科技日報記者 趙漢斌

水是一種不可再生的資源，而且是社會持續(xù)發(fā)展中必不可少的重要資源。隨著城市化發(fā)展，工業(yè)化推進(jìn)，越來越多不易去除的污染物質(zhì)進(jìn)入自然環(huán)境中，對環(huán)境造成破壞，最終影響人類健康。

經(jīng)過長期的實踐證明，傳統(tǒng)的污水處理方法已經(jīng)很難滿足現(xiàn)有污染物的去除需求，因此研究和開發(fā)新型有效的處理技術(shù)是當(dāng)前的主要任務(wù)。

微生物固定化技術(shù)憑借其污染物治理效果好、優(yōu)勢菌種富集率高、微生物活性高、抗環(huán)境干擾能力強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)成本低以及可重復(fù)利用等優(yōu)勢得到了國內(nèi)外眾多學(xué)者的關(guān)注。隨著技術(shù)的發(fā)展，能夠“吃污”的微生物，在污水處理領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

貴州省威寧草海（2020年6月17日攝） 科技日報記者 趙漢斌 攝

污水治理，微生物“黑科技”眾望所歸

黑臭水體、工業(yè)污水、生活污水恣肆橫流……但只要在水體中投放不同的微生物，一潭死水很快“活”起來，重新形成一個平衡的生態(tài)系統(tǒng)。

從這時起，分解者生物、生產(chǎn)者生物，還有消費(fèi)者生物開始分工協(xié)作；污水中的污染物，也成為“別人”的食物，一條條食物鏈也由此形成，架構(gòu)起縱橫交錯的食物網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)。

在這個系統(tǒng)中，水中的有機(jī)污染物等，不僅被細(xì)菌和真菌降解凈化，其降解的最終產(chǎn)物，以太陽能為初始能源，參與食物網(wǎng)中的新陳代謝過程，最后轉(zhuǎn)變成水生作物、魚、蝦、蚌、鵝、鴨等生命體產(chǎn)物，通過循環(huán)保持水體的綜合生態(tài)平衡，污水變清……這不是美好的愿景，而是真實的場景。

水的污染，通常指人為原因造成的水質(zhì)惡化，降低水的使用價值，主要污染物是固體廢棄物和需氧有機(jī)物、難降解有機(jī)物、重金屬、植物營養(yǎng)物質(zhì)、酸、堿和石油類物質(zhì)等化學(xué)物質(zhì)。

目前，傳統(tǒng)污水處理技術(shù)，主要有通過重力沉降、混凝澄清、浮力浮上、離心力分離、磁力分離等物理法即不溶態(tài)污染物的分離技術(shù)，以及通過酸堿中和法、化學(xué)沉淀法、氧化還原法、化學(xué)物理消毒的污染物的化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)。此外，通過利用吸附法、離子交換法、膜分離法、蒸發(fā)法、冷凍法等進(jìn)行的溶解態(tài)污染物物理化學(xué)分離技術(shù)，也有相應(yīng)的應(yīng)用。

但這些傳統(tǒng)方法中，物理方法通常占地面積大，基建費(fèi)、運(yùn)行費(fèi)高，能耗大，管理復(fù)雜，易出現(xiàn)污泥膨脹現(xiàn)象，設(shè)備不能滿足高效低耗的要求，單獨(dú)使用效果不明顯；化學(xué)方法運(yùn)行成本高，消耗大量的化學(xué)試劑，易產(chǎn)生二次污染。在大多數(shù)情況下，物理化學(xué)法結(jié)合使用，弊端明顯。

如何使城鄉(xiāng)污水處理工藝朝著低能耗、高效率、少剩余污泥量、最方便的操作管理，以及實現(xiàn)磷回收和處理水回用等可持續(xù)的方向發(fā)展，且所采用的技術(shù)必須以低能耗和少資源損耗為前提，微生物技術(shù)滿足了以上的要求。

微生物包括細(xì)菌、病毒、真菌等。“微生物技術(shù)，主要是利用微生物的代謝反應(yīng)過程和生物合成產(chǎn)物，對污染環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測、評價、整治以及修復(fù)的單一或綜合性的現(xiàn)代化人工技術(shù)系統(tǒng)?！遍L期從事生物工程和環(huán)境治理研究的包頭輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院教師王美霞介紹，它不僅包含了生物技術(shù)所有的特點(diǎn)，還融合了環(huán)境污染防治以及其他工程技術(shù)，目前已逐步發(fā)展成為一種經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益俱佳、解決水污染等突出環(huán)境問題的有效手段。

根據(jù)污染水體底物不同，微生物固定化的優(yōu)勢菌種也不同。主要包括去除多環(huán)芳烴類的銅綠假單胞菌、黃孢原毛平革菌、紅球菌等；去除氨氮的皺褶念珠菌、副球菌屬以及赤水黃桿菌等；去除苯酚的不動桿菌、短桿菌屬以及皮氏羅爾斯通氏菌等；去除重金屬的微生物主要有去除汞的蠟樣芽孢桿菌、去除砷的硫酸鹽還原細(xì)菌、去除鉻的黑曲霉和銅綠假單胞菌以及去除銅的黃孢原毛平革菌等。

經(jīng)過治理，昆明大觀河近年水質(zhì)明顯改善，大觀公園成為鷗鷺棲息、游人如織的景區(qū)。（2022年2月1日攝） 科技日報記者 趙漢斌 攝

小小微生物，“實戰(zhàn)”建奇功

虎年新春，貴州威寧草海雪后初晴，數(shù)百只黑頸鶴在湖面翩翩起舞，成群灰雁時而在低鳴翱翔、時而在水中游憩，白鷺在岸邊踱步捕食，引得路人駐足欣賞，紛紛拍照或錄個短視頻。

