现代环境生物技术在水处理中的应用研究进展

Posted 2023-01-12 生物

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随着现代生物技术不断的发展，环境生物技术在废水净化领域中显示出了独特的优势和巨大的潜力。本文综述了活性污泥法、固定化酶法、生物膜法、生物流化床技术、生物脱氮技术、以及微生物絮凝技术等生物技术在水处理中的应用进展。
1.现代环境生物技术
环境生物技术(environmental biotechnology)是利用生物的生理活性，降低或消除环境中的污染物，达到高效地净化被污染的环境以及将污染物资源化利用的人工技术。它包括环境中污染物的减少、污染场地的生态修复和生物可降解材料的研发和应用等，其核心是微生物学过程。它是近年来涉及生物技术、工程学、环境学和生态学等学科相互渗透的一门新兴交叉学科。
早在上世纪欧美地区采用生物技术和环境工程技术相结合的环境生物技术用于污染治理，环境生物技术是利用微生物的氧化、分解、吸附作用处理废水中的有机污染物和重金属离子，该技术使废水中有机污染物变成二氧化碳、水和氮气等无毒无害的小分子，利用环境生物技术处理废水往往能够一步到位，避免了二次污染，因此它是一种绿色的水处理技术，环境生物技术是污水处理中应用最广且行之有效的一种技术。近年来，人们从细胞工程、基因工程技术、微生物、酶工程、反应器及工艺流程等几方面入手，研究开发了微生物絮凝剂、活性污泥处理技术、生物膜处理技术、生物流床、固定化酶处理技术及生物脱氮技术等。这些技术的发展使大多数有机污染物质和重金属离子实现了生物絮凝、降解和吸附处理，出水水质得到了很大改善。
2.现代环境生物技术在水处理中的应用
运用环境生物技术进行水污染治理，是目前采用的主要技术措施，它具有以下优点：①具有很强的吸附力和沉降性；②具有高效的生物降解能力；③水处理量大，方法成熟；④成本低，无二次污染。环境生物法在污水治理方面已受到关注，以下几点是生物技术在水处理方面的具体应用。
2.1 活性污泥法
活性污泥法是使生物絮体及活性污泥与废水中的有机污染物充分接触，其中可溶性有机污染物被微生物分解，并最终氧化成CO2；不溶性有机污染物先被转化成可溶性有机物，然后被代谢利用。传统活性污泥法系统对污水处理的效果极好，BOD 去除率可达90%以上，适合于处理净化程度和稳定程度要求较高的污水。施昌平等采用物化+水解酸化+活性污泥法工艺处理某服装工业园区印染废水，进水CODCr≤1200mg/L、SS≤300mg/L、色度≤300 倍，出水水质达到了《纺织染整工业水污染物排放标准》GB4287-1992 中的一级排放标准。Alinsafi 等采用活性污泥法对纺织印染废水进行了处理，对印染废水中的COD 去除有明显的效果。
Leivisk 等采用活性污泥处理生化废水，活性污泥法对COD 和BOD 的去除效果较好。该方法在水处理中已得到广泛应用，适用于处理净化程度高和稳定程度要求较高的污水，而对进水水质、水量变化的适应性较低，运行结果容易受到水质、水量变化的影响，脱氮除磷效果不太理想。
2.2 固定化酶法
固定化酶法是通过吸附、键合、包埋等多种方式将可溶性酶固定在不溶性载体上，将酶转变成不溶于水但仍保留生物活性的衍生物，因此，固定化酶又称水不溶性酶，固定化酶水处理技术就是生物净化污水的方法之一。运用固定化酶水技术可以高效去除废水中的有机污染物、重金属等，此方面国内外成功的例子很多。于宏兵等采用大孔树脂固定化酶做生物载体的水解酸化反应器，并采用这套装置处理玉米加工过程中产生的富含蛋白质废水(黄浆废水)，结果表明：这套反应装置运行稳定，在低C/N 值和低负荷条件下，酸化相的酸化率(VFA/COD)即可达30%以上，其出水pH 值稳定在6.7～7.0；产甲烷相对COD 的去除率为91.3%，进水C/N 值对产甲烷相去除COD 有明显影响。利用固定化细菌细胞降解含酚的废水也已用于废水处理，例如，Sohel Dalal 等采用生物亲和性分层固定化辣根过氧化物酶处理含酚废水，对氯苯酚的去除率达到了99%。Akay 等采用膜-固定化酶法处理含酚废水，结果表明：固定化酶降解苯酚的降解率达到了1.3g/cm2。
