污染土壤的生物修复技术分析ppt课件.ppt

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1、,7.4污染土壤生物修复,污染土壤生物修复的概念和分类,污染土壤生物修复的概念污染土壤生物修复:生物修复技术是在生物降解的基础上发展起来的一种新兴的清洁技术，它是传统的生物处理方法的发展。是利用生物（包括动物、植物和微生物），通过人为调控，将土壤中有毒有害污染物吸收、分解或转化为无害物质的过程。,土壤生物修复的特点,污染土壤生物修复技术的特点:与物理、化学修复污染土壤技术相比，它具有成本低，不破坏植物生长所需要的土壤环境，环境安全，无二次污染，处理效果好，操作简单、费用低廉等特点，是一种新型的环境友好替代技术。,7.4.1 生物修复过程的评价,以充分的证据来表明微生物是减少污染物浓度的主体，是

2、生物修复的重要一环。这些评价方法可为法规制定者和提供生物修复服务的商家提供一种手段，来证明其所提出的或正在进行的原位生物修复项目的真实性。研究者可以利用这一方法评价现场试验的结果。,生物修复过程的评价方法,一般地说，污染土壤生物修复的评价方法应包括以下3个方面的内容：记录生物修复过程中污染物的减少；以试验结果表明现场污染环境中的微生物具有转化污染物的能力；用一个或多个例证表明试验条件下被证明的生物降解潜力在污染场地条件下是否仍然存在。,现场生物修复的监测,在试验条件下被证明的生物降解潜力是否在场地条件下仍然存在比较困难，因为试验条件往往比现场条件优越。有两种技术用于现场生物修复的监测，即样品测

3、定和试验运行。但模型法更有助于对污染物归宿的进一步理解。更为详细的试验方案取决于多组因素，如污染物、场地地质特征以及评价要求的严格水平等，因此需进一步工作。,现场生物修复的监测,7.4.1.1 样品测定,1、选择对照点进行采样分析，以此作为生物修复技术评价的参照点。对照点选择的标准是：具有与处理点类似的水力地质条件特征；未受污染或不受生物修复系统影响的地带。2、以生物修复系统开始运行前样品的分析结果作为对照，以此作为生物修复技术修复效果评价的参照值。然后，将生物修复过程各个时段采集样品的分析结果与运行前的结果作比较，来考察系统运行的动态状况。此方法只适合于工程生物修复系统,7.4.1.2 细菌

4、总数,细菌种群测定的第一步是采样。原则上，最好的样品包括团体基质(土壤和支撑地下水的岩石)及与之相连的孔隙水 。细菌种群测定的第二步是细菌总数分析。 a.微生物直接计数法 微生物直接计数法是一种传统技术，是通过用普通显微镜观察样品进行细菌计数。 b.INT活性试验法 INT活性试验法可以通过鉴定电子迁移中的细菌活性的方法增强直接的显微镜计数。,c.平板计数法 平板计数法也是一种细菌计数的方法。这种方法可以定量计数组固定在固体介质(如营养基质)上的细菌。 d.MPN技术 MPN(most-probabale-number)技术也取决于介质中细菌的生长状况。细菌计数是以统计学方法完成的 e.脱氧聚

5、核苷酸探针 采用现代生物化学和分子生物学方法，使现场样品细菌计数与鉴定更为精确。 f.脂肪酸分析 脂肪酸分析是另一种细菌鉴定技术。这种技术利用存在于细胞膜中的脂肪酸特征进行细菌鉴定。,7.4.1.3 原生动物数,原生动物捕食细菌，所以原生动物数量的增加表明细菌总数的增加。因此，原生动物种群数量增长所伴随的污染物量的减少这一结果可为生物修复提供有效佐证。,7.4.1.4 细菌活性率,细菌活性增加通常表明生物修复正在进行，细菌活性是一个关键信号。对生物修复成功判定的一个重要指标是潜在生物转化率。当潜在生物转化率足够大时，表明系统能迅速去除污染物或防止污染物的迁移。细菌活性越大，说明潜在生物转化率越

