环境生物技术整理资料

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1.环境生物技术的研究内容
环境生物技术是近20年来发展起来的一种由现代生物技术与环境工程相结合的新兴交叉学科。

广义的环境生物技术涉及的面很广，凡自然环境中涉及环境控制的一切与生物技术有关的技术，都可归纳为环境生物技术。

环境生物技术的研究内容按国内专家、学者的观点将其分为3个部分或3各层次：第一层次为现代环境生物技术，是指以基因工程为主导的近代防治污染生物技术，包括构建降解杀虫剂，除草剂，多环芳烃类化合物等污染物的高效基因工程菌，创造抗污染型转基因植物等。

这一层次知识密集，为快速、有效地防止污染开辟了新途径，使解决日益出现的大量环境难题成为可能。

第二层次是以废物的生物处理为主要内容，包括在新的理论和技术支撑下开发出的一系列废物强化处理工艺。

这是目前广泛使用的治理污染的生物技术。

仍在不断强化和改进，已为控制现时的环境质量起到了及其重要的作用。

第三层次主要包括氧化塘、人工湿地和农业生态工程等。

其特点是最大限度地发挥自然界的生态环境功能，投资运行费用少，易于操作管理。

从国内外的研究与应用现状可以发现，目前环境生物技术最有应用前景的领域是高效的废物生物处理技术、废水生物处理技术、污染事故的现场补救、污染场地的现场修复技术以及可降解材料的生物合成技术。

为了更清楚的了解环境生物技术在这些领域的研究内容，这里以污染场地的生物修复为例进行介绍。

生物修复是一种采用生物技术，对已被污染物污染或由于生态系统的管理不善而被破坏的区域进行恢复的救急方法。

目前，生物恢复的优先研究内容包括5个方面：（1）探讨在环境变化和新的生存压力下，微生物系统在结构和动力学方面的反应；
确定生化机理，包括参与污染物好氧，特别是厌氧降解的酶的作用途径
（2）深入了解微生物遗传学，以提高微生物降解污染物的能力
（3）对新的生物补救技术进行微观和宏观系统的实践研究，从成本和效率角度确定技术的实际可行性，并建立长期区域性研究的基地（4）不断开发、试验和评价一些创新的生物技术，如用于现场监测生物补救的传感器，生物补救中的生物过程模型以及生物补救效能的可靠评价方法。

（5）从上面分析中可以看出，现代环境生物处理技术不仅在生物修复中得到了很好的应用，而且在环境治理中也显示出了独特的功能和优越性，具有广泛的研究前景和应用价值。

2.微生物对污染物的去毒与激活作用
由于微生物可以使污染物分子在结构上发生改变，这就导致了污染物在毒性上发生了改变。

微生物对有机污染物既有去毒作用，同时也存在着激活作用。

去毒作用是使污染物的分子结构发生改变，从而降低或去除其对敏感物种的有害性。

激活作用是指无害的前体物质形成有毒产物的过程，也就是微生物群落可以产生新的环境污染物。

去毒作用导致钝化作用，也就是将在毒理学上具有活性的物质转化为无活性的产物。

由于毒理学活性与化学品的本体、取代基团和作用方式有关，所以去毒作用也包括不同类型的反应。

促使活性分子转化为无毒产物的酶反应通常在细胞内进行，形成的产物通常有3种转归：①直接分泌到细胞外；②经过一步或几步特殊的酶反应，进入正常代谢途径，然后以有机废物的形式分泌到胞外；③经过一步或几步特殊的酶反应，进入正常代谢途径，但最后的碳以二氧化碳的形式释放出来。

常见的污染物毒性的去除有以下几种方式:水解作用；羟基化作用；脱卤作用；去甲基与去烷基作用；甲基化；硝基还原；去氨基；醚楗断裂；
在微生物处理过程中，未必都是去毒作用，也会产生新的污染物或增加毒性。

