微生物生态系统原理研究方法和应用88马放

哈尔滨工业大学环境科学与工程系马放哈尔滨工业大学环境科学与工程系微生物生态学的应用实例哈尔滨工业大学环境科学与工程系可持续发展城市水资源健康循环生物修复生物质能源利用生物制剂环境管理城市生活保证环境保护源头治理清洁能源绿色无害政策根本哈尔滨工业大学环境科学与工程系认识规律高效菌种高效反应器有效调控解决环境问题哈尔滨工业大学环境科学与工程系80公里长的污染带受污染的水体一、固定化生物活性炭技术与设备哈尔滨工业大学环境科学与工程系用户混合混凝剂清水池消毒剂Cl2反应沉淀池澄清池常规给水处理工艺常规给水处理工艺原水滤池无烟煤鹅卵石炭砂预沉或沉砂池泵站哈尔滨工业大学环境科学与工程系混合投加混凝剂及PAC用户清水池消毒剂Cl2反应沉淀池澄清池原水滤池颗粒活性炭鹅卵石炭砂泵站投加40mg/L粉沫活性炭预沉或沉砂池添加净水材料应急给水处理工艺应急给水处理工艺哈尔滨工业大学环境科学与工程系率先提出固定化生物活性炭（IBAC）这一概念，揭示了IBAC通过工程菌的生物降解和活性炭的吸附的协同净化作用及延长活性炭寿命的机理。提出人工构建高效工程菌的理论获得多项国家专利针对水中不同有机污染物，筛选、驯化出高效的工程菌，通过复配研究构建高效的工程菌。固定化生物活性炭饮用水净化装置ZL00232081.9固定化生物活性炭技术实现饮用水深度净化的水处理方法200410043739.7以生物活性炭为主实现洗浴污水循环使用的水处理方法200410043684.X一体化饮用水深度净化设备ZL00262850.3运用分子生物学手段证明了固定的工程菌可在活性炭上长期存在。开发出快速检测炭上微生物活性的方法.开发出一系列以固定化生物活性炭为核心技术的净水装置。新炭表面结构自然形成的BAC表面结构IBAC表面结构炭上藻类生物降解活性炭吸附时间COD012345678910061218243036424854时间/h细菌数目的对数/lg1#培养基2#培养基3#培养基4#培养基5#培养基固定化生物活性炭技术与设备哈尔滨工业大学环境科学与工程系研究目的针对水中存在的目标污染物，筛选、驯化高效的工程菌，构建高效菌群固定到活性炭上形成固定化生物活性炭，利用固定化生物活性炭工艺去除水中目标污染物并探讨其净化机理研究内容利用分子生物学技术对活性炭上菌群种类进行解析，探讨菌种演替规律；利用数学模型预测生物活性炭工艺中炭的使用寿命哈尔滨工业大学环境科学与工程系工程应用现场活化示意图活化菌液小区应用实例市政环境工程学院马放哈尔滨工业大学环境科学与工程系国家自然科学基金重大国际合作项目黑龙江省重大科技攻关项目子专题课题来源研究目的采用生物强化技术将筛选得到的高效好氧反硝化菌应用于实践，充分发挥这一新型生物脱氮技术的优势；对废水生物脱氮技术提供指导和借鉴研究内容考察稳定运行条件下对氮素及COD的去除效果，实现其在好氧条件下对硝氮的去除。研究气水比、水力负荷、温度、C/N和pH等因素对陶粒反应器的影响，找到反应器运行的最佳工艺参数。研究生物陶粒反应器中氮素变化的空间特性，推断出反应器中实现的脱氮机理。通过脱氮速率研究，为好氧反硝化的动力学研究提供依据二、生物脱氮除磷新理论、新技术与新设备哈尔滨工业大学环境科学与工程系异养硝化菌的筛选高效异养硝化细菌呼吸特性生长特性16SrDNA序列分析SBR反应器运行建立一种快速筛选异养硝化菌的新方法。通过生物强化手段，将菌株复投于SBR反应器中，考察反应器实际运行情况，通过调控C/N、DO、pH、HRT等参数的变化，确定其最优参数组合，通过PCR-DGGE分析群落结构从生理学角度考察所筛选菌株的生长特性，结合所筛选菌株在脱氮过程中的碳、氮元素转变过程，动态反应其实际脱氮流程进行16SrDNA测序，建立系统进化树，了解其在进化学上的地位及其系统发育特性。