生物修復技術(shù)對水體污染治理的應(yīng)用 1 目錄 1 國內(nèi)外生物修復現(xiàn)狀 2 水體污染現(xiàn)狀 3 生物修復技術(shù)簡介 4 生物修復技術(shù)應(yīng)用成功的案例 2 國內(nèi)生物技術(shù)現(xiàn)狀 我國生物修復技術(shù)研究與應(yīng)用蓬勃發(fā)展 取得了顯著成績 其內(nèi)容主要包括微生物修復技術(shù) 重金屬污染的植物修復技術(shù) 礦山廢棄地生態(tài)恢復技術(shù) 固體廢棄物資源化技術(shù) 垃圾填埋場生態(tài)修復技術(shù)及湖沼生態(tài)恢復技術(shù)等 3 在高效特異微生物與重金屬超富集植物篩選及其機理研究上取得了一系列的突破 已篩選出近50種針對農(nóng)藥 石油 多環(huán)芳烴等有機污染物的高效特異菌種和As Cd Mn Zn等12種重金屬的超富集植物 例如 上海澤龍生物工程有限公司系采用生物生態(tài)治理景觀水的專業(yè)性科技型公司 生物修復法治理景觀水體污染技術(shù) 項目成果已通過上海市科學技術(shù)委員會鑒定 滬科鑒 2002 第0418 該項目達到國內(nèi)先進水平 4 生物修復的例子 5 國外現(xiàn)狀 歐洲各國如德國 丹麥 荷蘭對生物修復技術(shù)非常重視 全歐洲從事該項技術(shù)的研究機構(gòu)和商業(yè)公司大約有近百個 他們的研究證明 利用微生物分解有毒有害物質(zhì)的生物修復技術(shù)是治理大面積污染區(qū)域的一種有價值的方法 美國國家環(huán)保局 國防部 能源部都積極推進生物修復技術(shù)的研究和應(yīng)用 美國的一些州也對生物修復技術(shù)持積極態(tài)度 如新澤西州 威斯康星州規(guī)定將該技術(shù)列為凈化受儲油罐泄漏污染土壤治理的方法之一 6 美國能源部制定了90年代土壤和地下水的生物修復計劃 并組織了一個由聯(lián)邦政府 學術(shù)和實業(yè)界人員組成的 生物修復行動委員會 BioremediationActionCommittee 來負責生物修復技術(shù)的研究和具體應(yīng)用實施 7 生物修復成功案例 JonE Llidstrom等人在1990年夏到1991年應(yīng)用投加營養(yǎng)和高效降解菌對阿拉斯加ExxonValdez王子海灣由于油輪泄漏造成的污染進行的處理 取得非常明顯的效果 使得近百公里海岸的環(huán)境質(zhì)量得到明顯改善 8 水環(huán)境污染形勢嚴峻 我國人均水資源占有量只有2300立方米 約為世界平均水平的1 4 排在第121位 是世界上13個貧水國家之一 地表水污染普遍 特別是流經(jīng)城市的河段有機污染嚴重 湖泊營養(yǎng)化問題突出 地下水受到點源和面源污染 近岸海域水污染加劇 有關(guān)專家甚至預測 中國解決水環(huán)境污染問題比解決缺水問題更加困難和艱巨 9 主要污染源 農(nóng)業(yè)中化肥和農(nóng)藥的過量施用 工業(yè)和城市的垃圾 污水侵入土壤和地下水 大氣沉降 包括 干降 和 濕降 大氣中的SO2和重金屬等進入土壤和地下水 導致土壤 酸化 和重金屬污染 采礦廢棄物 主要是重金屬污染 地下儲罐和輸送管線等 10 我國主要七大流域水質(zhì)類別比例現(xiàn)狀 共監(jiān)測264個斷面 11 水污染的總體形勢 工業(yè)點源和農(nóng)業(yè)面源相互交織 富營養(yǎng)化狀況未有明顯改觀 生活污染和工業(yè)污染相互疊加 突發(fā)環(huán)境污染事件呈高發(fā)態(tài)勢 常規(guī)普通污染物和有毒有害物質(zhì)相互并存 12 化學需氧量3028 96萬噸 氨氮172 91萬噸 廢水排放總量2092 81億噸 石油類78 21萬噸 總氮472 89萬噸 總磷42 32萬噸 重金屬 鎘 鉻 砷 汞 鉛 0 09萬噸 13 工業(yè)污染結(jié)構(gòu)性問題明顯 黃河中上游長期以來形成了以重化工為主的工業(yè)結(jié)構(gòu) 煤炭 石油等資源開發(fā)強度大 利用效率較低 