生物技术研究进展
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生物技术研究进展范文第1篇
关键词：城镇生活；污水处理；技术；研究
中图分类号：U664.9+2 文献标识码：A 文章编号：
据国家相关部门统计，我国城市生活污水的排放量在逐年增加，但处理能力却十分有限，大部分生活污水未经任何处理直接排入自然水体，对环境造成严重的危害。同时，由于淡水资源的缺乏，人们越来越关注生活污水回用技术的发展，在节约用水的同时积极使用生活污水作为第二水资源。因此，加强生活污水处理技术的研究具有重要的意义。
我国生活污水属于点污染源, 是人们日常生活中产生的污染, 主要来自家庭, 商业,学校旅游服务业及其他城市功用设施, 包括厕所冲洗水, 厨房洗涤水, 洗衣机排水, 沐浴排水及其它排水等。
一、生活污水的危害性
生活污水排入水体或渗入地下水将造成污染, 微生物在分解有机物时消耗水中的氧, 当溶解氧低于3~4mg/L, 就会影响鱼类的生活。当溶解氧耗尽后, 在厌氧状态下,厌氧菌分解有机物产生硫化氢, 使水体黑臭, 鱼虾绝迹。据世界卫生组织报告, 全世界80%的疾病与水有关系, 世界上每天大约有2.5 万人因水污染引起的疾病死亡; 生活污水中的氮, 磷营养物质排放到水体中, 特别是湖泊, 水库, 将引起水体富营养化, 使水体在一定时间处于严重的缺氧状态, 使鱼类大量死亡。
二、城镇生活污水处理技术研究
1、膜- 生物反应器处理生活污水
鉴于膜分离技术在污水处理中通过固液分离机制去除污染物和细菌方法有独到的优势，人们对膜分离技术应用于给水和污水处理方面进行了多途径的开发和应用。膜分离技术（如微滤、超滤）在城市生活污水处理应用方面也有了较大进展，已经部分商业化用作回用水。
膜生物反应器技术, 是将膜分离技术与废水生物处理技术组合而成的新系MBR(Membrance Biological Reactor) , 该系统以膜分离技术替代传统二级生物处理工艺中的二沉池, 具有工艺流程简单, 占地少, 管理方便, 处理效率高, 出水率可直接回用等特点。工艺流程如图2:其中, 生物处理单元为接触氧化工艺。试验装置为折流式水槽, 有效体积27L, 内装弹性立体填料, 主要性能: 丝条与中心绳材质均为聚酰胺材料; 单元直径为173mm; 耐热温膜分离单元为超滤膜分离工艺, 试验采用外压式中空纤维组件,膜材料为PS, 膜面积为1.1m2; 膜切割分子量30000; 工作压力为0~0.294Mpa 。生物接触氧化是处理生活污水的有效工艺, 可较好地对水中的非溶解性的物质进行分离, 确保处理后的生活污水能够达到中水回用标准, 系统运行稳定, 排泥很少。另外, 考虑到膜- 生物反应器的生物特性, 可以采用无泡供氧[8]的新工艺以达到更好的去污和经济效果, 同时在生物处理池中也可以同时加入铁盐, 混凝除磷效果也很理想。
图1 膜- 生物反应器处理生活污水工艺流程图
2、活性泥技术
简单来说活性泥技术就是利用活性污泥去除水中的有机物。首先是回流的活性污泥和污水同时进入曝气池，并将空气打入曝气池，使污水和活性污泥充分混合，曝气池中微生物吸附、混合液进入二次沉淀池进行分离操作。最后就可以向外排放净化后的水，分离出一部分活性污泥通过回流系统，回流至曝气池，另一部分将从系统出中排出。活性泥技术的主要设备为曝气池和二次沉淀池。由活性泥技术，还衍生出了很多更先进的方法，例如AB 法和SBR 法。在SBR 法的基础上，又发展出了CAST 法，即循环式活性污泥技术。作为目前比较先进的污水处理技术，CAST 法具有以下几点优势：1）生物选择区的设置有助于抑制污泥膨胀。2）高效的同步硝化与反硝化。3）健全完善的生物除磷系统。4）抗冲击负荷功效显著。但是由于这种技术正处于起步阶段，各方面的性能于功效还不够完善，以此对其进行更为深入的分析研究使其在原理、操作等各方面得到不断的发展与完善，是目前亟待解决的问题。但作为新兴技术的代表，CAST 法无疑还是有很好的发展前景的，而作为其根源的活性泥法，无论从实用性还是发展潜力来说，都是目前的佼佼者。
3、生物接触氧化法
生物接触氧化法就是在生物接触氧化池内安装一定数量的填料，为了使污水达到净化的目的，通过填料上的生物膜和供应的氧气发生生物氧化作用，以此来将氧化分解废水中的有机物。生物接触氧化法是生物法处理废水中的一种重要方法。生物接触氧化法是一种高效净化有机废水的处理工艺。其不但具有生物膜法的特点，还具有活性泥法的优点。该方法不但适用于处理生活污水，还适用于工业污水和养殖污水等，并且已经取得了较好的处理效果和经济效益。生物接触氧化法具有高效节能、耐冲击负荷等优点，并且被广泛应用于污水处理系统中。