Tsekova 等通过自由组装固定化细胞黑曲霉去除工业废水中的重金属离子，结果表明：该固定化酶对工业废水中的Cd2+，Pb2+去除率高达90%以上，对Fe3+，Cu2+去除率到70%以上，对Zn2+，Ni2+，Mn2+去除率到50%以上。酶是一种非常高效的催化剂，具有对有机污染物和重金属离子催化氧化还原作用，应用规模较大。固定化酶技术主要是通过酶固定化实现酶的循环利用，在保持其生物活性的前提下使其不悬浮于水中，固定化酶技术首先保证了酶自身特有的高效催化效果，并在此基础上使其具有与水容易分离、稳定性良好的特点，固定化酶技术广泛用于高浓度有机废水。
2.3 生物膜法
膜生物反应器(MBR)去除有机物和NH3-N污水中的各种酚类、氰化物、重金属、有机汞、有机磷、醛、有机酸及蛋白质等有毒物质。MBR 装置是通过生物膜过滤，污泥截留在反应器内，采用MBR 工艺处理含高有机污染物和NH3-N 污水，在相同的生化池条件下，较传统工艺对COD、悬浮物、NH3-N 去除率要高，MBR 工艺在处理医药废水中，出水达到了生活用水的标准。Dvorǎk 等采用移动床生物膜反应器处理含苯胺、氰化物和二苯基胍废水，该方法处理这种难降解的工业废水去除效率高，结果表明：对废水中氰化物去除率达到了99%，苯胺去除率也到达了85%以上，二苯胍，苯脲和N，N-二苯基脲去除率几乎为零。Muhamad 等采用生物膜反应器对造纸废水中COD，NH3-N 和2，4-二氯苯(2，4-DCP)的去除，结果表明：对COD，NH3-N 和2，4-DCP 去除率分别为94.8%，100%和80.9%。生物膜法具有简单高效、处理量大的优点，尤为重要的是它在处理废水的过程中不会对环境造成二次污染，该方法已经在各地污水处理厂得到了广泛应用。对减少废水污染排放、节约水资源具有重要意义。
2.4 生物流化床技术
生物流化床工艺(简称BFB)用于污水深度处理，能在原有污水达标排放的基础上，经过生物流化床系统，进一步降低COD、NH3-N、浊度等指标。生物流化床是指为提高生物膜法的处理效率，以砂(或无烟煤、活性炭等)作填料并作为生物膜载体，废水自下向上流过砂床使载体层呈流动状态，从而在单位时间加大生物膜同废水的接触面积和充分供氧，并利用填料沸腾状态强化废水生物处理过程的构筑物。活性碳由于吸附大量微生物，成为生物活性碳，使活性碳不仅存在着对小分子有机污染物的吸附和富集作用，还存在着活性碳对微生物的吸附和保护作用。彭喜花等以凹土、炭粉和聚乙烯泡沫为主要原料制备悬浮空心凹土载体，应用于三相生物流化床处理低浓度有机废水，结果表明：COD 和氨氮值降低率最大值分别为91.5%和93.4%。Lohi 等采用三相流化床反应器生物降解柴油污染废水，结果表明：该技术对污水中的COD 去除率达到了96%以上。生物流化床技术使生物膜、废水、空气三相充分接触，相互碰触，生物膜不断更新，微生物生长始终处于旺盛阶段，生物流化床技术因具有处理容量大、效率高、应用范围广等优点而受到研究者的广泛关注。
2.5 生物脱氮技术
生物脱氮技术是将废水中的有机氮通过酶和微生物作用转化成NH3-N，通过硝化作用将NH3-N 转化为NH3-，再通过反硝化技术将NH3-还原为N2从水中逸出，从而达到生物脱氮的目的。生物脱氮技术在普通生物化学处理技术的基础上发展起来的，于上世纪70 年代起源于加拿大，80 年代英国投入到实际废水中的应用。由于传统活性污泥法对废水中的NH3-N 和COD 的处理很难达到国家排放标准，因而RON、ANAMMOX、RON-ANAMMOX、CANON、OLAND 等生物脱氮技术被相继研发出来。生物脱氮技术存在着以下缺点：工艺流程长，占地面积大；微生物菌群繁殖时间长，且难以维持高浓度，需要较大的曝气池；需要进行污泥和消化液回流，动力成本高。