污染環(huán)境的生物修復(fù)

1、10. 10. 污染環(huán)境的生物修復(fù)污染環(huán)境的生物修復(fù)8.1 8.1 生物修復(fù)的概念及其原理生物修復(fù)的概念及其原理8.2 8.2 生物修復(fù)工程技術(shù)生物修復(fù)工程技術(shù)8.3 8.3 石油污染修復(fù)石油污染修復(fù)8.4 8.4 重金屬的修復(fù)重金屬的修復(fù)第一節(jié)第一節(jié) 生物修復(fù)的概念及其原理生物修復(fù)的概念及其原理一、生物修復(fù)的基本原理和特點一、生物修復(fù)的基本原理和特點（BioremediationBioremediation）指利用生物將土壤、地）指利用生物將土壤、地表及地下水或海洋中的危險性污染物現(xiàn)場去除或降解表及地下水或海洋中的危險性污染物現(xiàn)場去除或降解的工程技術(shù)系統(tǒng)。的工程技術(shù)系統(tǒng)。優(yōu)點：優(yōu)點：投資費用

2、省，對環(huán)境影響小，能有效降低投資費用省，對環(huán)境影響小，能有效降低污染物濃度，適用于在其他技術(shù)難以應(yīng)用的場地，污染物濃度，適用于在其他技術(shù)難以應(yīng)用的場地，而且能同時處理受污染的土壤和地下水。而且能同時處理受污染的土壤和地下水。局限性：局限性：需對具體地點的狀況和污染物進行詳細需對具體地點的狀況和污染物進行詳細而昂貴的考察，微生物活性受溫度和其他環(huán)境條而昂貴的考察，微生物活性受溫度和其他環(huán)境條件的影響，某些情況下，生物修復(fù)不能去除全部件的影響，某些情況下，生物修復(fù)不能去除全部的污染物。的污染物。與生物處理的區(qū)別：與生物處理的區(qū)別：兩者原理一致，但生物修復(fù)兩者原理一致，但生物修復(fù)側(cè)重于受污區(qū)域的原位

3、生物處理。側(cè)重于受污區(qū)域的原位生物處理。二、生物修復(fù)種主要生物種類及其修二、生物修復(fù)種主要生物種類及其修復(fù)原理復(fù)原理通過微生物的降解和轉(zhuǎn)化，將有機污染物轉(zhuǎn)化為無害的通過微生物的降解和轉(zhuǎn)化，將有機污染物轉(zhuǎn)化為無害的小分子化合物和二氧化碳與水小分子化合物和二氧化碳與水土著微生物：環(huán)境中固有的微生物土著微生物：環(huán)境中固有的微生物外來微生物：需大量接種的高效菌外來微生物：需大量接種的高效菌基因工程菌（基因工程菌（GEMGEM）營養(yǎng)鹽：營養(yǎng)鹽：需添加氮、磷營養(yǎng)元素需添加氮、磷營養(yǎng)元素電子受體：電子受體：可通過對土壤鼓氣或添加產(chǎn)氧劑的方式來提供可通過對土壤鼓氣或添加產(chǎn)氧劑的方式來提供DODO作為有作為有機

4、物降解的電子受體；此外，硝酸根、硫酸根、鐵離子機物降解的電子受體；此外，硝酸根、硫酸根、鐵離子也可作為有機物降解的電子受體。也可作為有機物降解的電子受體。共代謝基質(zhì)共代謝基質(zhì)污染現(xiàn)場和土壤特性：污染現(xiàn)場和土壤特性：土壤特性影響污染物和微生物的相對活性，最終影響生土壤特性影響污染物和微生物的相對活性，最終影響生物修復(fù)的速度和程度。物修復(fù)的速度和程度。有毒有機污染物的物理化學(xué)性質(zhì)有毒有機污染物的物理化學(xué)性質(zhì) 可同時去除有機污染物和重金屬、放射性核素，可同時去除有機污染物和重金屬、放射性核素，適用于大面積、低污染的位點。適用于大面積、低污染的位點。適應(yīng)重金適應(yīng)重金屬脅迫的屬脅迫的植物植物不吸收或少吸

