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1、11.11.污染环境的生物修复污染环境的生物修复11.111.1 生物修复的概念及其原理生物修复的概念及其原理11.211.2 生物修复工程技术生物修复工程技术11.311.3 石油污染修复石油污染修复11.411.4 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vv生物修复生物修复生物修复生物修复（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
2、。的工程技术系统。vv生物修复的基本指导思想生物修复的基本指导思想生物修复的基本指导思想生物修复的基本指导思想净化速度缓慢净化速度缓慢净化速度缓慢净化速度缓慢由于三方由于三方由于三方由于三方面的原因面的原因面的原因面的原因生物修复技术系统中生物修复技术系统中生物修复技术系统中生物修复技术系统中添加氮、磷等营养盐添加氮、磷等营养盐添加氮、磷等营养盐添加氮、磷等营养盐接种、驯化高效菌接种、驯化高效菌接种、驯化高效菌接种、驯化高效菌自然条件下自然条件下自然条件下自然条件下DODO不足不足不足不足营养盐缺乏营养盐缺乏营养盐缺乏营养盐缺乏高效菌生长缓慢高效菌生长缓慢高效菌生长缓慢高效菌生长缓慢供氧供氧供
3、氧供氧快速去除污染物快速去除污染物快速去除污染物快速去除污染物v生物修复技术的特点生物修复技术的特点生物修复技术的特点生物修复技术的特点优点：优点：投资费用省，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，
4、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1.1.环境污染的微生物修复环境污染的微生物修复环境污染的微生物修复环境污染的微生物修复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v（1 1 1 1）微生物修复的生物类型）微生物修复的生物类型）微生物修复的生物类型）微生物
5、修复的生物类型土著微生物：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）vv（2 2 2 2）微生物修复的影响因素）微生物修复的影响因素）微生物修复的影响因素）微生物修复的影响因素营养盐：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：可通过对土壤可通过对土壤鼓气鼓气或添加或添加产氧剂产氧剂的方式来提供的方式来提供DODO作为有作为有机物降解的电子受体；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
6、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2.2.2.2.环境污染的植物修复环境污染的植物修复环境污染的植物修复环境污染的植物修复vv（1 1）植物修复的特点）植物修复的特点）植物修复的特点）植物修复的特点 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
7、的植物植物不吸收或少吸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生大量吸收金属的同时正常生长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（2）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
8、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。v（3 3）植物在土
9、壤修复中的应用）植物在土壤修复中的应用）植物在土壤修复中的应用）植物在土壤修复中的应用 土壤修复土壤修复土壤修复土壤修复环境中金属污染的去除：环境中金属污染的去除：场外修复：先将土壤挖掘、转移，再去除场外修复：先将土壤挖掘、转移，再去除金属离子；金属离子；植物修复特点：生物量大，从而吸收量大，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。同时易于进行后处理。土壤修复土壤修复土壤修复土壤修复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
10、区的矿化作用 土壤修复土壤修复土壤修复土壤修复环境中放射性核素的去除：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。第二节
11、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v数据调查数据调查数据调查数据调查v技术查询技术查询技术查询技术查询v选择技术路线选择技术路线选择技术路线选择技术路线v可处理性试验可处理性试验可处理性试验可处理性试验v实际工程设计实际工程设计实际工程设计实际工程设计二、二、地表水生物修复技术地表水生物修复技术v微生物修复微生物修复微生物修复微生物修复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；机搅拌混合等法
12、；v大型水生植物对水体的净化大型水生植物对水体的净化大型水生植物对水体的净化大型水生植物对水体的净化集中式生物系统(CBS)水体生物修复CBS(CentralBiologicalSystem)集中式生物系，为美国CBS公司的科学家开发研制，是在无固定设备且完全自然状态下，在流动的水体中，用喷洒微生物的方法把被污染河道水体中有机物转化为无机物的全过程。CBS系统是一个良性循环的微生物生态系统。含有多个属，几十种具备各种功能的微生物，主要包括光合菌、乳酸菌、放线菌、酵母菌等构成了功能强大的菌团。作用原理(1)解决有机污染及水体富营养化CBS生物制品投入水体后，能有效地唤醒水体中原有有益微生物，并使
