前 言 工业革命极大地改变了人类社会文明发展的进程，使人们创造和享受巨大物质财富的 同时，也遭受到了前所未有的环境污染和资源危机。尽管环境污染日益加剧，污染形式更 加复杂，但人们对生活环境的质量要求却随着生活水平的不断改善而越来越高，传统的污 染治理技术已不能满足越来越严格的环境标准。生物技术是环境保护中应用最广和最为重 要的单项技术，它在水污染防治、大气污染治理、有毒有害有机物质的转化与降解、清洁 可再生能源的开发、废物资源化、环境监测、环境友好材料的合成、污染环境的修复等环 境保护的各个方面，发挥着极为重要的作用。 生物技术与环境工程的交叉与结合，就形成了环境工程生物技术，它是开发、利用和 调节生物系统进行污染环境补救和环境友好产品生产的过程，包括绿色加工技术和可持续 发展技术。目前，环境工程生物技术已成为一种经济效益和环境效益俱佳、解决复杂环境 污染问题的最有效手段。 本书共分9章，第1章“绪论”，主要介绍了环境生物技术的特点、研究内容、面临 的任务、应用范围及展望等；第2章“生物工程技术及其在环境污染防治中的应用”，在 对酶工程、基因工程、细胞工程和发酵工程简要介绍的基础上，着重介绍了它们在环境污 染防治中的应用；第3章“污水生物处理工程技术”对当今污水生物处理的主要技术分别 进行了介绍，包括活性污泥法、生物膜法、污水的厌氧生物处理技术、氧化沟污水生物处 理技术、废水生物脱氮除磷技术、膜生物反应器技术、污水处理的稳定塘处理技术以及剩 余污泥的厌氧消化处理等；第4章“有机固体废弃物的生物处理技术”在介绍堆肥的生物 学原理的基础上，主要对城市固体废弃物的堆肥技术和城市生活垃圾的卫生土地填埋进行 了介绍；第5章从原理、工艺类型以及实用工程技术等方面对工业废气的生物治理技术进 行了介绍；第6章以有机污染物的微生物降解机理为基础，对石油烃类化合物、人工合成 有机物的分解与转化进行了重点介绍，最后还介绍了质粒在污染物的微生物降解中的重要 作用；第7章主要介绍了污染环境的生物修复技术的基本原理、主要方法和应用条件，并 对污染土壤的生物修复、污染地下水、富营养化水体和海洋石油污染的生物修复技术进行 了全面介绍：第8章从化石燃料的生物脱硫、微生物湿法冶金、高分子聚合物的生物合成 和生物絮凝剂的生产与应用等方面对环境污染预防生物技术进行了介绍：第9章“环境生 物监测技术”包括了大气、土壤和水体污染生物监测的传统技术，PCR技术，荧光原位 杂交技术和DNA芯片技术等现代环境生物监测技术，以及生物传感器的原理及其在环境 监测中的应用等内容。 本书由任南琪、李建政主编，赵丹、赫俊国和王有志副主编，其中，第1章由李 建政、任南琪编写；第2章由赵丹编写；第3章由赫俊国、任南琪编写；第4章由王 有志编写；第5章由王有志、李建政编写；第6章由李建政编写；第7章由赵丹编
写;第8章由李建政编写;第9章由任南琪、赵丹编写。全书由李建政负贲统稿,任 南琪审定。 限于编者知识水平和写作能力,加之时间紧迫,书中难免有错漏之处,若蒙指教,不 胜感激! 编者 03年12月
内容提要 本书是作者在长期从事环境污染防治的生物技术工作的基础上，总结提炼多年的研究成 果，并结合国内外该领域的最新技术编写而成，全书共分9章，包括生物工程技术及其在环 境污染防治中的应用、污水生物处理工程技术、有机固体废弃物的生物处理技术、工业废气 的生物治理技术、有毒有害有机污染物的微生物降解、污染环境的生物修复技术以及环境污 染预防生物技术和环境生物监测技术等内容，既有传统的环境工程生物技术，也有现代生物 技术与环境工程相结合的新型技术，全面反映了国内外在这一领域的研究、开发和应用现 状，全书内容丰室，具有较强的系统性，实用性和可操作性。 本书可用作高等院校环境科学与工程专业教材及教师参考书，也可供环境工程、生物工 程以及相关科研、生产和设计院所人员参考
