生物修复技术治理水污染的研究进展

生物修复技术治理水污染的研究进展摘要：从微生物修复、植物修复和动物修复3个方面系统介绍了生物修复技术的作用原理，阐述了生物修复技术用于治理氮磷、有机物和重金属污染的研究现状，并总结了目前存在的问题，指出了生物修复技术的发展趋势。关键词：生物修复水污染富营养化有机污染物重金属据报道，我国目前有50%的河道和80%以上的湖泊受到污染，许多湖泊已达不到地表水Ⅲ类水质标准，受污染水体的综合治理和修复已刻不容缓[1]。生物修复技术是在20世纪90年代得到迅速发展的一项污染治理工程技术，利用生物的生命代谢活动来减少污染环境中的有毒有害物的浓度或使其无害化，从而使污染了的环境能够部分或完全地恢复到原初状态的过程。它利用生物对环境污染物的吸收、代谢及降解等功能，对环境中污染物的降解起催化作用，加速去除环境中的污染物。与传统的物理化学修复技术相比，生物修复技术具有以下优点：①费用省，仅为现有环境工程技术的几分之一；②环境影响小，不会形成二次污染或导致污染物的转移；③可最大限度地降低污染物浓度。生物修复的种类很多，根据被修复的污染环境，可分为土壤生物修复、地下水生物修复、沉积物生物修复和海洋生物修复等；根据生物修复所利用的生物种类，可分为动物修复、植物修复和微生物修复；根据人工干预的情况，可分为自然生物修复和人工生物修复，人工生物修复又可分为原位生物修复(insitubioremediation)、易位生物修复(exsitubioremediation)和反应器生物修复(reactorbioremediation)。1生物修复的作用机制1.1微生物修复微生物修复技术是在人为优化的条件下，用自然环境中的土著微生物或人为投加外源微生物的代谢活动（分解代谢和合成代谢），对环境中的污染物进行转化、降解与去除的方法。微生物在生物修复中起着主导作用。早期的生物修复主要是利用微生物降解和转化环境中的有机污染物。可以用于生物修复的微生物有很多，包括细菌、真菌及原生动物等。废水中的有毒物质的成份非常复杂，包括各种酚类、氰化物、重金属、有机磷、有机汞、有机酸、醛醇及蛋白质等等。生物处理去除污水中的有机物质，是利用微生物的新陈代谢过程。微生物群体依靠细胞壁将污水中的有机物质吸收消化，同时产生一定的代谢物质，再作为其它微生物的养料，进行吸收消化，周而复始，直至污水中的有机物质全部分解。微生物对有机污染物的降解和转化主要包括好氧和厌氧两个过程，完全的好氧过程可使其转化为CO2、H2O、SO42－、PO43－、NO2－、NO3－等无机物，厌氧过程的主要产物为小分子有机酸和其他产物（CO2、CH4和H2等）。微生物虽然不能够将重金属通过降解而去除，但却可以通过对重金属的转化和固定过程降低其毒性，还可以将重金属积累在菌体内[2]。湖泊污染的生物修复，主要是在湖泊中加入营养盐，用曝气机搅拌混合。底泥中的有机污染物可作为碳源被微生物利用，使污染的浅水湖泊得以生物修复。海洋油污染的生物修复，主要依靠低温微生物对石油烃的降解作用来实现。海洋本已存在大量能降解石油的微生物，原油的泄漏能刺激该类微生物的大量增殖，从而加速石油的分解，最终达到清除石油污染的目的[3]。降解石油的微生物广泛分布于海洋、淡水、陆地、寒带、温带、热带等不同环境中，能够分解石油烃类的微生物包括细菌、放线菌、霉菌、酵母以及藻类等共100余属、200多种，而环境条件对微生物存在数量有限制作用。由于自然界石油的降解是一系列微生物共同作用的结果，没有一种微生物能降解石油中所包含的所有碳氢化合物，有些微生物本身并不能分解碳氢化合物，但其在石油去除中发挥着重要作用[4]。1.2植物修复植物修复技术是以植物忍耐和超量积累某种或某些化学元素的理论为基础，直接利用有生命的绿色植物及与其共存微生物体系清除或降低环境污染物的一项新兴技术。植物，特别是水生植物，对污染水体都有一定的净化能力，因此，在污染水体中种植对污染物吸收能力强且耐性好的植物，应用植物对污染物的吸附、吸收、富集和降解(植物根系-根际微生物的联合作用)等，将水体中污染物去除或固定，从而实现水体修复的目的。