生物降解及其在水土污染防治中的应用研究

张一沛

(北京市第五中学,北京 100007)

水资源的匮乏以及日益严重的水质污染不仅是我国亟待解决的难题,也是全世界亟待攻克的难题。我国水资源总量丰富但是地域分布不均匀,人均水资源量只有2300立方米,仅为世界平均水平的1/4,是全球人均水资源最贫乏的国家之一。为了加速社会化建设和经济发展,就必须加快工业发展、城市化建设……这些都会加剧水资源的匮乏。因此,如何实现可持续发展是我国亟待攻克的难题。

1 我国水土污染防治的形势分析

想要清除污染的源头,从根本上治理水土让水资源得到科学合理的管理并不容易。尽管我国制定了很多相关的条文和政策,但实施不到位,没有明确管理的部门,落实职责。很多地方官员为了实现经济的最大效益,依旧会忽略水土污染问题。再者,我国处理水土污染问题时间尚短、经验不足,主要表现如下：

(1)污染状况调查不严不实。我国虽然组织开展了全国土壤污染状况调查,但对土壤污染底数不清,部门调查的结果只能大致了解全国土壤污染的总体趋势,土壤污染的具体状况,分布、面积、污染程度等模棱两可,还需要进一步的调查。

(2)我国制定的评估标准不够完善。我国处理水土污染问题时间尚短、经验不足,因此土壤的保护治理体系制定的不够健全有效。土壤污染指标如何评估尚不明确,调查工作、修复方案、风险把控等都没有明确的指导方向。

(3)没有针对我国社会现状、经济发展状况等制定符合我国国情的水土保护与治理体系。

(4)目前,我国已经开展了多个水土污染修复治理的方案,但是取得成效的并不多。资金不足、科技发展落后、管理理念不明确是主要原因。水土污染治理不仅需要大量的资金投入而且治理途中难以避免二次污染……这些都是目前我国科技水平不能解决的。这些因素无疑加大了我国水土污染治理的难度,也让有些地方轻视了水土治理的重要性,不按国家制定的体系与法规治理。

2 生物降解技术体系在水土污染防治中的应用

好氧处理是微生物在适宜碳氮比、含水率和氧气等条件下,将有机物降解、转化成腐殖质样物质的过程。生物降解就是以好氧处理为基础建立技术体系,逐步研究。除了好氧微生物,厌氧微生物也可以降解有机物,不同的是厌氧微生物不需要氧气就可以降解有机物。因此根据微生物的种类、生物化学反应发生的条件以及产物等,可以大致将生物降解分为好氧处理和厌氧处理。如果只是单纯的让好氧和厌氧微生物降解有机物,速度太慢,很难起不到净化处理的效果。生物酶可以降低活化能加快反应的进行、提高反应速度,在生物降解中作用巨大。好氧和厌氧微生物降解各有特点：好氧降解的速度很快也很彻底,它可以将有机物彻底降解,并释放大量能力供微生物吸收利用;厌氧降解反应速度较慢,降解也不够彻底,中间可能会形成小分子的有机物质,释放的能量也较少。根据以上特点,好氧降解的应用更加广泛。但是厌氧降解有两个优点不容忽视：一是它可以改变有机物质的分子结构,将一些难降解的有机物转变为小分子的有机物,降低降解的难度;二是降低有机物的比率。综上特点,人们在用生物降解技术处理废水时,通常会先进行厌氧降解再进行好氧降解。

2.1 好氧降解技术

好氧处理主要依靠活性污泥和生物膜。

2.1.1 活性污泥法

活性污泥法是污水生物处理的一种方法。该法以活性污泥为主体,人工通入氧气后污水和各种微生物混合培养就会形成活性污泥。活性污泥具有生物凝聚、吸附和氧化等作用,它具有很好的凝聚功能,可以快速吸附有机物,并将有机物分解吸收。活性污泥的沉降性能也很好,可以使污泥与水分离,大部分污泥再回流到曝气池重新处理,少部分则排出活性污泥系统。污水处理基本上会经过两个阶段,第一阶段是活性污泥凝聚吸附污水中的有机物,第二阶段是好氧细菌分解有机物质。影响活性污泥过程工作效率的因素很多,主要是处理方法的选择与曝气池和沉淀池的设计及运行。

