《污染環(huán)境的物理修復》微生物修復-原位與異位課件

1、土壤污染微生物修復 技術與原理原位微生物修復原位微生物修復的內(nèi)容：設計建立對亞表層環(huán)境控 制有效的供應系統(tǒng)、回收系統(tǒng)和監(jiān)測系統(tǒng)，將電子 受體、微生物營養(yǎng)和活性微生物有效地輸送至受污 染的目標區(qū)域。原位微生物修復的目標: 通過控制調控亞表層環(huán)境 使微生物降解達到最佳狀態(tài)。原位微生物修復的優(yōu)點：它能使對修復場地的干擾 破壞達到最小。典型原位生物修復系統(tǒng)：第一節(jié)水力學控制原位生物修復設計的第一個階段是選擇隔離 和控制污染帶的技術。水力學控制對移動或阻止地下水流、提高或 降低水位以及控制污染羽流動都是必需的。隔離污染羽的常用方法是進行水文干預。流 體力學隔離系統(tǒng)的費用一般比物理遏制結構 要低，系統(tǒng)更靈

2、活。水文控制系統(tǒng)一般為中間抽水，四周注水。最理想的情況是污染帶完全隔離，未控制的地下水可以進 入污染羽流，但是污染地下水不會從修復區(qū)流出。第二節(jié)亞表層供給系統(tǒng)供給系統(tǒng)要以最有效的方式向污染帶供給生物修復 控制劑，并使其在微生物活動區(qū)域均勻分布；同時 保證損失最小、阻塞最小。注入系統(tǒng)有重力法和強制法兩種。一、重力注入重力供給系統(tǒng)適于淺層廢物沉積、高滲透性場所和 局部的污染。影響重力注入的因素：氣候、降水量、土壤滲透性 和有機負荷。重力供給系統(tǒng)可行性評價：最重要的方面是有機負 荷，有機負荷太高不適合。電子受體和營養(yǎng)鹽的供應速率：根據(jù)土壤滲漏速率、水力傳導性、吸附速率以及衰減速率來確定的。設計重力供

3、給系統(tǒng)必須考慮的內(nèi)容：電子受體和營養(yǎng)鹽的供應速率； 污染的地點與深度；維持的滲入速率；場地的水力傳導性(垂直與水平)；污染帶的構造-空間尺度、沉積厚度； 地下水深度；亞表層的孔隙度和一致性； 降水量和凍土層厚度；現(xiàn)場地表地形； 含水層厚度。二、強制注入強制注入速率和位置：是可以控制的，注入井可以安 裝在任何深度。注入井修復影響帶：由于降解速度受氧限制，生物修 復影響帶經(jīng)常是根據(jù)攜帶濃度1 mg/L氧的距離所確 立的，氧影響帶決定強制注入井的間隔以及井投資。注入井和回收井間的距離：應該是能使營養(yǎng)液在注入 后6周內(nèi)達到污染區(qū)。三、 回收系統(tǒng)回收技術分重力法和強制法重力回收取決于截留的來自污染帶的濃

4、度逐 漸降低的地下水。強制回收系統(tǒng)可使用吸取提升和標準的井泵。強制回收四、注入井和回收井的構造典型的井的類型抽出井注入井注入-回收井對升梯度注入井和 降梯度回收井線交錯注入井-回 收井系列和降梯 度回收井組合沿羽流邊界的注入 井和回收井系列第三節(jié) 阻塞控制運行中可能的問題是含水層和注入井的阻塞。主要的阻塞原因與懸浮固體、生物生長和含 水層化學有關。一、懸浮固體阻塞注入水通常是來自回收系統(tǒng)，容易造成懸浮固體阻塞。 懸浮固體來源是回收井的粘土、絮凝物或生物生長物?；厥账瘜W處理或生物處理時，生物生長、生物絮凝或 化學絮凝會產(chǎn)生懸浮固體。含水層中pH和氧化還原電 位的改變會產(chǎn)生氫氧化鋁或鐵沉淀而產(chǎn)生

