生物代谢与生物制剂开发

null生物代谢与 生物制剂的开发生物代谢与 生物制剂的开发主讲：杨基先 0451-86283088 yanghit27@163.com yangxj@hit.edu.cn一、概述一、概述环境问与环境污染 环境生物制剂的开发 环境生物制剂的应用 一、概述一、概述环境问题与环境污染 nullnullnull2006年6月3日的滇池2006年6月3日的滇池nullnull生物与环境关系的基本原理生物与环境关系的基本原理null生物与环境关系的基本原理生物与环境关系的基本原理淮河流域水污染淮河流域水污染null环境生物制剂的开发环境生物制剂的开发环境生物制剂(environment biological preparation)是指以生物学、环境学、生态学、化学等多学科理论为基础，以监测、改善环境状况和强化处理系统稳定、高效为目标，通过菌群构建等科学方法得到的具有特殊功能的生物制品。 环境生物制剂的开发大致包括高效菌种的获得（富集、筛选、驯化、诱变、基因重组、细胞融合等方法）， 生产工艺（生产条件和产品提取）及工程应用。 null环境生物制剂的应用 在废水处理中的应用 在空气污染控制中的应用 在固体废物处理与资源化中的应用 在生物修复中的应用 null秸杆类生物质能源化与资源化的系统工艺 注：①图中数字代表本项研究设置的8个课题；②双实线代表总体技术路线及各工艺；③虚线带点的图框内是工艺系统的终端产物二、环境生物制剂开发的基本方法二、环境生物制剂开发的基本方法环境生物制剂特点及其研究要求 环境生物制剂的研究方法 微生物的生理学原理 微生物的生态学原理 环境生物制剂特点及其研究要求环境生物制剂特点及其研究要求环境生物制剂的特点 优点： ①针对性较强，涉及众多学科，属技术密集型产品；②依据处理对象的不同，产品多样化，用途广泛； ③它能缩短微生物培养驯化的时间，迅速提高工作效率； ④使用安全，操作简单方便，可以随时的处理污染，从而节省能源。 环境生物制剂特点及其研究要求环境生物制剂特点及其研究要求环境生物添加剂、生物吸附剂、微生物絮凝剂、 生物催化剂、生物破乳剂、微生物肥料、 生物修复制剂、有效微生物菌群（EM）等环境生物制剂特点及其研究要求环境生物制剂特点及其研究要求对菌种的要求： 1.菌种为纯种并具有稳定的遗传性； 2.必须能长出营养细胞、孢子或其他可再生单位； 3.能迅速旺盛地生长； 4.能在短时间内产生大量目的产物，产物易于分离。 培养条件： 1.分离与培养在无菌条件下进行； 2.选择适宜的培养基null研究过程：上游工程、下游工程 和工程应用， 获得高效菌种的手段：菌种的富集、筛选、纯化、诱变育种、基因重组、细胞融合等。 在工程应用中，环境生物制剂能否发挥最大的功效是其检验、投加方式、次数、投加量、环境条件等等，均需要从微生物生理生态学角度加以深入研究。 研究方法 二、环境生物制剂开发的基本方法二、环境生物制剂开发的基本方法目的菌的富集培养 富集培养的一般操作方法 厌氧微生物的富集培养 土壤环流法 选择培养基法 二、环境生物制剂开发的基本方法二、环境生物制剂开发的基本方法直接筛选 高效菌群 (1)分离筛选的原则与方法 确定目标 选择分离源 确定筛选条件：选择培养基、培养条件、对毒物和抗菌素的抗性。 (2)各类微生物的分离与计数 (3)特定微生物的分离培养纯化分离菌种 纯化分离菌种 从自然界或其它不同途径分离筛选得到的微生物，首先要经过纯种分离。