生物接触氧化法是生活废水经过物理处理后的重要环节，也是整个处理工艺中的重要环节，经过生物接触氧化法的处理，亚硝酸和硫化氰等有害物质都可以被有效的除去，对后续的处理工艺起到重要的关键作用。
同一般的生物膜相比，生物接触氧化法是以生物膜吸附废水中的有机物，通过微生物和供应的氧气发生生物氧化作用，净化废水。一般来说，在氧化池内的生物膜主要是由菌胶团、丝状菌和真菌等微生物组成。生物接触氧化法同和普通生物膜法相比，区别在于填料的应用，也就是微生物在氧化池内的状态不同。例如：对于活性污泥法中的丝状菌，是会影响生物净化作用的因素。但是在生物接触氧化池内，由于填料的存在，使丝状菌呈立体结构，增加了与废水接触的表面面积，而且丝状菌对有机物，具有氧化能力，并且适应负荷变化较大的水质，可以极大地提高净化的能力。
生物接触氧化法具有以下几个特点：1）容积负荷高，耐冲击负荷能力强；2）具有膜法的优点，剩余污泥量少；3）具有活性污泥法的优点，辅以机械设备供氧，生物活性高，泥龄短；4）能分解其它生物处理难以处理分解的物质；5）容易管理，消除污泥上浮和膨胀等弊端。生物接触氧化法优点众多，但也有几处弊端，首先是滤料间水流缓慢，水力冲击力小。并且生物膜只能自行脱落，剩余污泥不易排走，滞留在滤料之间容易引起水质的恶化，影响处理效果。同时，滤料的更换和建筑物的维修比较困难。但是，随着未来技术水平的不断研究与发展，以上几个问题必将得到很好的解决。
总之，这些方法由于各自具有不同的优点和缺点, 通过科学设计、优化组合，可望在实际应用中获得技术与功能上一定程度的互补, 有效降低城镇生活污水的处理与运转费用, 从而推进城镇生活污水处理的技术革命。
参考文献：
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生物技术研究进展范文第2篇
【关键词】食品微生物；检测技术；进展研究
doi：10.3969/j.issn.1004-7484（s）.2014.01.689文章编号：1004-7484（2014）-01-0569-02
1前言
食品微生物是指与食品有关的微生物的统称，包括有食源性病原微生物、生产型食品微生物、食物变质。由于食品微生物对人身体健康的重要影响，采用先进的检测技术对其进行准确、有效的检测也显得尤为重要。
2食品微生物检测技术进展及研究
2.1分析化学检测技术进展及研究近年来，在食品微生物检测技术中，随着应用仪器与技术的不断更新，分析化学检测技术也朝着多元化的方向进行发展。分析化学检测技术包括有气相色谱·质谱联用检测、高效液相色谱检测、液相色谱·质谱联用检测、气相色谱检测等。分析化学检测技术主要是通过对食品微生物化学组成的分析来进行鉴定与区分。此种检测技术的应用，开辟了食品微生物检测与鉴定的新途径，对微生物检测的准确性有着显著的促进作用。
2.2PCR检测技术的进展及研究PCR检测是利用聚合酶链反应，将模板DNA、Taq酶、镁离子、双蒸水、缓冲液等混合物装入PCR微型管内，并在可编程调控的PCR仪上来完成检测。PCR检测技术自从1985年发明以来，通过不断地完善与改进，应用于食品微生物检测中时具有较高的敏感性与准确性。PCR检测技术包括有免疫PCR、多重PCR、反转录PCR等，每种PCR检测技术都可准确地检测到相对应的病菌与微生物，但其也主要是针对食品当中病原菌的特异性靶基因进行定位检测，且PCR检测技术还存在假阳性、定量困难等问题，还需进一步地完善[1]。
2.3核酸探针检测技术的进展及研究核酸探针技术主要是利用同位素或者其他标记方法，对已知核苷酸的序列DN段进行标记，并将其加入已变异的DNA样品当中，进而通过一定的条件作用达到食品微生物检测的目的。核酸探针技术检测食品微生物具有敏感性、特异性等优势，但其在检测时需对检测样品进行一段时间的培养，且检测方法及过程比较复杂，并对毒素污染的不含产毒菌的食品无法进行准确检测。
2.4免疫分析检测技术的进展及研究免疫分析检测技术包括酶联免疫吸附技术与免疫荧光技术，酶联免疫吸附技术是将抗体或抗原吸附于固相载体上并进行免疫酶染色，待底物显色后，再经由定量或定性来分析有色产物量，进而得到微生物的检测结果。此种检测技术结合了放射免疫测定法与免疫荧光法两者的优势，具有反应灵敏、准确性高、可定量、适用范围广等优点。近年来，随着酶联免疫吸附技术的完善，对检测食品中沙门氏菌、大肠埃希菌、金黄色葡萄球菌等检测做出了卓越的贡献。
