环境生物技术的应用及发展前景
沈杰 08环境科学本科 08205033137
环境生物技术（Environmental Biotechnology）是指直接或间接利用生物或生物体的某些组成部分或某些功能，建立降低或消除污染物的生产工艺或能够高效净化环境污染，同时又能生产有用物质的工程技术。科技的发展充分证明了环境生物技术在解决环境问题过程中所示出的独特功能和优越性，它的纯生态过程，体现出了可持续发展的战略思想，它具有速度快、消耗低、效率高、成本低、反应条件温和以及无二次污染等显著优点。
环境生物技术是21世纪国际生物技术的一大热点，兼有基础科学和应用科学的特点，在环境污染治理中，主要利用微生物、少部分利用植物作为污染控制的生物，是环境保护中应用最广的、最为重要的单项技术，其处理污染物通常能一步到位，最终产物大都是无毒无害、稳定的物质。在水污染控制、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、环境污染的修复和重污染工业企业的清洁生产等各个方面，环境生物技术都发挥着极为重要的作用。
随着细胞融合、基因工程、分子生物等技术的发展，环境生物技术得到了进一步的开发，研究领域不断扩大，已成为一种经济效益和环境效益俱佳的解决环境污染问题的有效手段之
一。同时,随着人们环境意识和生态概念的不断加强,市场对生物技术、生物产品的需要明显增多,政府也更加重视生物技术的发展，环境生物技术本身也将更加成熟。1 环境生物技术在废气及大气污染治理中的应用采用生物技术控制和处理废气，将废气中的有机污染物或恶臭物质降解或转化为无害或低害类物质，从而净化空气，是一项空气污染控制的新技术。目前采用的方法主要有生物过滤、生物洗涤和生物吸附法等，所采用的生物反应器为生物净气塔、渗滤器和生物滤池等。
1.1 生物过滤法生物滤池内部填充活性填料，废气经加压预湿后从底部进入生物滤池，气体中的无机污染物、有机污染物或恶臭物质与填料上附着生成的生物膜（微生物）接触，被生物膜吸收，最终被降解为水和二氧化碳或其它成分，处理过的气体从生物滤池的顶部排出。该方法的特点是设备少、操作简单、不需外加营养物、投资运行费用低、去除效率高，但反应条件较难控制、占地面积较大。
1.2 生物洗涤法生物洗涤法分为废气吸收和悬浮液再生两个阶段，通常由一个装有填料的洗涤器（吸收设备）和一个装有活性污泥或生物膜的生物反应器（再生反应器）构成废气从吸收设备底部进入，向上流动，与顶部喷淋向下的生物悬浮液在填料床中相互接触，经传质过程进入液相，再进入微生物细胞内或经微生物分泌的胞外酶作用分解，净化后的气体从吸收设备顶部排出。吸收了废气的生物悬浮液从再生反应池的底部进入，通入空气充氧，废气被微生物氧化利用的过程也就是悬浮液的再生过程，再生后的悬浮液再进入吸收设备进行顶部喷淋，吸收与再生两个过程反复进行。该方法的特点是反应条件易控制、压降低、填料不易堵塞，但设备较多，需外加营养，成本较高，对溶解度小的化合物难以处理。1.3 生物滴滤法生物滴滤法是在生物吸收法基础上进行的改进，集合了生物过滤法和生物吸收法两种工艺的优点，生物吸收和生物降解同时发生在一个反应装置内。滴滤池内装有填料，填料表面被生物膜覆盖。循环水不断喷洒在填料上，废气通过滴滤池时，气体的污染物被微生物降解。该方法的特点是只有一个反应器、操作简单、压降低、填料不易堵塞、污染物去除效率高，比生物过滤法能更有效地处理含卤化合物、硫化氢或氨等废气。但需外加营养、运行成本较高。
1.4 植物修复植物修复技术是一种以太阳能为动力，利用植物的同化功能净化大
