生物技術在環境工程中的應用與前景生物技術在環境工程中的應用與前景
1我國生態環境的現狀
我國生態環境污染日趨嚴重,如 “三廢”污染、水體污染、土壤污染、廢棄塑料和農用地膜污染、農用化肥和農藥污染等,造成水資源嚴重短缺,土地荒漠化日益加劇,森林覆蓋率劇減,草場嚴重退化。生態環境的惡化,時刻威脅着人們的生命財產安全,疾病發病率也迅速提高。因此,必須積極發展高新技術,如現代環保生物技術等,採用防治結合的方式,解決當前的環境危機,維護生態平衡,已迫在眉睫。
2環境生物技術簡介
生物技術是建立在生命科學的基礎上,通過直接或間接的方式利用生物或生物有機體的特定部分或某些功能,建立降低或消除污染物的生產工藝或能夠高效淨化環境污染,同時又能生產有用物質的工程技術。主要包括基因工程、細胞工程、酶工程、蛋白質工程、染色體工程、生化工程等。生物技術在環保領域發揮着越來越重要的作用,正衍生出一門新興的學科與技術,即我們所說的“環境生物技術”,亦稱“環境生物工程”。其特點如下:
2.1 實現對污染物的循環利用
對垃圾廢棄物的降解生成的產物或副產物,一般都可重新利用。這樣,可把污染降到最小程度,不僅可解決長期污染的問題,還實現了對固廢的循環利用。
2.2安全可靠、效果明顯
利用發酵工程技術治理,產生的物質基本屬於穩定無害的物質,常見的包括CO2、水、氮氣、甲烷等。並且,多數都是一步到位,無二次污染。因此,該技術既安全、徹底又高效。
2.3簡化流程,節約成本
生物技術是建立在酶促反應基礎上的生物化學過程。酶作爲生物催化劑,實質是一種活性蛋白質。一般在常溫常壓或近乎中性的條件下即可發生反應。因此,絕大部分生物治理對環境條件要求不高,並可就地實施。
3.環境生物技術在三廢處理中的應用
3.1在廢水處理方面的應用
廢水中含有許多有毒有害物質,比如,酚類、氰化物、重金屬、有機磷、有機汞、有機酸、醛、醇、蛋白質等。廢水生化處理經近百年的發展,現已形成了許多新工藝、新技術。通過生物技術治理廢水,主要藉助微生物的降解作用完成。它分爲耗氧降解技術與厭氧降解技術兩種。耗氧降解技術又分爲:活性污泥法與生物膜法。目前,採用較多的是固定化酶與固定化細胞技術,它屬於酶工程技術。固定化酶又稱爲水不溶性酶,是通過物理吸附法或化學鍵合法,導致水溶性酶和固態的不溶性載體結合起來,從而使酶不再溶於水。微生物細胞猶如一個天然的固定化酶反應器。微生物細胞的固定可採用製備固定化酶的方式。對於污水中的多種污染物,均可通過固定化酶或固定化細胞進行治理。國內外有很多這方面的成功案例。
3.2在廢氣淨化方面的應用
廢氣是近年來重要的污染源之一。如何利用生物技術高效淨化廢氣也成爲重要的研究課題。目前採用的方法包括生物過濾、生物洗滌、生物吸附和植物修復法等。常用的生物反應器有生物淨氣塔、滲濾器和生物濾池等。根據微生物在廢氣處理過程中的具體形式,分爲兩大類:生物吸附法與生物過濾法。前者可治理含胺、酚和乙醛等氣體,後者可降解惡臭性廢氣。植物修復技術是把太陽能作爲動力,依靠植物的同化作用達到淨化氣體的目的。它屬於一種綠色技術。現在,全球都有很多成功處理廢氣的案例。美國利用微生物作用來淨化工業惡臭氣體,效果明顯,且還不會出現二次異臭。德國與荷蘭利用生物膜過濾技術可除掉超過90%的硫化氫。我國相關學者也在此方面取得了不錯的成果。比如,利用生物膜填料塔處理橡膠再生脫硫過程中產生的低濃度的有機廢氣,經試驗表明,該方法是可行的,若相關條件控制適度,淨化效果顯着,淨化率可超過90%。相比原有的廢氣處理方法,生物技術法有着很多優勢:節約成本、效果好、安全可靠、沒有二次污染等。
3.3在處理固廢方面的應用
工農業生產、城市建設與日常生活都會產生很多固體廢棄物。傳統固體廢棄物的處理方式,不僅浪費資源能源,還會污染環境。利用生物技術處理城市生活垃圾和農業廢棄物,不但可以把這些廢棄物變爲優質的有機肥料,實現廢物的資源化,更有利於生態環境的良性循環。常見的處理方式包括衛生填埋、堆肥和發酵制沼氣等。
4.環境生物技術在環境污染修復中的應用
4.1污染土壤的生物修復
隨着農業的發展,各種化學殺蟲劑、農藥被大量使用。而這些農藥很多都會殘留在土壤中,。尤其是那些極難降解的農藥給生態環境造成難以估量的損害。通過相關生物技術處理,可以把這些污染物質進行有效分解,生成水與CO2。不僅不會造成對環境的破壞,還能防止出現二次污染。但是是分解週期較長,不符合農業生產的需求。重金屬屬於土壤污染中重要的污染物。重金屬污染的生物治理機制是:藉助生物作用(酶促反應)導致重金屬的化學形態改變,將其固定在土壤中,或減輕其毒性。這樣,可有效制約重金屬在土壤中的移動。通過生物的吸收、代謝作用後,會進一步固定重金屬或減小其毒性,從而淨化土壤。此外,生物修復污染土壤的過程中,還能提高土壤有機物的數量,調動相關微生物的活性,從而優化土壤生態結構。同時,還能強化對土壤的固定作用,避免土壤受到風蝕、水蝕的破壞,預防水土流失。