污染排放強度高 流域內(nèi)化工 食品釀造 石油加工 煉焦 造紙等主導產(chǎn)業(yè)污染比較嚴重 部分企業(yè)工藝落后 原材料及水資源利用效率低 污染治理設(shè)施投入嚴重不足 有些企業(yè)甚至排放汞 鎘 鉛 砷 六價鉻 揮發(fā)酚 氰化物等有毒有害物質(zhì) 嚴重威脅飲水安全 容易發(fā)生水污染事故 主要污染物集中在少數(shù)行業(yè) 造紙 化工 紡織等行業(yè)化學需氧量 氨氮排放量占全部工業(yè)排放量的比例非常大 黃河流域 14 飲用水水源水質(zhì)安全依然面臨威脅 根據(jù)我部2007 2010年開展的飲用水水源基礎(chǔ)環(huán)境狀況調(diào)查顯示 有五分之一左右的水源地存在污染物超標現(xiàn)象 目前飲用水水源地的環(huán)境管理還僅限于主要污染物 有毒有機污染物的監(jiān)測與管理在大多數(shù)地方還未納入工作范圍 15 城市湖泊都已處于重富營養(yǎng)或異常營養(yǎng)狀態(tài) 幾乎喪失使用功能 絕大部分大中型湖泊均已具備發(fā)生富營養(yǎng)化條件或處于富營養(yǎng)化狀態(tài) 1996年調(diào)查的26個國控湖泊 水庫 中 總體處于富營養(yǎng)化的高達85 滇池80年代初為 類水體 90年代后期全湖為劣類 類水體 陷入重富營養(yǎng)化狀態(tài) 巢湖 太湖也處于重富營養(yǎng)化 我國湖泊 水庫 富營養(yǎng)化的嚴峻現(xiàn)狀 16 水華現(xiàn)象 17 農(nóng)業(yè)源污染日益突出 根據(jù)第一次全國污染源普查結(jié)果 農(nóng)業(yè)源污染物排放對水環(huán)境的影響較大 其化學需氧量 總氮和總磷排放量為1324 09萬噸 270 46萬噸和28 47萬噸 分別占全國排放量的43 7 57 2 和67 4 廣東韶關(guān)乳源水庫內(nèi)網(wǎng)箱養(yǎng)殖 寧夏水源保護區(qū)內(nèi)奶牛養(yǎng)殖場 要從根本上解決我國的水污染問題 必須把農(nóng)業(yè)源污染防治納入環(huán)境保護的重要議程 18 突發(fā)水污染事件時有發(fā)生 1994年淮河水污染事件2005年松花江重大水污染事件2012年武漢水污染事件 19 突發(fā)水污染事件時有發(fā)生 松花江重大水污染事件 20 突發(fā)水污染事件時有發(fā)生 太湖發(fā)生藍藻爆發(fā)事件 陽宗海砷污染事件 21 突發(fā)水污染事件時有發(fā)生 22 生物修復 Bioremediation 廣義的生物修復通常是指利用各種生物 包括微生物 動物和植物 的特性 吸收 降解 轉(zhuǎn)化環(huán)境中的污染物 使受污染的環(huán)境得到改善的治理技術(shù) 一般分為植物修復 動物修復和微生物修復三種類型 狹義的生物修復通常是指在自然或人工控制的條件下 利用特定的微生物降解 清除環(huán)境中污染物的技術(shù) 23 生物修復技術(shù)的特點 優(yōu)點 投資費用省 對環(huán)境影響小 能有效降低污染物濃度 適用于在其他技術(shù)難以應(yīng)用的場地 而且能同時處理受污染的土壤和地下水 局限性 需對具體地點的狀況和污染物進行詳細而昂貴的考察 微生物活性受溫度和其他環(huán)境條件的影響 某些情況下 生物修復不能去除全部的污染物 24 生物修復的分類 按作用方式中有無人為的有目的的活動分兩類 自然生物修復和人為生物修復 實際上一般分類為 植物修復 微生物修復以及動物修復 25 植物修復 植物修復過程中可以具體分為5種 植物轉(zhuǎn)化根濾作用植物輔助生物修復植物萃取植物固定 26 植物轉(zhuǎn)化 原理 植物轉(zhuǎn)化也稱植物降解 Phytodegradation 指通過植物體內(nèi)的新陳代謝作用將吸收的污染物進行分解 或者通過植物分泌出的化合物 比如酶 的作用對植物外部的污染物進行分解 植物轉(zhuǎn)化技術(shù)使用于疏水性適中的污染物 如BTEX TCE TNT等軍用排廢 對于疏水性非常強的污染物 由于其會緊密結(jié)合在根系表面和土壤中 