生物降解及其在水土污染防治中的應用研究

張一沛

(北京市第五中學,北京 100007)

水資源的匱乏以及日益嚴重的水質污染不僅是我國亟待解決的難題,也是全世界亟待攻克的難題。我國水資源總量豐富但是地域分布不均勻,人均水資源量只有2300立方米,僅為世界平均水平的1/4,是全球人均水資源最貧乏的國家之一。為了加速社會化建設和經濟發展,就必須加快工業發展、城市化建設……這些都會加劇水資源的匱乏。因此,如何實現可持續發展是我國亟待攻克的難題。

1 我國水土污染防治的形勢分析

想要清除污染的源頭,從根本上治理水土讓水資源得到科學合理的管理并不容易。盡管我國制定了很多相關的條文和政策,但實施不到位,沒有明確管理的部門,落實職責。很多地方官員為了實現經濟的最大效益,依舊會忽略水土污染問題。再者,我國處理水土污染問題時間尚短、經驗不足,主要表現如下：

(1)污染狀況調查不嚴不實。我國雖然組織開展了全國土壤污染狀況調查,但對土壤污染底數不清,部門調查的結果只能大致了解全國土壤污染的總體趨勢,土壤污染的具體狀況,分布、面積、污染程度等模棱兩可,還需要進一步的調查。

(2)我國制定的評估標準不夠完善。我國處理水土污染問題時間尚短、經驗不足,因此土壤的保護治理體系制定的不夠健全有效。土壤污染指標如何評估尚不明確,調查工作、修復方案、風險把控等都沒有明確的指導方向。

(3)沒有針對我國社會現狀、經濟發展狀況等制定符合我國國情的水土保護與治理體系。

(4)目前,我國已經開展了多個水土污染修復治理的方案,但是取得成效的并不多。資金不足、科技發展落后、管理理念不明確是主要原因。水土污染治理不僅需要大量的資金投入而且治理途中難以避免二次污染……這些都是目前我國科技水平不能解決的。這些因素無疑加大了我國水土污染治理的難度,也讓有些地方輕視了水土治理的重要性,不按國家制定的體系與法規治理。

2 生物降解技術體系在水土污染防治中的應用

好氧處理是微生物在適宜碳氮比、含水率和氧氣等條件下,將有機物降解、轉化成腐殖質樣物質的過程。生物降解就是以好氧處理為基礎建立技術體系,逐步研究。除了好氧微生物,厭氧微生物也可以降解有機物,不同的是厭氧微生物不需要氧氣就可以降解有機物。因此根據微生物的種類、生物化學反應發生的條件以及產物等,可以大致將生物降解分為好氧處理和厭氧處理。如果只是單純的讓好氧和厭氧微生物降解有機物,速度太慢,很難起不到凈化處理的效果。生物酶可以降低活化能加快反應的進行、提高反應速度,在生物降解中作用巨大。好氧和厭氧微生物降解各有特點：好氧降解的速度很快也很徹底,它可以將有機物徹底降解,并釋放大量能力供微生物吸收利用;厭氧降解反應速度較慢,降解也不夠徹底,中間可能會形成小分子的有機物質,釋放的能量也較少。根據以上特點,好氧降解的應用更加廣泛。但是厭氧降解有兩個優點不容忽視：一是它可以改變有機物質的分子結構,將一些難降解的有機物轉變為小分子的有機物,降低降解的難度;二是降低有機物的比率。綜上特點,人們在用生物降解技術處理廢水時,通常會先進行厭氧降解再進行好氧降解。

2.1 好氧降解技術

好氧處理主要依靠活性污泥和生物膜。

2.1.1 活性污泥法

活性污泥法是污水生物處理的一種方法。該法以活性污泥為主體,人工通入氧氣后污水和各種微生物混合培養就會形成活性污泥。活性污泥具有生物凝聚、吸附和氧化等作用,它具有很好的凝聚功能,可以快速吸附有機物,并將有機物分解吸收。活性污泥的沉降性能也很好,可以使污泥與水分離,大部分污泥再回流到曝氣池重新處理,少部分則排出活性污泥系統。污水處理基本上會經過兩個階段,第一階段是活性污泥凝聚吸附污水中的有機物,第二階段是好氧細菌分解有機物質。影響活性污泥過程工作效率的因素很多,主要是處理方法的選擇與曝氣池和沉淀池的設計及運行。

