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

1生物技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)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(cè)

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(cè)對(duì)象間的特異性地相互作用的原理做成的檢測(cè)模塊。載體上的生物大分子與檢測(cè)對(duì)象相互作用的過(guò)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(hào)，檢測(cè)系統(tǒng)將電子信號(hào)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(lèi)檢測(cè)方法靈敏度高、針對(duì)性強(qiáng)、檢測(cè)速率快，目前已有產(chǎn)品成功應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)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(yàn)

生物免疫檢驗(yàn)是利用檢驗(yàn)系統(tǒng)的免疫自我識(shí)別功能，對(duì)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(cè)環(huán)境毒性物質(zhì)。該方法靈敏度高、針對(duì)性強(qiáng)、操作方便、成本低，目前已廣泛應(yīng)用到環(huán)境污染物的實(shí)時(shí)監(jiān)控領(lǐng)域。

1.3Ames實(shí)驗(yàn)

1975年美國(guó)加利福尼亞大學(xué)Ames教授建立Ames實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)廣泛應(yīng)用于食品、化妝品的致突變性。方法適用于測(cè)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(huì)產(chǎn)生大量有機(jī)廢氣，如不經(jīng)過(guò)處理直接排入大氣層中，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的空氣污染，最終危害人們的健康。有機(jī)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(lái)的新技術(shù)，與傳統(tǒng)有機(jī)廢氣處理方法相比，具有成本低、效率高、安全性好和無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn)，因此，應(yīng)用生物處理技術(shù)凈化有機(jī)廢氣逐步成為應(yīng)用越來(lái)越廣泛的有機(jī)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(jī)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(gè)階段。諸如，美國(guó)有公司利用微生物分解有機(jī)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(wú)二次污染產(chǎn)生，德國(guó)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(jī)廢氣生物處理技術(shù)是一項(xiàng)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(jī)廢氣也存在著不足之處。比如，生物法在處理低濃度有機(jī)廢氣時(shí)效果良好，處理高濃度有機(jī)廢氣的治理效果欠佳，生物過(guò)濾法所用填料的比表面積、孔隙率等直接影響有機(jī)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(qiáng)化處理法

為了提高常規(guī)活性污泥法的效能，通過(guò)提高系統(tǒng)微生物濃度或者投加生物強(qiáng)化材料成為生物治理技術(shù)發(fā)展的一個(gè)主要方向。主要強(qiáng)化方法有:(1)高濃度活性污泥法。通過(guò)培養(yǎng)顆粒污泥等方法，提高生物系統(tǒng)中污泥濃度，延長(zhǎng)齡泥，從而促進(jìn)對(duì)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(qiáng)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(shí)通過(guò)周期性排泥，除磷效果好。(3)生物活性炭法，該方法是美國(guó)杜邦公司在1972年提出的一種生物強(qiáng)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?jī)?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(guó)的張旭等利用生物活性炭工藝處理石油類(lèi)污染地下水，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)對(duì)石油類(lèi)污染物的平均去除率為45.4%，同時(shí)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(lái)的。這種技術(shù)通過(guò)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(shí)可富集污泥齡較長(zhǎng)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(shí)間。實(shí)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(shí)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(zhǎng)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(shí)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(kuò)容、提升處理能力的一個(gè)切實(shí)可行的方法。

3.3投加特種菌法

投菌法就是篩選出對(duì)特定污染物有較強(qiáng)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(duì)于毒性或者難降解廢水處理效果好，經(jīng)濟(jì)成本低，但對(duì)于常規(guī)廢水經(jīng)濟(jì)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(gè)階段周期運(yùn)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(gè)反應(yīng)器中，通過(guò)控制時(shí)間程序而完成連續(xù)式設(shè)施所達(dá)到的效果，一般會(huì)設(shè)計(jì)2套以上交替運(yùn)行。該方法運(yùn)行靈活，可以隨時(shí)調(diào)整反應(yīng)階段，例如把反應(yīng)段與進(jìn)水段同時(shí)進(jìn)行，也可以在進(jìn)水期的同時(shí)曝氣，各階段運(yùn)行時(shí)間亦可隨時(shí)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)情況下，當(dāng)進(jìn)水COD在3500mg/L以下、水力停留時(shí)間16h時(shí)，出水COD可以穩(wěn)定在350mg/L以下。更重要的是，在處理過(guò)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(yíng)養(yǎng)元素過(guò)量時(shí)會(huì)造成藻類(lèi)的大規(guī)模爆發(fā)，形成富營(yíng)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的過(guò)量是造成水體富營(yíng)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(guò)硝化和反硝化過(guò)程實(shí)現(xiàn)。朱淑琴等基于間歇式活性污泥法，通過(guò)硝化－反硝化過(guò)程脫氮，發(fā)現(xiàn)在硝化段停留時(shí)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(tuán)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(bǔ)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(guò)量吸收磷來(lái)除去污水中磷的方法。目前，應(yīng)用于工程實(shí)踐的生物除磷技術(shù)有多個(gè)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(kuò)大和經(jīng)濟(jì)發(fā)展導(dǎo)致生活垃圾快速增長(zhǎng)和資源能源需求短缺，已成為世界各國(guó)城市發(fā)展普遍面臨的棘手問(wèn)題。發(fā)達(dá)國(guó)家從20世紀(jì)60－70年代開(kāi)始重視對(duì)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(kāi)始，德國(guó)、日本、美國(guó)、英國(guó)、新加坡等國(guó)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(lèi)環(huán)境意識(shí)的加強(qiáng)，過(guò)去的垃圾成了城市礦產(chǎn)資源，各國(guó)開(kāi)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(jī)物占40%以上，是寶貴的可利用資源。如通過(guò)生物技術(shù)將其轉(zhuǎn)化為能源或者有機(jī)肥料，可以實(shí)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(jī)肥是城市固體廢棄物無(wú)害化、減量化、資源化的有效途徑。由于我國(guó)城市固體廢棄物資源能源化處理起步較晚，國(guó)外的一些成熟處理技術(shù)不能在國(guó)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(shí)跳出僅僅回收能源的思想束縛，尋求適合我國(guó)國(guó)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(cè)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(hù)以及場(chǎng)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(gè)國(guó)家都積極制定了各類(lèi)環(huán)境修復(fù)計(jì)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(guó)、丹麥、荷蘭等國(guó)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(jià)值的方法。美國(guó)也在積極推進(jìn)生物修復(fù)技術(shù)的研究和應(yīng)用，美國(guó)能源部組建了“生物修復(fù)行動(dòng)委員會(huì)”來(lái)推進(jìn)生物修復(fù)技術(shù)的研究和工程實(shí)施。

三展望

生物技術(shù)以其成本低、產(chǎn)出高、無(wú)二次污染等諸多優(yōu)點(diǎn)，在環(huán)境保護(hù)中已獲得了廣泛的應(yīng)用，并取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會(huì)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(jì)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(hù)功能顯得越來(lái)越重要。可以推測(cè)，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(jī)以及環(huán)境問(wèn)題的有力手段，在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域得到更高的重視和推廣。

作者：吳志強(qiáng)康長(zhǎng)安顧自強(qiáng)單位：江西省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站大氣監(jiān)測(cè)室上饒市環(huán)境監(jiān)測(cè)站水質(zhì)監(jiān)測(cè)室