環境生物技術：原理與應用

印次：2012年11月第一次印刷

裝幀：平裝

印刷日期：2012-11-1

在21世紀之初，面臨各種環境問題，人類清醒地認識到要走可持續發展之路。而發展環境教育是解決環境問題和實施可持續發展戰略的根本。高等學校的環境教育，是提高新世紀建設者的環境意識，並向社會輸送環境保護專門人才的重要途徑。為了反映國外環境類教材的最新內容和編寫風格，同時也為了提高學生閱讀專業文獻和獲取信息的能力，我們精選了國外一些優秀的環境類教材，加以影印或翻譯，組成大學環境教育叢書。所選教材均在國外被廣泛採用，多數已再版，書中不僅介紹了有關概念、原理及技術方法，給出了豐富的數據，也反映了作者不同的學術觀點。

我們希望這套叢書的出版能對高等院校師生和廣大科技人員有所幫助，並為我國的環境教育事業做出貢獻。

2012年6月

環境生物技術利用微生物來改善環境質量。這些改善包括防止污染物向外界排放，凈化受污染的環境以及為人類創造有價值的資源。環境生物技術是社會必需的，而且作為一個技術學科，它也是獨一無二的。

環境生物技術既是傳統技術，又是現代技術。在20世紀初發展起來的微生物處理技術（如活性污泥技術、厭氧消化技術）至今仍是核心技術。為解決不斷產生的新問題（如有毒化學物質的脫毒），新技術也層出不窮。在環境技術中，用於描述過程特徵及其控制的重要工具，沿用了幾十年。例如，儘管分子生物學工具可以用於探索微生物群落的多樣性，但傳統的生物量測量方法，如揮發性懸浮固體物的測量，仍然在應用。

環境生物技術中的各種工藝，按照微生物學和工程學原理運行，但是，應用這些原理通常需要一定程度的經驗。儘管這些經驗不能代替理論原理，但由於環境生物技術所處理的對象十分複雜，而且隨時隨地發生變化，所以必須應用經驗。

工程學原理主要用於定量分析，而微生物學原理更多地用於觀測。只有進行定量分析，才能保證工藝過程可靠、經濟。然而，環境生物技術中涉及的微生物群落的複雜性通常難以定量描述，此時非定量觀測尤其重要。

本書中，我們將環境生物技術的各個方面聯繫起來。在前 5 章里，我們將介紹基本概念和定量方法，這是本書的原理部分。第6~15章講述環境生物技術的應用，在這些章節中會經常回顧前 5 章中相對應的原理。我們的觀點是，所有的微生物過程都是可以理解、可以預測、並且是統一的。同時，我們必須理解，每種應用都有它自己的特點。這些特點並不推翻和違背一般原理，相反，可以作為一般原理的補充，根據一般原理，能夠更有價值地理解這些特點。

本書可作為研究生教材，供致力於開發微生物過程並應用於環境質量控制方面的研究生使用，也可以作為高年級本科生的教材，或者作為環境生物技術專業的研究和應用人員的綜合性參考書。

本書中的內容可供一門或幾門課程使用。對於沒有微生物學背景知識的學生，第 1 章提供了微生物分類、代謝、遺傳和生態方面的基礎知識。第 1 章強調了微生物學的基本概念，對於理解後續章節的原理和應用是非常必需的。第1章也可作為環境微生物學基礎課程的教材，或供需要更新知識、準備學習更注重工藝的課程、研究或實習的學生作為參考書。

原理部分的"核心"在第 2~5 章。第 2 章介紹了描述微生物反應過程的化學計量學和熱力學的定量方法，主要解決各過程中微生物消耗和產生何種物質以及有多少物質轉變的問題。化學計量學是最基本的定量方法。第 3 章和第 4 章系統地介紹了動力學定量方法，解決物質消耗和產生速度究竟有多快的問題。反應系統的可靠性和經濟有效性取決於對反應動力學的正確應用。第 5 章講述了如何應用物料守恆原理，建立描述實際應用的各種反應器的化學計量學和動力學方程。

第6~15章是實際應用部分。每章都同時討論了主要微生物化學計量學和動力學方面的內容，以及化學計量學和動力學都不易描述的一些特徵。各章都解釋了如何構建各種工藝過程以達到處理目標，並介紹了設計中的關鍵參數。目的是儘可能將原理和應用直接聯繫起來。

