第五讲生物修复.

第五讲生物修复技术第一节生物修复技术概述第二节土壤生物修复技术第三节水体生物修复第四节石油污染场地的生物修复第五节生物修复技术进展第一节生物修复技术概述生物修复（bioremediation）：利用生物，特别是微生物催化降解有机污染物，从而修复被污染环境或消除环境中污染物的一个受控或自发进行的过程。生物修复的目的是去除环境中的污染物，使其浓度降至环境标准规定的安全浓度之下。优势：价格；常与其他修复方法联合使用，提高效果。一、生物修复的主要方法生物修复技术的重点研究方向是：（1）通过各种工程手段增强自然界中已有但速度缓慢的生物降解过程；（2）通过应用各类生物反应器，增加污染物与微生物的接触机会，创造最佳生物代谢反应条件，促进污染物快速转化。目前已经及正在应用的生物修复技术大致分为污染土壤不需移动，污染地下水不需用泵抽至地面。此方法的优点是处理费用低，但处理过程控制比较难。需要通过某种方法将污染介质转移到污染现场附近或之外，再进行处理。通常污染物搬动费用较大，但处理过程容易控制。生物修复技术原位修复（insitu）异位修复（exsitu）原位生物修复的主要技术手段：添加①营养物质，②溶解氧（提高微生物活性），③微生物或/和酶（强化污染物分解速率），④表面活性剂（促进污染物与微生物的充分接触），⑤补充碳源及能源（保证微生物共代谢的进行，分解共代谢化合物）。根据被处理对象（如土壤、地下水、污泥等）的性质、污染物种类、环境条件等的区别，营养物质的添加方式也不同。异位生物修复:结合了原位修复的技术手段，较多地应用了各类生物反应器。投资费用包括：污染物搬动费用、反应器的加工制造、控制系统的设置等。但对一些难以处理，尤其是一些有毒化合物、挥发性污染物或浓度较高的污染物的处理，异位生物处理是不可替代的选择。二、应用生物修复技术的前提条件（1）必须存在具有代谢活性的微生物；（2）这些微生物必须能以相当速率降解污染物，并使其浓度降低至环境要求的范围内；（3）降解过程不产生有毒副产物；（4）污染场地中的污染物对微生物无害或其浓度对微生物的生长不构成抑制，或可以对污染物进行稀释；（5）目标化合物必须能被生物利用；（6）污染场地或生物处理反应器的环境必须利于微生物生长或微生物活性保持；（7）处理费用应较低，至少要低于其他处理技术。三、影响生物修复的环境因素污染现场环境条件的多样性对生物降解的影响是巨大的。1．非生物因素温度、pH、湿度水平（对土壤而言）、盐度、有毒物质、静水压力（对土壤深层或深海沉积物）。2．营养物质在多数生物修复过程中需要添加氮及磷以促进生物代谢的进行。许多细菌及真菌还需要一些低浓度的生长因子，包括氨基酸、B族维生素、脂溶性维生素及其他有机分子。3．电子受体对好氧微生物而言，电子受体是O2。厌氧微生物也可以利用硝酸盐、CO2、硫酸盐、三价铁等作为电子受体分解有机物。4．复合基质对一种化合物而言，另一种化合物的出现可能（1）促进其降解（2）抑制其降解（3）不产生影响。5．微生物的协同作用微生物直接存在的共生、互生、共代谢等关系。主要机理有：（1）一种或多种微生物为其他微生物提供B族维生素、氨基酸及其他生长因素；（2）一种微生物将目标化合物分解成一种或几种中间有机物，第二种微生物继续分解中间产物；（3）一种微生物共代谢目标化合物，形成的中间产物不能被其彻底分解，第二种微生物分解中间产物；（4）一种微生物分解目标化合物形成有毒中间产物，使分解速率下降，第二种微生物以有毒中间产物为碳源将其分解，这与机理（2）相似，也可能与不同种属微生物间氢的转移有关。6．捕食作用环境中细菌或真菌浓度较高时，常存在一些捕食或寄生类微生物,寄生微生物的有些种类可能引起细菌或真菌分解。这种捕食、寄生及分解作用可能影响细菌或真菌对污染物的生物降解过程。这种影响经常是破坏性的，但也有有利的情况。7．种植植物近年来，植物根际微生物的分解过程受到了较多关注。多数情况下植物的种植有利于生物修复的进行。