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第六章生物修复生物修复技术作用机理及其运用生物修复是一门新兴、高效、无害且投资低的技术。利用生物(微生物、植物或动物)来吸收、转化、降解和清除环境中的有毒有害物质，使其浓度减少或无害化，从而实现被污染环境生态恢复的过程。其中生物处理中的微生物法由于处理费用低、效果好、无二次污染且操作简单受到国内外学者广泛的关注。广义的生物修复通常是指利用各种生物（包括微生物，动物和植物）的特性，吸收、降解、转化环境中的污染物，使受污染的环境得到改善的治理技术，一般分为植物修复、动物修复和微生物修复三种类型。狭义的生物修复通常是指在自然或人工控制的条件下，利用特定的微生物降解、清除环境中污染物的技术。用于生物修复的生物微生物在环境污染治理中的作用植物在环境污染治理中的作用水环境污染控制中的生物修复技术提纲用于生物修复的生物•土著微生物•外来微生物•基因工程菌采用基因工程技术，将降解性质粒转移到一些能在污水和受污染土壤中生存的菌体内定向地构建高效降解难降解污染物的工程菌。•用于生物修复的其他生物这些生物包括藻类、微型动物、植物等。难降解有机污染物和重金属及其相应的降解转化微生物适宜的环境条件•营养:微生物的生长需要维持一定量的C:N:P营养物质及某些微量营养元素。•电子受体:环境中的有机污染物在微生物的作用下被氧化分解时需耗氧。•有毒有害有机污染物的化学性质.•污染现场和土壤的特性.微生物在环境污染治理中的作用:微生物对有机污染物的降解与转化微生物是自然界中的分解者，在好氧条件下，它能将有机污染物彻底氧化，分解成CO2、H2O、SO42-、PO43-、NO2-、NO3-等无机物。在厌氧条件下，能将有机物降解，转化成小分子有机酸、CO2、H2、CH4等。因此，微生物是生物修复中污染物降解的主力军。第一节难降解有机物微生物处理法有机污染情况简介难降解有机物的微生物处理技术难降解有机物定义：指被微生物分解时速度很慢，分解不彻底的有机物(也包括某些有机物的代谢产物)，这类污染物易在生物体内富集，也容易成为水体的潜在污染源来源：主要来自各种各样工农业生产过程，按其化学组成可分以下几类：多环芳烃类(PAHs)化合物、杂环类化合物、氯代芳香族化合物、有机氰化物、有机合成高分子化合物.难降解性有机物的基本特性长期残留性生物蓄积性半挥发性高毒性一、长期残留性一旦排放到环境中，它们难于被分解，因此在水体、土壤和底泥等环境介质中存留数年或更长的时间。根据半衰期,水体＞180天，土壤＞360天。二、生物蓄积性指有机化学品以比在周围环境中高的浓度蓄积在活组织中的特性，以标靶组织中的浓度与环境中的浓度之比表示;根据生物富集系数＞5000三、半挥发性指化学品在空气中挥发的能力,可以在大气环境中远距离迁移.根据蒸气压,0.01～1kPa四、高毒性指化学品对人体或环境造成危害的特性.它们对人和动物一般具有毒性作用，有的可以导致生物体内分泌紊乱、生殖及免疫机能失调，有的甚至引起癌症等严重疾病.有机物难降解的原因:对微生物有毒害作用功能化学结构稳定难降解有机物的降解方法物理化学生物微生物在环保中的作用微生物修复技术微生物与化学污染物间的相互关系微生物在废水处理中的作用一、微生物修复技术微生物修复是指微生物将土壤、地下水和海洋中的有毒有害物质“就地”降解成二氧化碳和水，转化为无毒、无害物质的方法。实际上，大多数环境中都存在着天然微生物降解净化有毒有害污染物质的过程，只是自然条件下的微生物净化速度比较慢，因此能够被广泛应用到环境保护当中。微生物修复大多都是在人为的条件下进行的，通过提供氧气，添加各类营养物质，接种经过驯化培养的高效菌株等强化修复过程，迅速去除污染物质，这就是微生物修复的基本原理。