生物技术与环境教案.ppt
第11章 生物技术与环境教案,第11章 生物技术与环境教案,教学目的:了解环境生物技术的基本原理.了解环境生物技术在污水,废气和废料处理以及环境监测评价方面的应用及发展教学重点：环境生物技术的基本原理教学难点：生物技术在污水,废气和废料处理以及环境监测评价方面的应用课型：理论型和社会调查,第11章 生物技术与环境教案,教学方法：讲授为主，借助多媒体课件及幻灯片穿插演示法、提问法、讨论法和启发式教学教学用具：多媒体课件、投影仪、黑板教学时数：理论课2学时，4学时社会调查教学内容：本次课讲授生物技术概论-11生物技术与环境，包括污水处理、大气净化、,第11章 生物技术与环境教案,教学过程及教学设计：一、组织教学与复习旧课（约5min）,第11章 生物技术与环境教案,教学过程及教学设计：二、讲授新课：（约80min）（一）污水处理（二）大气净化生物滤池法（三）固体废弃物的生物处理（四）生物修复技术的应用（五）生物技术在环境监测和评价上的应用,第11章 生物技术与环境教案-讲授新课（一）污水处理,一、污水处理 常见的生物方法包括稳定塘法,人工湿地处理系统法,土地处理系统法,活性淤泥法和生物膜法等.,第11章 生物技术与环境教案-讲授新课（一）污水处理,（一）稳定塘法 1、含义；稳定塘(stabilization pond)源于早期的氧化塘,故又称氧化塘,指污水中的污染物在池塘处理工程中反应速率和去除效果达到稳定的水平。稳定塘工程是在科学理论基础上建立的技术系统,是人工强化措施和自然净化功能相结合的新型净化技术,与原始的氧化塘技术相比,已发生根本性的变化.第一座人工设计的厌氧稳定塘是于1940年在澳大利亚的一处废水处理厂中建成的,目前全世界采用生物稳定塘处理污废水的共有40多个国家.到1988年止,第11章 生物技术与环境教案-讲授新课（一）污水处理,2、类型：稳定塘可以划分为兼性塘,厌氧塘,好氧高效塘,精制塘,曝气塘等.3、去污原理：原理是污水或废水进入塘内后,在细菌,藻类等多种生物的作用下发生物质转化反应,如分解反应,硝化反应和光合反应等,达到降低有机污染成分的目的.稳定塘的深度从十几厘米至数米,水体停留时间一般不超过两个月,能较好地去除有机污染成分，通常是将数个稳定塘结合起来使用，作为污水的一、二级处理。,第11章 生物技术与环境教案-讲授新课（一）污水处理,4、特点：稳定塘法处理污水废水的最大特点是所需要技术难度低，操作简单，维持运行费用少，但占地面积大是稳定塘技术的一大困难。,第11章 生物技术与环境教案-讲授新课（一）污水处理,2、去污原理人工湿地由土壤和砾石等混合结构的填料床组成，深约60100cm，床体表面种上植物。水流可以在床体的填料缝隙间流动，或在床体的地表流动，最后经集水管收集后排出。人工湿地对废水的处理综合了物理、化学和生物三种作用。其成熟稳定后，填料表面和植物根系中生长了大量的微生物形成生物膜，废水流经时，固态悬浮物（SS）被填料及根系阻挡截留，有机质通过生物膜的吸附及异化、同化作用而得以去除。,第11章 生物技术与环境教案-讲授新课（一）污水处理,湿地床层中因植物根系对氧的传递释放，使其周围的微生物环境依次呈现出好氧、缺氧和厌氧状态，保证了废水中的氮、磷不仅能被植物和微生物作为营养成分直接吸收，还可以通过硝化、反硝化作用及微生物对磷的过量积累作用而从废水中去除，最后通过湿地基质的定期更换或收割，使污染物从系统中去除。特别需要指出的是：生长的水生植物，例如芦苇、大米草等还能吸收空气中CO2，起到净化空气的作用；其本身又具有较高的经济价值。