NH4+-N、NO2—N、NO3—N、COD、pH、DO变化情况哈尔滨工业大学环境科学与工程系好氧反硝化菌的富集菌种的分离纯化菌种优筛好氧反硝化菌种鉴定好氧反硝化菌脱氮性能研究同源性比较及系统分析菌的形态特征16SrDNA测序多维生长曲线测定TOC/N实验溶解氧实验反硝化作用测定碳源选择实验含硝氮废水的好氧反硝化菌的处理效果建立活性污泥连续流反应器好氧反硝化菌投加连续流反应器周质硝酸盐还原酶基因检测分子手段检测生理生化试验氮素平衡试验传代性试验好氧反硝化菌常规监测哈尔滨工业大学环境科学与工程系长效性安全性低廉性稳定性流域性治理前治理后三、饮用水安全保障——生态安全控制哈尔滨工业大学环境科学与工程系生态安全控制的特点与程序自然状况调查关键问题的提出制定控制方案参数获得组织实施效果评价方案修正哈尔滨工业大学环境科学与工程系水体生态安控制原理哈尔滨工业大学环境科学与工程系目的：现有水源保护和水质改善，以适应国家的新的饮用水标准。目前，从控制技术角度来讲，有物理、化学和生物以及综合防治技术。其中物理手段主要包括：疏浚、曝气；化学手段主要包括：杀藻剂、消毒剂；生物方法主要是应用生态学原理，采用投加抑藻微生物、生物链上行与下行调控（生物操纵）。生物操纵是目前国际上最新流行的研究方法，以期高效、安全的特点成为水源水安全控制的主流技术。水源生态安全控制的研究方法哈尔滨工业大学环境科学与工程系水源生态安全控制的研究方法物理法：曝气、过滤、捕捞等化学法：絮凝、药剂、预氧化等生物法：微生物法、生物-生态控制技术等哈尔滨工业大学环境科学与工程系安全消毒常规处理工艺强化强化混凝水源水预处理除藻、除蚤技术实地背景供水公司所属的龙虎泡水库、大庆水库等地面水源受到有机微污染，原水中藻类开始繁殖，污染严重，目前龙虎泡水库内年均含藻量达2.5×107个/L，藻类多达160多种。每年6-9月水藻高发期藻类含量可达0.6×107-4×107个/L，并由此引起较重的嗅和味。另外，近两年来源水中还出现了水蚤，水厂原有的氯气氧化消毒工艺很难将其全部杀灭。有效除藻、除蚤提高供水水质哈尔滨工业大学环境科学与工程系除藻除蚤主要方法混凝除藻直接过滤除藻沉淀或过滤除藻慢滤池、生物滤池除藻预氧化除藻哈尔滨工业大学环境科学与工程系大庆饮用水源藻类爆发经过现场检测以及实验室计数分析，显微成像，乘风湖水华爆发造成的原因是微囊藻，该种藻类带有的叶绿素造成水体呈现绿色。经过计数，微囊藻数目为106个/L哈尔滨工业大学环境科学与工程系大庆饮用水源蚤类爆发经过现场检测以及实验室计数分析，显微成像，乘风湖蚤类爆发的蚤类是大型溞，剑水蚤两类，其中引起水体颜色变化的是蚤体呈红色的大型溞。经过计数，大型溞在水中数目约为6000个/L，剑水蚤数目为3000个/L。哈尔滨工业大学环境科学与工程系前期工作基础—美国微宇宙同步模拟美国的直饮水对比模拟试验表明，适宜温度条件下，雨水施入营养物质能够导致水体富营养化现象的发生。哈尔滨工业大学环境科学与工程系人工潜流湿地反应器填料微生物藻类水箱植物哈尔滨工业大学环境科学与工程系哈尔滨工业大学环境科学与工程系a.栅藻(Scenedesmus)b.盘星藻(Pediastrum)c.微囊藻(Microcystis)d.黄丝藻(Tribonema)优势种类镜检图e.束丝藻(Aphanizomenon)f.脆杆藻、鼓藻、黄丝藻、小桩藻共鉴定出38属，藻类的总属数下降，藻细胞总数快速上升，最高达9512.2万个/L哈尔滨工业大学环境科学与工程系演替过程6.23栅藻及微囊藻7.14色球藻与黄丝藻7.28黄丝藻哈尔滨工业大学环境科学与工程系主体结构与填料布设隔板下层出水上层出水炉渣沸石砂子进水配水管材料与方法原水循环路径循环水贮留池生态滤床修复与生物强化过程哈尔滨工业大学环境科学与工程系植物哈尔滨工业大学环境科学与工程系研究内容研究选取石化废水、印染废水和制药废水中的特征污染物苯胺作为实验对象，采用强化生物流化床的工艺，开展在低温条件下（水温在10℃左右）处理苯胺类含氮废水的小试研究石化水厂概况工程设计运行问题分析·吉化曝气池污泥·低温生活污泥·实验室菌种库菌