環(huán)境生物技術(shù)的研究進(jìn)展

環(huán)境生物技術(shù)的研究進(jìn)展

環(huán)境生物技術(shù)（ebt）是在過(guò)去20年內(nèi)發(fā)展起來(lái)的一個(gè)由生物技術(shù)、工程、環(huán)境科學(xué)和生態(tài)科學(xué)組成的新邊緣學(xué)科。最廣泛的定義是使用生物、生物代謝反應(yīng)過(guò)程和生物合成產(chǎn)物（包括酶）對(duì)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)、評(píng)估、修復(fù)和修復(fù)的相關(guān)現(xiàn)代方法。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)環(huán)境生物技術(shù)的研究主要包括4個(gè)方面:(1)降解污染物的工程菌和抗污染型基因植物的相關(guān)研究;(2)環(huán)境友好材料生物合成技術(shù)的相關(guān)研究;(3)危險(xiǎn)性化合物的降解和污染場(chǎng)地的生物補(bǔ)救研究;(4)廢物強(qiáng)化處理技術(shù)研究。1廢水的生物處理和廢水處理經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展,各國(guó)環(huán)境生物技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)取得了較大的進(jìn)展,20世紀(jì)90年代的研究開(kāi)發(fā)重點(diǎn)—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(jī)化合物的生物降解、石油污染的生物補(bǔ)救、廢水的生物處理和生物監(jiān)測(cè)等。1.1菌株降解方法的確定含氯有機(jī)物的降解包括兩個(gè)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(jī)化學(xué)和生物化學(xué)的降解途徑,這類(lèi)化合物以氯代聯(lián)二苯、呋喃類(lèi)及為研究熱點(diǎn)。在分離菌株的過(guò)程中,研究較多的是用不同的環(huán)境條件與微生物種類(lèi)進(jìn)行組合,進(jìn)而測(cè)得降解性。模擬的實(shí)驗(yàn)條件非常廣,包括好氧、反硝化、發(fā)酵、硫酸還原、產(chǎn)甲烷和厭氧產(chǎn)乙酸等。近年來(lái),各國(guó)對(duì)生物界中微生物的種類(lèi)、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(lèi)似于化學(xué)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(duì)較大。目前世界各國(guó)對(duì)含氯有機(jī)物的降解途徑與微生物多樣性、其生化與生理特性的關(guān)系,了解得還不夠完善。1.2含對(duì)氧化劑的厭氧生物反應(yīng)器ubf目前世界上廢水生物處理技術(shù)較多,而能耗較低的厭氧生物處理技術(shù)在該領(lǐng)域中占據(jù)了主導(dǎo)地位,應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣泛。第二代廢水厭氧生物反應(yīng)器是20世紀(jì)80年代開(kāi)始應(yīng)用的,其特征是通過(guò)填充介質(zhì)來(lái)提高混合液中微生物的量,以處理高濃度的有機(jī)廢水。近10年來(lái)出現(xiàn)了包括厭氧膨脹顆粒污泥床(EGSB)、厭氧內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器(IC)、升流式厭氧反應(yīng)器(UBF)的第三代厭氧生物反應(yīng)器。此類(lèi)厭氧生物反應(yīng)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(yīng)器中,反應(yīng)器單位容積的生物量更高;(2)能承受更高的水力負(fù)荷,具有較高的有機(jī)污染物凈化效能;(3)具有較大的高徑比;(4)占地面積小,動(dòng)力消耗少。在廢水生物處理方面,生物脫氮技術(shù)是近年來(lái)較為熱門(mén)的技術(shù)。其主要技術(shù)包括短程硝化—反硝化、同時(shí)硝化—反硝化和厭氧氨氧化等。1.3生物及微生物生物修復(fù)是利用土著的、引入的微生物和微生物及其代謝過(guò)程,或其產(chǎn)物進(jìn)行的消除或富集有毒物的生物學(xué)過(guò)程。早期的生物修復(fù)側(cè)重于微生物的作用及其應(yīng)用,近年來(lái)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(xì)菌、真菌、酵母和菌團(tuán);降解有機(jī)鹵化物的細(xì)菌Pseudomonassp.Y1和Pseudomonassp.113;降解塑料制品Tetramethylenesuccinate的高溫菌等。世界上不同國(guó)家對(duì)生物修復(fù)方面的研究開(kāi)發(fā)有3個(gè)特點(diǎn):(1)歐洲國(guó)家都以對(duì)傳統(tǒng)廢物的處理系統(tǒng)的強(qiáng)化和改進(jìn)為主,從而處理特定的化學(xué)污染物并提高降解能力。(2)美國(guó)側(cè)重于不同污染地的土壤和水體的整治和修復(fù),尤其是外源有機(jī)污染物的治理,這些毒物多是來(lái)源軍事工業(yè)及其生產(chǎn)。