湖北工业大学环境污染生物修复

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1、1,第十章 环境污染生物修复技术,2,概述,在自然界有哪些原因会导致环境的自净过程极其缓慢，甚至还会因污染速度大于净化速度，使污染物不断贮积？,3,微生物修复的基本原理：调节污染地的环境条件以促使原有微生物或接种微生物的降解作用迅速完全进行。,净化速度缓慢,4,概述,在天然的环境下通过某些工程手段以强化污染物降解的生物净化作用，使污染物在被污染的河道、海洋、地下水、土壤中就地或现场得到净化处理。,5,生物修复的基本内容与原理,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

2、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。,6,生物修复,动物修复,微生物修复,利用微生物将环境中的污染物 降解或转化为其他无害物质的过程,通过土壤动物群的直接或间接作用 而修复土壤污染的过程,植物修复,利用植物去治理水体、土壤和底泥 等介质中的污染的技术,植物萃取、植物稳定、根基修复、植物转化、根际过滤、植物挥发等,7,生物修复的基本定义,生物修复是针对受污染场地（面源污染，污染物已进入环境）利用生物自净功能或强化生物净化功能对污染物进行降解的过程。 生物修复的目的是将有机污染物浓度降低到低于检测限或低于环境标准规定的安全浓度

3、。,8,必须具备有代谢活动的微生物； 这些微生物必须能以相当速率降解污染物，并使污染物浓度降至要求的范围内； 微生物修复过程中不会产生毒副产物； 污染场地中的污染物对微生物无害，不会对污染物降解菌产生抑制，否则要进行稀释或将抑制剂无害化； 污染场地或者反应器的运行条件必须有利于微生物的生长并保持微生物的活性； 对于重金属污染，适合当地环境的植物特别是超积累植物非常重要； 处理费用要尽可能低，至少要低于其他处理技术才有竞争力。,用生物修复解决受污染场地的污染问题，必须具备的条件,9,生物修复的处理费用低，微生物修复的费用仅为物理、化学修复费用的30-50%； 对环境影响小，遗留问题少，不会产生二

4、次污染； 原位生物修复可将污染物在原地降解清除，植物修复环境的同时还可净化、绿化周围环境； 能尽可能低地降低污染物浓度，恢复并提高自然环境的自净功能； 就地处理，没有复杂的成套设备系统，操作简便； 修复时间较短，人畜安全性较好，直接暴露于污染物下的机会减少。,1. 与物理化学修复方式相比，生物修复技术的优点,生物修复的优缺点,10,不是所有的污染物都适用于生物修复。有些化学品不易或根本不能被 生物降解，如多氯代化合物和重金属。污染物的不溶解性及其在土壤中 与腐殖质和粘粒结合，使生物修复更难以进行； 有些化学品经微生物降解后其产物的毒性和移动性比母体化合物反 而增加。例如三氯乙烯（TCE）在厌氧

5、条件下可以进行一系列的还原脱 卤作用，产物之一的氯乙烯（VC）是致癌物。因此，如果不对微生物 降解过程有全面了解，有时情况会比原来更糟； 生物修复是一种科技含量较高的处理方法，它的运作必须符合污染地 的特殊条件。因此，最初用在修复地点进行生物可处理性研究和处理方 案可行性评价的费用要高于常规技术（如空气吹脱）的相应费用，一些 低渗透性土壤往往不适合生物修复。,2.生物修复技术的不足,11,3.局限性,微生物不能降解污染环境中的所有污染物。 要求对地点状况进行工程前期的考察，往往费时、费钱。 一些低渗透性土壤往往不宜采用生物修复技术。 特定的微生物只降解特定的化合物类型，化合物形态一旦变化就难以

6、被原有的微生物酶系降解。 微生物活性受温度和其他环境条件的影响。 有些情况下，生物修复不能将污染物全部去除。 如何开展对寒冷地区的污染土壤和海洋中的石油污染治理是生物修复尚待研究的重要课题。,12,优点：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，而且能同时处理受污染的土壤和地下水。 局限性：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件的影响，某些情况下，生物修复不能去除全部的污染物。 与生物处理的区别：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。,生物修复技术的特点总结,13,生物修复的主要方法,生物修复技术的分

