分析現(xiàn)代生物技術(shù)在污水處理中的應(yīng)用(劉曉燕)

1、給水排水與生物學(xué)融合生物技術(shù)在污水處理中的應(yīng)用 姓名：劉曉燕 學(xué)號：1062108230 專業(yè)：給水排水 學(xué)院：能源與環(huán)境 任課教師：司萬童 上課時間：星期二、四給水排水與生物學(xué)融合 生物技術(shù)在污水處理中的應(yīng)用姓名：劉曉燕 學(xué)號：1062108230 學(xué)院：能源與環(huán)境學(xué)院給水排水摘要：隨著工業(yè)的高速發(fā)展，水環(huán)境污染問題越來越嚴(yán)重地威脅著人類的生存環(huán)境，制約著社會和經(jīng)濟的進一步發(fā)展。因此，水污染控制成為全世界共同關(guān)注的問題。當(dāng)今的水處理技術(shù)中生物處理法已成為水污染控制的主要方法，尤其是現(xiàn)代生物技術(shù)將成為水污染控制領(lǐng)域重點開發(fā)和應(yīng)用的技術(shù)手段。本文介紹了現(xiàn)代生物技術(shù)及其在污水處理中的應(yīng)用和發(fā)展，有

2、效地控制了水污染問題。工業(yè)生產(chǎn)和日常生活廢水的排放產(chǎn)生了大量的城市污水，人類又面臨著水資源短缺的現(xiàn)狀，所以城市污水的治理顯得越來越重要。生物技術(shù)處理污水廣泛具有操作簡單，成本低，分解有機物能力強等特點，顯示出了其治理污水的優(yōu)勢。關(guān)鍵詞：現(xiàn)代生物技術(shù) 基因工程 生物修復(fù)技術(shù) 固定化技術(shù) hcr工藝前言：隨著工業(yè)的發(fā)展和人們生活質(zhì)量的提高，工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中產(chǎn)生的污水越來越多，很多工廠為了節(jié)約成本，直接把未經(jīng)處理的污水排到河流中，造成了河流的污染，進而加劇了水資源短缺的現(xiàn)狀。全球工業(yè)化、城市化和農(nóng)業(yè)集約化的發(fā)展等等使得許多城市原有水資源不敷所用，導(dǎo)致全球的水危機。城市污水一般是由生活污水和工業(yè)廢

3、水兩者混合組成，水量往往很大，且水質(zhì)污染較輕，就近易得，處理技術(shù)較成熟，所以當(dāng)今世界各國解決水問題，首先將城市污水作為可靠的供水水源。正文：一、現(xiàn)代生物技術(shù)的發(fā)展概況現(xiàn)代生物技術(shù)是指以dna 技術(shù)為先導(dǎo)，包括微生物工程、細胞工程、酶工程、基因工程、蛋白質(zhì)工程和生物修復(fù)技術(shù)在內(nèi)的一系列生物高新技術(shù)的統(tǒng)稱1。其中每個方面都有其特定的理論基礎(chǔ)和不同的應(yīng)用領(lǐng)域，但它們之間又相互補充和銜接，形成一個完整的體系?，F(xiàn)代生物技術(shù)可應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、化工、食品、環(huán)境保護等眾多領(lǐng)域，主要包括發(fā)酵工程、基因工程、酶工程和細胞工程等?，F(xiàn)代環(huán)境生物技術(shù)是現(xiàn)代生物技術(shù)和環(huán)境工程技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它是20 世紀(jì)80 年代才

4、誕生的一種嶄新的技術(shù)，是對傳統(tǒng)生物技術(shù)的強化和創(chuàng)新。作為一門新興的邊緣學(xué)科，環(huán)境生物技術(shù)主要涉及生物技術(shù)、工程學(xué)、環(huán)境學(xué)和生態(tài)學(xué)等學(xué)科，不僅包含了生物技術(shù)所有的特點，而且還融合了環(huán)境污染防治及其他工程技術(shù)。二、現(xiàn)代生物技術(shù)在污水治理中的應(yīng)用和發(fā)展近10 年來，環(huán)境生物技術(shù)發(fā)展極其迅速，研究領(lǐng)域不斷擴大，而且工程實踐也已經(jīng)表明其成為一種經(jīng)濟效益和環(huán)境效益俱佳的技術(shù)，是解決復(fù)雜環(huán)境污染問題的有效手段之一3 。以基因工程為主導(dǎo)的現(xiàn)代污染防治生物技術(shù)是高新的環(huán)境生物技術(shù)，為改變微生物細胞內(nèi)的關(guān)鍵酶或酶系統(tǒng)提供了可能，使大量的人工合成有機化合物，特別是那些難于生物降解或是降解緩慢的化合物，得到了很快的降

