级菌”Sectiontwo:BiologicalpurificationofatmosphereConceptionClassificationCausesDamagesMethodsofatmospherepurification大气污染的概念概念：大气中污染物或由它转化成的二次污染物的浓度达到了有害程度的现象。分为一次污染物和二次污染物。一次污染物直接从污染源排放的污染物质，如二氧化硫、一氧化氮、一氧化碳、颗粒物等，它们又可分为反应物和非反应物，前者不稳定，在大气环境中常与其他物质发生化学反应，或者作催化剂促进其他污染物之间的反应，后者则不发生反应或反应速度缓慢。二次污染物指由一次污染物在大气中互相作用经化学反应或光化学反应形成的与一次污染物的物理、化学性质完全不同的新的大气污染物，其毒性比一次污染物还强。最常见的二次污染物如硫酸及硫酸盐气溶胶、硝酸及硝酸盐气溶胶、臭氧、光化学氧化剂OX，以及许多不同寿命的活性中间物（又称自由基），如HO2、HO等。分类根据大气污染物的存在状态，也可将其分为：气溶胶态污染物和气态污染物一、气溶胶态污染物根据颗粒污染物物理性质的不同，可分为如下几种：粉尘（dust）：粉尘粒径一般在1-200μm之间烟（fume）：粒径范围一般为0.01~1μm飞灰（flyash）：分细径灰群(10μm)、中径灰群(10～30μm)和粗径灰群(30μm)三个灰群黑烟（smoke）：粒径范围为0.05~1μm雾（fog）：粒径范围在200μm一下总悬浮颗粒物（TSP）：粒径小于100μm的所有固体颗粒二、气态污染物含硫化合物碳的氧化物含氮化合物：NO、NO2、NO3碳氢化合物：苯,甲醛卤素化合物：多氯联苯其它有害物质：如重金属类，含氟气体，含氯气体等等大气污染源大气污染物的来源十分广泛，各地情况也有很大差别（1）工业：工业是大气污染的一个重要来源。工业排放到大气中的污染物种类繁多，有烟尘、硫的氧化物、氮的氧化物、有机化合物、卤化物、碳化合物等。其中有的是烟尘，有的是气体。（2）工厂、家庭燃烧含硫的燃料例如生活炉灶与采暖锅炉：城市中大量民用生活炉灶和采暖锅炉需要消耗大量煤炭，煤炭在燃烧过程中要释放大量的灰尘、二氧化硫、一氧化碳、等有害物质污染大气。特别是在冬季采暖时，往往使污染地区烟雾弥漫，呛得人咳嗽，这也是一种不容忽视的污染源。（3）火山爆发产生的气体（4）焚烧农作物的秸杆、森林火灾中的浓烟（5）焚烧生活垃圾、废旧塑料、工业废弃物产生的烟气（6）吸烟（7）做饭时厨房里的烟气（8）垃圾腐烂释放出来的有害气体（9）工厂有毒气体的泄漏（10）居室装修材料（如油漆等）缓慢释放出来的有毒气体（11）风沙、扬尘（12）农业生产中使用的有毒农药（13）使用涂改液等化学试剂（14）复印机、打印机等电器产生的有害气体等。（15）交通运输：汽车、火车、飞机、轮船是当代的主要运输工具，它们烧煤或石油产生的废气也是重要的污染物。特别是城市中的汽车，量大而集中，排放的污染物能直接侵袭人的呼吸器官，对城市的空气污染很严重，成为大城市空气的主要污染源之一。汽车排放的废气主要有一氧化碳、二氧化硫、氮氧化物和碳氢化合物等，前三种物质危害性很大。解决大气污染的方法大气自净人为管理一、大气自净污染物可以通过大气的自净能力，使浓度降低到无害的程度。大气的自净作用主要是物理作用（扩散、沉降），其次是化学作用（氧化、中和等）和生物学作用（植物吸收等）。（1）扩散作用：当气象因素处在有利于污染物扩散的状态下，而且污染物的排出量并不非常大时，扩散作用的效果是很好的。一方面能将污染物稀释，另一方面可将一部分污染物转移出去。（2）沉降作用：依靠污染物本身的重力，由空气中逐渐降落到其他环境介质中（水、土壤）。直径大的颗粒，可以自行降落。直径小的颗粒或气态污染物可以吸附在大颗粒上共同降落，也可由若干小颗粒聚集成大颗粒而降落，使大气中的浓度降低。例如尘土也可被雨雪水冲洗降到地面，使大气清洁。（3）氧化作用：大气中的氧化合物或某些自由基可以将某些还原性污染物氧化成有毒的或无毒的化合物。例如C0能氧化成C02。（4）中和作用：例如大气中的SO2可以与氨或碱性灰尘起中和作用。（5）植物吸收作用：有些植物能吸收某些污染物，从而净化了空气。二、人为管理措施①采取各种措施，减少污染物的产生；②采用各种设备，控制污染物的排放；③选择有效