浓厚培养基中得到的菌种，接入固体培养基后生长出来的一些首批菌落，即便是一个单菌落也不能认为是纯的菌种。所以，还要把已分离好的菌落制成悬浊液，取其一部分在无菌稀释液中做一次培养，在培养皿上再次观察，以检测其纯化程度。如有必要，还要做一系列的稀释培养，连续进行单孢子分离，以得到纯种的微生物。 原因？二、环境生物制剂开发的基本方法二、环境生物制剂开发的基本方法诱变育种 出发菌株的选择 诱变剂的选择 诱变剂量的选择 突变体的筛选 二、环境生物制剂开发的基本方法二、环境生物制剂开发的基本方法构建基因工程菌 基因工程(genetic engineering),是指用人为的方法将所需要的某一供体生物的遗传物质——DNA大分子提取出来，在离体条件下用适当的工具酶进行切割后，把它与作为载体(Vector)的DNA分子连接起来，然后与载体一起导入某一更易生长、繁殖的受体细胞中，以让外源物质在其中“安家落户”，进行正常的复制和表达，从而获得新物种的一种崭新技术。 二、环境生物制剂开发的基本方法二、环境生物制剂开发的基本方法基因工程的基本操作过程： 目的基因的获取 载体的选择 目的基因与载体DNA的体外重组 重组DNA分子进入受体细胞 筛选优良菌种 将目的基因克隆到表达载体上 null用质粒育种构建石油降解功能菌示意图二、环境生物制剂开发的基本方法二、环境生物制剂开发的基本方法固定化微生物技术 固定化技术是指通过物理、化学手段将单一或混合的游离细胞或酶固定在特定的载体上，使其保持活性并可反复利用的一项生物工程技术。  优点？二、环境生物制剂开发的基本方法二、环境生物制剂开发的基本方法 固定化微生物技术中载体的选择 经常采用的生物固定化方法主要有：载体结合法、包埋法、交联法和共价结合法 各种固定化方法的比较 二、环境生物制剂开发的基本方法二、环境生物制剂开发的基本方法 微生物生理学的本质就是研究有机体的化学组成、性质、存在形式、结构和功能与微生物生命活动之间的关系，以及微生物生命活动过程中的化学变化规律。微生物生理学原理 二、环境生物制剂开发的基本方法二、环境生物制剂开发的基本方法 微生物的营养及营养成分 微生物吸收和利用营养物质的过程称为营养 代谢转化模式图 null微生物生态学原理 1.生态条件 2.种间关系 3.群落结构 三、高效工程菌的构建 三、高效工程菌的构建 高效工程菌构建的意义和一般方法 高效工程菌的筛选 高效工程菌的驯化 高效工程菌的生态组合 三、高效工程菌的构建 三、高效工程菌的构建 高效工程菌构建的意义和一般方法 什么是工程菌？构建高效工程菌的意义？null工程菌组建的一般方法 三、高效工程菌的构建 三、高效工程菌的构建 微生物法 微生物法的基本原理：利用微生物的代谢作用，在污染场所投加购买的成品菌株或筛选驯化的现场菌株，迅速提高污染介质中的微生物浓度，在短期内提高污染物生物降解速率。 局限性：与在实验室相比较，菌株在现场的降解能力可能有所下降，现场适应可能有困难；可能需要多次投加菌种；应用可能受TSCA条文限制（毒物控制条例）。 三、高效工程菌的构建 三、高效工程菌的构建 微生物生态法 微生物生态法的原理：通过调节污染场所的微生物生存状况，加速现场微生物降解有机污染物。 特点：评估和应用过程较为简单；费用少于微生物法。难以确知治理所需的时间以及估计最终可能达到的污染物浓度；不适于处理分散的污染物和浓度过高或过低的污染物。三、高效工程菌的构建 三、高效工程菌的构建 高效工程菌的筛选 微生物在土壤中的分布 土壤中的微生物包括细菌、放线菌、真菌、螺旋体、藻类和病毒，以及原生动物。