生物技术在环境污染治理中的应用研究进展
摘要:日益严重的环境污染问题成为制约经济和社会发展的重要障碍。如何解决环境问题,是摆在政府与科技工作者面前的重要课题。随着环境生物技术的迅猛发展,生物技术在治理环境污染中的应用也越来越广泛。文章重点介绍了生物技术在环境污染治理中的应用。
1 前言
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年代诞生于欧美地区[1]。环境生物技术是21世纪国际生物技术的一大热点领域,它已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[2]。因此生物技术在环境领域的应用有着深远的发展前景,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。
2 环境生物技术的产生和发展
环境生物技术是一门现代生物技术与环境工程相结合的新兴交叉学科,主要由生物技术、工程学、环境学和生态学组成,涉及多种学科,它的产生和发展反映了科学研究的最新成果,同时也体现了工程科学开拓出来的新技术和新工艺,代表了环境工程技术的发展方向[3]。在环境工程研究领域,一般将19 世纪末生物滤池的出现和1914年w. T. Locket t 和E. Arden 发明“活性污泥法”作为环境生物技术的开端。20世纪50～60 年代,随着工农业的快速发展所带来的环境污染,尤其是水污染的加剧,直接刺激和促进了环境生物技术的发展;70 代,Chakrabaty 等人成功构建了含有多种降解质粒的“超级细菌”,为80 年代环境生物技术的发展奠定了基础;1981 年,欧洲生物技术联盟(EFB) 首次将环境生物技术用于设立环境生物技术专门机的名称,并将控制污染的生物技术概称为环境生物技术;1983年,美国在西雅图召开了首届“利用基因控制污染”的环境生物技术专题会议。进入90年代以后,环境生物技术更是引起了更多的注意并得到了充分的发展。1994年美国生物工业组织(BIO) 和白宫国家科学技术委员会共同组织的可持续环境中生物技术大会上提出了基因工程微生物、优选微生物和生物传感技术中可利用菌类等3大最新发展技术领域;1995 年,美国国家科学和技术委员会发表的为《2l 世纪生物技术新方向》的蓝皮报告中将环境保护和环境生物技术列在了很重要的地位;1996 年在美国和2000 年在日本召开的两届国际环境生物技术大会上,也都充分展现了界各国对环境保护和环境生物技术研究的重视[4.5]。
3 环境生物技术的研究内容与特点
国外学者认为生物技术中的三个部分属于环境生物技术范畴:一是在环境中应用的生物技术,二是涉及到环境中的某些可看作为一个生物反应器部分的生物技术,三是作用于一些必定要进入环境的材料的生物技术。从国内外的研究可以发现,目前环境生物技术的主要研究内容包括四个方面:降解污染物的工程菌和抗污染型转基因植物的相关研究;环境友好材料生物合成技术的相关研究;危险性化合物的降解和污染场地的生物补救研究;废物强化处理技术研究。
4 生物技术在环境保护中的应用
4.1 生物技术在废水处理中的应用
生物处理是废水处理方法中除物理、化学处理以外的另一大类处理方法,它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作用,从而使废水得到净化的处理方法。废水生物处理技术被认为是一种经济有效的污水处理手段,它不但融合了生物自身的特点,如吸附性好、沉降性好和降解能力强等,而且符合生态学及可持续发展的观点。自活性污泥于1912年在英国试验成功并投入使用以来,废水生物处理已走过了近百年的历程。随着科学技术的进步、污染状况的加剧,环境标准的不断提高,使废水生物处理技术取得了很大进展,相继开发了不少新技术、新工艺。如吸附- 降解(AB)生物处理技术、厌氧折流板反应器(ABR) 生物处理技术、间歇式活性污泥法(SBA)生物处理技术、LINDE生物处理技术、升流式厌氧污泥床(USAB)生物处理技术、废水生物脱氮除磷技术、人工湿地处理系统和氧化沟生物处理技术等[6]。