威寧草海是典型的高原淡水湖，也是貴州最大的天然淡水湖泊。過去幾十年間，隨著人口增多、人類活動頻繁，威寧草海一度瀕臨消失，水體富營養(yǎng)化突出。為此，“拯救草?！背蔀榻?0年來最重要的行動。

隨著綜合工程的推進(jìn)，貴州大學(xué)副校長周少奇率領(lǐng)的團(tuán)隊，突破國際上生物脫氮研究領(lǐng)域長期無法逾越的難題，妙用微生物脫氮技術(shù)，破解了水環(huán)境治理密碼，讓草海明珠重?zé)ó惒省Ｍ瑫r，周少奇團(tuán)隊還把新技術(shù)與工程化應(yīng)用推廣到城市污水、煉油廢水、垃圾滲濾液和農(nóng)村污水等廣闊領(lǐng)域，效果顯著。

2016年，長沙高新區(qū)肖河、雷鋒河黑臭水體引人詬病。湖南三友環(huán)?？萍脊煞萦邢薰纠盟w微生物活化系統(tǒng)，在短短一個半月時間里，便消除了肖河的黑臭問題，讓微生物技術(shù)“名聲大噪”。“簡單地說，就是通過有效激活水體微生物，使之不斷大量繁殖，以重組、完善和優(yōu)化水體微生物生態(tài)系統(tǒng)，促使水體恢復(fù)自凈能力?！痹摴镜囊拙巢┦拷榻B說。

無獨(dú)有偶，在上海市楊浦區(qū)長海新村西湖園，從被大片藍(lán)藻覆蓋的濁綠水塘，變成魚兒暢游其間的清流，湖水水質(zhì)也從劣五類變身為二、三類。創(chuàng)造這一奇跡的，是同濟(jì)大學(xué)環(huán)境新技術(shù)團(tuán)隊新近研發(fā)的創(chuàng)新技術(shù)——水體微生物活化系統(tǒng)。這一技術(shù)也應(yīng)用于云南滇池東岸30萬平方米的海東濕地生態(tài)修復(fù)凈化工程。

工業(yè)廢水、生活污水、化石燃燒等產(chǎn)生的污水中，重金屬是最醒目的“元兇”，當(dāng)重金屬進(jìn)入人體內(nèi)會對人體造成嚴(yán)重的危害。微生物固定化技術(shù)去除水體中的重金屬離子，也是近年的研究熱點(diǎn)。

中國地質(zhì)大學(xué)教授馮傳平團(tuán)隊對“微生物－磷礦物－海藻酸鹽”固定化顆粒處理含鉻廢水的效果以及微生物群落特征進(jìn)行分析，結(jié)果表明固相顆粒在不同操作條件下均表現(xiàn)出鉻還原效率高、抗鉻毒性好、磷余量低等優(yōu)勢。此項研究，為含鉻廢水的治理提供新的視角和理論依據(jù)。

而在業(yè)界已廣泛采用的生物膜法，即利用在固體載體表面附著生長的微生物所形成的生物膜，去除廢水中溶解性有機(jī)污染物的一類方法。除了治理水體污染，微生物在重金屬、固體廢棄物、大氣污染等的治理過程中，均取得了顯著效果。

昆明滇池草海一角（2022年1月30日攝） 科技日報記者 趙漢斌 攝

微生物治理水環(huán)境前景廣闊

據(jù)住建部和中商產(chǎn)業(yè)研究院的數(shù)據(jù)表明，2016年我國污水年排放量480.30億立方米，2018年突破500億立方米，2020年增至571.36億立方米，2021年預(yù)計達(dá)589.64億立方米。

2021年底，工信部發(fā)布的《“十四五”工業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃》提出，要加強(qiáng)高耗水行業(yè)廢水、海水和再生水等非常規(guī)水高效利用；重點(diǎn)推廣工業(yè)廢水深度治理回用、高效提取分離、高效膜分離等工藝裝備技術(shù)。

微生物固定化技術(shù)因其處理效率高、應(yīng)用范圍廣且無二次污染等優(yōu)勢在污水治理領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，并已取得良好的處理效果，為生物法治理氮磷廢水、重金屬廢水、印染廢水和有機(jī)廢水等提供了廣闊的舞臺。

微生物治理污水技術(shù)的關(guān)鍵，就是合適的底物固定化方法、高效的優(yōu)勢菌種和良好的固定化載體。

科技日報記者了解到，各種單獨(dú)的固定化方法，有利有弊，今后學(xué)界微生物治理污水方面，將聯(lián)合使用多種固定化方法，高效富集優(yōu)勢菌種以去除污染物；在優(yōu)勢菌種方面，尋找出更易培養(yǎng)、更高效的菌種，并提高菌種在復(fù)雜環(huán)境中的生存能力；在載體材料方面，可以對磁性納米材料、可生物降解多聚物材料、緩釋材料以及多種功能載體材料的復(fù)合使用進(jìn)行更多的研究，從而提高載體的微生物固定性能和污染物去除效果。同時通過提高“載體－微生物”體系的穩(wěn)定性與經(jīng)濟(jì)性，促進(jìn)規(guī)?；a(chǎn)，加快推進(jìn)微生物固定化技術(shù)的實際應(yīng)用。

2021年我國推出了多項涉及污水處理政策，推進(jìn)污水資源化利用，污水年處理量提升，工業(yè)污水處理投資增加。目前，隨著科技成果的轉(zhuǎn)化和國內(nèi)一批生物環(huán)境治理企業(yè)興起，微生物污水處理被廣泛應(yīng)用于建筑、農(nóng)業(yè)、交通、能源、石化、環(huán)保、城市景觀、醫(yī)療餐飲等各個領(lǐng)域。

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