,第11章 生物技术与环境教案-讲授新课（一）污水处理,人工湿地一般作为二级生物处理，一级处理采用何种方法视废水的性质而定。对于生活污水，可采用化粪池，其他工业废水可采用沉淀池作为去除SS的预处理。人工湿地视其规模大小可单一使用，或多种组合使用。还可与稳定塘结合使用。多媒体展示深圳白泥坑人工湿地处理的简单流程图,第11章 生物技术与环境教案-讲授新课（一）污水处理,（三）污水处理土地系统1、含义：污水处理土地系统（land systems for wastewater treatment）是60年代后期在各国相继发展起来的。它主要是利用土地以及其中的微生物和植物的根系，对污染物的净化能力来处理污水或废水，同时利用其中的水分和肥分来促进农作物、牧草或树木生长的工程设施。,第11章 生物技术与环境教案-讲授新课（一）污水处理,2、特点；污水处理土地系统具有投资少、能耗低、易管理和净化效果好的特点。主3、类型：分为三种类型，即慢速渗滤系统（SR）、快速渗滤系统（RI）和地表漫流系统（OF）。此外，也常采用将上述两种系统结合起来使用的复合系统。,第11章 生物技术与环境教案-讲授新课（一）污水处理,4、去污原理；污水处理土地系统一般由污水的预处理设施，污水的调节与储存设施，污水的输送、分流及控制系统，处理用地和排出水收集系统等组成。该处理工艺是利用土地生态系统的自净能力来净化污水。土地生态系统的净化能力包括土壤的过滤截留、物理和化学的吸附、化学分解、生物氧化以及植物和微生物的吸收和摄取等作用。,第11章 生物技术与环境教案-讲授新课（一）污水处理,主要过程是：污水通过土壤时，土壤将污水中处于悬浮和溶解状态的有机物质截留下来，在土壤颗粒的表面形成一层薄膜，这层薄膜里充满着细菌，能吸附污水中的有机物，并利用空气中的氧气，在好氧菌的作用下，将污水中的有机物转化为无机物，如二氧化碳、氨气、硝酸盐和磷酸盐等；土地上生长的植物，经过根系吸收污水中的水分和被细菌矿化了的无机养分，再通过光合作用转化为植物体的组成成分，,第11章 生物技术与环境教案-讲授新课（一）污水处理,从而实现有害的污染物转化为有用物质的目的，并使污水得到利用和净化处理。主要过程是：污水通过土壤时，土壤将污水中处于悬浮和溶解状态的有机物质截留下来，在土壤颗粒的表面形成一层薄膜，这层薄膜里充满着细菌，能吸附污水中的有机物，并利用空气中的氧气，在好氧菌的作用下，将污水中的有机物转化为无机物，如二氧化碳、氨气、硝酸盐和磷酸盐等；,第11章 生物技术与环境教案-讲授新课（一）污水处理,土地上生长的植物，经过根系吸收污水中的水分和被细菌矿化了的无机养分，再通过光合作用转化为植物体的组成成分，从而实现有害的污染物转化为有用物质的目的，并使污水得到利用和净化处理。多媒体展示污水处理土地系统,第11章 生物技术与环境教案-讲授新课（一）污水处理,（四）活性污泥处理法1、含义；活性污泥是由具有生命活力的多种微生物类群组成的颗粒状絮绒物，有时称之为生物絮体。好氧微生物是活性污泥中的主体生物，其中又以细菌最多。同时还有酵母菌、放线菌、霉菌以及原生动物和后生动物等，它们共同构成一个平衡的生态系统。,第11章 生物技术与环境教案-讲授新课（一）污水处理,2、特点；正常的活性污泥几乎无臭味，略有土壤的气味，多为黄色或褐色。活性污泥的粒径小，在0.020.2mm之间，有较大的比表面积，利于吸附与净化处理废水中的污染物。,第11章 生物技术与环境教案-讲授新课（一）污水处理,3、去除污染物的基本原理：活性污泥与废水充分接触混合后，由于活性污泥颗粒有较大的比表面积，其表面的粘液层能迅速吸附大量的有机或无机污染物。