5、阻塞。注水中懸浮固體濃度應低于2.0mg/L。濁度可用作為控 制指標，應低于1濁度單位(NTU)。推薦使用過濾器處 理回收水。二、生物阻塞1、注入井的濾網(wǎng)原位生物修復運行時加入氧和營養(yǎng)鹽后會刺激井 濾網(wǎng)上和周圍含水層中生物生長使微生物易阻塞 注入井。使用脈沖注入法可減少注入井阻塞。電子受體和 營養(yǎng)鹽分別以一定的間隔分別注入。分開注入生 物修復劑可消除注入點的最佳生長條件所以不利 于生物生長。2、鐵細菌鐵細菌生長也引起生物阻塞。水中鐵含量很低的 情況下就可以使生物膜反應器阻塞。主要優(yōu)勢菌為銹色嘉利翁氏菌(Gallionellaferruginea)和纖發(fā)菌屬(Leptothrix)。使亞鐵氧化，

6、鐵離子形成鐵氧化物水鐵礦(Fe5HO84H2O)其溶解性很低(Ksp=10-40) ：4Fe2+O2+4H4Fe3+2H2O5Fe3+12H2O Fe5HO84H2O+15H三、化學阻塞化學反應有氧化、還原、沉淀和離子交換。對大 多數(shù)含水層，離子交換對阻塞沒有顯著影響。最 主要問題是氧化還原電位和營養(yǎng)鹽加入的變化。氧化還原電位變化含氧水注入后還原條件變?yōu)檠趸瘲l件，氧化反應包括鐵、硫化物和氨等的氧化。很多地下水含鐵氧化形成沉淀。Fe2+被氧化為Fe3+，形成Fe(OH)3。營養(yǎng)鹽磷酸鹽是引起含水層阻塞的重要化學因素。正磷酸 鹽濃度只要不超過10mg/L就會使沉淀達到最小，但 是由于亞表層磷酸鹽轉

7、移困難，這一濃度對生物修 復來說可能很不夠。磷酸鹽不能注入到石灰性土壤，否則會被吸附沉淀?？梢杂闷渌姿猁}進行生物修復，如三聚磷酸鈉、 焦磷酸鹽(P2O74-)和三偏磷酸鹽(P3O93-)。第四節(jié)原位氧源在選擇氧供應系統(tǒng)時，應按下列標準評判：污染負荷的需氧量；自然有機沉積的需氧量；設計降解速度；每種方法供應的氧轉移速率；氧源傳輸利用的難易；氧源的費用。原位氧源可以通過強制手段將分子氧加入系統(tǒng)，或 通過化學反應加入系統(tǒng)(如用過氧化氫)。與降解速率有關的最終需氧量決定了供氧速率。供 氧應和需氧平衡，才能使生物修復的清除時間達到 最佳。太低的供氧速率會使修復時間延長，太高的 供氧速率又會增加修復成本

8、。供氧方式：井孔通氣，含氧水注入，H2O2注入，通 氣，注氣。污染物位置和需氧速率，決定了使用什 么樣的供氧方式。1、井孔通氣 ：可通過多孔氣泡裝置將空氣擴散到井孔中，具有結構簡單、價格低廉的優(yōu)點。注氣裝置可使用金 剛砂擴散器、多孔石、碳化硅擴散器等。2、含氧水的注入：用泵將飽和含氧水打入含水層。為了防 止生物阻塞，將注氣器提出清洗和用H2O2處理。供氧速 率低是其主要缺點。3、 H2O2的注入：土壤酶促反應使H2O2分解，高pH值也可 加速分解?？梢钥紤]通過選擇營養(yǎng)鹽的種類阻止H2O2分 解，使用磷酸鹽可使H2O2穩(wěn)定傳輸較長距離。第五節(jié)原位共代謝多數(shù)生物修復項目用污染物作為主要基質，但某

