探析现代生物技术在水污染控制中的应用

目录

前言： (2)

摘要： (3)

1．现代生物技术在水污染方面的发展 (4)

2.1厌氧生物处理 (6)

2.2好氧生物处理 (6)

2.2.1生物膜法 (6)

2.2.2曝气生物滤池 (7)

2.2.3活性污泥法 (7)

2.3 固定化微生物技术 (8)

2.4生物强化技术 (8)

2.5生物反应器技术 (9)

2.6生物修复技术 (10)

2.7微生物水处理剂技术 (10)

2.8生物藕合技术 (11)

2.9优化组合的处理工艺 (12)

3、环境生物技术的展望 (13)

参考文献： (14)

探析现代生物技术在水污染中的应用

前言

生物是构成生态系统的要素，生态系统内物质循环主要是依靠生物过程来完成的。生物降解对废水尤其是对有机物降解有显著作用，科技的发展也证明了生物技术是治理水污染的理想武器，这一技术在解决水污染问题过程中所显示的独特功能和显著优越性充分体现了它是一个纯生态过程，并且可实现可持续发展的战略思想。本文总结了近年来现代生物技术在环境领域的应用情况,着重介绍了现代生物技术在环境监测与评价、环境工程领域的新型实用成果,并就该技术在环境领域的应用前景和发展趋势进行预测。

摘要

当今的水处理技术中，现代生物技术成为水污染控制领域重点开发和应用的技术手段。本文介绍了现代生物技术的主要内容及特点，着重综述了成熟的生物技术，以及正在发展的现代生物技术在废水生物处理、生物修复以及微生物水处理剂等方面的研究与应用状况，在此基础上提出今后现代生物技术在水污染控制领域中的研究方向。

关键词：现代生物技术废水生物处理生物修复水处理剂

ABSTRACT

Today's water treatment technology, modern biotechnology as key development areas of water pollution control and application of technical means. This article describes the main content of modern biotechnology and features, were reviewed in the mature biotechnology, and the ongoing development of modern biotechnology in wastewater biological treatment, bioremediation, and microbial water treatment agent Fangmian research and application , on this basis presented in the future of modern biotechnology in the field of water pollution control research.

Key word：Modern biotechnology bioremediation of wastewater biological treatment water treatment agent

一现代生物技术在水污染方面的发展

随着工业的高速发展，水环境污染问题越来越严重地威胁着人类的生存环境，制约着社会和经济的进一步发展。因此，水污染控制成为全世界共同关注的问题。目前的水处理技术中，生物处理法已成为国际控制水污染的主要手段，尤其是现代生物技术将成为水污染控制领域重点开发和应用的技术手段，主要应用于废水处理、生物修复以及微生物水处理剂等方面。

生物技术在处理水污染物方面具有速度快、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，加之其技术开发所预示的广阔的市场前景，受到了各国政府、科技工作者和企业家的高度重视。随着生物技术研究的进展和人们对环境问题认识的深入，人们已越来越意识到，现代生物技术的发展，为从根本上解决环境问题提供了无限的希望。

目前生物技术应用于环境保护中主要是利用微生物，少部分利用植物作为环境污染控制的生物。生物技术已是环境保护中应用最广的、最为重要的单项技术，其在水污染控制方面发挥着极为重要的作用。应用环境生物技术处理污染物时，最终产物大都是无毒无害的、稳定的物质，如二氧化碳、水和氮气。利用生物方法处理污染物通常能一步到位，避免了污染物的多次转移，因此它是一种消除污染安全而彻底的方法。

环境生物技术不仅单纯适用于环境污染治理，如今已相当广泛地应用于环境监测，尤其是以生物传感器为核心的环境生物监测技术，可在线在位迅速地提供环境质量参数，成为环境质量预报和报警中的重要组成部分。

二现代生物技术在废水处理中的应用。

废水生物处理是利用微生物的生命活动过程对废水中的污染物进行转移和转化，从而使废水得到净化的处理方法。废水生物处理技术发展迅速，好氧法、厌氧生物法以及生物发酵法已趋于成熟，并且固定化等新兴技术正在蓬勃发展。

