環(huán)境生物技術的研究進展

環(huán)境生物技術的研究進展

環(huán)境生物技術（ebt）是在過去20年內發(fā)展起來的一個由生物技術、工程、環(huán)境科學和生態(tài)科學組成的新邊緣學科。最廣泛的定義是使用生物、生物代謝反應過程和生物合成產物（包括酶）對環(huán)境進行監(jiān)測、評估、修復和修復的相關現代方法。目前國內外對環(huán)境生物技術的研究主要包括4個方面:(1)降解污染物的工程菌和抗污染型基因植物的相關研究;(2)環(huán)境友好材料生物合成技術的相關研究;(3)危險性化合物的降解和污染場地的生物補救研究;(4)廢物強化處理技術研究。1廢水的生物處理和廢水處理經過十幾年的發(fā)展,各國環(huán)境生物技術的研究開發(fā)取得了較大的進展,20世紀90年代的研究開發(fā)重點—重金屬去除、N和P的代謝和去除、生物可降解聚合物以及固體廢物處理等已處于次要地位,取而代之的是氯代有機化合物的生物降解、石油污染的生物補救、廢水的生物處理和生物監(jiān)測等。1.1菌株降解方法的確定含氯有機物的降解包括兩個方面,即脫氯特殊功能新菌的分離、篩選和鑒定及不同條件下有機化學和生物化學的降解途徑,這類化合物以氯代聯二苯、呋喃類及為研究熱點。在分離菌株的過程中,研究較多的是用不同的環(huán)境條件與微生物種類進行組合,進而測得降解性。模擬的實驗條件非常廣,包括好氧、反硝化、發(fā)酵、硫酸還原、產甲烷和厭氧產乙酸等。近年來,各國對生物界中微生物的種類、特性;生理和生化多樣性方面的了解有很大的提高。在降解途徑方面,已變得類似于化學合成,而從環(huán)境中分離具有特殊功能的降解微生物的困難則相對較大。目前世界各國對含氯有機物的降解途徑與微生物多樣性、其生化與生理特性的關系,了解得還不夠完善。1.2含對氧化劑的厭氧生物反應器ubf目前世界上廢水生物處理技術較多,而能耗較低的厭氧生物處理技術在該領域中占據了主導地位,應用范圍也越來越廣泛。第二代廢水厭氧生物反應器是20世紀80年代開始應用的,其特征是通過填充介質來提高混合液中微生物的量,以處理高濃度的有機廢水。近10年來出現了包括厭氧膨脹顆粒污泥床(EGSB)、厭氧內循環(huán)反應器(IC)、升流式厭氧反應器(UBF)的第三代厭氧生物反應器。此類厭氧生物反應器的特征是:(1)微生物均以顆粒污泥固定化方式存在于反應器中,反應器單位容積的生物量更高;(2)能承受更高的水力負荷,具有較高的有機污染物凈化效能;(3)具有較大的高徑比;(4)占地面積小,動力消耗少。在廢水生物處理方面,生物脫氮技術是近年來較為熱門的技術。其主要技術包括短程硝化—反硝化、同時硝化—反硝化和厭氧氨氧化等。1.3生物及微生物生物修復是利用土著的、引入的微生物和微生物及其代謝過程,或其產物進行的消除或富集有毒物的生物學過程。早期的生物修復側重于微生物的作用及其應用,近年來則格外重視特種功能微生物的利用。如已分離出多種可降解石油污染物的微生物,包括細菌、真菌、酵母和菌團;降解有機鹵化物的細菌Pseudomonassp.Y1和Pseudomonassp.113;降解塑料制品Tetramethylenesuccinate的高溫菌等。世界上不同國家對生物修復方面的研究開發(fā)有3個特點:(1)歐洲國家都以對傳統廢物的處理系統的強化和改進為主,從而處理特定的化學污染物并提高降解能力。(2)美國側重于不同污染地的土壤和水體的整治和修復,尤其是外源有機污染物的治理,這些毒物多是來源軍事工業(yè)及其生產。(3)日本將其重點放在解決全球性的環(huán)境修復上,體現在以生物氫氣為動力的研究和利用微生物對大氣中二氧化碳進行固定,以減輕和消除工業(yè)革命造成的大氣二氧化碳含量上升的問題。