环境生物技术在环境污染治理中的研究进展

1、环境生物技术在环境污染治理中的研究进展 现代环境生物技术概述现代环境生物技术在环境污染治理中的研究进展 目前存在的问题前景及展望 现代环境生物技术的概述1、环境生物技术 环境生物技术 :是利用生物体、生物的代谢反应过程和生物合成产物（包括酶）对环境进行监测、评估以及整治和修复的有关单一的或综合性的现代化手段。水污染控制大气污染治理有毒有害物质的降解清洁可再生能源的开发废物资源化环境监测污染环境的修复污染严重的工业企业的清洁生产 应用领域2 、 优越性：1 费用省 生物技术是所有处理技术中最便宜的，其费用约为焚烧处理费用的1314。80年代末采用生物技术处理每立方米的土壤需75美元200美元，而

2、采用焚烧或填埋处理需200美元800美元。 2 环境影响小 生物只是一个自然过程的强化，其最终产物是二氧化碳、水和脂肪酸等，不会形成二次污染或导致污染物转移，可以达到将污染物永久去除的目标，使土地的破坏和污染物的暴露减少到最小 。3 最大限度地降低污染物浓度 生物技术可以将污染物的残留浓度降到很低，如某一受污染的土壤经生物技术处理后，苯、甲苯和二甲苯的总浓度降为0.05mgLO.10mgL，甚至低于检测限度。4 在其他难以应用的场地，如受污染土壤位于建筑物或公路下而不能挖掘和搬出时，可以采用原位生物技术，因而生物技术的应用范围有其独到的优势。5 生物技术可以同时处理受污染的土壤和地下水。现代环

3、境生物技术在环境污染治理中的研究进展2、1 国外的研究进展 经过十几年的发展，各国环境生物技术的研究开发取得了很大的进展，20世纪90年代的研究开发重点重金属去除、N和P的代谢去除、生物可降解聚合物以及固体废物处理等已处于次要地位，取而代之的是氯代有机化合物的生物降解、石油污染的生物补救、废水的生物处理和生物监测等。 2.1.1 氯代有机化合物的生物降解 含氯有机物的降解包括两个方面，即脱氯特殊功能菌的分离、筛选和鉴定及不同条件下有机化学和生物化学的降解途径。 近年来，各国对生物界中微生物的种类、生理和生化多样性方面的了解有很大的提高。在降解途径方面，已变得类似于化学合成，而从环境中分离具有特

4、殊功能的降解微生物的困难则相对较大。目前世界各国对含氯有机物的降解途径与微生物多样性、其生化与生理特性的关系，了解得还不够完善。 2.1.2 废水生物处理技术 目前世界上废水生物处理技术较多，而能耗较低的厌氧生物处理技术在该领域中占据了主导地位，应用范围也越来越广泛。第二代废水厌氧生物反应器是20世纪80年代开始应用的，其特征是通过填充介质来提高混合液中微生物的量，以处理高浓度的有机废水。近10年来出现了包括厌氧膨胀颗粒污泥床（EGSB）、厌氧内循环反应器（IC）、升流式厌氧反应器（UASB）（幻灯片 10）的第三代厌氧生物反应器。此类厌氧生物反应器的特征是：（1）微生物均以颗粒污泥固定化方式

5、存在于反应器中，反应器单位容积的生物量更高；（2）能承受更高的水力负荷，具有较高的有机污染物净化效能；（3）占地面积少，动力消耗少。厌氧膨胀颗粒污泥床EGSB 升流式厌氧反应器UASB2.1.3生物修复 生物修复是利用土著的、引入的微生物和微生物及其代谢学过程，或其产物进行的消除或富集有毒物的生物学过程。早期的生物修复侧重于微生物的作用及其应用，近年来则格外重视特种功能微生物的利用。如已分离出多种可降解石油污染物的微生物，包括细菌、真菌、酵母和菌团；降解有机卤化物的细菌Pseudomonas sp.Y1和Pseudomonas sp.113；降解塑料制品Tetra methylene succ

6、inate的高温菌等。世界不同国家对生物修复方面的研究开发有3个特点：（1）欧洲国家都以对传统废物的处理系统的强化和改进为主，从而处理特定的化学污染物并提高降解能力。（2）美国侧重于不同污染地的土壤和水体的整治和修复，尤其是外源有机污染物的治理，这些毒物多是来源军事工业及其生产。（3）日本将其重点放在解决全球性的环境修复上，体现在以生物氢气为动力的研究和利用微生物对大气中二氧化碳进行固定，以减轻和消除工业革命造成的大气二氧化碳会继续上升的问题。2.1.4 生物监测 生物监测是利用生物个体、群体或群落或生物制剂，对环境污染或变化所产生的反应，阐明环境污染的状况。生物监测技术近年来发展迅速，目前研

