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淺析環(huán)境工程中生物技術的應用及發(fā)展前景
生物技術在環(huán)境工程中的應用與前景生物技術在環(huán)境工程中的應用與前景
1我國生態(tài)環(huán)境的現(xiàn)狀
我國生態(tài)環(huán)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(nóng)用地膜污染、農(nóng)用化肥和農(nóng)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(tài)環(huán)境的惡化,時刻威脅著人們的生命財產(chǎn)安全,疾病發(fā)病率也迅速提高。因此,必須積極發(fā)展高新技術,如現(xiàn)代環(huán)保生物技術等,采用防治結(jié)合的方式,解決當前的環(huán)境危機,維護生態(tài)平衡,已迫在眉睫。
2環(huán)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(chǎn)工藝或能夠高效凈化環(huán)境污染,同時又能生產(chǎn)有用物質(zhì)的工程技術。主要包括基因工程、細胞工程、酶工程、蛋白質(zhì)工程、染色體工程、生化工程等。生物技術在環(huán)保領域發(fā)揮著越來越重要的作用,正衍生出一門新興的學科與技術,即我們所說的“環(huán)境生物技術”,亦稱“環(huán)境生物工程”。其特點如下:
2.1 實現(xiàn)對污染物的循環(huán)利用
對垃圾廢棄物的降解生成的產(chǎn)物或副產(chǎn)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(xiàn)了對固廢的循環(huán)利用。
2.2安全可靠、效果明顯
利用發(fā)酵工程技術治理,產(chǎn)生的物質(zhì)基本屬于穩(wěn)定無害的物質(zhì),常見的包括CO2、水、氮氣、甲烷等。并且,多數(shù)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(jié)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。酶作為生物催化劑,實質(zhì)是一種活性蛋白質(zhì)。一般在常溫常壓或近乎中性的條件下即可發(fā)生反應。因此,絕大部分生物治理對環(huán)境條件要求不高,并可就地實施。
3.環(huán)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(zhì),比如,酚類、氰化物、重金屬、有機磷、有機汞、有機酸、醛、醇、蛋白質(zhì)等。廢水生化處理經(jīng)近百年的發(fā)展,現(xiàn)已形成了許多新工藝、新技術。通過生物技術治理廢水,主要借助微生物的降解作用完成。它分為耗氧降解技術與厭氧降解技術兩種。耗氧降解技術又分為:活性污泥法與生物膜法。目前,采用較多的是固定化酶與固定化細胞技術,它屬于酶工程技術。固定化酶又稱為水不溶性酶,是通過物理吸附法或化學鍵合法,導致水溶性酶和固態(tài)的不溶性載體結(jié)合起來,從而使酶不再溶于水。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采用制備固定化酶的方式。對于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(nèi)外有很多這方面的成功案例。
3.2在廢氣凈化方面的應用
廢氣是近年來重要的污染源之一。如何利用生物技術高效凈化廢氣也成為重要的研究課題。目前采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凈氣塔、滲濾器和生物濾池等。根據(jù)微生物在廢氣處理過程中的具體形式,分為兩大類: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,后者可降解惡臭性廢氣。植物修復技術是把太陽能作為動力,依靠植物的同化作用達到凈化氣體的目的。它屬于一種綠色技術�，F(xiàn)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凈化工業(yè)惡臭氣體,效果明顯,且還不會出現(xiàn)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(chǎn)生的低濃度的有機廢氣,經(jīng)試驗表明,該方法是可行的,若相關條件控制適度,凈化效果顯著,凈化率可超過90%。相比原有的廢氣處理方法,生物技術法有著很多優(yōu)勢:節(jié)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)、城市建設與日常生活都會產(chǎn)生很多固體廢棄物。傳統(tǒng)固體廢棄物的處理方式,不僅浪費資源能源,還會污染環(huán)境。利用生物技術處理城市生活垃圾和農(nóng)業(yè)廢棄物,不但可以把這些廢棄物變?yōu)閮?yōu)質(zhì)的有機肥料,實現(xiàn)廢物的資源化,更有利于生態(tài)環(huán)境的良性循環(huán)。常見的處理方式包括衛(wèi)生填埋、堆肥和發(fā)酵制沼氣等。
4.環(huán)境生物技術在環(huán)境污染修復中的應用
4.1污染土壤的生物修復