其中，细菌最多，占土壤微生物总量的70%~90%，放线菌、真菌其次，藻类和原生动物等的数量较小。三、高效工程菌的构建 三、高效工程菌的构建 高效工程菌的筛选 微生物在水体中的分布 在远海区域 在废水排放口处 在溶解氧高的条件下 三、高效工程菌的构建 三、高效工程菌的构建 高效工程菌的筛选 微生物在空气中的分布 空气中的微生物大多为非致病性微生物，常见的有芽孢杆菌属、无色杆菌属以及一些放线菌、霉菌等。 三、高效工程菌的构建 三、高效工程菌的构建 一些极端微生物的应用 嗜热菌 冷适应微生物 嗜酸菌 嗜碱菌 嗜盐菌 贫营养微生物三、高效工程菌的构建 三、高效工程菌的构建 工程菌的筛选方法 一般方法： (1)采集适宜的筛选样品 (2)工程菌的分离 (3)工程菌的纯化 三、高效工程菌的构建 三、高效工程菌的构建 从样品中分离细菌的过程 null平板划线法示意图 三、高效工程菌的构建 三、高效工程菌的构建 诱变育种方法 出发菌株绝大多数 个体死亡 少数存活多数未变 少数突变多数幅度小 少数幅度大多数不宜投产 少数适宜投产诱变诱变育种的基本环节 三、高效工程菌的构建 三、高效工程菌的构建 工程菌的鉴定 形态特征的观察 培养特征的观察 生理生化反应鉴定 三、高效工程菌的构建 三、高效工程菌的构建 高效工程菌的驯化 工程菌驯化的意义 三、高效工程菌的构建 三、高效工程菌的构建 a b a b c a b c 工程菌驯化过程生态位的变化 三、高效工程菌的构建 三、高效工程菌的构建 工程菌驯化过程的生长曲线 三、高效工程菌的构建 三、高效工程菌的构建 工程菌驯化的一般过程 三、高效工程菌的构建 三、高效工程菌的构建 高效工程菌的稳定性 工程菌在石化水深度处理中的应用实例 由于一般所用的载体都具有表面粗糙、多孔隙且孔隙间不联通等结构特点，固定在载体表面的工程菌可以在载体上占据适当的位置，避免了直接的竞争，最终可以实现生态位分离。生态位的分离可能来源于工程菌种群本身（筛选出工程菌自身的代谢方式），也可能来源于生境（工程菌通过生理上的生化调节作用去适应现在的生境），或者来源于种群与生境之间的协调关系（工程菌去适应生境，同时又对生境产生影响，它们最终达到平衡状态）。由于从一开始工程菌为了生存会产生空间的竞争，要通过不断的循环同化才得以实现。 三、高效工程菌的构建 三、高效工程菌的构建 高效工程菌的应用 工程菌在石化水深度处理中的应用实例 石化废水经过二级处理后残留的有机污染物均为氯代烃、芳香烃等难降解有机物，且经二级处理后可生化性较低。考虑臭氧化能提高废水的生化性和有杀菌作用，考虑到固定化生物技术的抗冲击负荷能力强、停留时间短、运行费用低等特点，采用臭氧-固定化曝气生物活性炭滤池工艺（O3-IBACF）来处理。同时用自然形成的曝气生物活性炭滤池（BACF）来做对比。 三、高效工程菌的构建 三、高效工程菌的构建 工程菌在石化水深度处理中的应用实例 石化废水经过二级处理后残留的有机污染物均为氯代烃、芳香烃等难降解有机物，且经二级处理后可生化性较低。考虑臭氧化能提高废水的生化性和有杀菌作用，考虑到固定化生物技术的抗冲击负荷能力强、停留时间短、运行费用低等特点，采用臭氧-固定化曝气生物活性炭滤池工艺（O3-IBACF）来处理。同时用自然形成的曝气生物活性炭滤池（BACF）来做对比。 