環(huán)境生物技術(shù)在水污染處理中的應(yīng)用分析

摘要：隨著微生物技術(shù)的不斷發(fā)展，人類(lèi)對(duì)環(huán)境的認(rèn)識(shí)不斷增強(qiáng)，各種微生物在廢水治理等方面的應(yīng)用也日益廣泛。生物強(qiáng)化技術(shù)是一種適應(yīng)性強(qiáng)的新工藝，其在污水處理中的作用優(yōu)于常規(guī)的生化技術(shù)，且其優(yōu)點(diǎn)更為顯著。本文從理論上闡述了生物強(qiáng)化技術(shù)的基本思想、作用機(jī)理，并就其在廢水處理中的應(yīng)用進(jìn)行了分析與討論，以期加深對(duì)該技術(shù)的理解。該研究對(duì)今后的發(fā)展有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：生物強(qiáng)化技術(shù)；水污染治理領(lǐng)域；應(yīng)用分析

隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，水污染問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重地威脅著人類(lèi)的生存環(huán)境，制約著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展，因此，水污染防治已成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)。從目前的水處理技術(shù)來(lái)看，以生化法為主導(dǎo)的水處理技術(shù)，尤其是以現(xiàn)代生物技術(shù)為主導(dǎo)的水處理技術(shù)，必將成為未來(lái)水處理的發(fā)展趨勢(shì)。

1現(xiàn)代生物技術(shù)的內(nèi)容與特點(diǎn)

1.1現(xiàn)代生物技術(shù)的內(nèi)容

（1） 基因工程是指在基因水平上，采用類(lèi)似于工程設(shè)計(jì)的方法，按照人類(lèi)的需要，對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后根據(jù)設(shè)計(jì)方案，創(chuàng)造出具有某種新的性質(zhì)的生物新品系，并能夠?qū)⑵浞€(wěn)定地遺傳給下一代。一般可分為四步：一步是獲取符合人體需要的 DNA，也就是“目的基因”；二步是將目的基因通過(guò)質(zhì)?；虿《?DNA的方法進(jìn)行擴(kuò)增，得到目的基因的重組 DNA；三步是在特定的細(xì)胞中導(dǎo)入重組 DNA；四步是篩選出能夠使目標(biāo)基因得以表達(dá)的受體細(xì)胞。因?yàn)榛蚬こ淌窃诜肿訉用嫔线M(jìn)行的，所以可以跨越種間的遺傳壁壘，跨越種間的不相容性［1］。

（2） 細(xì)胞工程學(xué)是通過(guò)細(xì)胞融合、核質(zhì)移植、染色體或基因移植、組織與細(xì)胞培養(yǎng)等手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)生物新品種的快速?gòu)?fù)制與培育。細(xì)胞工程技術(shù)的研究主要有體細(xì)胞融合，細(xì)胞核移植，細(xì)胞器吞噬，染色體重組等?！绑w細(xì)胞融合”是將兩個(gè)不同類(lèi)型的細(xì)胞，通過(guò)一種特殊的方法，將兩個(gè)不同類(lèi)型的細(xì)胞結(jié)合在一起，形成一個(gè)雜合體，這樣就可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)親本的共同表達(dá)，從而突破遠(yuǎn)緣生物之間無(wú)法相互交流的壁壘，為新的物種的產(chǎn)生提供了可能。通過(guò)這一技術(shù)，小鼠和田鼠、小鼠和小雞，甚至小鼠和人類(lèi)，都可以通過(guò)體細(xì)胞進(jìn)行雜交。盡管目前動(dòng)物中的雜合細(xì)胞仍處于分裂傳代階段，無(wú)法實(shí)現(xiàn)完全的個(gè)體化，但是其在理論和分子標(biāo)記等方面的應(yīng)用卻有著重要的意義。而通過(guò)體細(xì)胞融合形成的雜種，已經(jīng)完全形成了單株，從而形成了新的雜種植株［2］。

