污染环境的生物修复.ppt

污染环境的生物修复,生物修复的概念及其原理 生物修复工程技术 生态工程与污水处理系统,国家环境保护总局新化学物质申报表毒理学项目,急性毒性 短期重复毒性 亚慢性毒性 慢性毒性 生殖/发育毒性 神经毒性 致突变性 致畸性 致癌性 毒代动力学 其他,生态毒理项目,藻类生长抑制毒性 溞类急性毒性 鱼类急性毒性 鸟类毒性 高等植物种子发芽和生长毒性 蚯蚓急性毒性 活性污泥呼吸抑制毒性 吸附/解吸性 降解性 生物蓄积性 其他,第一节 生物修复的概念及其原理,一 生物修复的基本原理和特点,生物修复（Bioremediation）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的工程技术系统。 生物修复的基本指导思想,生物修复技术的特点 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。,二. 生物修复种主要生物种类及修复原理,1.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小分子化合物和二氧化碳与水 微生物修复的生物类型 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 基因工程菌（GEM）,微生物对物质降解与转化的特点:,微生物个体微小，比表面积大，代谢速率大； 种类繁多，分布广泛，代谢类型多样； 微生物具有多种降解酶； 微生物繁殖快，易变异，适应性强； 微生物具有巨大的降解能力； 质粒（Plasmid）：染色体外遗传物质，是在原核微生物中除染色体外，还存在的一种较小的携带少量遗传基因的环状DNA分子。 质粒可用来培育优良菌种，或用作基因工程中基因转移的载体。 例如：多功能超级细菌的构建,共代谢（CoMetabolism） 微生物在利用生长基质A时（从中获得能量、碳源或其他任何营养），同时非生长基质B（不能从中获得能量或营养）也伴随着发生氧化或其它反应。 在纯培养下，共代谢只是一种截止式转化，但在混合培养和自然环境条件下，转化可为其它微生物进行的共代谢或其他生物对某种物质的降解铺平道路，使其代谢产物可继续降解，故污染物在有合适的底物和环境条件下可通过共代谢作用而降解。,微生物对污染物降解与转化的途径,自然界中化学物质的降解的3种方式：这三种方式往往综合交叉进行。 光降解 化学降解 生物降解（Biodegradation）：指由于生物的作用，把污染物大分子转会为小分子，实现污染物的分解或降解。其中微生物所起的降解作用最大，故也称为微生物降解。 微生物代谢活动中的化学作用（实质是酶反应） 氧化作用 还原作用 脱羧作用 水解作用 脱氨基作用等,影响微生物对物质降解转化作用的因素（1）,微生物的代谢活性 不同种类微生物对同一底物的反应不同； 微生物在不同的生长时期的活性是不相同的，在对数期代谢最旺盛，活性最强。 微生物的种类组成决定化合物降解的方向和速度，同时微生物的种类组成又与环境中的化学物质有关。 微生物的适应性 驯化（Domestication）：是一种定向选育微生物的方法与过程，通过人工措施使微生物逐步适应某特定条件，最后获得具有较高耐受力和代谢活性的菌株。,影响微生物对物质降解转化作用的因素（2）,化合物的结构 烃类：链烃的易降解性大于环烃，直链烃大于支链烃，不饱和烃大于饱和烃，支链烷基越多，越不易被降解 当主链上的C被S、N、O取代时，对生物氧化的阻抗上升 当C原子上的H被烷基或芳基取代时，会生成生物氧化的阻抗物。 官能团的性质和数量 分子量大小 环境因素 温度 酸碱度 营养 氧 底物浓度,微生物分解有机物的作用,微生物分解有机物的作用可总括成如下图式：,微生物对常见污染物的降解与转化,生物大分子的降解 糖类：以纤维素和淀粉的分解为例，见图54，55 脂肪 蛋白质,丁酸、CO2、H2等,烃类 石油类 人工合成有机物 农药 合成洗涤剂 增塑剂 多氯联苯,危险性化合物,危险性化合物（Hazardous Chemicals）的概念 微生物具有降解自然界产生的有机化合物的代谢机制，从而促使地球有机碳平衡，而在自然界具有新颖结构的合成化合物（异型生物质，又称非生物性物质，xenobiotics）往往对微生物的降解表现出抗逆性，其原因可能是这些化合物进入自然界的时间比较短，微生物界还未进化出降解此类难降解化合物的代谢机制。