生物技術在大氣污染治理中的應用研究

李宏偉

（南陽市生態環境局南召分局，河南 南陽 474650）

引言

由于工業排放和交通尾氣等因素，我國大氣污染問題較為嚴重，傳統的大氣污染治理方法雖然取得了一定成效，但仍面臨能耗高、成本昂貴和可能產生二次污染等挑戰。因此，尋找更為高效、經濟且環保的污染治理方法變得尤為迫切。生物技術作為一種新興的污染治理技術，因其獨特的優勢—低能耗、無二次污染和良好的經濟效益，成為大氣污染治理的一個重要研究方向。

1 我國大氣污染現狀

1.1 我國大氣污染的主要污染源

1.1.1 工業廢氣導致的污染

我國70%左右的電力依靠燃煤火力發電，燃煤釋放的煙塵是PM2.5和PM10的重要組成部分。火力發電過程中的硫氧化物和氮氧化物排放也是主要的污染源；工業生產過程中的有組織廢氣排放，如煉鋼、煉油、電鍍等工業生產過程會直接排放二氧化硫、氮氧化物、碳酸氣等大氣污染物；某些工業生產過程也會排放少量顆粒物；涂料、油漆、合成材料、醫藥等多個行業的有機溶劑和半成品的揮發會產生揮發性有機物排放，它是地表臭氧的前體物質之一。這些工業廢氣中的污染物是導致我國主要城市PM2.5、PM10和地面臭氧升高的重要原因，也是當前治理的重點。

1.1.2 交通運輸尾氣導致的污染

2021年6月全國城市空氣質量報告顯示，168個城市的二氧化氮月均濃度范圍在7～39 μg/m3之間，平均濃度為21 μg/m3。二氧化氮是氮氧化物的一種，主要來源于汽車尾氣等的燃燒排放。因此可以看出，交通運輸尾氣對空氣二氧化氮污染有很大貢獻。大都市及人口稠密區域的空氣二氧化氮污染情況更為嚴重，如北京市二氧化氮月均濃度為19 μg/m3，上海市為28 μg/m3，這與交通流量大、汽車密度高有關。重度及以上污染天數中，以PM10和臭氧超標最多，其中汽車尾氣中的二氧化氮轉化而成的臭氧是重要的光化學污染物，嚴重影響空氣質量。交通運輸尾氣中的氮氧化物、碳氫化合物、顆粒物等污染物，對城市空氣質量和能見度下降有重要貢獻。

1.2 典型污染物

工業廢氣和交通運輸尾氣中存在以下幾種典型的污染物，它們對大氣環境和人類健康構成嚴重威脅，如表1所示。

表1 幾種典型污染物的來源及危害

1.3 大氣污染治理面臨的挑戰

1.3.1 相關法律法規執行難

在大氣污染治理領域，相關部門雖然已經制定了一系列相關的法律和法規，但在執行過程中仍然遇到一些問題：（1）監管不足：監管機構在人力、財力和技術支持方面限制了法規執行的效率和成效。這種不足導致對污染排放標準的監測和執法力度不足，從而使得部分企業得以規避環保責任。（2）法律適用性和靈活性不足：現行環境法律和法規在應對快速變化的工業和城市環境時，缺乏靈活性和適應性。這種情況在面對新興污染物和新技術時尤為明顯。

1.3.2 治理技術亟待創新

盡管目前存在多種大氣污染治理技術，但在應對日益加劇的大氣污染問題時，這些技術面臨一些問題：（1）效率和成本：當前一些污染控制技術在處理大規模污染和多種污染物時，往往難以滿足高效和經濟的要求。例如，某些脫硫或脫硝技術在處理大型發電廠排放時，面臨成本高昂和效率不足的問題。（2）適應性和普適性：不同地區和行業的污染特點各異，現有技術在滿足這些多樣化需求方面仍顯不足。例如，在處理特定工業排放時，某些技術可能無法有效去除特定污染物。（3）持續性和環保性：現有治理技術在保證操作的持續性和環保性方面存在挑戰。例如，某些物理吸附技術在長時間運行后可能失效，或在處理過程中產生新的污染物。

2 生物技術治理大氣污染的工作原理

2.1 微生物降解機理

微生物降解是指利用微生物的代謝活動來去除或轉化污染物的過程。在大氣污染治理領域，特定微生物能夠有效吸收和分解空氣中的有害化學物質；某些微生物可將空氣中的污染物如氮氧化物、硫化物等作為能量源。例如，一些細菌能夠通過代謝過程將氮氧化物轉化為氮氣和水。研究表明，硫氧化細菌如硫桿菌屬能有效地將硫化物轉化為硫酸鹽，從而降低大氣中硫化物的濃度；微生物通過其細胞結構能吸收空氣中的有毒物質，如重金屬顆粒等。例如，某些菌株如假單胞菌屬細菌能夠通過生物富集機制有效降低空氣中鉛等重金屬的濃度。這些微生物通過細胞表面的特定結構吸附重金屬，從而降低其在空氣中的濃度。特定微生物能催化化學反應，加速污染物的分解。例如，一些微生物能促進氮氧化物轉化為氮氣的過程，如硝化細菌和反硝化細菌通過一系列反應將硝酸鹽還原為氮氣，這一過程在降低大氣中氮氧化物濃度方面發揮了重要作用。