四、生物补救的可行性评估程序（一）数据调查（1）污染物的种类、化学性质、分布、浓度，污染时间长短。（2）污染前后微生物的种类、数量、活性及分布情况。（3）土壤特性，如温度、孔隙度和渗透率。（4）污染区域的地质、地理与气候条件。（二）技术咨询在掌握当地情况之后，应向有关信息中心查询是否在相似的情况下进行过就地生物处理，以便采用和借鉴他人经验。如在美国可向“新型处理技术信息中心”（ATTIC）提出技术查询。（三）技术路线选择对包括就地生物治理在内的各种土壤治理技术及它们可能的组合进行全面客观的评价，列出可行性方案，并确定最佳技术路线。（四）可行性试验假如就地生物处理技术可行，就要设计小试和中试试验。在试验中收集有关污染毒性、温度、营养和溶解氧等限制性因素和有关参数资料，为工程的具体实施提供基础性技术参数。（五）实际工程化处理如果小试和中试都表明就地生物处理在技术和经济上可行，就可以开始就地生物治理计划的具体设计，包括处理设备、井位和井深、营养物和氧源（或其他电子受体）等。第二节土壤生物修复技术按照污染物的种类，可将污染土壤分为有机物污染的土壤和无机物污染的土壤。石油污染土壤、农药污染土壤、木材防腐污染土壤及能源燃烧引起的多环芳烃污染土壤等主要处理方式：热处理（焚烧法）破坏土壤结构和组分，且价格昂贵很难实施物理及物理化学处理（洗涤法）采用的化学试剂的二次污染问题生物处理（生物修复技术）成本低；不破坏植物生长所需的土壤环境；污染物氧化完全，没有二次污染问题；处理效果好，对低分子量的污染物去除率可达99％以上；可就地处理，操作简单。(1)污染物的特性土壤中各种石油生物降解速率从大到小的顺序是：汽油、飞机用油、加热油、柴油、船用油。微生物对不同品质原油的降解率也不同，如：低硫、高饱和烃的原油可降解程度大；老化的原油比新鲜的可降解程度低得多。烃类的可溶性直接影响其生物降解速率。油浓度对降解菌的生物降解能力也有影响，如：土壤中烃浓度1.25％～5％时，土壤呼吸强度增大；达10％时，不再增大；达15％时，呼吸强度下降。一、影响生物修复技术的主要因素影响污染土壤生物修复的因素有许多，主要取决于污染物自身的性质、土壤微生物生态结构和土壤中的环境因子等。（2）污染土壤的微生物生态结构污染物在土壤中净化的主要贡献者是具有降解该污染物能力的微生物。降解者的存在又与污染物的存在密切相关。例如，降解烃类的微生物在土壤和水环境中到处可见，但在一般情况下，降解烃的微生物只占微生物群落总数的1％，而当有石油污染物存在时，降解者的比例可增加到10％。为缩短驯化期和提高污染物的降解率，在生物恢复技术中所用的微生物是连续从污染场地自身分离出来的。表5－1从土壤中分离出来的降解烃类的部分细菌和真菌属（3）污染土壤的环境因子表5－2影响有机污染物降解的环境条件2.1原位治理方法（insitubioremediation）这种方法是在受污染地区直接采用生物处理技术，不需将土壤挖出和运输。该工艺处理方法简单，费用较省，不过由于采用的工程强化措施较少，处理时间会有所增加，而且在长期的生物恢复过程中，污染物可能会进一步扩散到深层土壤和地下水中，因而适用于处理污染时间较长，状况已基本稳定的地区或者受污染面积较大的地区。二、污染土壤生物修复技术应用微生物治理土壤有机污染的方法主要有三种：原位治理方法；异位治理方法；原位－异位联合治理方法。该方法已形成可供借鉴的比较定型的几种工程技术。①投菌法/生物强化法（bioaugmentation）就是直接向遭受污染的土壤中接入外源的污染物降解菌，并提供这些细菌生长所需的营养物质，从而达到将污染物就地降解的目的。a．超级细菌法b．混合菌群法②生物培养法/生物刺激（biostimulation）就地定期向土壤投加过氧化氢和营养物，以便使土壤中微生物通过代谢将污染物完全矿化为二氧化碳和水的方法称为原位生物培养法。③生物通气法这是一种强迫氧化的生物降解方法，在污染的土壤上打至少两口井，安装上鼓风机和抽真空机，将空气强排入土壤，然后抽出。