微生物
的激活作用与去毒作用相反，是指无害的前体物质通过微生物的
作用转化成有毒产物的过程。

激活作用可以发生在微生物活跃的土壤、水和其他环境中。

产生的产物可能是短暂的，是矿化过程中的中间产物；也可能持续很长时间，甚至引起环境问题。

激活作用的结果是生物合成致癌物、致畸物等。

激活作用有以下几种方式：脱卤作用；亚硝酸盐的形成；亚硝胺的形成等。

3.固定化微生物技术的除污机理及应用
细胞固定化技术是常用的微生物固定化技术，它是将细胞固定在载体上使其高度密集并保持生物活性功能，在适宜的条件下还可以增殖以满足应用需要的生物技术。

由于该技术有利于提高生物反应器内的细胞浓度和纯度，保持高效菌种，利于反应器内的固液分离，也利于除氮和除去高浓度有机物或某些难降解物质等。

主要方法包括吸附法、包埋法、交联法和截留法等。

固定化细胞废水处理技术由于可筛选降解特定物质的优势菌属，因此对难降解废水专一、耐受性强、处理效果稳定、投资省、运行管理简单，降解效率明显优于传统的生物处理过程，因此固定化细胞技术可用于含酚等难降解废水的处理和污水的脱氮除磷以及印染废水的处理中，另外，细胞固定化技术已成功地应用在有机废水及含重金属离子的废水的处理中。

细胞固定化技术以其独特的优势在废水处理领域中引起了普遍的关注，但目前多处于研究实验阶段，要实现其实用化或现代化，还有许多问题需要进一步研究解决，主要的研究方向如下：①寻找高效、廉价、抗毒性强的生物；②寻找性能稳定、传质好、强度高、寿命长，价格低的固定化载体③开发高效的固定化反应器④研究对生物无破坏性、高效率的解吸剂⑤大力发展生物再生技术因此，固定化的微生物，由于高度密集而产生的强抵抗能力或载体覆盖物的阻挡作用，削弱了有毒有害物对微生物的冲击作用，使反应器工艺运行的安全性得到大大提高，该技术在废水中的应用具有以下特征：
（1）能在生物处理装置内维持高浓度的生物量，提高处理负荷、减少处理装置容积；（2）污泥产量少，易于实现固液分离；
（3）可选择性地固定优势菌种，提高难降解有机物的降解效率；
（4）抗毒物毒性强；
（5）对水质及pH 的变化有较好的稳定性
这些优点使固定化技术在废水处理中受到重视，特别是在难降解和有毒废水处理中表现出更大的潜力
4. 固定化生物膜技术的除污机理及应用
当微生物吸附到固体表面上形成小菌落并开始以固着方式生活时，形成了微生物群体组成的黏状物，即生物膜。

生物膜法是废水好氧生物处理法中的一种，是指使废水流过生长在固定支撑物表面上的生物膜，利用生物氧化作用和各相间的物质交换，降解废水中有机污染物的方法。

生物膜法兼有活性污泥法与固定细胞法二者的优点。

由于膜是固定于高分子材料上，所以，在曝气的机械力作用下，膜不会破碎形成细小的污泥团混进污水中，对污泥分离有力；其次，膜的表面积较大，吸附量大，所以，处理负荷也较大，且耐度浓度污水的冲击；再者，由于膜是固定的，所以，污泥的发生量较表面曝气法少许多。