關於應用方面的各章，按照從傳統到現代的順序排列。例如，第 6~8 章講述了含可生物降解有機物（如廢水的 BOD）廢水的好氧處理，而在第 14，15 章中講述了危害性化學物質的生物降解。廢水好氧處理可追溯到20世紀早期，所以它是一種很傳統的技術。而對危害性化學物質的脫毒在 20 世紀 80 年代才成為一個主要的處理目標。另一方面，第 6~8 章討論了為達到傳統目標而採用的一些最新技術。因此，儘管目標是傳統的，但是為達到目標所使用的科學與技術可能是非常現代的。

我們還準備了一章介紹複雜系統，但是為了控制本書的長度沒有把它加入進來。在網路版的這一章中，通過系統地處理非穩態系統（懸浮的或生物膜系統）和複雜的多物種相互作用系統，我們對第1~5章的原理進行了擴展。本書出版商 McGraw Hill 公司已經同意將這一章放到網站上，對此有興趣的讀者可以從網站上獲得這些內容。為該書建立一個網站的另一個好處是，我們可以方便地在網站上對書中存在的一些不可避免的錯誤進行更正，也許還可以在此發表一些與該書有關的其他信息；我們鼓勵讀者瀏覽我們的網頁。

本書一個重要的特點是有許多例題。這些例題討論了應用基本原理的每一個步驟，以利於理解微生物系統的工作原理以及進行處理系統的設計。在大多數情況下，通過例題來學習是最有效的方法，我們很強調這一點。

每章中都有很多習題，可以作為課外作業、課堂補充例題或者作為學習工具。這些習題範圍很廣。其中有一些很容易解決，僅需簡單的計算或者簡短的解釋。而另一些則是較深入的問題，解決它們需要很多步驟。其他絕大多數是中等難度的。所以，教師或者學生可以從簡單的、涉及單個概念的問題入手，逐步向高綜合度的問題邁進。有時使用電子計算表格很有幫助，尤其當需要進行比較複雜的或者迭代計算時。

為了促進符號的統一，我們選擇了國際認同的《廢水生物處理過程描述推薦使用符號》，發表在1982年《Water Research》第16期，1501～1505頁。我們希望這可以促進大家使用同樣的符號，以利於交流。

由於本書篇幅有限，所以對一般性原理、環境生物技術的應用以及很多在生物系統設計中必須考慮的特殊細節，本書沒有全面論述，而是將重點放在原理及其應用方面。對於特殊的設計細節，我們推薦其他參考書，如兩卷本的《城市廢水處理廠設計》，由水環境協會（應用手冊，第8冊）和美國土木工程師學會（工程應用手冊及報告，第76冊）聯合出版。

我們藉此機會感謝很多優秀的學生和同事，他們不但向我們提供新思想，使我們看得更深遠，而且更正了一些錯誤。要感謝的人太多了，無法將他們的名字一一列出。我們特別感謝在過去幾年裡選修環境生物技術課程的同學，他們使用了本書的初稿，並且提出很多有益的修改意見。感謝他們所做的一切！

還有以下人員的特別貢獻直接促進了本書的出版。Viraj deSilva 和Matthew Pettis 提供了網路版中"複雜系統"一章的模型計算部分。Gene F.Parkin 和 Jeanne M.VanBriesen 兩位博士對本書的內容提出了詳細的建議和修改意見。Pablo Pastén和Chrysi Laspidou提供了解題指南中許多習題的答案。 Janet Soule和Rose Bartosch將BER的手稿轉為電子文檔，內容包括第1，3， 4，6，8~12，15 章的部分或全部。Saburo Matsui 博士和環境質量控制研究中心（京都大學）為 BER 提供學術休假的位置，使他能夠完成本書的所有細節，並準時交付給出版商McGraw　Hill。

最後，我們還要感謝 Marylee 和 Martha。她們在我們全力完成書稿的過程中一直關心和支持著我們。

Bruce E. Rittmann

Evanston, 伊利諾伊

Perry L. McCarty

Stanford, 加利福尼亞

第1章微生物學基礎

1.1細胞

1.2分類學與系統發育

1.3原核生物

1.3.1細菌

1.3.2古細菌

1.4真核生物

1.4.1真菌

1.4.2藻類

1.4.3原生動物

1.4.4其他多細胞微生物

1.5病毒

1.6傳染病

1.7生物化學

1.8酶

1.8.1酶的反應性

1.8.2酶活性的調節

1.9能量捕獲

1.9.1電子與能量載體

1.9.2能量與電子投入

1.10新陳代謝

1.10.1分解代謝

1.10.2合成代謝

1.10.3新陳代謝與營養種群

1.11遺傳學與信息流

1.12脫氧核糖核酸（DNA）

1.12.1染色體

1.12.2質粒

1.12.3 DNA複製

1.13核糖核酸(RNA)

