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1、土壤中有机污染物的微生物修复,土壤中有机污染物的微生物修复,微生物修复的发展历史 微生物修复概述 影响因素 原（异）位强化微生物修复技术 微生物修复的优缺点 研究趋势及发展 3 Cases About In-Situ Bioremediation,微生物降解有机污染物的技术在废水处理中的应用已有几十年的历史，而将微生物降解技术有意识地大规模地应用于受污染的土壤治理仅仅是十几年的事。 美国、日本、欧洲等发达国家对微生物修复技术进行研究，并完成了一些实际的处理工程,结果表明这种技术是有效的、可行的。 80年代以后基础研究的成果被应用于大范围的污染治理，并取得了相当的成功，从而发展成为一种新的生物治
2、理技术。,美国环境保护局在阿拉斯加Exxon Vadez 石油泄漏的生物修复项目中，短时间内消除了污染，改善了环境，为生物修复提供了一个成功的例证。自1991年以来已经举行2次国际学术会议，1993年4月在美国的圣地亚哥举行的第2次国际讨论会，有26个国家的1100多位代表参加。 生物修复技术被人们称为生物处理技术的里程碑，已经得到世界环保部门的认可，并引起工业界的关注。 预计生物修复服务和产品平均每年增长15%，到1995年美国全国的营业额可达3亿美元。,环境微生物修复 是指通过微生物的作用清除土壤和水体中的污染物，或是使污染物无害化的过程。 它包括自然和人为控制条件下的污染物降解或无害化过
3、程。,微生物修复的分类 按场址：原位生物修复和异位生物修复 按条件：自然修复（土著微生物） 人工控制修复（外源微生物） 人工控制修复也称强化生物修复（enhanced bioremediation）或工程化的生物修复（engineered bioremediation） 强化生物修复：生物刺激（biostimulation） 生物强化（bioaugmentation）,自然修复（利用土著微生物）的环境条件 有充分和稳定的地下水流 有微生物可利用的营养物质 有缓冲PH的能力 有使代谢能够进行的电子受体 如果缺少一项条件，将会影响微生物修复的速率和程度。特别是对于外来化合物，如果污染新进发生，很少
4、会有土著微生物能降解它们，所需要加入有降解能力的外源微生物。,生物修复中的基本概念 生物刺激（biostimulation） 满足土著微生物生长所必需的环境条件，诸如提供电子受体、供体，氧以及营养物质等。 生物强化（bioaugmentation） 需要不断地向污染环境投入外源微生物、酶、其他生长基质或氮、磷无机盐。,原位生物修复（in-situ bioremediation） 污染在原地点进行，不挖出或抽取需要修复的土壤及地下水，采用一定的工程措施，利用生物通气、生物冲淋等一些方式进行。 异位生物修复（ex-situ bioremedation） 需要挖掘土壤或抽取地下水，将污染物移动到邻近
5、地点或反应器内进行。显然，这用处理更好控制，结果容易预料，技术难度较低，但投资成本较大。 可以通过土壤堆、泥浆反应器和厌氧处理。,微生物修复机理 共代谢（co-metabolism） 对于一些污染物，微生物虽然可以降解他们，但却不能利用该污染物作为碳源合成自身生长所需要的有机质，因此需要另外的生长基质维持自身的生长。 矿化作用（mineralization） 指有机物在微生物的作用下彻底分解为H2O、CO2和简单的无机化合物的过程，是彻底的生物降解（终极降解)，可从根本上清除有毒物质的环境污染。实质都是酶促反应。,修复中的微生物 细菌：好氧细菌、厌氧细菌、兼氧细菌 细菌可以在污染条件下，不断适
6、应环境，产生降解能力。如通过特定酶的诱导和抑制产生基因突变，通过质粒转移获得利用特定污染物的能力。 真菌：软腐菌、褐色菌、白腐菌 真菌对于一些大分子化合物表现出很强的降解能力，它们都以降解木质素而著称。,营养物质 微生物分解有机污染物一般利用有机污染物做为碳源，但是微生物将有机污染物转化为其自身增长的生物质，还需要其他营养元素。 典型的细菌细胞组成为：50%C、14%N、3%P、2%K、1%S、0.2%Fe、0.5%Ca、Mg、Cl。 确定添加营养盐的形式、合适的浓度以及适当的比列，才能更好地大搞效果。,电子受体（主要为种类和浓度） 微生物氧化还原反应的最终电子受体分为三大类，包括溶解氧、有机