5、收重金不吸收或少吸收重金屬屬將吸收的金屬鈍化在將吸收的金屬鈍化在植物的地下部分植物的地下部分大量吸收金屬的同時正常大量吸收金屬的同時正常生長生長可在金屬污染土壤中生可在金屬污染土壤中生產(chǎn)符合環(huán)境標準的農(nóng)產(chǎn)產(chǎn)符合環(huán)境標準的農(nóng)產(chǎn)品品通過栽種植物積累金通過栽種植物積累金屬，收獲后進行植物屬，收獲后進行植物提取提取環(huán)境中金屬污染的去除：環(huán)境中金屬污染的去除：已有方案：場外修復(fù)，先將土壤挖掘、轉(zhuǎn)移，再已有方案：場外修復(fù)，先將土壤挖掘、轉(zhuǎn)移，再去除金屬離子；去除金屬離子；微生物修復(fù)：生物量小，從而吸收量小，同時生微生物修復(fù)：生物量小，從而吸收量小，同時生物體過小難以進行后處理；物體過小難以進行后處理；植物

6、修復(fù)特點：生物量大，從而吸收量大，同時植物修復(fù)特點：生物量大，從而吸收量大，同時易于進行后處理。易于進行后處理。 植物修復(fù)金屬污染的方式植物修復(fù)金屬污染的方式1）植物固定）植物固定 指利用植物和其他一些添加物使環(huán)境中的金屬流動性降低，指利用植物和其他一些添加物使環(huán)境中的金屬流動性降低，生物可利用性下降，降低金屬對生物的毒性。生物可利用性下降，降低金屬對生物的毒性。 該法只是暫時將金屬固定，并沒有徹底去除環(huán)境中的金屬。該法只是暫時將金屬固定，并沒有徹底去除環(huán)境中的金屬。 2）植物揮發(fā)）植物揮發(fā) 指植物將污染物吸收到體內(nèi)后又將其轉(zhuǎn)化為氣態(tài)物質(zhì)，釋放指植物將污染物吸收到體內(nèi)后又將其轉(zhuǎn)化為氣態(tài)物質(zhì)，釋

7、放到大氣中。該法只適用于揮發(fā)性污染物。到大氣中。該法只適用于揮發(fā)性污染物。 3）植物吸收）植物吸收 指利用能耐受并可過量積累金屬的植物吸收環(huán)境中的金屬離指利用能耐受并可過量積累金屬的植物吸收環(huán)境中的金屬離子，將它們輸送并貯存在植物體的地上部分。子，將它們輸送并貯存在植物體的地上部分。 需要選擇能耐受并可過量積累金屬的植物種類。需要選擇能耐受并可過量積累金屬的植物種類。環(huán)境中有機物的降解與去除環(huán)境中有機物的降解與去除 去除機理去除機理1) 植物對有機污染物的直接吸收作用植物對有機污染物的直接吸收作用2) 植物釋放分泌物和酶植物釋放分泌物和酶3) 強化根區(qū)的礦化作用強化根區(qū)的礦化作用環(huán)境中放射性核

8、素的去除：環(huán)境中放射性核素的去除：已有的方法：將土壤從污染未點搬移，然后用分已有的方法：將土壤從污染未點搬移，然后用分散劑或鰲合劑進行處理。散劑或鰲合劑進行處理。植物可從污染的土壤中吸收并累積大量的放射性植物可從污染的土壤中吸收并累積大量的放射性核素，因此植物去除是一個值得研究的方法。核素，因此植物去除是一個值得研究的方法。植物對放射性核素的吸收與植物種類及土壤的性植物對放射性核素的吸收與植物種類及土壤的性質(zhì)有關(guān)。土壤的粒子交換能力越強，植物吸收放質(zhì)有關(guān)。土壤的粒子交換能力越強，植物吸收放射性核素的能力越大。射性核素的能力越大。富營養(yǎng)化水體富營養(yǎng)化水體 水華和赤潮水華和赤潮 防治水體富營養(yǎng)化的

