污染环境的生物修复省公开课一等奖全国示范课微课金奖课件

污染环境生物修复生物修复概念及其原理生物修复工程技术生态工程与污水处理系统1/80国家环境保护总局

新化学物质申报表

毒理学项目急性毒性短期重复毒性亚慢性毒性慢性毒性生殖/发育毒性神经毒性致突变性致畸性致癌性毒代动力学其它

2/80生态毒理项目藻类生长抑制毒性溞类急性毒性鱼类急性毒性鸟类毒性高等植物种子发芽和生长毒性蚯蚓急性毒性活性污泥呼吸抑制毒性吸附/解吸性降解性生物蓄积性其它

3/804/805/80第一节生物修复概念及其原理6/80一生物修复基本原理和特点生物修复（Bioremediation）指利用生物将土壤、地表及地下水或海洋中危险性污染物现场去除或降解工程技术系统。生物修复基本指导思想净化速度迟缓因为三方面原因生物修复技术系统中添加氮、磷等营养盐接种、驯化高效菌自然条件下DO不足营养盐缺乏高效菌生长迟缓供氧快速去除污染物7/80生物修复技术特点优点：投资费用省，对环境影响小，能有效降低污染物浓度，适合用于在其它技术难以应用场地，而且能同时处理受污染土壤和地下水。不足：需对详细地点情况和污染物进行详细而昂贵考查，微生物活性受温度和其它环境条件影响，一些情况下，生物修复不能去除全部污染物。与生物处理区分：二者原理一致，但生物修复侧重于受污区域原位生物处理。8/80二.生物修复种主要生物种类及修复原理1.环境污染微生物修复经过微生物降解和转化，将有机污染物转化为无害小分子化合物和二氧化碳与水微生物修复生物类型土著微生物：环境中固有微生物外来微生物：需大量接种高效菌基因工程菌（GEM）9/80微生物对物质降解与转化特点:微生物个体微小，比表面积大，代谢速率大；种类繁多，分布广泛，代谢类型多样；微生物含有各种降解酶；微生物繁殖快，易变异，适应性强；微生物含有巨大降解能力；质粒（Plasmid）：染色体外遗传物质，是在原核微生物中除染色体外，还存在一个较小携带少许遗传基因环状DNA分子。质粒可用来培育优良菌种，或用作基因工程中基因转移载体。比如：多功效超级细菌构建10/80ABBACABC图3－1多质粒超级菌构建示意简图质粒细胞染色体注：11/80共代谢（Co－Metabolism）微生物在利用生长基质A时（从中取得能量、碳源或其它任何营养），同时非生长基质B（不能从中取得能量或营养）也伴伴随发生氧化或其它反应。在纯培养下，共代谢只是一个截止式转化，但在混合培养和自然环境条件下，转化可为其它微生物进行共代谢或其它生物对某种物质降解铺平道路，使其代谢产物可继续降解，故污染物在有适当底物和环境条件下可经过共代谢作用而降解。ABCDE1E2E2E112/80微生物对污染物降解与转化路径自然界中化学物质降解3种方式：这三种方式往往综合交叉进行。光降解化学降解生物降解（Biodegradation）：指因为生物作用，把污染物大分子转会为小分子，实现污染物分解或降解。其中微生物所起降解作用最大，故也称为微生物降解。微生物代谢活动中化学作用（实质是酶反应）氧化作用还原作用脱羧作用水解作用脱氨基作用等13/80影响微生物对物质降解转化作用原因（1）微生物代谢活性不一样种类微生物对同一底物反应不一样；微生物在不一样生长时期活性是不相同，在对数期代谢最旺盛，活性最强。微生物种类组成决定化合物降解方向和速度，同时微生物种类组成又与环境中化学物质相关。