1.4有害物和海水藻類的發(fā)酵生物監(jiān)測是利用生物個體、群體或群落或生物制劑,對環(huán)境污染或變化所產生的反應,闡明環(huán)境污染狀況。生物監(jiān)測技術近年來發(fā)展迅速,目前研究較多的有生物發(fā)光菌、氰菌、鹵素呼吸菌、苯乙烯降解菌和蘭貽貝等,主要監(jiān)測水體中的有害物和海水藻類的爆發(fā)。如ManBockGu和GeunCheelGil應用生物發(fā)光細菌開發(fā)出兩階段多頻道毒性連續(xù)監(jiān)測系統,使用該系統可連續(xù)監(jiān)測同一樣品和分別確定不同類型毒性;美國西伊里諾大學馬德修創(chuàng)立了紫露草微核技術,根據其微核率監(jiān)測環(huán)境中誘變因子的存在及其污染濃度;美國在利用水生生物監(jiān)測和評價水質方面,提出了科級水平生物指數評價法(FBI),該法以底棲水生昆蟲為主要指示類群,樣品只需鑒定到科。2我國環(huán)境生物技術的發(fā)展2.1其他重金屬類廢水中所含的污染物種類繁多且較為復雜,包括各種酚類、氰化物、重金屬、有機磷、有機汞、有機酸、蛋白質等等。目前我國廢水生物處理技術主要有以下幾種。2.1.1生物—生物強化技術為了強化傳統活性污泥法的處理能力和降解效果,目前開發(fā)了(1)高濃度活性污泥性。它以高污泥濃度(常規(guī)法的3～5倍)和長齡泥促進對難分解物質的處理,加快了反應速度。(2)生物—鐵法。它是在普通活性污泥中加入無機鹽如鐵、鈣、鎂等,多用鐵鹽(氫氧化鐵或氧化鐵粉),形成生物鐵絮凝體活性污泥,具有高濃度活性污泥法的特點,主要用來提高去除污水磷的效果。(3)生物—活性炭法。該法綜合利用微生物氧化能力和活性炭良好的吸附能力,使兩者產生協同增效作用。2.1.2生物膜反應器生物處理生物反應技術即生物反應器技術,它是現代生物技術發(fā)展的一個主要方向。氣升式反應器利用噴射動能和流體重度差,實現廢水發(fā)酵處理的循環(huán)運動,由于其密封性好,工程菌不易污染,適合利用廢水生產單細胞蛋白工程,已成為淀粉、釀造、食品等有機廢水資源化處理的首選技術。生物膜反應器利用反應器內裝的載體,使微生物覆蓋于載體表面而形成生物膜。由于其運行費用低、管理方便,應用范圍逐步擴大,且近年來又開發(fā)了幾種新型的生物膜法廢水處理構筑物——生物流化床反應器,如(1)好氧流化床膜反應器;(2)A-b型三相流化床反應器;(3)組合式流化床反應器。2.1.3氧生物處理法目前用于廢水生物處理的方法主要有(1)水解—好氧生物處理法(H/O),其特點是將厭氧過程控制在水解和酸化階段。用該法處理表面活性劑廢水、焦化廢水和印染廢水等難降解工業(yè)廢水,效果十分顯著,COD去除率較常規(guī)法提高20%～30%。(2)生物除磷脫氮技術,它是利用聚磷微生物超量攝取磷的方法來去除廢水中磷的。聚磷微生物主要有假單胞菌屬、氣單胞菌屬和不動桿菌屬等。(3)厭氧—好氧生物處理法(A/O)。(4)雙厭氧一好氧生物處理法(A2/O)。2.1.4生物處理纖維原料為了提高以污染物的降解能力、加快降解速度以增強凈化污水的效力,目前利用遺傳工程技術已構建了符合需要的許多微生物高效菌以及具有降解多種污染物功能的超級菌。如能夠將氰化物分解成二氧化碳和氨的微生物高效菌;能夠降解石油烴的超級菌;專門分解硫化物的微生物;將大量的微生物高效菌凝聚在泥粒上形成活性污泥,以分解和吸附廢水中的有毒物質;能使印染廢液中各種染料脫色率達95%的染料脫色菌;能治理乙烯醇退漿液的SB1菌等等。2.1.5微生物的篩選由細菌、真菌等微生物生產的生物絮凝劑具有降解性能好、絮凝范圍廣、活性高、不產生2次污染等優(yōu)點,已廣泛應用于各種工業(yè)廢水處理,如畜產廢水處理、廢水的脫色和膨脹污泥處理等,目前已篩選出具有絮凝能力的微生物有霉菌、細菌、放線菌和酵母菌等。