环境生物技术在水污染治理中的应用

邹哲凯

（武汉森泰环保股份有限公司，湖北 武汉 430065）

引言

随着经济的快速发展和人口的不断增长，水污染已成为全球环境问题的重要组成部分。水污染治理是一个复杂的过程，传统的治理方法往往难以达到预期的治理效果。而环境生物技术作为一种新型的水污染治理技术，具有生态环境友好、经济可行等特点，被广泛应用于水污染治理中。

1 环境生物技术概述

1.1 环境生物技术的定义

环境生物技术是利用生物学原理和技术手段，开发和应用各种生物体系处理环境问题的技术体系，它包括微生物、植物、动物等生物体系在环境修复、废物处理、水质净化、污染控制、资源回收等方面的应用。环境生物技术通过生物转化、生物吸附、生物膜等的作用，能够高效去除水、土、空气等环境中的污染物，降低环境污染对人类生存环境的影响，且具有成本低、环境友好、可持续发展等优点，已成为当今环境治理领域不可或缺的一种技术手段。

1.2 水污染治理的现状

水是人类生存和发展的重要资源，但是随着人口增长和工业化进程的加快，水污染问题日益突出。水污染的类型和来源多种多样，包括工业废水、城市生活污水、农业面源污染等。水污染不仅危害人类健康，影响生态平衡，还会造成经济和社会损失[1]。因此，水污染治理成为当今社会关注的焦点之一。当前，全球水污染治理面临许多挑战和困难。首先，治理成本高昂，尤其是城市污水处理厂等大型治理设施，需要投入大量资金和技术支持。其次，水污染治理技术和管理水平相对滞后，尤其是在发展中国家和地区，缺乏有效的监管和治理手段，导致水污染问题愈演愈烈。此外，污染源复杂，加之水环境受多种因素的影响，治理难度加大。最后是公众环保意识不足，使得水资源的浪费和污染问题得不到根本解决。

1.3 环境生物技术在水污染治理中的应用意义

在水污染治理中，环境生物技术具有重要的应用意义。首先，相比传统的物理、化学方法，环境生物技术不需要大量消耗能源和化学试剂，具有较低的成本和较小的环境影响，可以减轻对自然环境的进一步破坏。其次，环境生物技术具有针对性，可以根据不同的水污染类型和程度，选择不同的生物体或者菌株进行治理。例如，对于有机物质污染，可以利用具有降解能力的微生物进行治理；对于重金属离子污染，则可以利用吸附材料选择性地吸附或者利用具有还原能力的微生物将其还原成较为稳定的形态。此外，环境生物技术还可以对一些难以处理的污染物进行处理，例如难降解的有机物、难处理的氮磷等。综上所述，环境生物技术在水污染治理中具有广泛的应用前景和重要意义，可以为保护水资源、改善水环境质量提供有效的技术手段。

2 环境生物技术在水污染治理中的应用

2.1 生物降解技术

2.1.1 微生物降解技术

微生物降解技术是指利用微生物代谢能力降解水中有机物质的一种生物处理技术。微生物降解技术的原理是利用特定的微生物对水中的有机物质进行分解代谢，将有机物质转化为水和二氧化碳等较为稳定的物质。这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单一菌株或混合菌株。在水中，这些微生物会利用水中的有机物质作为能源和营养源进行生长繁殖，同时分泌各种酶类对有机物质进行降解。微生物降解技术在水中可以分为生物降解、厌氧生物降解和好氧生物降解三种方式，（1）生物降解方式最为常见，其利用微生物在氧化条件下对有机物进行降解；（2）厌氧生物降解则是在缺氧条件下进行，适用于一些难以在氧化条件下分解的有机物质，如苯酚、氯化苯等；（3）好氧生物降解则是在高氧浓度条件下进行，适用于一些具有毒性的有机物质，如苯、甲苯等。例如铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa，HY4）可以利用石油烃进行代谢，将石油烃降解为二氧化碳和水；耐受高浓度染料和产生高活性染料酶的细菌（Enterobacter sp.）可以利用染料为唯一的碳源和能源，将染料降解为二氧化碳、水和无机离子；具有高效降解酚类物质的恶臭假单胞菌（Pseudomonas putida）可以将对羟基苯酚等酚类污染物分解为无害的无机离子和水等。