6、高，这一结果可为生物修复的成功运行提供证据。,7.4.1.5 细菌的适应性,污染点的细菌经过一段时间驯化后，能产生代谢污染物的能力，其结果是使原本在溢漏时不能够转化的或转化非常低的污染物被代谢降解。这一特性被称为代谢适应性，它为现场的污染生物修复提供了可能。适应性可以导致能够代谢污染物的细菌总数增加，或个体细菌遗传性或生理特性发生改变。,7.4.1.6 无机碳浓度,降解有机污染物时，除了需要更多微生物外，在降解过程中细菌会产生无机碳，通常为气态二氧化碳、溶解态二氧化碳或HCO3-。因此，当样品中含有丰富的水和无机碳气体时表明系统存在生物降解活性。气态二氧化碳浓度可以用气相色谱法检测，水样中的二

7、氧化碳可进行无机碳分析。,7.4.2 污染土壤的异位修复技术,异位微生物修复是将受污染的土壤、沉积物移离原地，在异地利用特异性微生物和工程技术手段进行处理，最终污染物被降解，使受污染的土壤恢复原有的功能的过程。主要的工艺类型包括土地填埋、生物农耕、预备床、堆腐和泥浆生物反应器。,污染土壤的异位修复技术,7.4.2.2 土地填埋,土地填埋:将废物作为一种泥浆，将污泥施入土壤，通过施肥、灌溉、添加石灰等方式调节土壤的营养、湿度和pH，保持污染物在土壤上层的好氧降解。用于降解过程的微生物通常是土著土壤微生物群系。为了提高降解能力, 亦可加入特效微生物, 以改进土壤生物修复的效率。,7.4.2.2 土

8、壤耕作,土壤耕作属于好氧生物降解处理，使用土壤为微生物生长基质，为加速微生物的降解需要人为促进通风（翻耕、加蓬松剂）、加入营养液（化肥、粪肥）、调节pH（加入石灰、明矾、磷酸）等手段加以调控。,可应用土壤耕作处理的污染物,7.4.2.3 预备床,预备床就是将受污染的土壤从污染地区挖掘起来进行异地处理，防止污染物向地下水或更广大地域扩散。这种方法的技术特点是需要很大的工程，即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)预备床上堆放，形成上升的斜坡，并在此进行生物恢复的处理，处理过程中通过施肥、灌溉、控制pH等方式保持对污染物的最佳降解状态，有时也加入一些微生物和表面活性剂，处

9、理后的土壤再运回原地,处理床挖掘堆置法,预备床的设计应满足处理高效和避免污染物外溢的要求，通常具有淋滤液收集系统和外溢控制系统，从系统中渗流出来的水要收集起来，重新喷散或另外处理。,预备床技术的优点,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。但用在挖土方和运输方面的费用显著高于原位处理方法，另外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点的土壤生态结构。,7.4.2.4 堆腐法,堆腐修复工艺就是利用传统的积肥方法，堆积污染土壤，将污染土壤与有机物(施加一定数量的稻草、麦秸、碎木片和树皮等)、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

10、污染物。可以通过翻耕和增加土壤透气性和改善土壤结构，同时控制湿度、pH和养分，促进污染物分解。,堆腐法,条形堆 :将污染土壤或污泥与疏松剂混合后，用机械压成条通过对流空 气运动供氧，每天翻耕保持微生物的好氧状态,静态堆: 通过布置在堆下的通风管，通过鼓风机强制性通气保持微生物的好 氧状态，静态堆一般为6m高，封闭操作可控制水分和尘土飞扬,反应器堆 :使用先进的传送和混合设备传送污染土壤及促进通气，该系统以最佳控制气流，但最小空间，但是欠灵活性，设备的维护也较为复杂和昂贵,静态堆示意图,静态堆,7.4.2.5 泥浆生物反应器,泥浆生物反应器是用于处理污染土壤的特殊反应器, 可建在污染现场或异地处