而免疫荧光技术主要是通过在食品样品上直接滴加已知特异性荧光标记的抗血清，并经洗涤后在荧光显微镜下进行观察，从而得出检测结果；另外，也可采用间接法先于检样上滴加已知特异性荧光标记的抗血清，待其产生反应后再进行洗涤，并加入荧光标记的抗体进行观察。免疫荧光技术主要可用来检测葡萄球菌毒素、李斯特菌、沙门氏菌等，其特异性强、敏感性高、检测速度快，但也存在一些客观性的不足，还有待进一步在研究与改进。
2.5生物传感器检测技术的进展及研究对食品微生物以生物传感器检测技术进行检测时，其主要是将生物受体复合物（包括酶、核酸、抗体、多糖化合物等）与物理化学传感器直接连接，并通过动态、实时观察特异性生物，来分析其微生物的种类。生物传感器检测技术包括有免疫传感器、酶传感器、DNA杂交传感器、微生物传感器等，虽然其在食品微生物检测领域中的应用比较广泛，但其敏感性还存在一定程度的欠缺，具体的发展与完善有待进一步研究。
2.6放射测量检测技术的进展及研究放射测量技术作为化学与物理相结合的一种微生物检测技术，主要是对培养基内的微生物进行检测。放射测量法的检测原理比较简单，其检测方法类似于碳元素追踪法，通过利用培养基内细菌生长、繁殖的过程，来确定样品中微生物存在与种类。放射测量检测技术具有简单、准确、快速、自动化等诸多优势，其也被广泛应用于食品微生物中大肠埃希菌的定量检测当中[2]。
2.7电阻抗检测技术的进展及研究电阻抗检测技术的检测原理为，培养基中微生物在不断生长过程中，可将其电惰性底物代谢成为活性底物，进而使得培养基中电导性增大，且培养物的阻抗降低。另外，培养基中微生物在生长过程中可产生一种特征性阻抗曲线，可依据电阻改变的图形对检测细菌进行鉴定。电阻抗检测技术具有反应速度快、重复性好、敏感性与特异性强等优点，在食品微生物检测中的应用也比较广泛。
3食品微生物检测技术的发展趋势
基于食品微生物检测技术中目前存在的不足之处，其发展趋势必将朝着以下几点进行：
①标准化与国产化。从我国目前对食品微生物的检测情况来看，大多数检测都是采用国外的快速检测法，这也造成了检测成本高，缺乏国家相应的标准等缺点。因此，大力在引进并融合国外的先进技术，研究出符合我国检测产品标准的检测技术，同时还需加大力度建立国家标准与规范。②提高质量与准确性。应用新工艺、高科技，提高与实验相关产品的质量，并优化设计特殊培养基，进而提高检测技术的灵敏度与特异性。③充分发挥各检测技术的优势。在进行食品微生物检测时，必须熟知各种检测技术的优缺点，有效地做到扬长避短，从而使其检测技术能够最大程度地发挥自己的优势[3]。
4结束语
随着科技的快速发展，相信在不久的将来，各种存在缺点的食品微生物检测技术将会被新型、先进、简便的微生物快速检测技术所替代。通过对检测技术与标准的不断完善与规范，使其能为人类的公共卫生、疾病预防、饮食健康等方面做出巨大的贡献。
参考文献
[1]王云国，李怀燕.食品微生物检验内容及检测技术[J].粮油食品科技，2010，3（3）：40-43.
生物技术研究进展范文第3篇
1 生物电阻抗断层成像的基本原理
电阻抗断层成像(electrical impedance tomography，EIT)是根据人体内不同组织具有不同的电阻抗这一物理原理，通过给人体注入小的安全电流，测量体表的电位来重建人体内部的电阻抗分布图像，是医学成像技术的一个新方向.
电阻抗断层成像系统由数据测量系统（Data Measurement System， DMS）及图像重构软件两大部分组成. 数据测量系统的作用就是在正弦激励下从体表测量中解调出反映体内阻抗分布的电信号，经A/D及数据处理后为阻抗图像重构算法提供高精度的数据. EIT系统的总体结构如Fig 1所示.
其中，激励源的作用是产生对人体安全的正弦激励并以一定的激励模式施加于激励电极上；测量系统的主要功能是从测量电极以一定测量模式获取正弦激励下的体表电信号，经高精度放大后采用解调技术提取反映成像目标内阻抗分布信息，供算法重构阻抗图像应用；控制电路作为计算机与激励源及测量电路间的接口电路，主要负责激励源及测量电路的参数及模式设置，以及校正和定标等功能；计算机主要进行总体控制、数据处理、图像重构、图像显示等功能.