2.1厌氧生物处理

厌氧生物处理已经广泛应用于许多工业废水的处理，而且诸如能耗少，操作简单，投资及运行费用低廉等优点更显示出在垃圾渗滤液处理方面的巨大优势，且由于产生的剩余污泥量少，所需的营养物质也少的特性，也正适合于营养物质失调的渗滤液的处理。近年来，运用于垃圾渗滤液处理的厌氧生物处理方法主要有：厌氧消化池、厌氧序批式反应器、上流式厌氧污泥床反应器、上流式厌氧过滤反应器、上流式厌氧污泥床过滤反应器及厌氧折流板反应器等。

2.2好氧生物处理

好氧生物处理工艺是最为经典和技术最为纯熟的污水处理方式。好氧处理不仅可以有效降解有机污染物，还可通过流程的安排进行硝化和反硝化来达到降解氨氮的目的，尽可能降低处理成本，正适合于垃圾渗滤液较高的脱氮要求，且垃圾渗滤液的处理规模一般较小，成分复杂，因此要求处理工艺必须简单、灵活、安全可靠和抗冲击能力强，这些也正好是好氧处理的优势所在。目前，运用垃圾渗滤液处理的好氧处理工艺包括活性污泥法、曝气氧化塘和生物膜法等。

2.2.1生物膜法

生物膜法具有抗水量、水质冲击负荷的优点，而且生物膜上能生长世代时间较微生物，如硝化菌等。Loukidou M X[46]等分别一聚氨基甲酸脂颗粒和粉末活为载体的生物流化床处理老龄垃圾渗滤液，发现以聚氨基甲酸脂颗粒为载体，平均去除65%的COD、90%的BOD和70%的色度，在后期稳定阶段NH3-N除率则达到了90%以上；而以粉末活性炭为载体，COD、BOD、NH3-N以及色度去除率为81%、90%、85%和80%。

尽管好氧处理能够将可生化降解的有机物完全处理，但有时这种处理能耗较高，不够经济，且由于好氧微生物易手渗滤液中的有毒有害物质影响而降低其去除难降解有机物质的能力。所以，好氧处理一般只适合于小规模的、可生化性较

好的垃圾渗滤液的处理，而对于大批量的渗滤液处理，其作为厌氧处理等的后续处理显得更为经济使用。

2.2.2曝气生物滤池

曝气生物滤池（BiologicalAerated Filter）简称BAF，是80年代末在欧美发展起来的一种新型生物膜法污水处理工艺。该工艺具有去除SS、COD、BOD、硝化、脱氮、除磷、去除AOX（有害物质）的作用，其特点是集生物氧化和截留悬浮固体与一体，节省了二沉池，其容积负荷、水力负荷大，水力停留时间短，所需基处建投资少，出水水质好；运行能耗低，运行费用省。

世界上首座BAF于1981年在法国投产，随后在美国、加拿大、日本等国得到广泛应用。BAF在我国作为一种新工艺，正处于推广阶段。大连市马栏河污水处理厂是我国第一个采用BAF工艺的城市污水处理厂，目前正处于试运行阶段。许多科研单位也对曝气生物滤池结构形式、功能、启动和滤料等方面进行了详细的研究，取得了很多成果。

曝气生物滤池的特点

曝气生物滤池（biologicalaeratedfilter）与普通活性污泥法相比，具有有机负荷高、占地面积小（是普通活性污泥法的1/3）、投资少（节约30%）、不会产生污泥膨胀、氧传输效率高、出水水质好等优点，但它对进水SS要求较严（一般要求SS≤100mg/L，最好SS≤60mg/L），因此对进水需要进行预处理。同时，它的反冲洗水量、水头损失都较大。

2.2.3活性污泥法

活性污泥法是由曝气池、沉淀池、污泥回流系统和剩余污泥排除系统组成。污水和回流的活性污泥一起进入曝气池形成混合液。从空气压缩机站送来的压缩空气，通过铺设在曝气池底部的空气扩散装置，以细小气泡的形式进入污水中，目的是增加污水中的溶解氧含量，还使混合液处于剧烈搅动的状态，形悬浮状态。溶解氧、活性污泥与污水互相混合、充分接触，使活性污泥反应得以正常进行。

第一阶段，污水中的有机污染物被活性污泥颗粒吸附在菌胶团的表面上，这是由于其巨大的比表面积和多糖类黏性物质。同时一些大分子有机物在细菌胞外酶作用下分解为小分子有机物。

第二阶段，微生物在氧气充足的条件下，吸收这些有机物，并氧化分解，形成二氧化碳和水，一部分供给自身的增殖繁衍。活性污泥反应进行的结果，污水中有机污染物得到降解而去除，活性污泥本身得以繁衍增长，污水则得以净化处理。

