环境生物技术在污染治理中的应用及发展趋势

环境生物技术在污染治理中的应用及发展趋势

摘要：介绍了环境生物技术的特点，及其在环境治理中的应用现状，并对环境生物技术发展趋势进行了讨论。

关键词：环境生物技术,微生物,生物净化,生物修复,生物降解,反应器

环境生物技术(environmental biotechnology)是利用生物的生理活动，高效净化污染环境以及将污染物转化为资源的人工技术系统。作为一门新型的边缘学科，主要涉及生物技术、工程学、环境学和生态学等学科，不仅包含了生物技术所有的特点，还融合了环境污染防治以及其他工程技术, 其核心是微生物学过程［1］。它是近20年来产生的一门多学科相互渗透的新兴边缘学科,环境生物技术可以按技术难易划分为三类［2］第一类是指以分子生物学技术为主体,以基因工程为主导的污染控制与监测技术,包括构建降解杀虫剂、除草剂、多环芳烃类化合物等污染物的高效基因工程菌,创造抗污染型转基因植物等。第二类是以目前大量应用的经过改革与创新的生物处理技术,如生物流化床法、上流式厌氧甲烷发酵法和变形活性污泥法等等。第三类包括：生物稳定塘、人工湿地和污染控制资源化生态工程等自然净化系统。本文仅讨论后两种环境生物技术。

1.环境生物技术的特点

作为高新技术之一的生物技术用于污染治理已有悠久的历史。但是,由现代生物技术和环境工程技术相结合的环境生物技术,是20世纪80年代才诞生于欧美地区［3］。环境生物技术是21世纪国际生物技术的一大热点领域,它将在环境治理上发挥着重要的作用。环境生物技术产生、发展及演变与一系列的环境污染问题有着密切的联系。近年来,随着细胞融合技术、基因工程技术、分子生物技术等的发展,环境生物技术得到了进一步的发展。生物与环境之间既有对立的一面,又有统一的一面,生物体靠体内调节和变异来适应环境变化,同时通过自身来影响和改变环境。环境生物技术拥有许多其他方法不可比拟的优势,如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和转化,具有效果好、运行费用低、无二次污染等优势。用生物方法处理污染物的最终产物大都是无毒无害、稳定的物质,如二氧化碳、水、氮气和甲烷等,通常可一步到位,避免了污染物的多次转移,因此它又是一种消除污染安全而彻底的手段。另外,生物处理技术的产物或副产品,大多可以较快生物降解的,并可作为资源加以利用,有助于把人类活动产生的环境污染减到最小程度。生物技术还易于进行大规模操作,一些生物曝气池、生物滤池的容积之大,也是其他工艺望尘莫及的。生物方法还可以就地利用天然水塘或土壤层作为污染物处理场所,这可大大降低处理费用。因此生物技术在环境领域的应用将是势不可挡的。环境生物技术具有深远的发展前景,特别是对于寻求用低成本解决环境问题的发展中国家具有极大潜

力。

目前，环境生物技术在废水处理、废气处理、环境监测、污染检测和补救、毒性鉴别等诸多领域的应用研究已经开始进行［4］,有些也已取得了初步成果，但是环境生物技术的潜在优势还远没有引起人们的重视。

2 环境生物技术的应用

生物技术在环境方面的应用主要有：用植物和微生物清除环境污染物、毒物；用生物传感器监测污染；用微生物杀虫剂代替化学杀虫剂等。运用环境生物技术进行水污染治理，是目前采用的主要技术措施，它具有以下优点：①生物既具有很强的吸附力，又具有良好的沉降性,处理效果好；②生物具有很强的降解能力，处理效率高；③可处理水量大,方法成熟；④成本低,无二次污染。生物法在处理污水时所起的重要作用已受到关注,它在环保领域中的应用还有待于进一步研究和拓展，以下几点是环境生物技术在环境污染治理方面的具体应用。

