環境生物技術在水污染治理中的應用

鄒哲凱

（武漢森泰環保股份有限公司，湖北 武漢 430065）

引言

隨著經濟的快速發展和人口的不斷增長，水污染已成為全球環境問題的重要組成部分。水污染治理是一個復雜的過程，傳統的治理方法往往難以達到預期的治理效果。而環境生物技術作為一種新型的水污染治理技術，具有生態環境友好、經濟可行等特點，被廣泛應用于水污染治理中。

1 環境生物技術概述

1.1 環境生物技術的定義

環境生物技術是利用生物學原理和技術手段，開發和應用各種生物體系處理環境問題的技術體系，它包括微生物、植物、動物等生物體系在環境修復、廢物處理、水質凈化、污染控制、資源回收等方面的應用。環境生物技術通過生物轉化、生物吸附、生物膜等的作用，能夠高效去除水、土、空氣等環境中的污染物，降低環境污染對人類生存環境的影響，且具有成本低、環境友好、可持續發展等優點，已成為當今環境治理領域不可或缺的一種技術手段。

1.2 水污染治理的現狀

水是人類生存和發展的重要資源，但是隨著人口增長和工業化進程的加快，水污染問題日益突出。水污染的類型和來源多種多樣，包括工業廢水、城市生活污水、農業面源污染等。水污染不僅危害人類健康，影響生態平衡，還會造成經濟和社會損失[1]。因此，水污染治理成為當今社會關注的焦點之一。當前，全球水污染治理面臨許多挑戰和困難。首先，治理成本高昂，尤其是城市污水處理廠等大型治理設施，需要投入大量資金和技術支持。其次，水污染治理技術和管理水平相對滯后，尤其是在發展中國家和地區，缺乏有效的監管和治理手段，導致水污染問題愈演愈烈。此外，污染源復雜，加之水環境受多種因素的影響，治理難度加大。最后是公眾環保意識不足，使得水資源的浪費和污染問題得不到根本解決。

1.3 環境生物技術在水污染治理中的應用意義

在水污染治理中，環境生物技術具有重要的應用意義。首先，相比傳統的物理、化學方法，環境生物技術不需要大量消耗能源和化學試劑，具有較低的成本和較小的環境影響，可以減輕對自然環境的進一步破壞。其次，環境生物技術具有針對性，可以根據不同的水污染類型和程度，選擇不同的生物體或者菌株進行治理。例如，對于有機物質污染，可以利用具有降解能力的微生物進行治理；對于重金屬離子污染，則可以利用吸附材料選擇性地吸附或者利用具有還原能力的微生物將其還原成較為穩定的形態。此外，環境生物技術還可以對一些難以處理的污染物進行處理，例如難降解的有機物、難處理的氮磷等。綜上所述，環境生物技術在水污染治理中具有廣泛的應用前景和重要意義，可以為保護水資源、改善水環境質量提供有效的技術手段。

2 環境生物技術在水污染治理中的應用

2.1 生物降解技術

2.1.1 微生物降解技術

微生物降解技術是指利用微生物代謝能力降解水中有機物質的一種生物處理技術。微生物降解技術的原理是利用特定的微生物對水中的有機物質進行分解代謝，將有機物質轉化為水和二氧化碳等較為穩定的物質。這些微生物可以是天然存在于水中的菌群，也可以是人工引入的單一菌株或混合菌株。在水中，這些微生物會利用水中的有機物質作為能源和營養源進行生長繁殖，同時分泌各種酶類對有機物質進行降解。微生物降解技術在水中可以分為生物降解、厭氧生物降解和好氧生物降解三種方式，（1）生物降解方式最為常見，其利用微生物在氧化條件下對有機物進行降解；（2）厭氧生物降解則是在缺氧條件下進行，適用于一些難以在氧化條件下分解的有機物質，如苯酚、氯化苯等；（3）好氧生物降解則是在高氧濃度條件下進行，適用于一些具有毒性的有機物質，如苯、甲苯等。例如銅綠假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa，HY4）可以利用石油烴進行代謝，將石油烴降解為二氧化碳和水；耐受高濃度染料和產生高活性染料酶的細菌（Enterobacter sp.）可以利用染料為唯一的碳源和能源，將染料降解為二氧化碳、水和無機離子；具有高效降解酚類物質的惡臭假單胞菌（Pseudomonas putida）可以將對羥基苯酚等酚類污染物分解為無害的無機離子和水等。