9、些污染物，如氯代烴，則需要共代謝系統(tǒng)，共代 謝需要注入主要基質。如果污染物是石油烴和氯化有機物的混合物，石 油烴可以作為氯化烴代謝菌的能源和碳源進行共 代謝。生物修復還用硝酸鹽為電子受體。如用硝酸鹽作 為電子受體，注入乙酸鹽作為主要基質可促進氯 代烴的共代謝。第六節(jié)生物通風生物通風法由土壤氣相抽提法（SVE）發(fā)展而 來，通過向土壤中供給空氣或氧氣，依靠微生物的 好氧活動，促進污染物降解；同時利用土壤中的壓 力梯度促使揮發(fā)性有機物及降解產(chǎn)物流向抽氣井， 被抽提去除。關鍵技術參數(shù)或指標影響因 素技術指標技術參數(shù)土壤理 化性質 因素土壤的氣體滲透率土壤含水率土壤溫度土壤的pH營養(yǎng)物的含量土壤氧氣/電

10、子受體土壤的滲透率一般應該大于 0.1 達西。一般認為含水率達到15-20時，生物修復的效果最好。大多數(shù)生物修復是在中溫條件（20-40）下進行的，最 大不超過40。大多數(shù)微生物生存的pH 范圍為5-9一般認為，利用微生物進行修復時，土壤中C:N:P的比 例應維持在100:5-10:1除了用空氣提供氧氣外，還可采用H2O2、Fe3+、NO3-或 純氧作為電子受體污染物 特性因 素污染物的可生物降解性污染物的濃度污染物的揮發(fā)性生物降解性與污染物的分子結構有關，通常結構越簡單， 分子量越小的組分越容易被降解。土壤中污染物濃度水平應適中。一般來說揮發(fā)性強的污染物通過通風處理易從土壤中脫 離微生物一般

11、認為采用生物降解技術對土壤進行修復時土壤中土著微生物的數(shù)量應不低于 因素105數(shù)量級應用情況生物通風技術的處理周期與污染物的生物可降解性相關，一般處理周 期為6-24 月。處理成本（包括通風系統(tǒng)、營養(yǎng)水分調配系統(tǒng)、在線監(jiān)測系統(tǒng)）與工 程規(guī)模等相關，根據(jù)國外場地處理經(jīng)驗，處理成本約為13-27 美元/ m3。異位微生物修復異位微生物修復是指將被污染介質(土壤、水體)搬 動和輸送到它處進行微生物修復，強調人為調控和 創(chuàng)造更加優(yōu)化的降解環(huán)境。一般受污染土壤較淺，而且易于挖掘，或污染場地 化學特性阻礙原位生物修復就采用異位微生物修復。異位微生物修復技術：預制床法（土地耕作）、堆 制處理、生物反應器（泥

12、漿相處理）一、土地耕作土地耕作是在上層土壤進行的生物修復過程，原位 或易位生物修復都可以。通過耕翻，促進微生物對 有害化合物的降解。一般只適用于上層30cm土壤。設備：農(nóng)用機械。土地耕作的設計和運行：土壤耕作床通常用砂子或土壤作為底層，底層可以保護粘土 層防止機械損傷。污染土壤挖出后，必要時過篩，放在砂床上；加入的營養(yǎng)鹽一般是化肥，直接施用干粉或配成水溶液后施 用。使用微生物接種可以縮短馴化期，提高反應速率。施用所有的添加劑以后，耕、耙污染土壤。監(jiān)測土壤污染物隨時間的消失過程，以及滲透液樣品隨水的 損失量。堆制處理分為兩個階段：第一階段高速降解，微生物活動強烈，耗氧和降解速率很高，可通過強制通