园录 1绪论 1.1环境问题与环境科学… 1.1.1环境问题 1.1.2环境科 1.2环境生物技术 1.2.1环境生物技术的特点和研究内容………… 233 1.2.2环境生物技术面施的任务 1.3环境生物技术的应用范围及展望………………………… 2生物工程技术及其在环境污染防治中的应用…… 2.1酶工程及其在环境污染防治中的应用……… 2.1.1酶与酶工程 46668 2.1.2酶的固定化技术 2.13酶在环境污染治理中的应用… 2.2基因工程及其在环境污染防治中的应用 2.2.]基因工程概述………… 2.2.2基因工程在环境污染治理中的应用…………………………… 2.3细胞工程及其在环境污染防治中的应用 2.3.1细胞工程概述…… 2.3.2细胞工程在环境污染防治中的应用…… 2.4发酵工程及其在环境污染防治中的应用…… 2.41发酵工程概述……… 2.4.2固态发酵与固体废弃物处理… 3污水生物处理工程技术 概述 3.2污水生物处理技术基础…… 3.2.1污水的可生化性………………… 3.2.2污水处理的微生物基础……… 3.3活性污泥法 3.3.1活性污泥法的机理与分类 …37 3.3.2活性污泥法工艺控制参数 中者, 33.3曝气传质理论
3.3.4活性污泥法分类 3.3.5活性污泥的培养驯化及异常处理 3.4生物膜法 3.4.】生物膜净化原理 48 3.4.2生物滤池……… 50 34.3生物转盘… 3.4.4生物接触氧化 3.4.5生物流化床………………… 55 3.4.6生物膜法的运行管理 56 3.5污水的厌氧生物处理技术 35.1厌氧生物处理的基本原理…… 3.5.2厌氧生物处理的影响因素………… 3.5.3厌氧生物处理工艺 3.5.4厌氧设备的运行管理 3.6氧化沟污水生物处理技术……… 3.6.1氧化沟技术的沿革…………… 3.6.2氧化沟的技术特征与工艺特点……… 3.6.3几种典型的氧化沟 3.7废水生物脱氮除碰技术…………… 74 3.7.1废水生物脱氪技术 3.7.2废水生物除磷抆术……………… 77 3.8膜生物反应器技术 38.1膜技术基础 3.82膜生物反应器的特点和分类 83 3.9污水处理的稳定塘处理技术……… 3.9.1稳定塘的分类… 3.9.2稳定塘影响因素………………………… 3.l0剩余污泥的厌氧消化处理 3.10.1传统厌氧消化法 …91 3.10.2二级厌氧消化法 3.10.3两相消化法… 4有机固体废弃物的生物处理技术………… 4.1有机废弃物稳定化约生物学原理 22444 41.1好氧堆肥的生物学原理 4.1.2厌氧堆肥的生物学原理 4.2城市固体废弃物的堆肥技术 4.2.1好氧堆肥… 2.2厌氧堆肥… 10l
4.3城市生活垃圾的卫生土地填埋………… 4.3.1填埋场地的选择……………………… ………………106 4.3.2场地的设计 4.3.3渗滤液的处理方法 109 43,4垃圾壤埋场气体的产生和控制方法…………… 112 4.3.5填埋方法………………… 113 5工业废气的生物治理技术 116 5.1工业废气生物处理原理与工艺类型 1.1原 5.1.2工艺类型 5.2微生物吸收工艺 5.3微生物滴滤工艺 118 5.4微生物过濾工艺……… ……………………………118 54.1土壤滤池 5.4.2堆肥滤池… 120 5.4.3微生物过滤箱… 120 5.4.4影响生物漶池性能的因素 5.5污水处理过程的废气处理……………………… 5.5.1污水处理过程的废气来源 5.5.2活性污泥法净化污染气体的机理与工艺过程… 5.5.3活性污泥法处理废气的优点… 123 5.54系统运行过程中应注意的问题… …124 5.6废气生物处理技术的现状和展望 6有毒有害有机污染物的微生物降解… 6.1概述………………… 6.2有机污染物的微生物降解机理 128 6.2.1有机污染物的可生物降解性… 128 6.22有机污染物化学结构对生物降解性的影响 190 6.2.3微生物对有机物的降解机制 ……………130 6.3微生物对石油烃类化合物的分解与转化 135 6.3.1对烷烃类化合物的降解 136 6.3.2对烯烃类化合物的降解 6.33对脂环烃类化合物的降解……… 6.3.4对芳香烃类化合物的降解· 6.3.5影响石油污染物降解的环境因素……………………………………………139 6.4微生物对人工合成有机物的分解与转化…… 6.4.1卤代有机化合物的生物降解…… 4.2合成洗涤剂的生物降解……………… 145