EIT技术具有很多优势. 既往研究表明某些人体组织的生理功能变化能引起组织阻抗的变化（如：组织充血和放电等），某些组织病理改变也能引起组织阻抗的变化（如癌变等）［1］，这些信息将会在EIT图像中体现出来. 所以EIT具有功能成像的性质. 该技术对人体无创无害，系统结构简单，测量简便，在对于患者长期的图像监护这方面具有广泛的应用前景，这些是目前多数临床成像手段难以做到的. 同时该技术造价低、费用低的特点也非常适合进行广泛的医疗普查. 虽然目前其图像分辨率不能与CT等成像技术相比，但它仍是一种有应用前景的新型成像技术，是对目前医学成像手段的一个有力的补充.
2 生物电阻抗断层成像的研究概况
电阻抗断层成像是国外近些年的一个研究热点，欧洲、北美、前苏联等地区有许多研究小组在进行这方面的工作. 欧洲已建立了欧洲EIT统一行动组织（CAIT）来组织和协调EIT研究工作.
目前，根据成像的区别电阻抗断层成像技术主要可分为两种，一种以电阻抗分布的绝对值为成像目标，称为静态EIT；另一种是以电阻抗分布的相对值（差别）为成像目标，被称为动态EIT.
从激励频率上可将EIT分为单频及多频EIT，单频EIT只采用单一频率激励成像目标，而多频EIT采用多个激励频率（10 kHz－1 MHz），充分提取了成像目标内组织的阻抗频率特性，在此基础上还可得到组织的特征参数图像，为进一步鉴别和区分组织打下了基础，因而多频及参数成像越来越受到人们的重视.
从激励方式上可将EIT分为注入电流式(Injected Current EIT )和感应电流式（Induced Current EIT). 前者就是采用驱动及测量电极从成像目标表面激励及获取信息，而后者是近三年才提出的采用激励线圈及体表测量电极获取成像目标内感应电流场的分布信息，这种技术因成像精度相对不高，目前仅处于实验阶段.
EIT的图像重构算法是EIT成像系统的重要环节. EIT图像重建中的正问题和逆问题是其图像重建中两个关键性过程. 由模型的阻抗分布及驱动信号，求其内部的电压和电流分布，这在电磁场分析中被称为正问题，即由ρ求Φ；阻抗成像被认为是一个逆问题，被定义为：给出边界电流和边界电压的测量值，求模型内的阻抗分布，即，由和v求ρ. 正问题的求解可以利用求解拉普拉斯方程得出区域内部节点电压， 进而利用给定边 界条件和阻抗分布模型计算其内部电流密度达到全面分析这一电场的目的.
逆问题求解比正问题要复杂的多， 就目前来说可借助于数值方法通过多次迭代修正阻抗分布的估计值来实现. 在迭代过程中要调用正问题求解过程， 利用正问题的解不断修正阻抗分布模型，以使之最接近真实阻抗分布.
有限元方法（FEM）是常用的求解电磁场的数值方法［2］，在EIT中这一方法被广泛用于正问题过程的求解，其基本思想是通过泛函求极值来为非线性方程求解. 为EIT构造FEM模型，其主要目的是通过将这一特殊边界条件的电场或场域边界作线性化近似，以解决人体外加电场在人体内引起的电流分布的非线性和非均匀性，其实质上是利用数值方法求解具有特殊定解条件的一组偏微分方程.
图像重构算法也是EIT研究的热点，目前研究的算法主要有扰动法(Perturbation Method)［3］修正的Newton-Raphson方法［4］双限定方法(Double Constraint Method)［5］敏感性方法（Sensitivity Method）［6］等位线反投影算法［7］. 谱展开法［8］M.Zadehkoochak算法［9］基于神经网络的重构算法［10］:广义逆法［11］等.
英国Sheffield大学Brown等［12］1987年建立了第一个完整的DMS（Mark I System），有16个激励及测量电极，采用相邻电极5 mA p-p 51 kHz恒流激励. 该系统有51 dB的信噪比，及每秒10幅图像数据获取速度. 1995年Smith等［13］在Mark I的基础上建立了第一个实时的供临床基础研究用的Mark Ⅱ系统，有16个电极，使用20 kHz 5 mA p-p恒流激励，采用16通道并行测量、数字相敏检测（Digital Phase Sensitivity Detector，DPSD）等技术，使成像速度达到25帧/s，测量电路CMRR＞60 dB， SNR＞60 dB，所测阻抗数据信噪比达到68 dB，该系统用于人体胸腔得到了初步成像结果，并已用于临床基础研究.