植物对污染物可通过根系吸收，也可以直接经茎、叶等器官的体表吸收，吸收到体内的有机物，如酚、氰等可以直接降解，重金属、有机氯农药，如DDT、六六六等难降解物质，可贮存在植物体内，甚至达到很高的浓度时，植物仍不会受害。植物可直接吸收污染物质，通过转化和输送，以非植物性毒素的形式进行积累。另一方面，植物通过向水体中分泌营养物质(单糖、氨基酸、脂肪族化合物、芳香烃等)和酶以及传递O2到根部来刺激根系周围微生物生长，并改变水体的生化活性，从而加速水体的生物修复作用。近年来研究表明植物根系的分泌物不但可为微生物提供营养物，同时可诱导微生物降解某些难降解的有毒物质如多氯联苯。水生植物可向沉积物、根围、茎叶围释放营养物质和O2，使沉积物中的微生物通过好氧的方式矿化污染物，提高微生物活性及对污染物的矿化能力[4]。藻类和微型动物在水体的生物修复中也发挥着重要作用，通过藻类光合作用释放氧，可使严重污染后缺氧的水体恢复至好氧状态，这为微生物降解污染物提供了必要的电子受体，使好氧性菌对污染物的降解能顺利地进行。另外，水生植物根系部分还会栖生一些小型动物，它们通过吞噬过多的藻类和一些病原微生物，间接地对水体起到净化作用[5]。1.3动物修复在污染水体治理修复中，合理规划、科学发展水上养殖，可在氮磷污染较重的水域适当增加食草和浮游植物鱼种的投放，以控制和消耗过度繁殖的藻类、提高水质。鱼类是动物修复的重要参与者，鲢鱼主要以浮游植物为食，鳙鱼主要以浮游动物为食。水蚤以藻类和有机腐屑为食，能有效除去藻类，同时它又可作为鱼类等水生动物的饵料被消耗。螺、蚌等底栖动物也可摄食碎屑、藻类，虾和鱼类可摄食藻类、碎屑、浮游动植物等，它们都能够明显限制浮游植物的生物量，同时降低水体中的COD、TP、DO和pH。在湖泊及观赏性水体中，加入颜色鲜艳的鲤鱼、金鱼等，既可提高观赏价值，又可吞噬水草、藻类及其他小动物，保持水体的生态平衡。动物在水体污染处理中主要起辅助作用，但它在处理污染物质的同时增加了经济效益及观赏效益，是传统生物修复的必要补充[6]。2生物修复技术的研究现状2.1脱氮除磷一般来说，当天然水体中总磷浓度大于0.02mg/L、无机氮浓度大于0.3mg/L时，就可认为水体处于富营养化状态。富营养化水体中的氮、磷促使水中的藻类急剧生长，大量藻类的生长消耗了水中的氧，使鱼类、浮游生物因缺氧而死亡，从而它们腐烂的尸体使水质受到污染。因此，去除水体中大量的氮、磷，是治理富营养化污水的根本。然而，氮、磷元素是植物生长必需的营养物质，因而治理氮、磷污染的最好方法是植物修复。徐永健等[7]根据江蓠对环境水体中的不同营养类型及浓度有着灵敏的生理生化反应差异的特点，论述了江蓠可作为准确测量环境中生物可获得营养盐浓度变化的指示生物的可行性。李睿华等[8]探讨了美人蕉、香根草和荆三棱3种水生植物带改善河水水质的作用，发现有植物带对污染物降解的效果好于无植物带，其中荆三棱带效果最好，它在整个运行期间对COD、NH4＋-N和TP的去除效果分别为44.1%、78.7%和71.4%。人工湿地污水净化系统一个很重要的功能就是去除污水中的氮磷。湿地植物能通过吸收、吸附和富集等作用去除污水中的污染物，包括对氮、磷的吸收利用。赵丽娜等[9]比较了几种春季湿地植物的污水处理效果，总结出菖蒲和香蒲的处理能力较好，其对TN、TP和COD的去除率分别达到了72.46%、90.36%、65.05%和69.82%、91.32%、77.15%；芦苇的处理效果略次于菖蒲和香蒲，其TN、TP和COD的去除率分别为58.84%、74.60%和57.19%。CHRIS[10]研究了流入污水的水质对湿地去除氮、磷的影响，停留时间从2d增加到7d，结果发现在没有种植植物的湿地中TN的和TP的去除率分别从相同的12%增加到41%和36%，而在种植了棒灯芯草时分别从48%和37%增加到75%和74%，但当流入污水中氮磷含量增加时，种植了植物的湿地去除效果有一定程度的提高，没有种植植物的却下降。