污染环境的生物修复

1、10. 10. 污染环境的生物修复污染环境的生物修复8.1 8.1 生物修复的概念及其原理生物修复的概念及其原理8.2 8.2 生物修复工程技术生物修复工程技术8.3 8.3 石油污染修复石油污染修复8.4 8.4 重金属的修复重金属的修复第一节第一节 生物修复的概念及其原理生物修复的概念及其原理一、生物修复的基本原理和特点一、生物修复的基本原理和特点（BioremediationBioremediation）指利用生物将土壤、地）指利用生物将土壤、地表及地下水或海洋中的危险性污染物现场去除或降解表及地下水或海洋中的危险性污染物现场去除或降解的工程技术系统。的工程技术系统。优点：优点：投资费用

2、省，对环境影响小，能有效降低投资费用省，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，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。而且能同时处理受污染的土壤和地下水。局限性：局限性：需对具体地点的状况和污染物进行详细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件的影响，某些情况下，生物修复不能去除全部的污染物。的污染物。与生物处理的区别：与生物处理的区别：两者原理一致，但生物修复两者原理一致，但生物修复侧重于受污区域的原位

3、生物处理。侧重于受污区域的原位生物处理。二、生物修复种主要生物种类及其修二、生物修复种主要生物种类及其修复原理复原理通过微生物的降解和转化，将有机污染物转化为无害的通过微生物的降解和转化，将有机污染物转化为无害的小分子化合物和二氧化碳与水小分子化合物和二氧化碳与水土著微生物：环境中固有的微生物土著微生物：环境中固有的微生物外来微生物：需大量接种的高效菌外来微生物：需大量接种的高效菌基因工程菌（基因工程菌（GEMGEM）营养盐：营养盐：需添加氮、磷营养元素需添加氮、磷营养元素电子受体：电子受体：可通过对土壤鼓气或添加产氧剂的方式来提供可通过对土壤鼓气或添加产氧剂的方式来提供DODO作为有作为有机

4、物降解的电子受体；此外，硝酸根、硫酸根、铁离子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。也可作为有机物降解的电子受体。共代谢基质共代谢基质污染现场和土壤特性：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。物修复的速度和程度。有毒有机污染物的物理化学性质有毒有机污染物的物理化学性质 可同时去除有机污染物和重金属、放射性核素，可同时去除有机污染物和重金属、放射性核素，适用于大面积、低污染的位点。适用于大面积、低污染的位点。适应重金适应重金属胁迫的属胁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属属将吸收的金属钝化在将吸收的金属钝化在植物的地下部分植物的地下部分大量吸收金属的同时正常大量吸收金属的同时正常生长生长可在金属污染土壤中生可在金属污染土壤中生产符合环境标准的农产产符合环境标准的农产品品通过栽种植物积累金通过栽种植物积累金属，收获后进行植物属，收获后进行植物提取提取环境中金属污染的去除：环境中金属污染的去除：已有方案：场外修复，先将土壤挖掘、转移，再已有方案：场外修复，先将土壤挖掘、转移，再去除金属离子；去除金属离子；微生物修复：生物量小，从而吸收量小，同时生微生物修复：生物量小，从而吸收量小，同时生物体过小难以进行后处理；物体过小难以进行后处理；植物

6、修复特点：生物量大，从而吸收量大，同时植物修复特点：生物量大，从而吸收量大，同时易于进行后处理。易于进行后处理。 植物修复金属污染的方式植物修复金属污染的方式1）植物固定）植物固定 指利用植物和其他一些添加物使环境中的金属流动性降低，指利用植物和其他一些添加物使环境中的金属流动性降低，生物可利用性下降，降低金属对生物的毒性。生物可利用性下降，降低金属对生物的毒性。 该法只是暂时将金属固定，并没有彻底去除环境中的金属。该法只是暂时将金属固定，并没有彻底去除环境中的金属。 2）植物挥发）植物挥发 指植物将污染物吸收到体内后又将其转化为气态物质，释放指植物将污染物吸收到体内后又将其转化为气态物质，释

7、放到大气中。该法只适用于挥发性污染物。到大气中。该法只适用于挥发性污染物。 3）植物吸收）植物吸收 指利用能耐受并可过量积累金属的植物吸收环境中的金属离指利用能耐受并可过量积累金属的植物吸收环境中的金属离子，将它们输送并贮存在植物体的地上部分。子，将它们输送并贮存在植物体的地上部分。 需要选择能耐受并可过量积累金属的植物种类。需要选择能耐受并可过量积累金属的植物种类。环境中有机物的降解与去除环境中有机物的降解与去除 去除机理去除机理1) 植物对有机污染物的直接吸收作用植物对有机污染物的直接吸收作用2) 植物释放分泌物和酶植物释放分泌物和酶3) 强化根区的矿化作用强化根区的矿化作用环境中放射性核