（3） 生物工程酶是一類(lèi)能催化生物代謝的蛋白。有機(jī)小分子作為一類(lèi)特殊的催化劑，可以實(shí)現(xiàn)高效的催化反應(yīng)，且反應(yīng)條件溫和，產(chǎn)物污染小，能耗低，反應(yīng)易于調(diào)控。酶工程指的是通過(guò)酶的催化作用，對(duì)物質(zhì)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，從而生產(chǎn)出人們所需要的產(chǎn)品的技術(shù)，它是將酶學(xué)理論和化工技術(shù)相結(jié)合的一項(xiàng)高新技術(shù)。酶工程學(xué)為醫(yī)學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域作出了重要的貢獻(xiàn)。如今，包括菠蘿蛋白酶、纖維素酶、淀粉酶、胃蛋白酶在內(nèi)的十多種酶，已經(jīng)被應(yīng)用到了食品和藥品中，用來(lái)緩解很多胃分泌功能異常病人的痛苦；此外，還有一些新的青霉素制品和青霉素酶抑制劑，這些都是在醫(yī)藥和醫(yī)藥領(lǐng)域中取得成功的例子［3］。

1.2現(xiàn)代生物技術(shù)的特點(diǎn)

其主要特征包括：（1）以生物體為研究對(duì)象，并不依靠地球上有限的資源，而注重可再生的資源；（2）該工藝在常溫常壓下進(jìn)行，工藝簡(jiǎn)便，可以連續(xù)運(yùn)行，節(jié)能降耗，降低了對(duì)環(huán)境的污染；（3）為制備高純度，高質(zhì)量，安全可靠的生物產(chǎn)品提供了一條新的道路；（4）能夠克服用常規(guī)工藝或常規(guī)工藝無(wú)法克服的困難；（5）根據(jù)人類(lèi)需求，有針對(duì)性地創(chuàng)造出新的物種，以及其它具有經(jīng)濟(jì)意義的生物［4］。

2環(huán)境生物技術(shù)的基礎(chǔ)研究對(duì)水污染治理技術(shù)的應(yīng)用2.1關(guān)于微生物遺傳學(xué)的研究

大量的微生物和原蟲(chóng)具有凈化污水的能力，而傳統(tǒng)的生物處理方法主要是通過(guò)馴化和繁殖來(lái)實(shí)現(xiàn)，其對(duì)污水的降解效率很低。自上世紀(jì)70年代起，人們?cè)诤Y選出對(duì)某些毒性大、組分單一的高濃度有機(jī)污水中，通過(guò)純化、分離、純化等手段，取得了良好的效果，并在污水處理中得到了廣泛應(yīng)用，取得了良好的效果。然而，從自然界中獲得的細(xì)菌，其對(duì)污染物的降解性通常受到限制，需要對(duì)細(xì)菌進(jìn)行基因改造，并通過(guò)定向培育具有超高降解性的工程細(xì)菌，來(lái)大幅提升細(xì)菌的降解能力。這一變化對(duì)環(huán)境生物技術(shù)的發(fā)展具有重要的促進(jìn)作用［5］。

微生物的繁殖方法包括：原生質(zhì)體混血繁殖、遺傳工程繁殖等。利用原生質(zhì)體融合可以突破物種之間的遺傳壁壘，使一個(gè)菌株具有兩組或多組雙親。目前，該技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)獲得了顯著的發(fā)展，例如已經(jīng)成功地研制出了用于污水處理的多功能酵母和用于處理高蛋白質(zhì)污水的曲霉雜種。

遺傳工程技術(shù)從80年代開(kāi)始用于環(huán)保。通過(guò)遺傳改良，可以將目標(biāo)基因聚焦到特定功能的基因上，使其優(yōu)先發(fā)生變異，從而使其具有更好的功能。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一批含有抗汞、抗鎘、抗鉛等重金屬抗性基因的細(xì)菌。將工程化的細(xì)菌應(yīng)用到活性污泥的處理中，可以使污泥的凈化效果維持幾個(gè)月。當(dāng)前，大多數(shù)的基因工程菌仍處于純培養(yǎng)狀態(tài)，對(duì)其降解石油、纖維、農(nóng)藥等有機(jī)污染物及其對(duì)重金屬污染的水質(zhì)進(jìn)行了研究［6］。