这些化合物大多数对环境具有毒害作用，故称之危险性化合物。 危险性化合物来源 人工合成的农药、杀虫剂、除草剂、防腐剂、溶剂、增塑剂等,危险性化合物的降解特点和研究 尽管其在自然界可能会有部分缓慢降解，微生物有可能通过多种途径来改变自身的结构信息以获得对这类化合物的降解能力，但这需要一个漫长的过程来实现，依靠微生物的自然进化过程远不能满足要求，而且长此以往将会造成生态系统的失衡。因此，研究一些可以使微生物群体在较短时间内获得最大的降解该物质能力的方法显得愈加重要和迫切。,危险性化合物的降解特点和研究 近年来科学工作者做了大量工作，包括：通过长时间的驯化来得到具有一定降解能力的微生物群体；通过基因工程手段来改造微生物使其具有特定的降解能力； 此外在对危险性化合物的降解研究中发现，混合培养比纯培养具有潜在的优势，彻底矿化往往需要一个或一个以上的营养菌群（如发酵水解菌群、产硫菌群、产乙酸菌群、产甲烷菌群等）通过多步反应将有毒化合物转化为矿化最终产物。 研究人员依据不同的代谢作用至少可以将微生物群落中的微生物分为7种类型：提供特殊营养物；去除生长抑制产物；改善单个微生物的基本生长参数；对底物协调攻击；共代谢；氢（电子）转移；提供一种以上初级底物利用者。,有机污染物的生物可降解性及其评价方法,什么是生物可降解性？ 所有化合物根据微生物对它们的降解性可分成可生物降解、难生物降解和不可生物降解。 评价生物可降解性的方法： 测定生物氧化率 测呼吸线 测定相对耗氧速度曲线 测BOD5与COD Cr之比 测COD30 培养法,基因工程在环境生物处理中的应用,应用基因工程菌处理污染物的主要优势： 集中与创造与目的基因，提供综合性代谢新污染的通路和杂种细胞。 提高代谢通路结构基因的表达，针对新的污染物，改变表达的调节方式。 控制降解途径的限制性步骤，提高分解代谢酶的合成或其他生化反应过程效率 防止有毒中污染物的产生，防止非需要产品的出现，用确定的基因实现最初的目的。,主要应用： 降解卤代芳烃的基因工程菌 分解尼龙寡聚物的基因工程菌 分解多糖的基因工程菌 抗金属基因工程菌 除草剂降解基因工程菌 杀虫剂降解基因工程菌 转基因植物?,小结:微生物修复的影响因素 营养盐：需添加氮、磷营养元素 电子受体： 可通过对土壤鼓气或添加产氧剂的方式来提供DO作为有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。 共代谢基质,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，最终影响生物修复的速度和程度。 有毒有机污染物的物理化学性质 微生物菌株(基因工程菌),案例: 废水生物处理,作用机理: 废水生物处理实际是水体的自净原理在水污染治理中的应用，即模拟天然水体自净作用的生物过程。在特定构筑物中人工创造适宜条件，充分发挥微生物的作用以高速度、高效率净化污水，通过微生物代谢产生的酶来降解转化有机物，将有机物最终转化为无害的二氧化碳和水，从而使废水得到净化。,污水处理中的生化过程,活性污泥法和生物膜法,目前最常用的生物处理方法是活性污泥法和生物膜法。 活性污泥和生物膜的概念 活性污泥是由细菌、原生动物等微生物与悬浮物质、胶体物质混杂在一起形成的具有吸附分解有机物能力的絮状体。活性污泥是具有很强的吸附分解有机物能力的、充满微生物的污泥； 生物膜是附着在填料上呈薄膜状的活性污泥。,活性污泥和生物膜的特点,具有很强的吸附能力 具有很强的分解、氧化有机物的能力 图 具有较强的食物链 食物链越长，作为能量消耗的比例就越大，在系统中存在的生物量就比较少，所剩余的污泥量就相应较少，可减轻生物处理后污泥处理的负担。 