项目四 固体废弃物、废气生物处理
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项目四 固体废弃物、废气生物处理 【 学习目标 】 知识目标: 1. 了解可生化处理的固体弃废物的种类和来源 PowerPoint PPT Presentation


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项目四 固体废弃物、废气生物处理 【 学习目标 】 知识目标: 1. 了解可生化处理的固体弃废物的种类和来源 2. 掌握固体废弃物生物处理法中的堆肥法、卫生添埋法的处理原理及过程 3. 了解生物法净化气态污染物的方法、原理 4. 了解生物修复概念、理解生物修复原理 技能目标: 会用生物法处理固体弃废物 态度目标: 具有保护生态环境、治理污染环境的责任感,让废弃物再生利用。. 任务一 固体废弃物的生物处理技术. 一、概 述. 废渣种类与来源 废渣概念 废渣种类 废渣来源. 垃圾污染的危害

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项目四 固体废弃物、废气生物处理 【 学习目标 】 知识目标: 1. 了解可生化处理的固体弃废物的种类和来源

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项目四 固体废弃物、废气生物处理

【学习目标】

  • 知识目标:

    1.了解可生化处理的固体弃废物的种类和来源

    2.掌握固体废弃物生物处理法中的堆肥法、卫生添埋法的处理原理及过程

    3.了解生物法净化气态污染物的方法、原理

    4.了解生物修复概念、理解生物修复原理

  • 技能目标:

    会用生物法处理固体弃废物

  • 态度目标:

    具有保护生态环境、治理污染环境的责任感,让废弃物再生利用。


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任务一 固体废弃物的生物处理技术


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一、概 述

  • 废渣种类与来源

  • 废渣概念

  • 废渣种类

  • 废渣来源


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  • 垃圾污染的危害

  • 数量巨大、处理率低

  • 组成复杂、四季变化

  • 污染环境、危害严重

  • 我国垃圾问题的特点

  • 最晚得到重视

  • 最具综合性的环境问题

  • 最难得到处置

  • 最贴近的环境问题


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二、堆肥法

  • 堆肥化和堆肥概念

  • 好氧堆肥法

  • 作用条件:① C:N在25:1~30:1 ;②湿度适当 ;③氧要供应充分 ;④有一定数量的氮和磷 ;⑤温度适中;⑥发酵周期7 天左右 。

  • 好氧堆肥法的原理

  • 堆肥法的分类

  • 间歇堆积法

  • 连续堆积法


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堆肥法生产工艺流程


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三、卫生填埋法

垃圾卫生填埋法是运用各种天然屏障和工程屏障,尽可能将垃圾与生态环境相隔绝而实现填埋体内垃圾无害化。在填埋体内,通过微生物的活动实现垃圾中有机物降解并产生沼气,同时产生垃圾渗滤液,直至垃圾达到稳定。

卫生填埋场从垃圾分区分单元填埋、覆土、封场直至达到稳定,其时间长短主要取决于垃圾成分和水文气象特征,一般需要15年以上。


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固体废弃物中聚合物的代谢


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四、厌氧发酵法

厌氧生物处理法是在厌氧条件(不存在分子态氧O2和化合态氧,氧化还原电位(E)在-200~-300mV之间)或缺氧条件(不存在分子态氧,但存在NO3-等化合态氧,氧化还原电位不低于-100mV) 下,利用厌氧性微生物(包括兼性微生物)分解污水中的有机物的方法,也称厌氧消化(anaerobic digestion)或厌氧发酵法。


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厌氧生物处理法与好氧生物处理法的比较


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厌氧生物处理的基本过程

  • 水解阶段

  • 发酵(酸化)阶段

  • 产乙酸阶段

  • 产甲烷阶段


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厌氧生物反应器

厌氧消化池

厌氧消化池以秸秆和人畜粪便为主要原料,厌氧发酵生产沼气作为生物能源。


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  • 厌氧滤池

  • 厌氧滤池是装有滤料的厌氧生物反应器,微生物在滤料表面形成生物膜,在滤料孔隙中则截留大量有机物,使它们被吸附降解,最后达到稳定化。

  • 厌氧滤池反应器的优点是:①生物量浓度高,可获得较高的有机负荷;②微生物菌体停留时间长,所以HRT可缩短,有较强的耐冲击负荷能力;③启动时间短,停止运行后再启动也较容易;④不需污泥回流,管理运行方便;⑤运行稳定性好,抗水量、水质变化冲击能力强。