活性污泥反应系统由曝气池、沉淀池、污泥回流和剩余污泥排除四部分组成。水中氧气的含量和微生物的活性是活性污泥法进行的基本要求。很多科学家把改进充氧方式和稳定微生物活性作为研究重点。序批式活性污泥法污水不同于传统的活性污泥法,它是通过间歇曝气来运行的,其核心是SBR反应池,SBR反应池功能十分强大,初沉、生物降解、二沉等都可以在该池进行且无污泥回流。S B R反应最大的优点就是除去了处理剩余污泥的步骤,节省了大量时间、场地和费用。广泛应用于间歇排放和流量变化较大的场合。

2.1.2 生物膜法(Biofilmtechniques)

生物膜法也是一种重要的废水好氧生物处理技术。生物膜实际上是一种固定膜,可以形成相对稳定的生态环境有利于微生物生长,因此生物膜上生长的微生物种类要比活性污泥中的丰富。微生物生长繁殖形成粘液状的膜可以用来净化废水。微生物的生长、分解有机物等过程会使生物膜厚度不断增加,达到一定厚度,氧气便不能透过生物膜进入内部深处,环境也会转化为厌氧。厌氧状态产生的代谢物质逐渐累积,会打破厌氧膜与好氧膜之间的平衡;而气体产物会削弱生物膜的附着性。生物膜逐渐老化,丧失净化功能,且会自动脱落,形成污泥。生物膜具有生物种类多处理能力大,处理后剩余污泥量少,实际操作方便,所需要花费的时间金钱少等优点。但是建造生物膜处理系统所需资金要高于活性污泥法,生物膜老化、脱落过程容易形成细小的碎片,这些碎片会让处理后的水很浑浊。

2.2 厌氧生物处理技术

其实人们对厌氧微生物的历史很悠久,早在远古时期,人们就已经接触到某些天然厌氧微生物发酵产生的酒。1881年英国科学家LouisMouras首创了自动净化器,应用厌氧微生物处理废水正式进入了人们的视野。之后各国科学家都研究创造了不同种类的厌氧生物处理装置,但是厌氧技术无论是理论、技术还是应用上都远远落后好氧生物处理的发展。随着全球资源短缺,各国的环保意识越来越强,厌氧技术的优点也日益凸显,厌氧不需要供氧消耗的能源少,产生的甲烷还可以作为沼气提供能源。因此科学家重新定义了厌氧的应用,完善了厌氧微生物处理技术的理论和实践研究,针对厌氧技术的低耗能和产物设计建造了新型的厌氧反应器,比如：厌氧滤器(AF)、厌氧流化床和膨胀床反应器(A F B R)、上流式厌氧污泥床反应器(UASB)、内循环厌氧反应器(IC)、升流式固体反应器等。但是厌氧生物处理过程时间太长,有机物分解不够彻底,会产生臭气和有害物质。

3 结语

生物降解技术不仅能解决废水循环利用的问题,随着人们对生物降解技术的深入研究,相信在不久的将来,生物降解将能发挥更大的作用,处理更多的资源污染问题。同时降解过程中好氧、厌氧微生物产生的能量有可能转变为能源被人们利用解决资源匮乏的问题。尽管厌氧微生物产能少、速度较慢,但它耗能少、产泥量少等优点是不容忽视的,可以针对其优点重点研究利用。进一步研究完善现有的污水处理作用很重要但是也不能忽视对新技术的创新和开发,多角度、多方向弥补污水处理的不足、提高废水处理的效率,才能实现废水处理的绿色经济高效。绿色环保意识的兴起,各国的科学研究和工业发展都越来越重视绿色环保,清除污染的源头,从根本上治理环境将是各国研究的重点。

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