生物技术在环境领域的应用

现代生物技术在水处理方面的应用
[摘要]
当今的水处理技术中,生物处理法已成为城市水污染控制的主要方法,尤其是现代生物技术将成为水污染控制领域重点开发和应用的技术手段,活性污泥法是一种传统的废水处理工艺,它本质上与自然界水体自净过程相似，只是经过人工强化，污水净化的效果更好。

[正文]
现代生物技术（biotechnology）也译成生物工程，是人们以现代生命科学为基础，结合其它基础学科的科学原理，采用先进的工程技术手段，按照预先的设计改造生物体或加工生物为原料，为人类生产所需产品或达到某种目的。

现代生物技术发展到高通量组学（omics）芯片技术、基因与基因组人工设计与合成生物学等系统生物技术。

生物控制和改造技术包括：基因工程、细胞工程、发酵工程、酶工程、蛋白质工程。

生物模拟技术有生物机体和功能模拟技术以及人工生物系统技术两种。

现代生物技术在环境领域的应用非常广泛，譬如可用微生物来净化有毒的高分子化合物，降解海上浮油，清除有毒气体和恶臭物质以及处理有机废水、废渣等。

活性污泥法是污水生物处理的一种方法，该法是在人工充氧条件下，对污水和各种微生物群体进行连续混合培养，形成活性污泥。

利用活性污泥的生物凝聚、吸附和氧化作用，以分解去除污水中的有机污染物。

然后使污泥与水分离，大部分污泥再回流到曝气池，多余部分则排出活性污泥系统。

1912年英国的克拉克（Clark）和盖奇（Gage）发现，对污水长时间曝气会产生污泥，同时水质会得到明显的改善。

继而阿尔敦（Arden）和洛开脱（Lockgtt）对这一现象进行了研究。

曝气试验是在瓶中进行的，每天试验结束时把瓶子倒空，第二天重新开始，他们偶然发现，由于瓶子清洗不完善，瓶壁附着污泥时，处理效果反而好。

由于认识了瓶壁留下污泥的重要性，他们把它称为活性污泥。

随后，他们在每天结束试验前，把曝气后的污水静止沉淀，只倒去上层净化清水，留下瓶底的污泥，供第二天使用，这样大大缩短了污水处理的时间。

这个试验的工艺化便是于1916年建成的第一个活性污泥法污水处理厂。

在显微镜下观察这些褐色的絮状污泥，可以见到大量的细菌，还有真菌，原生动物和后生动物，它们组成了一个特有的生态系统。

正是这些微生物（主要是细菌）以污水中的有机物为食料，进行代谢和繁殖，才降低了污水中有机物的含量。

活性污泥可分为好氧活性污泥和厌氧颗粒活性污泥。

活性污泥的机理
活性污泥中复杂的微生物与废水中的有机营养物形成了复杂的食物链。

最先担当净化任务的是异氧菌和腐生性真菌，细菌特别是球状细菌起者最关键的作用，优良运转的活性污泥，是以丝状菌为骨架由球状菌组成的菌胶团。

沉降性好，随着活性污泥的正常运行，细菌大量繁殖，开始生长原生动物，是细菌一次捕食者。

活性污泥常见的原生动物有鞭毛虫、肉毛虫、纤毛虫和吸管虫。

活性污泥成熟时固着型的纤毛虫、种虫占优势；后生动物是细菌的二次捕食者，如轮虫、线
虫等只能在溶解氧充足时才出现，所以当出现后生动物时说明处理水质好转标志。

其性能指标包括：混合液悬浮固体（MLSS），污泥沉降比（SV），污泥指数[污泥体积指数（SVI），污泥密度指数（SDI）。

活性污泥的培养
初期（3d）
①首先将生化池注入一定量的清水和部分待处理的污水，然后将污泥倒入物料化制池。

一般第1次投加20m3污泥，同时投加大粪等培养料，加水搅拌后按比例均匀投加到各生化池内。

投加培养料以生化池COD的质量浓度控制在300mg/L 为准。

然后按比例补加普钙（由于投加大粪无需补加氮源）。

②闷曝：投料后进行闷曝。

水气体积控制在1：（5~10）。

第1天曝气采取6h充氧，4h停机的方式进行。

③再次投料：经过1d闷曝后，第2天COD的质量浓度降至100mg/L左右。

需再次投料，第2次可投入10~15 m3污泥至化料池，（留下部分作为备用）。

同时投加以大粪为主的培养料，投加培养料仍以控制生化池COD的质量浓度在200~300mg/L为标准。

根据需要补磷后闷曝。

④闷曝：第二、三天的闷曝可减少停机时间，生化曝气可控制为开6停2。

中期（4~7d）
一般经过2~3d的闷曝后，通过显微镜镜检，可能会看到少量的原生动物。