2.1.2 植物修复技术

植物修复技术是指利用植物和其根系对污染物进行吸附、转化、分解或稀释的技术，这项技术被广泛应用于环境修复领域，包括土壤和水体治理。在水污染治理中，植物修复技术已被证明是一种经济、高效、环境友好的方法，可以被用于处理各种类型的水体污染，包括有机污染物、重金属、营养物质和细菌等。植物的根系可以吸附和转化大量的污染物，同时植物体还可以通过蒸腾作用促进水分蒸发，从而起到稀释作用。在植物修复技术中，植物的根系起着至关重要的作用。植物根系具有极强的生物吸附作用，可以去除水中的营养物质、有机物和重金属等污染物。同时，植物根系中的细菌和真菌也可以分解和转化有机污染物和营养物质。例如，禾本科植物中的一些物种，如水稻、稻草等，可以有效降解水体中的有机物质和重金属离子，这些植物的根系能够吸收水体中的营养物质和重金属离子，同时也能释放一些有机物质和酶，加速水中有机物质的降解；再如菖蒲是一种常见的水生植物，其根系能够吸收水中的有机物质和重金属离子，同时也能分泌一些特殊的酶，如过氧化物酶、过氧化氢酶等，对水体中的有机物质进行降解。

2.2 生物膜技术

2.2.1 活性污泥法

活性污泥法是一种基于微生物降解水中有机物质的生物膜技术，是广泛应用于污水处理的一种方法。该技术利用具有生物膜的微生物体来降解有机物，将污水中的有机物转化为微生物和无机物，同时还能去除污水中的氮和磷等无机物质，实现了对污水的全面净化。在活性污泥法中，污水流入处理池中，接触到具有生物膜的微生物体，微生物附着在底部氧化池中的活性污泥颗粒上，形成活性污泥颗粒群。这些微生物在厌氧条件下分解有机物质，并在氧化池中消耗氧气，产生能量和二氧化碳等产物。同时，在氧化池中的微生物还会将氨氮、亚硝酸盐和硝酸盐等无机物质转化为氮气，将磷酸盐等无机物质转化为无机磷酸盐，从而全面净化污水中的有机物和无机物质。活性污泥法具有出水质量稳定、对水质变化适应能力强、处理效率高等优点，其处理效率主要取决于活性污泥池中微生物的数量和质量，因此需要严格控制进水水质和进水量，以维持池内微生物数量和质量的稳定。此外，还需控制池内氧气的供应，以满足微生物的生长需要。活性污泥法是一种经济、实用、稳定的污水处理技术，广泛应用于城市污水处理、工业废水处理及农村生活污水处理等领域。随着对水环境质量要求的不断提高，活性污泥法还需要不断完善和改进，以提高处理效率和稳定性。

2.2.2 膜生物反应器（MBR）

膜生物反应器（MBR）是一种将膜分离技术与生物反应器相结合的新型水处理技术，该技术在水污染治理中具有显著优势，包括高效、节能、环保等。膜生物反应器可以将生物反应器和微过滤、超滤等膜技术相结合，通过使用微孔膜对悬浮物进行过滤，从而实现水体净化和污染物的去除。在MBR中，污水首先通过生物反应器进行生物处理，然后再通过膜过滤器进行固液分离。这种技术可以大大提高污水处理效率，同时也可以减少处理过程对环境的影响。MBR技术在实际应用中已经取得了显著成效，例如在纺织、印染、造纸、制药等行业的废水处理中，MBR技术可以有效去除废水中的有机物和悬浮物，同时降低COD、BOD、SS等污染物的浓度，使污水达到国家和地方标准的排放要求。此外，MBR技术还可以有效去除污水中的病原体和微生物，净化水质，保障公众健康。除了行业废水处理，MBR技术在城市污水处理、农村生活污水处理等领域也有着广泛应用。在城市污水处理中，MBR技术可以在污水处理厂的一级处理中使用，大幅度降低水质中悬浮物的浓度，保障二次供水的质量；在农村生活污水处理中，MBR技术可以取代传统的生物处理和沉淀处理等技术，提高处理效率，同时减少污泥的产生量，降低处理成本。