美国纽约Rensselaer Polytechnic Institute的Cook等于1988年建立了基于物理模型的自适应电流激励成像系统（Adaptive Current Tomograph， ACT2)［14］. 该系统采用32电极并行自适应电流15 kHz激励，单通道电压测量，电流幅值及电压测量有12 bit分辨率，30 s获取一组测量数据. 1991年Saulnier等在ACT2的基础上建立了32电极并行激励、并行测量、并行校正及补偿的高精度、高速度DMS（ACT3）［15］，激励频率30 kHz，系统精度可达16 bit，在此精度下获取一幅图像数据需133 ms，若将测量精度降为13 bit，则获取一幅图像数据只需2 ms. 该系统对一直径8 mm的铜摆进行动态连续成像（铜摆在盛盐水的直径30 cm的容器中摆动），成像结果较好，能对铜摆在不同时相的位置定位，但铜摆图像模糊，且明显大于实际尺寸.
美国Wisconsin-Madison大学的SaKamoto等1987年建立了基于物理模型的测量系统［16］. 该系统采用16个条形电极、50 kHz 1 mA(峰峰值)的恒流激励及模拟解调技术，测量最大误差3%，放大器CMRR＞80 dB、输入阻抗大于1 MΩ、噪声水平10 μV(50 kHz时）. 该系统基于12 cm×12 cm的方形物理模型得到了初步成像结果. 1991年Hua等，基于直径30 cm圆柱形物理模型建立了32通道优化电流激励测量系统［17］，采用32个外圈电流驱动、内部电压测量的不锈钢复合 电极（Stainless current/voltage compound electrode)，激励频率50 kHz，32通道激励电流在每次图像迭代重构后都重新计算及校正，以得到最优电流激励模式（Optimal Current Pattern)，测量系统有12 bit的幅值分辨率. 该系统对位于模型中心、直径6 cm的绝缘体等进行了成像，经10次迭代后得到了较清楚的图像.
上面介绍了几个有代表性的电流驱动的测量系统，在电压驱动的DMS中，美国Washington大学的Woo等在1986年建立了32电极、激励频率100 KHz的测量系统［18］；比利时Geeraerts等在1992年建立了基于物理模型的32电极14 bit 精度的电压激励电流测量系统［19］；英国Oxford Polytechnic的Zhu等［20］在上述ACT2，ACT3的基础上于1992年设计了有32个复合电极的自适应电压激励及电压测量系统.
上述研究小组的数据测量系统大部分仅限于对物理模型的测量，只有Sheffield大学的Smith等在Mark Ⅱ测量系统的基础上结合等位线反投影图像重构算法，在英国皇家Hallamshire医院建立了第一个供临床基础研究用的动态EIT实时系统，用于人体肺、胃、大脑、食管等不同部位的成像，证明其具有功能成像的特点［21］. 近三年来，电阻抗成像在二维和单频的基础上向三维［22］及多频［23］成像方面发展，也有学者从事感应电流（induced current）EIT的研究［24］.
我国在EIT领域的研究起步较晚，重庆大学、中国医学科学院、第四军医大学有研究小组在进行电阻抗成像系统的研究，这方面的工作才刚刚起步，目前完整的EIT数据测量系统国内未见报道.
几年来，该技术又有了许多新的发展，出现了以人体三维阻抗分布为成像目标的三维EIT技术，以外围线圈激励的感应EIT以及多频激励测量进行复阻抗成像的多频EIT，这些研究都得到了初步的实验结果［25］.
3 EIT研究的关键及难点
3.1 信息的质量、数量问题
3.1.1 电场在体内的分布的研究 电场在人体内的分布是非线性的，而人体的结构又是非常复杂的，对其进行深刻的研究掌握其在各种组织各种体液中的分布规律对研究驱动测量技术、图象重构算法有重大意义.
3.1.2 高精度、高信噪比的数据测量系统 目前EIT因采用体表弱电流激励及体表测量技术，使内部阻抗信息在体表测量中表现为弱信号、大动态范围. 有文献报道［26］，在一个心动周期中血流入肺而导致肺组织的阻抗变化为3%，从体表仅能测量到这种变化的1/20，即内部3%的阻抗变化在体表只能得到0.15%的改变. 由此看出，由生理特性决定EIT技术对DMS提出了具有高精度、高信噪比的要求. 另外，阻抗图像重构的算法中有大量矩阵运算或多次迭代运算，经测量系统得到的数据的信噪比大小将直接影响成像质量. 因此，为得到质量较好的重构图像，也要求DMS必须有高精度、高信噪比的基本特性.
