环境生物技术资料

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：