從而無法發(fā)生運移 對于這類污染物 更適合采用之后提到的植物固定和植物輔助生物修復技術(shù)來治理 27 根濾作用 原理 借助植物羽狀根系所具有的強烈吸持作用 從污水中吸收 濃集 沉淀金屬或有機污染物 植物根系可以吸附大量的鉛 鉻等金屬 另外也可以用于放射性污染物 疏水性有機污染物 如三硝基甲苯TNT 的治理 進行根濾作用所需要的媒介以水為主 因此根濾是水體 淺水湖和濕地系統(tǒng)進行植物修復的重要方式 所選用的植物也以水生植物為主 28 植物輔助生物修復 原理 通過植物的吸收促進某些重金屬轉(zhuǎn)移為可揮發(fā)態(tài) 揮發(fā)出土壤和植物表面 達到治理土壤重金屬污染的目的 有些元素如Se As和Hg通過甲基化揮發(fā) 大大減輕土壤的重金屬污染 如B Juncea能使土壤中的Se以甲基硒的形式揮發(fā)去除 還有的研究表明煙草能使毒性大的二價汞轉(zhuǎn)化為氣態(tài)的零價汞 Rugh等將細菌的汞還原酶基因轉(zhuǎn)入Arabidopsistfialiana中 發(fā)現(xiàn)該植物對HgCl2的抗性和將Hg2 還原為Hg的能力明顯增強 這一方法只適用于揮發(fā)性污染物 植物揮發(fā)要求被轉(zhuǎn)化后的物質(zhì)毒性要小于轉(zhuǎn)化前的污染物質(zhì) 以減輕環(huán)境害 由于這一方法只適用于揮發(fā)性污染物 應(yīng)用范圍很小 并且將污染物轉(zhuǎn)移到大氣和 或 異地土壤中對人類和生物又一定的風險 因此 它的應(yīng)用將受到限制 29 植物萃取 原理 種植一些特殊植物 利用其根系吸收污染土壤中的有毒有害物質(zhì)并運移至植物地上部 通過收割地上部物質(zhì)帶走土壤中污染物的一種方法 植物提取作用是目前研究最多 最有發(fā)展前景的方法 該技術(shù)利用的是一些對重金屬具有較強忍耐和富集能力的特殊植物 要求所用植物具有生物量大 生長快和抗病蟲害能力強的特點 并具備對多種重金屬較強的富集能力 此方法的關(guān)鍵在于尋找合適的超富集植物和誘導出超級富集體 30 植物固定 原理 利用植物根際的一些特殊物質(zhì)使土壤中的污染物轉(zhuǎn)化為相對無害物質(zhì)的一種方法 植物在植物穩(wěn)定中主要有兩種功能 1 保護污染土壤不受侵蝕 減少土壤滲漏來防止金屬污染物的淋移 2 通過金屬根部的積累和沉淀或根表吸持來加強土壤中污染物的固定 應(yīng)用植物穩(wěn)定原理修復污染土壤應(yīng)盡量防止植物吸收有害元素 以防止昆蟲 草食動物及牛 羊等牲畜在這些地方覓食后可能會對食物鏈帶來的污染 然而植物穩(wěn)定作用并沒有將環(huán)境中的重金屬離子去除 只是暫時將其固定 使其對環(huán)境中的生物不產(chǎn)生毒害作用 但并沒有徹底解決環(huán)境中的重金屬污染問題 如果環(huán)境條件發(fā)生變化 重金屬的生物可利用性可能又會發(fā)生改變 因此 植物固定不是一個很理想的修復方法 31 植物修復的評價 優(yōu)點 花費低 適應(yīng)性廣 無二次污染物 缺點 修復周期長 對于深層污染的修復有困難 由于氣候及地質(zhì)等因素使得植物的生長受到限制 存在污染物通過 植物 動物 的食物鏈進入自然界的可能 32 微生物修復 微生物修復技術(shù)是指通過微生物的作用清除土壤和水體中的污染物 或是使污染物無害化的過程 它包括自然和人為控制條件下的污染物降級或無害化的過程 33 用于生物修復的生物 土著微生物外來微生物基因工程菌采用基因工程技術(shù) 將降解性質(zhì)粒轉(zhuǎn)移到一些能在污水和受污染土壤中生存的菌體內(nèi)定向地構(gòu)建高效降解難降解污染物的工程菌 用于生物修復的其他生物這些生物包括藻類 微型動物 植物等 34 適宜的環(huán)境條件 營養(yǎng)微生物的生長需要維持一定量的C N P營養(yǎng)物質(zhì)及某些微量營養(yǎng)元素 電子受體環(huán)境中的有機污染物在微生物的作用下被氧化分解時需耗氧 有毒有害有機污染物的化學性質(zhì)污染現(xiàn)場和土壤的特性 35 