具有良好的沉降性能 处理水易与污泥分离，最终达到废水净化的目的。,废水生物处理的类型,按所利用的微生物种类 好氧处理：活性污泥法 厌氧处理：污泥消化 兼性处理：生物膜法 按处理系统中微生物存在的状态 悬浮生长系统 固定膜系统 按反应器的形式 完全混合式反应器 间歇式反应器 完全推流式反应器 固定填充床式反应器 流化床式反应器,2. 环境污染的植物修复 植物的生态功能? 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，适用于大面积、低污染的位点。,蜈蚣草（Pteris vittata Linn.）,东南景天,宝山堇菜（Viola baoshanensis）,植物在土壤修复中的应用 A。环境中金属污染的去除 已有方案：场外修复，先将土壤挖掘、转移，再去除金属离子； 微生物修复：生物量小，从而吸收量小，同时生物体过小难以进行后处理； 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。,植物修复金属污染的方式 1）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，生物可利用性下降，降低金属对生物的毒性。 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 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。,3）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。 B 环境中有机物的降解与去除 去除机理 植物对有机污染物的直接吸收作用 植物释放分泌物和酶 强化根区的矿化作用,C、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。,植物在富营养化水体的水质净化中的应用 （1）富营养化水体 水华和赤潮 防治水体富营养化的对策： 控制外源性营养物质的输入； 减少内源性营养物质的负荷。 防治水体富营养化的措施： 工程性措施：挖走底泥、水底深层曝气等； 化学法：凝聚沉降、化学药剂杀藻等；,生物法：即生物修复，利用水生生物吸收氮、磷进行代谢活动从而除去水体中的营养物质。 （2）高等水生植物净化水体的特点 以大型植物为主体，植物和根区微生物共生，产生协同效应，经过植物直接吸收、微生物转化、物理吸附和沉降作用除去氮、磷和悬浮颗粒，同时对重金属元素也有去除效果。,第二节 生物修复工程技术,一、 生物修复工程技术可行性研究,数据调查 技术查询 选择技术路线 可处理性试验 实际工程设计,二、 地表水生物修复技术,微生物修复 针对流动的河道水体，可采用直接曝气、生物膜法等； 对于浅水湖泊，可添加营养盐、采用曝气机搅拌混合等法； 大型水生植物对水体的净化,三、 土壤的污染修复 （一）土壤自净作用 污染物进入土壤后，通过在土壤环境中发生的物理、物理化学、化学和生物化学等一系列反应过程，土壤使污染物分解和消失的能力。 污染物进入土壤后，其自净过程大致为：污染物在土壤内经扩散、稀释、挥发等物理过程降低其浓度；经生物和化学降解为无毒或低毒物质，或通过化学沉淀、配合或螯合作用、氧化还原作用转化为不溶性化合物。,1. 影响净化作用的因素 土壤的组成、土壤环境、污染物种类和性质 2. 土壤自净作用的应用 如土壤处理槽装置，如用于废水处理 设法使 土壤中异养微生物 有机碳污染物 降解为CO2、H2O、CH4 氨化细菌、硝化细菌 有机氮污染物 N2（逸散至空气中） 脱氮菌等作用,和CH4细菌作用,土壤污染的治理方法,制定相应的政策法令，使土壤降低污染外： 常用方法： 1. 沉淀法： 以除去水中的污染物 引入土壤的天然水 先进入沉淀池 沉淀后再用于灌溉 2. 稀释法：用清净水稀释污染的灌溉水 3. 