2.2關(guān)于生物凈化酶學(xué)研究

在此過(guò)程中，微生物對(duì)環(huán)境的凈化是通過(guò)生物酶的催化來(lái)完成的。因此，對(duì)生物凈化酶的活性和適合的反應(yīng)條件進(jìn)行深入的探討，對(duì)其應(yīng)用具有重要意義。80年代以后，隨著生物技術(shù)在環(huán)保方面的應(yīng)用，將污水生物處理技術(shù)推向了一個(gè)新的高度［2］。

目前，該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)已從常規(guī)的分離和篩選，擴(kuò)展到了對(duì)降解產(chǎn)物的代謝途徑，降解酶系的構(gòu)成等方面。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，活性污泥中含有大量的脫氫酶，淀粉酶，脲酶，脂肪酶，過(guò)氧化氫酶，胰蛋白酶等。在此基礎(chǔ)上，研究了不同種類(lèi)的原蟲(chóng)和微生物在活性污泥中的去除效果。由于微生物的脲酶和蛋白酶較高，所以廢水中的尿素和蛋白質(zhì)主要由微生物降解，從而提高了廢水中的氨基酸含量。因?yàn)樵鷦?dòng)物的過(guò)氧化氫酶活力要比細(xì)菌高得多，而且原生動(dòng)物可以將細(xì)菌的降解過(guò)程中所生成的氨基酸作為氮源，并參與到了氧化過(guò)程中。所以，當(dāng)有原生動(dòng)物的時(shí)候，出水中的有機(jī)質(zhì)、氨基酸、水溶性磷含量會(huì)明顯降低，這些酶的活性水平也會(huì)受到反應(yīng)條件的影響，例如污水的 pH、溫度、突變劑等。污水中的污染物組分復(fù)雜，且含有毒性物質(zhì)，會(huì)對(duì)其酶活性產(chǎn)生影響，這使得對(duì)污水中微生物的凈化性能的研究變得更加復(fù)雜和困難［7］。

目前，利用固定化技術(shù)來(lái)改善酶的活力已成為一個(gè)非常熱門(mén)的課題。然而，目前的固定化技術(shù)存在著使用范圍較窄、成本較高等缺點(diǎn)，限制了其推廣應(yīng)用。由于微生物是一個(gè)多酶體系，且具有較高的穩(wěn)定性和較高的催化效率，因此，微生物固定化技術(shù)在世界范圍內(nèi)受到了極大的重視，已有很多研究結(jié)果。英國(guó) ICI公司將細(xì)胞固定化技術(shù)應(yīng)用于氰化物廢水的治理，開(kāi)創(chuàng)了將生物技術(shù)應(yīng)用于環(huán)保的一個(gè)新的方向。美國(guó)、德國(guó)、日本、中國(guó)等國(guó)家已將其應(yīng)用于高濃度的有機(jī)廢水和重金屬?gòu)U水的治理，并對(duì)廢水進(jìn)行了脫色，得到了較好的結(jié)果［8］。

3環(huán)境生物技術(shù)在水污染治理中的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用3.1生物發(fā)酵技術(shù)

其中，最早涉及到的就是污水的生物處理。在污水處理領(lǐng)域，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)有：（1）基于升流型厭氧污泥處理廠，發(fā)展了一種新型的“水解好氧”處理（H/O）工藝。它的主要特征是在水解酸化階段進(jìn)行厭氧處理。H/O方法對(duì)含表面活性劑廢水、焦化廢水、染色廢水等廢水進(jìn)行了有效的處理，對(duì)廢水中的 COD的脫除率比傳統(tǒng)方法提高了20%～30%；本工藝在水解過(guò)程中，對(duì)木材中的真菌、細(xì)菌進(jìn)行了有效的菌種培養(yǎng)，從而使制漿過(guò)程中的 COD脫除效果得到了明顯的改善；在此基礎(chǔ)上，采用高效的脫色細(xì)菌對(duì)染料廢水進(jìn)行處理，對(duì)染料廢水的脫色率可達(dá)80%。（2）生物除磷、脫硝技術(shù)。70年代以后，利用湖泊廢水中的磷、氮等進(jìn)行生物除磷、脫硝的技術(shù)有了很大的發(fā)展。生物除磷技術(shù)是指在城市生活污水中，聚磷微生物過(guò)量攝入的一種新的處理方法。聚磷微有機(jī)體包括：假單胞菌屬（Pseudomonas）、氣單胞菌（Pseudomonas）、不動(dòng)桿菌屬（Pseudomonas）等。氮磷是影響湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展的重要因素，因此，發(fā)展高效的氮磷同步脫除技術(shù)是實(shí)現(xiàn)湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。其中，氮磷污染是湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展的關(guān)鍵。（3）Cross-Organic Report（SBR）：80年代發(fā)展起來(lái)的一種新工藝，適用于城鎮(zhèn)污水處理廠的日處理能力不超過(guò)200 000 t［9］。