9、對策：防治水體富營養(yǎng)化的對策： 控制外源性營養(yǎng)物質(zhì)的輸入；控制外源性營養(yǎng)物質(zhì)的輸入； 減少內(nèi)源性營養(yǎng)物質(zhì)的負荷。減少內(nèi)源性營養(yǎng)物質(zhì)的負荷。 防治水體富營養(yǎng)化的措施：防治水體富營養(yǎng)化的措施： 工程性措施：挖走底泥、水底深層曝氣等；工程性措施：挖走底泥、水底深層曝氣等； 化學(xué)法：凝聚沉降、化學(xué)藥劑殺藻等；化學(xué)法：凝聚沉降、化學(xué)藥劑殺藻等； 生物法：即生物修復(fù)，利用水生生物吸收氮、磷進行代生物法：即生物修復(fù)，利用水生生物吸收氮、磷進行代謝活動從而除去水體中的營養(yǎng)物質(zhì)。謝活動從而除去水體中的營養(yǎng)物質(zhì)。高等水生植物凈化水體的特點高等水生植物凈化水體的特點以大型植物為主體，植物和根區(qū)微生物共以大型植物為主

10、體，植物和根區(qū)微生物共生，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，經(jīng)過植物直接吸收、生，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，經(jīng)過植物直接吸收、微生物轉(zhuǎn)化、物理吸附和沉降作用除去氮、微生物轉(zhuǎn)化、物理吸附和沉降作用除去氮、磷和懸浮顆粒，同時對重金屬元素也有去磷和懸浮顆粒，同時對重金屬元素也有去除效果。除效果。第二節(jié)第二節(jié) 生物修復(fù)工程技術(shù)生物修復(fù)工程技術(shù)一一 生物修復(fù)工程技術(shù)可行性研究生物修復(fù)工程技術(shù)可行性研究二、二、 地表水生物修復(fù)技術(shù)地表水生物修復(fù)技術(shù)針對流動的河道水體，可采用直接曝氣、針對流動的河道水體，可采用直接曝氣、生物膜法等；生物膜法等；對于淺水湖泊，可添加營養(yǎng)鹽、采用曝氣對于淺水湖泊，可添加營養(yǎng)鹽、采用曝氣機攪拌混合等法；機攪拌混

11、合等法；三、土壤生物修復(fù)技術(shù)三、土壤生物修復(fù)技術(shù) 特點：原地進行，無需挖出土壤和運輸，采用土著微生物或經(jīng)馴化特點：原地進行，無需挖出土壤和運輸，采用土著微生物或經(jīng)馴化的微生物處理。的微生物處理。 主要有以下三種主要方式：土地處理 直接或間接利用高等植物分解有機物的生物修復(fù)技術(shù) 通風(fēng)生物修復(fù)法 包括兩方面內(nèi)容：包括兩方面內(nèi)容： 對受油污染的土壤進行修復(fù)對受油污染的土壤進行修復(fù) 對礦山廢棄地進行植被恢復(fù)對礦山廢棄地進行植被恢復(fù)通風(fēng)生物修復(fù)法流程 廢水處理系統(tǒng)廢水處理系統(tǒng)營養(yǎng)鹽營養(yǎng)鹽 空氣空氣污染區(qū)污染區(qū)抽抽水水井井地下水位地下水位注注水水井井觀觀測測井井圖圖 生物修復(fù)原位處理方式示意圖生物修復(fù)原位

12、處理方式示意圖土壤異位生物修復(fù)： 土壤異位生物修復(fù)是將受污染土壤挖掘起來，將之運輸?shù)揭粋€經(jīng)各種工程準備的制備床進行生物修復(fù)(下圖)，防止污染物向地下水或更廣大地域擴散，處理后的土壤再運回原地的一種生物修復(fù)技術(shù)。 土壤異位生物修復(fù)主要方式將污染物質(zhì)與一些自身容易分解的有機物混合堆放，并加入氮、磷及其他無機營養(yǎng)物質(zhì)。將土壤挖起并加入限制性營養(yǎng)，在底部作防滲漏處理，附高通風(fēng)系統(tǒng)，然后將污染土壤調(diào)理至適宜的含水率進行控制通風(fēng)堆積?？稍谑芪廴境跗诳稍谑芪廴境跗谙拗莆廴疚锏臄U散和遷移，減少受污染范圍，但限制污染物的擴散和遷移，減少受污染范圍，但運輸、挖掘費用較高，運輸過程中可能引發(fā)新的運輸、挖掘費用較高，