三、高效工程菌的构建 三、高效工程菌的构建 工程菌在石化水深度处理中的应用实例 实验过程： （1）分别用选择性培养基，从二级处理的曝气池中筛选出除COD和油的菌种6株，亚硝化菌5株，硝化细菌5株，并通过摇床试验确定出工程菌的最佳生长条件。 （2）将6株除COD和油的工程菌定为1号工程菌，硝化细菌（亚硝化菌5株和硝化细菌5株）定为2号工程菌。分别对1号工程菌和2号工程菌进行扩大培养和驯化，以备用。 （3）第一阶段，首先在IBACF柱上接种1号工程菌进行启动，启动期间不投加臭氧。启动阶段的处理率见图。 三、高效工程菌的构建 三、高效工程菌的构建 启动阶段IBACF和BACF对COD的去除率 启动阶段IBACF和BACF对油类的去除率 三、高效工程菌的构建 三、高效工程菌的构建 工程菌在石化水深度处理中的应用实例 （4）在第一阶段启动24天后，对IBACF和BACF的运行进行考察，见图。 第一阶段IBACF和BACF对COD的出去效果 null第一阶段IBACF和BACF对油类的出去效果 null第一阶段IBACF和BACF对氨氮的出去效果 IBACF比BACF对COD和油类的去除率分别高15%和10% 三、高效工程菌的构建 三、高效工程菌的构建 工程菌在石化水深度处理中的应用实例 （5）第二阶段，在IBACF柱上接种2号工程菌。IBACF对COD的去除效率从82%下降到60%，对氨氮的去除率第三天起明显增高，由8%提高到50%。在第二阶段，溶解氧是限制因子，要使出水保持在3mg/L左右。去除效果见图。 BACF对COD和氨氮的去除率和第一阶段没有明显变化；与第一阶段相比，IBACF的对COD的去除率从70%以上降至60%，对氨氮的去除率从10%上升至80%。 null第二阶段BACF对COD和氨氮的去除效果 null第二阶段IBACF对COD和氨氮的去除效果 三、高效工程菌的构建 三、高效工程菌的构建 工程菌在石化水深度处理中的应用实例 IBACF柱上滤层高度对COD和氨氮去除率的影响，见图，其中取样口标号从小到大与水流方向一致，q代表水力负荷（单位是m3/m2·h）。 null IBACF滤层高度与COD去除率关系 IBACF滤层高度与氨氮去除率关系 三、高效工程菌的构建 三、高效工程菌的构建 工程菌在石化水深度处理中的应用实例 图中曲线拐点对应的取样口是一致的，说明好氧型异氧菌在与自养型硝化菌的竞争中占优势，从COD和氨氮的去除率趋势可以看出，好氧型异氧菌在与自养型硝化菌在空间上产生了分离。 三、高效工程菌的构建 三、高效工程菌的构建 工程菌在石化水深度处理中的应用实例 （6）在试验过程中，每隔2个月在活性炭柱的底层、中层和上层取样，来测定细菌量的变化。IBACF中各层菌量处于同一个数量级上，在底层和上层数量较多，中层较少；BAC上的菌量明显少于IBACF，这是因为工程菌经过驯化更具有适应性。 在系统运行了7个月之后，对活性炭柱上的微生物进行了鉴定，从IBACF上分离出23株菌，从BACF上分离出了16株菌。通过鉴定表明：IBACF上基本保持着投加的工程菌占优势，比最初投加的工程菌多8株，它们是在运行过程中被自然选择而繁殖起来的。 四、生物制剂添加技术四、生物制剂添加技术 生物制剂添加技术，也称为生物增强技术（bioaugmentation），是指将特殊的菌种配方，按一定，添加到生物处理体系中，以促进该系统的生物处理效率提高的方法。也可以说，生物制剂添加技术是指向污染体系中添加从自然界筛选出的高效菌株或通过生物工程手段获得的工程菌，去除某一种或某一类有毒有害、难降解的有机物，以提高体系的处理效率。 