经过活性污泥净化作用后的混合液进入二次沉淀池，混合液中悬浮的活性污泥和其他固体物质在这里沉淀下来与水分离，澄清后的污水作为处理水排出系统。经过沉淀浓缩的污泥从沉淀池底部排出，其中大部分作为接种污泥回流至曝气池，以保证曝气池内的悬浮固体浓度和微生物浓度；增殖的微生物从系统中排出，称为“剩余污泥”。事实上，污染物很大程度上从污水中转移到了这些剩余污泥中。

活性污泥法的原理形象说法：微生物“吃掉”了污水中的有机物，这样污水变成了干净的水。它本质上与自然界水体自净过程相似，只是经过人工强化，污水净化的效果更好。

2.3 固定化微生物技术

固定化微生物技术是生物工程领域中的一项新技术。进入80年代后国内外开始应用这种具有独特优点的新技术来处理工业废水和分解难生物降解的有机物质，一些具有特异性的优势菌种不断得到改造或创造，将这些高效专性菌如脱色菌、脱氮、脱磷菌假单胞菌等进行固定化后，菌体密度提高，大大提高了处理效率，尤其是对难降解有毒物质有明显优势。王增长等人利用新研制的聚集—交联固定化细胞技术，将筛选的高效优势脱色菌种固定在活性污泥上，投加于“厌氧—好氧—生物滤池”工艺流程中，处理印染废水，结果表明：出水色度极低，处理后的水可回用。

2.4生物强化技术

生物强化技术是通过微生物改善外界环境因素，提高对有毒难降解有机物的生物降解效率，目前的主要强化方法有：

2.4.1高浓度活性污泥法

高浓度活性污泥法是以高污泥浓度和长泥龄来促进对难分解物质的处理，加快反应速度。该方法效率高，费用低。日本用该法处理难分解的聚乙烯醇和粪便污水取得了显著效果。美国宾州Fall Township污水处理厂，采用活性污泥法处理垃圾渗滤液时，在容积负荷为1.87kgBOD/(m3.d)时，BOD去除率可以达到97%。王里奥等以木屑-微生物系统处理高浓度的渗滤液，采用间歇曝气，COD、BOD和氨氮的去除率分别为94.2%、93.1%和99.8%，基本可达垃圾渗滤液二级到三级排放标准，而且基本无污泥外排。

2.4.2生物—铁法

生物—铁法是在普通活性污泥中加入无机盐，多用铁盐(氢氧化铁或氧化铁粉)，形成生物铁絮凝体活性污泥，具有高浓度活性污泥法的特点，主要用来提高除磷效果。

2.4.3生物—活性炭法

它综合利用微生物氧化能力和活性炭良好的吸附能力，使二者产生协同增效作用。在该系统中，每g活性炭去除 1～3gCOD ，分解废水毒性能力明显增强，同时提高脱氮水平。

2.4.4微生物投加法

它主要是针对所要去除的污染物质，投加专门培养的优势菌种对所要去除的污染物进行有效降解。主要用于改善活性污泥法处理效果。

2.4.5投加遗传工程菌、酶

通过基因工程技术构建具有特殊降解功能的菌,形成了酶生物处理技术。然后利用酶的固定化技术固定酶，投放入污水中处理污水。

2.5生物反应器技术

生物反应器技术，是现代生物技术发展的一个主要方向。现代化的新型生物膜反应器，其共同特点是反应器内装有比表面大的载体，有利于微生物附着生长形成生物膜，供气或供给的其他反应条件优越，污染物具有充分的时间与微生物接触，有利于增强微生物的分解代谢能力。目前，2000m3的反应器已经问世。

虽然其处理能力较低，造价较高，但其管理方便，运行费用低，所以欧美地区约有 7%的污水处理厂采用该技术。

2.6生物修复技术

生物修复技术是80年代以来出现和发展的清除和治理环境污染的生物工程技术，其主要利用生物特有的分解有毒有害物质的能力，去除污染环境如土壤中的污染物，达到清除环境污染的目的。实践结果表明生物修复技术是可行的、有效的和优越的，此后该技术被不断扩大应用于环境中其他污染类型的治理。欧洲各国如德国、丹麦、荷兰对生物修复技术非常重视，全欧洲从事该项技术的研究机构和商业公司大约有近百个，他们的研究证明，利用微生物分解有毒有害物质的生物修复技术是治理大面积污染区域的一种有价值的方法。美国国家环保局、国防部、能源部都积极推进生物修复技术的研究和应用。美国的一些州也对生物修复技术持积极态度，如新泽西州、威斯康星州规定将该技术列为净化受储油罐泄漏污染土壤治理的方法之一。