2.1.2 植物修復技術

植物修復技術是指利用植物和其根系對污染物進行吸附、轉化、分解或稀釋的技術，這項技術被廣泛應用于環境修復領域，包括土壤和水體治理。在水污染治理中，植物修復技術已被證明是一種經濟、高效、環境友好的方法，可以被用于處理各種類型的水體污染，包括有機污染物、重金屬、營養物質和細菌等。植物的根系可以吸附和轉化大量的污染物，同時植物體還可以通過蒸騰作用促進水分蒸發，從而起到稀釋作用。在植物修復技術中，植物的根系起著至關重要的作用。植物根系具有極強的生物吸附作用，可以去除水中的營養物質、有機物和重金屬等污染物。同時，植物根系中的細菌和真菌也可以分解和轉化有機污染物和營養物質。例如，禾本科植物中的一些物種，如水稻、稻草等，可以有效降解水體中的有機物質和重金屬離子，這些植物的根系能夠吸收水體中的營養物質和重金屬離子，同時也能釋放一些有機物質和酶，加速水中有機物質的降解；再如菖蒲是一種常見的水生植物，其根系能夠吸收水中的有機物質和重金屬離子，同時也能分泌一些特殊的酶，如過氧化物酶、過氧化氫酶等，對水體中的有機物質進行降解。

2.2 生物膜技術

2.2.1 活性污泥法

活性污泥法是一種基于微生物降解水中有機物質的生物膜技術，是廣泛應用于污水處理的一種方法。該技術利用具有生物膜的微生物體來降解有機物，將污水中的有機物轉化為微生物和無機物，同時還能去除污水中的氮和磷等無機物質，實現了對污水的全面凈化。在活性污泥法中，污水流入處理池中，接觸到具有生物膜的微生物體，微生物附著在底部氧化池中的活性污泥顆粒上，形成活性污泥顆粒群。這些微生物在厭氧條件下分解有機物質，并在氧化池中消耗氧氣，產生能量和二氧化碳等產物。同時，在氧化池中的微生物還會將氨氮、亞硝酸鹽和硝酸鹽等無機物質轉化為氮氣，將磷酸鹽等無機物質轉化為無機磷酸鹽，從而全面凈化污水中的有機物和無機物質。活性污泥法具有出水質量穩定、對水質變化適應能力強、處理效率高等優點，其處理效率主要取決于活性污泥池中微生物的數量和質量，因此需要嚴格控制進水水質和進水量，以維持池內微生物數量和質量的穩定。此外，還需控制池內氧氣的供應，以滿足微生物的生長需要。活性污泥法是一種經濟、實用、穩定的污水處理技術，廣泛應用于城市污水處理、工業廢水處理及農村生活污水處理等領域。隨著對水環境質量要求的不斷提高，活性污泥法還需要不斷完善和改進，以提高處理效率和穩定性。

2.2.2 膜生物反應器（MBR）

膜生物反應器（MBR）是一種將膜分離技術與生物反應器相結合的新型水處理技術，該技術在水污染治理中具有顯著優勢，包括高效、節能、環保等。膜生物反應器可以將生物反應器和微過濾、超濾等膜技術相結合，通過使用微孔膜對懸浮物進行過濾，從而實現水體凈化和污染物的去除。在MBR中，污水首先通過生物反應器進行生物處理，然后再通過膜過濾器進行固液分離。這種技術可以大大提高污水處理效率，同時也可以減少處理過程對環境的影響。MBR技術在實際應用中已經取得了顯著成效，例如在紡織、印染、造紙、制藥等行業的廢水處理中，MBR技術可以有效去除廢水中的有機物和懸浮物，同時降低COD、BOD、SS等污染物的濃度，使污水達到國家和地方標準的排放要求。此外，MBR技術還可以有效去除污水中的病原體和微生物，凈化水質，保障公眾健康。除了行業廢水處理，MBR技術在城市污水處理、農村生活污水處理等領域也有著廣泛應用。在城市污水處理中，MBR技術可以在污水處理廠的一級處理中使用，大幅度降低水質中懸浮物的濃度，保障二次供水的質量；在農村生活污水處理中，MBR技術可以取代傳統的生物處理和沉淀處理等技術，提高處理效率，同時減少污泥的產生量，降低處理成本。