6.4.3合成农药的生物降解 …………146 6.4.4氰(腈)类化合物的生物降解… 6.4.5偶氮染料 6.5质粒与污染物的微生物降解 …153 6.5.1降解质粒………………… 153 6.5.2多质粒超级细菌与浮油去除 6.5.3高抗汞菌的选育…… 156 6.5.4耐药性细菌在农药降解中的应用 6.5.5基因工程菌应用中应注意的一些问题… 7污染环境的生物修复技术… 7.1生物修复技术的产生与发展… 157 7.2生物修复的内涵、优点和局限性…… 158 7.3污染环境生物修复的基本原理…………………………………………160 7.3.1生物修复的主要方法 160 7.3.2应用生物修复技术的前提条件 7.33影响生物修复的环境因素 161 7.3.4傚生物对有机污染物的修复………… 7.4生物修复的可行性研究 …………………167 7.5污染土壤的生物修复… …168 7.5.1土壤有机物污染的生物修复……… …………168 7.5.2土壤重佥属污染的生物修复 7.5.3土壤生物修复的工程方法…… 7.5.4发展前景…… 7.6污染地下水的生物修复 …176 7.6.1生物注射法… …176 7.6.2有机黏土法…… 7.6.3抽提地下水系统和回注系统相结合法 7.6.4生物反应器法………… 7.6.5其他方法 178 7.7湖泊污染的生物修复 7.71富营养化的徼生物修复 …………180 7.7.2富菅养化的水生植被修复………… 181 7.7.3富营养化的底泥疏瘦修复… …188 7.8海洋石油污染的生物修复 7.8.1海洋石油污染的分布与赋存形态 7.8.2海洋石油污染的生物修复…………… 8环境污染预防生物技术 8.1化石燃料的生物脱碗技术
8.1.1化石燃料中的硫 193 8.1.2脱硫方法 194 8.1.3微生物脱硫的机理 194 8.1.4煤炭生物脱硫技术 196 8.1.5石油生物脱硫技术的研究现状………… 8.2微生物湿法冶金技术………… 8.2.1概述… 205 8.2.2涩法冶金黴生物及其生理特性 8.2.3徼生物浸出技术…………… 209 8.2.4难浸金矿石的徽生物处理… 8.3高分子聚合物的生物合成技术 …211 8.3.1聚β羟基烷酸的生物合成与应用 …………212 8.32乳酸聚合物的生产与应用 ……………216 8.4生物絮凝剂的生产与应用 225 8.4.1概述 8.4.2生物絮凝剂产生菌及其遠传学研究 ……227 8.4.3生物絮凝剂的化学本质与结构 8.4.4生物絮凝剂的絮凝机理 8.4.5影响生物絮凝剂絮凝效果的因素 8.4.6生物絮凝剂的发酵生产… ∴…232 8.4.7生物絮凝剂的应用 8.4.8生物絮凝剂的发展方向…… 235 9环境生物监测技术… 9.1大气与土壤污染的生物监测…………… 9.1.1大气污染的生物监测… 236 9.1.2土壤污染的生物监测 9.2水体污染的生物监测 …………243 9.2.1生物群落监测法 243 9.2.2残毒监测法…… 249 9.2.3生物测试法… 现代环境生物监测技术 253 31PCR技术 253 9.3.2荧光原位杂交技术 9.3.3DNA芯片技术…… 262 9.4生物传感器 4.1生物传感器的原理及构成… 9.4.2生物传感器的类型及特点… 9.4·3环境监测中的徼生物传感器…… ……………268 参考文献 275
绪论 环境问题与环境科学 1.1.1环境问题 环境问题是自人类产生以来就存在的。远古人类为了生存辟洞而居,钻木取火,制 造工具,采集狩猎,造成居所污染、食物减少、疾病流行等问题。尽管环境问题源于史前 时期,而且随着生产力的不断进步,人类干预自然的能力逐渐增强,环境问题也随之增 多,但是环境问题成为人类社会生存与发展必须面对的重大问题还是在20世纪工业革命 之后。由于科学发明和技术进步使社会生产力迅速提高,人类于预和改造大自然的能力和 规模突飞猛进,社会经济、文化艺术因之空前繁荣。但是,在创造了巨大物质财富的同 时,现代工业生产与自然环境之间的物质交换以惊人的速度发展,自然资源的过度开发利 用使其难以恢复和再生;急剧增加并排入环境的有害、有毒废物导致生态环境的不断恶 化;化肥、农药的过度使用对其他生物生态系统造成了严重破坏。20世纪以来,尤其是 后50年,环境污染与生态破坏成为普遍的严重问题,并不断恶化,甚至于会演变为相关 的经济、政治矛盾及危机,而威胁人类的生存 20世纪50年代前后,在单纯追求物质生产而忽视生态环境思想意识的驱使下,酿 成了震惊世界的八大公害事件,使成于上万人罹难,给人们的生命财产和社会经济造 成了重大损失。在一次次慘重的人为环境灾难的打击下,人类的环境意识开始形成并 逐渐提高 在中国,由于技术和管理水平低下,经济增长方式比较粗放,能源、资源的消耗量大 而效率低,污染物排放严重,生态环境恶化的趋势还在延续,而且遏制的难度将越来越 大。