13、運輸過程中可能引發(fā)新的污染或因挖掘造成土壤生態(tài)結(jié)構(gòu)的破壞。污染或因挖掘造成土壤生態(tài)結(jié)構(gòu)的破壞。將受污染的土壤挖掘起來，和水混合后，在接種了微生物的反應(yīng)器內(nèi)進行處理，處理后的土壤與水分離后，經(jīng)脫水處理后再運回原地。特點：此法類似于污水生物處理，受污染的土壤特點：此法類似于污水生物處理，受污染的土壤挖出與水混合后在接種了微生物的反應(yīng)器內(nèi)進行挖出與水混合后在接種了微生物的反應(yīng)器內(nèi)進行處理，處理速度較快，但工程復(fù)雜，費用較高。處理，處理速度較快，但工程復(fù)雜，費用較高。案例1:湖南郴州鄧家塘砷污染土壤修復(fù)示范工程 在國家高技術(shù)發(fā)展計劃(863項目)、973前期專項和國家自然科學(xué)基金重點項目的支持下，20

14、01年陳同斌研究員在湖南郴州建立了世界上第一個砷污染土壤植物修復(fù)工程示范基地。蜈蚣草葉片富集砷達0.5%，為普通植物的數(shù)十萬倍；能夠生長在0.15-3%的污染土壤和礦渣上，具有極強的耐砷毒能力；其地上部與根的含砷比率為5：1，顯示其具有超常的從土壤中吸收富集砷的能力。蜈蚣草對砷和磷的吸收并不表現(xiàn)為拮抗作用，而是一種協(xié)同作用，增施磷肥可增強蜈蚣草對砷的吸收能力。田間管理除水肥管理外，還需除草、冬季蓋膜防凍等措施。 蜈蚣草生物量大，富集砷能力強，每年去除土壤砷的效率為10%左右。收割的蜈蚣草通過砷的固定劑安全焚燒。備注：2000年1月8日，郴州市蘇仙區(qū)鄧家塘鄉(xiāng)發(fā)生一起嚴重砷污染事故，導(dǎo)致600多畝

15、稻田棄耕、2人死亡、400多人集體住院，誘發(fā)嚴重糾紛和暴力沖突。 四、地下水生物修復(fù)工程技術(shù)四、地下水生物修復(fù)工程技術(shù)特點：與土壤原位處理基本相同。特點：與土壤原位處理基本相同。指使用暫時的物理屏障以減緩并阻滯污染物在地指使用暫時的物理屏障以減緩并阻滯污染物在地下水中的進一步遷移。下水中的進一步遷移。又稱抽取處理技術(shù)，將受污染的地下水從地下又稱抽取處理技術(shù)，將受污染的地下水從地下水層中抽取出來，在地面上用一種或多種工藝處水層中抽取出來，在地面上用一種或多種工藝處理之后，再將水注入地層。理之后，再將水注入地層。+ +1. 原位處理法 通過深井向地下水層中添加微生物凈化過程必需的營養(yǎng)物和高氧化還原

16、電位的化合物，改變地下水體的營養(yǎng)狀況和氧化還原狀態(tài)，依靠土著微生物的作用促進地下水中污染物分解和氧化(見右圖)。 地上處理法 在一個區(qū)域內(nèi)的地下水受到污染后，也可以打數(shù)眼深井，直至地下受污染水層，然后將地下水抽提出來在地面上用一種或多種工藝處理。 地上處理的方法較多，其中研究最多的是生物膜反應(yīng)器法。凈化后的地下水通過兩種方法回補地下水層： 通過深井直接注入地下水層 排入滲濾區(qū)經(jīng)土壤淋溶后返回地下水層 實際應(yīng)用中此方法很難將吸附在地下水層基質(zhì)上的污染物提取出來，因此效率較低，應(yīng)用較少。 案 例 由上海水產(chǎn)大學(xué)、蘇州大學(xué)、江蘇省太湖漁管辦聯(lián)合承擔(dān)的江蘇省太湖水污染治理科技專項“馴化食藻蟲引導(dǎo)太湖水