生物修复与化学、物理修复相比，具有下列优点：（1）修复时间较短；（2）原位修复的方式可使污染物在原地被降解清除，可使污染场所的干扰和破坏达到最小；（3）操作简便，对周围环境干扰较小；（4）设施简单，降解过程迅速，费用低，仅为物理化学修复的一半以下；（5）可以在现场进行，操作者与污染物直接接触机会减少，不会对人产生危害；（6）不会产生二次污染，永久性的消除污染物和长期的隐患。因此，生物修复被认为是最有发展前景的技术。生物修复技术也存在不足：（1）条件苛刻，生物修复是一种科技含量较高的处理方法，其处理方法必须符合污染场地的特殊条件.（2）有些污染物经微生物降解后其产物的毒性和移动性均比原化合物有所增加.微生物修复技术的分类污染地区的微生物修复技术一般分为:原位生物修复、异位生物修复、原位–异位联合的生物修复技术。1.1原位生物修复技术原位生物修复是指对受污染的介质不进行搬运或输送，而在原位或易残留的部位进行的生物修复处理。原位修复技术主要取决于被污染土壤的自身微生物的自然降解能力、人为创造的降解条件、促进微生物生长繁殖的条件，如提供N、P等营养物、氧气、菌株等。为了加速降解进程有时也加入经驯化和培养的微生物。原位生物修复包括以下几种方法:（1）投菌法（2）生物通风法（3）地耕法（4）生物注气法（5）生物扩增法（6）生物冲淋法（1）投菌法直接向受到污染的土壤或水域介入经过人为驯化和培养的微生物以及商品化的适宜微生物菌剂，同时提供这些微生物生长所需的营养，包括大量元素(氮、磷、硫、钙、钾、镁、铁、锰等)和微量元素。（2）生物通风法生物通气法（bioventing)是一种强迫氧化的生物降解方法。是指向土壤含水层以上的土层中通入空气或氧气，为好氧微生物提供最终电子受体，促进污染物生物降解的技术。生物通气法的具体措施是向地下水位以上的土层中打两口以上的通气井，用鼓风机和抽真空机将空气强行排入土壤中，然后抽出，土壤中挥发性的污染物也随之去除。在通入空气时，通过加入适量的氨气为土壤中的降解菌提供氮素营养，可以促进微生物降解活力的提高。土壤的结构和类型直接影响着生物通气法的修复效率，不合适的土壤结构会使氧气和营养元素在到达污染区域之前就被消耗。因此生物通气法只适用于具有多孔结构的土壤污染修复。生物通风法设备费用低，运行维护费用也低，是一种很好的生物修复方法。（3）地耕法地耕法(landfarming)就是:通过翻耕土壤，在土壤中混匀并且充入氧气，提高土壤的通透性，创造污染物被氧化的条件，投加肥料、调节土壤湿度及酸碱度等，从而为微生物的生存提供良好环境条件，并确保生物降解在不同土壤层面上都能发生，使污染物能较好的清除的方法。这种方法的优点是结合农业措施，操作简单，经济易行，但污染物有可能从处理地被转移。一般在污染土层较浅、通透性较差、污染物较易被降解的情况下可以采用这种方法。（4）生物注气法生物注气法（biosparging)是指将加压后的空气压入地下水位以下土层中，气流使化合物进入水分不饱和层并进行挥发和降解，同时水分饱和层也得到氧气，有利于污染物降解的一种生物降解方法。这种方法提供了充足的溶解氧，扩大了生物降解的面积，使水分饱和层和不饱和层的土著微生物均能发挥作用。生物注气法适于处理受挥发性有机物污染的地下水及上层土壤，在常温下空气注入可溶解的氧质量浓度达到8~12mg/L，是最简单、最经济的形式。纯氧和臭氧注入可使溶解氧浓度达到40~50mg/L，但成本很高，一般较少采用。（5）生物扩增法生物扩增法(bioaugmentation)是指:通过改变微生物的营养状态（N、P）等，提高土著或外源微生物的代谢能力，进而使有机污染物的降解效率显著提高的一种降解方法。对于一些不易降解的有机污染物，通常需要引入具有高效分解和利用能力的特定微生物。构建遗传工程菌可能是处理这类有机物的一种有效手段。（6）生物冲淋法生物冲淋法（bioflooding)是指通过注入井和注入沟将含有营养物和氧的水补充到亚表层，促进污染物降解的过程。