1.13.1轉錄

1.13.2信使RNA（mRNA）

1.13.3轉運RNA（tRNA）

1.13.4翻譯與核糖體RNA（rRNA）

1.13.5翻譯

1.13.6調節

1.14系統發育

1.14.1系統發育分類的基礎

1.15微生物生態學

1.15.1選擇

1.15.2物質交換

1.15.3適應

1.16微生物生態學研究工具

1.16.1傳統富集工具

1.16.2分子生物學工具

1.16.3多物種模型

參考文獻

習題

第2章化學計量學和細菌能量學

2.1化學計量方程式舉例

2.2微生物細胞的經驗分子式

2.3基質分配和細胞產率

2.4能量反應

2.5生物生長的總反應

2.5.1發酵反應

2.6能量學和細菌生長

2.6.1能量反應的自由能

2.7產率係數和反應能量學

2.8氧化態氮源

參考文獻

習題

第3章微生物動力學

3.1基本速率表達式

3.2參數估值

3.3基本質量平衡

3.4惰性菌體和揮發性固體的質量平衡

3.5溶解性微生物產物

3.6營養物和電子受體

3.7輸入的活性菌體

3.8顆粒物和多聚物的水解

3.9抑制作用

3.10其他形式的速率表達式

參考文獻

習題

第4章生物膜動力學

4.1微生物的聚集

4.2為什麼要用生物膜

4.3理想化的生物膜

4.3.1基質現象

4.3.2生物膜本身

4.4穩態生物膜

4.5穩態生物膜的解

4.6參數估值

4.7生物膜平均SRT

4.8完全混合生物膜反應器

4.9溶解性微生物產物（SMP）與惰性生物體

4.10 CMBR工藝特性

4.11表面負荷的標準化

4.12非穩態生物膜

4.13生物膜模型解的特例

4.13.1厚生物膜

4.13.2零級反應動力學

參考文獻

習題

第5章反應器

5.1反應器型式

5.1.1懸浮生長式反應器

5.1.2生物膜反應器

5.1.3反應器組合

5.2物料衡算

5.3間歇反應器

5.4帶有迴流的連續攪拌式反應器

5.5推流式反應器

5.6帶有迴流的推流式反應器

5.7沉澱后細胞迴流的反應器系統

5.7.1帶有沉澱和細胞迴流的連續攪拌式反應器

5.7.2對假設的評價

5.7.3帶有沉澱和細胞迴流的推流式反應器

5.8利用其他的速率模型

5.9化學當量方程與物料平衡方程的關係

5.10反應器的工程設計

5.11串聯反應器

參考文獻

習題

第6章活性污泥法

6.1活性污泥法的工藝特性

6.1.1微生物生態

6.1.2氧氣和營養需求

6.1.3污泥停留時間的影響

6.2工藝類型

6.2.1反應器類型

6.2.2供氧類型

6.2.3負荷類型

6.3設計與運行參數

6.3.1歷史背景

6.3.2食料微生物比

6.3.3污泥停留時間

6.3.4負荷因子的比較

6.3.5混合液懸浮固體濃度、污泥體積指數SVI和迴流比

6.3.6 Eckenfelder和Mckinney方程

6.4曝氣系統

6.4.1傳氧與混合速率

6.4.2鼓風曝氣系統

6.4.3機械曝氣系統

6.5污泥膨脹與污泥沉降性問題

6.5.1污泥膨脹

6.5.2泡沫和浮渣的控制

6.5.3污泥上浮

6.5.4分散生長和針狀污泥

6.5.5黏性污泥膨脹

6.5.6加入聚合物

6.6活性污泥工藝設計與分析

6.7沉澱池的設計與分析

6.7.1活性污泥特性

6.7.2沉澱池組成部分

6.7.3負荷基準

6.7.4通量理論要點

6.7.5狀態點分析

6.7.6沉澱池與曝氣池的聯繫

6.7.7狀態點分析的局限性

6.8離心分離

6.9膜分離

參考文獻

習題

第7章氧化塘

7.1曝氣塘

7.2穩定塘

7.3穩定塘的類型

7.4好氧穩定塘

7.4.1基本方程

7.4.2太陽能的輸入和利用效率

7.4.3 BOD的去除

7.4.4光合自養生物生長動力學

7.4.5兼性穩定塘