8、素的去除：环境中放射性核素的去除：已有的方法：将土壤从污染未点搬移，然后用分已有的方法：将土壤从污染未点搬移，然后用分散剂或鳌合剂进行处理。散剂或鳌合剂进行处理。植物可从污染的土壤中吸收并累积大量的放射性植物可从污染的土壤中吸收并累积大量的放射性核素，因此植物去除是一个值得研究的方法。核素，因此植物去除是一个值得研究的方法。植物对放射性核素的吸收与植物种类及土壤的性植物对放射性核素的吸收与植物种类及土壤的性质有关。土壤的粒子交换能力越强，植物吸收放质有关。土壤的粒子交换能力越强，植物吸收放射性核素的能力越大。射性核素的能力越大。富营养化水体富营养化水体 水华和赤潮水华和赤潮 防治水体富营养化的

9、对策：防治水体富营养化的对策： 控制外源性营养物质的输入；控制外源性营养物质的输入； 减少内源性营养物质的负荷。减少内源性营养物质的负荷。 防治水体富营养化的措施：防治水体富营养化的措施： 工程性措施：挖走底泥、水底深层曝气等；工程性措施：挖走底泥、水底深层曝气等； 化学法：凝聚沉降、化学药剂杀藻等；化学法：凝聚沉降、化学药剂杀藻等； 生物法：即生物修复，利用水生生物吸收氮、磷进行代生物法：即生物修复，利用水生生物吸收氮、磷进行代谢活动从而除去水体中的营养物质。谢活动从而除去水体中的营养物质。高等水生植物净化水体的特点高等水生植物净化水体的特点以大型植物为主体，植物和根区微生物共以大型植物为主

10、体，植物和根区微生物共生，产生协同效应，经过植物直接吸收、生，产生协同效应，经过植物直接吸收、微生物转化、物理吸附和沉降作用除去氮、微生物转化、物理吸附和沉降作用除去氮、磷和悬浮颗粒，同时对重金属元素也有去磷和悬浮颗粒，同时对重金属元素也有去除效果。除效果。第二节第二节 生物修复工程技术生物修复工程技术一一 生物修复工程技术可行性研究生物修复工程技术可行性研究二、二、 地表水生物修复技术地表水生物修复技术针对流动的河道水体，可采用直接曝气、针对流动的河道水体，可采用直接曝气、生物膜法等；生物膜法等；对于浅水湖泊，可添加营养盐、采用曝气对于浅水湖泊，可添加营养盐、采用曝气机搅拌混合等法；机搅拌混

11、合等法；三、土壤生物修复技术三、土壤生物修复技术 特点：原地进行，无需挖出土壤和运输，采用土著微生物或经驯化特点：原地进行，无需挖出土壤和运输，采用土著微生物或经驯化的微生物处理。的微生物处理。 主要有以下三种主要方式：土地处理 直接或间接利用高等植物分解有机物的生物修复技术 通风生物修复法 包括两方面内容：包括两方面内容： 对受油污染的土壤进行修复对受油污染的土壤进行修复 对矿山废弃地进行植被恢复对矿山废弃地进行植被恢复通风生物修复法流程 废水处理系统废水处理系统营养盐营养盐 空气空气污染区污染区抽抽水水井井地下水位地下水位注注水水井井观观测测井井图图 生物修复原位处理方式示意图生物修复原位

12、处理方式示意图土壤异位生物修复： 土壤异位生物修复是将受污染土壤挖掘起来，将之运输到一个经各种工程准备的制备床进行生物修复(下图)，防止污染物向地下水或更广大地域扩散，处理后的土壤再运回原地的一种生物修复技术。 土壤异位生物修复主要方式将污染物质与一些自身容易分解的有机物混合堆放，并加入氮、磷及其他无机营养物质。将土壤挖起并加入限制性营养，在底部作防渗漏处理，附高通风系统，然后将污染土壤调理至适宜的含水率进行控制通风堆积。可在受污染初期可在受污染初期限制污染物的扩散和迁移，减少受污染范围，但限制污染物的扩散和迁移，减少受污染范围，但运输、挖掘费用较高，运输过程中可能引发新的运输、挖掘费用较高，

