水体污染的生物修复技术进展解析课件

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宁,葛程程,孙世宾,齐文灿,水体污染的小组成员：,概述,工艺,地下水,地表水,案例,进展,展望,概述工艺地下水地表水案例进展展望,1.1,基本概念,生物修复,(bioremediation):,也称生物整治、生物补救,，,是指利用微生物、植物或动物,，,吸收、转化受污染场地（水体、土壤）中的有机污染物或其他污染物,，,去除其毒性,，,使受污染场地恢复生态功能的一种生物处理过程。,狭义,主要是指利用微生物去除或降低受污染场地污染物的方法。,广义,其“生物,”,除微生物外,，,还包括植物（如重金属和放射性污染的超积累植物）、动物等。,.,水体生物修复技术概述,1.1基本概念生物修复(bioremediation):狭,1.2,主要方法,.,水体生物修复技术概述,通过各种,工程手段,增强自然界中已有但速度缓慢的生物降解过程；,通过应用,各类生物反应器,，增加污染物与微生物的接触机会，创造最佳生物代谢反应条件，促进污染物快速转化。,1.2主要方法.水体生物修复技术概述通过各种工程手段增强自,1.3,应用条件,.,水体生物修复技术概述,微生物,具有代谢活性,能以相当速率降解污染物,降解过程不产生有毒副产物,污染场地,污染物对微生物无害或其浓度对微生物的生长不构成抑制,目标化合物必须能被生物利用,环境必须利于微生物生长或微生物活性保持,处理费用,处理费用低,，,至少要低于其他处理技术,1.3应用条件.水体生物修复技术概述微生物具有代谢活性能以,1.4,主要优点,.,水体生物修复技术概述,处理费用低,，,仅为化学、物理修复的,30%-50%,对环境影响小,，,遗留问题少,，,不产生二次污染,原地降解清除污染物,，,同时还可净化、绿化周围环境,恢复并提高自然环境的自净能力,就地处理操作简便,修复时间短,，,人畜安全性较好,1.4主要优点.水体生物修复技术概述处理费用低，仅为化学、,1.5,影响因素,.,水体生物修复技术概述,非生物因素：,如,pH,、,温度,、盐度、有毒物质、静水压力等,营养物质：,对异养微生物除碳源、能源外，还需要,N,、,P,元素、氨基酸、,B,族维生素、脂溶性维生素及其他有机分子等营养物质,电子受体：,对于好氧微生物而言,，,电子受体是氧气,复合基质：,污染环境中常存在多种污染物,可能对生物修复产生影响，,如,合成有机物、天然物质碎片、土壤或沉积物的腐殖酸等。,协同作用,捕食作用,植物根系的影响,1.5影响因素.水体生物修复技术概述非生物因素：如pH、温,.,水体生物修复技术主要工艺,目前已经及正在应用的生物修复技术大致分为,直接向污染部位提供氧气、微生物或营养物以降解污染物,，,污染地下水不需用泵抽至地面。,特点是：,工艺路线和处理过程比较简单,，,无需复杂的设备；,对周围环境影响小、生态风险小；,处理费用低。,需要通过某种方法将污染介质转移到污染现场附近或之外，再进行处理。通常污染物搬动费用较大，但处理过程容易控制。,生物修复技术,原位修复（,in situ,）,异位修复（,ex situ,）,.水体生物修复技术主要工艺目前已经及正在应用的生物修复技术,.,地下水的生物修复技术,3.1,微生物学原理,土壤和地下水中含有,各种各样的微生物,，,主要分细菌、放线菌、真菌、藻类和原生动物,5,种,，,其中以细菌为最主要。这些是地下水生物修复的生物学基础。,好氧微生物一般分布的土壤表层和浅层及地下水中,，,厌氧微生物主要分布在深层土壤和地下水中,，,而自养细菌可分布在不同的深度,，,其类型变化多样。,好氧微生物以有机物或铵为电子供体,，,以,O,2,为电子受体进行生物化学反应,，,以,CO,2,、,NO,3,-,或,SO,4,2-,等为电子受体对有机物进行分解。