目录 第一章环境生物技术的基本特征和研究内容……………………1 第一节生物技术………… 第二节环境工程…… 第三节环境生物技术的基本特征………………… 第四节环境生物技术的研究内容 379 第五节环境生物技术的进展 第二章废水好氧生物处理工程设计与应用……………14 第一节概述…… 申非中中由电 14 第二节吸附生物降解法 15 第三节序批式活性污泥法……… 31 第三章废水厌氧生物处理工程设计与应用…………………57 第一节废水厌氧生物处理技术的发展概况……………57 第二节升流式厌氧污泥床反应器的设计 …………6 第三节升流式厌氧污泥床反应器的启动和应用……………77 第四节第三代废水厌氧生物处理反应器 第四章废水生物脱氮除磷工程设计与应用……… 第一节废水生物脱氮技术原理及流程……………………94 第二节废水生物脱磷技术原理及流程……………115 第三节废水生物脱氮除磷工艺流程……119 第四节废水生物脱氮除磷工艺设计 第五节生物脱氮除磷技术的应用实例 ……131
第五章危险性化合物的微生物降解与生物现场修复……135 第一节概述… 135 第二节卤代有机化合物的微生物降解 …143 第三节烃类化合物的微生物降解…………………154 第四节其他危险性化合物的微生物降解 第五节生物修复的原理及基本措施………………………173 第六节不同区域污染的生物补救技术 179 第七节生物修复的工程方法……… 187 第六章生物吸附剂的生产与应用… 199 第一节概述…… 199 第二节废水中重金属的种类、来源及其对环境的影响 第三节生物吸附材料的种类……… 204 第四节生物吸附机理 第五节生物吸附剂的制备……………………………217 第六节生物吸附工艺过程 ……………223 第七节生物吸附剂的可行性分析… 第八节生物吸附剂的应用 第七章生物絮凝剂的生产与应用 第一节概述…………………… 242 第二节生物絮凝剂的基础研究 ……………………246 第三节生物絮凝剂的发酵生产…… 262 第四节生物絮凝剂的应用…… 第八章环保用酶制剂的生产与应用 274 第一节概述… ………………………………………274 第二节单加氧酶· …………275 第三节木素过氧化物 ……288 第四节漆酶… …310
第五节环保用酶的固定化 …………………314 第九章可生物降解塑料的生产与应用…………………………319 第一节塑料废物污染和可降解塑料种类 319 第二节聚β-羟基烷酸的生物合成与应用…………321 第三节乳酸聚合物的生产与应用… …356 第十章工业废气生物处理系统的设计与应用………… 第一节工业废气生物处理系统的原理和种类 第二节生物洗涤法…… …392 第三节生物过滤法…………………………………395 第四节工业废气生物处理系统的现状与展望 407
第一章环境生物技术的基本特征 和研究内容 第一节生物技术 生物技术( Biotechnology),国内外的许多学者曾对它下过多种 大同小异的定义。简单地概括起来,不妨将生物技术理解为“利用生 物有机体(从微生物直至高等动物植物)或其组成部分(包括器官 组织、细胞或细胞器等)发展新产品或新工艺的一种体系”;或定义为 操纵生物(微生物、植物、动物)的细胞、组织或酶,进行生物合成生 物转化或生物降解,大规模地生产预期产品或达到特殊目的的一门 技术”。 生物技术已经被使用了几个世纪,传统上它曾被集中地用于生 产多种食品,如面包奶酪、啤酒、葡萄酒以及酱油、米酒和发酵的乳 制品(如酸奶)。虽然这种技术体系的原始应用可以追溯到十分古老 的主副食品发酵,但最初人们并不知道其中的道理。今天,生物技术 已以全新的面貌跻身于现代高科技行列,这完全要归功于近30年来 生命科学的飞速发展与辉煌成就,其中特别是微生物学、遗传学、生 物化学、细胞生物学和分子生物学等领域在理论与方法上的突飞猛 进。此外,现代生物技术的形成与发展也与酿造工业、制药工业和化 学工业中的一系列工艺改革与装备更新息息相关。总之,当代较高 水平的科学技术背景和社会的需求推动促进了生物技术从传统技 术转化为高技术,并形成了现代生物技术这一高科技领域。 一般认为,生物技术包括基因工程、细胞工程、酶工程和发酵工 程四个方面。 基因工程主要涉及一切生物类型所共有的遗传物质—核酸的 分离提取,体外剪切,拼接重组以及扩增与表达等技术。它是将人们