3.1.3 新的驱动检测原理技术研究 由于测量电极的限制，每次只能得到非常有限的独立测量数据（N个电极能得到N（N-1）/2个数据），因此需对驱动检测方法做进一步的研究探讨，驱动检测技术包括向人体施加电能的原理（电流或电压等）研究；施加电能的方式（接触或感应等）研究；电极的尺寸、个数和排列方法研究等；电极的尺寸与断层截面的厚度、电极的数量与信息量的矛盾、电极固定位置与测量的稳定性的矛盾等问题的研究. 这些问题需有新的突破才能使阻抗断层成像技术上一个新台阶.
3.2 关于重构算法问题 由于EIT是非线性问题，在求解算法方面存在很多困难，虽然在动态及静态EIT技术都提出很多种算法，但是图像重构效果都不能令人满意. 这些算法基本上都是基于有限元方法，目前各种算法的主要问题在于收敛性能、抗噪能力较差，而且随着抛分规摸的增加计算量也大幅度增加，病态性程度也增加等.
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生物技术研究进展范文第4篇
关键词 地下水；生物脱氮；异养反硝化；自养反硝化
中图分类号X3 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）110-0148-02
近年来，生物反硝化法得到了较为广泛的关注，高效低耗的特点，使其被认定为最具发展潜力、最为实用的一种脱氮方法。生物反硝化包括异养反硝化和自养反硝化。
1异养反硝化
异养反硝化以有机碳为碳源和电子供体，利用反硝化细菌脱除地下水中硝酸盐。1983年，法国建成第一个以生产饮用水为目的的地下水生物脱氮处理工厂。采用Biodent工艺(如图1所示)。通过补充乙醇和磷酸盐的待处理水，使得硝酸盐浓度大幅度下降，出水亚硝酸盐浓度明显降低[1]。
图1Biodent生物脱氮工艺
1.硝酸盐污染水；2.厌氧生物反应器；3.空气；4.生物碳滤器；5.凝聚剂；6.活性碳； 7.砂；8.臭氧；9.出水贮池；10.投加氯气和硫代硫酸钠
德国研发固定床生物脱氮技术（Denipor工艺），用NaOH调节pH，乙醇和磷酸盐作基质，漂浮性Styropor球作填料，硝酸盐去除率大于90% [2]。Nilsson等[3]以乙醇作电子供体将脱氮假单胞菌固定于藻酸钙凝胶中进行生物脱氮，硝酸盐被完全去除，亚硝酸盐浓度也接近于零。Kokofuta等[4]用聚乙烯乙醇硫酸盐和聚二丙烯基二甲氨盐酸盐组成的复合物固定脱氮假单胞菌。在中性条件下，出水亚硝酸盐浓度接近于零，脱氮率为80%。异养反硝化处理费用低，将硝酸盐转化为氮气，不产生废液，但必须严格控制有机物投加量，否则造成二次污染。
2自养反硝化
自养反硝化以无机碳为碳源，以还原性硫化物为电子供体脱除地下水中硝酸盐，其包括氢自养反硝化和硫自养反硝化。
2.1 氢自养反硝化
H2无毒、无污染，以H2为电子供体的自养反硝化是较理想的脱氮方法。Ginocchio等[5]在原水中注入大量H2，经过1.5h后，水中30mg/L硝酸盐全部脱除。Robert等[6]将生物反硝化与电解供氢相结合，脱氮率为100%。Kurt等[7]采用氢作基质，利用混合培养物，在流化床中研究了自养型生物脱氮。当pH升至9.0时，生成大量亚硝酸盐，故将pH调至7.5为最适。Denitropur工艺是利用氢和脱氮菌混培物开发的另一自养型生物脱氮技术[8](如图2所示)，由9个固定床反应器串联组成，以三维波纹结构的Mellapack为填料。被处理水用氢加压饱和，并补充CO2和磷酸盐。脱氮水先充氧，然后在双层滤池中过滤，最后用紫外线消毒。该装置水处理能力为50m3/h，对硝酸盐处理能力为90kg/d。当停留时间为1h时，硝酸盐可从75mg/L降至5mg/L。氢自养反硝化以纯H2为氢供体，存在安全隐患，且其溶解度较小，并非理想的脱氮方法。
图2Denitropur生物脱氮工艺
1.污染水；2.氢；3.氢饱和；4.生物反应池；5.逆向充氧；6.空气；7.双层滤池；8.紫外线消毒；9.脱氮水
2.2 硫自养反硝化
除H2外，硫也被用于自养型生物脱，在缺氧条件下，以硫或还原性硫化物为电子供体进行自养反硝化。刘玲花等[9]利用硫/石灰石滤柱脱除地下水中硝酸盐氮，水中硝酸盐基本被除尽，反应产物中几乎无亚硝酸盐氮。姜巍等[10]采用装填硫磺和石灰石的生物膜反应器脱除地下水中硝酸盐氮，去除率达80%以上。荷兰利用硫/石灰石滤器建立了一个自养型生物脱氮示范工厂[11]，如图3所示。该系统包括真空脱气，充氧和回灌等操作。为避免反应器堵塞和短流，并去除反应产生的氮气，因此采用真空脱气。反应器长20m，宽7m，深2m，其内充填石灰石颗粒和硫，水处理能力为35m3/h。对于含高浓度硝酸盐的污水，经过一段时间的运试，硝酸盐氮去除率超过90%。脱氮水的细菌数达-个/mL，回灌并停留10～12周后，菌落全部去除，细菌学指标良好。硫自养反硝化在反应过程中会产生大量硫酸根离子，污染水质，因此该法只适合处理硫酸根离子浓度低的地下水。
图3 硫/石灰石滤器生物脱氮工艺
1.污染水；2.真空脱气；3.硫/石灰石脱氮反应器；4.阶式充氧；5.渗滤塘
参考文献
[1]郑平，冯孝善.饮用水的生物脱氮[J].环境污染与防治，1997，19(1)：32-35.