4.2 生物技术在废气净化处理中的应用
废气的生物处理法主要是指利用微生物吸附分解有机物能力降解恶臭物质与有机废物的方法。主要分生物过滤法和活性污泥法两种。生物过滤按滤料及过滤方式不同又分为生物滤池法和生物滴滤池法；活性污泥法则按气液接触方式不同又可分为生物暴气法和生物洗涤法。生物过滤法的特点是微生物处于固着态，实际上属于生物膜法。活性污泥法与废水处理的活性污泥类似，微生物处于悬浮态。
生物化学净化方法应用于废水处理领域已有100多年的历史,而应用于废气处理的历史则很短。自20世纪80年代末期起,这一方法已逐渐变成了世界工业废气净化处理前沿热点研究课题之一。目前采用的方法有生物过滤、生物洗涤和生物吸附法等。生物技术法与传统有机废气处理方法比较,具有成本低、效率高、安全性好和无二次污染等技术优点。美国利用微生物代谢净化工业性恶臭气体效果显著,而且不产生二次异臭;德国和荷兰利用生物膜过滤处理含硫化氢的气体,硫化氢除去率达90 %以上。我国学者季学李等采用纤维附着活性炭(ACOF) 净化甲苯废气的实验。结果表明:ACOF 对甲苯废气最大消除能力值可达280g/ m3 / h 。袁志文等研究了固定化微生物颗粒填充床去除含甲硫醇恶臭气体的工艺过程。实验表明:在空塔停留时间不大于13s ,对低浓度甲硫醇气体( 21. 4mg/ m3) 的去除率在90 %以上。魏在山等利用生物膜填料塔对某橡胶有限公司橡胶再生脱硫过程所产生的低浓度有机废气(含硫进行) 处理试验。结果表明: 生物膜填料塔处理工业有机废气是可行的,当运行条件控制适当时,净化效率可保持在90 % 以上,能够实现达标排放,且投资省,运行费用低[7.8.9]。
4. 3 生物技术在固体废弃物处理中的应用
城市固体废弃物污染已成为社会的一大公害。据统计,我国每年由固体废弃物造成的各种经济损失高达80亿元,而这些“废物”中又含有许多有价值的物质和能量组分,各种有机物质就是其中之一。目前,国内外固体废弃物处理的主要方法有四种:一是固积,这是最早处理垃圾的方法,但要占用大量的土地,且易发臭,现已很少采用。二是掩埋。该法将固体废弃物在选定的适当场所,堆填一定厚度,然后覆土掩盖,让其经过相当长时间的物理、化学和生物作用,达到稳定或在其上盖建筑物或种植作物。三是焚烧,是将含有有机物的垃圾进行高温无害化处理,具有迅速的减容能力,还可回收能源。其缺点是建设投资和运行费用高,且易造成
空气污染。四是利用生物技术,将固体废弃物进行“无害化、资源化、减量化”处理,使其成为可用于农田的土壤改良肥料,以达到变废为宝的目的。城市生活垃圾中有机物占40%以上,是宝贵的资源,经过生物技术处理,可作为作物生长的优质有机肥料,实现城市生活垃圾的部分资源化,有利于生态环境的良性循环。同时有机肥投入农业,又可为人们提供高品质、高产量的绿色食品, 构成食物链意义上的又一良性循环。研究结果表明:利用生物技术处理城市生活垃圾生产有机肥是城市生活垃圾无害化、减量化、资源化的有效途径。高效、快速的堆肥技术是20 世纪60 年代以来国内外竞相研究的重点之一。近年来,堆肥方法已从传统的露天静态堆肥向快速和半快速堆肥发展。欧美各国及日本已开发了10多种机械快速堆肥工艺,其中最著名的是达诺式回转圆筒型发酵粪便。利用蚯蚓床处理城市垃圾,不仅可以将城市有机废弃物转变为肥效高且无臭味的蚯蚓粪土,而且还能获得大量蚯蚓作医药原料,加上蚯蚓体内蛋白质含量与鱼类相当,是畜禽和水产养殖业的优良饲料,可以收到一举数得之效果。
4. 4 生物技术在环境监测中的应用