2.1生物修复

有毒化学品尤其是石油、有机氯化物、化学聚合物等造成的污染已成为世界性问题,在各种清除污染物的技术中，生物修复是最有前途的技术之一。生物修复即生物除污，是指生物特别是微生物催化降解有机污染物，从而修复被污染的环境、消除环境中的污染物或修复由于对生态系统管理不善造成的损害的一个受控或自发进行的过程。不同类型的生物都有不同的生物除污作用。例如：利用植物吸收污染物(植物除污) 是一个正在兴起的研究领域。植物修复技术是以植物忍耐和超量积累某种和某些化学元素的理论为基础,利用植物及其共存微生物体系清除环境中的污染物的一门环境污染治理技术［5］。

2.2 生物监测

传统的环境监测以化学分析用成熟的仪器为主,当代生物技术发展了生物监测为主的新手段,如通过测定微生物的酶和细胞基因等监测环境的变化。目前研究较多的有生物发光菌、卤素呼吸菌、苯乙烯降解菌等,主要监测水体中的有害物质和海水中藻类的爆发。

2.3 微生物降解技术

微生物对污染物质的代谢、转化及降解作用,是当今环境污染控制研究中最活跃的领域之一。许多微生物和原生动物可以净化废水，传统的生物处理技术大多是对自然生长的微生物群体加以驯化、繁殖利用，对污染物的降解水平较低。20世纪70年代以来，针对一些特定的有毒废水或成分单一的高浓度有机废水,已选育出具有较高降解活性的菌种,并进行纯培养后用于废水处理，已初步显示出一定的优越性，成为近年来利用生物处理废水的一种常用方法。微生物在废水处理中的特殊作用将不断得到挖潜,而且用微生物来处理环境污染物是一种安全、经济的方法。

2.4 生物发酵技术

生物发酵工程涉及最早的领域是废水生物处理。目前关注的生物发酵技术主要有：①水解- 好氧生物处理法( H/ O 法) ,其特点是将厌氧过程控制在水解和酸化阶段。用H/ O 法处理表面活性剂废水、焦化废水和印染废水等难降解工业废水,其效果十分显著,COD 去除率较常规法提高20 %～30 %；处理城市污水时,其出水COD 浓度<100mg/ L 。②生物除磷脱氮技术,生物脱氮是利用微生物“硝化- 反硝化”的原理在缺氧的条件下实现的，生物除磷是利用聚磷微生物在无氧的条件下释放磷再在好氧条件下超量摄取磷来去除污水中的磷。由于氮和磷都是水体富营养化的主要因子,对于封闭或半封闭的水体，开发出同时能有效去除水体中氮和磷的方法尤为重要。③间歇式活性污泥法(SBR) ，是20 世纪80 年代开始在我国应用的,主要用于日处理20 万t 以下的中小城市污水处理厂［6］。其特点是周期性地进行好氧(曝气) 、厌氧(搅拌) 操作,以达到去除COD、氮和磷等的效果

2.5 生物强化处理技术

为了提高废水处理的效果,而向废水中投加从自然界中筛选的优势菌种或通过基因组合技术产生的高效菌种,以去除某一种或某一类有害物质的方法. 主要强化方法有:

①高浓度活性污泥法,以高污泥浓度和长泥龄来促进对难分解物质的处理,加快反应速度。日本用该法处理难分解的聚乙烯醇和粪便污水取得显著效果［6］。②生物- 铁法,是在普通活性污泥中加入无机盐如铁、钙、镁等,多用铁盐(氢氧化铁或氧化铁粉) ,形成生物铁絮凝体活性污泥,具有高浓度活性污泥法的特点,主要用来提高去除污水磷的效果。③生物- 活性炭法,综合利用微生物氧化能力和活性炭良好的吸附能力,使二者产生协同增效作用。在该系统中,每克活性炭去除1～3gCOD ,分解废水毒性能力增强,同时还显著提高了脱氮水平。

2.6 生物反应器技术