生物技术在环保工程中的应用

生物技术在环保工程中的应用

朱敦军   王明明

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摘要

通过分析膜生物反应技术、微生物处理技术和生物强化技术等在污水处理中的应用，以及生物修复技术在土壤污染治理中的应用，阐述了这些技术在提高处理效率、降低环境影响方面的优势。研究还关注了分子生物技术在环境工程微生物应用中的最新进展，以及金属和金属氧化物纳米材料在生物技术、医学和环境工程中的多酶活性应用。

关键词: 生物技术、环保工程、生物修复、生物降解、废水处理

1 引言

随着社会经济的快速发展,环境污染问题日益严重,已成为制约可持续发展的重要因素。在此背景下,环保工程作为解决环境问题的关键手段,受到了广泛关注。然而,传统的环保技术在处理复杂污染物时往往存在效率低下、成本高昂等问题。因此,寻求更加高效、经济、环境友好的污染治理技术成为当前环保领域的重要研究方向。

2 生物技术在环保工程中的主要应用领域

2.1 水污染治理

生物技术在水污染治理中发挥着重要作用,为解决水环境问题提供了有效途径。膜生物反应技术作为一种新型水处理方法,将膜分离与生物处理相结合,具有处理效果好、占地面积小等优势,在污水处理中得到广泛应用。该技术不仅能有效保证出水水质,还便于控制和操作,为环境工程污水处理提供了新的解决方案。微生物处理技术是另一种常用的生物处理方法,利用微生物的代谢活动来降解水体中的污染物。这种技术具有成本低、效率高的特点,可以处理多种类型的污染物。生物强化技术通过向水体中添加特定功能的微生物或营养物质,增强水体自净能力,提高污染物降解效率。该技术在实际应用中表现出良好的治理效果,已成为水污染治理的主要技术手段之一。

2.2 大气污染治理

生物技术在大气污染治理领域展现出巨大潜力。微生物处理技术作为一种新兴的环保手段，在处理工业废气和城市空气污染物方面表现出显著优势。例如，利用特定菌株构建生物滤床，可有效降解挥发性有机化合物(VOCs)、硫化氢等有害气体。生物脱硫技术在火电厂烟气处理中的应用，不仅能高效去除二氧化硫，还可实现资源化利用。此外，藻类生物技术在固定二氧化碳方面发挥重要作用。通过培养微藻，可以大量吸收大气中的二氧化碳，同时产生生物质能源，实现碳减排与能源生产的双重效益。生物催化剂的开发为降低工业生产过程中的有害气体排放提供了新思路。例如，利用酶促反应替代传统化学合成，可显著减少VOCs的产生。随着分子生物学技术的进步，基因工程改造微生物以提高其降解能力和环境适应性成为可能，为大气污染生物治理开辟了新途径。未来，结合人工智能等先进技术，生物处理系统的效率和稳定性有望进一步提升，为改善空气质量做出更大贡献。

2.3 土壤修复

土壤修复是生物技术在环保工程中的重要应用领域之一。生物修复技术利用微生物、植物等生物体的代谢活动来降解或转化土壤中的污染物,从而实现土壤净化。这种方法具有成本低、对环境友好、可持续性强等优势。在实际应用中,常见的生物修复技术包括微生物修复、植物修复和动物修复等。微生物修复利用细菌、真菌等微生物的降解能力来处理有机污染物;植物修复则通过种植特定植物来吸收、转化或固定土壤中的重金属等污染物;动物修复主要利用某些土壤动物的生物富集作用来去除污染物。为提高修复效果,研究人员还开发了一些强化技术,如基因工程改造微生物以增强其降解能力,或添加营养物质促进微生物生长等。随着分子生物学技术的发展,新型高效修复菌株的筛选和改造成为研究热点,有望进一步提升生物修复技术的应用效果。