13、風或頻繁混合供氧，需 注意高溫和氣味產(chǎn)生。第二階段低速降解，可通過自然對流供 氧。微生物活動減少、溫度不高、氣味不重。堆制系統(tǒng)的疏松劑：有木片、樹皮塊、鋸末、樹葉、秸稈、橡 膠輪胎塊等，增加介質孔隙度，降低水分，大多可充當額外的 碳源和能源。疏松劑篩分回收常用振動床、旋轉篩或篩網(wǎng)?，F(xiàn)代堆制處理系統(tǒng)通常分為三種：條形堆系統(tǒng)；靜態(tài)堆系統(tǒng)； 反應器系統(tǒng)。二、 堆制處理（1）條形堆系統(tǒng)污染土壤與疏松劑混合后，用機械攤成條。最大尺寸一般為1.2-1.5 m高、3.0- 3.5 m寬。每天倒翻混合以保持好氧狀態(tài)。機械混合使用鏟車或特殊設計的設備。在不透水的地面上放 置疏松劑，再將土壤或污泥放在上面，然后兩

14、層混合。（2）靜態(tài)堆系統(tǒng)靜態(tài)堆系統(tǒng)利用強制通氣使較大的堆好氧分解。（3）反應器系統(tǒng)反應器系統(tǒng)多使用先進混合設備，如碾磨式和犁片式混合器，反應器系統(tǒng)運送物料使用皮帶傳送機、螺旋推進傳送機、 槽帶傳送機和鏈條傳送機。反應器系統(tǒng)堆制的高速發(fā)酵階段是在封閉的反應器中進行。 第二階段(熟化階段)可以在反應器內(nèi)，也可以在外部堆放。反應器有兩種類型：推流式(垂直或水平)和攪動床式。推流式 反應器中混合物料以水平方向或從上至下經(jīng)過反應室。攪動 床式反應器使用機械在原地或移動混合堆料。水平推流式反應器物料運輸由可移動地板或液壓活塞執(zhí)行攪動床式反應器使用攪拌螺旋加料器（1）堆溫控制堆溫會影響三方面：第一，達到一定

15、的溫度會將病原體殺死；第二，溫度超過60會產(chǎn)生明顯的氣味，注意操作控制氣 味；第三溫度超過60 會使生物降解速率明顯下降。生物系統(tǒng)都有溫度上限，超過溫度上限生物生長急劇下降。 溫度上升造成微生物多樣性下降，也造成降解速率下降。因 為有害化合物的降解更需要混合的同生菌。堆制過程控制（2）堆齡控制雖然新堆生物量高，但陳堆中污染物降解速率要高一倍。原 因是新堆中的有機質妨礙了污染物的降解。同樣，較高的天 然有機質也會阻礙污染物的降解。（3）水分、pH值、物料平衡和生物需氧控制應選擇確保靶標化合物降解的參數(shù)，可以不以溫度為基礎。 堆制混合物的最佳組分（有機能源和疏松劑）根據(jù)可處理性 研究確定。即在實驗

16、室內(nèi)根據(jù)耗氧速率確定最佳的混合比例。生物堆土壤堆體抽氣系統(tǒng)營養(yǎng)水分調 配系統(tǒng)滲濾液收集 處理系統(tǒng)在線監(jiān)測系 統(tǒng)堆制系統(tǒng)構成主要設備抽氣風機、控制系統(tǒng)、活性炭吸附罐、營養(yǎng)水分添加泵、土 壤氣監(jiān)測探頭、氧氣、二氧化碳、水分、溫度在線監(jiān)測儀器技術參數(shù)內(nèi)容污染物生物可降解性對于易生物降解有機物（如石油烴、低分子烷烴等）效果 較好；對于POPs等難降解有機處理效果有限污染物初始濃度土壤污染物初始濃度過高時影響微生物生長和處理效果， 需要采用清潔土或低濃度污染土對其進行稀釋。土壤通氣性土壤滲透系數(shù)應不低于10-8 cm/s，否則應采用添加木屑、 樹葉等膨松劑增大土壤的滲透系數(shù)。土壤營養(yǎng)物質比例土壤中碳:氮