浅层地下水中的有机物通过好氧微生物作用降解,，,深层土壤地下水中则主要是厌氧发酵降解。,此外,，,自养细菌可以,Fe,3+,、硫化物为电子供体,，,进行生命活动,，,去除地下水中的污染物。,除上述,生物氧化还原反应,去除地下水中的污染物外,，,地下水中的微生物还可分泌,有机络合剂,，,将周围固态的金属离子转化为溶解性的形态,，,以提高可供利用的溶解性金属离子浓度,，,以利于通过化学作用沉淀去除。,.地下水的生物修复技术3.1微生物学原理土壤和地下水中含有,.,地下水的生物修复技术,3.2,原位生物修复技术,地下水的原位生物修复方法是向含水层内通入氧气及营养物质,，,依靠土著微生物的作用分解污染物质。目前对有机污染的地下水多采用原位生物修复的方法,，,主要包括生物注射法、有机粘土法、抽提地下水系统和回注系统相结合法等。,.地下水的生物修复技术3.2原位生物修复技术 地下水的原,.,地下水的生物修复技术,3.2,原位生物修复技术,（,1,）生物注射法,生物注射法亦称空气注射法,(AS),，,它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。,这种方法主要是气相提取,(VE),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。,该技术主要用于修复非水相液体,(NAPLs),，,特别是挥发性有机物,(VOCs),污染的饱和地下水。,利用注射井进行地下水修复,.地下水的生物修复技术3.2原位生物修复技术（1）生物注射,.,地下水的生物修复技术,3.2,原位生物修复技术,（,1,）生物注射法,弗吉尼亚综合技术学院的研究人员发现了另一种新方法微泡法,，,即将含有,125mg/L,表面活性剂的微泡（大约只有,55,m,） 注入污染的地下水环境中,，,它可集中地将氧气和营养物送往生物有机体,，,从而有效地将厌氧环境转变为好氧环境,，,从而提高微生物代谢速率。该法具有效率高、经济实用等优点。,微泡处理系统示意图,.地下水的生物修复技术3.2原位生物修复技术（1）生物注射,.,地下水的生物修复技术,3.2,原位生物修复技术,（,2,）,有机粘土法,有机粘土法是新发展起来的原位生物修复污染地下水的方法,，,它利用人工合成的有机粘土有效去除有毒化合物。,把阳离子表面活性剂通过注射井注入至蓄水层,，,使其形成有机粘土矿物,，,形成有效的吸附区,，,控制有毒化合物在地下水中的迁移,，,利用现场的微生物,，,降解富集在吸附区的有机污染物,，,从而彻底消除地下水的有机污染物。,.地下水的生物修复技术3.2原位生物修复技术（2）有机粘土,.,地下水的生物修复技术,3.2,原位生物修复技术,（,2,）,有机粘土法,密西根州立大学的,Boyd,博士专门从事了这一方面的研究,，,他认为有机粘土可以扩大土壤和含水层的吸附容量,，,从而加强原位生物降解。有机粘土法修复过程如图所示。,有机粘土修复系统示意图,.地下水的生物修复技术3.2原位生物修复技术（2）有机粘土,.,地下水的生物修复技术,3.2,原位生物修复技术,（,3,）,抽提,地下水系统和回注系统相结合法,抽提地下水系统和回注系统相结合的生物修复系统示意图,这种方法主要是将抽提地下水系统和回注系统（注入空气或,H,2,O,2,、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。,Smallbec,等人在加利福尼亚州的研究表明,，,采用此系统修复被污染的环境,，,生物降解作用明显得到促进。这个系统既可节约处理费用,，,又缩短了处理时间,，,无疑是一种行之有效的方法。其装置如图所示。,.地下水的生物修复技术3.2原位生物修复技术（3）抽提地下,.,地下水的生物修复技术,3.2,原位生物修复技术,以上介绍的原位生物修复技术都是在好氧环境中进行的,，,事实上在厌氧环境中进行生物修复也具有极大的潜力。