2.2 植物修復機制

植物修復是指利用植物及其根際微生物的天然處理能力，來凈化被污染的空氣的技術。植物通過葉片和根系可以吸收空氣中的污染物，如顆粒物和某些氣態污染物[1]。研究表明，常綠植物如松樹，能通過其葉片有效吸附并積累顆粒物。此外，某些植物能通過葉片吸收氮氧化物等氣態污染物，并在體內轉化或儲存；在光合作用過程中，植物能轉化空氣中的某些有害化學物質，如二氧化碳等。一項研究指出，通過城市綠化種植的植物，如銀杏樹，可以有效降低空氣中的二氧化碳濃度，從而有助于減少大氣污染。植物的根系與根際微生物共同作用，有助于增強對土壤中污染物的吸收和轉化，間接減少空氣污染。還有一些研究發現，某些草本植物的根系能有效吸收土壤中的重金屬，如鉛和鎘，并通過根際微生物的作用，促進這些污染物的穩定化和降解。

3 環保生物技術治理大氣污染的效果

3.1 技術優勢

3.1.1 反應溫和、高效、低能耗

生物技術在大氣污染治理中反應條件溫和，能耗相對較低。與傳統的化學和物理方法相比，生物治理技術通常在常溫或接近常溫條件下進行，避免了高溫所需的昂貴能源投入。此外，在生物處理過程中，微生物的代謝活動能有效轉化污染物，從而實現高效的污染治理。例如，利用特定微生物對大氣中的硫化物或氮化物進行轉化，可以在能耗較低的情況下，達到較高的去除效率。

3.1.2 無二次污染

生物技術治理大氣污染幾乎不產生二次污染。傳統的化學處理過程常常伴隨有害副產品的產生，這些副產品本身可能構成新的環境問題。相反，生物治理技術利用微生物將污染物轉化為無害或低害的物質，如將有害氣體轉化為生物量或其他環境友好型物質，從而極大減少了對環境的二次傷害。

3.1.3 經濟及社會效益好

生物技術在大氣污染治理中具有操作簡便、能耗低、無二次污染等特點，長期運行成本相對較低。這使得它對于資源有限的地區尤為適用。此外，生物治理技術的推廣及應用還有助于提升公眾對環保科技的認知水平和接受度，從而促進了社會對可持續發展的重視。

3.2 生物技術治理大氣污染的效果

3.2.1 減輕污染危害

生物技術利用微生物將有害氣體轉化為無毒或低毒物質，有效降低了污染物在環境中的濃度，從而直接減少了這些污染物對人類健康和生態系統的危害[2]。例如，通過生物濾池技術處理工業排放的硫化物和氮化物，能有效降低這些氣體的排放量，減少酸雨和空氣污染對環境的影響。

3.2.2 改善空氣質量

生物技術可以有效減少關鍵污染物質如顆粒物、揮發性有機化合物和氮氧化物等，從而對提高空氣質量起到了積極作用。通過這些技術的應用，空氣中的污染物得到有效控制和降解，空氣質量因而得到顯著改善。

3.2.3 促進可持續發展

環保生物技術不僅減輕了環境壓力，而且通過提高資源的循環利用率和促進清潔能源的使用，支持綠色經濟的發展。此外，生物技術的應用還鼓勵了跨學科的研究和創新，促進了科學技術在環境保護領域的發展，這對實現社會、經濟和環境的和諧共生至關重要。

4 生物技術治理大氣污染的應用方式

4.1 生物過濾器的使用

生物過濾器的核心是利用微生物的代謝作用來降解或轉化空氣中的污染物。這些設備通常包含以下幾個關鍵組成部分：（1）過濾介質：過濾介質為微生物提供了棲息地和營養源。常見的介質包括泥炭、木屑、復合樹脂等，這些材料具有良好的孔隙率和水分保持能力，有助于微生物的生長和污染物的吸附。（2）微生物種群：選擇合適的微生物種群至關重要。通常微生物的選擇取決于目標污染物的性質，這些微生物能夠針對特定的污染物進行有效降解。（3）控制系統：現代生物過濾器配備了高度精密的控制系統，用于監控過濾器的環境條件，如溫度、濕度和污染物濃度，以確保過濾效率。

