生物修复-第六章

null第六章 污染土壤的生物修复第六章 污染土壤的生物修复第一节 原位微生物修复第一节 原位微生物修复生物通风修复 在某些受污染的土壤中，过高的有机污染物会降低土壤中的O2浓度，增加CO2浓度，进而抑制污染物的进一步生物降解，因此，为了提高土壤中污染物的降解效果，需要排出土壤中的CO2和补充O2→生物通风系统 生物处理工艺：通过真空或加压进行土壤曝气，使土壤中的气体成分发生变化，由于只需在真空吸抽系统上装上净化设备，不会造成二次污染生物通风修复生物通风修复生物通风（bioventing）又称土壤曝气（soil aeration），是基于改变生物降解的环境条件的 在受污染的土壤中至少打两口井，安装鼓风机和真空泵，将新鲜空气强行排入土壤中，然后再抽出，土壤中的挥发性毒物也随之去除。在通入空气时，有时加入一定量的NH3，以便为土壤中的降解菌提高氮素营养 另一种生物通气法，即将空气加压后注射到污染地下水的下部，气流加速地下水和土壤中有机物的挥发和降解，有人称之为生物注射法（biosparging）原位生物修复原位生物修复生物强化修复 生物强化（enhanced-bioremediation）是基于改变生物降解中微生物的活性和强度而设计，分为： 培养法 投菌法生物强化修复生物强化修复土著菌培养法 大多数生物修复工程中实际应用的都是土著菌（endemic microorganisms） 一方面是由于土著菌降解污染物的潜力巨大 另一方面也是因为接种的微生物在环境中难以保持较高的活性以及工程菌的应用受到较严格的限制土著菌培养法土著菌培养法当修复多种污染物时，单一微生物的能力通常有限，另外污染物的生物降解通常是分步进行的，包括了多种酶和多种微生物的作用，因此在污染物的实际修复中，必须考虑要激发当地多样的土著菌 生物培养法（bioculture）是定期向土壤投加H2O2和营养，以满足污染环境中以及存在的降解菌的需要，以便使土壤微生物通过代谢将污染物彻底矿化成CO2和H2O生物强化修复生物强化修复投菌法 土著微生物生长速度太慢、代谢活性不高，或者由于污染物的存在而造成土壤微生物数量下降，因此需要接种一些降解污染物的高效菌 一般接种外来微生物，它们可以是从自然界中定向筛选的微生物，也可以是基因工程菌（genetic engineering microorganisms，GEMs） 投菌法（bioangmentation）是直接向遭受污染的土壤接入外源的污染降解菌，同时提供这些细菌生长所需营养 投菌法投菌法采用外来微生物接种时，会受到土著微生物的竞争，需要用大量的接种微生物形成优势，以便迅速开始生物降解过程 这些接种在土壤中用来启动生物修复的最初步骤的微生物被称为“先锋生物”，它们能催化限制降解的步骤 目前对外来微生物的研究，一方面在寻找天然存在的、有较好污染物降解动力学特性，并能攻击广谱化合物的微生物，另一方面，也在积极研究在极端环境下生长的微生物GEMsGEMs基因工程菌的研究一般采用细胞融合技术等遗传工程手段将多种降解基因转入同一微生物中，使之获得广谱的降解能力 GEMs引入现场环境后，会与土著微生物菌群发生激烈的竞争，基因工程菌必须有足够的存活时间，其目的基因方能稳定的表达出特定的基因产物——特异的酶 如果在环境中基因工程菌最初没有足够的合适能源与碳源，就需要添加适当的基质促进其增殖并表达其产物 理想的选择性基质应有以下特点：对人和其他高等生物无毒，价廉，易于使用原位生物修复原位生物修复土地耕作修复 土地耕作法也称农耕法（land farming），是在表层污染土壤进行的生物修复过程，可以用于原位生物修复，也可以用于异位生物修复。 