许多重要的污染物在好氧条件下不能被降解,，,如苯、甲苯、多氯芳烃等,，,它们能在厌氧条件下被降解为,CO,2,和水。目前在这方面做了不少的研究工作,，,厌氧降解碳氢化合物时,，,微生物利用的电子受体包括,NO,3-,、,SO,4,2-,、,Fe,3+,、,Mg,2+,、,CO,2,等。,Richard,等对圣地亚哥的一处石油污染的地下水进行了厌氧修复研究,，,他们利用硝酸盐作为电子受体补给到地下水中,，,强化细菌的脱氮过程,(,该过程有利于单环芳香族化合物的生物降解,),。结果表明,，,在营养物富足的地带,，,6,个月内取得较好的修复效果,，,其中,BTEX,水平降低了,81% 99%,。,Doong,，,R.A,等在厌氧环境下通过添加电子受体和无机离子处理地下水中的四氯化碳也取得良好效果。,（,4,）,其他方法,.地下水的生物修复技术3.2原位生物修复技术 以上介绍的,.,地下水的生物修复技术,3.3,异位生物修复技术,目前，地下水的异位生物修复主要应用,生物反应器法,。生成反应器的处理方法是将地下水抽提到地上再利用生物反应器加以处理的过程，其自然形成一个闭路循环,(,如图所示,),。,生物滴滤池修复污染地下水的过程示意图,.地下水的生物修复技术3.3异位生物修复技术 目前，,.,地下水的生物修复技术,3.3,异位生物修复技术,一般,情况下的,处理,过程,：,污染地下水抽提至地面；,在地面生物反应器内对其进行好氧降解，运转过程中要对生物反应器补充营养物和氧气；,处理后将地下水通过渗灌系统回灌到土壤内；,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。,.地下水的生物修复技术3.3异位生物修复技术一般情况下的处,.,地下水的生物修复技术,3.3,异位生物修复技术,同常规废水处理一样，,反应器的类型,有多种形式。如,细菌悬浮生长的活性反应器、串联间歇反应器,、,生物固定生长的生物滴滤池、生物转盘和接触氧化反应器,、,厌氧菌处理的厌氧消化和厌氧接触反应器， 以及高级处理的流化床反应器、活性炭生物反应器,等。,这些方法主要模仿污水的生物处理技术，但和污水中有机物浓度相比，地下水的污染物浓度通常很低,(,为,g/ L,水平,),，因此地下水和污水的处理工艺设计也会存在明显的差异。,.地下水的生物修复技术3.3异位生物修复技术 同常规,.,地表水的生物修复技术,由于湖泊、水库均为水生生态系统，其生物修复或者更确切地说是生物恢复，应以生态学原理为指导，对生态系统进行重建、管理和恢复。目的是减少进入水体中污染物的浓度和数量，通过综合的生物措施（微生物、植物、动物）控制藻类的过量生长并去除污染物，使之恢复正常的生态功能。所以，湖泊、水,库,的生物修复技术是以控制藻类为中心的生态控制技术，其生态关系示意图如下。,以藻类控制为中心的生态关系图,常采用的技术措施是：,营造高等水生植被系统、放养鱼类、投放微型浮游生物。,4.1,湖泊水库的生物修复技术,.地表水的生物修复技术 由于湖泊、水库均为水生生态,河流水体具有较强的,自然净化能力,。污染物进入河流后，有机物在微生物作用下进行氧化降解，逐渐分解转变为无机物。随着有机物被降解，细菌走向衰亡，当有机物被去除，河水水质得以改善，河流中其他生物逐渐重新出现，生态系统得到恢复。受污染河流的自然净化修复过程如图。,受污染少水河流的自净过程的关键是,好氧生物降解过程,。河流水体的生物修复技术通常以两种途径来强化河流固有的自净修复过程，使其修复过程加快。这两种途径为： 向河流中进行人工复氧，既可以使空气也可以使纯氧；,向,河流中投加人工培养的活性微生物。,.,地表水的生物修复技术,4.2,河流水体的生物修复技术,河流水体具有较强的自然净化能力。