产品的一种技术。它包括酶的生产、分离提取、精制酶在游离状态 下的利用固定化酶和固定化细胞的制备和利用酶反应器的应用等 技术。简单地说酶工程就是酶和酶制剂的生产和应用的技术。 发酵工程,也有人称为微生物工程,是给微生物提供最适宜的发 酵条件生产特定产品的一种技术。它包括传统的嫌气发酵(酿酒发 酵调味品、酒精等)和通风发酵(如抗生素、氨基酸、有机酸酶制剂、 单细胞蛋白、维生紊激素、疫苗等)。发酵工艺菌种、代谢调控新 型发酵设备(反应器)和产品的回收精制工艺和设备,共同构成了发 酵工程的主要内容。发酵工程离不开酶酶工程是发酵工程的组成 部分,所以也有人将酶工程称为“分子水平的发酵工程”。发酵工程 的主要产品包括细胞的生产,如酵母、食用菌等;酶类的生产,各种酶 制剂、各种曲类;各类代谢产物的生产,如有机酸、氨基酸、维生素抗 生素、多糖、核苷酸等。 第二节环境工程 环境工程是近几十年来形成的一门新兴的综合性学科。它涉及 到构成人类生存的五要素—一空气、水、食物、热和光——的各个方 面,不仅研究防治污染和公害的技术和措施而且研究自然资源的保 护和合理利用探讨废物资源化技术,改革生产工艺,发展无废或少 废的闭路生产系统,以及对区域环境进行系统规划与科学管理,以获 得最优的环境效益、社会效益和经济效益。环境工程主要包括水质 净化与污染控制工程;大气环境污染控制工程;固体废弃物处理处 置与管理工程;噪声、振动与其他公害防治技术;环境规划管理和环 境系统工程;环境监测与环境质量评价;清洁生产技术的推进与应 用。本书中涉及最多的是废水污染控制工程。 废水处理的任务是采用各种技术措施将废水中所含有的各种形 态的污染物分离出来或将其分解转化为无害和稳定的物质使废水 得到净化。现代废水处理技术按其作用原理和去除对象可分为物理 法化学法和生物法。物理法就是利用物理作用,分离废水中呈悬浮
状态的污染物质,在处理过程中不改变水的化学性质,如重力分离、 气浮、反渗透、离心分离、蒸发等。化学法是利用化学反应作用来分 离、转化破坏或回收废水中的污染物,并使其转化为无害物质,如混 凝、中和、氧化还原、吸附电渗析汽提、萃取等处理工艺。生物法是 利用水中的微生物的新陈代谢功能,使废水中呈溶解和胶状的有机 物被降解,并转化成为无害的物质废水得以净化。属于生物法处理 工艺的有活性污泥法、生物膜法、自然生物处理法和厌氧生物处理法 等 1.废水的物理处理法 废水物理处理法的去除对象是水中不溶解的悬浮物质。使用的 处理设备和构筑物有格栅筛网沉砂池沉淀池、滤池微滤机、气浮 装置、离心机等。 (1)格栅格栅是由一组平行的金属栅条制成的框架斜置成 60°~70°于废水流经的渠道上,当废水流过时,呈块状的污染物即被 栅条所截留,而从废水中去除。格栅是一种对后续处理构筑物或提 升泵有保护作用的设备。 (2)沉淀池与沉砂池沉淀池与沉砂池的工作原理是废水由于 在池内的流速降低,这样水中的固体物质在其本身重力的作用下下 沉,而使固体物质与水分离这种工艺分离效果好,简单易行,应用广 泛,是一种重要的处理单元。沉淀池主要用于去除废水中大量的呈 颗粒状的悬浮固体沉砂池主要去除废水中比重较大的固体颗粒。 (3)气浮装置对于一些比重接近于水的细微颗粒,仅靠自重 难以下沉或上浮,可采用气浮装置,采取措施使空气以细小气泡的形 式散布于水中,并与颗粒附聚在一起,形成浮选体,上浮到水面而与 水分离。 废水化学处理法 按废水中污染物的主要类型,向废水中投加某些化学物质,通过 化学反应达到净化废水目的的方法称为化学处理法。 (1)中和处理法用化学方法消除废水中过量的酸或碱,使其 pH值达到中性左右的过程称之为中和。处理含酸废水以碱为中和