吸附过程约在30min内即可完成，可去除废水中70以上的污染物。被吸附的有机或无机污染物又在微生物酶的作用下，进行分解或合成代谢作用，实现了物质的转化，从而使废水或污水得以净化。多媒体展示：一个常用的污水处理装置,第11章 生物技术与环境教案-讲授新课（一）污水处理,（五）生物膜处理法含义：生物膜处理法（bio-film treatment process），又称为生物过滤法、固着生长法、或简称为生物膜法。通过渗滤或过滤生物反应器进行废水好氧处理的方法。在这个系统中，液体流经不同的滤床表面。滤床填料可以是石头、砂砾或塑料网等，其表面附着的大量微生物群落可以形成一层粘液状膜，即生物膜。生物膜中的微生物与废水不断接触，能吸附去除有机物以供自身生长。,第11章 生物技术与环境教案-讲授新课（一）污水处理,生物膜的生物相由细菌、酵母菌、放线菌、霉菌、藻类、原生动物、后生动物以及肉眼可见的其他生物等群落组成，是一个稳定平衡的生态系统。大量微生物的生长会使生物膜增厚，同时使其生物活性降低或丧失。举例：生物滤池,第11章 生物技术与环境教案-讲授新课（二）大气净化生物滤池法,二、大气净化生物滤池法（一）处理流程：,（二）过程描述：1）废气收集和输送2）一体化生物滤池废气进入到生物滤池，微生物把致臭污染物降解成无臭的化合物。生物滤池将致臭污染物降解成二氧化碳和水，没有二次污染，生物降解的反应式是：微生物污染物+O2 细胞物质+CO2+H2O,第11章 生物技术与环境教案-讲授新课（二）大气净化生物滤池法,（三）性能特点：1）生物滤池的异味处理效果非常好，在任何季节都能满足各地最严格的环保要求。2）不产生二次污染。3）微生物能够依靠填料中的有机质生长，无须另外投加营养剂。因此停工后再使用启动速度快，周末停机或停工1至周后再启动能立即达到很好的处理效果，几小时后就能达到最佳处理效果。停止运行3至4周再启动立即有很好的处理效果，几天内恢复最佳的处理效果。,第11章 生物技术与环境教案-讲授新课（二）大气净化生物滤池法,4）生物滤池缓冲容量大，能自动调节浓度高峰使微生物始终正常工作，耐冲击负荷的能力强。5）运行采用全自动控制，非常稳定，无须人工操作。易损部件少，维护管理非常简单，基本可以实现无人管理，工人只需巡视是否有机器发生故障。6）生物滤池的池体采用组装式，便于运输和安装；在增加处理容量时只需添加组件，易于实施；也便于气源分散条件下的分别处理。,第11章 生物技术与环境教案-讲授新课（二）大气净化生物滤池法,7）此类过滤形式的生物滤池能耗非常低，在运行半年之后滤池的压力损失也只有500Pa左右。8）其主要缺点是占地面积较大，但可以通过放置在屋顶或其他构筑物上来节省空间。,第11章 生物技术与环境教案-讲授新课（二）大气净化生物滤池法,三、固体废弃物的生物处理 固体废弃物主要包括固体生活垃圾和生产废弃物.下面简要介绍固体生活垃圾的生物处理及废弃物矿渣生产的生物淋溶处理.（一）固体垃圾的生物处理 世界各国处理城市垃圾的方法主要有3种,即填埋,堆肥和焚烧等,其中填埋和堆肥主要是通过微生物的作用来完成垃圾处理的.,第11章 生物技术与环境教案-讲授新课（三）固体废弃物的生物处理,1、填埋技术 填埋技术就是将固体废物存积在大坑或低洼地,并通过科学的管理来恢复地貌和维护生态平衡的工艺.填埋法处理垃圾量大,简便易行,投入少,是自古以来人类处理生活垃圾的一种主要方法.,第11章 生物技术与环境教案-讲授新课（三）固体废弃物的生物处理,2、堆肥法堆肥是在铺有固体有颗粒的低床上进行的，固有的微生物在其中生长和繁殖。堆肥的方式有静止堆积、通气堆积、通道堆积或在旋转生物反应器中堆积等。