土地耕作使用的设备是农用机械，通过耕翻，促进微生物对有害化合物的降解 一般的，土地耕种修复法只能适用于30cm的耕层土壤土地耕作修复土地耕作修复土地耕种修复是以土壤作为接种物和供生物生长的基质的好氧生物过程 操作：对污染土壤进行耕耙处理，同时施入肥料，进行灌溉，加入石灰，尽可能的为微生物降解提供一个良好的环境，使其有充足的营养、水分和适宜的pH值，保证污染物降解在土壤的各个层次上都是发生 最大缺陷：污染物可能从污染地迁移 优点：简单经济，因此在土壤渗透性较差，土壤污染层次较浅，污染物又易降解时可以选用土地耕作修复土地耕作修复Hick将土地耕作修复的为 去除大块石块和碎片，使土壤比较均匀一致 施入添加剂，主要是氮磷等营养物质，使90%以上的土壤有添加剂，一次施入量应限制在45kg/m3，以防止流失 如需要大量的营养盐可以用缓释剂或多次施用 尽量增加土壤孔隙度，勤翻土壤或加入膨松剂，防止压实土壤 黏土较重的土壤一般要掺入10~30%的沙子、锯末或木片，也可用石膏减少黏土中的水分 用石灰、明矾或磷酸调整土壤的pH值等原位生物修复化学活性栅修复 化学活性栅修复（chemical activated bar）：依靠掺和进入污染土壤的化学修复剂与化学污染物发生氧化、还原、沉淀、聚合等化学反应，从而使污染物得以降解或转化为低毒性或移动性较低的化学形态 操作：通过注入井，把粉状胶体物质注入污染地区水流走向的下方，然后，在注入井的水流下方，开挖第二个井，用以抽取污染的地下水，通过污染地下水的处理，可以达到污染土壤的修复 原位生物修复第二节 原位植物修复第二节 原位植物修复植物修复的特点 植物修复的优点 在修复土壤的同时也净化、绿化了周围的环境 对环境扰动少，对土壤来说属于原位处理 植物修复污染土壤的过程也是土壤有机质含量和土壤肥力增加的过程，被植物修复净化后的土壤适合于多种农作物的生长 植物固化技术使地表长期稳定，控制风蚀、水蚀，减少水土流失，有利于生态环境的改善和野生生物的繁衍 植物修复的成本较低，据研究费用仅0.02~1.0$/m2原位植物修复原位植物修复植物修复技术的局限性 要针对不同污染物种类、污染程度的土壤选择不同的生态型植物 一种植物通常只忍耐或吸收一种或两种重金属元素，对土壤中其他浓度较高的重金属则表现某些中毒症状，从而限制了植物修复技术在多种重金属污染土壤治理方面的应用 植物修复过程比物理化学过程缓慢，对土壤肥力、气候、水分、盐度、酸碱度、排水与灌溉系统等自然和人为条件有一定要求，因此植物修复比常规治理（挖掘、场外处理）的周期长，效率低植物修复技术的局限性植物修复技术的局限性植物受病虫害袭击时会影响其修复能力 用于净化重金属的植物器官往往会通过腐烂、落叶等途径使重金属重返土壤，因此必须在植物落叶前收割植物器官，并将其无害化处理 用于清理重金属污染土壤的超累积植物通常矮小、生物量低、生长缓慢、生长周期长，因而修复效率低，不利于机械化作业 原位植物修复原位植物修复重金属污染的植物修复 重金属不同于有机物，它不能被生物降解，只有通过生物的吸收得以从土壤中去除 用微生物进行大面积现场修复时，一方面其生物量小，吸收的金属量较少，另一方面则会因其生物体很小而难以进行后处理，因此植物具有生物量大且易于后处理的优势 利用植物对金属污染位点进行修复是解决环境中重金属污染问题的很有前景的选择超富集植物修复超富集植物修复超富集植物的发现 1583年意大利植物学家Cesaloina首次发现在“黑色的岩石”上生长的特殊植物，这是有关超富集植物最早报道 1848年Minguzzi和Vergnano测定该植物富含Ni 