一生物技术在环境保护中的应用现状

1生物技术在环境监测中的应用

1.1生物芯片和生物传感器应用于环境监测

生物芯片、生物传感器是利用固定在载体上的生物大分子与检测对象间的特异性地相互作用的原理做成的检测模块。载体上的生物大分子与检测对象相互作用的过程中发生的物理或化学变化现象转化成生物电信号，检测系统将电子信号放大，可得到与生物转感器或生物芯片相互作用的环境物质的相关信息。这类检测方法灵敏度高、针对性强、检测速率快，目前已有产品成功应用于环境监测领域，诸如生物需氧量生物传感器、微生物毒性生物传感器等。

1.2生物免疫检验

生物免疫检验是利用检验系统的免疫自我识别功能，对环境毒性物质进行抗原或抗体的特异反应而检测环境毒性物质。该方法灵敏度高、针对性强、操作方便、成本低，目前已广泛应用到环境污染物的实时监控领域。

1.3Ames实验

1975年美国加利福尼亚大学Ames教授建立Ames实验。该实验广泛应用于食品、化妆品的致突变性。方法适用于测试样品中的混合污染物，反映的是多种污染物的综合致突变效应，是一种较好的环境潜在突变物的预警手段。

2生物技术在废气治理中的应用

随着现代工业的发展，不可避免的会产生大量有机废气，如不经过处理直接排入大气层中，会产生严重的空气污染，最终危害人们的健康。有机废气的处理方法有物理法、化学法、生物法等，生物法是基于“双膜理论”发展而来的新技术，与传统有机废气处理方法相比，具有成本低、效率高、安全性好和无二次污染等优点，因此，应用生物处理技术净化有机废气逐步成为应用越来越广泛的有机废气治理新技术。生物法治理废气工艺有很多种，比如生物滤池法、生物滴滤法、生物洗涤法、生物吸附法等。生物法理有机废气包括气液转化阶段、生物吸附吸收阶段和生物降解阶段三个阶段。诸如，美国有公司利用微生物分解有机物的能力处理工业性恶臭气体，取得了满意的除臭效果，且无二次污染产生，德国的科学家利用生物滤池法处理含硫化氢气体，90%以上硫化氢得以去除。有机废气生物处理技术是一项新兴的新方法，不但成本低、能耗少，而且处理效率高。但是，应用生物方法处理有机废气也存在着不足之处。比如，生物法在处理低浓度有机废气时效果良好，处理高浓度有机废气的治理效果欠佳，生物过滤法所用填料的比表面积、孔隙率等直接影响有机废气的处理效果，高比表面积、高孔隙率的填料方面的研究和产品还很少，有待更深入的研究。

3生物技术在污水净化中的应用

3.1生物强化处理法

为了提高常规活性污泥法的效能，通过提高系统微生物浓度或者投加生物强化材料成为生物治理技术发展的一个主要方向。主要强化方法有:(1)高浓度活性污泥法。通过培养颗粒污泥等方法，提高生物系统中污泥浓度，延长龄泥，从而促进对难分解物质的处理，提升污染物降解效能。高浓度活性污泥系统中有效微生物的数量是常规活性污泥法的3～5倍，从而大大降低了污泥负荷，提高系统污染物处理效果。日本有科学家采用该方法处理难分解的聚乙烯醇废水，取得显著效果。(2)化学生物絮凝法。它是20世纪80年代兴起的一种强化生物处理技术。是在常规活性污泥中加入氯化铁、聚合氯化铝、硫酸铁等混凝剂，形成生物铁或铝絮凝体活性污泥。这种污泥呈颗粒状，沉降性能好，可避免污泥膨胀现象，同时通过周期性排泥，除磷效果好。(3)生物活性炭法，该方法是美国杜邦公司在1972年提出的一种生物强化处理方法，用于处理化工废水，取得了很好的效果。该方法借助活性炭优良的吸附能力以及微生物氧化能力的协同增效作用，提升污染物去除效能。中国的张旭等利用生物活性炭工艺处理石油类污染地下水，发现该技术对石油类污染物的平均去除率为45.4%，同时提升了系统的脱氮效果。

3.2固定化微生物法

固定化微生物技术是20世纪70年展起来的。这种技术通过将微生物固载到一定的填料或载体上，提升系统中有效微生物的数量，同时可富集污泥龄较长的微生物，并且固、液分离效果好，减少占地面积，缩短水力停留时间。实践证明，固定化微生物技术的容积负荷可达常规活性污泥法的3～7倍，同时可取得50%以上的的脱氮效果。敬一兵等利用海藻酸钠与戊二醛进行交联作为微生物固定化载体处理味精废水，系统的COD去除率在70%以上，总氮去除率在60%以上。王增长等人利用聚集交联固定化细胞技术，将筛选的脱色菌固定在活性污泥絮体上，投加到“厌氧－好氧－生物滤池”系统中处理印染废水，发现处理后出水色度极低，可实现废水回用。固定化微生物技术可增加生物系统中的微生物浓度，提高污染物去除效率，是现有污水处理厂扩容、提升处理能力的一个切实可行的方法。