也可以对废料进行某种形式的预处理，如通过切碎或磨碎的方法减少颗粒的大小。堆肥处理的基本生物学反应是有机基质与氧混合发生氧化反应，生成co2，水或其他有机副产品。堆肥完成后终产品常需放置一段时间加以稳定。,第11章 生物技术与环境教案-讲授新课（三）固体废弃物的生物处理,未来的堆肥技术应有如下四个标准:要有合理的永久性的底层结构,以避免有害渗漏物污染到地下水源.堆肥基质的质与量要适合,这是影响终产品质量的主要因素.形成终产品的市场.这是堆肥技术得以推广的保证.处理过程不污染环境,并且在经济上可行.,第11章 生物技术与环境教案-讲授新课（三）固体废弃物的生物处理,（二）矿渣的生物淋溶处理 生物淋溶技术主要指微生物冶金或微生物浸矿技术,它是近代湿法冶金工业上的一种新工艺.应用微生物溶浸某些贫矿,废矿,尾矿或火冶炉渣等时,微生物可以通过其溶解作用,即淋溶作用,来回收提取有商业价值的贵重金属或稀有金属.微生物采矿可以防止矿产资源的流失,达到最大限度地利用矿藏的目的;同时还能避免或减少固体废物对环境的污染.,第11章 生物技术与环境教案-讲授新课（三）固体废弃物的生物处理,四、生物修复技术的应用（一）石油污染的生物修复 1、方法 一种方法是通过增加营养盐以促使土著微生物的生长.土著微生物种群长时间暴露在特定的污染化合物中时,某些亚种群会形成有限的代谢能力以利用或降解不适的污染物.这些特殊微生物的生长同样受营养状况的限制.当加入N,P等生长必需的营养物后,会促使这些微生物加快生长,相应地促进了污染物的降解.,第11章 生物技术与环境教案-讲授新课（四）生物修复技术的应用,举例：利用这种原理,人们在19891990年成功地清除了Exxon Valdez号油轮在Prince William Sound海岸和阿拉斯加湾海岸的漏油.,第11章 生物技术与环境教案-讲授新课（四）生物修复技术的应用,第二种方法是通过生物反应器培养,增加有益微生物的数量,然后再将这些微生物混合类群接种到污染地进行生长,繁殖.这种方法已在一些地方得以成功应用。举例：某些公司现已将微生物制成菌剂并商品化,能显著增加油污的降解速率.其中一种菌剂为白腐菌,这是一种常用的木质素材料的降解者,通过它们能降解许多危害极大的工业污染物如PCB等.,第11章 生物技术与环境教案-讲授新课（四）生物修复技术的应用,2、不足：石油类化合物的生物修复技术目前仍有一些限制,其中包括:具有降解作用的土著微生物要能完全适应特定的待处理的环境;引入的外源微生物必须能在新的环境中成活,同时还能与原有的土著微生物竞争;添加的菌剂必须与污染物紧密接触,在水生环境中要避免被稀释.多媒体展示：利用生物恢复技术处理石油溢漏存在的优势和不足之处见表11-4.,第11章 生物技术与环境教案-讲授新课（四）生物修复技术的应用,五、生物技术在环境监测和评价上的应用（一）指示生物 1、细菌的生长和繁殖极为迅速,作为指示生物具有周期短,运转费用低,数据资料可靠等特点。根据污染物对细菌的作用不同,可分别选用细菌生长抑制试验,细菌生化毒理学方法,细菌呼吸抑制试验和发光细菌监测技术等监测污染状况.举例：1966年,发光菌首次被用于检测空气样品中的毒物.20世纪70年代末期,第一台毒性生物检测器问世,并投放市场,相应发展起来的发光菌毒性测试技术,引人注目.,第11章 生物技术与环境教案-讲授新课（四）生物技术在环境监测和评价上的应用,2、藻类和高等植物也能作为污染的指示生物.