水环境修复原理与技术

第三章水环境修复原理与技术1.物理修复技术2.化学修复技术3.生物修复原理及生物修复技术4.生态修复技术5.综合方法1.水体修复概念水环境修复原理与技术利用物理的、化学的、生物的和生态的方法减少水环境中有毒有害物质的浓度或使其完全无害化，使污染了的水环境能部分或完全恢复到原始状态的过程概念整治前整治后成都市府南河综合整治工程2.水体修复的目标与原则在保证水环境结构健康的前提下，满足人类可持续发展对水体功能的要求目标水环境修复目标示意图水环境修复原则水体的地域性生态学原则最小风险和最大效益原则处理对象不同传统的环境工程领域，处理对象能够从环境中分离出来，例如废水或废弃物，需要建造成套的处理设施，在最短的时间内，以最快的速度和低成本，将污染物净化去除；而在水环境修复领域，所修复的水体对象是环境的一部分，不可能建造能将修复对象包容进去的处理系统。如采用传统治理净化技术，即使局部小系统的修复，其运行费用也是天文数字。水环境修复过程中，需要保护周围环境。比传统环境工程学需要的专业面更广，包括环境工程、土木工程、生态工程、化学、生物学、毒理学、地理信息和分析监测，需要将环境因素融入技术中。水环境修复工程遵循的原则不同于传统环境工程学3.水环境修复的基本内容水环境现场调查确定污染程度、包括污染区域位置、大小、污染区域特征、形成历史、污染变化趋势和程度等目的外部污染源的范围和类型；内部污染源的变化规律；底泥土壤环境的形成和性质；水动力学特征内容水环境修复设计水环境修复设计(续表)水环境污染控制技术和生态恢复技术主要分3类:①物理方法，如疏挖底泥、机械除藻、引水冲淤等②化学方法，如加入化学药剂杀藻、加入铁盐(铝盐)促进磷沉淀、加入石灰脱氮等。③生物—生态方法，如放养控藻型生物、构建人工湿地和水生植被。水环境修复技术概述地表水污染的修复3.1物理修复技术物理修复是经过简单预处理的污水，在湿地系统中通过物理沉淀、过滤、吸附作用进一步除去可沉淀的固体、胶体、BOD5、氮、磷、重金属、细菌、病毒及难以溶解的有机物质。目前国内外在水环境修复中所采用的主要物理措施:引水冲刷／稀释、曝气、机械／人工除藻、底泥疏浚等。特点：物理方法操作简单、造价低，但往往治标不治本。地表水污染的修复3.1.1冲刷/稀释采取引水冲污稀释污染水体，增加流域水资源量，加快污染水体流动，加强水体自净能力。水体流动性的加强对沉积物-水体界面物质交换也有一定影响，增加河流下层溶解氧含量，对底泥污染物释放产生一定的抑制作用，有助于水体生态系统的恢复。地表水污染的修复3.1.2曝气污染水体接纳大量的有机污染物后，有机物大量分解造成水体溶解氧浓度急剧降低，甚至出现厌氧状态，导致溶解盐释放以及臭味气体产生。通过人工曝气，可使水体底层溶解氧得以恢复，水体中溶解铁、锰、硫化氢、二氧化碳、氨氮以及气体还原组分浓度大为降低，改善水生生物的生存环境。同时，可有效限制底层水体中磷的活化和向上扩散，限制浮游藻类的生产力。地表水污染的修复3.1.3机械/人工除藻收获水体中的藻类，可在短时间内快速有效的去除藻类及藻华。在某些特定环境，利用自然动力收货藻类可有效的减轻富营养化的危害。机械除藻在过去人工打捞藻类的基础上发展了臭氧/超声波除藻技术，此技术利用超声波的作用使藻类的细胞破裂，打破藻细胞内的气囊，使其失去浮动能力而沉淀。地表水污染的修复屠清瑛等人分别于2001年9月6-8日和14-20日在什刹海后海实验区（50m×50m）进行了两次超声波/臭氧复合试验，按每天作业7h计，臭氧/超声波试验证明对藻类有明显的去除作用。当水中臭氧浓度5mg/L时，1h后藻类的去除率平均在30%-50%左右；充入臭氧2h（浓度约10mg/L)，藻类去除率平均在80%左右。