剂,处理碱性废水以酸为中和剂,酸碱均指无机酸或无机碱。中和处 理应考虑“以废治废”的原则。中和处理可以连续进行,也可以间歌 进行。 (2)混凝处理法混凝法是向水中投加一定量的药剂,经过脱 稳、架桥等反应过程;使水中呈胶状的污染物质形成絮状体,再经过 沉淀或气浮的过程,使污染物从废水中分离出来。通过混凝能够降 低废水的浊度色度,去除高分子物质、呈胶体的有机污染物某些重 金属毒物(汞锅)和放射性物质,也可去除磷等可溶性有机物,应用 十分广泛。混凝法可以作为单独处理单元,也可与其他方法配合,作 为预处理、中间处理、甚至可以作为深度处理工艺。 (3)化学沉淀法化学沉淀法是向废水中投加某些化学物质, 使它和水中某些溶解物质产生反应,生成难溶盐沉淀下来。它一般 处理含重金属离子的工业废水。 (4)氧化还原法利用溶解于废水中的有毒、有害物质在氧化 还原中能被氧化还原的性质把它转化为无毒无害的新物质。在废 水处理中使用的氧化剂有空气中的氧、纯氧、臭氧、氯气、次氯酸钠、 三氯化铁等,使用的还原剂有铁、锌、锡、锰、亚硫酸钠、二氧化硫、焦 亚硫酸钠、石灰等。 (5)吸附法吸附作用就是发生在不同相界面上的物质传递, 废水处理主要是固体物质表面对废水中污染物质的吸附。吸附可分 为物理吸附、化学吸附和生物吸附等。物理吸附是吸附剂和吸附物 质之间在分子间力的作用下产生的,不发生化学变化。化学吸附则 是吸附剂和吸附质在化学键力的作用下引起的吸附作用,因此化学 吸附选择性较强。在生物作用下也可产生生物吸附。在废水处理中 常用的吸附剂有活性炭、磺化煤、沸石、硅藻土、焦炭等。 (6)离子交换法离子交换法在废水处理中应用较广。使用的 离子交换剂分为无机离子交换剂、有机离子交换树脂两大类。采用 离子交换法处理废水时,必须考虑树脂的选择性。树脂对各种离子 的交换能力是不同的,这取决于各种离子对该种树脂亲和力的大小, 又称选择性的大小,另外还要考虑到树脂的再生方法等
(7)膜分离法渗析、电渗析超滤、反渗透等技术都是通过 种特殊的半透膜分离水中离子和分子的技术,统称为膜分离法。电 渗析法、反渗透法主要用于水的脱盐和回收某些重金属离子等。反 渗透与超滤均属于膜分离法但其本质又有所不同。反渗透作用主 要是膜表面化学本性所起的作用,它分离的溶质粒径小,除盐率高, 所需工作压力大。超滤所用材质和反渗透可以相同,但超滤是筛滤 作用,分离溶质粒径大,透水率高除盐率低,工作压力小。 3.废水生物处理法 废水的生物处理方法就是采取一定的人工措施,创造有利于微 生物生长、繁殖的环境使微生物大量增殖,从而提高微生物氧化、分 解有机污染物的一种技术。生物处理法主要用于去除废水中呈溶解 状态和胶状态的有机污染物。 (1)活性污泥法活性污泥法是当前应用最为广泛的一种生物 处理技术。将空气连续鼓入大量溶解有机污染物的废水中,经过一 段时间,水中即形成生物絮凝体—活性污泥,在活性污泥上栖息 生活着大量的好氧微生物,这种微生物以溶解性有机物为食料,获得 能量,并不断增长,使废水得到净化处理。 2)生物膜法废水连续流经固体填料(碎石、塑料填料等),在 填料上就会生成污泥状的生物膜。生物膜上繁殖着大量的微生物, 起到与活性污泥同样的净化效果的作用。 生物膜法有多种结构和形式,其中有生物滤池、生物转盘、生物 接触氧化和生物流化床等。 (3)自然生物处理法利用在自然条件下生长繁殖的微生物 处理废水的技术,称为自然生物处理法。其特征是工艺简单、建设与 运行费用低但净化功受自然条件的制约。主要的处理技术是稳定 塘和土地处理法。 稳定塘是利用塘水中自然繁育的微生物(好氧兼氧及厌氧),在 其自身的代谢作用下氧化分解废水中的有机物的一种较为简单的生 产处理构筑物。稳定塘中的氧由塘中生长的藻类的光合作用及塘面 与大气相接触的复氧作用提供,在稳定塘内废水停留时间长。稳定 6