生物修复技术是利用生物，特别是微生物将土壤、地下水或海洋中污染物现场降解为CO2和H2O或转化为无害物质的工程技术系统。这项技术正被用于清除地下水、废水中的污染物。金属虽然不能被生物降解，但微生物可将其转移或降低其毒性。为了加快去除污染物的进程，常常采用许多强化措施，使自然生态系统维持原状的前提下，使受污染的环境得以修复。研究表明，生物修复与传统的物化法相比具有以下优点：①经济，仅为物化法30%-50%；②对环境影响小，不产生二次污染，遗留问题少；③最大限度地降低污染物的浓度；④修复时间较短，就地修复，操作方便。

针对严重污染的环境，我国尚未采取大规模的治理措施，仅在少数地区开展了治理，并以物理化学方法(如洗脱、吸附)为主，不仅投资成本高，而且也造成了二次污染。我们的国土面积比美国略大，且环境污染还更为严重，对全国范围的污染环境进行修复，若采用传统方法，即使考虑劳动力相对便宜的因素，其投资规模将仍然非常庞大，如采用生物修复技术，不仅其投资规模大为缩小(仅需传统方法的1/5～1/3)，而且还没有二次污染。综上所述，环境污染的生物修复技术是我国今后治理环境污染必须发展的生物技术，更具有广阔的市场和发展前景。可充分预见，在21世纪，生物修复技术将成为我国生态环境保护领域最

具有价值和最具有生命力的大面积污染的优选生物工程技术。

2.7微生物水处理剂技术

微生物水处理剂主要集中在以下几个方面：①微生态制剂。微生态制剂是一种由优势互补的微生物菌群、繁殖促进剂和活化剂配制而成的活性微生物制剂，已经在保健领域发挥重要作用。用于环境净化的微生态制剂由于其应用范围广、使用安全、无副作用，为区域环境保护提供了新的重要手段。欧美近年来加快了这方面的研究开发，已有采用微生态制剂原位修复水体的成功实例[9]。②生物吸附剂。生物吸附剂是废水生物处理的一个新的发展方向，主要有两大类：一类是高比表面积和高吸附率的生物体吸附水中的污染物；另一类是集生物吸附和生物降解能力为一体净化废水中的污染物的生物吸附剂。目前生物吸附剂的固定化技术使生物与离子交换树脂一样能解吸回收金属和重复利用。③微生物絮凝剂。微生物絮凝剂是利用生物技术，通过微生物发酵，抽提精制而得到的一种具有生物分解性和安全性的新型、高效、无毒的廉价的水处理剂，这些是无机或有机合成高分子絮凝剂所不具备的。其特点是降解性能好，成本低，无二次污染等。目前，已筛选出19种具有絮凝能力的微生物，其中，霉菌8 种，细菌5种，放线菌5种，酵母菌1种。随着生物技术的发展，微生物水处理剂的开发与应用具有良好的前景。

2.8生物藕合技术

近年来，高级氧化技术、生物处理技术处理有毒难降解工业废水得到了不同程度的发展，但采用现有单一的高级氧化或生物处理技术很难将有毒难降解工业废水处理达标。因此，采用高级氧化－生物藕合技术处理有毒难降解工业废水已经成为工业废水处理技术发展的新趋势[19,20]。就目前的研究进展来看，一般都是将高级氧化处理作为有毒难降解工业废水的预处理技术使用，将废水中有机污染物的浓度及毒性降至较低范围，同时增加工业有机废水的可生化性，而后再根据高级氧化法处理结果，辅之以适当的生物处理方法将工业废水处理至接近或达到排放标准。高级氧化一生物藕合技术有很多，如光催化氧化生物处理新技术、电化学高级氧化一高效生物处理技术、超声波预处理一高效生物处理技术、辐射分解一生物处理组合工艺等[21]。目前，我国已经开始在印染、制药等工业领域尝试利用这一技术手段进行工业废水的处理研究。由于高级氧化－生物藕合技术

