第11章-生物技術與環(huán)境教案省名師優(yōu)質課賽課獲獎課件市賽課百校聯(lián)賽優(yōu)質課一等獎課件

第11章生物技術與環(huán)境教案1/56第11章生物技術與環(huán)境教案教學目標:①了解環(huán)境生物技術基本原理.②了解環(huán)境生物技術在污水,廢氣和廢料處理以及環(huán)境監(jiān)測評價方面應用及發(fā)展教學重點：環(huán)境生物技術基本原理教學難點：生物技術在污水,廢氣和廢料處理以及環(huán)境監(jiān)測評價方面應用課型：理論型和社會調(diào)查2/56第11章生物技術與環(huán)境教案教學方法：講授為主，借助多媒體課件及幻燈片穿插演示法、提問法、討論法和啟發(fā)式教學教學用具：多媒體課件、投影儀、黑板教課時數(shù)：理論課2課時，4課時社會調(diào)查教學內(nèi)容：此次課講授《生物技術概論》-11生物技術與環(huán)境，包含污水處理、大氣凈化、3/56第11章生物技術與環(huán)境教案教學過程及教學設計：一、組織教學與復習舊課（約5min）4/56第11章生物技術與環(huán)境教案教學過程及教學設計：二、講授新課：（約80min）（一）污水處理（二）大氣凈化生物濾池法（三）固體廢棄物生物處理（四）生物修復技術應用（五）生物技術在環(huán)境監(jiān)測和評價上應用5/56第11章生物技術與環(huán)境教案-講授新課（一）污水處理一、污水處理

常見生物方法包含穩(wěn)定塘法,人工濕地處理系統(tǒng)法,土地處理系統(tǒng)法,活性淤泥法和生物膜法等.

6/56第11章生物技術與環(huán)境教案-講授新課（一）污水處理（一）穩(wěn)定塘法

1、含義；穩(wěn)定塘(stabilizationpond)源于早期氧化塘,故又稱氧化塘,指污水中污染物在池塘處理工程中反應速率和去除效果到達穩(wěn)定水平。

穩(wěn)定塘工程是在科學理論基礎上建立技術系統(tǒng),是人工強化辦法和自然凈化功效相結合新型凈化技術,與原始氧化塘技術相比,已發(fā)生根本性改變.

第一座人工設計厭氧穩(wěn)定塘是于1940年在澳大利亞一處廢水處理廠中建成,當前全世界采取生物穩(wěn)定塘處理污廢水共有40多個國家.到1988年止,7/56第11章生物技術與環(huán)境教案-講授新課（一）污水處理2、類型：

穩(wěn)定塘能夠劃分為兼性塘,厭氧塘,好氧高效塘,精制塘,曝氣塘等.3、去污原理：

原理是污水或廢水進入塘內(nèi)后,在細菌,藻類等各種生物作用下發(fā)生物質轉化反應,如分解反應,硝化反應和光合反應等,到達降低有機污染成份目標.

穩(wěn)定塘深度從十幾厘米至數(shù)米,水體停留時間普通不超出兩個月,能很好地去除有機污染成份，通常是將數(shù)個穩(wěn)定塘結合起來使用，作為污水一、二級處理。8/56第11章生物技術與環(huán)境教案-講授新課（一）污水處理4、特點：

穩(wěn)定塘法處理污水廢水最大特點是所需要技術難度低，操作簡單，維持運行費用少，但占地面積大是穩(wěn)定塘技術一大困難。9/56第11章生物技術與環(huán)境教案-講授新課（一）污水處理2、去污原理

人工濕地由土壤和礫石等混合結構填料床組成，深約60～100cm，床體表面種上植物。水流能夠在床體填料縫隙間流動，或在床體地表流動，最終經(jīng)集水管搜集后排出。

人工濕地對廢水處理綜合了物理、化學和生物三種作用。其成熟穩(wěn)定后，填料表面和植物根系中生長了大量微生物形成生物膜，廢水流經(jīng)時，固態(tài)懸浮物（SS）被填料及根系阻擋截留，有機質經(jīng)過生物膜吸附及異化、同化作用而得以去除。10/56第11章生物技術與環(huán)境教案-講授新課（一）污水處理

