生物技术在大气污染治理中的应用研究

李宏伟

（南阳市生态环境局南召分局，河南 南阳 474650）

引言

由于工业排放和交通尾气等因素，我国大气污染问题较为严重，传统的大气污染治理方法虽然取得了一定成效，但仍面临能耗高、成本昂贵和可能产生二次污染等挑战。因此，寻找更为高效、经济且环保的污染治理方法变得尤为迫切。生物技术作为一种新兴的污染治理技术，因其独特的优势—低能耗、无二次污染和良好的经济效益，成为大气污染治理的一个重要研究方向。

1 我国大气污染现状

1.1 我国大气污染的主要污染源

1.1.1 工业废气导致的污染

我国70%左右的电力依靠燃煤火力发电，燃煤释放的烟尘是PM2.5和PM10的重要组成部分。火力发电过程中的硫氧化物和氮氧化物排放也是主要的污染源；工业生产过程中的有组织废气排放，如炼钢、炼油、电镀等工业生产过程会直接排放二氧化硫、氮氧化物、碳酸气等大气污染物；某些工业生产过程也会排放少量颗粒物；涂料、油漆、合成材料、医药等多个行业的有机溶剂和半成品的挥发会产生挥发性有机物排放，它是地表臭氧的前体物质之一。这些工业废气中的污染物是导致我国主要城市PM2.5、PM10和地面臭氧升高的重要原因，也是当前治理的重点。

1.1.2 交通运输尾气导致的污染

2021年6月全国城市空气质量报告显示，168个城市的二氧化氮月均浓度范围在7～39 μg/m3之间，平均浓度为21 μg/m3。二氧化氮是氮氧化物的一种，主要来源于汽车尾气等的燃烧排放。因此可以看出，交通运输尾气对空气二氧化氮污染有很大贡献。大都市及人口稠密区域的空气二氧化氮污染情况更为严重，如北京市二氧化氮月均浓度为19 μg/m3，上海市为28 μg/m3，这与交通流量大、汽车密度高有关。重度及以上污染天数中，以PM10和臭氧超标最多，其中汽车尾气中的二氧化氮转化而成的臭氧是重要的光化学污染物，严重影响空气质量。交通运输尾气中的氮氧化物、碳氢化合物、颗粒物等污染物，对城市空气质量和能见度下降有重要贡献。

1.2 典型污染物

工业废气和交通运输尾气中存在以下几种典型的污染物，它们对大气环境和人类健康构成严重威胁，如表1所示。

表1 几种典型污染物的来源及危害

1.3 大气污染治理面临的挑战

1.3.1 相关法律法规执行难

在大气污染治理领域，相关部门虽然已经制定了一系列相关的法律和法规，但在执行过程中仍然遇到一些问题：（1）监管不足：监管机构在人力、财力和技术支持方面限制了法规执行的效率和成效。这种不足导致对污染排放标准的监测和执法力度不足，从而使得部分企业得以规避环保责任。（2）法律适用性和灵活性不足：现行环境法律和法规在应对快速变化的工业和城市环境时，缺乏灵活性和适应性。这种情况在面对新兴污染物和新技术时尤为明显。

1.3.2 治理技术亟待创新

尽管目前存在多种大气污染治理技术，但在应对日益加剧的大气污染问题时，这些技术面临一些问题：（1）效率和成本：当前一些污染控制技术在处理大规模污染和多种污染物时，往往难以满足高效和经济的要求。例如，某些脱硫或脱硝技术在处理大型发电厂排放时，面临成本高昂和效率不足的问题。（2）适应性和普适性：不同地区和行业的污染特点各异，现有技术在满足这些多样化需求方面仍显不足。例如，在处理特定工业排放时，某些技术可能无法有效去除特定污染物。（3）持续性和环保性：现有治理技术在保证操作的持续性和环保性方面存在挑战。例如，某些物理吸附技术在长时间运行后可能失效，或在处理过程中产生新的污染物。

2 生物技术治理大气污染的工作原理

2.1 微生物降解机理

微生物降解是指利用微生物的代谢活动来去除或转化污染物的过程。在大气污染治理领域，特定微生物能够有效吸收和分解空气中的有害化学物质；某些微生物可将空气中的污染物如氮氧化物、硫化物等作为能量源。例如，一些细菌能够通过代谢过程将氮氧化物转化为氮气和水。研究表明，硫氧化细菌如硫杆菌属能有效地将硫化物转化为硫酸盐，从而降低大气中硫化物的浓度；微生物通过其细胞结构能吸收空气中的有毒物质，如重金属颗粒等。例如，某些菌株如假单胞菌属细菌能够通过生物富集机制有效降低空气中铅等重金属的浓度。这些微生物通过细胞表面的特定结构吸附重金属，从而降低其在空气中的浓度。特定微生物能催化化学反应，加速污染物的分解。例如，一些微生物能促进氮氧化物转化为氮气的过程，如硝化细菌和反硝化细菌通过一系列反应将硝酸盐还原为氮气，这一过程在降低大气中氮氧化物浓度方面发挥了重要作用。