7.4.6 BOD表面去除負荷率

7.4.7一級反應動力學

7.5厭氧穩定塘

7.6串聯運行

7.7大腸桿菌的減量

7.8穩定塘設計細節

7.9穩定塘出水中懸浮固體的去除

7.10濕地處理系統

參考文獻

習題

第8章好氧生物膜處理工藝

8.1生物膜處理工藝需要考慮的事項

8.2滴濾池和塔式生物濾池

8.3生物轉盤

8.4顆粒濾料濾池

8.5生物流化床和循環床生物膜反應器

8.6生物膜-懸浮生長複合工藝

參考文獻

習題

第9章硝化過程

9.1硝化細菌的生化和生理特性

9.2普通工藝考慮事項

9.3活性污泥硝化工藝：單污泥與雙污泥系統

9.4生物膜硝化工藝

9.5複合工藝

9.6進水BOD∶TKN比率的作用

9.7 ANAMMOX工藝

參考文獻

習題

第10章反硝化過程

10.1反硝化細菌的生理學

10.2三級反硝化工藝

10.2.1活性污泥

10.2.2生物膜工藝

10.3單污泥反硝化工藝

10.3.1單污泥的基本工藝

10.3.2單污泥基本工藝的變形

10.3.3單污泥反硝化工藝的定量分析

參考文獻

習題

第11章除磷

11.1正常生物體對磷的吸收作用

11.2在生物處理系統中投加金屬鹽進行沉澱除磷

11.3強化生物除磷過程

參考文獻

習題

第12章給水處理

12.1去除生物不穩定物質的好氧生物膜法工藝

12.1.1 BOM測定方法

12.1.2去除無機生物不穩定物質

12.1.3生物膜預處理

12.1.4複合生物濾池

12.1.5慢速生物濾池

12.2微生物的釋放

12.3特殊有機物的生物降解

12.4反硝化

參考文獻

習題

第13章甲烷化厭氧處理工藝

13.1甲烷化厭氧處理的用途

13.2反應器結構

13.2.1完全混合式反應器

13.2.2厭氧接觸工藝

13.2.3升流式和降流式填充床

13.2.4流化床和膨脹床

13.2.5升流式厭氧污泥床

13.2.6其他厭氧反應器

13.3過程化學和微生物學

13.3.1過程微生物學

13.3.2過程化學

13.4過程動力學

13.4.1溫度

13.4.2 CSTR反應動力學

13.4.3複雜基質

13.4.4過程最優化

13.4.5生物膜反應動力學

13.4.6水解為限速步驟的動力學

13.5厭氧污泥消化池設計中的特殊因素

13.5.1負荷

13.5.2混合

13.5.3加熱

13.5.4氣體收集

13.5.5反應器運行

參考文獻

習題

第14章有害化學物質的脫毒

14.1導致分子難降解性的因素

14.1.1分子結構

14.1.2環境條件

14.1.3微生物的存在

14.2合成有機化合物的種類

14.3能量代謝與共代謝

14.4電子供體與電子受體

14.5最小基質濃度（S）

14.6環境污染物的生物降解

14.6.1合成洗滌劑

14.6.2殺蟲劑

14.6.3碳氫化合物

14.6.4氯代溶劑和其他鹵代脂肪烴

14.6.5氯代芳香烴

14.6.6炸藥

14.6.7有機化合物歸宿的綜合模型

14.6.8無機元素

14.7小結

參考文獻

習題

第15章生物修復

15.1污染物的範圍和特徵

15.1.1有機化合物

15.1.2有機混合物

15.1.3共處置產生的混合物

15.2生物可降解性

15.3生物降解過程中污染物的可給性

15.3.1表面吸附

15.3.2形成非水相基質

15.4可處理性研究

15.5生物修復的工程策略

15.5.1污染場址描述

15.5.2工程化的原位生物修復

15.5.3原位內源生物修復和自然衰減

15.5.4原位生物屏蔽

15.5.5異位生物修復

15.5.6植物修復

15.5.7氣相VOCs的生物修復

15.6生物修複評價

參考文獻

習題

附錄A 不同化學物質在25℃時的形成自由能

附錄B 歸一化的表面-負荷曲線