null生物制剂添加技术的提出及发展 生物制剂添加技术的投加方式和机理 生物制剂的添加使用方法 生物制剂添加技术的应用原则 生物添加系统中微生物的存活及活性检测技术的发展 生物添加系统的优化设计 生物制剂添加技术作用的效果及 评估生物制剂效益的理论及方法 生物制剂添加技术的应用 4.1生物制剂添加技术的提出及发展 4.1生物制剂添加技术的提出及发展生物制剂添加技术的提出 从生态学角度讲，处理系统的微生物群落的组成决定着某类化合物的去除效果，而对于难降解物质而言，系统中去除难降解物质的微生物的量不足够大，并且还受到其它生物的竞争、捕食，很难发挥作用，将导致去除率低；另一方面是生态因子的影响，例如温度、pH、DO等不利于特定微生物发挥其降解功能。但是后者可人工调控，因此是否存在一定数量的降解某类化合物的微生物就成了问题的关键。生物制剂添加技术就是基于此而提出的。 4.1生物制剂添加技术的提出及发展 4.1生物制剂添加技术的提出及发展生物制剂添加技术的发展 19世纪就已应用于酿酒工业 1951年Georg Jettries 等将生产的干燥生物制剂添加于废水处理系统中 生物制剂添加技术的真正发展始于20世纪70年代中期 80年代以来得到广泛的的研究和应用 4.2 生物制剂添加技术的投加方式和机理4.2 生物制剂添加技术的投加方式和机理 目前采用的生物制剂添加技术一般通过投加有效降解的微生物，优化现有处理系统的营养供给，添加底物的类似物来刺激微生物生长或提高其活力来实现。 null 生物添加技术的技术 路线4.2 生物制剂添加技术的投加方式和机理null 直接投加特效降解微生物 目前，生物制剂添加技术应用最为普遍的方式是直接投加对目标污染物具有特效降解能力的微生物，这种特效微生物经过筛选、培养、驯化之后，投入到该废水中，以目标污染物为唯一碳源和能源，废水中的微生物可以附着在载体上，形成高效生物膜；也可以以游离的状态存在。 4.2 生物制剂添加技术的投加方式和机理null加表4-14.2 生物制剂添加技术的投加方式和机理null 几组直接投加特效降解微生物的实验4.2 生物制剂添加技术的投加方式和机理null利用脱酚菌处理煤气废水 利用对煤气废水具有良好处理能力的高效脱酚菌的活性污泥，考察生物强化活性污泥对煤气废水的降解效果，将脱酚工程菌投入连续运行的生化处理曝气池内。 4.2 生物制剂添加技术的投加方式和机理null工程菌强化生物处理的COD降解效果 4.2 生物制剂添加技术的投加方式和机理null实验表明： 脱酚菌在废水处理系统中不能形成絮凝体，易流失； 投加的工程菌没有系统中固有菌的竞争能力强，不能强有力地摄取有限的营养物质。加之微生物之间的关系，添加的工程菌很难占优势 在游离状态，工程菌可被微型动物捕食，促进了微型动物的生长，从而削弱了工程菌作用的发挥，原生动物的吞噬是导致菌体流失的重要因素； 4.2 生物制剂添加技术的投加方式和机理null实验表明： 投加的高效脱酚菌优先利用其他易于利用的底物，投加后环境的改变使脱酚菌特殊的降解活性退化； 废水中存在抑制剂，抑制脱酚菌的生长和代谢； 利的环境因素，如废水的pH 值、温度、DO的影响等。 4.2 生物制剂添加技术的投加方式和机理null 投加遗传工程菌 4.2 生物制剂添加技术的投加方式和机理null 投加生物共代谢基质及辅助营养物质 4.2 生物制剂添加技术的投加方式和机理4.3 生物制剂添加使用方法4.3 生物制剂添加使用方法 一般生物制剂的使用方法为：将干燥的生物制剂置于27~38℃的温水中浸渍一段时间（1~12h不等，视产品而异），使其活化后，以浆状添加到处理系统中。