2.2 植物修复机制

植物修复是指利用植物及其根际微生物的天然处理能力，来净化被污染的空气的技术。植物通过叶片和根系可以吸收空气中的污染物，如颗粒物和某些气态污染物[1]。研究表明，常绿植物如松树，能通过其叶片有效吸附并积累颗粒物。此外，某些植物能通过叶片吸收氮氧化物等气态污染物，并在体内转化或储存；在光合作用过程中，植物能转化空气中的某些有害化学物质，如二氧化碳等。一项研究指出，通过城市绿化种植的植物，如银杏树，可以有效降低空气中的二氧化碳浓度，从而有助于减少大气污染。植物的根系与根际微生物共同作用，有助于增强对土壤中污染物的吸收和转化，间接减少空气污染。还有一些研究发现，某些草本植物的根系能有效吸收土壤中的重金属，如铅和镉，并通过根际微生物的作用，促进这些污染物的稳定化和降解。

3 环保生物技术治理大气污染的效果

3.1 技术优势

3.1.1 反应温和、高效、低能耗

生物技术在大气污染治理中反应条件温和，能耗相对较低。与传统的化学和物理方法相比，生物治理技术通常在常温或接近常温条件下进行，避免了高温所需的昂贵能源投入。此外，在生物处理过程中，微生物的代谢活动能有效转化污染物，从而实现高效的污染治理。例如，利用特定微生物对大气中的硫化物或氮化物进行转化，可以在能耗较低的情况下，达到较高的去除效率。

3.1.2 无二次污染

生物技术治理大气污染几乎不产生二次污染。传统的化学处理过程常常伴随有害副产品的产生，这些副产品本身可能构成新的环境问题。相反，生物治理技术利用微生物将污染物转化为无害或低害的物质，如将有害气体转化为生物量或其他环境友好型物质，从而极大减少了对环境的二次伤害。

3.1.3 经济及社会效益好

生物技术在大气污染治理中具有操作简便、能耗低、无二次污染等特点，长期运行成本相对较低。这使得它对于资源有限的地区尤为适用。此外，生物治理技术的推广及应用还有助于提升公众对环保科技的认知水平和接受度，从而促进了社会对可持续发展的重视。

3.2 生物技术治理大气污染的效果

3.2.1 减轻污染危害

生物技术利用微生物将有害气体转化为无毒或低毒物质，有效降低了污染物在环境中的浓度，从而直接减少了这些污染物对人类健康和生态系统的危害[2]。例如，通过生物滤池技术处理工业排放的硫化物和氮化物，能有效降低这些气体的排放量，减少酸雨和空气污染对环境的影响。

3.2.2 改善空气质量

生物技术可以有效减少关键污染物质如颗粒物、挥发性有机化合物和氮氧化物等，从而对提高空气质量起到了积极作用。通过这些技术的应用，空气中的污染物得到有效控制和降解，空气质量因而得到显著改善。

3.2.3 促进可持续发展

环保生物技术不仅减轻了环境压力，而且通过提高资源的循环利用率和促进清洁能源的使用，支持绿色经济的发展。此外，生物技术的应用还鼓励了跨学科的研究和创新，促进了科学技术在环境保护领域的发展，这对实现社会、经济和环境的和谐共生至关重要。

4 生物技术治理大气污染的应用方式

4.1 生物过滤器的使用

生物过滤器的核心是利用微生物的代谢作用来降解或转化空气中的污染物。这些设备通常包含以下几个关键组成部分：（1）过滤介质：过滤介质为微生物提供了栖息地和营养源。常见的介质包括泥炭、木屑、复合树脂等，这些材料具有良好的孔隙率和水分保持能力，有助于微生物的生长和污染物的吸附。（2）微生物种群：选择合适的微生物种群至关重要。通常微生物的选择取决于目标污染物的性质，这些微生物能够针对特定的污染物进行有效降解。（3）控制系统：现代生物过滤器配备了高度精密的控制系统，用于监控过滤器的环境条件，如温度、湿度和污染物浓度，以确保过滤效率。

