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一生物技術(shù)在環(huán)境保護中的應(yīng)用現(xiàn)狀

1生物技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

1.1生物芯片和生物傳感器應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測

生物芯片、生物傳感器是利用固定在載體上的生物大分子與檢測對象間的特異性地相互作用的原理做成的檢測模塊。載體上的生物大分子與檢測對象相互作用的過程中發(fā)生的物理或化學(xué)變化現(xiàn)象轉(zhuǎn)化成生物電信號，檢測系統(tǒng)將電子信號放大，可得到與生物轉(zhuǎn)感器或生物芯片相互作用的環(huán)境物質(zhì)的相關(guān)信息。這類檢測方法靈敏度高、針對性強、檢測速率快，目前已有產(chǎn)品成功應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，諸如生物需氧量生物傳感器、微生物毒性生物傳感器等。

1.2生物免疫檢驗

生物免疫檢驗是利用檢驗系統(tǒng)的免疫自我識別功能，對環(huán)境毒性物質(zhì)進(jìn)行抗原或抗體的特異反應(yīng)而檢測環(huán)境毒性物質(zhì)。該方法靈敏度高、針對性強、操作方便、成本低，目前已廣泛應(yīng)用到環(huán)境污染物的實時監(jiān)控領(lǐng)域。

1.3Ames實驗

1975年美國加利福尼亞大學(xué)Ames教授建立Ames實驗。該實驗廣泛應(yīng)用于食品、化妝品的致突變性。方法適用于測試樣品中的混合污染物，反映的是多種污染物的綜合致突變效應(yīng)，是一種較好的環(huán)境潛在突變物的預(yù)警手段。

2生物技術(shù)在廢氣治理中的應(yīng)用

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，不可避免的會產(chǎn)生大量有機廢氣，如不經(jīng)過處理直接排入大氣層中，會產(chǎn)生嚴(yán)重的空氣污染，最終危害人們的健康。有機廢氣的處理方法有物理法、化學(xué)法、生物法等，生物法是基于“雙膜理論”發(fā)展而來的新技術(shù)，與傳統(tǒng)有機廢氣處理方法相比，具有成本低、效率高、安全性好和無二次污染等優(yōu)點，因此，應(yīng)用生物處理技術(shù)凈化有機廢氣逐步成為應(yīng)用越來越廣泛的有機廢氣治理新技術(shù)。生物法治理廢氣工藝有很多種，比如生物濾池法、生物滴濾法、生物洗滌法、生物吸附法等。生物法理有機廢氣包括氣液轉(zhuǎn)化階段、生物吸附吸收階段和生物降解階段三個階段。諸如，美國有公司利用微生物分解有機物的能力處理工業(yè)性惡臭氣體，取得了滿意的除臭效果，且無二次污染產(chǎn)生，德國的科學(xué)家利用生物濾池法處理含硫化氫氣體，90%以上硫化氫得以去除。有機廢氣生物處理技術(shù)是一項新興的新方法，不但成本低、能耗少，而且處理效率高。但是，應(yīng)用生物方法處理有機廢氣也存在著不足之處。比如，生物法在處理低濃度有機廢氣時效果良好，處理高濃度有機廢氣的治理效果欠佳，生物過濾法所用填料的比表面積、孔隙率等直接影響有機廢氣的處理效果，高比表面積、高孔隙率的填料方面的研究和產(chǎn)品還很少，有待更深入的研究。

3生物技術(shù)在污水凈化中的應(yīng)用

3.1生物強化處理法

為了提高常規(guī)活性污泥法的效能，通過提高系統(tǒng)微生物濃度或者投加生物強化材料成為生物治理技術(shù)發(fā)展的一個主要方向。主要強化方法有:(1)高濃度活性污泥法。通過培養(yǎng)顆粒污泥等方法，提高生物系統(tǒng)中污泥濃度，延長齡泥，從而促進(jìn)對難分解物質(zhì)的處理，提升污染物降解效能。高濃度活性污泥系統(tǒng)中有效微生物的數(shù)量是常規(guī)活性污泥法的3～5倍，從而大大降低了污泥負(fù)荷，提高系統(tǒng)污染物處理效果。日本有科學(xué)家采用該方法處理難分解的聚乙烯醇廢水，取得顯著效果。(2)化學(xué)生物絮凝法。它是20世紀(jì)80年代興起的一種強化生物處理技術(shù)。是在常規(guī)活性污泥中加入氯化鐵、聚合氯化鋁、硫酸鐵等混凝劑，形成生物鐵或鋁絮凝體活性污泥。這種污泥呈顆粒狀，沉降性能好，可避免污泥膨脹現(xiàn)象，同時通過周期性排泥，除磷效果好。(3)生物活性炭法，該方法是美國杜邦公司在1972年提出的一種生物強化處理方法，用于處理化工廢水，取得了很好的效果。該方法借助活性炭優(yōu)良的吸附能力以及微生物氧化能力的協(xié)同增效作用，提升污染物去除效能。中國的張旭等利用生物活性炭工藝處理石油類污染地下水，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)對石油類污染物的平均去除率為45.4%，同時提升了系統(tǒng)的脫氮效果。