2.3 生物吸附技術

生物吸附技術是指通過生物吸附材料將水中的有害物質吸附或結合在生物吸附劑表面，使其被固定在吸附劑上，從而達到凈化水質的目的。相比于傳統的物理化學方法，生物吸附技術更為環保、高效、經濟。其 中，微生物吸附技術是將具有吸附能力的微生物細胞體或其代謝產物作為吸附劑，通過微生物的代謝、生長、吸附和再生等過程來達到凈化水質的目的[2]。生物吸附技術是一種利用生物材料吸附污染物的技術，與植物降解技術不同的是，它不依賴于生物的代謝活動，而是利用生物材料表面的化學特性或微生物在生物材料上的附著和生長來吸附水中的污染物。

2.3.1 微生物吸附技術

微生物吸附技術在水污染治理中具有廣泛的應用，特別是在有機物、重金屬和氮、磷等無機鹽污染處理方面表現出良好效果。常用的微生物吸附材料包括菌株、藻類、真菌、細胞質、微生物代謝產物等，這些吸附材料具有較高的比表面積和較好的性能。在水污染治理中，微生物吸附技術主要通過兩種方式進行：一是將微生物吸附劑加入污染水體，通過吸附、吸附劑再生和處理后的水回收等過程來凈化水質；二是將污染水體流經裝置，利用生物吸附劑對水體中的污染物進行吸附和去除，達到凈化水質的目的。具體來說，微生物吸附技術可以應用于工業廢水、生活污水、農業廢水等水體的凈化。例如，利用具有吸附能力的微生物菌株去除廢水中的有機物和重金屬離子；利用Rhizopus arrhizus菌株去除銅離子等。此外，還可以利用微生物代謝產物，例如利用鐵化學沉淀物質，這些沉淀物質具有較好的吸附性能，可有效去除水中的磷和重金屬。

2.3.2 植物吸附技術

植物吸附技術是利用植物體內的各種物質，如細胞壁、蛋白質、纖維素等吸附水中的污染物，植物吸附技術相比傳統的化學吸附方法，具有更高的吸附效率、更低的成本以及更好的環保性能。植物吸附技術可以應用于各種類型的水污染物治理，例如重金屬、有機物、營養物等[3]。以下是一些具體的植物吸附技術在水污染治理中的應用案例：（1）水稻秸稈對重金屬的吸附。在實驗室條件下，水稻秸稈可以去除廢水中高濃度的銅、鉛、鎘等重金屬。（2）利用炭疽桿菌菌絲吸附污染物。炭疽桿菌是一種廣泛存在于土壤中的微生物，它的菌絲結構可以提供大量的吸附表面，具有較強的吸附能力。研究表明，利用炭疽桿菌菌絲可以高效去除水中的砷、銅、鎘等重金屬和染料等有機物。（3）植物根系對有機物的吸附。植物的根系結構可以提供大量的吸附表面，可以有效吸附水中的有機物，例如，蘿卜、茶樹等植物的根系可以去除廢水中的苯酚、甲苯等有機物。

3 環境生物技術的特點及其應用成效

3.1 無污染，低成本

化學和物理處理方式往往需要使用大量的化學試劑和能源，這些化學試劑和能源可能會對環境造成污染，而環境生物技術利用生物體內的微生物、植物等生物體自身的生長代謝能力進行治理，不需要大量化學試劑和能源的投入，因此不會產生二次污染。其次，相比傳統的處理方式，環境生物技術的設備和運行成本要低得多。例如，微生物降解技術可以利用自然界中存在的微生物，不需要額外購買昂貴的化學試劑和設備。