例如，湖南農藥廠因生產農藥滅多威，產生大量惡臭氣體，主要成分是甲硫醇、甲硫醚。以前，該工廠廢氣處理采用焚燒法，由于廢氣中含有硫，焚燒后會生成硫的氧化物，依然會對環境造成影響。2015年，該工廠采用微生物凈化器設備，對甲硫醇和甲硫醚的處理效率達到75%以上，如圖1所示。

圖1 一種農藥廢氣VOC生物凈化工藝圖

4.2 植物修復的運用及配置

4.2.1 植被類型的選取

植被類型的選取應具備以下特點：（1）高污染物吸收能力：選取的植物應能有效吸收大氣中的有害物質，如重金屬、二氧化硫等。（2）環境適應性強：植物應能適應當地的氣候和土壤條件，保證其生長的穩定性和持續性。（3）維護需求低：選擇生長周期長、維護成本低的植物，以降低整體管理成本。例如，桉樹和楊樹因其快速生長和高污染物吸收能力，被廣泛用于工業區和城市的大氣凈化。

4.2.2 園藝布局搭配

園藝布局搭配不僅要考慮美觀性，還需考慮其環境凈化功能。相關人員要綜合考慮不同植物對各類主要空氣污染物的凈化能力和凈化效率，選擇適當的植物組合，旨在提高園藝布局對復合污染的整體凈化作用。在兼顧美觀性的基礎上，相關人員應合理設計植被種類、密度和分布，力求達到更高的覆蓋度，增強空氣凈化功能的整體效果；要精心規劃植物的間距和布局，確保植物獲得充足的生長空間和陽光，同時兼顧空氣的流通需求。比如，安徽省馬鞍山市某鋼鐵廠周邊規劃了環形綠化帶，通過配置綠米杉、云杉、青錢柳等抗污染樹種進行綠化，旨在凈化周邊工業排放的污染氣體。這一綠化帶采取了立體化垂直種植方式，綜合喬木、灌木和草地等多層次結構，實現高密度植被覆蓋。現場監測數據顯示，該綠化帶可使廠區周邊區域二氧化硫和可吸入顆粒物的濃度分別降低18.4%和20.1%。同時，立體化綠化構造也創造了良好的氣流條件，有利于污染擴散稀釋。工業區周邊環境綠化帶的規劃建設，關乎當地企業、居民乃至城市的可持續發展，值得進一步推廣。

4.3 微生物菌劑的施用方法

4.3.1 不同載體的制備

微生物菌劑治理大氣污染的效果與載體的選擇和制備質量密切相關。優質載體應提供穩定的微環境，保證微生物的高活性。如褐泥、泥炭土等，這類載體可提供微生物所需的有機養分，有助于維持微生物的新陳代謝活性。但過度增加營養物質也可能抑制某些微生物的脫氮功能，如天然礦物質和人工陶粒，這類載體可為微生物提供附著點，提高制劑的物理穩定性，但其本身缺乏營養，可能限制微生物的增殖速率。根據不同微生物對營養和載體需求的差異，合理選擇和優化載體類型與配方，對發揮菌劑治污潛能至關重要。例如，河南某鋼鐵公司采用微生物菌劑治理含硫氣味污染時，研發出一種復合型微生物載體，該載體由70%生物質，包括豆渣、花生殼等，以及15%珍珠巖和15%膨潤土組成。豆渣等提供有機養分，促進硫氧化微生物的新陳代謝；而礦物質載體珍珠巖和膨潤土提高了制劑的機械強度，并提供菌體附著點。現場實驗表明，采用該復合型載體，并以液體噴灑方式施用至廠區周邊農田后，大氣中硫化氫濃度較未處理對照地塊降低了37%～58%。

4.3.2 噴灑澆灌技術要點

微生物菌劑治理大氣污染，其施用效果與噴灑澆灌技術密不可分。技術要點包括：（1）根據不同載體的粒徑和結構，優化噴灑參數，使菌劑在污染區域空氣中或關鍵受體表面獲得均勻覆蓋；（2）合理配置菌液濃度和用量，既能避免浪費，又能保證處理效果；（3）根據污染物種類、濃度以及環境條件，如pH值、溫度等因素定制；（4）結合菌種特征、污染物變化規律和氣候條件變化，選擇微生物活性高、污染物積累多的時段定期噴灑，以發揮最大治污潛力。比如，某工業園區采用含硫氧化菌的微生物制劑，以減少大氣中的硫化氫污染。制劑以褐軟泥為載體，于夏季酷熱和冬季寒冷的氣候轉變期，每月噴灑1次。監測結果表明，該園區大氣硫化氫年均濃度較噴灑前下降了35%。

5 結語

本研究總結了生物技術在大氣污染治理中的應用及效果，明確指出其在減輕污染危害、改善空氣質量和促進可持續發展方面的重要作用。生物技術是一種有效的大氣污染治理方法，具有低能耗、無二次污染和經濟及社會效益良好等優勢，值得進一步推廣及應用。