气的绿色技术。由于植物的种类、群落及生态习性与功能的差异，不同的植物可在不同的时空尺度上对近地表大气污染进行修复。主要过程是持留和去除。植物对大气中的粉尘有阻挡、过滤和吸附作用，其滞尘量的大小与树种、林带宽度、草皮面积、林带种植状况以及气象条件有关。植物的杀菌作用可以减轻生物性大气污染。植物通过吸收作用、同化作用、降解、转化以及对酸雨的中和缓冲作用等对化学性污染物具有一定的去除作用。植物修复是一项对环境友好、技术要求相对较低的修复方法，容易为社会民众所接受，而且与传统的修复技术相比，成本要低得多。大气污染的植物修复理论与技术对城市园林绿化、环境规划和生态环境建设具有一定的指导意义和应用价值。
2环境生物技术在水污染治理中的应用环境生物技术中利用微生物的降解作用来处理水中污染物的方法，通常被称为生化处理方法或生物降解法，以植物吸收为主来净化土壤与水体的方法有土地生物修复、生物塘和人工湿地技术等。
2.1 生化处理技术由于生化反应的过程、条件和参与反应的微生物种类的不同，生化处理技术可简单地分为好氧与厌氧降解两类，两类生化反应的基本过程如下：好氧降解：有机物＋氧气＋好氧微生物/酶→水＋二氧化碳＋无机养分＋能量。厌氧降解：有机物＋厌氧与兼氧微生物/酶→降解的有机产物＋无机养分＋能量。
2.1.1好氧降解技术好氧降解技术包括活性污泥法和生物膜法。（1）活性污泥法 活性污泥法是最传统的好氧生物处理技术。活性污泥是指微生物利用废水中的有机物生长与繁殖而形成的絮凝体。活性污泥法的工作原理是：在废水中通过曝气供氧，促进微生物生长形成活性污泥，利用活性污泥的吸附、氧化分解、凝聚和沉降性能来净化废水中的有机污染物。处理过程中，有机降解是依赖活性污泥的吸附与氧化分解能力，而泥水分离则是利用活性污泥的凝聚和沉降性能。活性污泥法中两项最基本的技术措施是：通过曝气来提高反应器水体中溶解氧的水平；通过污泥回流来保证反应器中的生物量与活性。基于活性污泥原理的新型 生化处理技术中，较为典型和成功的是间歇式活性污泥法（SBR）和氧化沟。间歇式活性污泥法是将初沉池、反应池和二沉池各工序放在同一反应器（SBR反应器）中进行，处理过程分为进水、反应、沉降、出水、闲置五个阶段。废水在SBR反应器的曝气过程中与污泥完全混合。完成降解反应后，停止曝气，活性污泥颗粒在静置中沉降，上层的清水自反应器中排出。SBR法的特点是简化了工艺结构，提高了反应器的混合传质效率，投资少，反应易于操作控制。氧化沟亦称氧化渠或循环曝气池，其特点是采用横轴转刷或竖轴表面叶轮曝气来推动水流。该工艺能耗低，具有推流式和混合式两者的特征。（2）生物膜法生物膜法是在处理污水的反应器中添加介质（填料）作为微生物附着的载体。在分解有机污染物的过程中，微生物在介质表面生长繁殖，逐步形成粘液状的膜，然后利用固着在介质表面的这种微生物膜来净化污水。在分解有机污染物的过程中，膜逐步增厚，形成表层好氧、内层兼氧和厌氧的微生态环境，因此生物膜法具有一定的厌氧降解功能。生物膜法具有无需污泥回流、膜的生物活性高、反应稳定等优点。生物膜法通常分为润壁型生物膜法（如生物滤池和生物转盘）、浸没型生物膜法（如接触氧化法）和流动床型生物膜法（如生物移动床和生物流化床）。不同类型的生物流化床在结构、充氧方式、填料性质与形状方面有一定的差异，但共同点是：床内载体在充氧过程中始终悬浮于液体中做快速运动，具有类似于液体的自由 流动性，促进了物质的扩散与接触，相应提高了反应速率。
2.1.2厌氧处理技术自20世纪70年代起，就有一大批类似好氧降解的厌氧反应器被研制和开发出来，如厌氧滤池（AF）、上流式厌氧污泥床（UASB）、厌氧流化床（AFB）、厌氧颗粒污泥膨胀床（EGSB）、厌氧内循环反应器（IC）、厌氧折流板式反应器（ABR）和厌氧序列式反应器（ASBR）等。厌氧技术的应用范围已扩展到高、中、低浓度的多类有机废水和生活污水的处理，其特点是废水处理和能源回收相结合，但出水水质难以达到直接排