13、其大量地繁殖，尽而分解水中的有机污染物，促进氮的反硝化作用，加速磷的无害化，并锁定水体中重金属元素，从而解决水体污染和富营化问题。(2)使水体除臭去黑水资源的污染和恶化还表现在水质的变黑发臭上。如何根除恶臭已成为环保领域的重大研究课题。在发黑发臭的水体中投入CBS生物制剂后会很快得到除臭去黑的效果，没有残留和二次污染。(3)硝化底泥水体水质的严重恶化除了富营养化之外，在通常情况下还与水体淤泥迅速和大量的累积紧密相关。这种淤泥通常转为水体污染的内源，如何有效地解决淤泥，是中外科技人员非常关心的大事。CBS系统系利用向河道中喷洒的生物菌团使淤泥脱水，让水和淤泥分离，然后再消灭有机污染物，达到硝化底
14、泥、净化水资源的目的。案例太湖水污染治理科技专项“驯化食藻虫引导太湖水下生态修复示范”项目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。案例昆明修复滇池湖滨带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。在滇池外海环湖公路以内，科学规划建设环湖亲水型生态林地与生态湿地；在环湖公路以外，采用抗污染植被，保护和建设生态林带。一期：年月实施了东风坝及老干鱼塘综合整治一期退塘
15、还湖工程，让平方公里的水域重见天日。二期生态恢复工程：恢复了挺水、沉水、浮叶等15种大型水生植物1444亩；抽取湖心底泥，造滩120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。效果：水域透明度上升了56-52.2。案例胶莱两湾和黄河三角洲地区的湿地恢复采取治疏并举的方法改善生态环境。利用生物修复技术，进行芦苇人工湿地芦苇人工湿地控制污染，净化水质。通过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。三、土壤生物修复技术三、土壤生物修复技术vv原位处理原位处理原位处理原位处理特点：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
16、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：土地处理土地处理 高等植物分解有机物的生物修复技术高等植物分解有机物的生物修复技术 通风生物修复法通风生物修复法-微生物微生物 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
17、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u堆肥：堆肥：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。u挖掘堆置处理挖掘堆置处理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。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，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。v反应器处理反应器处理将受污染的土壤挖掘起来，和水混合后，在接种了
18、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：类似于污水生物处理，处理速度较特点：类似于污水生物处理，处理速度较快，但工程复杂，费用较高。快，但工程复杂，费用较高。2000年1月8日，湖南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。案例1:砷污染土壤修复示范工程2001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，每年去除土壤砷的效率为10%
19、左右。增施磷肥可协同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。蜈蚣草地上部与根的含砷比率为5：1，具有超常的从土壤中吸收富集砷的能力，收割的蜈蚣草通过砷的固定剂安全焚烧。四、地下水生物修复工程技术四、地下水生物修复工程技术vv原位处理原位处理原位处理原位处理特点：与土壤原位处理基本相同。特点：与土壤原位处理基本相同。vv物理拦阻物理拦阻物理拦阻物理拦阻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。vv地上处理地上处理地上处理地上处理又称抽取处理技术，将受污染的地下水从地下又称抽取处
20、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)。2.地上处理法区域地下水受到污染后，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
21、区经土壤淋溶后返回地下水层效果：效率较低，应用较少。（2）环境因素对烃氧化微生物的影响碳氢化合物种类碳氢化合物种类烃类化合物的溶解度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不同微生物种群对原油的降解能力不同温度及压力温度及压力 温度升高分解速率加快，压力加大分解速率减慢溶解氧溶解氧 烃类化合物的降解主要在好氧条件下完成营养盐营养盐添加氮、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。效果：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
22、可以基本得到清除，治理时间可由自然的1020年缩短为23年。（3）采取的措施）采取的措施六、重金属污染生物修复技术六、重金属污染生物修复技术1.生物吸附原理2.生物吸附剂3.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2、生物吸附的影响因素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。温度离子强度与竞争吸附体现在竞争吸附效应上。植物固定4、重金属污染的植物修复植物挥发：只适用于挥发性污染物（汞、硒等），应用范围很小，并且有污染物转移风险，应用受到限制。植物吸收能用于植物修复的最好的植物应具有以下几个特性：即使在污染物浓度较低时也有较高的积累速率；能在体内积累高浓度的污染物；能同时积累几种金属；生长快，生物量大；具有抗虫抗病能力。