原则上，此时每天定时补加碳源逐步以地脚面粉为主。

同时投加普钙和尿素，以补充磷源和氮源。

补充碳源的标准仍以生化池COD的质量浓度在200mg/L左右为准。

此阶段为排除生化代谢物，生化池需适量换水，同时继续进行闷曝。

此阶段为加速污泥菌胶团的形成，在生化池中可适量投加粉状PAM。

后期（7~10d）
一般经过7~10d闷曝，生化污泥表现显淡黄色，污泥30min沉降比达到10%左右。

通过镜检可发现有较多活跃的原生动物钟虫、纤毛虫，以及后生动物轮虫、线虫等，此时生化污水处理即可进入驯化及增负荷调试阶段。

活性污泥法的工艺流程
活性污泥法的基本组成：① 曝气池：反应主体;② 二沉池： 1）进行泥水分离，保证出水水质；2）保证回流污泥，维持曝气池内的污泥浓度。

③ 回流系统： 1）维持曝气池的污泥浓度；2）改变回流比，改变曝气池的运行工况。

④ 剩余污泥排放系统： 1）是去除有机物的途径之一；2）维持系统的稳定运行。

⑤ 供氧系统:主要由供氧曝气风机和专用曝气器构成向曝气池内提供足够的溶解氧.
污水和回流的活性污泥一起进入曝气池形成混合液。

从空气压缩机站
送来的压缩空气，通过铺设在曝气池底部的空气扩散装置，以细小气泡的
形式进入污水中，目的是增加污水中的溶解氧含量，还使混合液处于剧烈
搅动的状态，形悬浮状态。

溶解氧、活性污泥与污水互相混合、充分接触，使活性污泥反应得以正常进行。

第一阶段，污水中的有机污染物被活性污泥颗粒吸附在菌胶团的表面上，这是由于其巨大的比表面积
和多糖类黏性物质。

同时一些大分子有机物在细菌胞外酶作用下分解
为小分子有机物。

第二阶段，微生物在氧气充足的条件下，吸收这些有机物，并氧化分解，形成二氧化碳和水，一部分供
给自身的增殖繁衍。

活性污泥反应进行的结果，污水中有机污染物得
到降解而去除，活性污泥本身得以繁衍增长，污水则得以净化处理。

经过活性污泥净化作用后的混合液进入二次沉淀池，混合液中悬浮的
活性污泥和其他固体物质在这里沉淀下来与水分离，澄清后的污水作为处
理水排出系统。

经过沉淀浓缩的污泥从沉淀池底部排出，其中大部分作为
接种污泥回流至曝气池，以保证曝气池内的悬浮固体浓度和微生物浓度；
增殖的微生物从系统中排出，称为“剩余污泥”。

事实上，污染物很大程
度上从污水中转移到了这些剩余污泥中。

活性污泥法的原理形象说法：微生物“吃掉”了污水中的有机物，这样污水变成了干净的水。

它本质上与自然界水体自净过程相似，只是经过人工强化，污水净化的效果更好。

活性污泥法的优缺点
优点：1.处理效果好。

2.废水处理程度灵活，可高可低。

缺点：1.出水浓度So不能高，不适应冲击负荷。

2.需氧量前大后小，造成前段缺氧后段过剩。

3.为了避免前段确氧，进入浓度不能高。

在现有的废水净化方法中，生物净化常常是成本最低而最可行的。

微生物的新陈代谢过程，可以利用废水中的某些有机物质作为所需的营养来源。

因此利用微生物体中酶的作用，可以将废水中的有机物质转变成可利用的小分子物质，同时达到净化废水的目的。

人们利用基因工程技术创造高效菌种，并利用固定化活性微生物细胞等方法，在废水处理及环境保护中取得显著的成效。

纵观现代生物技术及其产业的发展，其前景是美好的，大力发展现代生物技术及其产业已成为世界各国经济发展的战略重点：一方面是由于现代生物技术发展迅速，用途广泛，渗透到人们生活杀完各行各业；另一方面是由于现代生物技术具有其它技术无法比拟的可持续发展性；在一方面是现代生物技术的原料具有再生性，对环境的破环性极小或几乎没有，甚至还可消除环境中的污染物。

但是现代生物技术的各项研究尚处于研究阶段，产业化建设尚在初创阶段，还没有实现它最初预期值。

现代生物技术创新的高潮将伴随人类基因组计划的完成而到来，以基因组为基础的生物技术产业将成为21世纪的朝阳产业，它的巨大经济效益吸引着投资商和企业汇集于这一领域，现代生物技术将进入广泛的大规模产业化阶段，像当年工业革命一样，使人类的生活发生根本性的变化。

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