放的要求。
2.2 生物自然净化技术
生物自然净化技术体系主要包括水体生物处理系统的生物塘（厌氧塘和氧化塘）和土地处理系统的人工湿地。生物自然净化技术投资少，运行费用低，但占地面
积大，出水水质不易控制。
2.2.1生物塘
生物塘以太阳能为初始能源，通过在塘中种植水生植物，利用植物吸收等方式带走污染物以净化水体。氧化塘中除选育合适的水生植物外，还增加了曝气，以促进水体中生物的好氧降解。传统的生物塘占地面积大，污水停留时间长，处理效率较差。目前通过培育高效水生净化植物（水葫芦、芦苇、水莴苣等），建立组合曝气、水生植物、水产养殖为一体的复合生态系统，增强了生物塘的处理功能，促进了水体生物处理技术的发展。
2.2.2人工湿地
人工湿地是近年来迅速发展起来的水体生物－生态修复技术，可处理化工、石油化工、纸浆、纺织印染、重金属冶炼等各类废水，也可用于雨水处理。其原理是利用自然生态系统中物理、化学和生物的三重作用来实现对污水的净化。污水中的不溶性有机物通过湿地的沉淀、过滤作用，被截留或被微生物利用；污水中的可溶性有机物通过植物根系生物膜的吸附、吸收及生物代谢降解被分解去除；通过对湿地填料进行清洗再生和更换，植物可从湿地系统中带走大量污染物；湿地中的氮、磷通过植物的吸收而被去除。人工湿地处理系统的出水质量好，适于处理饮用水源，也可结合景观设计、种植观赏植物并改善风景区的水质状况。其造价及运行费远低于常规处理技术。
3环境生物技术在固体废弃物处理中的应用
利用生物技术处理固体废弃物中的城市生活垃圾和农业废弃物，主要方法是卫生填埋、堆肥和发酵沼气。
3.1 卫生填埋
卫生填埋是将城市生活垃圾存积在大坑或低洼地的卫生填埋场，填埋场下层应有不透水的自然隔水基质或人工隔水层，在填埋场设置排气口和监测系统，每天填入的垃圾压实后铺盖一层土壤，并通过科学管理来恢复地貌和维护生态平衡。其原理是利用微生物将垃圾中的有机物分解。垃圾通过卫生填埋还可产生沼气。
3.2 堆肥
堆肥是固体基质在有效的低温条件下的发酵过程，适用于生活垃圾的处理。其基本步骤是：废弃物—预处理—堆肥—后处理—存放。对堆肥处理器进行足够的通气是堆肥成功的关键。该技术安全性高，成本低廉。
3.3 发酵产生沼气
主要利用畜禽粪便、农作物秸秆、生活污水等。其原理是微生物厌氧发酵使有机质降解，产生沼气，此法在农村有着广阔的发展前景，沼气不但可用作照明和燃料，还可建成以沼气工程为纽带的“猪、沼、果”生态农场等生态农业模式。
4环境生物技术的发展前景
4.1 微生物脱硫技术的开发
利用微生物脱去煤中的无机硫和有机硫，可控制燃煤中SO2等含硫气体的排放。这些微生物包括硫杆菌、氧化亚铁硫杆菌、氧化硫杆菌、酸热硫化叶菌等。日本利用氧化亚铁硫杆菌已使H2S脱除率达99.99%，我国利用该菌对炼油厂进行干气催化和工业废气脱硫，H2S脱除率分别为71.5%和46.9%。在燃煤的处理过程中，还可采用浮选与微生物脱硫技术相结合，
对煤和黄铁矿进行分离，达到清除或降低燃煤SO2排放的目的。利用微生物还可将石油成分中的硫分离出来。虽然生物技术在大气污染治理中的应用时间尚短，但其具有技术简单成本低、安全性好、无二次污染等优点。今后，在微生物脱硫技术以及高活性脱硫菌种的研制和培养方面，配以清洁生产技术的研究，将会备受关注，也会成为解决原煤燃烧产生的SO 2污染的最佳途径。
4.2 水污染治理工艺的完善
废水生物处理技术在实验室阶段已比较成熟，也已比较广泛地应用于实际工程中。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以及构建针对难降解污染物的生物基因库和特殊功能的微生物的培养研究是今后主要的发展方向。