生物制剂与温水的比例，以及投入量等均按各厂家的使用需要而定。如为液态成品生物制剂，则可直接投入处理系统中，无需活化。 4.3 生物制剂添加使用方法4.3 生物制剂添加使用方法需注意的是：生物制剂必须贮存于干燥且适温（不超过40℃）的场所，5℃以下生物制剂无活性；过酸或过碱，都足以使其死亡；勿使皮肤黏膜沾到生物制剂以免发生过敏反应。 某生物制剂的环境条件 4.3 生物制剂添加使用方法4.3 生物制剂添加使用方法 此外，生物制剂必须在合理的处理系统中才能生长并发挥其效能。合适的pH值、温度、DO、足够的养分（N、P），都与微生物制剂的效能有关。例如，一般操作有问题时同时发生球衣菌大量增殖现象。这种细菌在低DO时，生长速度会超过水处理系统中的一般性细菌（包括微生物制剂）；在高DO时，所需要的细菌的生长速率会高于球衣菌。此外，球衣菌能以聚β-羟基丁酸盐作为能源，在系统中养分不足时存活最久，最具竞争力。可见生物制剂必须在条件适宜的系统中才能发挥功效。 4.4 生物制剂添加技术的 应用原则4.4 生物制剂添加技术的 应用原则生物制剂在使用系统中必须占优势 生物制剂的主要功能是预处理而非治理 生物制剂不能只添加一次 需要有计划的添加生物制剂 4.5 生物添加系统中微生物的存活及活性检测技术瓣发展4.5 生物添加系统中微生物的存活及活性检测技术瓣发展运用SBR处理纸浆废水 采用PCR和RT/PCR技术 准确评价微生物菌的降解 性4.5 生物添加系统中微生物的存活及活性检测技术瓣发展4.5 生物添加系统中微生物的存活及活性检测技术瓣发展 由于生物标识可以用来追踪生物强化作用后的目标菌，故生物标识的应用及发展备受关注。已有的生物标志有： 有荧光素（luc）基因 编码萤火虫荧光素酶 编码绿色荧光蛋白（gfp） 4.6 生物添加系统的优化设计4.6 生物添加系统的优化设计生物制剂添加技术的成功应用要综合考虑诸多因素。 水质 水量 投菌量 投加方式 营养物质 氧耗 水力停留时间 反应器的构型 4.6 生物添加系统的优化设计4.6 生物添加系统的优化设计投菌量 是微生物添加系统设计的重要参数 随着投菌量的增加，一般增强效果会提高，可明显缩短达到检测限浓度所需要的时间。如Rogerw采用该技术处理1-氨基萘（1-NA）废水，当增强剂投入量分别为1%，2%，5%，10%及50%时（降解1-NA菌的MLVSS∕固有菌的MLVSS），降解速率的提高分别为0%，33%，100%，100%，100%和300%。但菌量投入过大，成本就会升高。投菌量的确定要视水中目标物的含量而定，一般在启动时，采用重投菌，投菌量较大，系统稳定后，投菌量可为启动时的1∕10~1∕8。 4.6 生物添加系统的优化设计4.6 生物添加系统的优化设计投加方式 也是设计时考虑的一个重要方面。 投加后的微生物面临的是一个复杂的生态环境，既有微生物种群之间的竞争，也有被原生动物捕食的可能。因此，若想达到良好的生物强化效果，投加的微生物必须在处理构筑物中保持一定的代谢活力，维持一定的数量，另外，废水处理构筑物中往往同时含有多种化合物，有的可能对投加的微生物有毒害作用，有的可能会被投加的微生物优先利用而影响目标化合物的降解。直接投加，简便易行，但菌体易于流失或被其他微生物吞噬；采用固定化技术，如用高聚物将其包埋，或是固定在载体上，这种方法增强了菌体的竞争性，抗毒物毒性能力，有力地避免了原生动物的捕食。 