濕地床層中因植物根系對氧傳遞釋放，使其周圍微生物環(huán)境依次展現(xiàn)出好氧、缺氧和厭氧狀態(tài)，確保了廢水中氮、磷不但能被植物和微生物作為營養(yǎng)成份直接吸收，還能夠經(jīng)過硝化、反硝化作用及微生物對磷過量積累作用而從廢水中去除，最終經(jīng)過濕地基質定時更換或收割，使污染物從系統(tǒng)中去除。

尤其需要指出是：生長水生植物，比如蘆葦、大米草等還能吸收空氣中CO2，起到凈化空氣作用；其本身又含有較高經(jīng)濟價值。11/56第11章生物技術與環(huán)境教案-講授新課（一）污水處理

人工濕地普通作為二級生物處理，一級處理采取何種方法視廢水性質而定。

對于生活污水，可采取化糞池，其它工業(yè)廢水可采取沉淀池作為去除SS預處理。

人工濕地視其規(guī)模大小可單一使用，或各種組合使用。還可與穩(wěn)定塘結合使用。多媒體展示深圳白泥坑人工濕地處理簡單流程圖12/56第11章生物技術與環(huán)境教案-講授新課（一）污水處理（三）污水處理土地系統(tǒng)1、含義：

污水處理土地系統(tǒng)（landsystemsforwastewatertreatment）是60年代后期在各國相繼發(fā)展起來。

它主要是利用土地以及其中微生物和植物根系，對污染物凈化能力來處理污水或廢水，同時利用其中水分和肥分來促進農(nóng)作物、牧草或樹木生長工程設施。13/56第11章生物技術與環(huán)境教案-講授新課（一）污水處理2、特點；

污水處理土地系統(tǒng)含有投資少、能耗低、易管理和凈化效果好特點。主3、類型：

分為三種類型，即慢速滲濾系統(tǒng)（SR）、快速滲濾系統(tǒng)（RI）和地表漫流系統(tǒng)（OF）。另外，也常采取將上述兩種系統(tǒng)結合起來使用復合系統(tǒng)。14/56第11章生物技術與環(huán)境教案-講授新課（一）污水處理4、去污原理；

污水處理土地系統(tǒng)普通由污水預處理設施，污水調(diào)整與儲存設施，污水輸送、分流及控制系統(tǒng)，處理用地和排出水搜集系統(tǒng)等組成。

該處理工藝是利用土地生態(tài)系統(tǒng)自凈能力來凈化污水。

土地生態(tài)系統(tǒng)凈化能力包含土壤過濾截留、物理和化學吸附、化學分解、生物氧化以及植物和微生物吸收和攝取等作用。15/56第11章生物技術與環(huán)境教案-講授新課（一）污水處理

主要過程是：污水經(jīng)過土壤時，土壤將污水中處于懸浮和溶解狀態(tài)有機物質截留下來，在土壤顆粒表面形成一層薄膜，這層薄膜里充滿著細菌，能吸附污水中有機物，

并利用空氣中氧氣，在好氧菌作用下，將污水中有機物轉化為無機物，如二氧化碳、氨氣、硝酸鹽和磷酸鹽等；

土地上生長植物，經(jīng)過根系吸收污水中水分和被細菌礦化了無機養(yǎng)分，再經(jīng)過光合作用轉化為植物體組成成份，

16/56第11章生物技術與環(huán)境教案-講授新課（一）污水處理

從而實現(xiàn)有害污染物轉化為有用物質目標，并使污水得到利用和凈化處理。

主要過程是：污水經(jīng)過土壤時，土壤將污水中處于懸浮和溶解狀態(tài)有機物質截留下來，在土壤顆粒表面形成一層薄膜，這層薄膜里充滿著細菌，能吸附污水中有機物，

并利用空氣中氧氣，在好氧菌作用下，將污水中有機物轉化為無機物，如二氧化碳、氨氣、硝酸鹽和磷酸鹽等；

17/56第11章生物技術與環(huán)境教案-講授新課（一）污水處理土地上生長植物，經(jīng)過根系吸收污水中水分和被細菌礦化了無機養(yǎng)分，再經(jīng)過光合作用轉化為植物體組成成份，

從而實現(xiàn)有害污染物轉化為有用物質目標，并使污水得到利用和凈化處理。多媒體展示污水處理土地系統(tǒng)18/56第11章生物技術與環(huán)境教案-講授新課（一）污水處理（四）活性污泥處理法1、含義；