微生物适应性驯化（Domestication）：是一个定向选育微生物方法与过程，经过人工办法使微生物逐步适应某特定条件，最终取得含有较高耐受力和代谢活性菌株。14/80影响微生物对物质降解转化作用原因（2）化合物结构烃类：链烃易降解性大于环烃，直链烃大于支链烃，不饱和烃大于饱和烃，支链烷基越多，越不易被降解当主链上C被S、N、O取代时，对生物氧化阻抗上升当C原子上H被烷基或芳基取代时，会生成生物氧化阻抗物。官能团性质和数量分子量大小环境原因温度酸碱度营养氧底物浓度15/80微生物分解有机物作用微生物分解有机物作用可总括成以下列图式：复杂有机物简单有机物需氧微生物胞内酶厌氧微生物胞内酶微生物胞外酶CO2、H2OCO2、H2O、H2、CH4、H2S及有机酸、醇、酮、醛等未完全氧化产物图3－2微生物分解有机物作用示意图16/80微生物对常见污染物降解与转化生物大分子降解糖类：以纤维素和淀粉分解为例，见图5－4，5－5脂肪蛋白质脂肪＋H2O脂肪酶甘油＋高级脂肪酸蛋白质肽氨基酸蛋白酶肽酶17/80丁酸、CO2、H2等CO2、H2、有机酸等淀粉葡萄糖需氧微生物胞内酶厌氧微生物胞内酶微生物淀粉酶CO2、H2O图3－5淀粉分解路径示意图纤维素葡萄糖需氧微生物胞内酶厌氧微生物胞内酶＋H2O纤维素酶CO2、H2O图3－4纤维素分解路径示意图纤维二糖＋H2O纤维素酶18/80烃类石油类人工合成有机物农药合成洗涤剂增塑剂多氯联苯19/80危险性化合物危险性化合物（HazardousChemicals）概念微生物含有降解自然界产生有机化合物代谢机制，从而促使地球有机碳平衡，而在自然界含有新奇结构合成化合物（异型生物质，又称非生物性物质，xenobiotics）往往对微生物降解表现出抗逆性，其原因可能是这些化合物进入自然界时间比较短，微生物界还未进化出降解这类难降解化合物代谢机制。这些化合物大多数对环境含有毒害作用，故称之危险性化合物。危险性化合物起源人工合成农药、杀虫剂、除草剂、防腐剂、溶剂、增塑剂等20/80危险性化合物降解特点和研究尽管其在自然界可能会有部分迟缓降解，微生物有可能经过各种路径来改变本身结构信息以取得对这类化合物降解能力，但这需要一个漫长过程来实现，依靠微生物自然进化过程远不能满足要求，而且长此以往将会造成生态系统失衡。所以，研究一些能够使微生物群体在较短时间内取得最大降解该物质能力方法显得愈加主要和迫切。21/80危险性化合物降解特点和研究近年来科学工作者做了大量工作，包含：经过长时间驯化来得到含有一定降解能力微生物群体；经过基因工程伎俩来改造微生物使其含有特定降解能力；另外在对危险性化合物降解研究中发觉，混合培养比纯培养含有潜在优势，彻底矿化往往需要一个或一个以上营养菌群（如发酵－水解菌群、产硫菌群、产乙酸菌群、产甲烷菌群等）经过多步反应将有毒化合物转化为矿化最终产物。研究人员依据不一样代谢作用最少能够将微生物群落中微生物分为7种类型：①提供特殊营养物；②去除生长抑制产物；③改进单个微生物基本生长参数；④对底物协调攻击；⑤共代谢；⑥氢（电子）转移；⑦提供一个以上初级底物利用者。22/80有机污染物生物可降解性及其评价方法什么是生物可降解性？全部化合物依据微生物对它们降解性可分成可生物降解、难生物降解和不可生物降解。