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几种厌氧滤池的构造


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  • 上流式厌氧污泥床(UASB)反应器

  • UASB反应器由反应区和沉降区两部分组成。反应区由污泥床和悬浮污泥床组成。沉降区由沉淀和三相分离器组成。

  • UASB中的污泥呈颗粒状,与其他生物废水反应器中的厌氧污泥、活性污泥及生物膜均不同,具有一些独特的性质。

  • 成熟污泥颗粒的形成主要可分为三个阶段:细菌与基体的吸附粘连过程;微生物聚集体的形成;成熟颗粒污泥的形成。


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UASB反应器的工作原理


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  • 厌氧生物处理新工艺及应用进展

  • 光合细菌厌氧处理高浓度有机废水

    光合细菌的其他特点:能耐较低温度(10℃)及较高盐分浓度(20g/100ml),在厌氧条件下进行有机物分解,其生成菌体生物量较少,亦即剩余污泥量少,其菌体中含有丰富的蛋白质(65%)、维生素B12(23mg/g细胞)和核黄素,还有大量胡萝卜素。

  • 厌氧一好氧组合工艺处理难降解工业废水

    短期厌氧降解(即酸发酵)能改变杂环有机物的结构,使其转化为易于好氧生物降解的有机酸类化合物等,还可以改善废水中难降解有机物的生物可降解性,从而大大提高系统的处理效率。


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案例介绍1

  • 沼气发电

  • 在发达国家已广泛推广,其中美国最为先进,已有61个垃圾填埋厂使用沼气发电,发电机总容量已达340MW我国沼气发电有20多年历史,目前国内0.8-5000KW级发电机组均已先后投产,今后研究发展方向:高效沼气和发电工程系统研究.


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实例2

  • 如;苏北盱眙县盱城镇严岗村的淮安温氏畜牧公司种猪场V类沼气工程 , 3000头猪计算,年粪污排放量1.1万吨,沼气工程建成后可年产沼气约5.1万立方米,发电7.7万度,能满足整个猪场、燃气、用电等需要。同时沼渣、沼液还能用于养殖场周围林地花卉、苗木及蔬菜种植。


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案例3.大型沼气发电示范工程

  • 宜兴市兴望农牧有限公司是江苏省无锡市农业产业化龙头企业 ,下属的兴望农牧沼气工程建设项目,是农业部2005年批准建设的种猪场大型沼气发电能源环保示范工程。

  • 该工程总投资278万元;该沼气工程年处理猪粪尿25000吨,年产沼气36.5万立方米。该工程2005年12月开工建设,2006年4月竣工。5月份投入运行,发电机组80kw,日发电1920度;年发电69万度,沼站年收入55.95万元,沼气占经营成本费用31.45万元,实现年利润24.55万元。


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分 组 讨 论

  • 1. 固体废物生物处理的主要方法和原理是什么?

  • 2.参与堆肥的微生物有哪些?

  • 3.简述好氧堆肥过程。

  • 4.填埋厂渗滤液的危害及处理措施是什么?

  • 5.生物法净化气态污染物的基本原理是什么?

  • 6.废气的生物处理与废水的生物处理有何异同与联系?