4.3 难降解污染物的处理
基因工程是通过基因分离和重组技术，将人类需要的目的基因片段移到受体生物细胞中并表达出来，使受体生物具有该目的基因表达后显现出来的特殊性状，以改进生物物种。利用基因工程构建的高效菌种来处理如杀虫剂、塑料、橡胶制品、医疗废物、危险废物等难降解的污染物，是现代环境生物技术发展的热点之一。
4.4 生物传感器的研制
随着科技的进步，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。生物传感器可以满足实施自动连续监测的需要，判断环境污染发展的趋势，探索污染物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，从而使生物环境污染监测更便捷、更灵敏、更全面。生物传感器具有成本低、制作容易、使用方便、测定快速等优点。4.5 与其它技术的结合
环境生物技术的发展离不开相关科学技术的配合。其与相关科学技术的结合，可提高处理效率、增强处理效果。将光、声、电与高效生物处理技术相结合，处理高浓度有毒有害难降解有机废水，如光催化氧化－生物处理新技术、电化学高级氧化－高效生物处理技术、辐射分解－生物处理组合工艺等；采用SBR＋臭氧氧化工艺和物化气浮－接触氧化处理印染废水，采用混凝－气浮－厌氧－好氧处理苎麻废水、油田和炼油废水等。这些工艺、设备、电子计算机的结合正在使以环境生物技术为主的综合治理技术向自动化、模块化方向发展。
参考文献：
[1]刘淑梅，张淑芬.环境生物技术的研究现状及发展趋势[J].环境科学与管理，2005,30（4）：44-46.
[2]孙立，管锡珺.厌氧反应器综述与展望[J].青岛建筑工程学院学报，2003,24（4）：82-86.
[3]Laine J-M,Vial D,Moulart P.Status after 10 years of oper-ation-overview of UF technology today[J].Desalination,2000,131:17-25.
[4]吴晓芙，胡曰利.有机废水处理中的环境生物技术及其进展[J].中南林学院学报，2003,23（6）：41-48.
[5]冯有胜，王敏斌，傅仕俊.生物技术与环境保护及进展[J].重庆工商大学学报（自然科学版），2003,20（2）：81-85.
[6]Sung S,Dague R R.Laboratory studies on the anaerobicsequencing batch reactor[J].Water Environment Research,1995,67（3）:294-301.
[7]江瀚，王凯军，倪文等.厌氧生物水处理技术研究进展[J].中国沼气，2004,22（4）：18-21.
[8]李玫，章金鸿.大气污染的植物修复及其机理研究的进展[J].广州环境科学，2006,21（2）：39-43.
[9]Nachaiyasit S,Stuckey D C.Effect of low temperatures on the performance of an anaerobic baffled reactor(ABR)[J].JournalChem.Tech.Biotech.,1997,69:276-284.
[10]Robert L Knight.Constructed wetlands for livestock wastewatermanagement[J].Ecological Engineering,2000,15:41-55.