在全国60多个城市中,大气环境质量符合国家一级标准的城市不到1%,目前已有 62.3%的城市环境SO2年平均浓度超过国家环境空气质量二级标准,一些大城市的颗粒 物和SO2浓度已经超过世界卫生组织及国家标准的2~5倍。随着工业生产大幅度增长, 工业废水的排放量不断增加,造成严重的水体污染。中国江河湖库水域普遍受到不同程度 的污染,工业发达城镇附近的水域尤为突出;7大水系中符合《地面水环境质量标准》1 2类的占32.2%,符合3类的占28.9%,属于4、5类的占38.9%。78%的城市河段不宜 作为饮用水源,50%的城市地下水受到污染。近岸海域的海水污染也相当严重,且不断加 剧。20世纪60年代以前,赤潮平均每5~6年发生1次;70年代约2年发生1次;到了 80年代,平均每年就能发生4次。另外,随着城市居民生活水平的不断提高,城市生活解 垃圾正以每年10%的速度增加,不少城市由于垃圾得不到及时处理而受到“垃圾包围城
市”的困扰。由于环境污染导致中国经济损失呈上升态势:1986年坏境污染损失约为380 亿元,1992年为1085亿元左右,1997年世界银行统计,仅中国每年空气和水污染造成的 经济损失就高达540亿美元,相当于中国国民生产总值的3%~8% 中国的生态环境形势十分严峻。从总体上看,生态环境破坏范围在扩大、程度在加 剧、危害在加重,主要体现在:(a)水土流失严重,荒漠化加剧;(b)包括淡水在内的许多 资源严重短缺;(c)草地退化严重,沙化和碱化面积逐年增加;(d)濒危野生动、植物物种 增多,生物多样性锐减;(e)自然灾害频繁发生,经济损失重大。在中国,由于生态环境 破坏导致经济损失不断增加:1986年全国生态破坏造成的直接和间接经济损失约为831.4 亿元,1994年上升到了4201,6亿元 20世紀,世界环境从区域性环境污染扩展到全球性问题,如全球气候变暖、臭氧层 破坏、酸雨、危险废物在全球转移、生物多样性下降等。这全面地影响了人类的生产和生 活,使人类在地球上的生存出现了危机,对人类提出了严峻的挑战。工业化进程的加快引 起多起严重的环境污染事件,直接促成了人民群众对环境问题的觉醒和环境保护意识的产 生,越来越多的人认识到环境污染的严重性以及保护环境的重要性,这样就使环境保护的 问题从社会生活的边沿走向社会的中心。这对当代科学是个挑战,要求自然科学、社会科 学和技术科学都来参与环境问题的研究,指示环境问题的实质,并寻求解决环境问题的科 学途径。在此背景下,环境科学应运而生,并迅速发展起来 1.12环境科学 自环境问题产生以来,人类就不断地为认识和解决环境问题而进行努力。在20世纪 人类对大自然的索取超过了限度而得到报复的时候,科学家开始认真地研究环境问题,并 希望予以解决,环境问题促成了环境科学的诞生及发展。目前,环境科学已形成庞大的跨 学科的研究系统 环境科学是一门综合性很强的学科,涉及自然科学和社会科学的众多领域。它以人类 和环境的关系为研究对象,重点是研究污染物在环境中的迁移转化规律,以及由此而引起 的环境质量的变化和挖制与改善途径。环境科学的研究任务是通过对人类与环境关系的研 究,掌握人类与环境的变化发展规律,以便能动地顺应环境和改造环境,促使环境朝着有 利于人类的方向演化。自然环境的发生与发展主要受自然规律支配,人类的发生与发展既 受自然规律的支配又受社会规律的制约,人类又反作用于环境,构成错综复杂的关系。人 与环境的关系所包含的广泛内容,决定了环境科学的综合性。环境科学包括了相当广泛 的、由多种学科相互渗透所产生的许多新兴学科,如环境物理学、环境化学、环境地学、 环境医学、环境生物学、环境毒理学等。与环境生物技术密切相关的环境微生物学就是在 此基础上发展起来的一门新的分支学科 环境微生物学只是到20世纪60年代末才开始兴起。环境微生物学在基础环境科学中 异军突起的主要原因是:随着大工业发展,越来越多的污染物被排入环境,污染物的生物 降解主要靠徵生物的分解转化作用,这些污染物的生物可降解性是其环境效应和作用强度 的重要指标,而各种污染物由于微生物作用的结果,既给环境带来了有益的影响(如有机 污染物的矿化和化学污染物的解毒作用等),又可能对坏境产生不利的影响。如汞经微生 ”物的转化作用生成剧毒的甲基汞,水处理的结果造成水体的富营养化等,所以,环境微生 物学的开端,实际上是从研究微生物在污染环境下的生态学和水处理徽生物学开始的