评价生物可降解性方法：测定生物氧化率测呼吸线测定相对耗氧速度曲线测BOD5与CODCr之比测COD30培养法23/80时间（h）耗氧量（mg/g）内呼吸线生化呼吸线②生化呼吸线时间（h）耗氧量（mg/g）内呼吸线③图3－6生化呼吸线与内呼吸线比较时间（h）耗氧量（mg/g）内呼吸线生化呼吸线tabc24/80底物浓度D、有毒，不能被利用C、有毒，能被利用A、无毒，不能被利用B、无毒，能被利用相对耗氧速度（以内呼吸％表示）100％图3－7相对耗氧速率曲线25/80基因工程在环境生物处理中应用应用基因工程菌处理污染物主要优势：集中与创造与目标基因，提供综合性代谢新污染通路和杂种细胞。提升代谢通路结构基因表示，针对新污染物，改变表示调整方式。控制降解路径限制性步骤，提升分解代谢酶合成或其它生化反应过程效率预防有毒中污染物产生，预防非需要产品出现，用确定基因实现最初目标。26/80主要应用：降解卤代芳烃基因工程菌分解尼龙寡聚物基因工程菌分解多糖基因工程菌抗金属基因工程菌除草剂降解基因工程菌杀虫剂降解基因工程菌转基因植物???27/80小结:微生物修复影响原因营养盐：需添加氮、磷营养元素电子受体：可经过对土壤鼓气或添加产氧剂方式来提供DO作为有机物降解电子受体；另外，硝酸根、硫酸根、铁离子也可作为有机物降解电子受体。共代谢基质28/80污染现场和土壤特征：土壤特征影响污染物和微生物相对活性，最终影响生物修复速度和程度。有毒有机污染物物理化学性质微生物菌株(基因工程菌)29/80案例:废水生物处理作用机理:废水生物处理实际是水体自净原理在水污染治理中应用，即模拟天然水体自净作用生物过程。在特定构筑物中人工创造适宜条件，充分发挥微生物作用以高速度、高效率净化污水，经过微生物代谢产生酶来降解转化有机物，将有机物最终转化为无害二氧化碳和水，从而使废水得到净化。30/80污水处理中生化过程O2、CO2、SO42－、NO3－等细胞组成物C、H、O、N、维生素等能源受氢体微生物微生物细胞合成生物污泥分解能量代谢产物＋热能CO2、H2O、SO42－、NO3－、NH4＋、PO43－、H2S、CH4、有机酸、醇等排水排出不可降解残留物内源呼吸图3－8污水处理中生化过程31/80活性污泥法和生物膜法当前最惯用生物处理方法是活性污泥法和生物膜法。活性污泥和生物膜概念活性污泥是由细菌、原生动物等微生物与悬浮物质、胶体物质混杂在一起形成含有吸附分解有机物能力絮状体。活性污泥是含有很强吸附分解有机物能力、充满微生物污泥；生物膜是附着在填料上呈薄膜状活性污泥。32/8033/80活性污泥和生物膜特点含有很强吸附能力含有很强分解、氧化有机物能力图含有较强食物链食物链越长，作为能量消耗百分比就越大，在系统中存在生物量就比较少，所剩下污泥量就对应较少，可减轻生物处理后污泥处理负担。含有良好沉降性能处理水易与污泥分离，最终到达废水净化目标。34/80废水生物处理类型按所利用微生物种类好氧处理：活性污泥法厌氧处理：污泥消化兼性处理：生物膜法按处理系统中微生物存在状态悬浮生长系统固定膜系统按反应器形式完全混合式反应器间歇式反应器完全推流式反应器固定填充床式反应器流化床式反应器35/802.环境污染植物修复植物生态功效?植物修复特点可同时去除有机污染物和重金属、放射性核素，适合用于大面积、低污染位点。36/80蜈蚣草（PterisvittataLinn.）