试验结果证明，总磷也有明显的递减趋势，但是对COD的作用不甚明显.地表水污染的修复例：在太湖水环境修复中，利用风力、湖流在水源区域建造富集藻类的专门设施来收集藻类，避免了“水华”阻塞取水口而引起的水质恶化，取得良好的效果。滇池、太湖、巢湖等设立藻水分离站地表水污染的修复3.1.4底泥疏浚可降低水体的内源污染负荷量和底泥污染物重新释放的风险。对于沉积物中的重金属和持久性有毒有机污染物而言，只能通过环境疏浚方法从湖泊中去除。南明河、苏州河的治理均用到此技术。地表水污染的修复在湖泊沉积物中，甲烷的产生和营养物的释放可以通过增加石膏（(CaSO4·2H2O).）来进行控制。进入到沉积物中的石膏可以增加氧化还原电位、减少甲烷的产生和抑制沉积物中磷的释放。地表水污染的修复3.1.5光催化技术基于纳米材料的光催化特性，纳米材料应对水华和赤潮藻具有杀伤能力。纳米材料具有在光照（尤其是紫外光）下可以产生羟基自由基及强还原能力的特性，对藻细胞内的脂类、蛋白等生物大分子产生氧化作用，从而破坏其生物学功能最终导致细胞死亡。因此被认为在消毒杀菌、空气净化、污水处理、海洋原油污染清除、自清洁材料等方面具有很好的应用前景，并已得到广泛的研究。适合用于养殖水体、景观水体的应急性杀藻地表水污染的修复3.2化学修复技术化学修复是添加化学药剂和吸附剂改变水体中氧化还原电位、pH，吸附沉淀水体中悬浮物质和有机质，是利用污染物的化学反应来分离、回收污水中的有害物质，或使其转化为无害的物质。化学方法操作简单，用量少，见效快，但利用化学方法治理污染水体需大量投加化学药剂，成本昂贵，同时容易引起二次污染。地表水污染的修复3.2.1化学沉淀法通过向水体投加铁盐或铝盐，通过吸附或絮凝作用与水体中的无机磷酸盐产生化学沉淀，降低水体磷的浓度，控制水体的富营养化。同时，铝盐能够形成氢氧化铝沉淀，在沉积物表层形成“薄层”，可阻止沉积磷的释放。地表水污染的修复3.2.2改性硅藻土强化混凝法硅藻土是由天然形成的硅藻矿石加工而成，不含有毒化学物质。改性硅藻土处理湖水时，直接吸附、化学沉淀、脱稳絮凝、吸附架桥等作用同时存在，湖水净化的过程是这些过程共同作用的结果。较适用于开放性大型水体的脱磷和除浊。地表水污染的修复吴蕾、陈云峰在《改性硅藻土用于巢湖水脱磷研究》中研究了改性硅藻土除磷最适操作条件，并将改性硅藻土同几种常规混凝剂的处理效果和其经济性进行了对比，与常规混凝剂相比，改性硅藻土出水更为清澈透亮，污泥沉降性能好，污泥量少，在建设成本和运行成本上更为节省。地表水污染的修复3.2.3化学除藻法采用各种化学除藻剂进行除藻，效果最显著，但也最具有危险性。例如：单一除藻剂有碘伏、水溶性甲壳素碘等复配除藻剂有碘伏-新洁尔灭、碘伏-异噻唑啉酮等地表水污染的修复3.2.4酸碱中和法向水体中添加石灰进行酸碱中和，调整水体酸碱度，以适应水生态系统的物种生长、繁殖的需要。24／120地表水污染的修复3.3生物修复原理及生物修复技术1.生物修复概述2.微生物在环境污染治理中的作用3.植物在环境污染治理中的作用4.水环境污染控制中的生物修复技术3.3.1.生物修复(Bioremediation)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。生物修复的概念及其原理生物修复的基本指导思想净化速度缓慢由于三方面的原因生物修复技术系统中添加氮、磷等营养盐接种、驯化高效菌自然条件下DO不足营养盐缺乏高效菌生长缓慢供氧快速去除污染物生物修复技术的特点优点：投资费用省，对环境影响小，能有效降低污染物浓度，适用于在其他技术难以应用的场地，而且能同时处理受污染的土壤和地下水。