3.2 占地面積小，可以穩定水質

環境生物技術通常使用微生物、植物等生物體系來降解、吸附或轉化污染物，因此通常不需要大面積的土地或建筑物支持，占地面積相對較小，節省了大量的土地資源。同時，這些生物體系能夠自主繁殖和生長，無需人工補給，不會對周圍環境造成污染。此外，環境生物技術還可以在一定程度上穩定水質，使得水體的水質參數如pH、溶氧量等維持在較為穩定的水平。例如，使用活性污泥法或膜生物反應器等技術處理污水，可以使得污水中的有機物質大量降解，從而有效穩定水質。

3.3 高效去除污染物，生態修復效果好

通過微生物、植物等生物體的作用，可以將廢水中的有機物、氮、磷等污染物轉化為無害物質或使其沉淀、吸附于生物體表面。同時，生物吸附技術還可以有效去除微小顆粒物和重金屬等難以降解的污染物。植物修復技術、濕地修復技術等可以利用植物和濕地等自然生態系統來修復受到污染的環境，這些技術在治理水體富營養化、重金屬污染等方面具有優異的效果。此外，環境生物技術還可以促進土壤固碳和植物生長，具有顯著的生態經濟效益。

4 實際應用案例

近年因塑料消費量逐年增加，各國紛紛實施“禁塑令”或“限塑令”。在這種背景下，生物可降解塑料成為一個熱門的研究和產業化方向。科技日報2023年5月8日報道，清華大學與北京微構工場生物技術有限公司、諾維信（中國）生物技術有限公司合作，通過改造嗜鹽菌，使其能夠在質量不穩定且無法滅菌的餐廚廢棄物水解物中生長，并產生一種叫做聚β—羥基丁酸酯（PHB）的物質。這項研究表明，使用餐廚廢棄物作為碳源，替代部分葡萄糖作為發酵底物或飼料，可以生產出生物降解材料，并具備可行性，這項研究成果最近發表在《生物工程與應用微生物》雜志上。PHB是聚羥基脂肪酸酯（PHA）的一種。PHA是一類天然高分子聚合物，由微生物合成，能夠在有氧和無氧條件下進行生物降解。這種全新的生物材料可以完全降解，并且完全由生物合成，有助于“碳中和”與環境保護。目前，中國已經成為全球PHA產業化的領先國家之一，規劃的產能超過10萬噸。微構工場的研發團隊表示，除了利用餐廚廢棄物外，基于下一代工業生物技術體系的新一代嗜鹽菌還可以利用其他廢棄碳源進行生產，例如秸稈水解物、廢甘油、糖蜜、乙酸等，以更好地應對環境和經濟挑戰。

位于湖北省武穴市的運鴻集團在近年來積極踐行新發展理念，專注于研發環境友好型產品。通過攻克核心技術和自主研發裝備等方式，他們成功地開發出全生物降解系列產品，并積極開拓國內外市場。運鴻集團的全生物降解餐具以玉米淀粉為主要成分，經過處理后可分解為水和二氧化碳。根據中國的降解標準，生物分解率應≥60%。運鴻集團生產的全生物降解餐具生物分解率為88.6%，相對生物分解率達92.40%，并且在食品安全方面的感官評估、總遷移物指標、元素和污染物分析等方面均符合相關國家標準。這些餐具在堆肥條件下可以在2到3個月內完全降解；埋在土壤中，則在微生物作用下可于6個月內完全降解。運鴻環保科技的成就得益于運鴻集團多年來在研發和生產經驗上基于“綠色農業可循環經濟產業”和“低碳環保生物全降解材料領域”的積累。目前，運鴻科技的“全生物降解材料”項目技術已獲得4項國家發明專利，并通過了德國LFGB檢測認證和歐盟CE檢測認證。采用植物基全生物降解材料替代塑料制品，能夠有效緩解“白色污染”引發的環境問題，推動生態循環良性發展，并為解決日益嚴重的能源和環境問題做出貢獻。

5 結語

環境生物技術在水污染治理中的應用，不僅可以有效治理水污染問題，保護水資源和水生態環境，而且還具有經濟、社會、生態等多重效益，具有廣泛的應用前景和推廣價值。但是，相關人員需要進一步加強技術研發和推廣應用，提高技術的可靠性和穩定性，加強對其生態系統影響的評估和監測，確保環境生物技術在水污染治理中的可持續發展。