1977年Brooks提出了超富集植物的概念 1983年Chaney提出了利用超富集植物清除土壤重金属污染的思想超富集植物修复超富集植物修复超富集植物的特点及其地理分布 超富集植物是能超量吸收重金属并将其运移到地上部的植物 界定 植物地上部富集的重金属应达到一定的量 植物地上部的重金属含量应高于根部 由于各种重金属在地壳中的丰度及在土壤和植物中的背景值存在较大差异，因此，对不同重金属，其超富集植物富集浓度界限也有不同 超富集植物修复超富集植物修复Baker和Brooks与1983年提出参考值： 把植物叶片或地上部（干重）中含Cd达到100μg/g，含Co、Cu、Ni、Pb达到1000μg/g，含Mn、Zn达到10000μg/g以上的植物成为超富集植物 这些植物还应满足S/R＞1的条件（S和R分别指植物地上部和根部重金属的含量）。 目前世界上共发现有400多种超富集植物，其中Ni的超富集植物277种 我国在华南一些炼砷区首次发现了一种As的超富集蕨类植物，其叶片含As达5000μg/g，具有特殊的耐砷性，在砷污染区处于竞争优势 超富集植物修复超富集植物修复超富集植物修复存在的问题 超积累植物可以从自然界现有资源中筛选，或利用突变体技术培育新的植物品种。 自然筛选主要存在以下问题： 超积累植物是在重金属胁迫环境下长期强化、驯化的一种适应性突变体，往往生长缓慢，周年生物量受到限制 超积累植物多为野生型稀有植物，对生物气候的条件要求比较严格，区域性分布较强，因而筛选工作量大，且超积累植物移植到本地时，其生态位低于本土植物，处于竞争劣势 利用基因工程定向培养超积累植物仍处于试验阶段，到实际应用还有一定距离 普通富集植物的强化修复普通富集植物的强化修复本地植物特别是速生草本植物适应性强，周年生长量大，但现有栽培条件下，其重金属积累量有限，于是将驯化外地超积累植物和强化本地优势植物富集两者耦合的强化植物修复（enhanced-phytoremediation）便应运而生强化植物修复强化植物修复强化植物修复的原理 土壤重金属污染植物修复的效率通常以单位面积、单位时间内植物所能萃取的重金属总量来表征，即： 植物萃取总量=重金属含量×修复植物的生物量 为了提高植物萃取总量，一方面要设法提高植物体内重金属的蓄积量而不使植物中毒死亡；另一方面要设法增加植物的生物量，尤其是地上部分的生物量 因此强化植物修复可以分别从土壤和植物入手强化植物修复强化植物修复从土壤入手 围绕增加土壤中靶重金属的植物利用性，强化土壤中靶重金属向植物体迁移、转化和积累 从植物入手 在保证超积累植物与本地优势植物等不出现毒害的前提下 一方面根据植物吸收、转运重金属的机制，采取相应的物理、化学、生物学方法提高植物地上部分对靶重金属的牵引力，促使土壤重金属顺利完成从土壤→植物根际→植物根系→植物茎叶的传输过程 另一方面利用农艺措施调节、控制修复植物的生长发育，以获得较高的生物产量，一般情况下，植物生长良好，也可反过来促进土壤重金属活性的提高强化植物修复强化植物修复强化植物修复的方法 物理学强化 利用直流电极，改善靶重金属在土壤中的移动性，从而强化植物修复 电流能打破所有的重金属-土壤键，当电压固定，作用效率与通电时间呈正比 对于渗透性较高、传导性较差的砂性土壤，电动力学方法作用较弱 电动力学强化的原理包括土壤溶液的电渗析、土壤带电胶体粒子的电泳、带电离子的电迁移以及电解等方面 静电也对植物吸收重金属有刺激作用强化植物修复强化植物修复强化植物修复强化植物修复生物学强化 通过根际微生物可以加速植物吸收某些矿物质如铁和锰 根际内以微生物为媒介的腐殖化作用可能是提高重金属可利用性的原因 