局限性：需对具体地点的状况和污染物进行详细而昂贵的考察，微生物活性受温度和其他环境条件的影响，某些情况下，生物修复不能去除全部的污染物。与生物处理的区别：两者原理一致，但生物修复侧重于受污区域的原位生物处理。生物修复技术分类按场地划分：原位生物修复和异位生物修复1)原位生物修复：对受污染的介质(土壤、水体)不做搬运或输送而在原位污染地进行的生物修复处理，其修复过程主要依赖于被污染地自身微生物的自然降解能力和人为创造的合适降解条件。2)异位生物修复：植被污染介质(土壤、水体)搬动或输送到他处进行的生物修复处理。生物修复的生物类型土著微生物：环境中固有的微生物外来微生物：需大量接种的高效菌基因工程菌（Geneticallyengineeredbacteria,GEM）植物及超积累植物生物修复的影响因素营养盐：需添加氮、磷营养元素电子受体：•可通过对土壤鼓气或添加产氧剂的方式来提供DO作为有机物降解的电子受体；此外，硝酸根、硫酸根、铁离子也可作为有机物降解的电子受体。共代谢基质污染现场和土壤特性：•土壤特性影响污染物和微生物的相对活性，最终影响生物修复的速度和程度。有毒有机污染物的物理化学性质生物修复的影响因素共代谢的含义早在20世纪60年代，人们就发现一株能在一氯乙酸上生长的假单胞菌能够使三氯乙酸脱卤，而不能利用后者作为碳源生长。微生物的这种不能利用基质作为能源和组分元素的有机物转化方式称为共代谢（co-metabolism）。共代谢又称为共氧化（co-oxidation）或联合氧化（combinedoxidation），辅助代谢（assistantmetabolism).因此，微生物不能依靠某种有机物生长并不一定意味着这种污染物能够抵抗微生物的攻击,当存在其他底物时，这种污染物就会通过共代谢作用而生物降解。生物修复的基本措施接种微生物或引种超积累植物添加营养物提供电子受体提供共代谢底物以诱导共代谢酶产生添加表面活性剂1.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。3.3.2.微生物在环境污染治理中的作用2.微生物对重金属的转化与固定•微生物虽然不能降解重金属，但是可以降低其毒性，并可将其累积在菌体内使之固定。①汞的去甲基化及还原例如：蓝绿色假单胞菌、变形杆菌可使汞离子转化成元素汞，经10小时后挥发掉的汞可达75%。假单胞菌K62能使无机汞和有机汞形成元素汞。②累积及固定重金属在微生物累积重金属方面，已阐明同细胞内金属硫蛋白(Metalothioneins简称MT)有关，MT是一种低分子量的细胞质蛋白，同Hg,Zn、Cd、Cu、Ag等重金属有强烈的亲和性，结果使重金属富集并抑制其毒性。变形杆菌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适宜的环境条件有毒有害有机污染物的化学性质污染物的溶解度污染物的辛醇-水分配系数非水溶相液体的利用污染物的吸着性重金属的生物有效性适宜的环境条件污染现场和土壤的特性土壤物理特性土壤化学特性3.3.3.植物在环境污染治理中的作用植物修复的概念利用绿色植物清除环境中的污染物，使其去除降低或消失称作植物修复(phytoremediation)植物修复的主要对象是有毒重金属和有机污染物环境中金属污染的去除方案场外修复:先将土壤挖掘、转移，再去除金属离子微生物修复：生物量小，吸收量小，同时生物体过小难以进行后处理植物修复：生物量大，吸收量大，同时易于进行后处理。适应重金属胁迫的植物不吸收或少吸收重金属将吸收的金属钝化在植物的地下部分大量吸收金属的同时正常生长可在金属污染土壤中生产符合环境标准的农产品通过栽种植物积累金属，收获后进行植物提取植物修复污染物的方式植物固定(