隨著農(nóng)業(yè)的發(fā)展,各種化學殺蟲劑、農(nóng)藥被大量使用。而這些農(nóng)藥很多都會殘留在土壤中,。尤其是那些極難降解的農(nóng)藥給生態(tài)環(huán)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(zhì)進行有效分解,生成水與CO2。不僅不會造成對環(huán)境的破壞,還能防止出現(xiàn)二次污染。但是是分解周期較長,不符合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需求。重金屬屬于土壤污染中重要的污染物。重金屬污染的生物治理機制是:借助生物作用(酶促反應)導致重金屬的化學形態(tài)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、代謝作用后,會進一步固定重金屬或減小其毒性,從而凈化土壤。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(shù)量,調(diào)動相關微生物的活性,從而優(yōu)化土壤生態(tài)結(jié)構(gòu)。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.水體生物自然凈化技術
環(huán)境生物技術中通過植物吸收達到凈化水體與土壤的方法被稱為生物自然凈化技術。分為生物塘與人工濕地兩種。前者把太陽能作為初始能源,利用塘中植物的同化作用將水中的污染物吸收掉,從而凈化水體。生物塘中可栽植的高效凈化植物有水葫蘆、蘆葦、水萵苣等。同時,還應構(gòu)建集組合曝氣、水生植物、水產(chǎn)養(yǎng)殖一體化復合生態(tài)系統(tǒng),進而提高生物塘的處理能力。后者是通過自然生態(tài)系統(tǒng)中的物理、化學、生物等作用達到對水體的凈化作用。由于人工濕地處理系統(tǒng)出水水質(zhì)較好,可用于飲用水源的處理,并且所需成本也比常規(guī)處理方法要低。
4.3白色污染的治理
采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(nóng)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(nèi),如根瘤菌。這樣,既能發(fā)揮兩者各自作用,還有利于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(fā)。個別微生物可以生成一些高分子化合物,類似于塑料,被稱為聚酯。為進一步節(jié)約成本、提高產(chǎn)量,人們正致力于通過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(fā)酵生產(chǎn)聚-β羥基烷酸(PHAs),相關研究人員正試圖形成自溶性PHAs生產(chǎn)菌種。通過把PHAs重組菌發(fā)酵后,積累數(shù)量眾多的PHAs,再添加一些信號物質(zhì),從而生成裂解蛋白,然后細胞壁被破壞,PHAs析出。即簡化PHAs的提取流程,達到節(jié)約成本的目的。
4.4降解廢水中微量油脂
含油廢水屬于一種量大面廣的污染源。廢水中的少量油脂并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(fā)現(xiàn)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(nóng)藥污染的消除
經(jīng)統(tǒng)計資料顯示,每合成一噸農(nóng)原藥需消耗3-4噸化工原料,多余的原料作為未反應物或中間副產(chǎn)物隨水排出,每年數(shù)百家農(nóng)藥廠排出的廢水上億噸,危害極大。中科院成都生物所經(jīng)過反復試驗,終于找到了解決處理農(nóng)藥(樂果)廢水的方法。他們將高效微生物菌種用于SBR設備處理有機農(nóng)藥廢水,效果顯著,使有機磷轉(zhuǎn)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(nóng)藥化肥約有80%的殘留,特別是難降解的氯代烴類農(nóng)藥,給生態(tài)系統(tǒng)帶來了極大的滯留危害,必須依賴基因工程構(gòu)建的高效菌種來進行處理。但要想徹底消除化學農(nóng)藥的污染,還必須全面推廣生物農(nóng)藥。生物農(nóng)藥是指由生物體產(chǎn)生的具有防治病蟲害和除草功能的一大類物質(zhì)的總稱,大多是生物體的代謝產(chǎn)物,主要有微生物殺蟲劑、農(nóng)用抗生素制劑和微生物除草劑等。
5.環(huán)境生物技術在環(huán)境監(jiān)測方面的應用
應用在環(huán)境監(jiān)測領域的生物技術主要有以下幾種:①監(jiān)測水質(zhì),利用細菌的數(shù)量、某些糞便指示菌(大腸埃希氏菌、克霉伯氏菌)等②檢測物質(zhì)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(fā)光細菌對環(huán)境中的毒物進行檢測,速度較快。④根據(jù)對水中藻類的生長情況測定,對水質(zhì)進行監(jiān)測或檢測某些物質(zhì)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技術可用于當前還無法培養(yǎng)的微生物檢測,一般適用于對土壤、水樣、沉積物等環(huán)境標本的細胞檢測。
隨著今后技術的不斷完善,對于水質(zhì)的檢測,核酸探針與PCR技術極有可能取代現(xiàn)在的常規(guī)微生物檢測方式。此外,生物酶法具有良好的發(fā)展?jié)摿?它適用于快速檢測與現(xiàn)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、抗體等生物材料作為分子識別元件,從而把外部對其理化特性的影響轉(zhuǎn)化為電磁信號。它可用于對特定污染物的快速檢測,并且操作簡便、結(jié)果精確。
5環(huán)境生物技術現(xiàn)狀及前景展望
5.1現(xiàn)狀
環(huán)境生物技術雖有諸多優(yōu)點,并能有效解決各種污染問題。但實際應用中依然存在種種局限:
①反應速度較慢,并且需要大型的反應器,需占用過多的土地面積。
②對于原水水質(zhì)有著十分嚴格的標準,不然,不利于微生物的生長。
�、圻\行過程中會發(fā)生一些問題,如污泥膨脹或流失,余下的污泥也不易處理。
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