工业产生的许多废水处理系统中，转化由固定在膜或絮凝物中的微生物来完成。

生物膜反应器的优势已经促进了生物废水处理方面相当大的进步。

通过使用生物膜，可以成功地控制固定的生物量的活动，从而提高废水和饮用水处理的运行效率。

因而生物膜技术在污水处理中得到广泛应用。

生物膜去除水中污染物是一个吸附稳定过程。

成熟后的生物膜对污染物的降解是通过
污染物、溶解氧、分解代谢产物以及各种必须的营养元素以水为媒介，在生物膜内外的扩散、传质等过程实现的。

当废水流经生物膜时，紧贴生物膜的一层水中有机物被迅速吸附并被氧化去除，因此该层水的水质同进水相比有明显改善。

这层水同时对后续进水还起着浓度稀释和扩散作用。

液相的水一方面与附着水混合稀释，另一方面随着有机物扩散转移到附着水层中。

在此过程中，有机物又被生物膜吸附吸收并分解。

气相中的氧也同时扩散转移到生物膜好氧层中，供微生物呼吸作用。

有机物的代谢产物如水、二氧化碳、无机物，则沿着
相反的方向从生物膜经过附着水排泄到液相。

此外，在生物膜紧靠滤料的一层为厌氧层，由于氧气难以渗透进去因而发生厌氧反应，代谢产物如有机酸、氨、硫化氢等，也沿着相反方向通过好氧层排到膜外。

在生物膜中，废水有机物的去除是依靠生物膜的正常运行，保持好氧层膜的生物活性，发挥生物氧化分解的正常功能来达到的。

由于废水成分通常比较复杂，而微生物又附着生长在生物膜中，这种环境利于其在生物膜中进行驯化和适应，培养出能够利用和分解废水中多种污染物的微生物，使得生物膜具有丰富的微生物相，对废水具有良好的适应性，能够达到高效而稳定的运行。

5.好氧活性污泥技术的除污机理及应用
活性污泥是由细菌、原生动物等微生物与悬浮物质、胶体物质混杂在一起形成的具有很强吸附分解有机物能力的絮状体颗粒。

而活性污泥法就是以活性污泥为主体的污水生物处理技术。

其原理是通过充分曝气供氧，使大量繁殖的微生物群体悬浮在水中，从而降解污水中的有机污染物；停止曝气时，悬浮微生物絮凝体沉淀并与水分离，使污水得到净化，澄清。

活性污泥的净化反应过程就是有机污染物作为营养物质被活性污泥微生物摄取、代谢和利用，从而使污水得到净化，微生物获得能量和新的细胞，活性污泥得到增长的过程。

此过程是通过几个阶段和一系列作用完成的。

（1）絮凝、吸附作用
正常发育的活性污泥微生物体内，存在大量的由蛋白质、碳水化合物和核酸组成的生物聚合物，这些生物聚合物是带有电荷的电解质，因此，由这种微生物形成的生物絮凝体，都具有生理、物理、化学吸附作用和凝聚、沉淀作用，在其与废水接触后，能够使废水中呈悬浮状和胶体状的有机物失稳、凝聚，并被吸附在活性污泥表面。

活性污泥的大的表面积，使它能够与混合液广泛接触，在较短的时间内，通过吸附作用去除水体中大量的呈悬浮和胶体状态的有机污染物，使废水的BOD值或COD值大幅度下降。

小分子有机物能够直接在透膜酶的催化作用下，水解成小分子再被摄入体内。

活性污泥对悬浮和胶体
状态的有机污染物吸附能力较强，因而对含有这类污染物多的废水处理效果好。

（2）活性污泥中微生物的代谢及增殖
活性污泥中的微生物将有机物摄入体内后，以其作为营养加以代谢。

在好氧条件下，代谢按两个途径进行，一为合成代谢，部分有机物被微生物利用，合成新的细胞物质；二为分解代谢，部分有机物被分解形成C02和H2O等稳定物质，并产生能量，用于合成代谢。