7、究较多的有生物发光菌、氰菌、卤素呼吸菌、苯乙烯降解菌和兰贻贝等，主要监测水体中的有害物和海水藻类的爆发。如Man Bock Gu和Geun Cheel Gil应用生物发光细菌开发出两阶段多频道毒性连续监测系统，使用该系统可连续监测同一样品和分别确定不同类型的毒性。美国西伊里诺大学马德修创立了紫露草微核技术，根据其微核率监测环境中诱变因子的存在及其污染浓度；美国在利用水生生物监测和评价水质方面提出了科级水平生物指数评价法，该法以底栖水生昆虫为主要指示类群，样品只需鉴定到科。2.2 国内的研究进展 近些年来环境生物技术在国内也取得了较大的发展，主要表现在以下方面：2.2.1 废水生物处理技术 废水

8、中所含的污染物种类繁多且较为复杂，包括各种苯酚类、氰化物、重金属、有机磷、有机汞、有机酸、蛋白质等等。目前我国废水生物处理技术主要有以下几种: 生物强化技术 生物强化处理技术，就是为了提高废水处理系统的处理能力，而向该系统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 （ 幻灯片 14）（2）生物-铁法 （3）粉末活性炭活性污泥法（PACT法）。生物发酵技术 目前用于废水生物处理的方法主要有（1）水解好氧生物处理法（H/O），其特点是将厌氧过程控制在水解和酸化阶段。用该法处理表面活性剂废水、焦化废水

9、和印染废水等难降解工业废水，效果十分显著，COD去除率较常规法提高20%-30%。（2）生物除磷脱氮技术，它是利用聚磷微生物超量摄取磷的方法来去除废水中磷的。聚磷微生物主要有假单胞菌属、气单胞菌属和不动杆菌属等。（3）厌氧好氧生物处理法（A/O） 幻灯片 16。（4）双厌氧好氧生物处理法(A2/O)幻灯片17基因工程菌 为了提高对污染物的降解能力、加快降解速度以增强净化污水的效力，目前利用遗传工程技术已构建了符合需要的许多微生物高效菌以及具有降解多种污染物功能的超级菌。如能够将氰化物分解成二氧化碳和氨的微生物高效菌；能够降解石油烃的超级菌；专门分解硫化物的微生物；将大量的微生物高效菌凝聚在泥粒

10、上形成活性污泥，以分解和吸附废水中的有毒物；能使印染废液中各种染料脱色率达95%的染料脱色菌；能治理乙烯醇退浆液的SB1菌等。 双厌氧好氧生物处理法(A2/O) 微生物絮凝剂 由细菌、真菌等微生物生产的生物絮凝剂具有降解性能好、絮凝范围广、活性高、不产生二次污染等优点，已广泛应用于各种工业废水处理如畜产废水处理、废水的脱色和膨胀污泥处理等，目前已筛选出具有絮凝能力的微生物有霉菌、细菌、放线菌和酵母菌等。2.2.2 固体废弃物生物处理技术 固体废弃物是人类生产和生活过程中产生的副产品，处理的目的是使其无害化、减量化和资源化。 城市垃圾生物处理技术 城市垃圾的生物技术处理主要有填埋、堆肥和焚烧3种

11、方法。填埋法因投资少、处理量大，而应用范围逐渐扩大，目前我国90%以上的地区都采用这种方法。垃圾填埋的生物技术处理主要是对垃圾中可降解有机物治理。目前主要是通过适当地控制条件，使不同分解阶段起主导作用的微生物优先大量繁殖，促进垃圾降解和加速填埋场的稳定化过程，来实现垃圾场的无害化和减量化的。如根据细菌繁殖的特点，在垃圾填埋时，加入一定量的厌氧活性污泥及对新鲜垃圾进行细菌接种，从而缩短细菌的适应期，加速垃圾的分解等。 农林废弃物及畜禽排泄物的有效利用 对农林废弃物的处理，农林废弃物中以植物纤维素（农作物桔杆、糠麸、饼粕等）的量最大，人们利用基因工程技术获得了纤维素酶，将大量的植物纤维素转化成葡萄

12、糖，通过微生物发酵产生醇、酸等工业基础原料；用纤维素、醇等作原料，还生产出单细胞蛋白，充当动物蛋白的替代品，补充人们对蛋白质食物的需要。 对畜禽排泄物处理，主要是利用生物工程技术，选择或构建能够对畜禽粪便进行有效发酵分解的微生物（如乳酸菌、酵母菌等），利用分解过程中产生的有害物质（如氨气、硫化氢等）及其他分解产物进行再合成的微生物组成高效微生物群，通过这种微生物群再对畜禽粪便进行一系列处理。 2.2.3 废气的生物净化技术 废气的生物净化是利用微生物活动将废气中的有毒有害物质转化成简单的无机化合物及细胞质，主要处理方法有： 悬浮生长系统 目前主要有适用于废气量较少场合的鼓泡塔和处理废气能力较强

