地下水污染的生物修復(fù)技術(shù)

環(huán)境微生物學(xué)第十章污染環(huán)境的生物修復(fù)第一節(jié)概述

生物修復(fù)(Bioremediation)

一、生物修復(fù)概念廣義的生物修復(fù)通常是指利用各種生物（包括微生物，動物和植物）的特性，吸收、降解、轉(zhuǎn)化環(huán)境中的污染物，使受污染的環(huán)境得到改善的治理技術(shù)，一般分為植物修復(fù)、動物修復(fù)和微生物修復(fù)三種類型。狹義的生物修復(fù)通常是指在自然或人工控制的條件下，利用特定的微生物降解、清除環(huán)境中污染物的技術(shù)。生物恢復(fù)是指向污染場地添加營養(yǎng)物和氧,利用土著微生物分解有害物質(zhì)的生物修復(fù)過程.生態(tài)恢復(fù)是指修復(fù)被人類損害的原生態(tài)系統(tǒng)的多樣性及其動態(tài)的過程.生物修復(fù)技術(shù)的分類

原位生物修復(fù)（無需將受污染土壤挖走或?qū)⑹芪廴镜叵滤橹恋孛妫?。異位生物修?fù)（需將污染物質(zhì)通過一定途徑從現(xiàn)場運走在進行生物處理）。二、生物修復(fù)的原理與影響因素微生物植物用于生物修復(fù)的其他生物這些生物包括藻類、微型動物等。生物因素：用于生物修復(fù)的生物種類二、生物修復(fù)的原理與影響因素微生物生物轉(zhuǎn)化礦化作用共代謝作用難降解有機污染物和重金屬及其相應(yīng)的降解轉(zhuǎn)化微生物生物修復(fù)的原理與影響因素植物普通植物超積累植物植物修復(fù)生物修復(fù)的原理與影響因素非生物環(huán)境因素營養(yǎng)電子受體基質(zhì)性質(zhì)微生物生態(tài)關(guān)系植物根系第二節(jié)生物修復(fù)的類型

一、原位生物修復(fù)工藝：概念：直接向受污染部位提供氧氣、微生物或營養(yǎng)物以降解污染物的生物修復(fù)工藝。特點：工藝路線和過程比較簡單；對周圍環(huán)境影響小、生態(tài)風(fēng)險小；處理費用較低工藝種類：生物擴增菌株；培養(yǎng)法；生物通氣；生物翻耕；植物修復(fù)植物修復(fù)植物修復(fù)的概念利用綠色植物清除環(huán)境中的污染物，使其去除降低或消失稱作植物修復(fù)(phytore-mediation)(Raskin等.1994)。植物修復(fù)的主要對象是有毒重金屬和有機污染物。植物固定(Phytostabilization)根系降解(Rhizodegradation)植物積累(Phytoaccumulation)植物降解(Phytodegradation)植物揮發(fā)(Phytovolatilization)植物修復(fù)的原理及作用方式

植物固定(Phytostabilization)

利用植物將有毒有害污染物如重金屬聚集在根系地帶,降低其活動性,阻止其向深層土壤或地下水中擴散,但并不為植物利用,即根系對污染物起固定作用。根系降解(Rhizodegradation)

植物中超過20%的營養(yǎng)成分如糖分、氨基酸、有機酸等都聚集在根部,因此會生長很多微生物,尤其在根表面向外1-3mm的地方,這些微生物是沒有種植過植物的土壤的3-4倍。一些微生物可以同植物相結(jié)合促進重金屬的降解,也可以礦化某些有機污染物如PAHs、PCBs。植物積累(Phytoaccumulation)

也稱之為植物提取(phytoextraction),植物根系將土壤中重金屬或有機污染物從污染的土壤中轉(zhuǎn)移到植物的地上部分。一般指那些能累積超過葉子干重1.0%的Mn，或者0.1%的Co、Cu、Pb、Ni、Zn，或者0.01%的Cd的植物。目前世界上有500多種這樣的植物。植物降解(Phytodegradation)

