生物技术在水污染治理中的运用分析

时间：2024-07-28

邓运全，张珊，庄云飞

（1.山东省济宁生态环境监测中心，山东济宁 272000；2.山东省环境保护科学研究设计院有限公司，山东济南 250013）

城市化进程的推进使得我国城市污水排放量有了爆发式增长，未经处理的污水随意排放对城市及水环境造成污染的同时，对国民生活安全及国民身体健康造成了一定危害，制约了城市各方面的发展速度。因此，水污染控制成为全人类面临的共同话题。污水处理技术中，生物处理法是现阶段世界控制水污染的核心手段，同时是现代生物技术成为水污染控制领域重点开发与应用的技术手段。

1 生物技术基本特点及技术特征

1.1 生物技术简要概述

生物技术是使用微生物或动植物的生理活性来加工、处理和修饰被污染的物质，产生对环境有益的物质，从而达到控制污染的目的。近年来，与其它技术不同的是，该技术应用广泛，技术日趋成熟。同时，由于生物技术在水污染控制方面的优越性，人们不断地进行研究，在实践中，不断地提出新的思想和方法，并逐步加以应用[1]。该方法能有效处理工业、生活和农业的水污染，利用自身的降解吸附能力，以较低的成本达到最佳的处理效果。

1.2 技术特点

严格意义上来说，生物技术在处理水污染方面具有悠久的历史，但现代生物技术以及工程技术相结合的环节生物技术源于20世纪欧美国家，主要依托生物生理活动，对污染环境以及污染物实施有效净化，进而转化为资源的人工技术系统。随着我国生物环境技术的高速发展，研究领域得到了全面扩大，生物方法处理污染物的最终转化产物大多为无害、稳定物质，如二氧化碳、水、氮气以及甲烷等，规避污染物多次转移。因此，生物技术又是一种消除污染安全全面彻底的技术手段。生物过程以酶促反应为基础的催化剂，酶是一种活性蛋白质，因此导致在多数场合下，其反应过程是在常温、常压以及接近中性条件下进行的，与需要高温、高压的化工过程相比，反应条件得到了一定的简化效益。

2 水污染治理可选生物技术

2.1 生物反应器技术

生物反应器技术在水污染治理中的应用取得了良好的效果。为了保证微生物的生长，缩短微生物群落的迁移时间，提高水污染控制效果，有必要在化学反应器中安装大型生物膜反应器[2]。其应用的实质是根据不同的结构特点，缩短污染物与微生物的接触时间，从而更准确地完成水中污染物的处理，保证微生物的分解代谢能力达到最低水平。就目前的技术应用而言，虽然生物反应器的引进速度很快，但由于人工操作的限制，实际的处理效果往往达不到预期的效果。生物反应器的快速发展由于其成本低而存在一定的局限性。

2.2 生物强化处理技术

①基因转染。微生物具有独特的代谢基因和代谢特性，可用于污染物筛选。采用生物强化技术，加快了天然基因的交换和微生物的构建，使微生物降解能力下降，污染物降解效率提高。

②共同代谢。一些污染物无法被微生物完全氧化。但当水中存在其它底物时，应将一些微生物插入水中，并根据微生物的协同作用改变污染物的内部结构，使其氧化。水体污染某些普通营养素和微生物的代谢物可被注入到水中，如乙烷、二氯苯、苯酚和氨等旧底物，从而获得它们在栖息地所需要的能量。菌体氧化后产生水解酶，改变结构被降解。

③常规利用。经过筛选、诱变，获得了具有较强代谢能力的微生物，并对其进行了复制降解。这种方法很传统，工作人员将碳源和可降解的微生物放入水中，这些微生物主要漂浮在水中，以附着或分离的方式分解污染物。

2.3 固定化微生物技术

固态微生物技术是一种先进且成熟的水污染治理方法。这是目前已知植物及废水处理技术的重要研究方向，通常采用吸附、包埋、交联等方法。附着是微生物通过物理附着或离子键作用于载体或表面而形成的一种附着特性，它为微生物的繁殖创造了条件。利用固定化的载体与微生物细胞交联，构成了一种刚性微生物网络系统[3]；包埋是以液体的作用将微生物导入载体。这种方法很常规，也很精确，可增加微生物依赖性和抗毒能力，避免载体对微生物的随机损伤，保证菌株的活力，提高生存率，防止微生物死亡。该方法不仅能精确减少动物在水中的食量，而且能缩短细菌在水中的降解时间和停留时间，降低水环境污染治理的效率。

2.4 生物修复技术

可以作为水污染原生动物、微生物以及小型浮游生物生长的基本条件，并且其能够有效结合生物膜技术与水生植物的特性，达到更高效的处理效率。待空气与水分充分接触时，微生物可以在气态、液态以及固态三个状态中转换，使得微生物呈现出更多形式，增加了生态系统自身的复杂性。而有机物和有毒物质在城市生活污水中大量存在。生物转化和降解会加剧水污染，即便在受重金属污染的水体中，生物修复技术也可以有效地降低水体毒性和污染危害。这种方法和常规的物化处理方法相比，可在一定程度上降低应用成本。在水污染控制领域，现代生物技术表现出独特的魅力和应用前景，但是，要使现代生物技术更精确地应用于水污染控制，相关技术和研究还有待进一步深入。

3 水污染的生物治理技术

3.1 生物膜法

采用生物膜作为净化主体的生物处理工艺由于其具有较高的生物浓度和较低的电能消耗、水质较好的特点。所以，与活性污泥法相比，它更容易得到应用。以旋转接触式生物膜反应器为代表，有毒有机物质，难降解有机物质的净化效果明显，如图1所示。

图1 生物膜法处理工艺流程

3.2 厌氧处理法

在缺氧条件下，利用厌氧菌(包括兼性微生物)分解废水中的有机物。该工艺可以通过改进细菌和生物处理主工艺来提高污染物的去除率。我国从九十年代开始研制开发新型混合膨胀床颗粒状活性炭反应器[4]。与普通颗粒活性炭反应器相比，该反应器在处理含抑制性生物降解性有机废水时，具有更高的生物去除率。此外，还有氧化塘，土壤改良，酶法等生物处理技术。

图2 厌氧处理法工艺流程

3.3 好氧活性污泥法

好氧法是利用含有大量好氧菌的活性污泥在强通风条件下对污水进行净化的生物技术。常规好氧活性污泥法的不足之处在于污染物浓度的变化，尤其是某些抑菌污染物对细菌活性的影响。活性污泥培养物能抵抗高浓度污染物的抑制，如培养混合菌降解有毒有机氯化物。

3.4 准好氧处理

准好氧处理填埋场的设计和运行思路是：使渗滤液收集沟水位低于渗滤液收集干管底标高，使大气进入收集干管上部空间，排入管道，使填埋场具备一定的好氧条件。准好氧处理是利用垃圾分解过程中发酵热引起的内外温差，使填埋场空气自然流动，促进垃圾分解过程的稳定性。准好氧填埋法具有以下优点：无需强制通风，节约能源；渗滤液产生后迅速收集，减少了对地下水的污染；与厌氧填埋法相比，垃圾可产生甲醛等有害气体，减少了对地下水的污染。