排土法：移动污染土层 4. 铺垫客土法：在受污染的土壤上铺垫一层非污染客土。 5. 混层法 和 倒转层法 （污染土与清洁土混合） （上、下土层易位法） 6. 土壤改良法 如向土壤投加石灰、磷酸盐、硅酸盐，使土壤改良。,图3.1 热处理示意图(由南开大学陈威教授提供),土壤生物修复主导技术,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的微生物处理。 包括两方面内容： 对受油污染的土壤进行修复 对矿山废弃地进行植被恢复 挖掘堆置处理,特点：可在受污染初期限制污染物的扩散和迁移，减少受污染范围，但运输、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。 反应器处理 特点：此法类似于污水生物处理，受污染的土壤挖出与水混合后在接种了微生物的反应器内进行处理，处理速度较快，但工程复杂，费用较高。,四、 地下水生物修复工程技术,原位处理 特点：与土壤原位处理基本相同。 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下水中的进一步迁移。 地上处理 又称抽取处理技术，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理之后，再将水注入地层。+,第三节 生态工程与污水处理系统,1 生态工程简介,(1)生态工程的定义及其应用 生态工程（Ecological Engineering）指由人工设计的、以生物种群为主要结构组分、具有一定功能的、宏观的、人为参与调控的工程系统。它可以是人工设计的一个群落、生态系统或更宏观的地域性生态空间。 生态工程构建和运行的主要理论依据是生态学原理，同时在设计时还必须遵循社会规律和经济规律。,环境生态工程的主要目的是为了保护生态环境，也有可能在保护环境的同时，通过良好的物质循环和能量流动过程，获得经济效益。 (2)生态工程的类型 物质能量多层利用生态工程 物质转化与再生生态工程 无污染生态工程 污染自净多功能生态工程 工农业联合生态工程,2 氧化塘法,生物氧化塘（Oxidation Pond）又称稳定塘，是利用藻类和细菌两类生物间功能上的协同作用处理污水的一种生态系统。 (1)净化原理 氧化塘的净化原理 氧化塘的净化原理是利用了细菌与藻类的互生关系。 藻类进行光合作用释放氧气； 细菌利用藻类产生的氧气分解流入塘内的有机物；,分解产物中的CO2、N、P等无机物以及一部分小分子有机物成为藻类的营养源； 增殖的细菌和藻类细胞为微型动物所捕食。 氧化塘内的反应过程 藻类和光合细菌的光合放氧过程； 好氧反应：氧化作用、氮氧化作用、硫氧化作用等； 厌氧反应：硝酸盐还原反应、硫酸盐还原反应、发酵反应等；,氧化塘内的生物学过程,(2)氧化塘内的生物组成 藻类：位于氧化塘的表层，常见的有：小球藻属、衣藻属、眼虫藻属等； 细菌：大量存在于氧化塘下层，在好气状态下，无色杆菌、假单胞菌、芽孢杆菌等优势生长；在氧化塘底部的厌氧层还有硫酸还原菌和甲烷细菌。 微型动物：存在多种原生动物、轮虫、以及甲壳类等。,(3)氧化塘的分类与功能 兼性塘（Facultative Pond） 塘深1.02.5m，上层DO充足，好氧微生物占优势；中层DO不足，兼性微生物占优势；下层厌氧微生物占优势。可应用于处理工业、农业废水和生活污水。 厌氧塘 塘深2m以上，厌氧微生物占主导，可接纳预处理各种高浓度有机工业废水。它后面通常还置有兼性塘和好氧塘。,曝气塘 塘深25m。机械曝气充氧。 