11、理场地。污染土壤用水调成泥浆, 装入生物反应器内, 通过控制一些重要的微生物降解条件, 提高处理效果。驯化的微生物种群通常从前一批处理中引入到下一批新泥浆。处理结束后通过水分离器脱除泥浆水分并循环再用。泥浆生物反应器模型:,泥浆生物反应器修复过程流程图,该方法采用批式运行，在第一单元中混合土壤、水、营养、菌种、表面活性剂等物质，最终形成含540的泥水混合相，然后进入第二单元进行初步处理，完成大部分的生物降解，最后在第三单元中进行深度处理。,7.4.3 污染土壤的原位修复技术,原位处理法:污染土壤不经搅动、在原位和易残留部位之间进行原位处理。最常用的原位处理方式是进入土壤饱和带污染物的生物降解。

12、可采取添加营养物、供氧(加H2O2)和接种特异工程菌等措施提高土壤的生物降解能力，亦可把地下水抽至地表, 进行生物处理后，再注入土壤中，以再循环的方式改良土壤。 特点:该法适用于渗透性好的不饱和土壤的生物修复。在处理污染的过程中土壤的结构基本不受破坏，对周围环境影响小，生态风险小；工艺路线和处理过程相对简单，不需要复杂的设备，处理费用较低；但是整个处理过程难于控制。,污染土壤的原位修复技术,7.4.3.1 生物强化法,生物强化(enhancedbioremediahon)是基于改变生物降解中微生物的活性和强度而设计的。它可分为培养土著菌的生物培养法和引进外来菌的投菌法。,培养土著菌的生物培养法

13、,选用土著菌的理由:其原因一方面是出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使用受到较严格的限制。 生物培养法是定期向土壤投加H2O2和营养，以满足污染环境中已经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。,引进外来菌的投菌法,投菌法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氧源（多为H2O2）和营养。以满足降解菌的需要, 以便使土壤微生物通过代谢将污染物彻底矿化成CO2和H2O。,应用进展,Ellis等在斯德歌尔摩中部的一个废弃的木材防腐油生产区，对高浓度低分子量多环芳烃和

14、高分子量的多环芳烃污染进行就地投菌处理。污染土壤经过4个月处理，所有多环芳烃的降解都很明显 至1993年美国共有159个污染地点已经或正在或准备使用生物修复技术进行现场修复治理，对其中的124个地点使用的生物修复技术作了分类其中96处(77)使用的是土著微生物，17处(14)是采用添加微生物的方式，另外11处(9)是两种方式共用。,7.4.3.2 生物通风法,生物通风工艺是种强化污染物生物降解的修复工艺。一般是在受污染的土壤中至少打两口并，安装鼓风机和真空泵，将新鲜空气强行排人土壤中，然后再抽出，土壤中的挥发性毒物也随之去除。,生物通风系统示意图,有机污染物生物通风法修复适宜性评价,生物通风法

15、系统去污示意图,Crow等在汽油泄漏处实地做了一组土壤通风去污实验(如图)，研究了空气流速对汽油蒸气去除速率的影响,应用进展,德克萨斯研究院首先通过实地调查，说明土壤通风去污技术是高效去污技术，所需成本不到土壤挖掘法、清洗法的十分之一，速度却是他们的五倍以上。该技术只需在真空吸抽系统上装上净化设备就不会造成二次污染。Agrelot等用该技术尝试性地清除CCl4地下贮罐泄漏污染,7.4.3.3 泵出生物法,泵出生物法工艺主要用于修复受污染地下水和由此引起的土壤污染，需在受污染的区域钻井，井分为两组，一组是注入井用来将接种的微生物、水、营养物和电子受体(如H2O2)等按一定比例混合后注入土壤中；另

16、一组是抽水井，通过向地面上抽取地下水造成地下水在地层中流动，促进微生物的分布和营养物质的运输，保持氧气供应,泵出生物系统示意图,应用进展,Keamfer（1993）用泵出生物工艺向被石油污染的土壤和地下水连续注入适量的N、P及NO3-及H2O2等电子受体，经过2天的运转后，对土壤和水中的样品进行微生物和化学分析随着实验时间的延长，采集到的样品中的菌量有所增加，分离到的细菌多于70种，其中大多数为烃降解细菌，石油烃的浓度有明显下降。Cutright等(1994)使用3种补充的营养液与Mycobacterium sp等菌种一起注入土壤中，已取得良好的效果。,7.4.3.4 其他,除了上述几种常用的