活性污泥反應系統由曝氣池、沉淀池、污泥回流和剩余污泥排除四部分組成。水中氧氣的含量和微生物的活性是活性污泥法進行的基本要求。很多科學家把改進充氧方式和穩定微生物活性作為研究重點。序批式活性污泥法污水不同于傳統的活性污泥法,它是通過間歇曝氣來運行的,其核心是SBR反應池,SBR反應池功能十分強大,初沉、生物降解、二沉等都可以在該池進行且無污泥回流。S B R反應最大的優點就是除去了處理剩余污泥的步驟,節省了大量時間、場地和費用。廣泛應用于間歇排放和流量變化較大的場合。

2.1.2 生物膜法(Biofilmtechniques)

生物膜法也是一種重要的廢水好氧生物處理技術。生物膜實際上是一種固定膜,可以形成相對穩定的生態環境有利于微生物生長,因此生物膜上生長的微生物種類要比活性污泥中的豐富。微生物生長繁殖形成粘液狀的膜可以用來凈化廢水。微生物的生長、分解有機物等過程會使生物膜厚度不斷增加,達到一定厚度,氧氣便不能透過生物膜進入內部深處,環境也會轉化為厭氧。厭氧狀態產生的代謝物質逐漸累積,會打破厭氧膜與好氧膜之間的平衡;而氣體產物會削弱生物膜的附著性。生物膜逐漸老化,喪失凈化功能,且會自動脫落,形成污泥。生物膜具有生物種類多處理能力大,處理后剩余污泥量少,實際操作方便,所需要花費的時間金錢少等優點。但是建造生物膜處理系統所需資金要高于活性污泥法,生物膜老化、脫落過程容易形成細小的碎片,這些碎片會讓處理后的水很渾濁。

2.2 厭氧生物處理技術

其實人們對厭氧微生物的歷史很悠久,早在遠古時期,人們就已經接觸到某些天然厭氧微生物發酵產生的酒。1881年英國科學家LouisMouras首創了自動凈化器,應用厭氧微生物處理廢水正式進入了人們的視野。之后各國科學家都研究創造了不同種類的厭氧生物處理裝置,但是厭氧技術無論是理論、技術還是應用上都遠遠落后好氧生物處理的發展。隨著全球資源短缺,各國的環保意識越來越強,厭氧技術的優點也日益凸顯,厭氧不需要供氧消耗的能源少,產生的甲烷還可以作為沼氣提供能源。因此科學家重新定義了厭氧的應用,完善了厭氧微生物處理技術的理論和實踐研究,針對厭氧技術的低耗能和產物設計建造了新型的厭氧反應器,比如：厭氧濾器(AF)、厭氧流化床和膨脹床反應器(A F B R)、上流式厭氧污泥床反應器(UASB)、內循環厭氧反應器(IC)、升流式固體反應器等。但是厭氧生物處理過程時間太長,有機物分解不夠徹底,會產生臭氣和有害物質。

3 結語

生物降解技術不僅能解決廢水循環利用的問題,隨著人們對生物降解技術的深入研究,相信在不久的將來,生物降解將能發揮更大的作用,處理更多的資源污染問題。同時降解過程中好氧、厭氧微生物產生的能量有可能轉變為能源被人們利用解決資源匱乏的問題。盡管厭氧微生物產能少、速度較慢,但它耗能少、產泥量少等優點是不容忽視的,可以針對其優點重點研究利用。進一步研究完善現有的污水處理作用很重要但是也不能忽視對新技術的創新和開發,多角度、多方向彌補污水處理的不足、提高廢水處理的效率,才能實現廢水處理的綠色經濟高效。綠色環保意識的興起,各國的科學研究和工業發展都越來越重視綠色環保,清除污染的源頭,從根本上治理環境將是各國研究的重點。

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