[2]Roennefahrt, K.W.Aqua，1986，5：283-285.
[3]Nilsson I.Immobilized cells in microb ial nitrate reduction[J].J.Appl.Microbiol Biotechnol，1982，7(1)：39-41.
[4]Kokufutn, E.J.Ferment.Technol，1986，64：533-538.
[5]Ginocchio B..Nitrate levels in drinking water are becoming to high[J].Water Services，1987，88(4)：143-147.
[6]Robert B. M., etal.Reduction of nitrate and nitrite in water by immobilized enzymes[J].Nature，1992，355：717-719.
[7]Kurt M, Dunn I J, and Bourne J R.Biological denitrification of drinking water using autotrophic organisms with H2 in a fluidized-bed biofilm reactor[J].Biotechnology and Bioengineering，1987，29：493-501.
[8]Gros, H..Wat.Supply，1986，4：11-21.
[9]刘玲花，工占生，工志石.硫/石灰石滤柱去除地下水中硝酸盐的研究[J].环境工程，1995，13(3)：11-15.
生物技术研究进展范文第5篇
关键词：城市污水；生物除磷脱氮；厌氧微环境；化学除磷；碳源；反硝化除磷；
中图分类号：U664.9+2文献标识码： A
引言
近几十年来，污水的氮磷去除技术一直是污水处理领域的研究和开发热点。尽管传统活性污泥法能有效地去除污水中BOD、COD、SS及其它易澄清的物质，但是其对污水中氮磷等营养物去除一般低于30%。这样低的氮磷去除率并不能满足水体富营养化控制的要求。要更多更高效地去除污水中氮磷，就需要采用专门的氮磷去除技术。目前生物法脱除氮磷技术由于成本较低而受到广泛的关注。本文对生物除磷脱氮技术的研究与应用进展进行了综述，并提出生物除磷脱氮技术发展的主要方向。
1 生物除磷脱氮主流工艺
全世界范围内，开发和应用了许多工艺以有效去除污水中的氮磷。比较典型的有缺氧-好氧（A1/O）脱氮工艺、厌氧-好氧（A2/O）除磷工艺、厌氧-缺氧-好氧（A2/O）同步除磷脱氮工艺及其改进型新工艺（如倒置A2/O工艺、UCT工艺、MUCT工艺等），此外还包括一些具有除磷脱氮功能的SBR工艺(如CAST工艺、DAT-IAT工艺、MSBR工艺等)以及氧化沟工艺（如Orbal工艺、卡鲁赛尔氧化沟工艺等）等。
尽管上述这些工艺得到了广泛的应用，但由于除磷和脱氮各自所需不同泥龄的矛盾，除磷效率高的系统脱氮效果差，脱氮效率高的系统除磷效果又不理想，或者脱氮和除磷效果都不理想。
2 城市污水的生物除磷脱氮工艺研究与应用发展方向
2.1 厌氧微环境的改善
通过减少进入厌氧区的硝态氮和溶解氧，可以提高厌氧区厌氧微环境，从而提高聚磷菌厌氧释磷和好氧过量摄磷的能力而提高生物除磷效率。这一方向的典型工艺有UCT工艺和MUCT工艺。尽管UCT和MUCT这类工艺成功地减少了进入厌氧池的DO和硝态氮，对除磷的效果有所改善。但是由于这类改进工艺除磷与脱氮采用的是同一个系统的污泥，故而仍然没有解决除磷与脱氮所需泥龄不同的问题，因此没能实现理想的氮磷同时去除效果。
2.2 化学除磷与生物脱氮除磷组合工艺
化学除磷与生物除磷的组合工艺有两类。其一是Phostrip工艺，它先利用聚磷菌在好氧条件下过量摄磷，然后把泥水分离的高含磷菌体在厌氧条件下释磷，释磷后菌体回流到好氧池重新摄磷。而投加化学药剂到厌氧释磷后的高含磷上清液，把厌氧释放的磷沉淀去除。Phostrip工艺以较低的成本取得了较好的除磷效果。由于旁流厌氧释磷，污水中碱度对投药量影响很小，此外上清液中磷含量较高（可达100mgP/L），其投加的化学药剂（常用石灰）量相对传统化学除磷而言要少很多。实践表明，在较低的碳磷比和碳氮比污水条件下系统出水TP低于1mg/L[1]。