(3)日本將其重點(diǎn)放在解決全球性的環(huán)境修復(fù)上,體現(xiàn)在以生物氫氣為動(dòng)力的研究和利用微生物對(duì)大氣中二氧化碳進(jìn)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(wèn)題。1.4有害物和海水藻類(lèi)的發(fā)酵生物監(jiān)測(cè)是利用生物個(gè)體、群體或群落或生物制劑,對(duì)環(huán)境污染或變化所產(chǎn)生的反應(yīng),闡明環(huán)境污染狀況。生物監(jiān)測(cè)技術(shù)近年來(lái)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(cè)水體中的有害物和海水藻類(lèi)的爆發(fā)。如ManBockGu和GeunCheelGil應(yīng)用生物發(fā)光細(xì)菌開(kāi)發(fā)出兩階段多頻道毒性連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),使用該系統(tǒng)可連續(xù)監(jiān)測(cè)同一樣品和分別確定不同類(lèi)型毒性;美國(guó)西伊里諾大學(xué)馬德修創(chuàng)立了紫露草微核技術(shù),根據(jù)其微核率監(jiān)測(cè)環(huán)境中誘變因子的存在及其污染濃度;美國(guó)在利用水生生物監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)水質(zhì)方面,提出了科級(jí)水平生物指數(shù)評(píng)價(jià)法(FBI),該法以底棲水生昆蟲(chóng)為主要指示類(lèi)群,樣品只需鑒定到科。2我國(guó)環(huán)境生物技術(shù)的發(fā)展2.1其他重金屬類(lèi)廢水中所含的污染物種類(lèi)繁多且較為復(fù)雜,包括各種酚類(lèi)、氰化物、重金屬、有機(jī)磷、有機(jī)汞、有機(jī)酸、蛋白質(zhì)等等。目前我國(guó)廢水生物處理技術(shù)主要有以下幾種。2.1.1生物—生物強(qiáng)化技術(shù)為了強(qiáng)化傳統(tǒng)活性污泥法的處理能力和降解效果,目前開(kāi)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(zhǎng)齡泥促進(jìn)對(duì)難分解物質(zhì)的處理,加快了反應(yīng)速度。(2)生物—鐵法。它是在普通活性污泥中加入無(wú)機(jī)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(diǎn),主要用來(lái)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(chǎn)生協(xié)同增效作用。2.1.2生物膜反應(yīng)器生物處理生物反應(yīng)技術(shù)即生物反應(yīng)器技術(shù),它是現(xiàn)代生物技術(shù)發(fā)展的一個(gè)主要方向。氣升式反應(yīng)器利用噴射動(dòng)能和流體重度差,實(shí)現(xiàn)廢水發(fā)酵處理的循環(huán)運(yùn)動(dòng),由于其密封性好,工程菌不易污染,適合利用廢水生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白工程,已成為淀粉、釀造、食品等有機(jī)廢水資源化處理的首選技術(shù)。生物膜反應(yīng)器利用反應(yīng)器內(nèi)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(yùn)行費(fèi)用低、管理方便,應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)大,且近年來(lái)又開(kāi)發(fā)了幾種新型的生物膜法廢水處理構(gòu)筑物——生物流化床反應(yīng)器,如(1)好氧流化床膜反應(yīng)器;(2)A-b型三相流化床反應(yīng)器;(3)組合式流化床反應(yīng)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(diǎn)是將厭氧過(guò)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(shù),它是利用聚磷微生物超量攝取磷的方法來(lái)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(dòng)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(qiáng)凈化污水的效力,目前利用遺傳工程技術(shù)已構(gòu)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(jí)菌。如能夠?qū)⑶杌锓纸獬啥趸己桶钡奈⑸锔咝Ь?能夠降解石油烴的超級(jí)菌;專(zhuān)門(mén)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(zhì);能使印染廢液中各種染料脫色率達(dá)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(xì)菌、真菌等微生物生產(chǎn)的生物絮凝劑具有降解性能好、絮凝范圍廣、活性高、不產(chǎn)生2次污染等優(yōu)點(diǎn),已廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)廢水處理,如畜產(chǎn)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(xì)菌、放線菌和酵母菌等。