3.3投加特种菌法

投菌法就是筛选出对特定污染物有较强降解功能的微生物，直接或者放大培养后投加到生物系统中，可以使生物反应器中的特定细菌处于最佳状态，以提高特种污染物的处理效率。该方法对于毒性或者难降解废水处理效果好，经济成本低，但对于常规废水经济成本偏高。例如，中科院微生物研究所从上海石化厂分离出能够去除硫氰酸钠的混合菌种处理硫氰酸钠废水，可使得两段生化工艺的硫氰酸钠的去除负荷提高2～4倍，出水水质也得到了显著提升。

3.4序批式活性污泥法

序批式活性污泥法(SBR法)是按照进水、反应、沉淀、排放和闲置五个阶段周期运行，间歇进出水。SBR法将厌氧、好氧、沉淀等设施集成在一个反应器中，通过控制时间程序而完成连续式设施所达到的效果，一般会设计2套以上交替运行。该方法运行灵活，可以随时调整反应阶段，例如把反应段与进水段同时进行，也可以在进水期的同时曝气，各阶段运行时间亦可随时调整。例如，余宗莲等采用SBR工艺处理生物制药废水，在不额外投加氮、磷等营养物质情况下，当进水COD在3500mg/L以下、水力停留时间16h时，出水COD可以稳定在350mg/L以下。更重要的是，在处理过程中可根据水质水量的变化，灵活调整反应阶段，特别适应于水质水量变化较大的工业废水或分散式污水的处理。

3.5废水生物除磷脱氮技术

水体中氮、磷等营养元素过量时会造成藻类的大规模爆发，形成富营养化水体，导致水体功能下降，丧失原有生态功能。研究表明氮、磷等营养物质的过量是造成水体富营养化的关键因子，因此，研究废水中氮、磷的处理技术显得非常必要。生物脱氮技术主要是借助硝化细菌和反硝化细菌通过硝化和反硝化过程实现。朱淑琴等基于间歇式活性污泥法，通过硝化－反硝化过程脱氮，发现在硝化段停留时间7h，氨氮去除率达90%以上，反硝化阶段，以甲醇作为碳源，6h后反硝化率达95%以上。山西汾西矿业集团焦化厂采用A2/O工艺处理焦化废水，发现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%，产水可用作熄焦及洗煤补充水加以回用。生物除磷是利用聚磷菌在厌氧条件下释放磷，好氧条件下过量吸收磷来除去污水中磷的方法。目前，应用于工程实践的生物除磷技术有多个系统:Phostrip工艺、Phoredox工艺、Bardenpho系统、A/O系统、UCT工艺、改良氧化沟、SBR工艺等，这些工艺均有一定的除磷功能。

4生物技术在城市固体废弃物处理中的应用

城市规模扩大和经济发展导致生活垃圾快速增长和资源能源需求短缺，已成为世界各国城市发展普遍面临的棘手问题。发达国家从20世纪60－70年代开始重视对城市生活垃圾污染防治的研究，逐步形成了填埋、堆肥、焚烧和热解相结合的综合处理模式，80－90年代开始，德国、日本、美国、英国、新加坡等国家逐步引入“避免和减少垃圾产生”的减量化观念，从垃圾处理处置的末端治理向源头减量与循环利用方向转变。进入21世纪，随着科学技术的进步和人类环境意识的加强，过去的垃圾成了城市矿产资源，各国开始探寻城市发展中资源能源化解决方案。城市城市固体废弃物中有机物占40%以上，是宝贵的可利用资源。如通过生物技术将其转化为能源或者有机肥料，可以实现城市生活垃圾的资源化利用。因此，基于生物技术处理城市固体废弃物，从而获得能源或者优质有机肥是城市固体废弃物无害化、减量化、资源化的有效途径。由于我国城市固体废弃物资源能源化处理起步较晚，国外的一些成熟处理技术不能在国内直接应用，加上资金、技术等方面的短缺，需要加大在生活垃圾资源能源化方面的科研投入力度，同时跳出仅仅回收能源的思想束缚，寻求适合我国国情的其它功能化应用(如作为吸附材料或工农业原料)将更有意义。

二生物技术在其他领域中的应用

生物技术除了可应用在废水处理、废气净化、固体废弃物的处置以及环境污染的快速监测等领域，还可以应用在污泥处理与处置、农业环境保护以及场地修复等领域。由于农药、化肥等的大量使用已引起土壤、地下水、水系和海洋的严重污染，世界各个国家都积极制定了各类环境修复计划，其中生物修复技术得到了很高的重视。例如，欧洲的德国、丹麦、荷兰等国家非常重视生物修复技术，他们利用微生物分解有毒有害物质，把生物修复技术作为治理大面积区域污染的一种有价值的方法。美国也在积极推进生物修复技术的研究和应用，美国能源部组建了“生物修复行动委员会”来推进生物修复技术的研究和工程实施。

三展望

生物技术以其成本低、产出高、无二次污染等诸多优点，在环境保护中已获得了广泛的应用，并取得了明显的经济效益、环境效益和社会效益。虽然生物技术还存在不如化学技术快速、效率高、条件要求高等不足，但是随着现代生物技术的快速发展，以及经济快速发展导致的资源短缺、环境状况恶化情况的加剧，生物技术的环境保护功能显得越来越重要。可以推测，现代生物技术的迅猛发展及其在环保领域的广泛应用必将成为解决资源短缺、能源危机以及环境问题的有力手段，在环境保护领域得到更高的重视和推广。

作者：吴志强康长安顾自强单位：江西省环境监测中心站大气监测室上饶市环境监测站水质监测室