污染物进入河流后，有,（,1,）多环芳烃污染,多环芳烃,(PAHs),进入海洋环境后将发生如稀释扩散、再悬浮、挥发、光氧化、化学氧化、颗粒吸附、生物富集、生物降解等一系列的物理、化学和生物过程。由于,PAHs,为持久性有机污染物，在水中的溶解度很低，大多数为,10,-3,级，少数为,10,-6,级，且亲脂性和辛醇,-,水分配系数均较高，易在沉淀物颗粒特别是有机碳颗粒和水中生物体内积聚。,微生物降解生物修复技术,是将,PAHs,从环境中去除最主要的途径，是在生物降解的基础上发展起来的一种新兴的清洁技术。,该技术是利用微生物将海洋中的,PAHs,有机污染物转化为无害物质，或者降解为,CO,2,和,H,2,O,。,PAHs,的生物修复与其他清洁技术如焚烧、填埋等相比较，具有二次污染少、价格低等优点，已成为现场去除,PAHs,重要选择途径。,.,地表水的生物修复技术,4.3,海洋水体的生物修复技术,（1）多环芳烃污染 多环芳烃(PAHs)进入海洋环境后,（,2,）,石油,海上石油开发，各种石油产品的生产、使用和排放以及海上溢油事件的频发，使得石油污染已经成为海洋污染的主要途径之一。,生物修复石油污染,主要有两种形式，,一,是加入有高效降解能力的菌株；,二,是改变环境，促进微生物代谢能力。目前主要有三种方法：接种石油降解菌；使用分散剂；使用氮、磷营养盐。,4.3,海洋水体的生物修复技术,.,地表水的生物修复技术,（2）石油 海上石油开发，各种石油产品的生产、,（,3,）,赤潮,赤潮是在一定的环境条件下，海水中某些浮游植物、原生动物或细菌在短时间内突出性增殖或高度聚集引起的一种生态异常,，,并造成危害的现象。,在赤潮衰亡的海水中，分离出对赤潮藻类有特殊抑制效果的菌株，并采用,基因工程,手段，将细菌中产生抑藻因子的基因或质粒引入工程菌（如大肠杆菌），可使海洋环境保持长期可靠的生态平衡，从而达到防治赤潮的目的。,此外，海洋污染中的,农药污染,以及,病原菌污染,也已经使用生物修复技术。,4.3,海洋水体的生物修复技术,.,地表水的生物修复技术,（3）赤潮 赤潮是在一定的环境条件下，海水中某,水生植物生态浮岛技术是水环境治理与生态修复相兼顾的实用技术。,内涵,：运用无土栽培技术原理，以高分子材料为载体和基质，采用现代农艺和生态工程措施综合集成的水面无土种植植物技术。,原理：,植物对氮、磷等营养物质的直接吸收利用和对有机污染物的促降作用；植物根系、浮床和基质在吸附悬浮物的同时，为微生物和其它水生生物提供栖息、繁衍场所，兼可美化水域景观。,案例,1,水生植物生态浮岛技术,.,水体生物修复技术案例,水生植物生态浮岛技术是水环境治理与生态修复相兼顾的实用技术。,水生植物生态浮岛的净水机理,水生植物生态浮岛的净水机理,水生植物生态浮岛主要由多个,浮岛单元,组成，每个浮岛单元由,浮篮,、,种植篮,、,种植介质,、,连接扣,以及,水生植物,五部分组成。,水生植物生态浮岛主要由多个浮岛单元组成，每个浮岛单元由浮篮、,水生植物生态浮岛的,安装与布置形式,水生植物生态浮岛的,案例,2,人工湿地法,人工湿地系统,是在一定长宽比及底面有坡度的洼地中，,由,土壤和填料,(,如砾石等,),混合组成填料床,，,废水可以在床体的填料缝隙中流动，,或在床体的表面流动，,并在床的表面种植具有处理性能好，成活率高，,抗水性能强，,成长周期长，,美观及具有经济价值的,水生植物,(,如芦苇等,),，,形成一个独特的生态环境，,对污水进行处理。,.,水体生物修复技术案例,案例2人工湿地法人工湿地系统是在一定长宽比及底面有坡度的,水体污染的生物修复技术进展解析课件,案例,3,桑基鱼塘生态工程,桑树,养蚕,养鱼,鱼塘底泥,种树肥料,养鸡,蚕蛹,养猪,桑树叶,粪便,蚯蚓,.,水体生物修复技术案例,案例3桑基鱼塘生态工程桑树养蚕养鱼鱼塘底泥种树肥料养鸡蚕,桑基鱼塘原理图,桑基鱼塘原理图,.,水体生物修复最新研究进展,石油降解菌对海岸带溢油的生物修复起着非常关键的作用,。