17、下生態(tài)修復(fù)示范”項目日前啟動，進入實驗室階段。 該項目將把經(jīng)過特殊馴化的食藻蟲投入太湖水域，通過食藻蟲來引導(dǎo)太湖沉水植被種群的生態(tài)恢復(fù)，從而起到抑制藍藻暴發(fā)、凈化水質(zhì)的目的。 案 例 昆明“四退三還一護”修復(fù)滇池湖濱帶 05年為推進滇池湖濱生態(tài)修復(fù)工程，昆明市政府在滇池流域2920公里核心區(qū)、6738平方公里輻射區(qū)、涵蓋415萬人口的城鄉(xiāng)一體化范圍內(nèi)，全面實施“四退、三還、一護”，即退田還林、退塘還濕、退房還岸、退人護水，全面消除近湖區(qū)域生產(chǎn)生活污染源。昆明市將結(jié)合草海片區(qū)的開發(fā)，同步恢復(fù)建設(shè)草海濕地，大力開展湖濱生態(tài)修復(fù)和生態(tài)建設(shè)，形成良性的湖濱生態(tài)系統(tǒng)。在滇池外海環(huán)湖公路以內(nèi)，科學(xué)規(guī)劃建設(shè)

18、環(huán)湖親水型生態(tài)林地與生態(tài)濕地；在環(huán)湖公路以外，利用自然地力，采用抗污染植被，保護和建設(shè)生態(tài)林帶。 (205年)總面積3.3平方公里的昆明滇池草海東風(fēng)壩及老干魚塘綜合整治工程二期生態(tài)恢復(fù)工程提前兩個月完工，月號通過專家驗收。標志著滇池實施規(guī)模化生態(tài)修復(fù)工程獲得成功，滇池又有了一個嶄新的“肺”。年前，滇池東風(fēng)壩近的水面上長滿了水葫蘆，另一半則被網(wǎng)箱養(yǎng)魚所覆蓋，給滇池水質(zhì)造成了嚴重的污染。國務(wù)院批準把綜合整治滇池工程列為 “十五”期間云南環(huán)境保護的重要項目，對此，昆明市政府于年月實施了東風(fēng)壩及老干魚塘綜合整治一期退塘還湖工程，讓平方公里的水域重見天日，水體景觀得到了明顯改善。 為了鞏固這一成果，省市

19、共投資2580萬元，啟動了東風(fēng)壩及老干魚塘綜合整治二期生態(tài)恢復(fù)工程，種植和恢復(fù)了挺水、沉水、浮葉等種大型水生植物畝；在東風(fēng)壩北岸抽取湖心底泥，實施人工吹填萬立方米，造灘畝；為實現(xiàn)與草海通水，在壩體上設(shè)計了個開口，最終使大型水生植被覆蓋率達。經(jīng)過歷時兩年的整治，目前，東風(fēng)壩水域透明度上升了，老干魚塘水域透明度上升了。 案 例 膠萊兩灣分處黃渤海，漁業(yè)資源豐富，沿岸分布有廣闊的濕地資源。由于近年來人們對兩灣的不合理開發(fā)利用，兩灣濕地已呈現(xiàn)出明顯的退化趨勢。其中退化的主要原因就是圍墾和污染。 黃河三角洲濕地也面臨著濕地污染、水資源不足、人類不合理的開發(fā)利用及各種自然災(zāi)害的威脅，其濕地生態(tài)系統(tǒng)受到嚴重