活性污泥是由含有生命活力各種微生物類群組成顆粒狀絮絨物，有時稱之為生物絮體。好氧微生物是活性污泥中主體生物，其中又以細菌最多。同時還有酵母菌、放線菌、霉菌以及原生動物和后生動物等，它們共同組成一個平衡生態(tài)系統(tǒng)。19/56第11章生物技術與環(huán)境教案-講授新課（一）污水處理2、特點；

正?；钚晕勰鄮缀鯚o臭味，略有土壤氣味，多為黃色或褐色。活性污泥粒徑小，在0.02～0.2mm之間，有較大比表面積，利于吸附與凈化處理廢水中污染物。20/56第11章生物技術與環(huán)境教案-講授新課（一）污水處理3、去除污染物基本原理：

活性污泥與廢水充分接觸混合后，因為活性污泥顆粒有較大比表面積，其表面粘液層能快速吸附大量有機或無機污染物。

吸附過程約在30min內(nèi)即可完成，可去除廢水中70％以上污染物。被吸附有機或無機污染物又在微生物酶作用下，進行分解或合成代謝作用，實現(xiàn)了物質轉化，從而使廢水或污水得以凈化。多媒體展示：一個慣用污水處理裝置21/56第11章生物技術與環(huán)境教案-講授新課（一）污水處理（五）生物膜處理法含義：

生物膜處理法（bio-filmtreatmentprocess），又稱為生物過濾法、固著生長法、或簡稱為生物膜法。經(jīng)過滲濾或過濾生物反應器進行廢水好氧處理方法。在這個系統(tǒng)中，液體流經(jīng)不一樣濾床表面。

濾床填料能夠是石頭、砂礫或塑料網(wǎng)等，其表面附著大量微生物群落能夠形成一層粘液狀膜，即生物膜。生物膜中微生物與廢水不停接觸，能吸附去除有機物以供本身生長。22/56第11章生物技術與環(huán)境教案-講授新課（一）污水處理

生物膜生物相由細菌、酵母菌、放線菌、霉菌、藻類、原生動物、后生動物以及肉眼可見其它生物等群落組成，是一個穩(wěn)定平衡生態(tài)系統(tǒng)。

大量微生物生長會使生物膜增厚，同時使其生物活性降低或喪失。舉例：生物濾池23/56第11章生物技術與環(huán)境教案-講授新課

（二）大氣凈化生物濾池法二、大氣凈化生物濾池法（一）處理流程：24/56（二）過程描述：

1）廢氣搜集和輸送

2）一體化生物濾池

廢氣進入到生物濾池，微生物把致臭污染物降解成無臭化合物。

生物濾池將致臭污染物降解成二氧化碳和水，沒有二次污染，生物降解反應式是：

微生物

污染物

+O2

→細胞物質

+CO2+H2O

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（二）大氣凈化生物濾池法25/56（三）性能特點：

1）生物濾池異味處理效果非常好，在任何季節(jié)都能滿足各地最嚴格環(huán)境保護要求。

2）不產(chǎn)生二次污染。

3）微生物能夠依靠填料中有機質生長，無須另外投加營養(yǎng)劑。所以停工后再使用開啟速度快，周末停機或停工1至周后再開啟能馬上到達很好處理效果，幾小時后就能到達最正確處理效果。停頓運行3至4周再開啟馬上有很好處理效果，幾天內(nèi)恢復最正確處理效果。

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（二）大氣凈化生物濾池法26/56 4）生物濾池緩沖容量大，能自動調(diào)整濃度高峰使微生物一直正常工作，耐沖擊負荷能力強。

5）運行采取全自動控制，非常穩(wěn)定，無須人工操作。易損部件少，維護管理非常簡單，基本能夠實現(xiàn)無人管理，工人只需巡視是否有機器發(fā)生故障。

6）生物濾池池體采取組裝式，便于運輸和安裝；在增加處理容量時只需添加組件，易于實施；也便于氣源分散條件下分別處理。

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（二）大氣凈化生物濾池法27/56 7）這類過濾形式生物濾池能耗非常低，在運行六個月之后濾池壓力損失也只有500Pa左右。

8）其主要缺點是占地面積較大，但能夠經(jīng)過放置在屋頂或其它構筑物上來節(jié)約空間。第11章生物技術與環(huán)境教案-講授新課

（二）大氣凈化生物濾池法28/56三、固體廢棄物生物處理

固體廢棄物主要包含固體生活垃圾和生產(chǎn)廢棄物.下面簡明介紹固體生活垃圾生物處理及廢棄物礦渣生產(chǎn)生物淋溶處理.