精制塘 (4)综合生物塘 综合生物塘是运用生态学原理，将个具体特点的生态单元，按照一定的比例和方式组合起来的具有污水净化和无水资源化双重功能的新型稳定塘技术 综合生物塘净化生物学基础 水生维管束植物生态净化功能 藻-菌呼声生态系统代谢活性 提高出水水质的生态学措施,综合生物塘工艺流程,进水,流程：处理BOD5150200mg/L的污水，包括全部的生态单元，水力停留时间16.3d； 流程：处理BOD5100150mg/L的污水，水力停留时间 11.5d ； 流程或 ：处理BOD570100mg/L的污水，水力停留时间45d；,3 水生植物为基础的处理系统,(1)以水生大型植物为基础的处理系统,污水,格栅,二级水生生物曝气塘,砂滤,反渗透,粒状炭柱,臭氧消毒,出水,(2)全年运转途径 选择适宜的高等水生植物种类 营养膜技术,4 人工湿地处理系统,湿地 每年在足够长的时间内均具有前的表面水层，能维持大型水生植物生长的生态系统 人工湿地 根据自然湿地模拟的人工生态系统，用于处理废水。,人工湿地处理系统优点 净化效率优于氧化塘；运转费用低；对废水处理厂难以去除的营养元素净化效果好。 应用实例 芦苇湿地处理系统,5 污水土地处理系统,污水土地处理系统（Land Treatment System） 利用土地及其中的微生物和植物根系对污染物的净化能力来处理已经经过预处理的污水或废水，同时利用其中的水分和肥分促进农作物、牧草或树木生长的工程设施。 (1)污水土地处理系统的组成与类型 污水土地处理系统的组成 污水的预处理设施，污水的调节与储存设施，污水的输送、布水和控制系统，土地处理面积，排出水收集系统。,土地处理的净化机理 净化机理包括：土壤的过滤截留、物理和化学的吸附、化学分解、生物氧化以及植物和微生物的摄取等作用。 土地处理系统主要类型 地表漫流系统 慢速渗滤系统 快速渗滤系统 自然湿地系统 复合污水土地处理系统,(2)土地处理系统与污灌的主要区别 土地处理系统要求对污水进行必要的预处理，去除污水中有害物质。 土地处理系统是按照全年连续运行的污水处理设施；污灌则是按照农作物的需要进行灌溉。 土地处理系统有完整的工程系统并可以调控，其底层防渗系统，有效的控制了污水对地下水可能造成的污染。 土地处理系统地面上种植的植物，以有利于污水处理的牧草、林木、青饲料等经济作物为主，不中直接食用的农作物；污灌的土地常以粮食、蔬菜等农作物为主。,番禺投入105亿试点“自然循环”整治河涌,方案设计 河网密布,有19条外江主干河流,总长272.5公里;内河涌387条,总长度733公里。 自然循环方式理技术是一种污水治理新模式，该技术模仿自然土壤和水田对污水的净化原理，利用自然的各种微生物对水体进行净化，采用多种自然材料(如、朽木、矿石、黏土及等)作为，并对这些填料经过高处理加工，大幅度地提高其原自然材料对水的净化能力，同时通过对各种填料进行科学组合，使该系统装置内的微生物净化功能达到最佳状态。,中山大学陈晓宏教授,番禺区河涌整治的健康可持续理念坚持人水和谐。他说，番禺的河涌与整个西北江三角洲水网贯通，污染内外交互作用，因此河涌整治必须纳入整个珠三角考虑，应提请省政府组织，与佛山、广州中心城区、中山以及东莞的河涌整治与污染控制统一规划、统一实施、统一见效。河涌整治要纳入城市发展规划，一步到位规划，逐步实施治理；河涌整治与河涌防洪排涝相结合，实施综合治理。,华南农业大学教授吴启堂,介绍了水面植物生物膜氧气沟的现场处理污水技术，一次性投资12万元，即可处理生活污水50100立方米/天，费用低，并可即排即治。,广东省环境科学与技术公共实验室研究员吴志峰博士,突出阐述了生态治水理念，以铁还原菌原位修复河道底泥，以硫杆菌对河道疏浚底泥进行生物脱毒，以生态过滤加矿物微生物复合材料对河岸生态进行双重修复，形成河底、河岸以及水面各单项技术集成的河道立体复合生态修复技术体系。,番禺区工程师协会理事、广州市慧源绿色化工有限公司总经理、高级工程师孙保兴，从我区的水环境污染状况、水环境污染成因分析、生态修复与生态复育的方法与技术以及出水综合利用、污水处理新技术等方面进行了系统阐述。 华南师范大学化学与环境学院新能源材料研究中心黄启明副教授，番禺区环境科学所所长胡应成，深水大通水务公司总经理郑海良，福龙五金电业（番禺）有限公司顾问、高级工程师丘星初等专家也在会上提出了河涌整治对策。,思考题,影响生物修复过程的主要因素有哪些？,