3.2生物強(qiáng)化技術(shù)

生物強(qiáng)化技術(shù)能使微生物在高鹽、高濃度等極端條件下仍能維持較高的活力，適用于高毒性和高濃度廢水的處理。該工藝不存在污染物遷移和二次污染問(wèn)題。同時(shí)，該方法使用的時(shí)間更短，并且與常規(guī)方法相比，該方法的工藝參數(shù)更高，工藝更快。療效顯著［10］。

（1） 基因轉(zhuǎn)移作用。通過(guò)對(duì)污染物進(jìn)行篩選，我們可以發(fā)現(xiàn)具有特殊代謝基因和代謝特征的微生物，然后將生物強(qiáng)化技術(shù)引入到這些微生物當(dāng)中，加快自然界中的基因交流和微生物的構(gòu)建，從而削弱微生物的降解能力，提高污染物的降解效率。

（2） 共代謝作用。一些污染物質(zhì)是無(wú)法被細(xì)菌完全清除的。但是，如果在水中存在著其它底物的時(shí)候，可以在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候?qū)⒛承┘?xì)菌植入到水中，然后根據(jù)細(xì)菌的協(xié)同作用等改變污染物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而將水里的污染物進(jìn)行降解，從而進(jìn)行處理。以水為目標(biāo)可以在水中添加某些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，并與細(xì)菌、細(xì)菌、細(xì)菌等共代謝產(chǎn)物，從而將水里舊有的底物，如乙烷、二氯苯、苯酚、氨等，從而獲得它們生存所需要的能量。在經(jīng)過(guò)微生物的催化作用下，會(huì)生成一種能夠改變物質(zhì)結(jié)構(gòu)并將其分解的水解酶［12］。

（3） 常規(guī)利用。利用菌株的選擇和突變技術(shù)，得到具有良好的新陳代謝性能的菌株，然后將這些菌株在被污染的水中進(jìn)行增殖，從而對(duì)水中的污染物進(jìn)行降解。這是一個(gè)很古老的辦法。工作人員把所得的碳和能被完全降解的細(xì)菌放在了水里，細(xì)菌會(huì)懸浮在水里，以粘附或自由的方式來(lái)分解污染物質(zhì)。

3.3生物反應(yīng)技術(shù)

在此基礎(chǔ)上，提出了一種新的、具有廣泛應(yīng)用前景的生物反應(yīng)器技術(shù)。美，英，德，日本等先進(jìn)的新工藝和新工藝的大規(guī)模投入，使得國(guó)內(nèi)外生物反應(yīng)器的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，而我國(guó)北京，上海正在加緊研發(fā)。現(xiàn)在，我們已經(jīng)生產(chǎn)出了2 000 m3的大容量反應(yīng)器。該系統(tǒng)采用射流動(dòng)能與液面重量之差，在污水中進(jìn)行回旋運(yùn)動(dòng)，可有效地提高污水的回收率。該菌株具有封閉性能好、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，適用于從廢液中分離純化出單細(xì)胞蛋白，是目前國(guó)內(nèi)外對(duì)該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。生物膜式反應(yīng)器是將一種載體置于其中，并將微生物附著于其上而構(gòu)成的一種生物被膜式反應(yīng)器。與 AS法相比，該工藝的處理量較小，投資較大，但操作簡(jiǎn)單，操作成本較低。由于這一優(yōu)勢(shì)，目前歐美國(guó)家的廢水處理廠中，大約70%都在使用這一工藝［13］。