（一）固體垃圾生物處理

世界各國處理城市垃圾方法主要有3種,即填埋,堆肥和焚燒等,其中填埋和堆肥主要是經(jīng)過微生物作用來完成垃圾處理.

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（三）固體廢棄物生物處理29/561、填埋技術

填埋技術就是將固體廢物存積在大坑或低洼地,并經(jīng)過科學管理來恢復地貌和維護生態(tài)平衡工藝.填埋法處理垃圾量大,簡便易行,投入少,是自古以來人類處理生活垃圾一個主要方法.第11章生物技術與環(huán)境教案-講授新課

（三）固體廢棄物生物處理30/562、堆肥法

堆肥是在鋪有固體有顆粒低床上進行，固有微生物在其中生長和繁殖。

堆肥方式有靜止堆積、通氣堆積、通道堆積或在旋轉生物反應器中堆積等。也能夠對廢料進行某種形式預處理，如經(jīng)過切碎或磨碎方法降低顆粒大小。

堆肥處理基本生物學反應是有機基質與氧混合發(fā)生氧化反應，生成co2，水或其它有機副產(chǎn)品。堆肥完成后終產(chǎn)品常需放置一段時間加以穩(wěn)定。

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（三）固體廢棄物生物處理31/56

未來堆肥技術應有以下四個標準:①要有合理永久性底層結構,以防止有害滲漏物污染到地下水源.②堆肥基質質與量要適合,這是影響終產(chǎn)品質量主要原因.③形成終產(chǎn)品市場.這是堆肥技術得以推廣確保.④處理過程不污染環(huán)境,而且在經(jīng)濟上可行.

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（三）固體廢棄物生物處理32/56（二）礦渣生物淋溶處理

生物淋溶技術主要指微生物冶金或微生物浸礦技術,它是近代濕法冶金工業(yè)上一個新工藝.

應用微生物溶浸一些貧礦,廢礦,尾礦或火冶爐渣等時,微生物能夠經(jīng)過其溶解作用,即淋溶作用,往返收提取有商業(yè)價值珍貴金屬或稀有金屬.

微生物采礦能夠預防礦產(chǎn)資源流失,到達最大程度地利用礦藏目標;同時還能防止或降低固體廢物對環(huán)境污染.第11章生物技術與環(huán)境教案-講授新課

（三）固體廢棄物生物處理33/56四、生物修復技術應用

（一）石油污染生物修復1、方法

一個方法是經(jīng)過增加營養(yǎng)鹽以促使土著微生物生長.土著微生物種群長時間暴露在特定污染化合物中時,一些亞種群會形成有限代謝能力以利用或降解不適污染物.

這些特殊微生物生長一樣受營養(yǎng)情況限制.當加入N,P等生長必需營養(yǎng)物后,會促使這些微生物加緊生長,對應地促進了污染物降解.第11章生物技術與環(huán)境教案-講授新課

（四）生物修復技術應用34/56

舉例：利用這種原理,人們在1989～1990年成功地去除了ExxonValdez號油輪在PrinceWilliamSound海岸和阿拉斯加灣海岸漏油.

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（四）生物修復技術應用35/56

第二種方法是經(jīng)過生物反應器培養(yǎng),增加有益微生物數(shù)量,然后再將這些微生物混合類群接種到污染地進行生長,繁殖.這種方法已在一些地方得以成功應用。

舉例：一些企業(yè)現(xiàn)已將微生物制成菌劑并商品化,能顯著增加油污降解速率.其中一個菌劑為白腐菌,這是一個慣用木質素材料降解者,經(jīng)過它們能降解許多危害極大工業(yè)污染物如PCB等.第11章生物技術與環(huán)境教案-講授新課