5、解。污水處理技術(shù)可分為物理法、化學(xué)法、物理化學(xué)法和生物化學(xué)法等。生物法處理污水的技術(shù)。生物法處理污水的技術(shù)分為：好氧處理技術(shù)、厭氧處理技術(shù)、自然凈化處理技術(shù)。好氧處理技術(shù)又分為活性污泥法和生物膜法，厭氧處理技術(shù)常用的有普通硝化池、厭氧接觸法、厭氧生物濾池、升流式厭氧污泥床、厭氧硫化床、水解酸化法，自然凈化處理技術(shù)又有穩(wěn)定塘和廢水土地處理系統(tǒng)。目前的水處理技術(shù)中，生物處理法已成為世界各國控制水污染的主要手段，尤其是現(xiàn)代生物技術(shù)將成為水污染控制領(lǐng)域重點開發(fā)和應(yīng)用的技術(shù)手段，現(xiàn)代生物技術(shù)在污水處理中的應(yīng)用非常廣泛，包括基因工程、生物修復(fù)以及固定化技術(shù)等領(lǐng)2.1基因工程技術(shù)基因工程是將外源基因通過體外

6、重組后導(dǎo)入受體細胞內(nèi)，使這個基因能在受體細胞內(nèi)復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、翻譯和表達，從而獲得新個體的一種育種方法。將基因工程技術(shù)運用于環(huán)境污染治理中，能夠提高微生物的降解速率，拓寬底物的專一性范圍，維持低濃度下的代謝活性，改善有機污染物降解過程中的生物催化穩(wěn)定性等。因此，從環(huán)境中篩選分離出的菌種，利用基因工程的手段，實現(xiàn)質(zhì)粒轉(zhuǎn)移，分子育種，基因重組技術(shù)，能夠構(gòu)建出具有特殊降解功能的超級工程菌4 ；其生長繁殖速度極快，生物降解活性極高。以大腸桿菌e. coli jm l09 為宿主菌通過dna 質(zhì)粒轉(zhuǎn)化得到基因工程菌，該菌對廢水中的汞離子有很強的富集能力。中山大學(xué)生物系將假單胞細菌r4 染色體中的抗鎘菌株轉(zhuǎn)入

7、大腸桿菌hb101 中，使之獲得了抗鎘特性， 該菌株可在100mgpl 的含鎘溶液中生長5 。自從各種降解性質(zhì)粒被發(fā)現(xiàn)后，人們應(yīng)用基因工程技術(shù)獲得了能夠同時分解多種有毒物質(zhì)的菌種。美國生物學(xué)家chakra barty 利用質(zhì)粒轉(zhuǎn)移技術(shù)將能夠降解芳烴、萜烴、多環(huán)芳烴的細胞質(zhì)粒成功地轉(zhuǎn)移到能夠降解脂烴的假單胞菌屬中，獲得了能夠同時降解四種烴類的“超級菌”，此菌能夠?qū)⒑Ｃ娓∮椭?p3 的烴降解掉5 。再如，除草劑降解基因工程菌、細菌殺蟲劑、鹵代芳烴降解基因工程菌、多糖降解基因工程菌等，都是基因工程技術(shù)在環(huán)境污染治理中的具體應(yīng)用。2.2 生物修復(fù)技術(shù)生物修復(fù)技術(shù)是利用生物，特別是微生物將土壤、地下水或