例如，湖南农药厂因生产农药灭多威，产生大量恶臭气体，主要成分是甲硫醇、甲硫醚。以前，该工厂废气处理采用焚烧法，由于废气中含有硫，焚烧后会生成硫的氧化物，依然会对环境造成影响。2015年，该工厂采用微生物净化器设备，对甲硫醇和甲硫醚的处理效率达到75%以上，如图1所示。

图1 一种农药废气VOC生物净化工艺图

4.2 植物修复的运用及配置

4.2.1 植被类型的选取

植被类型的选取应具备以下特点：（1）高污染物吸收能力：选取的植物应能有效吸收大气中的有害物质，如重金属、二氧化硫等。（2）环境适应性强：植物应能适应当地的气候和土壤条件，保证其生长的稳定性和持续性。（3）维护需求低：选择生长周期长、维护成本低的植物，以降低整体管理成本。例如，桉树和杨树因其快速生长和高污染物吸收能力，被广泛用于工业区和城市的大气净化。

4.2.2 园艺布局搭配

园艺布局搭配不仅要考虑美观性，还需考虑其环境净化功能。相关人员要综合考虑不同植物对各类主要空气污染物的净化能力和净化效率，选择适当的植物组合，旨在提高园艺布局对复合污染的整体净化作用。在兼顾美观性的基础上，相关人员应合理设计植被种类、密度和分布，力求达到更高的覆盖度，增强空气净化功能的整体效果；要精心规划植物的间距和布局，确保植物获得充足的生长空间和阳光，同时兼顾空气的流通需求。比如，安徽省马鞍山市某钢铁厂周边规划了环形绿化带，通过配置绿米杉、云杉、青钱柳等抗污染树种进行绿化，旨在净化周边工业排放的污染气体。这一绿化带采取了立体化垂直种植方式，综合乔木、灌木和草地等多层次结构，实现高密度植被覆盖。现场监测数据显示，该绿化带可使厂区周边区域二氧化硫和可吸入颗粒物的浓度分别降低18.4%和20.1%。同时，立体化绿化构造也创造了良好的气流条件，有利于污染扩散稀释。工业区周边环境绿化带的规划建设，关乎当地企业、居民乃至城市的可持续发展，值得进一步推广。

4.3 微生物菌剂的施用方法

4.3.1 不同载体的制备

微生物菌剂治理大气污染的效果与载体的选择和制备质量密切相关。优质载体应提供稳定的微环境，保证微生物的高活性。如褐泥、泥炭土等，这类载体可提供微生物所需的有机养分，有助于维持微生物的新陈代谢活性。但过度增加营养物质也可能抑制某些微生物的脱氮功能，如天然矿物质和人工陶粒，这类载体可为微生物提供附着点，提高制剂的物理稳定性，但其本身缺乏营养，可能限制微生物的增殖速率。根据不同微生物对营养和载体需求的差异，合理选择和优化载体类型与配方，对发挥菌剂治污潜能至关重要。例如，河南某钢铁公司采用微生物菌剂治理含硫气味污染时，研发出一种复合型微生物载体，该载体由70%生物质，包括豆渣、花生壳等，以及15%珍珠岩和15%膨润土组成。豆渣等提供有机养分，促进硫氧化微生物的新陈代谢；而矿物质载体珍珠岩和膨润土提高了制剂的机械强度，并提供菌体附着点。现场实验表明，采用该复合型载体，并以液体喷洒方式施用至厂区周边农田后，大气中硫化氢浓度较未处理对照地块降低了37%～58%。

4.3.2 喷洒浇灌技术要点

微生物菌剂治理大气污染，其施用效果与喷洒浇灌技术密不可分。技术要点包括：（1）根据不同载体的粒径和结构，优化喷洒参数，使菌剂在污染区域空气中或关键受体表面获得均匀覆盖；（2）合理配置菌液浓度和用量，既能避免浪费，又能保证处理效果；（3）根据污染物种类、浓度以及环境条件，如pH值、温度等因素定制；（4）结合菌种特征、污染物变化规律和气候条件变化，选择微生物活性高、污染物积累多的时段定期喷洒，以发挥最大治污潜力。比如，某工业园区采用含硫氧化菌的微生物制剂，以减少大气中的硫化氢污染。制剂以褐软泥为载体，于夏季酷热和冬季寒冷的气候转变期，每月喷洒1次。监测结果表明，该园区大气硫化氢年均浓度较喷洒前下降了35%。

5 结语

本研究总结了生物技术在大气污染治理中的应用及效果，明确指出其在减轻污染危害、改善空气质量和促进可持续发展方面的重要作用。生物技术是一种有效的大气污染治理方法，具有低能耗、无二次污染和经济及社会效益良好等优势，值得进一步推广及应用。