手段研究和应用时间很短，到目前为止，有关这方面的研究仅局限于高级氧化技术及生物处理技术各自的最佳工艺条件研究，实质上只是简单机械地将两种处理技术串联起来使用，而对于高级氧化一生物反

应藕合化工过程的研究一直作为“黑箱”处理，主要靠经验或半理论半经验来宏观设计、优化与集成。对高级氧化处理产生的组分及结构对后续生物处理过程与效果的祸合与优化匹配技术，以及对多种污染物在高级氧化一生物处理过程中的交互作用、转化途径及其模型框架与处理效率间的定量关系的研究，在国内外尚未见文献报道[9]。

2.9优化组合的处理工艺

提高难降解物质的去除率,必须延长水力停留时间和增加泥龄,提高微生物有效浓度,增加污染物与微生物的接触时间。目前常用的工艺有:

a.采用PACT工艺(添加粉末活性炭活性污泥工艺),使有机物除被微生物氧化处理外,还被活性炭所吸附。由于活性炭表面的污泥泥龄较长,污染物与微生物接触时间远大于水力停留时间,从而使难降解毒性有机物去除率提高。

b.厌氧－好氧工艺的组合有时采用单独的好氧或厌氧工艺处理效果都不理想,但采用联合处理工艺后,可能会发挥各工艺的优点,产生协同效应,使处理效果大大提高。如厌氧-缺氧/好氧工艺组合。改进的生物法因具有处理效率高、极少产生二次污染、出水水质好、运行与

操作管理方便且费用较低等优点。但是改进的生物处理法仍然存在一些缺点如：微生物培养条件困难，工程菌难以驯化，处理时间长等。如果既能保留生物处理法的优势，又能找到新方法、新技术较好的解决其存在的问题，成为近年来国内外环境领域研究的一个热点。

现代生物技术在水污染控制领域已显示出独特的魅力和应用前景。但笔者认为，今后应从四个方面进行深入研究：①分离、筛选和培养高效降解菌，利用微生物共代谢作用、多菌种协同作用降解难降解污染物；②构建高效反应器，优化运行条件，探索新技术新方法；③开发高效、无毒、廉价、可大批量生产的微生物水处理剂；④着力实践和推广生物修复示范工程，为生态环境建设提供有力的技术支持。

三环境保护中微生物技术的应用展望 环境生物技术是由现代生物技术与环境工程相结合的新兴交叉学科，是应用生物圈的某部分使环境得以控制，或治理预定要进入生物圈的污染物的生物技术。

特别是现代生物技术的发展，尤其是基因工程、细胞工程和酶工程等生物高技术的飞速发展和应用，大大强化了上述环境生物处理过程，使生物处理具有更高的效率，更低的成本和更好的专一性，为生物技术在环境保护中的应用展示了更为广阔的前景。

自本世纪70年代以来，发达国家就十分重视生物技术在环境领域的应用，并开展了大规模的科研活动。目前已开发了一系列的环境生物技术及其产品，并在世界上广泛应用于污水处理、大气净化及污染环境介质治理等诸多方面。

目前国际上许多环境生物技术成果已进入商品化、产业化发展。生物技术是水污染控制中最成熟也是最富有挑战性的技术，在国外的环保产业中一直是市场占有量最大的，并随着经济的发展，新污染治理的需要新技术工艺设备不断出现并产业化，美国在此领域内的年市场额达数百亿美元。数十项环境生物技术产品已获得有关国家政府部门的许可，进行野外应用实验，去除土壤和水体中的重金属和有毒有机化学物质。以美国为例，成立了相当数量的环境生物技术专业公司，部分产品已占领了国际市场，如Alen Murray Corp的Clear-Flo系列微生物菌剂和日本的EM菌等可用于污染处理、污染水体恢复及空气净化等。Envirogen公司最近宣布已利用基因工程技术开发出一系列超级微生物菌剂，可用于污染水体的恢复及净化。

参考文献：

[1]李亚一.生物技术[M]. 中国科学技术出版社.1994.1.

[2]王凯军. 发达国家环境生物技术研究规划简介[J] .给水排水.1996.22（9）：7-9.

[3]唐琼等.生物技术在环境保护中的应用及前景[J].环境污染治理技术与设备.2002.3（10）：28-35.

[4]王增长，牛志卿.利用生物工程治理印染废水及回用中试研究[J].中国环境科学.1996.16（4）：271-274.