同时，微生物细胞物质也能进行自身的氧化分解，即内源代谢或内源呼吸。

微生物增殖、有机物降解、微生物的内源代谢以及氧的消耗等过程在曝气池内是同步进行的。

（3）活性污泥的凝聚、沉淀与浓缩
活性污泥系统净化废水的最后程序是泥水分离，这一过程是在二次沉淀池或沉淀区内进行的。

良好的凝聚、沉淀与浓缩性能是正常活性污泥所具有的特性。

活性污泥在二次沉淀池的沉降经过絮凝沉淀、成层沉淀与压缩等过程，最后在池的污泥区形成浓度较高的作为回流污泥的浓缩污泥层。

活性污泥净化反应的影响因素有：营养物质、溶解氧、pH值、温度，有毒物质（抑制物质）等。

6.污泥膨胀的原因及对策
污泥膨胀分为丝状菌膨胀和非丝状菌膨胀。

非丝状菌膨胀主要发生在废水水温较低而污泥负荷太高的时候，此时细菌吸附了大量的有机物，来不及代谢，在胞外积贮大量高黏性的多糖物质，使得表面附着物大量增加，很难沉淀压缩。

当氮严重缺乏时，也有可能产生膨胀现象。

非丝状菌污泥膨胀发生时其生化处理效能仍较高，出水也比较清澈，污泥镜检也看不到丝状菌。

非丝状菌膨胀发生情况较少，且危害并不十分严重。

丝状菌膨胀在日常实际工作中较为常见，成因也十分复杂。

影响丝状菌污泥膨胀的因素有很多丝状菌的存在对净化污水起着很好的作用。

它对保持污泥的絮体结构，保持生化处理的净化效率，以及在沉淀中对悬浮物的过滤作用等都有很重要的意义。

事实证明在丝状菌与菌胶团细菌平衡时是不会产生污泥膨胀，只有当丝状菌生长超过菌胶
团细菌时，才会出现污泥膨胀现象。

影响污泥膨胀的原因有污泥负荷、溶解氧、污水种类、营养成分不均匀，pH值与温度等。

解决办法一般包括以下两类：
第一类:
适用于临时应急，主要方法是投加药物增强污泥沉降性能或是直接杀死丝状菌。

投加铁盐、铝盐等混凝剂可以直接提高污泥的压密性，保证沉淀出水，另外，投加一些化学药剂，如氯气加在回流污泥中也可以达到消除污泥膨胀的现象。

第二类：改善生化环境
污水性质的控制
①检查和调整pH值，当pH值低于5以下时，不仅对污泥膨胀有利，而且对正常的
生化反应也有一定的危害，所以当PH值偏低时应及时调整。

②当污水中营养成分不足或失衡时，应补充投加
③若污水处理生化系统前已有消化现象的发生，产生的低分子有机酸将有利于丝状菌
的生长，可以通过废水在调节池内预曝气来加以改善。