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任务二 废气的生物处理技术


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一、废气的生物反应器处理

微生物对各类污染物均有较强、较快的适应性,并可将其作为代谢底物降解、转化。同常规的有机废气处理技术相比,生物技术具有效果好、投资及运行费用低、安全性好、无二次污染、易于管理等优点,尤其在处理低浓度(<3mg/L)、生物降解性好的有机废气时更显其优越性。


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二、废气生物处理的基本形式

按微生物在废气处理过程中存在的形式不同可将处理工艺分为附着生长系统和悬浮生长系统。附着生长系统中微生物是附着在固体介质上,废气通过固定床时被吸附、吸收,最终被微生物所降解,典型的方式是生物过滤法。悬浮生长系统中微生物存在于液体中,废气通过传质进入液相中,从而被微生物降解,典型的方式是生物吸收法。同时具有两种生长系统特性的典型的方式是生物滴滤法。


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生物过滤法

废气在增湿后,通过反应器的生物活性填料层,污染物从气相转移到生物滤料层并被附着的微生物氧化分解,废气得到净化。


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生物吸收法

生物吸收法的工艺一般由废气吸收段和悬浮液再生段两部分组成,相应的装置为吸收设备和再生反应器 ,具体工艺流程如右图所示


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生物滴滤法

生物滴滤法工艺集生物吸收和生物氧化于一体。气体从生物滴滤器的底部进入填料层,然后与回流水接触,便于最大限度地吸收进入液相,进行生物处理。工艺流程见右图


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三种废气生物处理工艺的比较


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三、废气生物法处理废气的机理

  • 生物法净化废气过程的实质是利用微生物的代谢作用将废气分解为简单的无机物。由于这一过程在气相中很难进行,废气必须首先经历由气相转移到液相或固相表面液膜中的传质过程,然后污染物才能在液相或固相表面被微生物吸附降解。

  • 传质过程可用下式表达:

    F=K·α·(c’-c)

    c'=cg/H

    式中:F—质量传递速率,mol/m3·s;K—整个界面的质量传递系数,m/s;α—单位体积的界面积,m2/m3;c’—与气相平衡时液相中的浓度,mol/m3;c—液相中的浓度mol/m3;H—气体的亨利系数。


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四、处理废气的微生物

同废水的生物处理一样,特定的待处理成分都有适宜处理的微生物群落。当处理挥发性有机污染物时,大多数生物反应器中的微生物种类以异养型细菌为主,霉菌为次,极少有酵母菌。大部分细菌是杆菌和内生孢子菌,此外还常见有假单胞菌生长。放线菌中主要以链霉菌为代表。真菌中有毛霉、根霉、曲霉、青霉和交链孢霉等。


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五、废气处理的基本条件

  • 湿度:在生物滤池中,填料/生物固体水分的最佳含量为40%~60%(质量分数)。

  • 温度:生物反应器的运行温度一般在20~40℃为宜,35℃是生物滤池好氧微生物生长的最佳温度。

  • pH: 生物反应器的水相pH为6~9,但在降解一些含氯、氮、硫的化合物时,会有酸的积累,应当采取相应措施来避免。

  • 其他因素:影响生物反应器处理废气效率的因素还有污泥的MLSS浓度、溶解氧等,此外还与污泥的驯化与否、营养盐的投加量及投加时间等有关。


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案例介绍

  • 哈药集团制药总厂 (黑龙江哈尔滨)的制药污水进入处理设施后,所含有的部分有机物在水解池等构筑物中发生“腐败”释放出H2S、CH4等恶臭气体,造成了二次污染,致使污水厂在处理污水的同时,又产生了恶臭问题.

  • 针对该问题,应用生物除臭技术(是一种较新的空气污染治理技术)。以生物法为主,结合碱吸收和物理法治理污水处理厂产生的H2S、CH4等恶臭气体。结果去除率可以在90%到100%,取得了良好的效果,工艺流程简便可行,具有显著的环境和经济效益。


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六、微生物对环境污染物的生物降解与转化


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(一)微生物对环境污染物的生物降解能力

  • 微生物对环境污染物的生物适应能力及降解潜力

  • 生物降解:复杂有机化合物在微生物作用下转变成结构较简单化合物或被完全分解的过程。

  • 终极降解:有机物彻底分解至释放出无机产物CO2与H2O 的过程。

  • 生物转化:通过微生物代谢导致有机或无机化合物的分子结构发生某种改变、生成新化合物的过程。


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  • 微生物降解污染物的影响因素:

