地下水污染的生物修复技术

环境微生物学第十章污染环境的生物修复第一节概述

生物修复(Bioremediation)

一、生物修复概念广义的生物修复通常是指利用各种生物（包括微生物，动物和植物）的特性，吸收、降解、转化环境中的污染物，使受污染的环境得到改善的治理技术，一般分为植物修复、动物修复和微生物修复三种类型。狭义的生物修复通常是指在自然或人工控制的条件下，利用特定的微生物降解、清除环境中污染物的技术。生物恢复是指向污染场地添加营养物和氧,利用土著微生物分解有害物质的生物修复过程.生态恢复是指修复被人类损害的原生态系统的多样性及其动态的过程.生物修复技术的分类

原位生物修复（无需将受污染土壤挖走或将受污染地下水抽至地面）。异位生物修复（需将污染物质通过一定途径从现场运走在进行生物处理）。二、生物修复的原理与影响因素微生物植物用于生物修复的其他生物这些生物包括藻类、微型动物等。生物因素：用于生物修复的生物种类二、生物修复的原理与影响因素微生物生物转化矿化作用共代谢作用难降解有机污染物和重金属及其相应的降解转化微生物生物修复的原理与影响因素植物普通植物超积累植物植物修复生物修复的原理与影响因素非生物环境因素营养电子受体基质性质微生物生态关系植物根系第二节生物修复的类型

一、原位生物修复工艺：概念：直接向受污染部位提供氧气、微生物或营养物以降解污染物的生物修复工艺。特点：工艺路线和过程比较简单；对周围环境影响小、生态风险小；处理费用较低工艺种类：生物扩增菌株；培养法；生物通气；生物翻耕；植物修复植物修复植物修复的概念利用绿色植物清除环境中的污染物，使其去除降低或消失称作植物修复(phytore-mediation)(Raskin等.1994)。植物修复的主要对象是有毒重金属和有机污染物。植物固定(Phytostabilization)根系降解(Rhizodegradation)植物积累(Phytoaccumulation)植物降解(Phytodegradation)植物挥发(Phytovolatilization)植物修复的原理及作用方式

植物固定(Phytostabilization)

利用植物将有毒有害污染物如重金属聚集在根系地带,降低其活动性,阻止其向深层土壤或地下水中扩散,但并不为植物利用,即根系对污染物起固定作用。根系降解(Rhizodegradation)

植物中超过20%的营养成分如糖分、氨基酸、有机酸等都聚集在根部,因此会生长很多微生物,尤其在根表面向外1-3mm的地方,这些微生物是没有种植过植物的土壤的3-4倍。一些微生物可以同植物相结合促进重金属的降解,也可以矿化某些有机污染物如PAHs、PCBs。植物积累(Phytoaccumulation)

也称之为植物提取(phytoextraction),植物根系将土壤中重金属或有机污染物从污染的土壤中转移到植物的地上部分。一般指那些能累积超过叶子干重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多种这样的植物。植物降解(Phytodegradation)

植物的根、茎、叶吸收或降解污染物,主要是有机污染物如PAHs、TPHs、PCBs,无机污染物如氮氧化物、硫氧化物。判断这些污染物能否进入植物体内的指标是该物质在辛醇—水中的分配系数(logKOW)。logKOW在1-3.5之间的物质可以被植物吸收降解。植物挥发(Phytovolatilization)

某些易挥发污染物被植物吸收后从植物表面组织空隙中挥发。如桉树降解三氯乙烯(TCE)、甲基叔丁基醚(MTBE)，印度芥菜降解硒化合物；烟草挥发甲基汞。从植物茎叶挥发出的物质可能被空气中的活性羟基分解。如有毒的Hg2+经植物挥发后变成了低毒的Hg，高毒的硒变成了低毒的硒化物气体等。还有的植物通过叶表孔隙挥发水分的形式转移在水系中的污染物。如白杨、桉树、河香柏等树木具有很深的根系,每天可以蒸腾大量的水,将水中某些污染物转移至植物体内（挥发转移）。植物修复在空气污染中的应用植物在水环境污染中的应用植物在土壤污染中的应用植物修复在环境污染中的应用

