绪论污染环境生物修复工程

主讲:杨志敏,污染环境生物修复工程,工业“三废”污染农地面积1000万hm2，“三废”污染减产粮食120亿kg,农用化学品污染农地面积约870万hm2，使粮食每年减产100亿kg,农田污灌面积已达130多万hm2，每年灌水污染减产粮食12.5亿kg,全国受污染耕地面积2000万hm2，约占耕地总面积的1/6.,污染控制途径,产前控制产中控制产后控制,更新技术,改进工艺,减少污染产生的总量-清洁生产。,污染物集中处理-达标排放。,对进入环境中的污染物进行处理、修复受损环境。,污染环境的修复技术包括物理方法、化学方法和生物方法三大类。（其中生物方法已成为环境保护技术的重要组成部分。本门课程主要研讨生物方法对污染环境的修复）。,对已经被广泛污染的大面积环境，采用废水及垃圾处理的方法是不可修复的。那么我们人类对此就无能为力了吗？近年来，各国科学家已经成功的研究开发出可用于治理被大面积污染环境的生物技术，这就是生物修复技术。在大面积污染治理领域，被普遍认为是最有效、最经济、最具有生态性的高新环境技术。,生物修复技术:指一切以利用生物为主体的环境污染的治理技术。它包括利用植物、动物和微生物吸收、降解、转化环境中的污染物，使污染物的浓度降低到可接受的水平，或将有毒有害的污染物转化为无害的物质，也包括将污染物稳定化，以减少其向周边环境的扩散。,第一章绪论,第一章绪论,教学目的：掌握生物修复的概念和类型、生物修复的原则和可处理试验，了解生物修复工程设计的一般程序。,第一章绪论,教学重点和难点：生物修复的概念生物修复的类型生物修复的特点生物修复的可处理试验生物修复的原则生物修复的可处理试验生物修复工程设计程序,第一章绪论,污染环境生物修复的概念,机,生物修复的类型,生物修复的产生与发展,生物修复的可处理试验,生物修复的应用,生物修复的特点,一、生物修复的产生与发展,30多年的历史1972年，美国Ambler清除管线泄漏的汽油（首次记录）1989年，美国阿拉斯加海滩污染后生物修复成功，是修复史上的里程碑（首次大规模应用）美国从1991年开始实施超基金项目superfundprograms整个欧洲从事生物修复工程技术的研究机构和商业公司大约有近百个。,二、污染环境生物修复的概念,指人类直接或间接地向环境排放超过其自净能力的物质或能量，从而使环境的质量降低，对人类的生存与发展、生态系统和财产造成不利影响的现象。,（一）环境污染,（二）环境修复,借助外界作用力使某个受损的特定对象部分地或全部恢复到原初状态的过程，修复包括恢复、重建、改建等三个方面的活动。,环境修复,指对被污染的环境采取物理、化学与生物学技术措施，使存在于环境中的污染物质浓度减少，或毒性降低或完全无害化。,修复（remediation）,（二）环境修复,恢复（restoration）：将使部分受损的对象向原初状态发生改变重建（reconstruction）：使完全丧失功能的对象恢复至原初水平改建（renewal）：部分受损的对象进行改善，增加人类所期望的“人造”特点，减小人类不希望的自然特点三者间关系（图一）,第四状态,原初状态,完全受损状态,部分受损状态,重建,改建,恢复,恢复、重建、改建之间的关系,环境修复强调人类有意识的外源活动对污染物质或能量的清除过程，是一种人为的、主动的过程。,环境净化强调的是环境中内源因子对污染物质或能量的清除过程，是一种自然的、被动的过程。,区别环境修复与环境净化,共同点,目的都是使进入环境中的污染因子的总量减少，或强度降低，或毒性下降。,（三）生物修复（bioremediation）：,广义的生物修复：指利用生物的生命代谢活动，减少存于环境中有毒有害物质的浓度或使其完全无害化，使污染了的环境能够部分地或完全的恢复到原初状态的过程包括微生物修复、植物修复、动物修复和细胞游离酶生物修复四大主要类型。狭义的生物修复：是指通过微生物的作用清除环境中的污染物，或是使污染物无害化的过程。它包括自然的和人为控制条件下的污染物降解或无害化过程。,三、生物修复的类型,生物修复可根据修复主体、修复受体和修复场所等进行分类。