东南景天

宝山堇菜（Violabaoshanensis）

37/80植物组织积累植物排斥植物固定植物降解植物挥发植物修复重金属污染土壤机理示意图38/80植物在土壤修复中应用A。环境中金属污染去除已经有方案：场外修复，先将土壤挖掘、转移，再去除金属离子；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；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。39/80植物修复金属污染方式1）植物固定适应重金属胁迫植物不吸收或少吸收重金属将吸收金属钝化在植物地下部分大量吸收金属同时正常生长可在金属污染土壤中生产符合环境标准农产品经过栽种植物积累金属，收获后进行植物提取40/80指利用植物和其它一些添加物使环境中金属流动性降低，生物可利用性下降，降低金属对生物毒性。该法只是暂时将金属固定，并没有彻底去除环境中金属。2）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，释放到大气中。该法只适合用于挥发性污染物。41/803）植物吸收指利用能耐受并可过量积累金属植物吸收环境中金属离子，将它们输送并贮存在植物体地上部分。需要选择能耐受并可过量积累金属植物种类。B环境中有机物降解与去除去除机理植物对有机污染物直接吸收作用植物释放分泌物和酶强化根区矿化作用42/80C、环境中放射性核素去除已经有方法：将土壤从污染未点搬移，然后用分散剂或鳌合剂进行处理。植物可从污染土壤中吸收并累积大量放射性核素，所以植物去除是一个值得研究方法。植物对放射性核素吸收与植物种类及土壤性质相关。土壤粒子交换能力越强，植物吸收放射性核素能力越大。43/80植物在富营养化水体水质净化中应用（1）富营养化水体水华和赤潮防治水体富营养化对策：控制外源性营养物质输入；降低内源性营养物质负荷。防治水体富营养化办法：工程性办法：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；44/80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营养物质。（2）高等水生植物净化水体特点以大型植物为主体，植物和根区微生物共生，产生协同效应，经过植物直接吸收、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除效果。45/80第二节生物修复工程技术46/80一、生物修复工程技术可行性研究数据调查技术查询选择技术路线可处理性试验实际工程设计47/80二、地表水生物修复技术微生物修复针对流动河道水体，可采取直接曝气、生物膜法等；对于浅水湖泊，可添加营养盐、采取曝气机搅拌混合等法；大型水生植物对水体净化48/80点源污染控制城镇生活污水治理除磷脱氮禁用含磷洗涤剂分散性生活污水治理工业废水治理含氮工业废水治理含磷工业废水治理面源污染控制农村村落污染控制村落废水控制村落固体废弃物处理村落环境管理农田污染控制田间污染控制坡耕地改造水土保持农业生态农业小流域生态治理工程前置库工程强侵蚀区污染控制湖内污染源治理网箱养鱼控制污染底泥疏浚与处置湖内旅游控制船舶污染控制湖内藻类控制生态工程治理湖内水生生态修复工程陆生生态恢复工程湖泊富营养化治理长久性复杂性湖滨防护带49/80粮食生活排水人类生活太阳光旱地粮食肥料畜舍风能太阳能可再生能源有效利用居民、行政部门循环利用体系石化能源配合饲料监测系统和水环境改进评价依据氮磷自动监测系统评价环境保护型施肥管理体系经过水生植物栽培法对氮磷进行资源回收河流水处理系统评价法高温好氧发酵装置情报网络湖泊治理技术确实立节能、小型、省资源、经济性适合地球环境、地域特征创造未来最正确处理系统有机生活垃圾资源化污泥磷酸盐处理水简易高效水处理装置养殖废水湖泊污染治理和生态恢复建立可连续发展流域体系湖泊污染治理复杂性与长久性建设50/80三、土壤污染修复（一）土壤自净作用污染物进入土壤后，经过在土壤环境中发生物理、物理化学、化学和生物化学等一系列反应过程，土壤使污染物分解和消失能力。污染物进入土壤后，其自净过程大致为：污染物在土壤内经扩散、稀释、挥发等物理过程降低其浓度；经生物和化学降解为无毒或低毒物质，或经过化学沉淀、配合或螯合作用、氧化还原作用转化为不溶性化合物。51/801.影响净化作用原因土壤组成、土壤环境、污染物种类和性质2.土壤自净作用应用如土壤处理槽装置，如用于废水处理设法使土壤中异养微生物有机碳污染物降解为CO2、H2O、CH4