2.2固體殘?jiān)锾幚砑夹g(shù)固體廢棄物是人類(lèi)生產(chǎn)和生活過(guò)程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品,處理的目的是使其無(wú)害化、減量化和資源化。2.2.1垃圾填埋的生物技術(shù)處理城市垃圾的生物技術(shù)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(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大,目前我國(guó)90%以上的地區(qū)都采用這種方法。垃圾填埋的生物技術(shù)處理主要是對(duì)垃圾中可降解有機(jī)物的治理。目前主要是通過(guò)適當(dāng)?shù)乜刂茥l件,使不同分解階段起主導(dǎo)作用的微生物優(yōu)先大量繁殖,促進(jìn)垃圾降解和加速填埋場(chǎng)的穩(wěn)定化過(guò)程,來(lái)實(shí)現(xiàn)垃圾場(chǎng)的無(wú)害化和減量化的。如根據(jù)細(xì)菌繁殖的特點(diǎn),在垃圾填埋時(shí),加入一定量的陳垃圾或厭氧活性污泥及對(duì)新鮮垃圾進(jìn)行細(xì)菌接種,從而縮短細(xì)菌的適應(yīng)期,加速垃圾的分解等。另外,在垃圾填埋時(shí),對(duì)底層垃圾進(jìn)行好氧堆肥預(yù)處理,效果同樣良好。2.2.2畜禽作為微生物群的原料農(nóng)林廢棄物中以植物纖維素(農(nóng)作物桔桿、糠麩、餅粕等)的量最大,人們利用基因工程技術(shù)獲得了纖維素酶,將大量的植物纖維素轉(zhuǎn)化成葡萄糖,通過(guò)微生物發(fā)酵產(chǎn)生醇、酸等工業(yè)基礎(chǔ)原料;用纖維素、醇等作原料,還生產(chǎn)出單細(xì)胞蛋白,充當(dāng)動(dòng)物蛋白的替代品,補(bǔ)充人們對(duì)蛋白質(zhì)食物的需要。對(duì)畜禽排泄物的處理,主要是利用生物工程技術(shù),選擇或構(gòu)建能夠?qū)π笄菁S便進(jìn)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(guò)程中產(chǎn)生的有害物質(zhì)(如氨氣、硫化氫等)及其他分解產(chǎn)物進(jìn)行再合成的微生物組成高效微生物群,通過(guò)這種微生物群再對(duì)畜禽糞便進(jìn)行一系列處理。此法可生產(chǎn)有機(jī)肥料。用微生物發(fā)酵法來(lái)處理植物纖維素和畜禽糞便,生產(chǎn)的沼氣,可用作燃料或化工原料。2.3廢水生物處理技術(shù)廢氣的生物凈化是利用微生物活動(dòng)將廢氣中的有毒有害物質(zhì)轉(zhuǎn)化簡(jiǎn)單的無(wú)機(jī)化合物及細(xì)胞質(zhì)。2.3.1生物洗滌器目前主要有適用于廢氣量較少場(chǎng)合的鼓泡塔和處理廢氣能力較強(qiáng)、體積較小的噴淋塔等生物洗滌器。在生物洗滌方法中,通過(guò)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(dá)到去除某些不溶于水的有機(jī)污染物的目的。2.3.2生物處理在附著生長(zhǎng)系統(tǒng)中,微生物附著生長(zhǎng)于固體介質(zhì)表面,廢氣通過(guò)由固體介質(zhì)構(gòu)成的固定床層時(shí)被吸附吸收進(jìn)而被微生物降解。其固體介質(zhì)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(shí)具有懸浮生長(zhǎng)系統(tǒng)和附著生長(zhǎng)系統(tǒng)的特點(diǎn)。生物滴濾法在開(kāi)始運(yùn)行時(shí),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(duì)高污染負(fù)荷廢氣的處理效率優(yōu)于附著生長(zhǎng)系統(tǒng)。2.4微生物降解法白色污染中農(nóng)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(lái)我國(guó)投入了大量的人力和物力進(jìn)行可降解農(nóng)膜的研制與開(kāi)發(fā)應(yīng)用,以最大限度地降低白色污染。如(1)天津大學(xué)研究的APSA膜是在PE中填充改性淀粉和增容劑進(jìn)行共混吹塑而成的,可被微生物降解;(2)江西科學(xué)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(jìn)入產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)階段;(4)中國(guó)國(guó)際科技促進(jìn)會(huì)組織專(zhuān)家研制的一種草纖維農(nóng)膜,不僅能被微生物降解,有助于土壤肥力提高,而且生產(chǎn)原料來(lái)源豐富,生產(chǎn)成本和銷(xiāo)售價(jià)格低廉。2.5生物農(nóng)藥作用農(nóng)藥中含有許多有害化合物,它的使用已造成作物有毒物質(zhì)積累、病蟲(chóng)害抗藥性等諸多危害,近20年來(lái),人們致力于發(fā)展生物農(nóng)藥,以防治對(duì)環(huán)境造成的污染。如超高效農(nóng)藥植物源性害蟲(chóng)控制劑、多功能植物增效劑、生物殺蟲(chóng)劑等。這些生物農(nóng)藥的共同點(diǎn)在于(1)