（四）生物修復技術應用36/562、不足：石油類化合物生物修復技術當前仍有一些限制,其中包含: ①含有降解作用土著微生物要能完全適應特定待處理環(huán)境; ②引入外源微生物必須能在新環(huán)境中成活,同時還能與原有土著微生物競爭; ③添加菌劑必須與污染物緊密接觸,在水生環(huán)境中要防止被稀釋.多媒體展示：利用生物恢復技術處理石油溢漏存在優(yōu)勢和不足之處見表11-4.第11章生物技術與環(huán)境教案-講授新課

（四）生物修復技術應用37/56五、生物技術在環(huán)境監(jiān)測和評價上應用（一）指示生物

1、細菌生長和繁殖極為快速,作為指示生物含有周期短,運轉費用低,數(shù)據(jù)資料可靠等特點。

依據(jù)污染物對細菌作用不一樣,可分別選取細菌生長抑制試驗,細菌生化毒理學方法,細菌呼吸抑制試驗和發(fā)光細菌監(jiān)測技術等監(jiān)測污染情況.

舉例：1966年,發(fā)光菌首次被用于檢測空氣樣品中毒物.20世紀70年代末期,第一臺毒性生物檢測器問世,并投放市場,對應發(fā)展起來發(fā)光菌毒性測試技術,引人注目.

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（四）生物技術在環(huán)境監(jiān)測和評價上應用38/562、藻類和高等植物也能作為污染指示生物.

舉例：一些藻類不能存活在某種污染物環(huán)境中,所以假如在環(huán)境中檢測到這些藻類大量存在,對應地能夠說明環(huán)境中沒有該種污染物.第11章生物技術與環(huán)境教案-講授新課

（四）生物技術在環(huán)境監(jiān)測和評價上應用39/56（二）核酸探針和PCR技術

1、核酸雜交指單鏈DNA片段在適合條件下能和與之互補另一個單鏈片段結合(見2.5.1.4).

假如對最初DNA片段進行標識,即做成探針,就可監(jiān)測外界環(huán)境中有沒有對應互補片段存在.

利用核酸探針雜交技術能夠檢測水環(huán)境中致病菌,如大腸桿菌,志賀氏菌,沙門氏菌和耶爾森氏菌等.也可用于檢測病毒,如乙肝病毒,艾滋病病毒等.第11章生物技術與環(huán)境教案-講授新課

（四）生物技術在環(huán)境監(jiān)測和評價上應用40/56缺點：當前利用DNA探針檢測微生物成本較高,所以無法對飲用水進行常規(guī)性細菌學檢驗;另外,檢測微生物數(shù)量微少時,分析有困難;同時要對微生物進行分離培養(yǎng)后方能進行檢測.第11章生物技術與環(huán)境教案-講授新課

（四）生物技術在環(huán)境監(jiān)測和評價上應用41/562、

PCR技術是特異性DNA片段體外擴增一個非?？焖俣啽阈路椒?見

2.1.3),有極高靈敏度和特異性.

對于微量甚至常規(guī)方法無法檢測出來DNA分子經(jīng)過PCR擴增后,因為其含量成百萬倍地增加,從而能夠采取適當方法給予檢測.

它能夠填補DNA子直接雜交技術不足.第11章生物技術與環(huán)境教案-講授新課

（四）生物技術在環(huán)境監(jiān)測和評價上應用42/56優(yōu)點：采取PCR技術可直接用于土壤,廢物和污水等環(huán)境標本中生物檢測,包含那些不能進行人工培養(yǎng)微生物檢測.

舉例：利用PCR技術能夠檢測污水中大腸桿菌類細菌

舉例：PCR技術還可用于環(huán)境中工程菌株檢測.第11章生物技術與環(huán)境教案-講授新課

（四）生物技術在環(huán)境監(jiān)測和評價上應用43/563、生物芯片

生物芯片(biochip)是近年來在生命科學領域中快速發(fā)展起來一項高新技術。

它是一個經(jīng)過微加工技術和微電子技術將生物探針分子(寡聚核苷酸,cDNA,基因組DNA,多肽,抗原,抗體等)固定在硅片,玻璃片,塑料片,凝膠,尼龍膜等固相介質表面而構建微型生物化學分析系統(tǒng),