13、运输过程中可能引发新的污染或因挖掘造成土壤生态结构的破坏。污染或因挖掘造成土壤生态结构的破坏。将受污染的土壤挖掘起来，和水混合后，在接种了微生物的反应器内进行处理，处理后的土壤与水分离后，经脱水处理后再运回原地。特点：此法类似于污水生物处理，受污染的土壤特点：此法类似于污水生物处理，受污染的土壤挖出与水混合后在接种了微生物的反应器内进行挖出与水混合后在接种了微生物的反应器内进行处理，处理速度较快，但工程复杂，费用较高。处理，处理速度较快，但工程复杂，费用较高。案例1:湖南郴州邓家塘砷污染土壤修复示范工程 在国家高技术发展计划(863项目)、973前期专项和国家自然科学基金重点项目的支持下，20

14、01年陈同斌研究员在湖南郴州建立了世界上第一个砷污染土壤植物修复工程示范基地。蜈蚣草叶片富集砷达0.5%，为普通植物的数十万倍；能够生长在0.15-3%的污染土壤和矿渣上，具有极强的耐砷毒能力；其地上部与根的含砷比率为5：1，显示其具有超常的从土壤中吸收富集砷的能力。蜈蚣草对砷和磷的吸收并不表现为拮抗作用，而是一种协同作用，增施磷肥可增强蜈蚣草对砷的吸收能力。田间管理除水肥管理外，还需除草、冬季盖膜防冻等措施。 蜈蚣草生物量大，富集砷能力强，每年去除土壤砷的效率为10%左右。收割的蜈蚣草通过砷的固定剂安全焚烧。备注：2000年1月8日，郴州市苏仙区邓家塘乡发生一起严重砷污染事故，导致600多亩

15、稻田弃耕、2人死亡、400多人集体住院，诱发严重纠纷和暴力冲突。 四、地下水生物修复工程技术四、地下水生物修复工程技术特点：与土壤原位处理基本相同。特点：与土壤原位处理基本相同。指使用暂时的物理屏障以减缓并阻滞污染物在地指使用暂时的物理屏障以减缓并阻滞污染物在地下水中的进一步迁移。下水中的进一步迁移。又称抽取处理技术，将受污染的地下水从地下又称抽取处理技术，将受污染的地下水从地下水层中抽取出来，在地面上用一种或多种工艺处水层中抽取出来，在地面上用一种或多种工艺处理之后，再将水注入地层。理之后，再将水注入地层。+ +1. 原位处理法 通过深井向地下水层中添加微生物净化过程必需的营养物和高氧化还原

16、电位的化合物，改变地下水体的营养状况和氧化还原状态，依靠土著微生物的作用促进地下水中污染物分解和氧化(见右图)。 地上处理法 在一个区域内的地下水受到污染后，也可以打数眼深井，直至地下受污染水层，然后将地下水抽提出来在地面上用一种或多种工艺处理。 地上处理的方法较多，其中研究最多的是生物膜反应器法。净化后的地下水通过两种方法回补地下水层： 通过深井直接注入地下水层 排入渗滤区经土壤淋溶后返回地下水层 实际应用中此方法很难将吸附在地下水层基质上的污染物提取出来，因此效率较低，应用较少。 案 例 由上海水产大学、苏州大学、江苏省太湖渔管办联合承担的江苏省太湖水污染治理科技专项“驯化食藻虫引导太湖水

17、下生态修复示范”项目日前启动，进入实验室阶段。 该项目将把经过特殊驯化的食藻虫投入太湖水域，通过食藻虫来引导太湖沉水植被种群的生态恢复，从而起到抑制蓝藻暴发、净化水质的目的。 案 例 昆明“四退三还一护”修复滇池湖滨带 05年为推进滇池湖滨生态修复工程，昆明市政府在滇池流域2920公里核心区、6738平方公里辐射区、涵盖415万人口的城乡一体化范围内，全面实施“四退、三还、一护”，即退田还林、退塘还湿、退房还岸、退人护水，全面消除近湖区域生产生活污染源。昆明市将结合草海片区的开发，同步恢复建设草海湿地，大力开展湖滨生态修复和生态建设，形成良性的湖滨生态系统。在滇池外海环湖公路以内，科学规划建设

18、环湖亲水型生态林地与生态湿地；在环湖公路以外，利用自然地力，采用抗污染植被，保护和建设生态林带。 (205年)总面积3.3平方公里的昆明滇池草海东风坝及老干鱼塘综合整治工程二期生态恢复工程提前两个月完工，月号通过专家验收。标志着滇池实施规模化生态修复工程获得成功，滇池又有了一个崭新的“肺”。年前，滇池东风坝近的水面上长满了水葫芦，另一半则被网箱养鱼所覆盖，给滇池水质造成了严重的污染。国务院批准把综合整治滇池工程列为 “十五”期间云南环境保护的重要项目，对此，昆明市政府于年月实施了东风坝及老干鱼塘综合整治一期退塘还湖工程，让平方公里的水域重见天日，水体景观得到了明显改善。 为了巩固这一成果，省市