4.2.水體生物自然淨化技術
環境生物技術中通過植物吸收達到淨化水體與土壤的方法被稱爲生物自然淨化技術。分爲生物塘與人工溼地兩種。前者把太陽能作爲初始能源,利用塘中植物的同化作用將水中的污染物吸收掉,從而淨化水體。生物塘中可栽植的高效淨化植物有水葫蘆、蘆葦、水萵苣等。同時,還應構建集組合曝氣、水生植物、水產養殖一體化複合生態系統,進而提高生物塘的處理能力。後者是通過自然生態系統中的物理、化學、生物等作用達到對水體的淨化作用。由於人工溼地處理系統出水水質較好,可用於飲用水源的處理,並且所需成本也比常規處理方法要低。
4.3白色污染的治理
採用生物技術治理可從兩方面入手,一是篩選具有降解塑料與農用薄膜的微生物,形成高效降解菌。二是分離克隆出帶有降解功能的基因,再將其植入到特定的土壤微生物內,如根瘤菌。這樣,既能發揮兩者各自作用,還有利於加快對塑料垃圾的降解速度。此外,還應重點對預防白色垃圾技術進行攻關與研發。個別微生物可以生成一些高分子化合物,類似於塑料,被稱爲聚酯。爲進一步節約成本、提高產量,人們正致力於通過DNA重組技術,試圖改造某些微生物。比如,當前一個重點研究課題就是通過微生物發酵生產聚-β羥基烷酸(PHAs),相關研究人員正試圖形成自溶性PHAs生產菌種。通過把PHAs重組菌發酵後,積累數量衆多的PHAs,再添加一些信號物質,從而生成裂解蛋白,然後細胞壁被破壞,PHAs析出。即簡化PHAs的提取流程,達到節約成本的目的。
4.4降解廢水中微量油脂
含油廢水屬於一種量大面廣的污染源。廢水中的少量油脂並不能通過原有的物理或化學方法處理掉。上海交大生命科學技術學院和日本日立化成公司合作,從5種活性污泥或土壤中馴化分離出六種菌,分析了它們在低溫條件下對低濃度植物類油脂的實際降解能力。不同菌的降解能力都各不相同,其中,發現兩種菌的除油效果很好,除油率高達92.80% 和95.49%,相關特性還有待進一步研究。
4.5化學農藥污染的消除
經統計資料顯示,每合成一噸農原藥需消耗3-4噸化工原料,多餘的原料作爲未反應物或中間副產物隨水排出,每年數百家農藥廠排出的廢水上億噸,危害極大。中科院成都生物所經過反覆試驗,終於找到了解決處理農藥(樂果)廢水的'方法。他們將高效微生物菌種用於SBR設備處理有機農藥廢水,效果顯着,使有機磷轉化率達96-99%,其技術指標達到了相關排放標準。一般情況下施用的農藥化肥約有80%的殘留,特別是難降解的氯代烴類農藥,給生態系統帶來了極大的滯留危害,必須依賴基因工程構建的高效菌種來進行處理。但要想徹底消除化學農藥的污染,還必須全面推廣生物農藥。生物農藥是指由生物體產生的具有防治病蟲害和除草功能的一大類物質的總稱,大多是生物體的代謝產物,主要有微生物殺蟲劑、農用抗生素製劑和微生物除草劑等。
5.環境生物技術在環境監測方面的應用
應用在環境監測領域的生物技術主要有以下幾種:①監測水質,利用細菌的數量、某些糞便指示菌(大腸埃希氏菌、克黴伯氏菌)等②檢測物質致突變性和致癌性,通常使用鼠傷寒少門氏菌來檢驗。③通過發光細菌對環境中的毒物進行檢測,速度較快。④根據對水中藻類的生長情況測定,對水質進行監測或檢測某些物質的毒性。近年來,國際上在這一領域的重點研究對象包括PCR技術(應用聚合酶式反應技術)、核酸探針、生物傳感器等。PCR技術可用於當前還無法培養的微生物檢測,一般適用於對土壤、水樣、沉積物等環境標本的細胞檢測。
隨着今後技術的不斷完善,對於水質的檢測,核酸探針與PCR技術極有可能取代現在的常規微生物檢測方式。此外,生物酶法具有良好的發展潛力,它適用於快速檢測與現場測定。生物傳感器具體有酶傳感器、微生物傳感器、免疫傳感器,通過酶、微生物、抗原、抗體等生物材料作爲分子識別元件,從而把外部對其理化特性的影響轉化爲電磁信號。它可用於對特定污染物的快速檢測,並且操作簡便、結果精確。
5環境生物技術現狀及前景展望
5.1現狀
環境生物技術雖有諸多優點,並能有效解決各種污染問題。但實際應用中依然存在種種侷限:
①反應速度較慢,並且需要大型的反應器,需佔用過多的土地面積。
②對於原水水質有着十分嚴格的標準,不然,不利於微生物的生長。
③運行過程中會發生一些問題,如污泥膨脹或流失,餘下的污泥也不易處理。