植物的根、莖、葉吸收或降解污染物,主要是有機污染物如PAHs、TPHs、PCBs,無機污染物如氮氧化物、硫氧化物。判斷這些污染物能否進入植物體內(nèi)的指標(biāo)是該物質(zhì)在辛醇—水中的分配系數(shù)(logKOW)。logKOW在1-3.5之間的物質(zhì)可以被植物吸收降解。植物揮發(fā)(Phytovolatilization)

某些易揮發(fā)污染物被植物吸收后從植物表面組織空隙中揮發(fā)。如桉樹降解三氯乙烯(TCE)、甲基叔丁基醚(MTBE)，印度芥菜降解硒化合物；煙草揮發(fā)甲基汞。從植物莖葉揮發(fā)出的物質(zhì)可能被空氣中的活性羥基分解。如有毒的Hg2+經(jīng)植物揮發(fā)后變成了低毒的Hg，高毒的硒變成了低毒的硒化物氣體等。還有的植物通過葉表孔隙揮發(fā)水分的形式轉(zhuǎn)移在水系中的污染物。如白楊、桉樹、河香柏等樹木具有很深的根系,每天可以蒸騰大量的水,將水中某些污染物轉(zhuǎn)移至植物體內(nèi)（揮發(fā)轉(zhuǎn)移）。植物修復(fù)在空氣污染中的應(yīng)用植物在水環(huán)境污染中的應(yīng)用植物在土壤污染中的應(yīng)用植物修復(fù)在環(huán)境污染中的應(yīng)用

植物修復(fù)在空氣污染中的應(yīng)用

氮氧化物NxOy是污染空氣的一類主要化合物，NO2同O3在光照的條件下容易形成光化學(xué)煙霧，N2O是一種能引起溫室效應(yīng)的氣體，它可以輻射傳熱,破壞同溫層的O3。某些植物將氮氧化物轉(zhuǎn)化為氨基酸或以其為氮源加以利用,利用這些植物去除空氣中的氮氧化物無疑是環(huán)保節(jié)能的好方法。HiromichiMorikawa等人詳細(xì)研究了NO2被217種高等植物、50種野生草本植物、60種人工培育的草本植物和107種木本植物吸收和還原為N2的情況，結(jié)果表明辛荑對NO2吸收最高，達(dá)12.7mg/g(干重)；菊科、桃金娘科、茄科和楊柳科有較高的還原N2的能力。植物在水環(huán)境污染中的應(yīng)用（1）無機營養(yǎng)元素如氮、磷等去除利用水生植物去除由氮、磷等無機營養(yǎng)元素引起的水體富營養(yǎng)化問題已有大量研究。種植蓮藕、水稻既可以去除氮、磷,又有很好的經(jīng)濟價值；被制成浮床的大椿草、水芹、水榮草、多花黑麥草等對去除水體中的氮、磷和抑制藻類滋生均有明顯的作用。這些植物發(fā)達(dá)的根系及與根系共生或混生的微生物往往共同對水環(huán)境起著凈化作用。（植物在水環(huán)境污染中的應(yīng)用2）有機污染物如農(nóng)藥、殺蟲劑、多環(huán)芳烴PAHs等去除

植物修復(fù)有機污染物的方式主要以植物固定、植物降解為主。水葫蘆可以去除水體中的有機磷農(nóng)藥、染料、酚、多環(huán)芳烴、甲基對硫磷等有機污染物；浮萍、伊樂藻對殺蟲劑DDT降解有明顯的作用,金魚藻、伊樂藻或浮萍可以顯著降低地表水中異丙甲草胺濃度;長春花可用于修復(fù)受炸藥TNT污染的地表水;龍葵能有效地降解PCBs。