  • 物质的化学结构

    生物降解有机物的难易程度首先取决于生物本身的特性,同时也与有机物的结构特征有关。

  • 共代谢作用

    环境中的污染物常通过共代谢而获降解;尤其对一些结构复杂的有机污染物更是如此。

  • 环境物理化学因素

    包括微生物生长所需的营养元素、通气情况、酸碱度、温度、水分、光照和毒物等,均会影响微生物对污染物降解的范围与速度。

  • 中间体或终产物可能变成更复杂的物质,或者毒性增加,比原始污染物更为有害。


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土壤微生物群对不同取代基苯化物分解之难易程度


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(二)微生物对环境污染物的降解

在自然生态系统中,来自于生物体的每一种天然的无毒有机物几乎都有相对应的降解微生物。只要具备合适的条件,微生物就可以沿着一定的途径降解这些有机物。


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1.多糖类的生物降解途径

多糖类有机物是异养微生物的主要能源,也是生物细胞重要的结构物质和贮藏物质。这类有机物广泛地存在于动植物尸体及废料中。如纤维素、半纤维素、淀粉、果胶质等。

纤维素的降解途径

淀粉的降解途径

多糖类的生物降解途径

半纤维素的降解途径

果胶质的降解途径


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2.半纤维素的降解途径


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3.木质素的降解

木质素的微生物降解过程十分缓慢,玉米秸秆进入土壤后6个月,木质素仅减少1/3,在厌氧的条件下降解得更慢。真菌降解木质素的速度比细菌要快。真菌中担子菌降解木质素的能力最强,另外有木霉、曲霉、镰孢霉的某些种。细菌中有假单胞菌等个别的种类能分解木质素。


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4.脂类的生物降解

脂肪是由高级脂肪酸和甘油合成的酯,在环境中微生物脂肪酶的作用下分解较快。类脂包括磷脂、糖脂和固醇,蜡质由高级脂肪酸和高级单元醇化合而成,这两者必须有特殊的脂酶才能降解,所以在环境中分解较慢。脂类的降解途径可以简化如下:

甘油+高级脂肪酸

脂肪+H2O

甘油(或其他醇类)+高级脂肪酸

+磷酸+有机碱类

类脂质+H2O

高级醇+高级脂肪酸

蜡质+H2O


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案例:亲脂微生物在环境污染治理中的应用


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5.有毒污染物的降解


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6.烷烃类的微生物降解

微生物对一般的烷烃的降解是通过单一末端氧化、双末端氧化(又称ω-氧化)、亚末端氧化的途径。烷烃(n个碳原子)的分解通常从一个末端的氧化形成醇开始,然后继续氧化形成醛,再氧化成羧酸,羧酸经β-氧化后产物进入三羧酸循环,被彻底降解为CO2和H2O。


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7.烯烃类的微生物降解

  • 微生物对烯烃的代谢,其途径有三种可能 :

  • ①在双键部位与H2O加成反应,生成醇。

  • ②受单氧酶的作用生成一种环氧化物,再氧化成一个二醇。

  • ③在分子饱和端发生反应.

  • 以上三种途径的代谢产物为饱和或不饱和脂肪酸,然后经过卢一氧化进入三羧酸循环被完全分解。


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烯烃的微生物降解途径


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8.芳烃类的微生物降解

芳香烃在双加氧酶的作用下氧化为二羟基化的芳香醇,之后失去两个氧原子形成邻苯二酚。邻苯二酚在邻位或间位开环。邻位开环生成己二烯二酸,再氧化后的产物进入三羧酸循环。间位开环生成2-羟己二烯半醛酸,进一步代谢生成甲酸、乙醛和丙酮酸。


