生物技术水污染治理

生物技术在水污染环境领域中的应用

随着工业的高速发展,水环境污染问题越来越严重地威胁着人类的生存环境,制约着社会和经济的进一步发展,因此,水污染控制成为全世界共同关注的问题。目前的水处理技术中,生物处理法已成为世界各国控制水污染的主要手段,尤其是现代生物技术将成为水污染控制领域重点开发和应用的技术手段,主要应用于废水处理、生物修复以及微生物水处理剂等方面。

环境生物技术的起源,可以追溯到一百多年前的活性污泥工艺的发展,其理论和实用技术,在这一百多年来得到不断发展和进步,并得到广泛应用,对控制环境污染和改善环境质量起到了重要作用。环境生物技术是由现代生物技术与环境工程相结合的新兴交叉学科, 是应用生物圈的某部分使环境得以控制, 或治理预定要进入生物圈的污染物的生物技术。广义的环境生物技术涉及面很广, 凡自然环境中涉及环境控制的一切与生物技术有关的技术, 都可归纳为环境生物技术。包括环境中污染物的生物减少、污染场地的生物修复(和无害化、无污染生物产品如生物可降解材料的开发应用等等 。

废水生物处理是利用微生物的生命活动过程,对废水中的污染物进行转移和转化,从而使废水得到净化的处理方法。生物处理环境污染,是中国新世纪面临的重大课题。以环境污染的生物处理为主,中国已开展了环境微生物学的基础和应用方面的研究,为含重金属废水、石油废水、印染废水、油脂废水、农药废水以及城市生活垃圾、生活污水等的处理,提供了效果好、投资省、运行成本低的生物处理技术和设备 。废水生物处理技术发展迅速,好氧法、厌氧生物法以及生物发酵法已趋于成熟,所以这里只介绍固定化等新兴技术。

1.固定化微生物技术

固定化微生物技术,是生物工程领域中的一项新技术。进入20世纪80年代后,国内外开始应用这种具有独特优点的新技术,来处理工业废水和分解难生物降解的有机物质,一些具有特异性的优势菌种不断得到改造或创造,将这些高效专性菌,如脱色菌、脱氮菌、脱磷菌、假单胞菌等进行固定化后,菌体密度提高,大大提高了处理效率,尤其是对难降解有毒物质具有明显优势。国内有人利用新研制的聚集- 交联固定化细胞技术,将筛选的高效优势脱色菌种固定在活性污泥上,投加于“厌氧- 好氧- 生物滤池”工艺流程中处理印染废水,结果表明:出水色度极低,处理后的水可回用。

2.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。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。日本采用该法处理难分解的聚乙烯醇和粪便污水,取得显著效果。(2)生物- 铁法。在普通活性污泥中加入无机盐,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,主要用来提高除磷效果。(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1 g活性炭可去除1～3gCOD,分解废水毒性能力明显增强,同时提高脱氮水平。

3.生物反应器技术

生物反应器技术,是现代生物技术发展的一个主要方向。现代化的新型生物膜反应器,其共同特点是反应器内装有比表面大的载体,有利于微生物附着生长形成生物膜,供气或供给其他反应条件优越、污染物具有充分与微生物接触的时间、有利于增强微生物的分解代谢能力。目前, 2000M3的反应器已经问世,虽然其处理能力较低,造价较高,但其管理方便,

运行费用低,所以欧美地区约有7%的污水处理厂采用该技术。

4.生物修复技术

生物修复技术是利用生物、特别是微生物,将土壤、地下水或海洋中污染物现场降解为CO2和H2O,或转化为无害物质的工程技术系统。这项技术正被用于清除地下水、废水中的污染物。金属虽然不能被生物降解,但微生物可将其转移或降低其毒性。为了加快去除污染物的进程,常常采用许多强化措施,使自然生态系统在维持原状的前提下,让受污染的环境得以修复。研究表明,生物修复与传统的物化法相比,具有以下优点: (1)经济,其修复费用仅为物化法的30%～50%; (2)对环境影响小,不产生二次污染,遗留问题少; ( 3)最大限度地降低污染物的浓度; ( 4)修复时间较短,可就地修复,操作方便。生物修复中主要涉及两大问题,即有效性和安全性评价。为提高其有效性,今后将应用分子微生物学分离、鉴别、制造更高效降解和聚集有害有毒化合物的微生物。为提高生物修复的安全性评价水平,需发展鉴定微生物的分子生物技术,以确定微生物在环境中的去留和基因。

5.微生物水处理剂

微生物水处理剂主要集中在以下几个方面:(1)微生态制剂。微生态制剂是一种由优势互补的微生物菌群、繁殖促进剂和活化剂配制而成的活性微生物制剂,已经在保健领域发挥重要作用。用于环境净化的微生态制剂由于其应用范围广、使用安全、无副作用,为区域环境保护提供了新的重要手段。欧美近年来加快了这方面的研究开发,已有采用微生态制剂原位修复水体的成功实例。(2)生物吸附剂。生物吸附剂是废水生物处理的一个新的发展方向。主要有两大类:一类是高比表面积和高吸附率的生物体吸附水中的污染物;另一类是集生物吸附和生物降解能力为一体,净化废水中污染物的生物吸附剂。目前生物吸附剂的固定化技术,使其与离子交换树脂一样,能解吸回收金属和重复利用。(3)微生物絮凝剂。微生物絮凝

剂是利用生物技术,通过微生物发酵,抽提精制而得到的一种具有生物分解性和安全性的新型、高效、无毒的廉价水处理剂,这些是无机或有机合成高分子絮凝剂所不具备的。其特点是降解性能好,成本低,无二次污染等。目前,已筛选出19种具有絮凝能力的微生物,其中,霉菌8种,细菌5种,放线菌5种,酵母菌1种。随着生物技术的发展,微生物水处理剂的开发与应用具有良好的前景。

现代生物技术在水污染控制领域,已显示出独特的魅力和应用前景。总体上看,环境生物技术具有如下发展趋势: (1)分离、筛选和培养高效降解菌,利用微生物共代谢作用、多菌种协同作用,降解难降解污染物; (2)构建高效反应器,优化运行合的方法来融资。将污染源自动监测系统的建设,作为污染治理设施的组成部分。(3)开发高效、无毒、廉价、可大批量生产的微生物水处理剂; (4)着力实践和推广生物修复示范工程,为生态环境建设提供有力的技术支持。

现代生物技术是当今高新技术革命的重要组成部分, 是以集科学化、集约化、商品化和国际化于一体为基本特征的高新技术群体。21世纪是生命科学的世纪, 新的科技革命给人类带来了发展的机遇, 但与此同时, 人类仍未彻底摆脱所面临的食物短缺, 能源匮乏和环境污染的严峻挑战,现代生物技术为解决这三大问题蕴藏着巨大的潜力。可以预料, 现代生物技术的迅猛发展及其在环境领域的广泛应用必将成为能源和环境问题的有利手段, 必将对社会产生深远的影响。