能夠對細胞,蛋白質,DNA以及其它生物組分進行準確,快速和大信息量檢測(見2.5.1.5).第11章生物技術與環(huán)境教案-講授新課

（四）生物技術在環(huán)境監(jiān)測和評價上應用44/56

當待分析樣品中生物分子與生物芯片探針分子發(fā)生雜交或相互作用后,能夠利用激光共聚焦顯微掃描儀等對雜交信號進行高通量檢測,

所以生物芯片技術將生命科學研究中所包括許多分析步驟整合起來,使樣品檢測,分析過程連續(xù)化,集成化,微型化。第11章生物技術與環(huán)境教案-講授新課

（四）生物技術在環(huán)境監(jiān)測和評價上應用45/564、生物傳感器及其它

含義：生物傳感器是以微生物,酶,抗原或抗體等含有生物活性生物材料作為分子識別元件一類特殊化學傳感器

其基本工作原理是,待測物質經(jīng)擴散作用進入生物活性材料,經(jīng)生物材料分子識別后,發(fā)生生物學反應,產(chǎn)生信息被對應物理或化學換能器轉變成可定量和可處理電信號,再經(jīng)二次儀表放大并輸出,由此可知待測物性質及濃度.第11章生物技術與環(huán)境教案-講授新課

（四）生物技術在環(huán)境監(jiān)測和評價上應用46/56類型：生物傳感器包含許多類型舉例：日本曾研制開發(fā)出可測定工業(yè)廢水BOD微生物傳感器,此種傳感器測定法能夠取代傳統(tǒng)5天BOD測定法,

其基本原理是,當生物傳感器置于恒溫緩沖溶液中時,在不停攪拌下,溶液被氧飽和,生物膜中生物材料處于內(nèi)源呼吸狀態(tài),溶液中氧經(jīng)過微生物擴散作用與內(nèi)源呼吸耗氧到達一個平衡,傳感器輸出一個恒定電流.第11章生物技術與環(huán)境教案-講授新課

（四）生物技術在環(huán)境監(jiān)測和評價上應用47/56

當加入樣品時,微生物由內(nèi)源呼吸轉入外源呼吸,呼吸活性增強,造成擴散到傳感器氧降低,對應輸出電流也降低,幾分鐘后,又到達一個新平衡狀態(tài).

在一定條件下,傳感器輸出電流值與BOD濃度呈線性關系,故可定量檢測工業(yè)廢水

BOD值.

優(yōu)點：生物傳感器含有成本低,易制作,使用方便,測定快速及在線監(jiān)測等優(yōu)點,作為一個新環(huán)境監(jiān)測伎倆含有遼闊發(fā)展前景.第11章生物技術與環(huán)境教案-講授新課

（四）生物技術在環(huán)境監(jiān)測和評價上應用48/56試驗：

社會調(diào)查：生物技術在周圍地域環(huán)境中應用第11章生物技術與環(huán)境教案-講授新課

試驗49/56課程小結：

應用當代生物技術進行環(huán)境污染治理和監(jiān)測是處理當今社會環(huán)境問題主要路徑.

環(huán)生物技術包含內(nèi)容極為豐富,主要是利用生物有機體吸收,吸附,積累,降解,結合等機能到達降低或凈化環(huán)境中污染成份目標.

在污水處理方面,即可利用穩(wěn)定塘,水生植物塘,人工濕地和土地處理系統(tǒng)等凈化處理技術,也可采取活性污泥法和生物膜法等處理技術.前者操作簡便,維持費用少,技術難度低,但占地面積大;后者需要時間短,去污效率高,廣泛用于城市污水處理.

第11章生物技術與環(huán)境教案-講授新課

課程小結50/56

凈化廢氣慣用方法有:生物過濾法,生物洗滌法和生物吸收法等,所采取生物反應器包含生物凈氣塔,滲濾器和生物濾池等.

固態(tài)垃圾或廢棄物能夠利用填埋和堆肥等生物技術減量處理.填埋地和堆肥地合理管理,微生物作用條件正確控制是填埋和堆肥技術成功保障.

生物淋溶技術,即利用微生物溶浸一些廢礦,貧礦等能回收提取有商業(yè)價值珍貴金屬或稀有金屬如銅,錳,黃金和鈾等,既能預防礦產(chǎn)資源流失,又能防止或降低固體廢物污染.第11章生物技術與環(huán)境教案-講授新課

課程小結51/56

生物修復技術是近年來備受關