4.6 生物添加系统的优化设计4.6 生物添加系统的优化设计反应器的构型 不同的反应器投加微生物制剂效果不尽相同。 最初人们把这种技术较多用于悬浮污泥法，如间歇式活性污泥法，曝气塘、氧化沟等，而现在人们尝试将其用于生物膜法，如生物流化床、填充床和升流式厌氧污泥床等，使生物增强菌附着在载体上，如砂砾、颗粒污泥上，减少了菌体的流失。生物制剂添加技术用在不同反应器的强化效果有待于人们进一步研究和探索。 4.7 生物制剂添加技术作用的效果及评价4.7 生物制剂添加技术作用的效果及评价生物制剂添加技术的优点 提高对目标去除物的去除效果 改善污泥性能，减少污泥产生 加快系统启动，增强耐负荷冲击能力和系统稳定性 在系统运行状况不佳时，加速反应系统的恢复 4.7 生物制剂添加技术作用的效果及评价4.7 生物制剂添加技术作用的效果及评价生物制剂添加技术作用弱的原因 污染物的成分复杂 目标菌可利用的物质少 竞争力差 捕食作用 物质降解的顺序性 抑制物的存在 投菌量不足 菌体的流失 生态因子的影响 4.7 生物制剂添加技术作用的效果及评价4.7 生物制剂添加技术作用的效果及评价总菌数测定 生物制剂本质上是多种菌株混合后制备贮存，使用前加以活化，使其活性恢复。因此，干燥成品活化后恢复活性的菌数愈多愈好。 耗氧量测定 氧的消耗量可表示微生物活性，单位菌体好氧量愈大，表示呼吸代谢愈旺盛，微生物活性愈好。 厌气生物制剂活性测定 厌气菌的生长代谢并不消耗氧，也不能在有氧环境下存活，因此需用厌气操作箱。利用厌气菌代谢生成甲烷气的专一特性，收集并测量不同生物制剂消化单一基质的产气量，即可评估厌气生物制剂之活性。 4.7 生物制剂添加技术作用的效果及评价4.7 生物制剂添加技术作用的效果及评价利用生长动力学概念评估添加效益 要使好氧生物废水处理系统效果稳定，必须提供四个条件： ①良好的物理化学环境，减少抑制因子对菌体代谢生长的影响； ②足够的曝气和搅拌，满足微生物代谢对氧之需求； ③提供理想反应系统内生成活性高的微生物，进行代谢； ④控制系统内食／微比的平衡。 4.8 评估生物制剂效益的理论及方法4.8 评估生物制剂效益的理论及方法 总之，成功操作之关键在于微生物能消化基质，并将其转变成细胞及悬浮固体。通过控制废水停留时间、系统中微生物量及F/M可达到上述目的。其间关系可以下列经验公式表示： Qc——生物量停留时间，d； Y——消化单位基质所生成菌体量的效率； F——有机负荷，（kg BOD）／d； M——生物系统内的微生物（量），kg； E——有机质利用率； kd——每日微生物衰亡率，d﹣1； U——生成新菌体的有机负荷量（BOD）。 4.8 评估生物制剂效益的理论及方法4.8 评估生物制剂效益的理论及方法 由上式可以看出系统中固体生物量（M）和基质消化率（E）与新细胞率（Y）有密切的关系。菌体产愈高表示有机物去除愈好。 4.8 评估生物制剂效益的理论及方法4.8 评估生物制剂效益的理论及方法 设计两组相同的活性反应单元，A为控制组，B为对照组（添加生物制剂），A、B二单元在完全相同的条件下操作（有机负荷、水力负荷、曝气量）至稳定状后，A组继续操作，B组开始生物制剂，设计的不同固体停留时间下操作至稳定状态后，分别取得进水和出水的BOD，反应槽中悬浮固体量MLVSS和废水流量Q等数据，据以求取动力学系数Y，kd，ks，k。