·以上三种混合考察：·苯胺降解效率·菌胶团形成能力·疏水性能高低高效工程菌生长曲线绘制菌种鉴定代时（G）计算生长动力学方程性能研究环境因子对降解效能的影响单一菌群对混合底物的利用工程菌的筛选驯化及特性研究污染物的确定菌群自适应构建吉化污水厂曝气池取泥污泥初始菌群构成底物筛选实验底物定向转化后菌群构成分离高效菌株分析功能菌群潜在功能菌群和非功能菌群工程菌构建与固定化小试研究固定化技术载体的选择固定化生物亲和填料菌丝球投加方式的确定先后分别投加一起投加固定化后投加强化系统群落结构解析对系统进行效能研究酶分析法反映苯胺降解效能和系统运行效能污泥量对系统进行效能研究对系统进行效能研究对系统进行效能研究复筛生态位分离策略菌源重组策略研究意义为提高低温下苯胺类含氮工业废水的处理效果提供参数和指导，为进一步实现北方寒冷地区污水处理、中水回用新技术的开发打下基础。反应器模型课题来源国家自然科学基金重大国际合作项目黑龙江省重大科技攻关项目研究目的解决寒冷地区冬季含氮工业废水处理效果差的问题四、寒冷地区污水处理系统快速启动与稳定运行哈尔滨工业大学环境科学与工程系率先提出“菌丝球”作为生物质载体这一创新理论，阐明了菌丝球的成球过程、机理和影响因素，建立了菌丝球成球、降解、结构和传质四种模型。阐明了各菌群之间的作用关系，构建了系列功能菌剂。首次将采用功能菌群和菌丝球同步培养的新型固定化方法，实现工程菌的固定化。探讨了菌丝球对单一和复合污染物的降解机理和净化效能。以石化废水和城市污水为对象，以生物强化为手段，加速低温污水厂启动、提高污染物净化效能、改善污泥降解功能、强化系统稳定性和耐负荷冲击能力，实现污水厂在现有设施基础上提高废水处理范围和能力。哈尔滨工业大学环境科学与工程系低温菌种筛选筛选结果：低温石油烃降解菌（降解能力60%：11株菌）低温COD降解菌（降解能力65%：9株菌）脱酚菌（脱酚能力60%：6株菌）低温氨氮降解菌（降解能力40%：5株菌）低温苯胺降解菌（降解能力40%：5株菌）低温脱色菌（脱色能力75%：8株菌）采样富集培养、纯化摇瓶试验筛选鉴定哈尔滨工业大学环境科学与工程系工程菌生态构建的一般方法对高效工程菌系统进行工艺、设备开发对筛选出的微生物进行驯化从特殊微生物的生存环境中筛选出高效微生物对筛选出的微生物进行菌种鉴定对高效工程菌系统进行效能研究将高效工程菌系统进行实际工程应用对微生物进行生态组合哈尔滨工业大学环境科学与工程系低温工程菌构建策略影响因素：–生态位、生态幅、生境、生物因子、共氧化、共代谢、内平衡与反馈调节及高效工程菌系统的稳定性等问题。构建策略：–菌源重组策略–生态位分离策略–自适应构建策略构建过程：工程菌构建策略可以简单概括为重组、自适应、筛选三个阶段，以上步骤反复进行直至得到所希望的重组工程菌群。哈尔滨工业大学环境科学与工程系工程菌群构建将来自不同菌源的石油烃类降解菌、COD降解菌、产絮菌、脱酚菌、氨氮降解菌、苯系物降解菌、脱色菌和一些其它菌种进行各自的菌源重组，并根据生态位分离原理对工程菌进行了生态组合，初步构建工程菌群.根据污水厂构筑物设计参数，在工程菌群初步构建基础上，对工程菌进行了更进一步的自适应构建，将固定化后的工程菌分组构建如下：C1组为石油烃降解菌、COD降解菌和产絮菌，C2组为脱酚菌、COD降解菌和氨氮降解菌，C3组为苯胺降解菌、脱色菌及其它配合菌种，将分组后的工程菌群投入不同生境中进行自适应构建。哈尔滨工业大学环境科学与工程系载体选择菌丝球：发酵过程中自然形成的一种微生物颗粒。优点：较好的亲疏水平衡值、载体表面带有正电荷、表面的官能团或元素也有利于细菌的粘附；具有多孔以及大的表面积的特点；生长迅速、代时短，生产成本低。应用：城市污水厂启动和环境事故应急。生物亲和悬浮填料：采用将传统悬浮球形填料改性并活化的方式获得了生物亲和悬浮填料。优点：较好的亲水性、大比表面积、活化后表面的官能团或元素利于细菌的固定；，生产成本低、易于运输、寿命长。应用：在复杂的石化废