应用于环境监测的生物技术主要有:用细菌总数及粪便污染指示菌(大肠埃希氏菌、克霉伯氏菌等) 监测水质;用鼠伤寒少门氏菌检验物质致突变性与致癌性;用发光细菌快速检测环境毒物;通过测定水中藻类(常用硅藻、栅藻、小球藻等)的生长量进行水质监测或物质的霉性检测。近年来,国内外研究较多的是应用聚合酶式反应技术( PCR技术)、核酸探针、生物传感器等生物高技术进行环境监测。PCR 技术适用于目前尚不能培养的微生物检测,可用于土壤、沉积物、水样等环境标本的细胞检测,随着技术的发展及成本的降低,今后核酸探针和PCR技术可能发展成为一种快速可靠并可能代替常规微生物检验水质的方法。生物酶法在快速和现场测定等方面有着很大的潜力,是一种极具前景的快速检测技术。
4. 5 生物技术在环境污染修复中的应用
生物修复技术是80 年代以来产生和发展的清除和治理环境污染的生物工程技术,其主要采用诸如提高通气效率、补充营养,投加优良菌种,利用生物特有的分解有毒有害物质的能力,去除污染环境如土壤中的污染物,达到治埋环境污染的目的。在该技术的萌芽阶段,主要应用于环境中石油烃污染的治理,生物修复技术最成功的例子是在1990 年夏到1991 年JoneL . lidst rom 等人应用投加营养和高效降解菌对美国阿拉斯加由于油轮泄漏造成的污染进行的处理,取得非常明显的效果,使得近百公里海岸的环境质量得到明显改善。此后该技术被不断扩大应用于环境中其他污染类型的治理。欧洲各国如英国、德国、丹麦、荷兰,及美国、日本等国家对生物修复技术非常重视,他们的研究证明,采用微生物分解有毒有害物质的生物修复技术是治理大面积污染区域的一种有价值的、可行的、有效的和优越的方法。英国能源部制定了90 年代土壤和地下水的生物修复计划,并组织了一个由联邦政府、学术和实业界人员组成的“生物修复行动委员会”,负责生物修复技术的研究和具体应用实施。在过去的10 年中,我国的生物修复技术主要是跟踪国际生物修复技术的发展。随着生物技术的发展,生物修复的内涵也不断丰富,除了传统的生物修复以外,近年来还发展了真菌修复、植物修复以及无机污染物的生物修复等技术。生物修复的种类很多,根据被修复的污染环境,可分为土壤生物修复、地下水生物修复、沉积物生物修复和海洋生物修复等;根据人工干预的情况,可分为自然生物修复和人工生物修复,人工生物修复又可分为原位生物修复、易位生物修复和反应器生物修复。重金属污染土壤的原位生物修复是利用各种天然生物过程而发展起来的一种现场处理土壤环境污染的技术,可利用生物
削减土壤中重金属含量或降低重金属毒性，根据修复主体的不同,它主要分为微生物修复、植物修复和植物- 微生物联合修复。微生物修复较物理修复、化学修复有着无比拟的优越性, 操作简单、处理费用低、效果好,对环境不会造成二次污染,可以就地进行处理等,具有很大的潜力和广阔的应用前景[10.11]。强化生物修复技术是通过优化生物生长条件, 采取通风、施肥、驯化高效复合降解菌等措施突破环境因素对石油烃微生物降解能力和速度的制约, 将土壤中的有机污染物吸附、富集并降解的技术和法目前常用的生物修复技术可分为原位生物修复技术和异位生物修复技术。原位修复不需要移动受污染的区域, 基本不破坏土壤自然环境条件, 主要取决于被污染区域土壤土著微生物的降解能力和人为创造适宜降解条件, 促进微生物的繁殖, 最终达到分解消耗污染物的目的; 异位修复需要移动受污染的区域到邻近地点或反应器内进行集中修复。这两种技术结合形成的联合生物修复技术日益成为当前的研究重点。
5 结束语
生物技术作为一项有效的环境污染治理措施,受到越来越多的关注,其在生物监测、环境污染治理、生物修复技术方面都得到了广泛的应用并取得了一定的社会经济效益。随着技术的进步,分离培养对某些污染物具有特殊分解能力的菌种,以加速污染物降解和转化;对一些难生物降解的有机物还可利用微生物的共代谢作用进行污染物降解;运用微生物诱变育种、原生质体融合和基因工程创建高效工程菌应用于环境污染治理等都是环境污染生物治理的有手段。环境污染的治理和控制将随着新理论、新方法的运用而日臻完善。
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