塘与废水的净化过程和天然水体净化过程相近。稳定塘可分为好氧 塘、兼性塘、厌氧塘和曝气塘等。包括废水灌溉在内的土地处理也是 一种生物处理法。废水向农作物提供水分和肥分,废水中非溶解性 杂质为表层土壤过滤截留,并逐渐被微生物分解利用。 4)厌氧生物处理法厌氧生物处理是利用兼性厌氧菌和专门 厌氧菌在无氧条件下降解有机污染物的处理技术。有机污泥、某些 高浓度有机物含量的工业废水,如酒精废水、柠檬酸废水等适宜于用 厌氧生物处理法处理。日前也有用厌氧生物处理法进行某些低浓度 有机废水和城市污水的处理。用于厌氧处理的构筑物最普通的是消 化池,最近一二十年来在这个领域有很大的发展,开创了一系列新 的高效的厌氧处理反应器,如厌氧滤池、上流式厌氧污泥床厌氧转 盘挡板式厌氧反应器和复合厌氧反应器等。 (5)废水的脱磷除氮为了防止水体的富营养化,废水必须经 过进一步的处理,以去除废水的氮、磷污染物,当前广泛应用的是 利用活性污泥法或生物膜法的生物脱氮除磷技术。近年来在这 领域有了长足的发展,一些新型、高效的生物脱氮除磷工艺不断涌 现,如厌氧好氧系统(MO系统)厌氧/缺氧/好氧系统(AA/O系 统)等。 第三节环境生物技术的基本特征 生物技术,特别是发酵工程,可以说是一项最早涉足于环境保护 领域的工程技术。利用农业废物沤制堆肥在我国农村有着十分悠久 的历史,作为废水生物处理主要方法的活性污泥法也经历了80年的 历程,并被认为是近代生物技术起源的组成部分。即使现今的一些 废水生物处理工程,从某种意义上说,也就是大规模的发酵工程。近 30年来,现代生物技术的多数内容都已渗入到环境工程领域中。美 国国家科学和技术委员会( National Science and Technology Counci) 在1995年12月向美国政府提供的《21世纪的生物技术:新的地平 线》( Biotechnology for the2 1st Century: New horizons)报告中认为
效益和环境效益俱佳的,解决复杂环境污染问题的最有效手段。中 国科学院生物技术局局长孟广震教授在庆祝《生物工程学报》创刊十 周年(1994年)的报告中指出,国际上认为21世纪生物技术产业化 的十大热点中,有三项(环境监测、毒物的生物降解和生物塑料)属于 环境生物技术的内容。我国国家环保局在“九五一2010年科技发展 思路框架”中也明确指出,要重点研究微生物工程处理技术,大力开 展污染场地补救修复等环境生物技术研究,以解决我国面临的许多 环境难题。实际上,目前在几乎所有的生物技术或环境工程领城的 大型国际会议中,环境生物技术都是一个主要专题。 第四节环境生物技术的研究内容 环境生物技术的范围极为广泛。到目前为止,环境生物技术涉 及的学科包括分子生物学,生物化学,基因工程学酶工程学,发酵工 程学,化学工程学环境生物学环境毒理学环境工程学植物学,动 物学,生态学,微电子学,计算机科学,等等。从广义上说,环境生物 技术无疑将在诸如以较低的环境成本生产食品,为化学加工工业提 供较少毒性的化合物或产生较少污染的生产技术,从环境中消除毒 性化合物以及控制人类传染性疾病等方面发挥重大作用。但最直接 地看,现代环境生物技术中的生物减少和污染场地的生物恢复技术 在宏观上运用到水污染控制方面显得尤为重要,因为以多种状态进 人环境中的污染物,通过在自然界中的迁移最终大都进入水体。 关于环境生物技术的研究内容,有学者从技术难度和理论深度 的角度,提出可分为三个部分或高、中、低三个层次。高层次是指以 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,为快速有效地防治污染开辟了 新途径,使解决日益出现的大量环境难题成为可能。中层次是以废 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