3.2固定化微生物法

固定化微生物技術(shù)是20世紀(jì)70年展起來的。這種技術(shù)通過將微生物固載到一定的填料或載體上，提升系統(tǒng)中有效微生物的數(shù)量，同時可富集污泥齡較長的微生物，并且固、液分離效果好，減少占地面積，縮短水力停留時間。實踐證明，固定化微生物技術(shù)的容積負(fù)荷可達(dá)常規(guī)活性污泥法的3～7倍，同時可取得50%以上的的脫氮效果。敬一兵等利用海藻酸鈉與戊二醛進(jìn)行交聯(lián)作為微生物固定化載體處理味精廢水，系統(tǒng)的COD去除率在70%以上，總氮去除率在60%以上。王增長等人利用聚集交聯(lián)固定化細(xì)胞技術(shù)，將篩選的脫色菌固定在活性污泥絮體上，投加到“厭氧－好氧－生物濾池”系統(tǒng)中處理印染廢水，發(fā)現(xiàn)處理后出水色度極低，可實現(xiàn)廢水回用。固定化微生物技術(shù)可增加生物系統(tǒng)中的微生物濃度，提高污染物去除效率，是現(xiàn)有污水處理廠擴容、提升處理能力的一個切實可行的方法。

3.3投加特種菌法

投菌法就是篩選出對特定污染物有較強降解功能的微生物，直接或者放大培養(yǎng)后投加到生物系統(tǒng)中，可以使生物反應(yīng)器中的特定細(xì)菌處于最佳狀態(tài)，以提高特種污染物的處理效率。該方法對于毒性或者難降解廢水處理效果好，經(jīng)濟成本低，但對于常規(guī)廢水經(jīng)濟成本偏高。例如，中科院微生物研究所從上海石化廠分離出能夠去除硫氰酸鈉的混合菌種處理硫氰酸鈉廢水，可使得兩段生化工藝的硫氰酸鈉的去除負(fù)荷提高2～4倍，出水水質(zhì)也得到了顯著提升。

3.4序批式活性污泥法

序批式活性污泥法(SBR法)是按照進(jìn)水、反應(yīng)、沉淀、排放和閑置五個階段周期運行，間歇進(jìn)出水。SBR法將厭氧、好氧、沉淀等設(shè)施集成在一個反應(yīng)器中，通過控制時間程序而完成連續(xù)式設(shè)施所達(dá)到的效果，一般會設(shè)計2套以上交替運行。該方法運行靈活，可以隨時調(diào)整反應(yīng)階段，例如把反應(yīng)段與進(jìn)水段同時進(jìn)行，也可以在進(jìn)水期的同時曝氣，各階段運行時間亦可隨時調(diào)整。例如，余宗蓮等采用SBR工藝處理生物制藥廢水，在不額外投加氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)情況下，當(dāng)進(jìn)水COD在3500mg/L以下、水力停留時間16h時，出水COD可以穩(wěn)定在350mg/L以下。更重要的是，在處理過程中可根據(jù)水質(zhì)水量的變化，靈活調(diào)整反應(yīng)階段，特別適應(yīng)于水質(zhì)水量變化較大的工業(yè)廢水或分散式污水的處理。

3.5廢水生物除磷脫氮技術(shù)

水體中氮、磷等營養(yǎng)元素過量時會造成藻類的大規(guī)模爆發(fā)，形成富營養(yǎng)化水體，導(dǎo)致水體功能下降，喪失原有生態(tài)功能。研究表明氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)的過量是造成水體富營養(yǎng)化的關(guān)鍵因子，因此，研究廢水中氮、磷的處理技術(shù)顯得非常必要。生物脫氮技術(shù)主要是借助硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌通過硝化和反硝化過程實現(xiàn)。朱淑琴等基于間歇式活性污泥法，通過硝化－反硝化過程脫氮，發(fā)現(xiàn)在硝化段停留時間7h，氨氮去除率達(dá)90%以上，反硝化階段，以甲醇作為碳源，6h后反硝化率達(dá)95%以上。山西汾西礦業(yè)集團焦化廠采用A2/O工藝處理焦化廢水，發(fā)現(xiàn)水解酸化可以改善碳源的生化性，NH+4－N去除率高于60%，COD去除率高于70%，產(chǎn)水可用作熄焦及洗煤補充水加以回用。生物除磷是利用聚磷菌在厭氧條件下釋放磷，好氧條件下過量吸收磷來除去污水中磷的方法。目前，應(yīng)用于工程實踐的生物除磷技術(shù)有多個系統(tǒng):Phostrip工藝、Phoredox工藝、Bardenpho系統(tǒng)、A/O系統(tǒng)、UCT工藝、改良氧化溝、SBR工藝等，這些工藝均有一定的除磷功能。