氨化细菌、硝化细菌有机氮污染物N2（逸散至空气中）脱氮菌等作用和CH4细菌作用52/80土壤污染治理方法制订对应政策法令，使土壤降低污染外：惯用方法：1.沉淀法：以除去水中污染物引入土壤天然水先进入沉淀池沉淀后再用于浇灌2.稀释法：用清净水稀释污染浇灌水3.排土法：移动污染土层4.铺垫客土法：在受污染土壤上铺垫一层非污染客土。5.混层法和倒转层法（污染土与清洁土混合）（上、下土层易位法）6.土壤改良法如向土壤投加石灰、磷酸盐、硅酸盐，使土壤改良。53/80图3.1热处理示意图(由南开大学陈威教授提供)54/80土壤生物修复主导技术原位处理特点：原地进行，无需挖出土壤和运输，采取土著微生物或经驯化微生物处理。包含两方面内容：对受油污染土壤进行修复对矿山废弃地进行植被恢复挖掘堆置处理55/80特点：可在受污染早期限制污染物扩散和迁移，降低受污染范围，但运输、挖掘费用较高，运输过程中可能引发新污染或因挖掘造成土壤生态结构破坏。反应器处理特点：此法类似于污水生物处理，受污染土壤挖出与水混合后在接种了微生物反应器内进行处理，处理速度较快，但工程复杂，费用较高。56/80废水处理系统营养盐空气污染区抽水井地下水位注水井观察井图生物修复原位处理方式示意图57/80四、地下水生物修复工程技术原位处理特点：与土壤原位处理基本相同。物理拦阻指使用暂时物理屏障以减缓并阻滞污染物在地下水中深入迁移。地上处理又称抽取－处理技术，将受污染地下水从地下水层中抽取出来，在地面上用一个或各种工艺处理之后，再将水注入地层。+58/80第三节生态工程与污水处理系统59/801生态工程介绍(1)生态工程定义及其应用生态工程（EcologicalEngineering）指由人工设计、以生物种群为主要结构组分、含有一定功效、宏观、人为参加调控工程系统。它能够是人工设计一个群落、生态系统或更宏观地域性生态空间。生态工程构建和运行主要理论依据是生态学原理，同时在设计时还必须遵照社会规律和经济规律。60/80环境生态工程主要目标是为了保护生态环境，也有可能在保护环境同时，经过良好物质循环和能量流动过程，取得经济效益。(2)生态工程类型物质能量多层利用生态工程物质转化与再生生态工程无污染生态工程污染自净多功效生态工程工农业联合生态工程61/802氧化塘法生物氧化塘（OxidationPond）又称稳定塘，是利用藻类和细菌两类生物间功效上协同作用处理污水一个生态系统。(1)净化原理氧化塘净化原理氧化塘净化原理是利用了细菌与藻类互生关系。藻类进行光合作用释放氧气；细菌利用藻类产生氧气分解流入塘内有机物；62/80分解产物中CO2、N、P等无机物以及一部分小分子有机物成为藻类营养源；增殖细菌和藻类细胞为微型动物所捕食。氧化塘内反应过程藻类和光合细菌光合放氧过程；好氧反应：氧化作用、氮氧化作用、硫氧化作用等；厌氧反应：硝酸盐还原反应、硫酸盐还原反应、发酵反应等；63/80氧化塘内生物学过程藻类细菌衰亡细胞CO2、NH3H2O、PO43－O2流入污水能沉淀固体处理出水O2风阳光（厌氧性）（兼性）有机物微生物有机酸、醇等微生物CH4＋CO2＋NH3等64/80(2)氧化塘内生物组成藻类：位于氧化塘表层，常见有：小球藻属、衣藻属、眼虫藻属等；细菌：大量存在于氧化塘下层，在好气状态下，无色杆菌、假单胞菌、芽孢杆菌等优势生长；在氧化塘底部厌氧层还有硫酸还原菌和甲烷细菌。微型动物：存在各种原生动物、轮虫、以及甲壳类等。65/80(3)氧化塘分类与功效兼性塘（FacultativePond）塘深1.0～2.5m，上层DO充分，好氧微生物占优势；中层DO不足，兼性微生物占优势；下层厌氧微生物占优势。可应用于处理工业、农业废水和生活污水。厌氧塘塘深2m以上，厌氧微生物占主导，可接纳预处理各种高浓度有机工业废水。它后面通常还置有兼性塘和好氧塘。66/80曝气塘塘深2～5m。机械曝气充氧。精制塘(4)综合生物塘综合生物塘是利用生态学原理，将个详细特点生态单元，按照一定百分比和方式组合起来含有污水净化和无水资源化双重功效新型稳定塘技术综合生物塘净化生物学基础水生维管束植物生态净化功效藻-菌呼声生态系统代谢活性提升出水水质生态学办法67/80综合生物塘工艺流程进水流程Ⅰ：处理BOD5150～200mg/L污水，包含全部生态单元，水力停留时间16.3d；流程Ⅱ：处理BOD5100～150mg/L污水，水力停留时间11.5d；流程Ⅲ或Ⅳ：处理BOD570～100mg/L污水，水力停留时间4～5d；沉砂厌氧植物藻－菌生态修饰养殖浇灌出水ⅠⅡⅢⅣ植物藻菌68/803水生植物为基础处理系统(1)以水生大型植物为基础处理系统污水格栅二级水生生物曝气塘砂滤反渗透粒状炭柱臭氧消毒出水(2)整年运转路径选择适宜高等水生植物种类营养膜技术69/804人工湿地处理系统湿地每年在足够长时间内均含有前表面水层，能维持大型水生植物生长生态系统人工湿地依据自然湿地模拟人工生态系统，用于处理废水。70/80人工湿地处理系统优点净化效率优于氧化塘；运转费用低；对废水处理厂难以去除营养元素净化效果好。应用实例芦苇湿地处理系统71/805污水土地处理系统污水土地处理系统（LandTreatmentSystem）利用土地及其中微生物和植物根系对污染物净化能力来处理已经经过预处理污水或废水，同时利用其中水分和肥分促进农作物、牧草或树木生长工程设施。(1)污水土地处理系统组成与类型污水土地处理系统组成污水预处理设施，污水调整与储存设施，污水输送、布水和控制系统，土地处理面积，排出水搜集系统。72/80土地处理净化机理净化机理包含：土壤过滤截留、物理和化学吸附、化学分解、生物氧化以及植物和微生物摄取等作用。土地处理系统主要类型地表漫流系统慢速渗滤系统快速渗滤系统自然湿地系统复合污水土地处理系统73/80(2)土地处理系统与污灌主要