农艺学强化 采用施肥、轮作、耕作、质地调节等农艺措施，既可改变土壤中重金属的形态，又可调节植物的新陈代谢，从而达到修复重金属污染的目的 无机化肥强化：N、P、K肥可以促进植物吸收土壤中的Cd 有机肥强化：改变土壤腐殖质的构成可强化植物对重金属的吸收农艺学强化农艺学强化原位植物修复原位植物修复放射性污染的植物修复 核反应装置运行产生的放射性物质是环境中一类重要污染物，长期存在于土壤中对人类健康造成威胁 植物可从污染土壤中吸收并积累大量的放射性核素 植物对放射性核素的吸收不仅与植物种类有关，还与土壤的性质有密切关系 土壤的离子交换能力越强，植物对放射性核素的吸收能力就越大原位植物修复原位植物修复植物修复技术的发展趋势 寻找更多的野生超积累植物，并将它们用于矿山复垦，改良重金属污染的土壤和固化污染物 建立更多的应用植物修复技术的示范性基地，取得经验后加以推广 深化应用基础理论研究 耐重金属和超积累植物及其根际微生物共存体系的研究 分子生物学和基因工程技术的应用 第三节 原位生态修复第三节 原位生态修复概述 生态修复（eco-remediation）包括原位专性微生物生态修复、原位特异性植物生态修复、原位细胞游离酶生态修复和原位白腐真菌生态修复四个部分 生态修复的优势在于：当挖取污染土壤进行治理不可能时，以及污染土壤抽取-处理法的费用太昂贵时，可采用该方法对污染土壤和地下水进行修复原位生态修复原位生态修复技术关键 原位生态修复的技术过程由污染现场的彻底调查、处理能力研究、铲除污染源、生态修复技术的设计与实施、通过监测手段对该技术执行情况进行评估等五个基本环节组成 原位微生物生态修复是否成功，主要取决于是否存在激发污染物降解的合适的微生物种类以及是否对污染现场的环境条件进行改善或加以有效的管理 即污染土壤的微生物生态修复的技术关键，在于所需要的营养物质、共氧化基质、电子受体和其他促进微生物生长的各种物质的投加（包括投加方法、时间和剂量等） 原位生态修复原位生态修复对于污染物种类多或多介质污染情况，可以利用不同修复技术的优点并将其有效结合，目前，比较成熟的方法包括专性微生物与特异性植物相结合的生态修复技术 特异性植物对生态修复的贡献可分为两大方面 植物自身对污染物的吸收转化和富集作用 提供微生物生存有利的生态条件，促进专性微生物对污染物的降解过程 植物根际能产生多种分泌物如糖类、有机酸、氨化物和酶等，这些分泌物可改善微生态条件，加速土壤微生物的降解过程原位生态修复原位生态修复植物根际分泌物对污染物降解的促进作用主要表现在 根际分泌物中含有微生物所需的营养和生长物质，根际环境可提高土壤中营养物的有效性，从而可促进微生物的生长和繁殖 根际分泌物可在微生物代谢中起协调作用 根际可为降解污染物的微生物种群提供良好的栖息环境 某些植物具有向根区输氧的功能，从而加速土壤微生物的好氧降解过程 利用植物-微生物复合生态修复技术，主要优点在于不挖动土壤，可减少工作人员对污染物的暴露程度和暴露时间 有些污染物可能对植物产生毒害作用，有时需对积累污染物的植物进行再处理，同时修复周期也较长第四节 异位生物修复第四节 异位生物修复预制床修复（prepared bed） 预制床修复处理是农耕法的延续，它可以使污染物的迁移量减至最低 操作：在不泄露的平台上，铺上石子与砂子，将遭受污染的土壤以15~30cm的厚度平铺其上，并加入营养液和水，必要时加入表面活性剂，定期翻动充氧，以满足土壤中微生物生长的需要 注意：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 