④保持池内足够的溶解氧对于高负荷的生化系统特别重要，一般至少应控制DO＞
2mg/L
⑤沉淀池内的污泥应及时排出或回流，防止发生厌氧反应。

7.厌氧生物处理废水的净化反应原理
厌氧生物处理技术是利用厌氧微生物的代谢过程，在无需提供氧气的情况下，把有机物转化为无机物和少量的细胞物质。

其是一种低成本的废水处理技术。

废水厌氧生物处理技术是在严格厌氧的条件下进行的，与好氧生物处理法相比，有经济、节能、高效、剩余污泥量少、对营养物质要求量小、灵活易管理等优点。

在废水的厌氧处理过程中，废水中的有机物经大量微生物的共同作用，被最终转化为甲烷、二氧化碳、水、硫化氢和氮。

在此过程中，不同微生物的代谢过程相互影响，相互制约，形成复杂的生态系统。

（1）水解阶段
复杂的非溶解性聚合物转化为简单的溶解性单体或二聚体的过程。

首先它们被细菌胞外酶分解为小分子，此阶段包含蛋白质。

碳水化合物和脂类的水解，而且水解过程较为缓慢，因此是含高分子有机物或悬浮物废液厌氧降解的限速阶段。

（2）发酵阶段
水解过程产生的小分子化合物在发酵细菌的细胞内转化为更为简单的化合物并分泌到细胞外。

同时，酸化菌也利用部分物质合成新的细胞物质。

在此过程中，有机化合物即是电子受体又是电子供体。

溶解性有机物被转化为以挥发性脂肪酸为主的末端产物。

称之为酸化
①产乙酸阶段
在此阶段，酸化反应的产物被进一步转化为乙酸、氢气、碳酸及新的细胞物质。

②产甲烷阶段
在这一过程里，乙酸、氢气、碳酸、甲酸和甲醇等被转化为甲烷、二氧化碳和新的细胞物质。

厌氧处理废水的主要影响因素包括温度、pH、营养物与微量元素、有毒物质等。

8.固定化颗粒污泥的形成机理
厌氧污泥可以以絮状的聚集体或直径0.5-6mm的球形、椭球型颗粒污泥形态存在。

颗粒污泥的形成实际上是微生物自固定化的一种形式。

在厌氧反应器内颗粒污泥形成的过程称为污泥颗粒化。

此处应与好氧活性污泥区别开。

其优点有以下几个方面：
（1）细菌形成颗粒状的聚集体是一个微生态系统，其中不同类型的种群组成了共生或互生体系，有利于形成细菌生长的条件并有利于有机物的降解。

（2）颗粒的形成有利于其中的细菌对营养的吸收
（3）颗粒使发酵菌中间产物的扩散距离大大缩减，这对复杂有机物的降解具有重要意义；（4）在废水性质突然变化时，颗粒污泥能维
持一个相对稳定的微环境，使代谢过程继续进行
厌氧颗粒污泥是由产甲烷菌、产乙酸菌和水解发酵菌等构成的自凝聚体，其良好的沉淀性能和产甲烷活性是升流式厌氧污泥床反应器成功的关键。

UASB作为一种高效厌氧生物反应器，在世界范围内被大量应用而且运转成功。

9.有机固体废物的微生物处理技术
微生物处理有机固体废物的4种技术主要有：好氧堆肥、沼气发酵、酒精生产、单细胞蛋白生产等。

（1）有机固体废物好氧堆肥
堆肥化是在有控制的条件下，使有机废弃物在微生物作用下，发生降解，并同时使有机物发生生物稳定作用（向稳定的腐殖质方向转化）的过程。

堆肥化后的产物称为堆肥。

按需氧过程可分为好氧堆肥和厌氧堆肥两种。

好氧堆肥是在通风条件下，有游离氧存在时进行的分解发酵过程。

好氧堆肥的堆温较高，一般在55℃以上，由于好氧堆肥法具有堆肥周期短、无害化程度高、卫生条件好、易于机械化操作等优点，在有关污泥、城市垃圾、畜禽粪便和农业秸秆等堆肥中被广泛采用。

（2）沼气发酵
利用农牧渔业及其产品加工业产生的废物及生活垃圾、粪便、有机废物污泥都可作为早期发酵的原料。

沼气发酵是由多种微生物在没有氧气存在的条件下，通过分解有机物来实现的。

不同发酵条件和原料下，沼气微生物的种类会有所不同，从而决定了沼气发酵微生物的分类。

比如产甲烷菌和不产甲烷菌。

主要应用于发电、利用沼气代替石油、保鲜柑橘。

孵鸡等。

（3）酒精生产
酒精发酵过程中，主要参与作用的微生物—酵母，只能将糖转化为酒精，不能直接利用淀粉和纤维素原料转化为酒精。

因此，首先必须把不能被酵母直接利用的淀粉和纤维素原料通过酸法或酶法水解转化为糖，再由酵母菌发酵成酒精。

（4）单细胞蛋白生产
单细胞蛋白一般是指酵母、非病毒性细菌、微型菌、真菌等单细胞生物体内所含蛋白质，在当今世界蛋白质资源严重不足的情况下，利用有机固体废物生产单细胞蛋白不仅能够变废为宝使资源得以充分利用，同时还起着净化环境，降低废物BOD值的作用。