,（一）修复主体,修复主体,微生物修复,植物修复,动物修复,生态修复,（一）修复主体,修复主体,土著生物修复,外源生物强化修复,修复受体,（环境要素）,污染大气生物修复,污染水体生物修复,污染土壤生物修复,固体废弃物生物修复,（二）修复受体,修复场所,原位生物修复,联合生物修复,异位生物修复,原位自然生物修复,原位工程生物修复,（三）修复场所,四、生物修复的特点,优点1、可以现场进行，节省治理费用2、环境影响小3、最大限度地降低污染物的浓度4、适用于其它技术难以使用的场地，5、可以同时处理受污染的土壤和地下水,局限性1、耗时长2、条件苛刻3、污染物的低生物有效性、难利用性及难降解性等常常使生物修复不能进行4、工程前期投入高5、有的化学物质经降解后的毒性、移动性更强,特点,五、应用实例生物修复“苏州河底泥”,河道污染，底泥是个难以解决的大问题。采用清淤办法捞起底泥所造成的二次污染更是令人头疼。冯坤范对苏州河生物修复的原理是利用改变菌的电子受体和它的营养源，让它成为复合菌群。但是投入放线菌本身会不会形成新的污染？不会！因为它是吃掉有机污染之后就无物可吃了，自己也就消亡了。人类在治理环境时手段非常重要，必须考虑到它可能会给子孙后代造成后遗症。采用生物修复技术治理河流底泥，这在全国范围内还是首创。,美国一块2.8hm2的土地，堆放石油废弃物已有多年，以致于土壤中含有10种金属和20多种有机物（大多具有挥发性）。经原位生物修复后，土壤中总挥发性有机物浓度从3400mg/L降为150mg/L，苯从300mg/L降为12mg/L，氯乙烯从600mg/L降为17mg/L。整个生物修复工程耗资0.47亿$，若采用其它技术，估计需耗资0.631.67亿$。,应用前景,具有低耗、高效和环境安全的特色和优点，必将成为本世纪初环境技术的主攻方向之一。作为环境科学研究中一个富有挑战性的前沿领域，目前已进入一个相当活跃的时期。,生物修复并不是万能的，它必须在一定的原则下，经过可处理试验，确定生物修复设计工艺参数。,六、生物修复的可处理试验,1、生物修复的原则,适合的生物（主体）先决条件,适合的场所（受体）污染物和合适的生物相接触的地点,适合的环境条件控制或改变环境条件使生物的代谢与生长活动处于最佳状态环境因子包括溶解氧、温度、pH值、无机养分（氮、磷）、电子受体（氧气、硝酸盐、硫酸盐、二氧化碳）等。,2、生物修复的可处理试验,5、确定生物修复效果所需的监测手段。,（1）、可处理试验的目的,1、提供污染物在生物修复过程中的行为和归宿的数据,2、评价生物修复所能达到的速度和程度:对任何系统,最重要的问题是确定能达到的处理水平和耗时长短,3、评估生物修复技术的可行性和局限性,4、评价污染物被修复后所带来的二次污染问题,反应器试验,（2）、可处理性试验方法,土壤灭菌试验,土壤柱试验,摇瓶试验,现场小区试验,土壤灭菌试验,选取有代表性土壤经混匀后分装于容器中。容器分为两组，一组经高温灭菌或适当药剂处理以杀灭其中微生物，另一组不灭菌。分别施入同量的目标污染物，置于空气中培养。在一个时期内，定期监测两组土壤中该污染物的消失情况，最后判定是否为可生物降解性物质及其降解速率。如试验周期长于7d，需补充无菌水以利土壤微生物的活动。,土壤柱试验,一般以拟修复的污染土壤类型及耕作层深度，并按相应的疏松程度（容重）装成土柱。土柱内径至少5cm以上。加氧（强制通气或用双氧水）。,摇瓶试验,在三角瓶中配制以该污染物为主要碳源的培养液，另补加适当的N、P、S、生长素等其它营养物质，调节pH值（必要时可调至中性微碱及微酸性两种培养液以分别适应细菌与真菌的需要）。设不接种微生物的处理组作为对照，接种的微生物可以是一种或多种，也可接种经驯化的活性污泥，在不同的通气条件与温度条件下进行培养。在一个阶段内定时连续监测各三角瓶内培养液的变化。,反应器试验,生物转化：在生物酶的作用下使污染物的形态、结构发生微小的改变，使污染物毒性加强或减弱。生物降解：在生物酶的作用下经过一系列生化反应转化为简单化合物的现象。矿化：终极生物降解。指有机污染物降解为CO2和水的过程。,现场小区试验,在处理现场的一部分区域，从1几百平方米，用木板隔开，深度24米。,3、生物修复工程设计,生物修复是一项系统工程，它需要依靠工程学、环境学、生物学、生态学、微生物学、地质学、土壤学、水文学、化学等多学科的合作，为了确定生物修复技术是否适用于某一受污染环境和某种污染物，需要进行生物修复的工程设计。,生物修复工程设计要素：,生物修复工程设计,场地信息收集,技术查询,技术路线选择,可处理性试验,修复效果评价,实际工程设计,小试,中试,场地信息收集,（1）污染物的种类和化学性质、在土壤中的分布和浓度、受污染的时间。（2）当地正常情况下和受污染后微生物的种类、数量和活性以及在土壤中的分布，分离鉴定微生物的属种，检测微生物的代谢活性，从而确定该地是否存在适于完成生物修复的微生物种群。（3）土壤特征，如温度、孔隙度、渗透