其二是把化学药剂直接投加到生物脱氮除磷系统中，弥补生物脱氮除磷系统中生物除磷效果的不足，保证出水TP水质达标排放，即所谓的生物化学协同除磷技术。采用的药剂有硫酸亚铁、三氯化铁和铝盐等。药剂投加点可以是初沉池出水、曝气池或二沉池前。尽管投加药剂加大了运行成本，但是投加药剂后系统出水TP可以低于1mg/L或0.5mg/L。因此，这种生物化学协同除磷技术在国内外城市污水处理厂中得到了广泛应用[2]。
2.3 生物除磷脱氮技术所需碳源的开发
近年来城市污水的C/N和C/P比不断下降，形成了低碳高氮磷的所谓低碳源城市污水。由于生物脱氮和生物除磷都需要有一定的碳源，去除1m g磷一般需要7～9mg的V F A， 反硝化过程的需要量更多。因此，生物脱氮系统一般要求进水BOD5/TN不小于4，而生物除磷系统则要求进水BOD5/TP大于17。这种低碳高氮磷的污水无法满足脱氮除磷的要求。如何补充污水中的有效碳源，满足生物除磷脱氮的要求已经成为城市污水处理领域研究开发和应用的热点之一。
一些污水处理厂采用了投加甲醇等外加碳源，尽管取得较好氮磷去除效果，却明显增大了运行成本。通过污水在线预发酵技术，利用兼性发酵细菌把污水中脱氮除磷微生物不能直接利用的大分子复杂有机物转化为低分子挥发性脂肪酸，提高污水中脱氮除磷微生物可以利用的有效碳源含量，从而可以改善系统生物除磷脱氮的效果[3]。也有研究者对初沉污泥进行发酵生产VFA以补充生物除磷脱氮所需碳源，其一是在线发酵的深池型初沉池，另一种是离线发酵池。近年来一些研究也致力于发酵剩余污泥生产VFA补充生物除磷脱氮所需碳源[4]。
随着氮磷去除要求的进一步提高，对污水中有效碳源的需求也会进一步提高。准确衡算和判断城市污水中的有效碳源量，充分利用城市污水和污泥中的有机物补充有效碳源，实现低碳高氮磷城市污水的氮磷去除，仍将是今后技术发展方向之一。
2.4 反硝化聚磷新工艺
反硝化聚磷现象的发现和研究，为城市污水的同步除磷脱氮技术注入了新的活力[5]。反硝化聚磷的原理是在厌氧过程中，反硝化除磷菌释磷并在细胞内合成PHB；在缺氧过程 中反硝化除磷菌以硝酸盐氮取代氧作为胞内PHB氧化的电子受体，并完成磷的吸收。据测算，反硝化除磷工艺能节省碳源50%，节省能源30%。人们已经开发了许多基于反硝化聚磷理论的新工艺，如Dephanox工艺、BCFS工艺、生物膜反硝化除磷工艺、A2N双污泥反硝化脱氮除磷工艺和短程硝化反硝化聚磷工艺等[6]。目前，相关的工艺研究和开发仍然比较受到关注，其中对这些工艺的生物学特性、尤其是系统中反硝化聚磷菌本身的研究将会进一步深入。
3 结语
随着社会经济的发展，对于水体水质的要求日益提升。城市污水处理厂面临日益严格的氮磷排放标准。经济高效地去除城市污水中的氮磷营养盐仍然将是广大环境工作者的重要目标之一。进一步深入研发和应用将围绕着生物除磷脱氮的厌氧与缺氧微环境、有效碳源、化学除磷与生物除磷脱氮技术的耦合、以及反硝化除磷新工艺等方面展开。
参考文献
[1] 周希安,张有贤,张会敏,郭霞. 改进的 Phostri p工艺在肖家河污水处理厂的应用[J]. 中国给水排水,2006, 22(8):66-69.
[2] 刘帅,李晓婧,赵德远. 生物化学协同除磷技术及其应用[J]. 山东水利职业学院院刊, 2008,(2):17-19.
[3] McCue, T., Shah, R., Vassiliev, I., Liu, Y.H., Eremektar, F.G., Chen, Y.,Randall, A.A. Evaluation of influent prefermentation as a unit process upon biological nutrient removal [J]. Water Sci Technol, 2003,47(11):9–15.
[4] Baker P S, Dold P L. Denitrification behavior in biological excess phosphorus removal activated sludge system [J]. Water Research, 1996, 30:769-780.