2.2固體殘渣生物處理技術固體廢棄物是人類生產和生活過程中產生的副產品,處理的目的是使其無害化、減量化和資源化。2.2.1垃圾填埋的生物技術處理城市垃圾的生物技術處理主要有填埋、堆肥和焚燒3種方法。填埋法因投資少、處理量大,而應用范圍逐漸擴大,目前我國90%以上的地區(qū)都采用這種方法。垃圾填埋的生物技術處理主要是對垃圾中可降解有機物的治理。目前主要是通過適當地控制條件,使不同分解階段起主導作用的微生物優(yōu)先大量繁殖,促進垃圾降解和加速填埋場的穩(wěn)定化過程,來實現垃圾場的無害化和減量化的。如根據細菌繁殖的特點,在垃圾填埋時,加入一定量的陳垃圾或厭氧活性污泥及對新鮮垃圾進行細菌接種,從而縮短細菌的適應期,加速垃圾的分解等。另外,在垃圾填埋時,對底層垃圾進行好氧堆肥預處理,效果同樣良好。2.2.2畜禽作為微生物群的原料農林廢棄物中以植物纖維素(農作物桔桿、糠麩、餅粕等)的量最大,人們利用基因工程技術獲得了纖維素酶,將大量的植物纖維素轉化成葡萄糖,通過微生物發(fā)酵產生醇、酸等工業(yè)基礎原料;用纖維素、醇等作原料,還生產出單細胞蛋白,充當動物蛋白的替代品,補充人們對蛋白質食物的需要。對畜禽排泄物的處理,主要是利用生物工程技術,選擇或構建能夠對畜禽糞便進行有效發(fā)酵分解的微生物(如乳酸菌、酵母菌等),利用分解過程中產生的有害物質(如氨氣、硫化氫等)及其他分解產物進行再合成的微生物組成高效微生物群,通過這種微生物群再對畜禽糞便進行一系列處理。此法可生產有機肥料。用微生物發(fā)酵法來處理植物纖維素和畜禽糞便,生產的沼氣,可用作燃料或化工原料。2.3廢水生物處理技術廢氣的生物凈化是利用微生物活動將廢氣中的有毒有害物質轉化簡單的無機化合物及細胞質。2.3.1生物洗滌器目前主要有適用于廢氣量較少場合的鼓泡塔和處理廢氣能力較強、體積較小的噴淋塔等生物洗滌器。在生物洗滌方法中,通過增加氣液接觸面積能提高處理廢氣量,或在吸收液中添加某些不影響微生物代謝的溶劑以利于氣體吸收,從而達到去除某些不溶于水的有機污染物的目的。2.3.2生物處理在附著生長系統中,微生物附著生長于固體介質表面,廢氣通過由固體介質構成的固定床層時被吸附吸收進而被微生物降解。其固體介質一般為土壤、含微生物量較高的堆肥及工程材料如活性炭等。2.3.3生物滴濾法它同時具有懸浮生長系統和附著生長系統的特點。生物滴濾法在開始運行時,只在循環(huán)液中接種微生物,但很快就能在濾料表面形成微生物膜層,它對高污染負荷廢氣的處理效率優(yōu)于附著生長系統。2.4微生物降解法白色污染中農用塑料薄膜份額最大,它多由聚乙烯化合物和增塑劑組成,有毒、很難分解。近10年來我國投入了大量的人力和物力進行可降解農膜的研制與開發(fā)應用,以最大限度地降低白色污染。如(1)天津大學研究的APSA膜是在PE中填充改性淀粉和增容劑進行共混吹塑而成的,可被微生物降解;(2)江西科學院研制的以淀粉和聚乙烯醇為主要原料,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纖維素薄膜,廢棄后可為微生物降解,目前已進入產業(yè)化開發(fā)階段;(4)中國國際科技促進會組織專家研制的一種草纖維農膜,不僅能被微生物降解,有助于土壤肥力提高,而且生產原料來源豐富,生產成本和銷售價格低廉。2.5生物農藥作用農藥中含有許多有害化合物,它的使用已造成作物有毒物質積累、病蟲害抗藥性等諸多危害,近20年來,人們致力于發(fā)展生物農藥,以防治對環(huán)境造成的污染。如超高效農藥植物源性害蟲控制劑、多功能植物增效劑、生物殺蟲劑等。這些生物農藥的共同點在于(1)