17、:磷的比例宜維持在100:10:1,以滿足好氧微生物 的生長繁殖以及污染物的降解。微生物含量一般認為土壤微生物的數(shù)量應不低于105 數(shù)量級。土壤含水率宜控制在90%的土壤田間持水量。土壤溫度和pH溫度宜控制在 3040范圍，pH 宜控制在6.0-7.8。堆體內(nèi)氧氣含量運行過程中應確保堆體內(nèi)氧氣分布均勻且含量不低于7%。土壤中重金屬含量土壤中重金屬含量不應超過2500 mg/L。生物堆制關鍵技術參數(shù)應用情況該技術處理周期一般為1-6 個月。在美國應用的成本約為130-260 美元/m3，國內(nèi)的工程應用成本約為300-400元/m3。特定場地生物堆處理的成本和周期，可通過實驗室小試或中試結果進行估

18、算。泥漿相系統(tǒng)比固相系統(tǒng)具以下優(yōu)點：較高和均勻的處理控制；促進有機化學品溶解；土壤顆粒物理分解；增加微生物與污染物的接觸；有利于表面活性劑應用；使營養(yǎng)物、電子受體和主要基質分布均勻；加快生物降解速率。三、泥漿相處理泥漿相系統(tǒng)也有一些缺點：增加了能耗；增加了物料處置過程；需要固液分離過程；增加了水處理過程；增加了處理費用：泥漿相系統(tǒng)的處理費用要比土地耕作、堆制高得多， 但比焚燒、溶劑萃取和熱解吸處理要便宜得多。泥漿生物反應器泥漿反應器包括：池塘、開放式反應器和封閉式反 應器。處理步驟：鏟挖污染土壤、篩除直徑大于1.2cm的石 塊，制成泥漿。泥漿相含水量為60-95(質量分數(shù))，依生物反應器性質而

19、定。反應器可以是設計的容器，也可以是已有的湖塘。 除了反應器以外，還要有沉淀池和脫水設備。微生物修復的機理一、污染物進入微生物細胞的過程1、主動運輸(activate transport)微生物在生長過程中所需要的各種營養(yǎng)物質主要以 主動運輸?shù)姆绞竭M入細胞內(nèi)部。主動運輸?shù)奶攸c：逆梯度運輸；依賴于膜運輸?shù)鞍祝恍枰x能，并對代謝毒性敏感；具有選擇性和特異性。主動運輸中能量來源載體蛋白功能能量來源Na+-K+泵Na+的輸出和K+的輸入ATP細菌視紫紅質H+從細胞中主動輸出光能磷酸化運輸?shù)鞍准毦鷮ζ咸烟堑倪\輸磷酸烯醇式丙 酮酸Na+-葡萄糖泵協(xié) 同運輸?shù)鞍譔a+-葡萄糖同時進入 細胞Na+離子梯度F

20、1-F0 ATPaseH+質子運輸，H+質子梯度驅 動2、被動擴散被動擴散(passive transport)是物質通過細胞膜含水小孔由 高濃度的胞外向低濃度的胞內(nèi)擴散。這種擴散是非特異性 的，物質在擴散運輸?shù)倪^程中既不與膜上的分子發(fā)生反應，本身的分子結構也沒有任何變化。擴散的速度取決于細胞膜兩邊該物質的濃度差，當細胞膜 內(nèi)外的物質濃度相同時，該物質運輸?shù)乃俣冉档偷搅悖_ 到動態(tài)平衡。因為擴散不消耗能量，所以通過被動擴散而 運輸?shù)奈镔|不能進行逆濃度梯度的運輸。3、促進擴散促進擴散(accelerative diffusion)與被動擴散類似，在運輸過程中不需要消耗能量，物質本身在分 子結構上

21、也不會發(fā)生變化，不能進行逆濃度運輸，運輸速度取決于細胞膜兩邊的物質濃度差。促進擴散需要借助于位于細胞膜上的一種載體蛋 白參與物質的運輸，并且每種載體蛋白只運輸相 應的物質。促進擴散對被運輸物質有高度的立體 結構專一性。4、基團轉位基團轉位（functional groups transference)是另一 種類型的主動運輸。在物質運輸過程中，除了物 質分子發(fā)生化學變化外，其他特點都與主動運輸 相同。溶質分子發(fā)生化學修飾-定向磷酸化，主要依賴磷 酸烯醇式丙酮酸（PEP）和磷酸轉移酶系統(tǒng)（PTS） ，如糖的衍生物、嘌呤、嘧啶及乙酸等運輸。5、胞飲作用胞飲作用（pinocytosis）也叫內(nèi)吞作用