4生物技術(shù)在城市固體廢棄物處理中的應(yīng)用

城市規(guī)模擴大和經(jīng)濟發(fā)展導(dǎo)致生活垃圾快速增長和資源能源需求短缺，已成為世界各國城市發(fā)展普遍面臨的棘手問題。發(fā)達(dá)國家從20世紀(jì)60－70年代開始重視對城市生活垃圾污染防治的研究，逐步形成了填埋、堆肥、焚燒和熱解相結(jié)合的綜合處理模式，80－90年代開始，德國、日本、美國、英國、新加坡等國家逐步引入“避免和減少垃圾產(chǎn)生”的減量化觀念，從垃圾處理處置的末端治理向源頭減量與循環(huán)利用方向轉(zhuǎn)變。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和人類環(huán)境意識的加強，過去的垃圾成了城市礦產(chǎn)資源，各國開始探尋城市發(fā)展中資源能源化解決方案。城市城市固體廢棄物中有機物占40%以上，是寶貴的可利用資源。如通過生物技術(shù)將其轉(zhuǎn)化為能源或者有機肥料，可以實現(xiàn)城市生活垃圾的資源化利用。因此，基于生物技術(shù)處理城市固體廢棄物，從而獲得能源或者優(yōu)質(zhì)有機肥是城市固體廢棄物無害化、減量化、資源化的有效途徑。由于我國城市固體廢棄物資源能源化處理起步較晚，國外的一些成熟處理技術(shù)不能在國內(nèi)直接應(yīng)用，加上資金、技術(shù)等方面的短缺，需要加大在生活垃圾資源能源化方面的科研投入力度，同時跳出僅僅回收能源的思想束縛，尋求適合我國國情的其它功能化應(yīng)用(如作為吸附材料或工農(nóng)業(yè)原料)將更有意義。

二生物技術(shù)在其他領(lǐng)域中的應(yīng)用

生物技術(shù)除了可應(yīng)用在廢水處理、廢氣凈化、固體廢棄物的處置以及環(huán)境污染的快速監(jiān)測等領(lǐng)域，還可以應(yīng)用在污泥處理與處置、農(nóng)業(yè)環(huán)境保護以及場地修復(fù)等領(lǐng)域。由于農(nóng)藥、化肥等的大量使用已引起土壤、地下水、水系和海洋的嚴(yán)重污染，世界各個國家都積極制定了各類環(huán)境修復(fù)計劃，其中生物修復(fù)技術(shù)得到了很高的重視。例如，歐洲的德國、丹麥、荷蘭等國家非常重視生物修復(fù)技術(shù)，他們利用微生物分解有毒有害物質(zhì)，把生物修復(fù)技術(shù)作為治理大面積區(qū)域污染的一種有價值的方法。美國也在積極推進(jìn)生物修復(fù)技術(shù)的研究和應(yīng)用，美國能源部組建了“生物修復(fù)行動委員會”來推進(jìn)生物修復(fù)技術(shù)的研究和工程實施。

三展望

生物技術(shù)以其成本低、產(chǎn)出高、無二次污染等諸多優(yōu)點，在環(huán)境保護中已獲得了廣泛的應(yīng)用，并取得了明顯的經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和社會效益。雖然生物技術(shù)還存在不如化學(xué)技術(shù)快速、效率高、條件要求高等不足，但是隨著現(xiàn)代生物技術(shù)的快速發(fā)展，以及經(jīng)濟快速發(fā)展導(dǎo)致的資源短缺、環(huán)境狀況惡化情況的加劇，生物技術(shù)的環(huán)境保護功能顯得越來越重要。可以推測，現(xiàn)代生物技術(shù)的迅猛發(fā)展及其在環(huán)保領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用必將成為解決資源短缺、能源危機以及環(huán)境問題的有力手段，在環(huán)境保護領(lǐng)域得到更高的重視和推廣。

作者：吳志強康長安顧自強單位：江西省環(huán)境監(jiān)測中心站大氣監(jiān)測室上饒市環(huán)境監(jiān)測站水質(zhì)監(jiān)測室