2.3 生物吸附技术

生物吸附技术是指通过生物吸附材料将水中的有害物质吸附或结合在生物吸附剂表面，使其被固定在吸附剂上，从而达到净化水质的目的。相比于传统的物理化学方法，生物吸附技术更为环保、高效、经济。其 中，微生物吸附技术是将具有吸附能力的微生物细胞体或其代谢产物作为吸附剂，通过微生物的代谢、生长、吸附和再生等过程来达到净化水质的目的[2]。生物吸附技术是一种利用生物材料吸附污染物的技术，与植物降解技术不同的是，它不依赖于生物的代谢活动，而是利用生物材料表面的化学特性或微生物在生物材料上的附着和生长来吸附水中的污染物。

2.3.1 微生物吸附技术

微生物吸附技术在水污染治理中具有广泛的应用，特别是在有机物、重金属和氮、磷等无机盐污染处理方面表现出良好效果。常用的微生物吸附材料包括菌株、藻类、真菌、细胞质、微生物代谢产物等，这些吸附材料具有较高的比表面积和较好的性能。在水污染治理中，微生物吸附技术主要通过两种方式进行：一是将微生物吸附剂加入污染水体，通过吸附、吸附剂再生和处理后的水回收等过程来净化水质；二是将污染水体流经装置，利用生物吸附剂对水体中的污染物进行吸附和去除，达到净化水质的目的。具体来说，微生物吸附技术可以应用于工业废水、生活污水、农业废水等水体的净化。例如，利用具有吸附能力的微生物菌株去除废水中的有机物和重金属离子；利用Rhizopus arrhizus菌株去除铜离子等。此外，还可以利用微生物代谢产物，例如利用铁化学沉淀物质，这些沉淀物质具有较好的吸附性能，可有效去除水中的磷和重金属。

2.3.2 植物吸附技术

植物吸附技术是利用植物体内的各种物质，如细胞壁、蛋白质、纤维素等吸附水中的污染物，植物吸附技术相比传统的化学吸附方法，具有更高的吸附效率、更低的成本以及更好的环保性能。植物吸附技术可以应用于各种类型的水污染物治理，例如重金属、有机物、营养物等[3]。以下是一些具体的植物吸附技术在水污染治理中的应用案例：（1）水稻秸秆对重金属的吸附。在实验室条件下，水稻秸秆可以去除废水中高浓度的铜、铅、镉等重金属。（2）利用炭疽杆菌菌丝吸附污染物。炭疽杆菌是一种广泛存在于土壤中的微生物，它的菌丝结构可以提供大量的吸附表面，具有较强的吸附能力。研究表明，利用炭疽杆菌菌丝可以高效去除水中的砷、铜、镉等重金属和染料等有机物。（3）植物根系对有机物的吸附。植物的根系结构可以提供大量的吸附表面，可以有效吸附水中的有机物，例如，萝卜、茶树等植物的根系可以去除废水中的苯酚、甲苯等有机物。

3 环境生物技术的特点及其应用成效

3.1 无污染，低成本

化学和物理处理方式往往需要使用大量的化学试剂和能源，这些化学试剂和能源可能会对环境造成污染，而环境生物技术利用生物体内的微生物、植物等生物体自身的生长代谢能力进行治理，不需要大量化学试剂和能源的投入，因此不会产生二次污染。其次，相比传统的处理方式，环境生物技术的设备和运行成本要低得多。例如，微生物降解技术可以利用自然界中存在的微生物，不需要额外购买昂贵的化学试剂和设备。