22、，是指物質 吸附在質膜上，然后通過膜的內(nèi)折而轉移到細胞內(nèi) 的攫取物質及液體的過程。假絲酵母攝取烷烴的途徑是胞飲作用，機制包括： 第一，通過疏水表面突出物作用把烷烴吸附到細胞 表面；第二，烷烴通過孔和溝穿透堅硬的酵母細胞 壁，而聚集在細胞質表面；第三，通過未修飾烷烴 的胞飲作用把烷烴轉移到細胞內(nèi)的烷烴氧化部位。二、微生物對重金屬污染物的修復(一)甲基化作用汞、鎘、鉛、砷等金屬或類金屬離子都能夠在微 生物的作用下發(fā)生甲基化反應。金屬甲基化最常甲基化元素依次是汞、砷和硒，其次是碲、鉛和鎘。金屬甲基化可以使金屬揮發(fā)。如硒甲基化形成可揮發(fā)的二甲 基硒和二甲基二硒。金屬甲基化可以是去毒的過程，可以保護生物

23、體免受有毒金 屬的毒害。如二甲基硒比無機硒有較低的毒性，因此可以利 用甲基化過程修復硒污染。但其他金屬甲基化過程可以大大地增強毒性。如汞甲基化導 致毒性增加并在生物體富集，日本水俁病就是典型的例子。細菌和真菌的不少種類可使金屬甲基化。假單胞菌屬能夠使許多金屬或類金屬離子發(fā)生甲基化反應。 甲基化過程中需要甲基鈷胺素作為一種甲基傳遞體存在。金屬去甲基化去甲基化作用導致金屬-甲基鍵的斷裂。如甲基汞(CH3Hg) 有機汞水解酶的作用下形成Hg2+和CH4，再進一步還原為可 揮發(fā)的Hg0。修復甲基汞污染點的一種方法是促進去甲基和汞還原，再收 集揮發(fā)汞。微生物對汞的解毒現(xiàn)象比較普遍；有些微生物只能對無機汞

24、 化合物進行還原解毒，而對甲基汞、乙酸汞等有機汞則無能 為力，這是因為其體內(nèi)缺乏有機汞裂解酶基因(MerB).(二)還原作用微生物還能夠將高價金屬離子還原成低價態(tài)，將有機態(tài) 金屬還原成單質。有些金屬在這個過程中毒性消失。直接還原-酶作用還原性有機質或氫的氧化與Fe3+或Mn4+的還原偶聯(lián)。多價金屬還原，如U6+-U4+,Cr6+-Cr4+,Se6+-Se0,As3+-As0。 間接還原-硫化物沉淀金屬污染物可以被硫酸還原菌等間接還原作用去除。主要 通過細菌異化硫酸鹽使硫酸鹽還原為S2-。硫化物與金屬污染物，像Ag、Cd、Ce、Ca、Hg、Ni、Pb、Se、Sr和Zn反應形成不同的金屬硫化物。Mn2+和Sn3+毒性分別比Mn4+和Sn4+大。微生物能夠 氧化Mn2+和Sn3+ ，成為毒性較小的Mn4+和Sn4+ 。化能自養(yǎng)菌可以氧化還原無機化合物獲得能量。如 鐵氧化硫桿菌可從氧化硫化物和Fe2+中獲得能量。這類細菌可以耐受很低pH(2.5)和高濃度(0.5mol/L)的硫酸。硫酸可使Ag、Cd、Ce、Cu、Ca、Hg、Ni、Pb、Se、Sr、U和Zn等金屬溶解。這個過程稱為 生物浸礦(bioleaching) 。(三)氧化作用微生物吸附主要是生物體細胞壁表面的一些具有 金屬絡合、配位能力的基團起作用，這些基團通 過與吸附的重金屬離子形成離子鍵或共價鍵來達 到吸