3.4固定化微生物技術(shù)

靜止生物技術(shù)是污染水體的一種治理手段，其對(duì)已有的細(xì)菌種群結(jié)構(gòu)的改變非常明顯，在污水的治理方面發(fā)揮了重要的功能?？煞譃槿箢?lèi)，分別為吸附、植入和交聯(lián)。吸附是通過(guò)物質(zhì)粘附或者離子結(jié)合，將具有粘附性質(zhì)的細(xì)菌固定在介質(zhì)的內(nèi)部或者表面，從而為細(xì)菌的生長(zhǎng)提供良好的環(huán)境。交聯(lián)方法是通過(guò)聚合反應(yīng)將固定化的載體與細(xì)菌的細(xì)胞連接起來(lái)，形成一個(gè)非常剛性的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，用于對(duì)細(xì)菌進(jìn)行生物降解。植入技術(shù)是通過(guò)溶液的相互作用將細(xì)菌引入到載體中。這是一種人工直接測(cè)定，而且對(duì)細(xì)菌活力的影響很大，是一種常用的、準(zhǔn)確的測(cè)定方法。增強(qiáng)對(duì)微生物的依賴和抵抗毒素的能力，以減少對(duì)細(xì)胞的損傷，保證細(xì)胞的活力，提高細(xì)胞的成活率，減少細(xì)胞的損耗。這些微生物的數(shù)目迅速下降，逐漸成為生活在廢水中最常見(jiàn)的微生物，這樣不僅可以準(zhǔn)確地降低給動(dòng)物喂食微生物的概率，還可以縮短微生物在水體中的分解和停留的時(shí)間，降低水質(zhì)的污染［14］。

3.5城市污水生物凈化處理

采用穩(wěn)定塘、土壤處理等方法對(duì)生活污水進(jìn)行了生物處理。穩(wěn)定塘既可以作為污水的一次處理，也可以作為一次處理和二次處理的設(shè)備，兩者的組合可以達(dá)到一次、二次或三次處理的目的。穩(wěn)定塘廢水處理工藝具有構(gòu)造簡(jiǎn)單，無(wú)需特別工藝，即可實(shí)現(xiàn)廢水的持續(xù)處理。在瑞典，美國(guó)，加拿大等近40個(gè)國(guó)家中，已有40多個(gè)使用穩(wěn)定塘工藝的國(guó)家將其廣泛應(yīng)用于造紙、制糖、紡織、印染、制革、食品、化工等行業(yè)。穩(wěn)定塘工藝在脫氮、脫磷等方面的效果優(yōu)于常規(guī)工藝，因此，將厭氣塘、好氣塘和兼性塘相結(jié)合的穩(wěn)定塘工藝是一種行之有效的新型工藝。土地處理系統(tǒng)指的是利用土壤及其微生物、植物根系對(duì)污染物的凈化能力，對(duì)污水進(jìn)行處理，與此同時(shí)，還可以利用污水中的營(yíng)養(yǎng)元素和水分，來(lái)促進(jìn)作物、畜牧業(yè)或樹(shù)木的生長(zhǎng)，從而產(chǎn)生一定的生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益。該工藝具有投資小、耗能小、操作方便、處理方便、處理效果好等優(yōu)點(diǎn)。自上世紀(jì)70年代開(kāi)始，就受到了很多發(fā)達(dá)國(guó)家和發(fā)展中國(guó)家的高度重視，美國(guó)、澳大利亞、加拿大、新西蘭也對(duì)此給予了高度的關(guān)注。在水資源匱乏、土地資源富集的西北，采用土壤處理技術(shù)對(duì)城鎮(zhèn)污水進(jìn)行處理，是一項(xiàng)具有重要意義的工作?，F(xiàn)在，土壤治理技術(shù)作為一項(xiàng)切實(shí)可行的技術(shù)被國(guó)家相關(guān)機(jī)構(gòu)推薦［15］。

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