3 生物技术在环保工程中的典型案例分析

3.1 微生物处理城市污水

微生物处理技术在城市污水处理中发挥着重要作用。该技术利用微生物的代谢活动来降解和转化污水中的有机物、氮、磷等污染物。在实际应用中,微生物处理主要包括活性污泥法和生物膜法两种方式。活性污泥法是最常用的生物处理工艺,其核心是培养和维持高活性的微生物群落。在曝气池中,悬浮的活性污泥与污水充分接触和混合,微生物通过吸附、氧化分解等作用去除污染物。该方法处理效率高,但对运行管理要求较高。生物膜法则是利用附着生长的微生物膜来处理污水。常见的有生物滤池、生物转盘等工艺。微生物在填料表面形成生物膜,污水流过时被膜中的微生物吸附和降解。该法抗冲击负荷能力强,但存在堵塞风险。

3.2 生物滤池处理工业废气

生物滤池是一种利用微生物代谢活动来处理工业废气的环保技术。该技术通过将污染气体通过填充有特定微生物的滤料层,使微生物分解或转化气体中的有害物质,从而达到净化空气的目的。生物滤池处理工业废气的典型案例是应用于处理含挥发性有机化合物(VOCs)的废气。在一项研究中,研究人员设计了一种两级生物滤池系统来处理印刷厂排放的含甲苯和二甲苯的废气。第一级滤池采用真菌为主的微生物群落,第二级滤池则以细菌为主。结果表明,该系统对VOCs的去除效率可达95%以上。另一个成功案例是利用生物滤池处理制药厂排放的含乙醇和乙酸乙酯的废气。研究人员通过优化滤料组成和控制运行参数,使处理效率稳定在90%左右。同时,该系统表现出良好的抗冲击负荷能力,即使在进气浓度突然升高的情况下,仍能保持较高的去除效率。

3.3 植物-微生物联合修复重金属污染土壤

植物-微生物联合修复技术是一种新兴的生物修复方法，结合了植物修复和微生物修复的优势，在重金属污染土壤治理中展现出良好的应用前景。该技术利用植物根系分泌物刺激土壤微生物活性，促进微生物对重金属的转化和固定，同时植物可以吸收和富集部分重金属，实现协同修复效果。在实际应用中，通常选择耐受性强、生物量大的超富集植物，如印度芥菜、向日葵等，与具有重金属转化能力的根际微生物如假单胞菌、芽胞杆菌等联合使用。微生物可以通过分泌有机酸、螯合剂等物质增加重金属的生物有效性，促进植物吸收；同时也能将部分重金属转化为难溶态，降低其毒性。植物则通过根系分泌物为微生物提供碳源和能量，形成良性互作关系。

4生物技术在环保工程中的发展前景

生物技术在环境工程领域的应用前景广阔,未来发展潜力巨大。随着科技进步和环保需求的不断提升,生物技术将在污染治理、资源回收利用等方面发挥越来越重要的作用。在水污染治理方面,膜生物反应技术有望得到更广泛的应用。该技术结合了膜分离和生物处理的优势,不仅处理效果好,而且占地面积小,易于控制[1]。未来可进一步优化膜材料和生物菌种,提高处理效率和经济性。微生物处理技术也将继续发挥重要作用,通过筛选和改造高效菌株,可以针对不同类型污染物开发更有针对性的处理方法。在土壤修复领域,生物修复技术将成为主流方向之一。该技术利用微生物的代谢作用降解或转化污染物,具有成本低、对环境友好等优势。未来可通过基因工程等手段培育更高效的修复菌株,扩大应用范围。此外,植物-微生物联合修复等新型技术也值得关注。

结束语

生物技术在环境工程中的应用已经取得了显著的进展，为解决环境污染问题提供了创新和高效的解决方案。膜生物反应技术在污水处理中展现出了巨大潜力，不仅能有效保证水质，还具有占地面积小、易于控制等优势。微生物处理技术在环境工程中的应用也日益广泛，为环境保护提供了重要支持。生物技术在环境工程中的应用将继续深化和拓展。城市生物技术和城市生物学有望成为独立的学科，为城市环境保护和可持续发展提供更多创新解决方案。人工智能技术与环境微生物学的结合也将为环境工程带来新的机遇和挑战。

参考文献

[1] 刘 苏，薛 志宏. 膜生物反应技术在环境工程污水处理中的应用[J].节能环保, 2022

[2] 雷 高. 微生物处理技术在环境工程中的应用[J].生态环境与保护, 2020

[3] 王 震，陶 威，刘 松. 探讨生物强化技术在水污染治理中的应用[J].节能环保, 2022