7、类,原位生物修复 异位生物修复,14,1.用于生物修复的生物种类,（1）土著微生物 （2）外来微生物 （3）基因工程菌 采用基因工程技术，将降解性质粒转移到一些能在污水和受污染土壤中生存的菌体内定向地构建高效降解难降解污染物的工程菌。 （4）植物及超积累植物 特性：即使在污染物浓度较高时，也具有较高的积累速率；能在体内积累高浓度的污染物；生长快、生物量大；能同时积累多种污染物；具有抗虫抗病能力。,生物修复的影响因素与基本措施,15,（1）非生物因素： 温度、pH值、湿度水平、盐度、有毒物质、静水压力 （2）营养物质：添加氮、磷营养元素 （3）电子受体：环境中的有机污染物在微生物的作用下被氧化分

8、解时需耗氧。 （4）复合基质：自身吸附，微生物附着。 （5）微生物的协同作用：多数生物降解过程需要两种或更多种类微生物的协同作用。 （6）捕食作用：捕食类微生物会影响微生物对污染物的降解 （7）植物根系的影响：植物的根系对微生物类的组成结构有影响,2.生物修复的影响因素,16,（1）接种微生物或引种超积累植物 （2）添加营养物 （3）提供电子受体 （4）提供共代谢底物以诱导共代谢酶产生 （5）添加表面活性剂,3.生物修复的基本措施,17,1、使用适合的微生物 2、在适合的地点 3、适合的环境条件,生物修复三原则,18,适合的微生物：具有生理和代谢能力并能降解污染物的细菌和真菌。 在许多情况下，

9、则要加入外源微生物。,1、使用适合的微生物,生物修复三原则,19,适合的地点：要有污染物和合适的微生物相接触的地点。,2、使用适合的地点,生物修复三原则,20,适合的环境条件：要控制或改变环境条件，使微生物的代谢和生长活动处于最佳状态。,3、使用适合的环境条件,生物修复三原则,21,生物修复和生物处理,22,1 土壤的生物修复,生物修复技术的应用,（1）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

10、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。,23,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 （中国耕地约有9572万公顷）,据报道,24,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，国家环保总局组织召开全国土壤污染状况调查会议，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

11、半左右的时间完成。,全国土壤污染状况调查,25,宁波市部分蔬菜基地蔬菜重金属污染情况调查 （陆正松等，2000年，内部资料）,26,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。,（2）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。,27,我国无公害蔬菜卫生指标(重金属),28,（3）土壤污

12、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，生态系统退化等）问题,29,土壤的组成和性质决定土壤具有一定的净化能力。,土壤的净化能力是有限的，当进入土壤的污染物质数量和速度超过了土壤的净化能力时，污染物在土壤中积累，危害作物的正常生长发育，通过食物链会直接影响人类健康。,土壤的净化能力是指污染物进入土壤后，经生物和化学降解成为无毒物质；通过化学沉淀、络合和螯合、氧化还原等作用转化为其它物质，被土壤牢固吸附，不被植物利用。,30,（4）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

13、，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,31,1、通过影响土壤组分和污染物的电荷特性，沉淀溶解、吸附解吸和络合解络平衡来改变污染物的毒性； 2、通过土壤微生物的活性来改变污染物的毒性。,土壤酸碱性,土壤氧化还原性质,土壤氧化还原状况主要影响沉淀溶解、变价元素。,（4）土壤组成对污染物毒性的影响,32,（5）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：

14、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，许多有机化学物质的污染也需要较长的时间才能降解。 土壤污染治理难度大：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。,33,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”,（6）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

15、，进入食物链。,34,（7）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。 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。,35,1. 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

16、，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。,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。,36,2. 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。,37,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。,3. 生物恢复措施,38,污染土壤的典型修复技术的流程及原理,39,2 土壤的生物修复方法,1、 土壤原位生物处理（微生物修复