预制床修复已用于处理受PCP（五氯酚）、杂酚油、石油加工废水污泥、焦油或农药等污染的土壤预制床修复预制床修复挖掘堆置的处理床（treatment bed） 是将受污染的土壤从污染地区挖掘起来，防止污染物向地下水或更广大地域扩散，将土壤运输到一个经过各种工程准备（包括布置衬里，设置通气管道等）的地点堆放，形成上升的斜坡，并在此进行生物恢复的处理，处理后的土壤再运回原地 从系统中渗流出来的水要收集起来，重新喷散或另外处理 用有机块状材料（如树皮或木片）补充土壤 预制床修复的优点：可以在土壤受污染之初限制污染物的扩散和迁移，减少污染范围。 缺点：费用显著高于原位修复；在运输过程中可能会造成进一步的污染物暴露，还会由于挖掘而破坏原地的土壤生态结构堆制式修复堆制式修复堆制式修复（composting bioremediation） 堆制式修复是利用传统的积肥方法，将污染土壤与有机废物（木屑、秸秆、树叶等）、粪便等混合起来，依靠堆肥过程中微生物的作用来降解土壤中难降解的有机污染物 最早用于污水污泥的处理 污染土壤的堆制式修复与污泥的堆制处理有很大不同，堆料中没有病原菌，没有必要温度太高，而温度超过60℃以上对大多数化合物的降解不利堆制式修复堆制式修复堆制过程 大多数堆制式修复使用疏松剂，以增加介质的孔隙和降低水分。疏松剂有木片、树皮块、锯末、树叶、秸秆、橡胶轮胎块等，除轮胎块，这些疏松剂还可充当额外的碳源和能源 堆制式修复中常要用振动床、旋转筛或筛网等筛分回收疏松剂，但筛分时会产生尘埃和气溶胶悬浮物，因此需要将筛分系统包围起来，并用空气过滤器处理堆制式修复堆制式修复堆制式修复过程包括高效降解和低速降解两个连续过程 第一阶段，微生物活动很强烈，耗氧和降解的速率均很高，要非常注意供氧，可以通过强制通风或频繁混合供氧，但也需注意高温和气味的产生 第二阶段，一般不需要强制通风或混合，通常可以通过自然对流供氧，由于微生物活动大量减少、供能减少，所以温度不高，气味不重 在第二阶段通常可以异地进行，以通过某种程度的混合使未完全降解的部分再进行降解，但对有毒化合物而言，增加了物料泄漏的可能和操作人员接触的危险，一般尽量不移动堆制式修复堆制式修复堆制式修复的类型 分为条形堆制、静态堆制和反应器堆制 条形堆制 污染土壤与疏松剂混合后，用机械摊成高12~15m，宽30~35m的条型堆，通过每天倒翻混合时对流空气的运动来保持好氧状态。 机械混合使用铲车或特殊设备，在不透水的地面上放置疏松剂，再将土壤放在上面，然后两层混合 优点：操作简单灵活，投资最少，可以设置大量物料 缺点：占地较多，不可能控制挥发性气体堆制式修复堆制式修复静态堆制 利用强制通气使较大的堆好氧分解，封闭的操作可以控制水分和尘土飞扬 静态堆一般高6m，通风系统布管在堆下并连接鼓风机，管在不透水层上可收集地表径流，管上覆盖疏松剂以利于空气分布均匀 混合料放在疏松剂上，混合后用疏松剂或其他材料覆盖以减少尘土 如果堆料需要升温，用已堆制过的堆肥撒在上面作为绝热层 静态堆制需用单个或多个变速鼓风机通风，一般用负压通气系统 堆制式修复堆制式修复反应器堆制 反应器堆制运送物料的最大特点是，使用皮带传送机、螺旋推进传送机、槽带传送机和链条传送机，这样就带来维修问题 反应器堆制的高速发酵阶段总是在封闭的反应器中进行 反应器有两种类型：推流式和搅动床式 特点：可以最佳控制气体，占最小空间，但欠灵活堆制式修复堆制式修复影响堆制式修复的因素 温度 污泥堆制的处理控制是控制堆温 堆温会影响三个方面 达到一定的温度会将病原体杀死 温度超过60℃会产生明显的气味，要注意操作控制气味 温度超过60℃会使生物降解速率明显下降 