第五章-微生物修复.

第五章微生物在环保中的作用第一节微生物修复技术第二节微生物与化学污染物间的相互关系第三节微生物在废水处理中的作用第一节微生物修复技术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.一、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.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。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。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，其生长限制因素包括与其它微生物的竟争、土壤的营养条件等。2.污染物特性污染物的化学性质和污染源的存在形式直接影响生物修复的效率。对于水中溶解度小或疏水性强的污染物，其表面活性剂可以促进污染物和微生物的接触机会，从而提高污染物的微生物修复效率。3.氮源和磷源适当添加各类营养物或改变污染土壤的C：N：P值对污染物的生物降解有很大的帮助。4.其他影响因素大量研究表明，土壤湿度越大，其污染物的转化效率越高。但也有研究表明，实际修复中，土壤湿度不宜太大，这是由于土壤湿度增加会使土壤空隙减少，进而阻止氧气的传递。增加土壤湿度可以提高生物修复的活性，加快降解速度。土壤通气量对降解也有一定影响。通气可为烃污染土壤中的微生物提供充足的电子受体，可保持土壤pH值稳定，从而促进了微生物的生物活性，强化了它们对污染物的氧化降解作用。第二节微生物与化学污染物间的相互关系一、污染物的种类以及对环境的危害二、环境污染物对微生物的作用三、微生物对化学污染物的转化和降解一、污染物的种类以及对环境的危害按污染物的性质可分为物理污染物、化学污染物和生物污染物；化学性污染物的种类极其繁多，目前人们使用的化学物质有10万多种。化学污染物是造成环境污染的主要原因，由于化学性污染物毒性大、分布广、排放量大，对人体健康和生态构成了很大的威胁。化学污染物又可分为有机污染物和无机污染物。1.有机污染物对环境的危害有机污染物是指进入并污染环境的有机化合物。按其来源可分为天然有机污染物和人工合成有机污染物。天然有机污染物主要是指自然条件下或生物体代谢所产生的各种有害于人体健康、环境保护等方面的有机化合物，如黄曲霉素、氨基甲酸乙酯、麦角等。人工合成有机化合物占6万种以上，指由现代化工业生产的各类有机合成物，如染料、洗涤剂、塑料、农药、汽油添加剂、有机溶剂等。有机化合物多数能在环境中被降解成简单无机物，其降解产物有的对人类有害、有毒，甚至致癌。2.石油类污染物对环境的危害随着经济的发展，人类对能源的需求越来越多，各国都加快了对石油资源的开发利用，从沙漠到海洋、从无人区到人口稠密区，越来越多的油气井出现在全球各地。石油是由上千种化学性质不同的物质组成的复杂混合物，主要包括饱和烃、芳香烃类化合物、沥青质、树脂类等。石油的开采、冶炼、使用和运输过程中会出现遗漏现象，含油废水的排放、灌溉、各种石油制品的挥发、不完全燃烧物飘落等引起一系列石油污染问题。石油及石油产品会严重污染环境。（1）土壤污染在石油、天然气的开采过程中，会产生大量含油废水、有害的废泥浆以及其他一些污染物，处理不好时就会污染周边土壤。据一位美国环保人士估算，如果阿拉斯加陆地石油管道发生泄漏，至少会形成30英里长、半英里宽的污染带。由于石油会迅速渗透到土壤中，杀死土壤中的微生物，从而改变土壤成分，改变地表生态，遭受污染的地区可能在几十年甚至上百年的时间内都会寸草不生。（2）水体污染石油及石油产品对水体的污染主要有海洋、江河湖泊、地下水污染。石油的开采、储运、炼制和使用过程中，排出的废油和含油废水，致使水体遭受油污染。据估计，全球石油总储量为3000亿吨，