生物冲淋法主要应用于各种石油烃类污染的修复中，其具体工程主要包括两组水井，一组是注水井，它的作用是将各类接种的微生物、水、营养物和电子受体等物质注入土壤；另一组是抽水井，通过液体流动促进营养物质的运输，保证充足的氧气。生物冲淋法处理方法简单，费用相对较低，其不足之处是处理时间较长，而且在微生物的修复过程中，污染物可能会进一步扩散到较深层的土壤和地下水中。1.2异位生物修复技术异位生物修复:是指被污染介质(土壤、水体)搬动或输送至它处进行的生物修复过程。相对于原位生物修复而言，更强调人为的控制和创造更适宜的生物降解环境。异位生物修复的工程措施和根本方法一般可以采用土著微生物，也可以利用外加的降解微生物，这种处理方法能更好的被控制、技术难度低，但成本较大。异位修复技术涵盖广泛，应用较多的为以下几种方法（1）预制床法（2）堆肥法（3）堆层处理（4）厌氧反应器（5）生物反应器（1）预制床法是一种用于土壤修复的特制生物床反应器，包括水及营养物的喷淋系统、土壤底部的防渗衬层、渗滤液收集系统及供气系统等。在不泄漏的平台上，铺上石子与沙子，将污染土壤以15~30cm的厚度平铺其上，并加入适当的营养液和水，定期通入氧气并翻动土壤，以保证土壤中微生物生长的合适条件。处理过程中流出的渗滤液，回灌于该土层上，以便彻底清除污染物。（2）堆肥式处理在人工控制条件下，使有机废物发生生物稳定作用的过程。处理时直接掺入了能提高处理效果的支撑材料，如木屑、稻草、粪肥、泥炭、树皮等易堆腐物质，使用机械翻动或压气系统充氧，并补充氮和磷以及其他无机盐，同时调节好pH值和通气条件，使微生物的降解活性大大提高。经过一段时间的发酵处理，大部分污染物被降解，标志着堆肥的完成，经处理消除污染后的土壤可返回原地或用于农业生产。（3）堆层处理是一种复杂的生物修复技术，将受污染的土壤从污染地挖掘出来，防止污染物向地下水或更大的地域扩散，运输到一个经过处理的地点堆积在不透水的衬层上，在堆放的土壤中设置通气管道，通入氧气或空气，以促进污染物的好氧降解。（4）生物反应器生物反应器是一种处理污染土壤的特殊反应器。反应器可建在污染现场或异地处理场地。通常为卧室鼓状、气提式，可分批培养或连续培养。处理时将污染土壤转移到生物反应器中，加入3~9倍的水充分混合使其呈泥浆状，同时加入各类营养物质，并在氧气存在的条件下剧烈搅拌，使微生物与底物充分接触，完成处理过程。（5）厌氧反应器大多数生物修复的方法都是在好氧的环境中进行的，事实上在厌氧的环境中进行的生物修复也是有很大潜力的。大量实验表明，厌氧处理对某些污染物如三硝基甲苯、多氯联苯(PCB)等的降解比好氧处理效果更好。现在已经有许多如厌氧生物反应器类的厌氧生物技术，但厌氧修复条件不太好控制，且厌氧修复过程中会产生一些毒性更大、更难降解的中间代谢产物。此外，厌氧发酵的终产物(H2S和CH4)也存在一些风险和毒性，因此其应用少于好氧处理。1.3原位–异位联合生物修复技术原位–异位联合的生物修复是指在实行原位生物修复时，若使用原位修复存在较大的困难，或者污染物的浓度过高，甚至可能对生物产生毒害作用时，可采用一些辅助手段，即将修复场所中的一部分污染物引出，然后将其移至到生物反应器或其它净化设施中进行净化的技术，但是整个过程必须保证原位修复的基本特性。目前研究较为充分的主要有以下两种：（1）冲洗-生物反应器法：用水充分的冲洗土壤中的污染物，并将含有该污染物的废水经回收系统转移至生物反应器中，同时连续供给氧气、各类营养和降解菌等以清除污染物。（2）土壤通气-堆制法：采用生物通气法去除污染土壤中易挥发的有机污染物，然后再进行堆肥式处理，清除难挥发的污染物。二、微生物修复技术的影响因素1.微生物种群2.污染物特性3.氮源和磷源4.其他影响因素1.微生物的种群污染地的微生物种群对生物修复技术起到了关键性的作用，在应用高效降解菌修复污染土壤时，修复的效果要取决于微生物在不同污染生态系统中的存活能力，其生长限制因素