土壤和地下水生物修复

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1、1,土壤和地下水生物修复技术,第四章,2,4.1 土壤污染,土壤污染的概念,土壤污染直接的影响是土地生产力的下降；通过土壤-植物-动物-人体食物链的污染，危害人体健康、威胁人类生存；土壤污染还危害其他环境要素如水体，大气等。,土壤污染是指进入土壤中的有害、有毒物质超出土壤的自净能力，导致土壤的物理、化学和生物学性质发生改变，降低农作物的产量和质量，并危害人体健康的现象。,3,4,中国重金属污染耕地总计：2000万公顷 中国有机物污染农田总计：6000万公顷,据报道,5,国民经济和社会发展第十一个五年计划纲要决定从2006年起“开展全国土壤污染现状调查，综合治理土壤污染”。 2006年7月18日

2、，国家环保总局组织召开全国土壤污染状况调查视频会议，全国土壤污染状况调查7月18日在北京启动。 全国土壤现状调查及污染防治项目由环保总局和国土资源部共同承担，包括八个专题，总经费预算约为10亿元，将在除台湾省和港澳地区以外的各省、自治区、直辖市所辖全部陆地国土展开，计划在三年半左右的时间完成。,全国土壤污染状况调查,6,宁波市江东等五个蔬菜基地 土壤的重金属含量（mg/kg),7,宁波市部分蔬菜基地蔬菜重金属污染情况调查,8,温州市城郊兴通桥等六个蔬菜基地 土壤的重金属含量（mg/kg),9,温州市部分蔬菜基地蔬菜重金属污染情况调查,10,杭州市城郊转塘等十一个蔬菜基地 土壤的重金属含量（mg

3、/kg),11,人类活动向土壤施加有害物质，是加速土壤污染，引起土壤环境质量恶化加剧的主要原因。,土壤污染的原因,导致土壤污染人类活动：工农业生产、生活废弃物排放，如开矿、冶炼、化工生产、施肥等等。,土壤发生污染是由于进入土壤的污染物净积累。,土壤自净作用：指进入土壤的污染物，在土壤矿物质、有机质和土壤微生物的作用下，经过一系列的物理、化学及生物化学反应过程，降低其浓度或改变其形态，从而消除或降低污染物毒性的现象。,12,我国无公害蔬菜卫生指标(重金属),13,土壤污染的危害,造成减产、导致严重的直接经济损失 导致食物品质下降 通过食物链危害人体健康 导致其他环境（大气、地表水、地下水污染，生

4、态系统退化等）问题,14,土壤组成对污染物毒性的影响,一般认为，土壤中某污染物的水溶态或交换态有效浓度越大，其对生物的毒性较大，而专性吸附态、氧化物态或矿物固定态含量越高，则其毒性越小。,粘粒矿物,有机质,土壤生物,吸附作用,静电吸附和络合(螯合)作用,土壤组成,降低、消除土壤污染物的主要机制,（对有机污染物的）降解、转化作用,15,土壤性质对污染物毒性的影响,16,土壤污染的特点,隐蔽性和滞后性：土壤污染从产生污染到出现问题通常会滞后较长的时间。日本的“骨痛病” 累积性：污染物在土壤中不断积累，同时也使土壤污染具有很强的地域性。 不可逆转性：土壤重金属污染基本上是一个不可逆转的过程，许多有机

5、化学物质的污染也需要较长的时间才能降解。 治理难度大：土壤中的难降解污染物很难靠稀释作用和自净作用来消除。土壤污染一旦发生，仅仅依靠切断污染源的方法则往往很难恢复。治理污染土壤通常成本较高、治理周期较长。,17,控制和消除土壤污染源：,增加土壤容量，提高土壤净化能力,“预防为主，防治结合”,土壤污染的防治原则,实行污染总量控制，严格控制工业“三废”的排放量和排放浓度，合理施用肥料和使用农药等。,污染土壤的治理,对已污染的土壤，采取措施防治土壤中污染物的迁移转化，进入食物链。,18,污染土壤的治理方法,由于土壤污染多为复合污染，且修复难度大，应根据污染物的来源及污染实际情况采取相应措施进行治理。