微生物产热与混合物的有机负荷、堆的大小和构造有关 水分 一般堆制过程中水分不应超过60%，否则气体转移速率就会显著下降，致使降解速率下降 许多有毒废物降解的最适宜水分为50%左右，烃类推荐用60% 堆制式修复堆制式修复原料配比 堆制混合物的最佳组分（有机能源和疏松剂）根据可处理性研究确定，即在实验室内根据耗氧速率确定最佳的混合比例 注意：因为要将污染的土壤和未污染的土壤进行混合，如果处理不充分会导致更大量的污染 堆龄 堆龄会影响烃类降解速率 处理柴油污染的土壤陈堆（6周）明显优于新堆（2周） 异位生物修复异位生物修复生物反应器修复 泥浆生物反应器（mud bioreactor） 已成功应用到固体和污泥的修复，能够处理的有毒物质有PAHs、杀虫剂、石油烃、杂环类和氯代芳烃 泥浆反应器包括池塘、开放式反应器和封闭式反应器 处理步骤包括铲挖污染土壤、筛除直径大于12cm的石块，制成泥浆，泥浆相含水量为60~95% 反应器可以是设计的容器，也可以是已有的湖塘 除了反应器外，还要有沉淀池和脱水设备泥浆反应器泥浆反应器泥浆生物反应器修复比固相修复系统具有以下优点： 促进有机污染物的溶解，增加微生物与污染物的接触，加快生物降解速率 有利于表面活性剂的应用 使营养物、电子受体和主要基质分布均匀 缺点 由于它增加了能耗和物料处理、固液分离、水处理等过程，因此也就相应的增加了费用，其处理费用要比土地耕作、堆制式修复等技术高得多，但比焚烧、溶剂萃取和热解吸处理便宜的多生物反应器修复生物反应器修复生物过滤反应器 微生物用于修复挥发性化合物时，常生长在固态载体上，含污染物的气流则通过该固态载体，由微生物将污染物降解，这种方法称为生物过滤（biofiltration） 滴滤床反应器（trickler-bed reactor）：微生物固定在柱状载体上，挥发性化合物在通过的时候被降解或溶解在载体中的溶液里 生物洗涤器（bioscrubber）：气体和O2通常首先通过一个单元，挥发性化合物溶解到水中，然后将 溶液输入另一系统，一般是活性污泥系统，该系统里，有机化合物被分散在液相中的微生物降解生物过滤反应器生物过滤反应器生物过滤反应器的固定化载体一般采用泥炭、土壤、堆肥有机物、锯末、树皮屑、活性炭、黏土颗粒或多孔玻璃，土壤和堆肥有机物是常用的固定相，需要保持一定的湿度以维持微生物活性 挥发性有机物通过固定床时先被吸附，然后被载体上固定膜中的微生物降解 最简单有效的生物过滤反应器可以是一个管状的系统，其顶部填有土壤，而气体从其中通过 优点：比物理和化学方法费用低，可以降解很多挥发性有机化合物，而且能降解低浓度的化合物生物反应器修复生物反应器修复固定化膜与固定化细胞反应器 提高生物降解的一个方法是采用微生物固定化膜（fixed membrane）的反应器，含污染物的溶液通过生物膜时，由于细胞密度的提高，使得降解速度也得到提高 固定化膜的改进方法是采用固定化细胞或高度吸附的细胞，细胞被紧密的黏附在一起或用物理方法嵌入到固态载体中 固定化的载体包括藻（蛋白）酸盐、硅藻土、中空玻璃纤维、聚氨酯泡沫、活性炭和聚丙烯胺颗粒等，必须是惰性材料，对微生物的活性无抑制作用 在固定化系统中可以将细菌与真菌共同固定，这种系统可以稳定降解许多化合物生物反应器修复生物反应器修复厌氧反应器 许多好氧菌不能降解的化合物可以被厌氧菌催化降解，如氯代化合物，厌氧菌可以对其分子进行还原脱卤 高氯取代的PCBs、四氯化碳、PCE和许多其他氯代化合物，在厌氧菌作用下可以转化为氯取代较少的化合物，然后可以在好氧菌作用下较好代谢 两阶段厌氧-好氧生物膜反应器可以处理含高氯代化合物的地下水和工业废水