植物修复在空气污染中的应用

氮氧化物NxOy是污染空气的一类主要化合物，NO2同O3在光照的条件下容易形成光化学烟雾，N2O是一种能引起温室效应的气体，它可以辐射传热,破坏同温层的O3。某些植物将氮氧化物转化为氨基酸或以其为氮源加以利用,利用这些植物去除空气中的氮氧化物无疑是环保节能的好方法。HiromichiMorikawa等人详细研究了NO2被217种高等植物、50种野生草本植物、60种人工培育的草本植物和107种木本植物吸收和还原为N2的情况，结果表明辛荑对NO2吸收最高，达12.7mg/g(干重)；菊科、桃金娘科、茄科和杨柳科有较高的还原N2的能力。植物在水环境污染中的应用（1）无机营养元素如氮、磷等去除利用水生植物去除由氮、磷等无机营养元素引起的水体富营养化问题已有大量研究。种植莲藕、水稻既可以去除氮、磷,又有很好的经济价值；被制成浮床的大椿草、水芹、水荣草、多花黑麦草等对去除水体中的氮、磷和抑制藻类滋生均有明显的作用。这些植物发达的根系及与根系共生或混生的微生物往往共同对水环境起着净化作用。（植物在水环境污染中的应用2）有机污染物如农药、杀虫剂、多环芳烃PAHs等去除

植物修复有机污染物的方式主要以植物固定、植物降解为主。水葫芦可以去除水体中的有机磷农药、染料、酚、多环芳烃、甲基对硫磷等有机污染物；浮萍、伊乐藻对杀虫剂DDT降解有明显的作用,金鱼藻、伊乐藻或浮萍可以显著降低地表水中异丙甲草胺浓度;长春花可用于修复受炸药TNT污染的地表水;龙葵能有效地降解PCBs。

紫花苜蓿,黑麦草,小蓝茎草已成功地用于土壤中PAHs的修复,在6个月内可以将PAHs总量降低57%；银合欢可以吸收和代谢二溴甲烷、三氯乙烯；转基因胡萝卜根须中聚集的苯酚浓度可达1000mmol/L，氯酚50mmol/L，在120h内可降解90%以上的苯酚类化合物,研究表明根须中的过氧化酶可以促进这些物质的代谢;植物还能降解杀虫剂和除草剂，桑科植物及蔷薇科植物的根系分泌物能促进PCB降解菌的生长。柳树、鹅掌揪、落羽松、掸木及栋属植物都能有效地降解除草剂灭草松。植物在水环境污染中的应用（3）重金属去除植物通过根系吸收、浓缩和沉淀水体中有毒有害重金属是非常具有吸引力的一种含重金属废水的处理方法,是目前研究的热点问题。用于修复水体污染物的植物大多是沉水和水面漂浮植物,其中如绿藻对Cd、Hg、Cu、Pb的去除率可达80%-90%;黑麦草对黄金废水不仅有很强的净化能力,而且也具有很高的富集功能,其根部的含金量最高可达784g/t(干重)。

植物种苗对水中重金属的去除作用比植物根的去除作用更强，利用植物种苗去除水中重金属被称为种苗过滤，是修复含重金属废水发展的新方向。渠荣遴等人研究了玉米、豌豆、蓖麻和向日葵等作物种苗对水体中Zn、Pb、Cu的去除作用，结果表明:蓖麻对Zn的积累最高，达30.0mg/g；向日葵对Pb的积累最高,达91.6mg/g；向日葵对Cu的积累最高,达24.3mg/g，其茎、叶中也有一定量的铜积累。

植物修复土壤中重金属污染主要是选用超富集植物通过根系吸收固定这些重金属,并转移到地面部分,可采用收割的方式去除土壤中重金属。宝山堇菜是一种Cd超富集植物,它不仅可以超量吸收Cd，而且可以从地下向地上部位有效输送。蜈蚣草不仅有较强的耐受和富集Sn的能力,同时也具有较强的耐Pb、Zn的能力,具有生长速度快和生物量大的特点,通过改善植物生长条件等措施可以大幅度提高其富集能力,是有潜力的Zn、Cd污染土壤的修复植物。总结——

优点：与传统的修复技术相比,植物修复是一种容易接受、成本低、技术要求低的修复方法,它可应用于空气、地表水、地下水、土壤中污染物的修复。植物修复技术可清除的污染物包括无机污染物如氮、磷、重金属等;有机污染物如农药、炸药、有机氯化物、杀虫剂、除草剂等。缺点：要求植株具有高的生物量；对污染物的耐受性要高;受植物根系分布的限制;受气候、土质等的影响;清除污染物所需的时间长;转基因技术的应用可能会造成潜在的环境污染等等。但随着各方面研究和实践的深入,它必将得到广泛推广与应用,并为环境保护和治理工作带来新的前景与希望第二节生物修复的类型