紫花苜蓿,黑麥草,小藍(lán)莖草已成功地用于土壤中PAHs的修復(fù),在6個月內(nèi)可以將PAHs總量降低57%；銀合歡可以吸收和代謝二溴甲烷、三氯乙烯；轉(zhuǎn)基因胡蘿卜根須中聚集的苯酚濃度可達(dá)1000mmol/L，氯酚50mmol/L，在120h內(nèi)可降解90%以上的苯酚類化合物,研究表明根須中的過氧化酶可以促進這些物質(zhì)的代謝;植物還能降解殺蟲劑和除草劑，?？浦参锛八N薇科植物的根系分泌物能促進PCB降解菌的生長。柳樹、鵝掌揪、落羽松、撣木及棟屬植物都能有效地降解除草劑滅草松。植物在水環(huán)境污染中的應(yīng)用（3）重金屬去除植物通過根系吸收、濃縮和沉淀水體中有毒有害重金屬是非常具有吸引力的一種含重金屬廢水的處理方法,是目前研究的熱點問題。用于修復(fù)水體污染物的植物大多是沉水和水面漂浮植物,其中如綠藻對Cd、Hg、Cu、Pb的去除率可達(dá)80%-90%;黑麥草對黃金廢水不僅有很強的凈化能力,而且也具有很高的富集功能,其根部的含金量最高可達(dá)784g/t(干重)。

植物種苗對水中重金屬的去除作用比植物根的去除作用更強，利用植物種苗去除水中重金屬被稱為種苗過濾，是修復(fù)含重金屬廢水發(fā)展的新方向。渠榮遴等人研究了玉米、豌豆、蓖麻和向日葵等作物種苗對水體中Zn、Pb、Cu的去除作用，結(jié)果表明:蓖麻對Zn的積累最高，達(dá)30.0mg/g；向日葵對Pb的積累最高,達(dá)91.6mg/g；向日葵對Cu的積累最高,達(dá)24.3mg/g，其莖、葉中也有一定量的銅積累。

植物修復(fù)土壤中重金屬污染主要是選用超富集植物通過根系吸收固定這些重金屬,并轉(zhuǎn)移到地面部分,可采用收割的方式去除土壤中重金屬。寶山堇菜是一種Cd超富集植物,它不僅可以超量吸收Cd，而且可以從地下向地上部位有效輸送。蜈蚣草不僅有較強的耐受和富集Sn的能力,同時也具有較強的耐Pb、Zn的能力,具有生長速度快和生物量大的特點,通過改善植物生長條件等措施可以大幅度提高其富集能力,是有潛力的Zn、Cd污染土壤的修復(fù)植物。總結(jié)——

優(yōu)點：與傳統(tǒng)的修復(fù)技術(shù)相比,植物修復(fù)是一種容易接受、成本低、技術(shù)要求低的修復(fù)方法,它可應(yīng)用于空氣、地表水、地下水、土壤中污染物的修復(fù)。植物修復(fù)技術(shù)可清除的污染物包括無機污染物如氮、磷、重金屬等;有機污染物如農(nóng)藥、炸藥、有機氯化物、殺蟲劑、除草劑等。缺點：要求植株具有高的生物量；對污染物的耐受性要高;受植物根系分布的限制;受氣候、土質(zhì)等的影響;清除污染物所需的時間長;轉(zhuǎn)基因技術(shù)的應(yīng)用可能會造成潛在的環(huán)境污染等等。但隨著各方面研究和實踐的深入,它必將得到廣泛推廣與應(yīng)用,并為環(huán)境保護和治理工作帶來新的前景與希望第二節(jié)生物修復(fù)的類型

二、異位生物修復(fù)工藝：概念：將受污染的土壤、沉積物移離原地，在異地用生物的、工程的手段進行處理，使污染物降解而使受污染的土壤恢復(fù)帶到原有功能的生物修復(fù)工藝。特點：工藝路線和過程比較簡單；對周圍環(huán)境影響小、生態(tài)風(fēng)險小；處理費用較低工藝種類：泥漿反應(yīng)器法；預(yù)制床法；堆制法；生物堆層法；第二節(jié)生物修復(fù)的類型