RON 工艺主要是使氨氧化控制在亚硝化阶段，实现了短程硝化/反硝化，但是，工艺出水浓度相对较高，而且反硝化运行成本昂贵。ANAMMOX 处理效率虽高，却对进水的NO2-/NH4+比例有严格要求，而通常在污水处理中很少发生亚硝酸积累现象。RON 与ANAMMOX 耦合工艺是目前自养工艺研究的重点，因为该工艺结合了亚硝化与厌氧氨氧化过程优点，从而得到最优的处理效率。王震等采用生物脱氮技术在味精废水处理中的应用，结果表明：处理效果持续稳定，NH3-N 的去除率可达到94%以上，实现了味精废水NH3-N 达标排放要求。Hajaya 等采用连续流生物脱氮技术处理家禽加工废水，结果表明：该技术对废水中的NH3-N 去除率达到了100%。
等采用分步SBR 技术生物脱氮除去废水溶液中NH3-N，去除率高达98%。生物脱氮技术主要采用生物的方法脱除废水中的有机氮，该方法主要用于处理含NH3-N 高的废水。
2.6 微生物絮凝剂
微生物絮凝剂是利用生物技术，通过微生物发酵，制备一种具有生物降解性和安全性的新型、高效、无毒廉价的水处理剂，这些都是目前使用的无机或有机合成高分子絮凝剂等所不具备的。通过细菌、真菌等微生物生产出的生物絮凝剂由于具有使用成本低，不会导致二次污染等优点已广泛应用于工业废水处理中。李文鹏等采用造纸厂剩余污泥为原料制得两种微生物絮凝剂CBF 和LBF，它们对造纸废水和生化废水的COD、SS 和色度均有较好的处理效果。王春燕等以城市污水处理厂的脱水污泥为原料，通过超声波破碎、丙酮沉淀及冷冻干燥得到了微生物絮凝剂JT06，同时对该絮凝剂的制备条件及絮凝特性进行了研究。结果表明：该絮凝剂在pH 值为1～4 时对高岭土悬浊液的絮凝活性较强，没有金属阳离子的助凝作用仍可取得较高的絮凝率；当pH>4 时，不同的金属阳离子具有不同的助凝作用。絮凝体系中的CaCl2溶液浓度与絮凝剂投加量之间存在密切关系，CaCl2溶液的浓度越高则絮凝剂的最适投加量越大。芦艳等从活性污泥中筛选出絮凝剂产生菌，以M-3 为例进行絮凝特性研究，并与传统絮凝剂聚合氯化铝(PAC)进行比较，结果表明，M-3 产生的絮凝剂属于胞外絮凝剂，利用粗品对造纸污水进行处理，结果表明，在pH12、生物絮凝剂加入量为7ml、加入5ml质量分数1%的CaCl2时，絮凝率可达98%，COD 去除率为59.30%，氨氮去除率大于96%，絮凝效果高于聚合氯化铝。常洪娟通过副干酪乳杆菌诱变筛选，获得细胞外多糖高产菌株，制备乳酸菌微生物絮凝剂并用于酒精槽液，絮凝率达95.5%，COD 去除率达97.5%。Zhang 等采用一种新型污泥微生物絮凝剂处理污水处理厂废水，实验结果表明：微生物絮凝剂处理废水的效果比传统絮凝剂聚丙烯酰胺去除率要好。Feng 等采用微生物絮凝剂GA1 从水溶液中除去铅(II)离子，考察了pH 值，投加量，温度等对溶液中铅(II)离子吸附的影响，结果表明：微生物絮凝剂GA1 对溶液中铅(II)离子除去率达到了99.85%，同时该吸附过程符合拟二阶动力学模型。随着现代环境生物技术的发展，生物絮凝剂的研发及应用具有广阔的市场前景。
3.结论
现代环境生物技术在水处理方面的应用是利用微生物的生命活动过程对废水中的污染物进行转移和转化，从而使废水得到净化的处理。现代环境生物技术在水处理中发展迅速，活性污泥法、生物膜法、生物脱氮技术、微生物絮凝剂以及生物发酵技术在水处理中的应用已趋于成熟。随着我国对环境问题的高度重视，对环境生物技术的需求越来越受关注。环境生物技术作为一种有效的废水治理技术，其在城市生活污水，工业废水等方面都得到了广泛应用。大力发展现代环境生物技术，不仅是推进我国实现循环经济，实现可持续发展的重要举措，更是实现发展文明之路的重要技术保障。现代环境生物技术的发展将从根本上解决我国目前和未来面临的严峻环境保护问题，并将为水处理药剂市场提供高品质产品。应该充分认识到现代环境生物技术与产品研发及应用对我国环境保护和社会经济的持续快速发展具有重要意义。