此外植物的不同生长阶段对人工湿地系统污水处理效果都有影响，植物生长过程中，各人工湿地系统污水处理能力总体上持续增强，各水质指标pH、DO、TN、NH3-N、NO3-N、TP和COD等均呈下降趋势，其中TP和COD呈逐步下降，pH、DO、TN、NH3-N、NO3-N则呈现锯齿形波动，但总体上仍是下降过程[11]。邓仕槐[12]指出污水处理后，湿地植物各器官中的氮磷含量及分布有变化，芦苇叶对氮、磷的积累量最大，姜花根对氮的积累量最大，而对磷积累不明显。李建娜等[13]考察了7种湿地植物对氮、磷的吸收能力。结果表明，稳定生长4个月后，平均总生物量在1215～3500g/m2，植物氮、磷平均质量浓度分别为13.76～23.11、1.44～3.80mg/g。香蒲具有最高氮积累量达48.18g/m2，梭鱼草具有最高磷积累量为7.23g/m2，姜草对氮、磷的积累量最低分别为21.40、1.68g/m2。植物地上部氮、磷积累量与地下部的氮、磷积累量差异较大，除姜草外，植物地上部、地下部的氮、磷积累量比均大于3，黄花美人蕉地上部、地下部的氮、磷积累量比分别达11.75、12.10g/m2。通过植物收割去除氮、磷量约占湿地总去除量的2%～6%。2.2降解有机污染物20世纪以来，大量的人工合成化合物被排放入水体，由于其本身结构的复杂性和生物陌生性，传统的生物处理技术在处理这类污染物时遇到了一定的困难。生物强化技术通过在污水中加入优势高效菌种来增加和改善处理系统的能力，是一种利用生物治理废水的高效技术，在废水治理中的应用范围在逐渐扩大。解宏端等[14]采用生物强化技术，向活性污泥处理系统中投加高效菌剂，考察了其对焦化废水的处理效果和最佳控制参数。结果表明，在连续进水的条件下，控制活性污泥的SV30为30%、高效菌液的投加量为0.3%（菌液与焦化废水的体积分数）、水力停留时间为15h，系统对挥发酚的去除率为99.94%，出水挥发酚0.5mg/L，达到《钢铁工业水污染物排放标准》(GB13456—92)的一级标准要求；对COD的去除率为85.60%，与未投菌的对照组相比(COD去除率为60.87%)，也有较大程度的提高。在活性污泥中投加X4菌对含油脂废水进行强化处理，可以提高油脂的去除率。未驯化的活性污泥对油脂的降解作用十分缓慢，在24h内只降解9%的油脂。驯化后的活性污泥对油脂具有较好的去除能力，在24h内对油脂的降解率为78%。在驯化后的活性污泥中投菌量为43%时，24h油脂的去除率达到97%[15]。宋秀娟等[16]采用生物强化技术，即利用从废水中分离、筛选出的降解丙烯腈与总氰的特效菌株，使化纤废水加营养盐的培养基中丙烯腈降解率达98.7%，总氰降解率达84%。2.3去除重金属污染（1）重金属污染水体的微生物修复环境中微生物并不能降解金属污染物，只能改变金属污染物的种类。生物法去除环境中的重金属主要是利用微生物改变金属原子、金属离子的形态，使其沉淀，以达到去除有毒重金属的目的；或者利用微生物改变金属离子的价态，使金属溶于液体中，从而易于从土壤中滤除。此外，还发现海藻、酵母菌等对金属具有较强的生物吸附能力。张玉玲等[17]利用从活性污泥中分离、纯化、筛选得到的霉菌，可以有效地吸附水体中Cr(Ⅵ)、Cd(Ⅱ)离子。王亚雄等[18]对产碱假单胞菌和藤黄微球菌对Cu2+、Pb2+的吸附特性研究表明，两者对Cu2+、Pb2+的吸附速度很快，3min内细菌对金属离子的吸附量达到总吸附量的75%，然后吸附速度逐渐降低。PRAKASHAM等[19]报道了根霉对Cr6+吸附。泥炭[20]、冬青属的栎屑[21]等经试验证明都可做生物吸附剂。（2）重金属污染水体的植物修复重金属污染水体的植物修复是通过植物根系移去、挥发或稳定水体环境中的重金属污染物，降低污染物中的重金属毒性，以达到清除污染、修复或治理水体为目的的一种技