,原晓艳等,从青岛第二海水浴场附近采集天然海水，以原油作为唯一碳源富集石油降解菌，并通过,PCR-RFLP,技术,对富集菌群的结构进行了分析。结果表明，天然海水中石油降解菌主要分布在变形菌门，主要的优势菌属于变形菌纲的,和,类群。优势菌为食碱菌科,Alcanivoraceae(24.73%),，红螺菌科,Rhodospirillaceae(18.27%),，鞘脂单胞菌科,Sphingomonadaceae(13.98%),和假单胞菌科,Pseudomonadaceae(10.75%),。,将克隆子测序结果通过,NCBI,比对,，发现,16SrDNA,克隆文库中只有,57.01%,的测序结果可以在,NCBI,中找到相似度大于,97%,的菌株，表明,天然海水中存在部分未被人类分类培养和鉴定的石油降解菌,。,1.,利用,PCR-RFLP,技术研究天然海水中石油降解菌的结构,.水体生物修复最新研究进展 石油降解菌对海岸带溢油的,2.,微生物固化曝气技术对养殖废水的深度处理,庄榆佳等人将以,微生物固化曝气技术,为核心的污水处理系统为研究对象，研究养猪废水中的,COD,、,N,、,P,、总有机碳及抗生素,(,土霉素、四环素、金霉素、强力霉素、罗红霉素、阿奇霉素、氧氟沙星、恩诺沙星和环丙沙星,),在不同处理单元的动态变化。结果表明，,微生物固化曝气技术能有效去除常规污染物,，除,TP,外，,COD,和,NH,4,+,-N,的出水浓度均能达到,畜禽养殖业污染物排放标准,( GB 185962001);,该技术对抗生素的去除效果依抗生素的种类而变，对,4,种四环素类抗生素的去除率高达,85%,以上；对大环内酯类中的阿奇霉素的去除率为,62.8%,；对大环内酯类中的罗红霉素和氟喹诺酮类抗生素则基本无效。微生物固化曝气技术能有效去除总有机碳、,COD,、,NH,4,+,-N,和四环素类抗生素，,对,TP,和其它抗生素类，需要进一步优化处理系统的运行条件，或改善固化微生物的组成，以提高这类污染物的处理效果,。,Biocleaner,处理单元组成和采样点分布图,.,水体生物修复最新研究进展,2.微生物固化曝气技术对养殖废水的深度处理 庄榆佳等人,.,水体生物修复技术存在问题及展望,1,、重水体生物修复而忽视底泥生物修复,目前我国城市水环境生物修复存在的问题：,2,、重外源微生物投放而忽视土著微生物激活,3,、重单一措施而忽视综合处理,4,、重污染源控制而忽视水环境生态恢复,.水体生物修复技术存在问题及展望1、重水体生物修复而忽视底,.,水体生物修复技术存在问题及展望,污染水体的生物修复是一个极为复杂的系统工程,，,加之我国目前水体的污染状况均较为严重,，,在借鉴国外莱茵河、泰晤士河和琵琶湖等的成功治理经验的基础上,，,污染水体的修复首先应在,彻底截污和清除内源,的前提下,，,才能实施有效的生物修复措施,，,对于相对滞留的污染水体,，,可采取,微生物强化净化技术,以适当消除水体污染,，,对于具有一定流速的污染水体,，,可采用,调水冲污,，,快速提高水体的溶解氧和透明度,，,最终通过移栽高等水生植物和驯养高等水生动物,，,构建并丰富水体自身的生态系统,，,逐步恢复水体的自净能力,，,最终达到水体修复的目的,。,综上所述,，,污染水体的修复是一个牵涉到污染治理 、 环境生态和水利水文等多学科的系统工程,，,必须从水体的功能定位、污染整治的目标和水体生态系统平衡的建立等多方面入手,，,以维护水体的良性循环和可持续发展,，,取得良好的环境效益和社会效益 。,.水体生物修复技术存在问题及展望 污染水体的,THANK YOU,！,THANK YOU！