土壤中有毒挥发物质也随之去除，在通入空气时另加入一定量的氨气，为微生物提供氮源增加其活性。还有一种生物通气法称之为生物注射法，即将空气加压注入污染地下水下部，气流加速地下水和土壤中有机物的挥发和降解。生物通气法受土壤结构的制约，它需要土壤具有多孔结构。a空气喷雾（airsparging）或称生物喷雾（biosparging）治理的对象为土壤及地下水中石油烃类的污染，主要是鼓风供氧促进微生物降解。b．生物抽气（bioventing）生物抽气主要用于不饱和土壤有机污染。负压充氧、喷灌营养物促进微生物降解。c．生物抽吸（bioslurping）治理对象主要为石油烃类泄漏量大而且比较集中的情况。地下水被抽吸充氧后渗灌回原地促进微生物降解。④农耕法对只在表层被有机物污染且有就地处理条件的地块，可进行就地地耕处理。即对被污染土地土层进行耙耕，耙耕深度以0.2～0.4m为宜，以使石油烃类与土壤均匀混合，并尽可能提供微生物代谢的好氧环境。以后每两周至少耙耕一次，雨后应立即耙耕，以防土层板结。地耕法治理的主要优点是容易实施，费用低。⑤光修复（photoremediation）直接或间接利用高等植物分解有机物的技术。可用于土壤、某些情况下浅层沉积物中化合物的生物修复。特点：费用较低，当污染土壤的深度在1～2米或更深一些时，此技术有相当的保证性。吸附力极强或已经老化、或处于螯合状态的有机物不宜采用此方法，通常修复速率较低，需要时间较长。这种技术的优点是可以在土壤受污染之初限制污染物的扩散和迁移，减少污染范围。但用在挖土方面和运输方面的费用显著高于就地处理方法，另外在运输过程中可能会造成进一步的污染物暴露，还会由于挖掘而破坏原地点的土壤生态结构。2.2异位治理法（exsitu）①预制床法在不泄漏的平台上铺上石子和砂子，将受污染的土壤以15～30cm的厚度平铺在平台上，加上营养液和水，必要时加上表面活性剂，定期翻动充氧，将处理过程中渗透的水回灌于土层上，以完全清除污染物。该方法实质上是农耕法的一种延续，但是它降低了污染物的迁移。②堆肥法（composting）是传统堆肥和生物治理的结合。它依靠自然界广泛存在的微生物使有机物向稳定的腐殖质转化，是一种有机物高温降解的固相过程。一般方法是将土壤和一些易降解的有机物如粪肥、稻草、泥炭等混合堆制，同时加石灰调节酸度，经发酵处理，可将大部分污染物降解。影响堆肥法效果的主要因素有水分含量、碳氮比、氧气含量、温度和酸度等。③生物反应器法（bioreactor）把污染土壤移到生物反应器中，加3～9倍水混合呈泥浆状，同时加必要的营养物质和表面活性剂，泵入空气充氧，剧烈搅拌使微生物与污染物充分混合，降解完成后，快速过滤脱水。处理污染物的速度明显加快，但工程复杂，处理费用最高。同时，要防止难生物降解污染物从土壤转移到水中。另外，还有厌氧处理法等。对有一些污染物（如三硝基甲苯、多氯联苯）好氧处理不理想，用厌氧处理效果好一些。但由于厌氧处理条件难于控制，其应用比好氧处理使用少。针对柴油污染的土壤，采用原位生物降解，应该怎么做？2.3污染土壤生物修复思考氧化塘、人工湿地等水污染预处理技术生物氧化塘是一种利用生物天然净化能力净化污水的处理系统，可辅以人工曝气、投加污染物和底泥高效降解菌剂、放养适生水生生物等强化措施，污水经过氧化塘处理，可形成多级食物链组成的复合生态系统，这对城市水环境的生物修复极为有利。人工湿地利用基质微生物，水生植物，动物符合生态系统的物理、化学吸收、动物消费和微生物分解来实现对污水的高效净化。第三节水体生物修复河道和湖泊人工增氧技术通过一定的增氧设备，增加水体中溶解氧，能加速河湖水体和底泥微生物对污染物的分解，为水体中各种水生生物呼吸提供氧气，促进系统生物多样性。根据需曝气河流水质改善的要求（如消除黑臭、改善水质、恢复生态等）、河道条件（包括水深、流速、河道断面形状、周边环境条件等）、河段功能要求（如航运功能、景观功能等）、污染源特征（如