20、破壞。 對于兩灣和黃河三角洲地區(qū)的濕地恢復(fù)也應(yīng)在控制污染源和合理開發(fā)資源的基礎(chǔ)上，采取治疏并舉的方法改善生態(tài)環(huán)境?？衫蒙镄迯?fù)技術(shù)，根據(jù)環(huán)境特征進行蘆葦人工濕地控制污染，凈化水質(zhì)。然后通過膠萊人工海河的疏導(dǎo)功能，提高海水自凈能力，改善濕地和海洋生態(tài)環(huán)境。五、石油污染物治理1）生物降解（1）石油組分的生物降解烷烴芳香烴圖6-5-6 烷烴好氧代謝途徑圖6-5-7 環(huán)烷烴降解途徑圖6-5-8 芳香烴化合物好氧代謝途徑（2）環(huán)境因素對烴氧化微生物的影響碳氫化合物種類烴類化合物的溶解度不同微生物種群對原油的降解能力不同溫度及壓力 溫度升高分解速率加快，壓力加大分解速率減慢溶解氧 烴類化合物的降解主要在

21、好氧條件下完成營養(yǎng)鹽添加氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)一般可以促進石油的生物降解 全世界每年有10億噸原油經(jīng)海上運輸，其中約有320萬噸因泄漏污染海洋；同時油庫、輸油管泄漏造成土壤污染事件也時有發(fā)生。20世紀80年代以來生物修復(fù)技術(shù)開始應(yīng)用于石油污染治理。 主要通過添加一種含N、P且不被海水沖走的肥料，從而能夠促進石油降解微生物的生長繁殖，加快石油降解速度。 該法能使原油的降解速度提高69倍，16個月內(nèi)降解率可達6070，而對海水養(yǎng)分、藻類生長不造成影響。原油污染可以基本得到清除，治理時間可由原先估計的1020年縮短為23年。 六、重金屬的生物處理技術(shù)六、重金屬的生物處理技術(shù)1.生物吸附原理2.生物吸附劑3

22、.生物吸附的影響因素4.重金屬陰離子的生物吸附5.重金屬污染的植物修復(fù) 重金屬具有生物攝取的富集積累性。水生生物在體內(nèi)富集的重金屬濃度可達周圍環(huán)境介質(zhì)中濃度的數(shù)百至數(shù)萬倍，沿食物鏈逐漸轉(zhuǎn)移，同時在生物內(nèi)臟長期積累，達到后呈現(xiàn)毒性。因此，微量、痕量重金屬即具有潛在的危險性。 一、生物吸附原理生物吸附與生物累積生物吸附：通常所說的僅指失活微生物的吸附作用，主要是生物體細胞壁表面的一些具有金屬絡(luò)合、配位能力的基團起作用，如巰基、羧基、羥基等基團。這些基團通過與吸附的金屬離子形成離子鍵或共價鍵來達到吸附金屬離子的目的。生物累積：微生物活細胞去除金屬離子的作用一般稱為。生物累積主要是利用生物新陳代謝作用

23、產(chǎn)生的能量，通過單價或二價離子的轉(zhuǎn)移系統(tǒng)把金屬離子輸送到細胞內(nèi)部。 二、生物吸附劑1.生物吸附劑的選擇 吸附和解吸速率快； 生產(chǎn)成本低，可重復(fù)使用； 具有理想的粒、形狀、機械強度，便于在連續(xù)系統(tǒng)中使用；與水溶液的兩相分離應(yīng)高效、快速、 廉價；具有選擇性；再生時吸附劑損失量小，經(jīng)濟上可行。2.生物吸附劑的預(yù)處理酸、堿處理； 熱處理堿處理可以去除細胞壁上的無定形多糖，改變葡聚糖和甲殼質(zhì)的結(jié)構(gòu)，從而允許更多的重金屬離子吸附在其表面上。同時NaOH可以溶解細胞上一些不利于吸附的雜質(zhì)，暴露出細胞上更多的活性結(jié)合位點，使吸附量增大。此外NaOH 還可以使細胞壁上的H+離子解離下來，導(dǎo)致負電性官能團增多，吸附量也會增大。三、生物吸附的影響因素1. pH大多數(shù)類型的生物對重金屬的吸附隨金屬溶液pH下降明顯減少。當(dāng)溶液的pH值很低時，H3O+會占據(jù)大量的吸附活性位點，從而阻止陽離子與吸附活性點的接觸，導(dǎo)致吸附量的下降。但是pH值過高也不利于生物吸附。 典型的金屬吸