19、共投资2580万元，启动了东风坝及老干鱼塘综合整治二期生态恢复工程，种植和恢复了挺水、沉水、浮叶等种大型水生植物亩；在东风坝北岸抽取湖心底泥，实施人工吹填万立方米，造滩亩；为实现与草海通水，在坝体上设计了个开口，最终使大型水生植被覆盖率达。经过历时两年的整治，目前，东风坝水域透明度上升了，老干鱼塘水域透明度上升了。 案 例 胶莱两湾分处黄渤海，渔业资源丰富，沿岸分布有广阔的湿地资源。由于近年来人们对两湾的不合理开发利用，两湾湿地已呈现出明显的退化趋势。其中退化的主要原因就是围垦和污染。 黄河三角洲湿地也面临着湿地污染、水资源不足、人类不合理的开发利用及各种自然灾害的威胁，其湿地生态系统受到严重

20、破坏。 对于两湾和黄河三角洲地区的湿地恢复也应在控制污染源和合理开发资源的基础上，采取治疏并举的方法改善生态环境。可利用生物修复技术，根据环境特征进行芦苇人工湿地控制污染，净化水质。然后通过胶莱人工海河的疏导功能，提高海水自净能力，改善湿地和海洋生态环境。五、石油污染物治理1）生物降解（1）石油组分的生物降解烷烃芳香烃图6-5-6 烷烃好氧代谢途径图6-5-7 环烷烃降解途径图6-5-8 芳香烃化合物好氧代谢途径（2）环境因素对烃氧化微生物的影响碳氢化合物种类烃类化合物的溶解度不同微生物种群对原油的降解能力不同温度及压力 温度升高分解速率加快，压力加大分解速率减慢溶解氧 烃类化合物的降解主要在

21、好氧条件下完成营养盐添加氮、磷等营养物质一般可以促进石油的生物降解 全世界每年有10亿吨原油经海上运输，其中约有320万吨因泄漏污染海洋；同时油库、输油管泄漏造成土壤污染事件也时有发生。20世纪80年代以来生物修复技术开始应用于石油污染治理。 主要通过添加一种含N、P且不被海水冲走的肥料，从而能够促进石油降解微生物的生长繁殖，加快石油降解速度。 该法能使原油的降解速度提高69倍，16个月内降解率可达6070，而对海水养分、藻类生长不造成影响。原油污染可以基本得到清除，治理时间可由原先估计的1020年缩短为23年。 六、重金属的生物处理技术六、重金属的生物处理技术1.生物吸附原理2.生物吸附剂3

22、.生物吸附的影响因素4.重金属阴离子的生物吸附5.重金属污染的植物修复 重金属具有生物摄取的富集积累性。水生生物在体内富集的重金属浓度可达周围环境介质中浓度的数百至数万倍，沿食物链逐渐转移，同时在生物内脏长期积累，达到后呈现毒性。因此，微量、痕量重金属即具有潜在的危险性。 一、生物吸附原理生物吸附与生物累积生物吸附：通常所说的仅指失活微生物的吸附作用，主要是生物体细胞壁表面的一些具有金属络合、配位能力的基团起作用，如巯基、羧基、羟基等基团。这些基团通过与吸附的金属离子形成离子键或共价键来达到吸附金属离子的目的。生物累积：微生物活细胞去除金属离子的作用一般称为。生物累积主要是利用生物新陈代谢作用

23、产生的能量，通过单价或二价离子的转移系统把金属离子输送到细胞内部。 二、生物吸附剂1.生物吸附剂的选择 吸附和解吸速率快； 生产成本低，可重复使用； 具有理想的粒、形状、机械强度，便于在连续系统中使用；与水溶液的两相分离应高效、快速、 廉价；具有选择性；再生时吸附剂损失量小，经济上可行。2.生物吸附剂的预处理酸、碱处理； 热处理碱处理可以去除细胞壁上的无定形多糖，改变葡聚糖和甲壳质的结构，从而允许更多的重金属离子吸附在其表面上。同时NaOH可以溶解细胞上一些不利于吸附的杂质，暴露出细胞上更多的活性结合位点，使吸附量增大。此外NaOH 还可以使细胞壁上的H+离子解离下来，导致负电性官能团增多，吸附量也会增大。三、生物吸附的影响因素1. pH大多数类型的生物对重金属的吸附随金属溶液pH下降明显减少。当溶液的pH值很低时，H3O+会占据大量的吸附活性位点，从而阻止阳离子与吸附活性点的接触，导致吸附量的下降。但是pH值过高也不利于生物吸附。 典型的金属吸