二、异位生物修复工艺：概念：将受污染的土壤、沉积物移离原地，在异地用生物的、工程的手段进行处理，使污染物降解而使受污染的土壤恢复带到原有功能的生物修复工艺。特点：工艺路线和过程比较简单；对周围环境影响小、生态风险小；处理费用较低工艺种类：泥浆反应器法；预制床法；堆制法；生物堆层法；第二节生物修复的类型

三、原位-异位联合生物修复：工艺种类：冲洗-生物反应器法；土壤通气-堆制法；第三节生物修复的应用

一、农药污染的生物修复二、石油污染的生物修复三、污染水体的生物修复水体污染的生物修复技术湖泊的生物修复技术：技术措施：投放微型浮游动物、细菌及其他生物营造高等水生植被体系；放养滤食性鱼类为主的水生动物；——地表水污染的生物修复技术水体污染的生物修复技术河流的生物修复技术：技术种类：向河流人工复氧（通过一定的增氧设备，增加水体中溶解氧，能加速河流水体和底泥微生物对污染物的分解，为水体中各种水生生物呼吸提供氧气，促进系统生物多样性。）；向河流投加人工培养的微生物（生物强化技术。在我国城市水环境治理中，应用的微生物制剂主要包括美国的Clear-Flo、CBS、日本EM、我国的光合细菌(PSB)、硝化细菌等，并取得了一定的治理效果。）——地表水污染的生物修复技术1.地下水重金属污染的生物修复矿产资源的开发、加工和使用过程中产生的各种各样重金属污染,而地下水由于其隐蔽性和难以恢复性,切断污染源后,仅靠自身的自然净化需长达十年、几十年、甚至上百年的时间。生物修复技术具有可现场进行,投资少,运行费用低,无二次污染,最终产物少等特点,应是地下水修复工程的主要修复技术。生物法处理含重金属地下水是依据获得的高效功能菌对重金属离子有静电吸附作用、络合作用、絮凝作用和共沉淀作用,使得重金属离子被沉积,经固液分离,废水被净化地下水污染的生物修复技术2.地下水硝酸性氮污染的生物处理技术脱氮菌一般是兼性厌氧性细菌,溶解氧存在的情况下用溶解氧进行呼吸,可是在氧不存在,硝酸性氮和亚硝酸性氮存在条件下,利用它们结合氧进行呼吸。生物学的脱氮反应一般不把细胞合成考虑进化学计量式。2NO3-+10H+-----N2+4H2O+2OH-(1)根据氢供给体是否利用有机物,生物脱氮技术可分为异养型脱氮法和自养型脱氮法地下水污染的生物修复技术（1）异养型脱氮法在废水处理中,氢供体通常使用甲醇,由于其毒性,控制使用的场合很多。当然也不能把废水作为氢供体使用。地下水中的硝酸性氮的去除时,从安全性和成本方面考虑使用乙醇和醋酸较多,乙醇作为氢供体场脱氮反应可以表示成式(2)的化学计量式:5C5H5OH+12NO3-→6N2+10CO2+9H2O+12OH-(2)2.地下水硝酸性氮污染的生物处理技术地下水污染的生物修复技术（2）自养型脱氮法脱氮菌中也有能用氢气、还原态硫化合物和二氧化碳等无机物作为氢供体的自养型细菌,这些都可应用于地下水硝酸性氮去除,一般情况下自养型细菌增长率低,增长速度慢,菌的增长量少,剩余污泥的产生量低。把氢气用作氢供给体的情况下的脱氮反应,(3)式的化学计量式表示:2NO3-+5H2→N2+4H2O+2OH-(3)2.地下水硝酸性氮污染的生物处理技术地下水污染的生物修复技术3.地下水石油烃污染的生物修复来源：石油开采过程中试油，洗井，油井大修，堵水，送泵，下泵等井下作业和油气集输。油箱或其他运输工具的渗漏以及地下储油灌的泄露。都会造成油类经包气带土层进入地下水中，危害地下水资源。最常见的石油烃为苯系物（BTEX），即苯，甲苯，乙苯，二甲苯的混合物。其中苯和甲苯是致癌物质。修复的现状：由于地下水所处地理环