人工濕地系統(tǒng)污水處理中的微生物 人工濕地技術(shù)是20世紀70年代發(fā)展起來一項新型污水生態(tài)處理技術(shù) 所謂人工濕地 就是人工建造的 可控制的和工程化的濕地系統(tǒng) 人工濕地是一種經(jīng)濟適用的污水處理方法 其具有污泥減量化 處理高效性 運行和維護成本低廉 無化學污染和能源損耗 無臭氣等優(yōu)點 同時還可以作為城市景觀 人工濕地對污染物的凈化主要是通過植物 填料和微生物之間的物理 化學 生物作用得以實現(xiàn) 而微生物群體是維持濕地生態(tài)系統(tǒng)和實現(xiàn)生態(tài)凈化功能的重要組成 36 赤潮防治中的微生物 在赤潮藻的生消過程中 除了與環(huán)境中溫度 鹽度 光照 水深 營養(yǎng)物供應(yīng)等物理化學因素有密切關(guān)系外 還與大量不同種類的微生物共生 它們各自的代謝物可以對彼此產(chǎn)生有利或有害的影響 細菌代謝物可以有效地阻礙甚至終止藻類的繁殖 37 微生物修復展望 目前我們對于微生物的研究開發(fā)利用還是冰山一角 而我國又面臨著來自生活生產(chǎn)各個方面的嚴峻環(huán)境污染問題 所以進一步深入研究微生物的環(huán)境修復功能不僅具有很大潛力 而且時間很緊迫 任務(wù)很艱巨 在已有的研究基礎(chǔ)上 為了更好地提高微生物修復治理效果 獲得環(huán)境污染治理新突破 就要采用新的工藝手段 生產(chǎn)易于微生物降解的化合物 合成具有特殊降解能力的工程菌 38 氧化塘 人工濕地等水污染預處理技術(shù)生物氧化塘是一種利用生物天然凈化能力凈化污水的處理系統(tǒng) 可輔以人工曝氣 投加污染物和底泥高效降解菌劑 放養(yǎng)適生水生生物等強化措施 污水經(jīng)過氧化塘處理 可形成多級食物鏈組成的復合生態(tài)系統(tǒng) 這對城市水環(huán)境的生物修復極為有利 人工濕地利用基質(zhì)微生物 水生植物 動物符合生態(tài)系統(tǒng)的物理 化學吸收 動物消費和微生物分解來實現(xiàn)對污水的高效凈化 水污染控制中的生物修復技術(shù) 39 水生生態(tài)恢復技術(shù)水生生態(tài)恢復是提高城市水環(huán)境自凈能力 維護生物修復治理成果的必要措施 是生物修復的最高形式 通過生態(tài)恢復 使黑臭或富營養(yǎng)化水體向潔凈好氧生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化 提高水環(huán)境生物多樣性和自凈能力 40 水生植被恢復技術(shù)水生植被主要是指大型挺水植物 沉水植物 浮葉植物 漂浮植物等 水生植被恢復是城市水環(huán)境生物修復十分重要的環(huán)節(jié) 同時也是城市水質(zhì)污染重要的指標生物 41 生物修復的優(yōu)缺點 污染物可在原地被降解 就地處理操作簡便 對周圍環(huán)境干擾少 較少的修復經(jīng)費 僅為傳統(tǒng)化學 物理修復經(jīng)費的30 50 不產(chǎn)生二次污染 遺留問題少 能最大限度地污染物的濃度 42 局限性主要表現(xiàn)在 有些化學污染物不能采用生物修復處理 如一些重金屬 放射性核和一些氯化化合物等 在有些情況下 微生物對污染物的代謝可能產(chǎn)生一些有毒產(chǎn)物 生物修復是一種技術(shù)性較強的過程 需要現(xiàn)場特殊的條件配合 這意味著在進行現(xiàn)場凈化之前 需要先進行小規(guī)模的處理實驗 43 生物修復技術(shù)前需解決的問題 污染物的生物降解特性生物降解在現(xiàn)場自然進行的可行性自然條件對于生物降解適宜性沒有被生物完全降解廢物的歸宿這些問題都需要通過調(diào)查現(xiàn)場特性和進行處理實驗來解答 44 生物修復應(yīng)用成功案例 1989年Exxon石油公司的Valdez號油輪在美國威廉王子灣擱淺 導致了3 8萬噸原油的泄漏 Exxon公司最初用熱水沖洗海灘上的油污 此法花費昂貴 效果卻不明顯 后來 美國環(huán)保局和Exxon公司用從污染海灘分離的具有特殊的降解能力的細菌菌