13、、体积较小的喷淋塔等生物洗涤器。在生物洗涤方法中，通过增加气液接触面积能提高处理废气量，或在吸收液中添加某些不影响微生物代谢的溶剂以利于气体吸收，从而达到去除某些不溶于水的有机污染物的目的。 附着生长系统 在附着生长系统中，微生物附着生长于固体介质表面，废气通过由固体介质构成的固定床层时被吸附、吸收进而被微生物降解。其固体介质一般为土壤、含微生物量较高的堆肥及工程材料如活性炭等。 生物滴滤床 它同时具有悬浮生长系统和附着生长系统的特点。生物滴滤法在开始运行时，只在循环液中接种微生物，但很快就能在滤料表面形成微生物膜层，它对高污染负荷废气的处理效率优于附着生长系统。2.3 生物可降解材料的处理技

14、术 白色污染中农用塑料薄膜份额最大，它多由聚乙烯化合物和增塑剂组成，有毒、很难分解。近10年来我国投入了大量的人力和物力进行可降解农膜的研制与开发应用，以最大限度地降低白色污染。如（1）天津大学研究的APSA膜是在PE（Product Engineering产品工程）中填充改性淀粉和增容剂进行共混吹塑而成的，可被微生物降解；（2）江西科学院研制的以淀粉和聚乙烯醇为主要原料，用流延法制造的淀粉塑料膜，其淀粉含量在60%左右，自降解性能良好；（3）某研究所研制的具有聚乙烯塑料功能的植物性纤维素薄膜，废弃后可被微生物降解，目前已进入产业化开发阶段；（4）中国国际科技促进会组织专家研制的一种草纤维农膜

15、，不仅能被微生物降解，有助于土壤肥力提高，而且生产原料来源丰富生产成本和销售价格低廉。2.4 农药污染的生物防治技术 农药中含有许多有害化合物，它的使用已造成作物有毒物质积累、病虫害抗药性等诸多危害，近20年来，人们致力于发展生物农药，以防治对环境造成的污染。如超高效农药植物源性害虫控制剂、多功能植物增效剂、生物杀虫剂等。这些生物农药的共同点在于（1）安全性高且无公害，毒性低且易分解；（2）生物活性高使用剂量在5-100g/hm2之间；（3）选择性高，几乎所有的生物农药都具有特定的作用方式。近年来已利用杆状病毒表达系统，成功地插入利尿激素、保幼激素酯酶、苏云金毒素等外源基因，获得重组病毒，杀虫

16、速度有所提高，如用携带利尿激素基因的杆状病毒感染家蚕，比野生型杆状病毒感染家蚕提前。 目前存在的问题3.1 完善污染治理工艺 现在,废水生物处理技术在实验室阶段已经取得了很大的成绩,但在实际工程应用方面还尚需努力。好氧与厌氧工艺相结合、生物膜法与活性污泥法相结合的废水处理技术,无害化的生产工艺过程,高效完善的自动化体系是今后主要的发展方向。3.2 构建作用强大的工程菌 环境生物技术处理各种复杂的污染问题,其核心内容就是最大化利用相应功能微生物。目前,不论是土著的环境微生物,还是后投入的工程菌都存在着很多问题,使微生物强大的处理能力没有充分发挥出来。但生物技术的不断发展,微生物遗传学,微生物生理

17、生态学的进一步研究,人们不仅能构建针对难降解环境污染物的生物基因库,而且还会创造出具有新的特殊功能的极端微生物和培育出性状稳定的适用性超级工程菌。3.3 进一步开发生物检测手段 随着科技的进步,生物环境污染监测会更便捷,更灵敏,更全面。分子生物技术将会在开发研制生物传感器方面发挥积极作用,这些生物传感器可以满足对实际环境情况实施自动连续监测的需要,从而可以判断环境污染发展的趋势,尽早采取适当的预防措施。分子生物技术还可探索环境污染物质在环境中的迁移转化以及降解规律,检测污染致突变的成因,分析污染的来源。3.4 预防污染 生物技术对环境保护的作用将由单纯治理发展到防治结合,以防为主,最终实现清洁生产。研究人员将进一步充分应用分子生物工程技术的新方法、新工艺,来预防环境污染,实现清洁生产,提高生态环境质量,保障生态安全和多样性。前景及展望 随着环境生物技术的进展和市场开拓，其应用已从单个的环境目标治理，发展为广泛应用于环境保护的各个方面。环境生物技术已不单纯是一种污染治理技术，而已开始影响到包括其 他行业的产业政策，促进各工业部门逐步以生物过程替代传统的化工过