6、 通常需要结合不同方法，开展污染土壤的综合治理。,污染土壤的治理可分为原位或异位物理/工程措施、化学措施、生物措施、农业措施及改变土地利用方式。,异位物理/化学措施所需时间较短，而且更能确定处理的一致性，但挖掘土壤常导致花费和工程量增大，因而不适宜于大面积的土壤治理。,19,1. 理化措施 客土深翻、施用石灰及其它化学试剂等。,重金属污染的土壤，通过施加改变重金属污染物在土壤中的迁移转化方向，常用的有石灰、磷酸盐、硅酸盐等。 施用石灰提高土壤pH，使Cd，Cu，Hg形成氢氧化物沉淀。,有机物（包括石油、农药、PAHs等）污染的土壤，采用化学治理方法如化学清洗法、光化学降解法和化学栅防治法等。,

7、理化治理方法的费用高，化学法对环境造成二次污染的风险性高。,20,2. 农艺措施,改变耕作制度（轮作、灌溉等），改变土壤环境，可消除某些污染物或减小污染物的活性； 合理施肥，降低土壤污染物活性； 严重污染的土壤，改种其他抗性、耐性、低积累型作物。,农艺措施的费用低，但治理效果有限。,21,利用生物转化或降解的方法来去除或消除有毒有害污染物，是改善环境质量最有效的方法。利用生物的吸收、富集、代谢等作用将污染物转化或降解为无害物质甚至有用物质，从而去除或消除环境污染的一种生物技术。也被称为生物清除、生物恢复。,包括微生物、植物修复及微生物-植物联合修复。,生物修复技术具有成本低、无继发污染、操作简

8、便，环境影响小, 维持自然生态，并能够提高土壤肥力，利于可持续发展等优越性。,22,4.2 土壤的生物修复,4.2.1 土壤原位生物修复,土地耕作法 土地耕作法（land farming）就是对污染土壤进行耕犁处理。在处理过程中施加肥料，进行灌溉，施加石灰，从而尽可能为微生物代谢污染物提供一个良好环境，使其有充足的营养、水分和适宜的pH 值，保证生物降解在土壤的各个层面上都能发生。,23,生物强化法 生物强化法是指在生物处理体系中投加具有特定功能的微生物来改善原有处理体系的处理效果，如对难降解有机物的去除等。投加的微生物可以来源于原来的处理体系，经过驯化、富集、筛选、培养达到一定数量后投加，也

9、可以是原来不存在的外源微生物。在生物强化技术的实际应用中这两种方法都有采用，这取决于原有处理体系中的微生物组成及所处的环境。,24,生物通气法（bioventing） 生物通气法（bioventing）是向土壤亚表层供给空气或O2，促进不饱和层中污染物生物降解的技术。这项技术只能用于不饱和层土壤。,25,生物通风技术：,生物通风原位处理方式示意图,26,植物修复（photoremediation） 植物修复（photoremediation）是直接或间接利用高等植物分解有机物的技术。修复过程可能包括植物对污染物质的吸收及植物根部及根部附件土壤中微生物对污染物的分解。,27,利用植物及其根际微生

10、物共存体系净化土壤中有机污染物。大部分植物根上都有菌根菌生长，菌根菌和植物共生具有独特的代谢途径，可代谢自生菌不能降解的有机物。,28,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。其费用与其他生物处理技术相比较低。但通常速率较低，需要时间较长。且对于吸附力较强或已经老化或处于螯合状态的有机物不宜用此技术。,植物修复的特点,29,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。 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1000mm

11、ol/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; 在黑麦与大豆轮作的地块上THP消失量显著高于无植被的地块；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。,30,生物冲淋法 生物冲淋法（bioflooding）将含氧和营养物的水补充到亚表层，促进土壤和地下水中的污染物的生物降解。生物冲淋法大多在各种石油烃类污染的治理中使用，改进后也能用于处理氯代脂肪烃溶剂，如加入甲烷和氧促进甲烷营养菌降解三氯乙烯和少量的氯乙烯。