8、海洋中污染物現(xiàn)場降解為co2和h2o 或轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)的工程技術(shù)系統(tǒng)。這項技術(shù)正被用于清除地下水、污水中的污染物。金屬雖然不能被生物降解，但微生物可將其轉(zhuǎn)移或降低其毒性。為了加快去除污染物的進程，常常采用許多強化措施，使自然生態(tài)系統(tǒng)維持原狀的前提下，使受污染的環(huán)境得以修復(fù)。經(jīng)研究表明，生物修復(fù)與傳統(tǒng)的物化法相比具有以下優(yōu)點：經(jīng)濟，僅為物化法30%-50%；對環(huán)境影響小，不產(chǎn)生二次污染，遺留問題少；最大限度地降低污染物的濃度；修復(fù)時間較短，就地修復(fù)，操作方便。生物修復(fù)中主要涉及兩大問題，即有效性和安全性評價。為提高有效性今后將應(yīng)用分子微生物學(xué)分離、鑒別、制造更高效降解和聚集有害有毒化合物的微生物

9、。為提高生物修復(fù)的安全性評價水平，需發(fā)展鑒定微生物的分子生物技術(shù)，以確定微生物在環(huán)境中的去留和基因。2.3固定化技術(shù) 固定化技術(shù)是指通過采用化學(xué)或物理方法將游離微生物定位于限定的空間區(qū)域內(nèi)，使其保持活性并可反復(fù)使用，包括固定化酶、固定化細胞和固定化藻6 。固定化方法主要包括三種:載體結(jié)合法、交聯(lián)法和包埋法7 。它是20 世紀(jì)80 年代開始向環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域進展，在廢水處理中日益受到人們的重視。用海藻酸鈉包埋小球藻細胞和紫非硫光合細菌混合菌株，對含酚廢水處理24 h ，去除率達到95 %以上。用三乙酸纖維素脂單載體和海藻酸鈣的復(fù)合載體固定混合好氧菌處理含酚廢水，去除率達90 %以上8 。以pva 為

10、包埋載體，添加適量粉末活性炭包埋固定硝化污泥，處理用(nh4 ) 2 so4 和葡萄糖配成的廢水，nh42n去除率可達95. 5 % ，cod 去除率保持80 %以上。采用動膠桿菌固定化技術(shù)來降解土壤中菲、芘污染物，降解率達84. 89 %和76. 94 %。因此，固定化技術(shù)以其廉價、高效、傳質(zhì)好、強度高、抗毒性好等優(yōu)點，為廢水處理開創(chuàng)了美好前景。2.4.hcr工藝1.1 hcr工藝簡介hcr工藝是德國克勞斯塔爾工科大學(xué)物相傳遞研究所于80年代發(fā)明的。該工藝的問世是好氧生物處理技術(shù)的一個飛躍，它融合了當(dāng)今的高速射流曝氣、物相強化傳遞、紊流剪切等技術(shù)，并具有深井曝氣和流化污泥床的特點。1.2 h

11、cr工藝的優(yōu)點hcr工藝具有所需空間少、占地省、設(shè)計集成合理、cod降解率高、空氣氧利用率高且操作便利安全等優(yōu)點。1.3 hcr工藝的應(yīng)用現(xiàn)狀hcr工藝可以用于造紙廢水治理，污水處理，農(nóng)藥廢水的處理等。因其空氣氧的轉(zhuǎn)化率高，反應(yīng)器的容積負荷大，水力停留時間短，所以是當(dāng)前為西方國家所廣泛接受的一種高效好氧生物處理方法。至今，已經(jīng)在德國、瑞典、加拿大、意大利、法國、韓國等國家建成了數(shù)十個hcr系統(tǒng)，并已投產(chǎn)運行，污水處理效果普遍良好。2.5ab工藝2.1 ab工藝簡介ab法工藝由德國bohuke教授首先開發(fā)。該工藝將曝氣池分為高低負荷兩段，各有獨立的沉淀和污泥回流系統(tǒng)。高負荷段（a段） 停留時間約