农林牧产品加工工业的固体废料，食品工业的粉渣、城市有机垃圾和农村农产废物等都可作为生产单细胞的原料，生产单细胞的微生物种类有酵母菌、细菌、霉菌等。

单细胞蛋白质的生产实质就是以工业方式培养微生物，单细胞蛋白菌的筛选可以参照工业微生物筛选原则进行。

10.有机废气生物处理原理及处理方法
有机废气的生物处理是利用微生物以废气中的有机组分作为其生命活动的能源或其他养分，经代谢降解，转化为简单的无机物，与废水生物处理过程的最大区别在于，废气中的有机物首先要经历由气相转移到液相中的传质过程，然后在液相被微生物吸附降解。

生物化学法处理有机废气一般要经历以下步骤:
（1）废气中的有机污染物首先同水接通并溶解于水
（2）溶解于液膜中的有机污染物成分在浓度差的推动下进一步扩散到生物膜，进而被其中的微生物捕获并吸收。

（3）微生物对有机物进行氧化分解的同化合成，产生的代谢物一部分溶入液相，一部分作为细胞物质或细胞代谢能源，还有一部分（如CO2）则析出到空气中
（4）废气中的有机物通过上述过程不断减少，得到净化。

根据微生物在有机废气处理过程中的存在形式，可以将其处理方法分为生物洗涤法和生物过滤法两类。

生物洗涤法适用于处理净化器量小、浓度大、易溶且生物代谢速率较低的废气；对于气量大、浓度低的废气可采用生物滤池处理系统；对于负荷较高且污染物降解后会生成酸性物质的废气应采用生物滴滤池系统。

（1）生物洗涤法
利用由微生物、营养物和水组成的微生物吸收液处理废气，适合于吸收可溶性气态物。

吸收了废弃的微生物混合液再进行好氧处理，去除液体中吸收的污染物，经处理后的吸收液再重复使用。

（2）生物过滤法
其基本原理是，过滤器中的多孔填料表面覆盖有生物膜，废气流经填料床时，通过扩散过程，把污染成分传递到生物膜，并与膜内的微生物相接触而发生生物化学反应，从而使废气中的污染物得到降解。

典型的有生物滤池和生物滴滤池两种形式。

11.无机废气的生物处理原理及方法
微生物对一些无机废气的修复主要利用一些自养微生物，如硝化细菌、硫化细菌、氢细菌、光合细菌等。

适合于微生物修复的无机废气污染组分主要有二氧化碳、硫化氢、氮氧化物等。

（1）二氧化碳的微生物固定
固定二氧化碳的微生物一般有两类：光能自养型微生物和化能异养型微生物。

前者主要包括藻类和光合细菌，它们都含有叶绿素，以光为能源，二氧化碳为碳源合成菌体物质或代谢产物；后者以二氧化碳为碳源，能源主要有H2，H2S，S2O32-等。

二氧化碳的固定途径主要有卡尔文循环，还原三羧酸循环，甘氨酸途径。

生物固定的CO2可用于单细胞蛋白、乙酸、多糖等。

（2）硫化氢的生物处理
除用脱氮杆菌和派硫杆菌等细菌直接氧化H2S为硫外，主要利用氧化亚铁硫细菌的间接氧化作用，用生物法处理含H2S废气主要在生物膜过滤器中进行。

（3）净化NO x的生物处理方法主要分为反硝化菌去除、真菌去除和微藻去除。

处理装置分为两类：固定式反应器和悬浮式反应器。

12.对生物修复技术的认识（重点）
生物修复是指利用生物的生命代谢活动减少存在于环境中有毒有害物质的浓度或使其
完全无害化，从而使环境污染能够部分或完全恢复到原来状态的过程。

生物修复技术大致可以分为原位生物修复、异位生物修复和联合生物修复。

原位生物修复是指在基本不破坏土壤和地下水自然环境的条件下，对受污染的环境不作搬运或输送，而在原产直接进行生物修复，如空气注射法、生物冲淋法、土地耕作法、可渗透反应强法等。