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芳香烃的代谢途径


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9.脂环烃类的微生物降解

脂环烃较难进行生物降解,自然界几乎没有利用脂环烃生长的微生物,但可以通过共代谢途径进行降解。脂环烃被一种微生物代谢形成的中间产物,可以作为其他微生物的生长基质。


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环己烃降解途径


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10.农药的微生物降解

降解农药的微生物,细菌主要有假单胞菌属、芽孢杆菌属、产碱菌属、黄杆菌属、节杆菌属等;放线菌有诺卡菌属;霉菌以曲霉属为代表(见下表) :


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农药的降解途径

主要途径是对农药进行转化,通过产生适应性酶、利甩降解性质粒、组建超级菌株、共代谢等方式将农药转化,再经联合代射的方式进行降解。


2 4 d

2,4-D的降解途径

2,4-D(2,4-二氯苯氧乙酸)是高效低残留的除草剂,在土壤降解相当迅速,半衰期仅几天或几周。有10多种细菌可通过右图的途径降解2,4-D


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DDT的降解途径

DDT(4,4’-二氯二苯三氯乙烷)是在环境中长期存留的一种农药,半衰期在半年以上。已有证据表明产气气杆菌和一种氢单胞菌可通过共代谢作用,将DDT转变为对氯苯乙酸(见下图),后者可被土壤和水中其他微生物通过联合代谢继续降解。


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11.多氯联苯的微生物降解

  • 从湖泊污泥中分离出来的产碱杆菌和不动杆菌能把多氯联苯 (PCBs)转化为联苯或对氯联苯,然后吸收这些分解产物,排出苯甲酸或取代苯甲酸,再由环境中其他微生物继续降解。

  • 利用厌氧微生物的降解方法,通过共代谢作用、降解性质粒以及微生物之间的互生关系等途径,也可使多氯联苯降解、转化。


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12.合成洗涤剂的微生物降解

  • 合成洗涤剂的基本成分是人工合成的表面活性剂。根据表面活性剂在水中的电离性状,可分为阴离子型、阳离子型、非离子型和两性电解质四大类,以阴离子型洗涤剂的应用最为普遍。

  • 阴性表面活性剂中,高级脂肪链最易被微生物分解。其途径是,最初高级脂肪链经微生物作用形成高级醇类,然后进一步氧化为羧酸,再在微生物的作用下分解为CO2和H2O。整个过程在有氧的条件下进行。


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降解溶解性有机物(给水处理)案例

  • 上海饮用水第二水源地的黄浦江中测出的有机物即达700种以溶解态有机碳(DOC).DOC中可被细菌利用的部分为生物可降解溶解性有机碳(BDOC);而BDOC中能被细菌直接合成细胞体的部分则被称为可同化有机碳(AOC)。

  • BDOC和AOC与异养细菌在给水管道中的生长密切相关,是可生物降解有机物对管网水质危害影响的主要指标。AOC是有机物中最易被细菌吸收,直接同化成细菌体的部分,是BDOC的一部分;BDOC是水中细菌和其他微生物新陈代谢的物质和能量的来源,包括其同化作用和异化作用的消耗。 它们的含量越低,细菌越不易生长繁殖。

  • 在给水生物处理中采用生物膜的方法,其能直接降解小分子量亲水性的有机物,利用胞外酶分解大分子量有机物,并对大分子有机物具有一定的生物吸附作用。

  • 该生物处理可降解有机物,使得饮用水生物稳定性大大提高,减少了消毒剂的用量以及细菌的再生长。


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小 结

  • 任务一 固体废物的生物处理技术

  • 一、概述

  • 二、堆肥法

  • 三、卫生填埋法

  • 四、厌氧发酵法

  • 分 组 讨 论

  • 任务二 废气的生物处理技术

  • 一、废气的生物反应器处理

  • 二、废气生物处理的基本形式

  • 生物过滤法、生物吸收法、生物滴滤法 、三种废气生物处理工艺的比较

  • 三、废气生物法处理废气的机理

  • 四、处理废气的微生物

  • 五、废气处理的基本条件

  • 六、微生物对环境污染物的生物降解与转化

  • 实 践 训 练

  • 酚降解菌的驯化、分离与筛选(见实验实训PPT)


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