举例：一些藻类不能存活在某种污染物环境中,因此如果在环境中检测到这些藻类大量存在,相应地可以说明环境中没有该种污染物.,第11章 生物技术与环境教案-讲授新课（四）生物技术在环境监测和评价上的应用,（二）核酸探针和PCR技术 1、核酸杂交指单链DNA片段在适合的条件下能和与之互补的另一个单链片段结合(见2.5.1.4).如果对最初的DNA片段进行标记,即做成探针,就可监测外界环境中有无对应互补的片段存在.利用核酸探针杂交技术可以检测水环境中的致病菌,如大肠杆菌,志贺氏菌,沙门氏菌和耶尔森氏菌等.也可用于检测病毒,如乙肝病毒,艾滋病病毒等.,第11章 生物技术与环境教案-讲授新课（四）生物技术在环境监测和评价上的应用,缺点：目前利用DNA探针检测微生物成本较高,因此无法对饮用水进行常规性的细菌学检验;此外,检测的微生物数量微少时,分析有困难;同时要对微生物进行分离培养后方能进行检测.,第11章 生物技术与环境教案-讲授新课（四）生物技术在环境监测和评价上的应用,2、PCR技术是特异性DNA片段体外扩增的一种非常快速而简便的新方法(见 2.1.3),有极高的灵敏度和特异性.对于微量甚至常规方法无法检测出来的DNA分子通过PCR扩增后,由于其含量成百万倍地增加,从而可以采用适当的方法予以检测.它可以弥补DNA子直接杂交技术的不足.,第11章 生物技术与环境教案-讲授新课（四）生物技术在环境监测和评价上的应用,优点：采用PCR技术可直接用于土壤,废物和污水等环境标本中的生物检测,包括那些不能进行人工培养的微生物的检测.举例：利用PCR技术可以检测污水中大肠杆菌类细菌举例：PCR技术还可用于环境中工程菌株的检测.,第11章 生物技术与环境教案-讲授新课（四）生物技术在环境监测和评价上的应用,3、生物芯片 生物芯片(biochip)是近年来在生命科学领域中迅速发展起来的一项高新技术。它是一种通过微加工技术和微电子技术将生物探针分子(寡聚核苷酸,cDNA,基因组DNA,多肽,抗原,抗体等)固定在硅片,玻璃片,塑料片,凝胶,尼龙膜等固相介质表面而构建的微型生物化学分析系统,可以对细胞,蛋白质,DNA以及其他生物组分进行准确,快速和大信息量的检测(见2.5.1.5).,第11章 生物技术与环境教案-讲授新课（四）生物技术在环境监测和评价上的应用,当待分析样品中的生物分子与生物芯片的探针分子发生杂交或相互作用后,可以利用激光共聚焦显微扫描仪等对杂交信号进行高通量检测,因此生物芯片技术将生命科学研究中所涉及的许多分析步骤整合起来,使样品检测,分析过程连续化,集成化,微型化。,第11章 生物技术与环境教案-讲授新课（四）生物技术在环境监测和评价上的应用,4、生物传感器及其他 含义：生物传感器是以微生物,酶,抗原或抗体等具有生物活性的生物材料作为分子识别元件的一类特殊的化学传感器其基本工作原理是,待测物质经扩散作用进入生物活性材料,经生物材料的分子识别后,发生生物学反应,产生的信息被相应的物理或化学换能器转变成可定量和可处理的电信号,再经二次仪表放大并输出,由此可知待测物的性质及浓度.,第11章 生物技术与环境教案-讲授新课（四）生物技术在环境监测和评价上的应用,类型：生物传感器包括许多类型举例：日本曾研制开发出可测定工业废水BOD的微生物传感器,此种传感器测定法可以取代传统的5天BOD测定法,其基本原理是,当生物传感器置于恒温缓冲溶液中时,在不断搅拌下,溶液被氧饱和,生物膜中的生物材料处于内源呼吸状态,溶液中的氧通过微生物的扩散作用与内源呼吸耗氧达到一个平衡,传感器输出一个恒定电流.,第11章 生物技术与环境教案-讲授新课（四）生物技术在环境监测和评价上的应用,当加入样品时,微生物由内源呼吸转入外源呼吸,呼吸活性增强,导致扩散到传感器的氧减少,相应输出的电流也减少,几分钟后,又达到一个新的平衡状态.