12、20-40分鐘，以生物絮凝吸附作用為主，同時發(fā)生不完全氧化反應(yīng)，生物主要為短世代的細菌群落，去除bod達50%以上。 b段與常規(guī)活性污泥法相似，負荷較低，泥齡較長。2.2 ab工藝的優(yōu)點ab工藝的優(yōu)點主要有：對有機底物去除效率高；系統(tǒng)運行穩(wěn)定，主要表現(xiàn)在：出水水質(zhì)波動小，有極強的耐沖擊負荷能力，有良好的污泥沉降性能；有較好的脫氮除磷效果；節(jié)能，運行費用低，耗電量低，可回收沼氣能源，經(jīng)試驗證明，ab法工藝較傳統(tǒng)的一段法工藝節(jié)省運行費用20%25%。2.3 ab工藝的缺點缺點一：a段在運行中如果控制不好，很容易產(chǎn)生臭氣，影響附近的環(huán)境衛(wèi)生，這主要是由于a段在超高有機負荷下工作，使a段曝氣池運行于厭

13、氧工況下，導(dǎo)致產(chǎn)生硫化氫、大糞素等惡臭氣體。缺點二：當(dāng)對除磷脫氮要求很高時，a段不宜按ab法的原來去處有機物的分配比去除bod55%60%，因為這樣b段曝氣池的進水含碳有機物含量的碳、氮比偏低，不能有效的脫氮。缺點三：污泥產(chǎn)率高，a段產(chǎn)生的污泥量較大，約占整個處理系統(tǒng)污泥產(chǎn)量的80%左右，且剩余污泥中的有機物含量高，這給污泥的最終穩(wěn)定化處置帶來了較大壓力。2.4 ab工藝的應(yīng)用自上世紀(jì)80年代起，中國逐步開始將“ab法”應(yīng)用到城市污水處理和工業(yè)廢水處理工程中，已建成相當(dāng)數(shù)量的ab法工藝的城市污水處理廠，成效顯著，取得了十分可觀的社會效益和環(huán)境效益。ab法工藝適合于污水濃度高、具有污泥消化等后續(xù)

14、處理設(shè)施的大中規(guī)模的城市污水處理廠，有明顯的節(jié)能效果。3.usab工藝（升流式厭氧污泥床）2.6 usab工藝簡介升流式厭氧污泥床uasb( up-flow anaerobic sludge bed）工藝由于具有厭氧過濾及厭氧活性污泥法的雙重特點，作為能夠?qū)⑽鬯械奈廴疚镛D(zhuǎn)化成再生清潔能源沼氣的一項技術(shù)。1971年荷蘭瓦格寧根農(nóng)業(yè)大學(xué)拉丁格教授通過物理結(jié)構(gòu)設(shè)計，利用重力場對不同密度物質(zhì)作用的差異，發(fā)明了三相分離器。使活性污泥停留時間與廢水停留時間分離，形成了上流式厭氧污泥床（uasb）反應(yīng)器的雛型。1974年荷蘭csm公司在其6m3反應(yīng)器處理甜菜制糖廢水時，發(fā)現(xiàn)了活性污泥自身固定化機制形成的生

15、物聚體結(jié)構(gòu)，即顆粒污泥。顆粒污泥的出現(xiàn)，不僅促進了以uasb為代表的第二代厭氧反應(yīng)器的應(yīng)用和發(fā)展，而且還為第三代厭氧反應(yīng)器的誕生奠定了基礎(chǔ)。3.2 usab工藝的優(yōu)點uasb內(nèi)污泥濃度高，平均污泥濃度為2040gvss/1；有機負荷高，水力停留時間短，采用中溫發(fā)酵時，容積負荷一般為10kgcod/m3.d左右；無混合攪拌設(shè)備，靠發(fā)酵過程中產(chǎn)生的沼氣的上升運動，使污泥床上部的污泥處于懸浮狀態(tài)，對下部的污泥層也有一定程度的攪動；污泥床不填載體，節(jié)省造價及避免因填料發(fā)生堵賽問題；uasb內(nèi)設(shè)三相分離器，通常不設(shè)沉淀池，被沉淀區(qū)分離出來的污泥重新回到污泥床反應(yīng)區(qū)內(nèi)，通?？梢圆辉O(shè)污泥回流設(shè)備。 3.3