三、原位-異位聯(lián)合生物修復(fù)：工藝種類：沖洗-生物反應(yīng)器法；土壤通氣-堆制法；第三節(jié)生物修復(fù)的應(yīng)用

一、農(nóng)藥污染的生物修復(fù)二、石油污染的生物修復(fù)三、污染水體的生物修復(fù)水體污染的生物修復(fù)技術(shù)湖泊的生物修復(fù)技術(shù)：技術(shù)措施：投放微型浮游動物、細(xì)菌及其他生物營造高等水生植被體系；放養(yǎng)濾食性魚類為主的水生動物；——地表水污染的生物修復(fù)技術(shù)水體污染的生物修復(fù)技術(shù)河流的生物修復(fù)技術(shù)：技術(shù)種類：向河流人工復(fù)氧（通過一定的增氧設(shè)備，增加水體中溶解氧，能加速河流水體和底泥微生物對污染物的分解，為水體中各種水生生物呼吸提供氧氣，促進系統(tǒng)生物多樣性。）；向河流投加人工培養(yǎng)的微生物（生物強化技術(shù)。在我國城市水環(huán)境治理中，應(yīng)用的微生物制劑主要包括美國的Clear-Flo、CBS、日本EM、我國的光合細(xì)菌(PSB)、硝化細(xì)菌等，并取得了一定的治理效果。）——地表水污染的生物修復(fù)技術(shù)1.地下水重金屬污染的生物修復(fù)礦產(chǎn)資源的開發(fā)、加工和使用過程中產(chǎn)生的各種各樣重金屬污染,而地下水由于其隱蔽性和難以恢復(fù)性,切斷污染源后,僅靠自身的自然凈化需長達(dá)十年、幾十年、甚至上百年的時間。生物修復(fù)技術(shù)具有可現(xiàn)場進行,投資少,運行費用低,無二次污染,最終產(chǎn)物少等特點,應(yīng)是地下水修復(fù)工程的主要修復(fù)技術(shù)。生物法處理含重金屬地下水是依據(jù)獲得的高效功能菌對重金屬離子有靜電吸附作用、絡(luò)合作用、絮凝作用和共沉淀作用,使得重金屬離子被沉積,經(jīng)固液分離,廢水被凈化地下水污染的生物修復(fù)技術(shù)2.地下水硝酸性氮污染的生物處理技術(shù)脫氮菌一般是兼性厭氧性細(xì)菌,溶解氧存在的情況下用溶解氧進行呼吸,可是在氧不存在,硝酸性氮和亞硝酸性氮存在條件下,利用它們結(jié)合氧進行呼吸。生物學(xué)的脫氮反應(yīng)一般不把細(xì)胞合成考慮進化學(xué)計量式。2NO3-+10H+-----N2+4H2O+2OH-(1)根據(jù)氫供給體是否利用有機物,生物脫氮技術(shù)可分為異養(yǎng)型脫氮法和自養(yǎng)型脫氮法地下水污染的生物修復(fù)技術(shù)（1）異養(yǎng)型脫氮法在廢水處理中,氫供體通常使用甲醇,由于其毒性,控制使用的場合很多。當(dāng)然也不能把廢水作為氫供體使用。地下水中的硝酸性氮的去除時,從安全性和成本方面考慮使用乙醇和醋酸較多,乙醇作為氫供體場脫氮反應(yīng)可以表示成式(2)的化學(xué)計量式:5C5H5OH+12NO3-→6N2+10CO2+9H2O+12OH-(2)2.地下水硝酸性氮污染的生物處理技術(shù)地下水污染的生物修復(fù)技術(shù)（2）自養(yǎng)型脫氮法脫氮菌中也有能用氫氣、還原態(tài)硫化合物和二氧化碳等無機物作為氫供體的自養(yǎng)型細(xì)菌,這些都可應(yīng)用于地下水硝酸性氮去除,一般情況下自養(yǎng)型細(xì)菌增長率低,增長速度慢,菌的增長量少,剩余污泥的產(chǎn)生量低。把氫氣用作氫供給體的情況下的脫氮反應(yīng),(3)式的化學(xué)計量式表示:2NO3-+5H2→N2+4H2O+2OH-(3)2.地下水硝酸性氮污染的生物處理技術(shù)地下水污染的生物修復(fù)技術(shù)3.地下水石油烴污染的生物修復(fù)來源：石油開采過程中試油，洗井，油井大修，堵水，送泵，下泵等井下作業(yè)和油氣集輸。油箱或其他運輸工具的滲漏以及地下儲油灌的泄露。都會造成油類經(jīng)包氣帶土層進入地下水中，危害地下水資源。最常見的石油烴為苯系物（BTEX），即苯，甲苯，乙苯，二甲苯的混合物。其中苯和甲苯是致癌物質(zhì)。修復(fù)的現(xiàn)狀：由于地下水所處地理環(huán)