,2.1,水污染预处理技术,生物氧化塘,是一种利用生物天然净化能力净化污水的处理系统，可辅以,人工曝气、投加污染物和底泥高效降解菌剂、放养适当水生生物等强化措施,，污水经过氧化塘处理，可形成多级食物链组成的复合生态系统，这对城市水环境的生物修复极为有利。,人工湿地,利用基质微生物，水生植物，动物符合生态系统的物理、化学吸收、动物消费和微生物分解来实现对污水的高效净化。,.,水体生物修复技术主要工艺,2.1水污染预处理技术生物氧化塘是一种利用生物天然净化能力净,2.2,河道和湖泊人工增氧技术,.,水体生物修复技术主要工艺,通过一定的,增氧设备,，增加水体中溶解氧，能加速河湖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。,根据需曝气河流,水质改善的要求,（如消除黑臭、改善水质、恢复生态等）、,河道条件,（包括水深、流速、河道断面形状、周边环境条件等）、,河段功能要求,（如航运功能、景观功能等）、,污染源特征,（如长期污染负荷、冲击污染负荷等）的不同，河道曝气复氧一般采用,固定式充氧站,和,移动式充氧平台,两种形式。,2.2河道和湖泊人工增氧技术.水体生物修复技术主要工艺通过,2.3,生物强化技术,.,水体生物修复技术主要工艺,实际上是外源微生物投放技术。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,CLEARFLO,、,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。,2.3生物强化技术.水体生物修复技术主要工艺 实际上,2.4,生物促生技术,.,水体生物修复技术主要工艺,生物促生技术是通过对自然界中污染物降解者（土著微生物）的促生作用，为之创造一个能顺利完成自然降解功能的环境，强化污染环境的自净能力，加速对有机污染物的分解。,2.4生物促生技术.水体生物修复技术主要工艺 生物促,2.5,生态混凝土技术,.,水体生物修复技术主要工艺,所谓生态混凝土是一类混凝土介质，具有特殊的结构与表面特性，其上可附着生长适生生物，过滤净化入流的污染物。它能减轻环境负荷，与生态环境相协调。,2.5生态混凝土技术.水体生物修复技术主要工艺 所谓,2.6,底泥生物氧化技术,.,水体生物修复技术主要工艺,通过把药物注射到河道底泥表面，对河道黑臭泥进行生物氧化，可有效降低底泥有机物含量和耗氧速率，提高底泥对上覆水体的生物降解能力，促进底泥微量营养释放和藻类生长。,2.6底泥生物氧化技术.水体生物修复技术主要工艺 通,2.6,底泥生物氧化技术,.,水体生物修复技术主要工艺,通过把药物注射到河道底泥表面，对河道黑臭泥进行生物氧化，可有效降低底泥有机物含量和耗氧速率，提高底泥对上覆水体的生物降解能力，促进底泥微量营养释放和藻类生长。,2.6底泥生物氧化技术.水体生物修复技术主要工艺 通,2.7,生物操纵技术,.,水体生物修复技术主要工艺,生物操纵就是利用调整生物群落结构的方法控制水质。其主要原理是调整鱼群结构，保护和发展滤食性的浮游动物，从而控制藻类的过量生长。其核心是利用浮游动物滤食浮游藻类，增加水体透明度。,2.7生物操纵技术.水体生物修复技术主要工艺 生物操,2.8,水生植被恢复技术,.,水体生物修复技术主要工艺,水生植被主要是指大型挺水植物，沉水植物、浮叶植物、漂浮植物等。水生植被恢复是城市水环境生物修复十分重要的环节，同时也是城市水质污染重要的指标生物。,2.8水生植被恢复技术.水体生物修复技术主要工艺 水,2.9,水生生态恢复技术,.,水体生物修复技术主要工艺,水生生态恢复是提高城市水环境自净能力，维护生物修复治理成果的必要措施，是生物修复的最高形式。通过生态恢复，使黑臭或富营养化水体向洁净好氧生态系统转化，提高水环境生物多样性和自净能力。,2.9水生生态恢复技术.水体生物修复技术主要工艺 水,