16、usab工藝的缺點進水中懸浮物需要適當(dāng)控制，不宜過高，一般控制在100mg/l以下；污泥床內(nèi)有短流現(xiàn)象，影響處理能力；對水質(zhì)和負荷突然變化較敏感，耐沖擊力稍差。3.3usab工藝的應(yīng)用及發(fā)展現(xiàn)狀3.3.1 應(yīng)用厭氧生物處理法不僅適用于高濃度有機廢水，進水bod最高濃度可達數(shù)萬mg/l，也可適用于低濃度有機廢水，如城市污水等。uasb工藝對于不同含固量污水的適應(yīng)性也強，且其結(jié)構(gòu)、運行操作維護管理相對簡單，造價也相對較低，技術(shù)已經(jīng)成熟，正日益受到污水處理業(yè)界的重視，得到廣泛的歡迎和應(yīng)用。3.3.2 發(fā)展在全社會提倡循環(huán)經(jīng)濟，關(guān)注工業(yè)廢棄物實施資源化再生利用的今天，厭氧生物處理顯然是能夠使污水資源化

17、的優(yōu)選工藝。近年來，污水厭氧處理工藝發(fā)展十分迅速，各種新工藝、新方法不斷出現(xiàn)，包括有厭氧接觸法、升流式厭氧污泥床、檔板式厭氧法、厭氧生物濾池、厭氧膨脹床和流化床，以及第三代厭氧工藝egsb和ic厭氧反應(yīng)器，發(fā)展十分迅速。而uasb工藝由于具有厭氧過濾及厭氧活性污泥法的雙重特點，作為能夠?qū)⑽鬯械奈廴疚镛D(zhuǎn)化成再生清潔能源沼氣的一項技術(shù)。對于不同含固量污水的適應(yīng)性也強，且其結(jié)構(gòu)、運行操作維護管理相對簡單，造價也相對較低，技術(shù)已經(jīng)成熟，正日益受到污水處理業(yè)界的重視，得到廣泛的歡迎和應(yīng)用。4.1 rbs技術(shù)簡介遠古以來，地球上的所有生物都是在土壤的恩惠下生長，作為回報，生物最終又都將殘骸歸還給土壤，由

18、土壤中的菌群將其分解消化后再還原給生物，如此周而復(fù)始實現(xiàn)著自然循環(huán)。與此相類似，一直以來，河川湖泊的凈化也是由自然環(huán)境中棲息的土壤菌群的活動來進行的。而rbs技術(shù)就是模仿自然界，對本來就棲息在土壤中的微生物進行人為的誘導(dǎo)、馴養(yǎng)及篩選，在標(biāo)準(zhǔn)活性污泥法基礎(chǔ)之上衍生并發(fā)展，并最終在土壤菌培養(yǎng)槽中效率更高地實現(xiàn)這一自然現(xiàn)象，進而研制而成的reactor-bio-system系統(tǒng)，簡稱為rbs。故rbs技術(shù)被形象地命名為自然凈化法。標(biāo)準(zhǔn)活性污泥法是由需氧性微生物的活動而引起有機物的分解、氣體化、低分子化，而rbs是到達了腐植化的過程。腐植化指的是由土壤中微生物群的活動，分解動植物遺體等新鮮的營養(yǎng)源，起

19、到高分子凝集化的作用。土壤中存在的硅酸鹽在厭氧的（一部分需氧的）條件下，發(fā)酵發(fā)霉反應(yīng)引起有機物的高分子凝集化，土壤菌群正是起到促進有機物的高分子凝集化的作用。rbs是靈活運用了土壤中的微生物群（以下稱土壤菌群）的活動原理來進行排水機理的技術(shù)。4.2 rbs技術(shù)的優(yōu)點利用rbs技術(shù)，高濃度有機廢水不加稀釋也可安定獲得高品位的處理水，污染物去除率高，具有高效的脫氮、脫磷性能，有良好的污泥性狀，使得污泥的有機肥料制造簡單，能有效抑制不愉快臭氣的發(fā)生。4.3 rbs技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展現(xiàn)狀rbs技術(shù)可用于城市糞便，垃圾滲濾液，集約化畜禽養(yǎng)殖廢水等有機物濃度高、惡臭污染嚴(yán)重、水質(zhì)水量波動大污水的處理。通過應(yīng)用rbs技術(shù)的850幾個工程實踐，特別是該技術(shù)在中國遼寧鞍山種豬場廢水、長春市糞便無害化處理工程（現(xiàn)長春市有機廢棄物處理中心）及通化市垃圾衛(wèi)