所依据的方程式如下： 4.8 评估生物制剂效益的理论及方法4.8 评估生物制剂效益的理论及方法Qc——平均菌体停留时间，d； Y——菌体生长系数，mg VSS／mg BOD5； U——食微比，U =F／M； kd——内源呼吸衰减系数； ks——1／2最大生长速率时的基质浓度； [S]——基质浓度； k——单位质量微生物的最大基质利用系数。 4.8 评估生物制剂效益的理论及方法4.8 评估生物制剂效益的理论及方法 实验结果是，在设计及操作良好的处理系统中，添加生物制剂对系统功能并不影响，也就是A，B二组的基质利用系数k并无差异，BOD去除率也相同。运用以上理论及方法为设计进行突增负荷、超负荷等操作不理想的情况下进行生物制剂添加试验，并求取动力学系数及水质分析，据以探讨生物制剂添加的效益。 4.8 评估生物制剂效益的理论及方法4.8 评估生物制剂效益的理论及方法由生物系统动力学变化探讨生物制剂效益 根据Monod方程式有下式。 µ＝µｍ[S] /（ks ＋[S]） 式中 µ——比生长速率，时间﹣1； µｍ——最大比生长速率，时间﹣1； [S]——特定基质浓度； ks——1／2最大生长速率时的基质浓度。 4.8 评估生物制剂效益的理论及方法4.8 评估生物制剂效益的理论及方法 由此可知，ks值可直接说明细菌对有用基质的竞争力。一系统中具有较小ks的微生物可在较低的基质环境中生长。因此，一旦基质浓度成为生长因子时，具较大ks值微生物便丧失竞争性，而ks小的微生物在系统中具有生长竞争的优势，从而影响系统的种群动力学。 4.8 评估生物制剂效益的理论及方法4.8 评估生物制剂效益的理论及方法因此，了解系统内动力学变化有以下途径： ①添加生物制剂后，于不同时间取样进行稀释平 皿计数； ②测定系统中特定酶反应； ③系统启动或突增负荷时，测定某段时间内动力学系数的变化。 延长曝气系统添加生物制剂后种群动力学之变化 4.8 评估生物制剂效益的理论及方法4.8 评估生物制剂效益的理论及方法综合评论及建议 有待建立严谨有效并被公认的评估生物制剂应用效益的方法。 在操作良好的常规处理系统中（如活性污泥系统）添加生物制剂效果并不显著。即使有一些效果，也可用更为经济的其他技术代替。 应用特殊生物技术制备特殊菌种配方来处理特殊污染物，以及整个处理系统的程序设计，是生物制剂解决环境污染问题的潜力之所在。 4.9 生物制剂添加技术的应用4.9 生物制剂添加技术的应用采用生物强化真菌技术对贮存及燃烧石油废液的灼洞土壤堆肥处理 某制药废水中主要污染物为麻醉药物、乙酸及氨 1982年秋季纽约市在100多处下水道使用生物制剂处理油脂堵塞问题。 生物强化技术也可用于酶的增强，将强化酶应用于垃圾场渗滤液处理。 利用生物制剂处理1968年“玛丽皇后”号拟建博物馆 4.9 生物制剂添加技术的应用4.9 生物制剂添加技术的应用美国佛州一家工厂，制造天然气残留的煤焦油，利用生物制剂处理 哈尔滨工业大学任南琪等运用生物强化处理达到了提高生物制氢系统产氢能力的目的 利用微生物降解酚的研究，处理高浓度煤气化含酚废水 4.9 生物制剂添加技术的应用4.9 生物制剂添加技术的应用脱酚菌添加试验4.9 生物制剂添加技术的应用4.9 生物制剂添加技术的应用应注意的问题 高效菌种的保持。由于一般高效菌种从难降解有机物降解过程中获得的能量较少，世代周期较长，易流失 高效菌种活性的保持。一般菌种优先降解易降解基质，投加后环境的改变使菌种特殊降解活性退化。因此，可以应用微生物固定化技术等提高生物添加剂的净化效能。