在一定条件下,传感器输出电流值与BOD浓度呈线性关系,故可定量检测工业废水的 BOD值.优点：生物传感器具有成本低,易制作,使用方便,测定快速及在线监测等优点,作为一种新的环境监测手段具有广阔的发展前景.,第11章 生物技术与环境教案-讲授新课（四）生物技术在环境监测和评价上的应用,实验：社会调查：生物技术在周边地区环境中应用,第11章 生物技术与环境教案-讲授新课实验,课程小结：应用现代生物技术进行环境污染治理和监测是解决当今社会环境问题的重要途径.环生物技术包括的内容极为丰富,主要是利用生物有机体的吸收,吸附,积累,降解,结合等机能达到降低或净化环境中污染成分的目的.在污水处理方面,即可利用稳定塘,水生植物塘,人工湿地和土地处理系统等净化处理技术,也可采用活性污泥法和生物膜法等处理技术.前者操作简便,维持费用少,技术难度低,但占地面积大;后者需要的时间短,去污效率高,广泛用于城市污水处理.,第11章 生物技术与环境教案-讲授新课课程小结,净化废气常用的方法有:生物过滤法,生物洗涤法和生物吸收法等,所采用的生物反应器包括生物净气塔,渗滤器和生物滤池等.固态垃圾或废弃物可以利用填埋和堆肥等生物技术减量处理.填埋地和堆肥地的合理管理,微生物作用条件的正确控制是填埋和堆肥技术成功的保障.生物淋溶技术,即利用微生物溶浸某些废矿,贫矿等能回收提取有商业价值的贵重金属或稀有金属如铜,锰,黄金和铀等,既能防止矿产资源的流失,又能避免或减少固体废物的污染.,第11章 生物技术与环境教案-讲授新课课程小结,生物修复技术是近年来备受关注的污染治理方法,可用于清除石油污染,重金属污染及地下水污染等,有广泛的应用前景.在环境监测与评价方面,主要的生物技术包括:利用细菌,藻类等生长快速的生物作为指示生物;核酸杂交和PCR技术;生物传感器和生物芯片等.,第11章 生物技术与环境教案-讲授新课课程小结,复习思考题1.生物法处理污水或废水有哪几种常见方法 污水治理的意义何在？2.空气污染治理与水污染治理有什么关系 常见的方法有哪几种？3.填埋技术有哪些优点 为什么说堆肥技术是一种可循环利用资源的方法？4.什么是生物修复技术 举例说明其应用价值？5.举例说明生物技术在环境检测方面的应用。,第11章 生物技术与环境教案-讲授新课复习思考题,主要参考文献：1.藏文超.1998.我国城市生活垃圾现状与管理问题.环境保护.(2):4143 2.程锦泉等.1993.细菌在环境污染物毒性检测中的应用.环境科学.14(6):5559 3.程树培.1994.环境生物技术.南京:南京大学出版社 4.丰捃明.1993.固体废物的处理与处置.北京:高等教育出版社,第11章 生物技术与环境教案-讲授新课主要参考文献,9.彭清涛.1998.植物在环境污染治理中的应用.环境保护.(2):2427 10.宋瑞祥.1998.对我国资源,环境现状与可持续发展战略问题的思考.环境保护.(7):9 11.王建龙,文湘华.2001.现代环境生物技术.北京:清华大学出版社12.吴鸿强.1998.城市垃圾堆肥深度加工的处理工艺及设备.环境保护.(3):2224,第11章 生物技术与环境教案-讲授新课主要参考文献,13.吴晓磊.1995.人工湿地废水处理机理.环境科学.16(3):8386 14.张世森.1992.环境监测技术.北京:高等教育出版社 15.张志杰,张维平.1991.环境污染生物监测与评价.北京:中国环境科学出版杜 16.诸惠昌,胡纪萃.1993.新型废水处理工艺人工湿地的设计方法.环境科学.14(2):3943,第11章 生物技术与环境教案-讲授新课主要参考文献,