12、氧可以用空气或纯氧经喷射供给，也可以加入过氧化氢，也可以供应硝酸盐、硫酸盐、三价铁盐等作为电子受体。,31,土地耕作,Composting,生物通风,强化堆置,一般混合处理,32,异位土地耕作 将污泥或污染土壤均匀撒到土地表面，然后用拖拉机作业使之与土壤混合，必要时加入营养物，以后不必每年都加。但是耕翻需要根据土壤的通气情况反复进行。,4.2.2 土壤异位生物修复,33,土壤堆积（soil piles/biopiles） 将含污染物的土壤挖掘处理，堆放在不透水的衬层上。在堆放的土壤中设置通气管道，通入空气或O2或抽真空以促进污染物的好氧降解。含有营养物质的液体施用于土壤表面，以促进微生物活性，

13、渗滤液被收集并循环于堆积土壤中。,34,堆肥法 堆肥法（composting）是处理固体废弃物的传统技术，被用于受石油、洗涤剂、多氯烃、农药等污染土壤的修复处理，取得了很好的处理效果。堆肥过程中，将受污染土壤与水（达到至少35%含水量）、营养物、泥炭、稻草和动物肥料混合后，使用机械或压气系统充氧，同时加石灰以调节pH。经过一段时间的发酵处理，大部分污染物被降解，标志着堆肥完成。经处理消除污染的土壤可返回原地或用于农业生产。堆肥法包括风道式堆肥处理、好气静态堆肥处理和机械堆肥处理。,35,生物反应器处理 生物反应器处理（bioreactor）是把污染物移到反应器中完成微生物的代谢过程。生物反应器

14、包括土壤泥浆生物反应器（soil slurry bioreactor）和预制床反应器（prepared bed reactor）。对污染土壤的修复而言，土壤泥浆生物反应器能起重要作用。,36,37,4.3 地下水污染的生物修复,4.3.1 地下水流动系统概述 在天然条件下，地下水在三维空间内从补给区向排泄区流动，地下水由大气降水获得补给，通过非饱和带渗入地下饱和带；地下水的补给也可以通过地表水体获得。饱和带的地下水以泉、溪流、湖泊、湿地和植物蒸发蒸腾等形式进行排泄。这样，地下水从补给区到排泄区的三维流动水体就组成了地下水流动系统（图1）。地下水流动系统的面积从几平方米到上万平方米不等，地下水径

15、流通道从几米到几百米不等。地下水流动系统的补给区和排泄区之间具有一定的水力联系。,38,39,生物注射法(biosparging),有机粘土法,抽提地下水系统和回注系统相结合法,生物反应器法,4.3.2 地下水污染的生物修复技术,40,1、 生物注射法,41,它是在传统气提技术的基础上加以改进形成的新技术。 它主要是将加压后的空气注射到污染地下水的下部,气流加速地下水和土壤中有机物的挥发和降解。 这种方法主要是抽提、通气并用,并通过增加及延长停留时间促进生物降解,提高修复效率。,生物注射法,42,局限性： 这项技术的使用会受到场所的限制,它只适用于土壤气提技术可行的场所。 生物注射法的效果亦受

16、到岩相学和土层学的影响,空气在进入非饱和带之前应尽可能远离粗孔层,避免影响污染区域。 另外它在处理粘土层方面效果不理想。,43,2、有机粘土法：利用人工合成的有机粘土有效去除有毒化合物,44,将抽提地下水系统和回注系统(注入空气或H2O2、营养物和已驯化的微生物)结合起来，促进有机污染物的生物降解。,3、抽提地下水系统和回注系统相结合法 ：,45,4、生物反应器法,46,这种处理方法包括4个步骤，自然形成一闭路环 ： (1)将污染地下水抽提至地面; (2)在地面生物反应器内对其进行好氧降解，生物反应器在运转过程中要补充营养物和氧气; (3)处理后的地下水通过渗灌系统回灌到土壤内; (4)在回灌过程中加入营养物和已驯化的微生物，并注入氧气，使生物降解过程在土壤及地下水层内亦得到加速进行。,抽提地下水系统和回注系统相结合法的改进，就是将地下水抽提到地上部分用生物反应器加以处理的过程。,47,4.5 生物修复技术的应用,48,石油污染修复一般流程,4.5.1 石油污染土壤修复,49,研究表明，有种类繁多的细菌、真菌及它们的纯化酶可以代谢石油烃类，但是