3.2 占地面积小，可以稳定水质

环境生物技术通常使用微生物、植物等生物体系来降解、吸附或转化污染物，因此通常不需要大面积的土地或建筑物支持，占地面积相对较小，节省了大量的土地资源。同时，这些生物体系能够自主繁殖和生长，无需人工补给，不会对周围环境造成污染。此外，环境生物技术还可以在一定程度上稳定水质，使得水体的水质参数如pH、溶氧量等维持在较为稳定的水平。例如，使用活性污泥法或膜生物反应器等技术处理污水，可以使得污水中的有机物质大量降解，从而有效稳定水质。

3.3 高效去除污染物，生态修复效果好

通过微生物、植物等生物体的作用，可以将废水中的有机物、氮、磷等污染物转化为无害物质或使其沉淀、吸附于生物体表面。同时，生物吸附技术还可以有效去除微小颗粒物和重金属等难以降解的污染物。植物修复技术、湿地修复技术等可以利用植物和湿地等自然生态系统来修复受到污染的环境，这些技术在治理水体富营养化、重金属污染等方面具有优异的效果。此外，环境生物技术还可以促进土壤固碳和植物生长，具有显著的生态经济效益。

4 实际应用案例

近年因塑料消费量逐年增加，各国纷纷实施“禁塑令”或“限塑令”。在这种背景下，生物可降解塑料成为一个热门的研究和产业化方向。科技日报2023年5月8日报道，清华大学与北京微构工场生物技术有限公司、诺维信（中国）生物技术有限公司合作，通过改造嗜盐菌，使其能够在质量不稳定且无法灭菌的餐厨废弃物水解物中生长，并产生一种叫做聚β—羟基丁酸酯（PHB）的物质。这项研究表明，使用餐厨废弃物作为碳源，替代部分葡萄糖作为发酵底物或饲料，可以生产出生物降解材料，并具备可行性，这项研究成果最近发表在《生物工程与应用微生物》杂志上。PHB是聚羟基脂肪酸酯（PHA）的一种。PHA是一类天然高分子聚合物，由微生物合成，能够在有氧和无氧条件下进行生物降解。这种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”与环境保护。目前，中国已经成为全球PHA产业化的领先国家之一，规划的产能超过10万吨。微构工场的研发团队表示，除了利用餐厨废弃物外，基于下一代工业生物技术体系的新一代嗜盐菌还可以利用其他废弃碳源进行生产，例如秸秆水解物、废甘油、糖蜜、乙酸等，以更好地应对环境和经济挑战。

位于湖北省武穴市的运鸿集团在近年来积极践行新发展理念，专注于研发环境友好型产品。通过攻克核心技术和自主研发装备等方式，他们成功地开发出全生物降解系列产品，并积极开拓国内外市场。运鸿集团的全生物降解餐具以玉米淀粉为主要成分，经过处理后可分解为水和二氧化碳。根据中国的降解标准，生物分解率应≥60%。运鸿集团生产的全生物降解餐具生物分解率为88.6%，相对生物分解率达92.40%，并且在食品安全方面的感官评估、总迁移物指标、元素和污染物分析等方面均符合相关国家标准。这些餐具在堆肥条件下可以在2到3个月内完全降解；埋在土壤中，则在微生物作用下可于6个月内完全降解。运鸿环保科技的成就得益于运鸿集团多年来在研发和生产经验上基于“绿色农业可循环经济产业”和“低碳环保生物全降解材料领域”的积累。目前，运鸿科技的“全生物降解材料”项目技术已获得4项国家发明专利，并通过了德国LFGB检测认证和欧盟CE检测认证。采用植物基全生物降解材料替代塑料制品，能够有效缓解“白色污染”引发的环境问题，推动生态循环良性发展，并为解决日益严重的能源和环境问题做出贡献。

5 结语

环境生物技术在水污染治理中的应用，不仅可以有效治理水污染问题，保护水资源和水生态环境，而且还具有经济、社会、生态等多重效益，具有广泛的应用前景和推广价值。但是，相关人员需要进一步加强技术研发和推广应用，提高技术的可靠性和稳定性，加强对其生态系统影响的评估和监测，确保环境生物技术在水污染治理中的可持续发展。