17、原微生物修复技术外还有生物搅拌、工程螺钻、慢速渗滤和农耕等技术生物搅拌是向土壤饱和部分注入空气，同时从土壤的不饱和部分通过抽真空的方法吸出空气 ，这样即向土壤提供了充足的氧气又加强了空气的流动性，可以为土壤微生物供氧，促进了其最大限度地降解。此方法能同时处理饱和土壤和地下水的污染。,工程螺钻法:用工程螺钻系统使表层污染土壤混合，并注入含有营养和氧气的溶液，来促进微生物以最大限度降解。慢速渗滤:通过在污染土壤区内布设垂直井网，将营养液、降解菌、修复剂和氧气等缓慢注入土壤表层，使之散布在污染区域的表面，经渗滤逐渐到达土壤中或与地下水混合，来促进微生物最大限度地降解污染物。农耕法:对污染土壤进行耕耙

18、处理, 在处理进程中施入肥料, 进行灌溉, 加入石灰, 从而尽可能地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能发生。,7.4.4 污染土壤的植物修复,植物修复技术:运用农业技术改善污染土壤对植物生长不利的化学和物理方面的限制条件，使之适于种植, 并通过种植优选的植物及其根际微生物直接或间接地吸收、挥发、分离或降解污染物，恢复和重建自然生态环境和植被景观，使之不再威胁人类的健康和生存环境。,污染土壤的植物修复过程示意图,水进入植物体，污染物被清除清洁土壤清洁地下水,根从土壤中吸收 水分和污染物 污染的土壤 地下水 污染的地下水

19、,污染土壤的植物修复,7.4.4.1 有机污染物的植物修复,植物修复,植物吸收:植物对有机物的吸收与有机物的相对亲脂性有关。在有机质很少的砂质土壤中, 利用根吸收和收获进行植物修复的计划证明了该技术是可行的。,植物降解:一些有机污染物能被植物或其根际微生物降解甚至矿化。植物的根和 茎 都有相当的代谢活性,典型的降解物质有多环芳烃,植物稳定:对于有机污染土壤来说，植物稳定修复在于通过植物的生长改变土壤的水流量，使残存的游离污染物与根结合，增加对污染物的多价螯合作用，从而防止污染土壤的风蚀和水蚀,7.4.4.2 无机污染物的植物修复,两种方式可供选择，即机械地将污染物移出土体和使污染物转变成一种无

20、生物活性的形态。移去的方式可以是通过去除生物量来实现, 对某些无机污染物也可通过将之气化挥发来实现。 目前关于无机污染土壤的植物修复主要集中于对重金属的污染修复,超富集植物提取修复技术,重金属污染土壤上大量地方性植物物种的发现促进了耐金属植物的研究，同时那些能够富集重全属的植物也相继被发现。有关的工程性的试验研究以及实地应用效果显示了植物修复技术商业化的巨大前景。 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株培育新的植物品种。,超富集植物研究的局限,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株培育新的植物品种。但是自然筛选主要存在以下问题：其一是超积累植物是在重金属胁迫环境下长

21、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；其二超积累植物多为野生型稀有植物，对生物气候条件的要求比较严格，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目前仍处于试验阶段，到实际应用还有定的距离。,普通富集植物的强化修复技术,强化修复技术: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技术土壤重金属污染植物修复的效率通常以单位面积、植物所能提取的重金属总量来表征。即： 植物提取总量重金属含量修复植物的生物量,强化植物修复的方法,7.4.4.3 技术应用,美国的植物修复应用实例,我国在植物修复领域取得的重大进展,中科院地理科学与资源研究所组织多家科研院所的60多名研究人员进行了863课题“重金属污染土壤的植物修复技术与示范”研究, 并已经通过科技部的组织验收 据熊建平等人的研究，苎麻是耐汞植物，在土壤汞含量为70mg/kg（环境背景值为0.39/mg/kg）时其产量不受影响。宋玉芳等选择苜蓿草和水稻为供试生物，通过盆栽实验，进行土壤中石油和多环芳烃的生物修复研究,The End !,