7、物分解的中间产物和无机酸根（如NO3-、SO42-、CO32-），第一种为有氧过程，而后两种为无氧过程。 可以将压缩空气送入土壤，添加过氧化物及其它产氧剂等。厌氧环境中CH4、NO3-、SO42-和Fe3+子等都可以作为有机物降解的电子受体。 当所加H2O2的量适当时，土壤样品中烃类污染物的生物降解速率较加入前增加3倍。这是因为H2O2不仅能直接降解部分有机污染物，还能为生物降解提供所需的电子受体。,污染物的性质 对于微生物修复技术，污染物的可降解性是关键。 污染物对生物的毒性以及其降解中间产物的毒性，也是决定微生物修复技术是否适用的关键。 污染物的其它性质，也很重要。如污染物的挥发性，如果一
8、个化学物质挥发性太高，往往挥发部分就大于降解部分，造成污染从土壤迁移到大气中，而并非降解。 另外，微生物往往只能利用土壤溶液溶解态的污染物。,环境条件 土壤颗粒物的性质：有机质及粘土含量等。 有机质含量及结构决定着微生物的吸附特性，从而决定生物降解的可利用性。 介质条件：酸碱度、温度、湿度、孔隙率等。 生物降解必须在一定的湿度条件下进行，湿度过大或过小都会影响生物降解的进程，于酸碱度和温度相比，具有较大的可调性。,微生物的协同作用 一种或多种微生物为其他微生物提供B族维生素、氨基酸及其它生长因素。 一种微生物将目标化合物分解成一种或几种中间有机物，第二种微生物继续分解中间产物。 一种微生物通过
9、共代谢作用对目标化合物进行转化，形成中间产物不能被其进一步降解，只有在其他微生物的作用下才能得到彻底分解。 一种微生物分解目标化合物形成有毒中间产物，使分解率下降，其他微生物则可能以这种有毒中间产物作为碳源加以利用。,其他影响因素 修复工程的现场气象因素，如风速、常年风向、大气湿度和降水情况等。 水文地质因素，如不渗水层与含水层的深度、地下水位(要考虑季节因素)和地下水流类型与特点、地面冻土深度以及洪水频度等等，都对一个修复工程起着重要的作用。,生物强化法 生物强化（bioaugmentation） 指在生物处理体系中投加具体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除
10、去。 微生物的来源：原有体系的生物强化、外源微生物 前提：获得高效作用于目标降解物的菌种。 微生物强化的方法 用目标降解物驯化、诱导、富集、筛选和培养达到一定数量。,基因工程菌 利用降解质粒的相容性，把能够降解不同有害的质粒组合到1个菌种中，组建一个多质粒的新菌种。 可采用质粒分子育种，即在选择压力的条件下，在恒化器内混合培养，使微生物发生质粒相互作用和传递，缩短了自然进化所需的时间，以达到加速培养新菌种的目的。 降解性质粒DNA体外重组，是再体外对生物大分子DNA进行剪切加工，将不同来源的DNA重新接连，转移到受体细胞中，通过表达复制，是细胞获得新的遗传性状。 原生质体融合技术。,生物强化的
11、影响因素 驯化过程中的底物浓度往往过高，微生物投加之后是否能够降解低浓度的底物是必须要考虑的问题。 投加后的微生物面临的是一个复杂的生态环境，有竞争也有捕食的可能。因此，投加的微生物必须在处理构筑物中保持一定的代谢活力，维持一定的数量。,生物培养法（bioculture） 定期的向污染环境投加H2O2和营养物，以满足污染环境中已经存在的降解菌的需要，使微生物把污染环境中的污染物彻底矿化成CO2和H2O。投菌法（landing farming） 直接向污染的环境中接入外源的污染降解菌，同时提供这些细菌生长所需的营养。,生物通气法（bioventing） 主要用于修复挥发性有机污染的地下水水层上部
12、通气层的土壤。 这种处理要求土壤具有多孔结构以利于微生物的快速生长。另外，污染物应具有一定的挥发性才适合于通过真空抽提加以去除。 生物通气法的主要制约因素是影响氧和营养物迁移的土壤结构，不适的土壤结构会使氧和营养物在到达污染区之前被消耗。,回收气处理,回收井,有机污染物生物通气的应用性,基本生物通气中去除效果与气流速率的关系,生物注射法（biosparging） 该方法适用于处理受挥发性有机物污染的地下水及上部土壤。处理设施采用类似生物通气法的系统。 这里的空气是经过加压后注射到污染地下水的下部，气流加速地下水和土壤有机物的挥发和降解。 也有人把生物注射法归于生物通气法。,生物冲淋法（biof
13、looding） 该方法大多用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。 将含有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。,土地耕作法法（land farming） 是对污染土壤进行生物耕犁处理。 在处理过程中施加肥料、灌溉、石灰，从而尽可能的为微生物代谢提供一个良好的环境。使其有充足的营养、水分和适宜的PH，保证生物降解在土壤的各个层面上都能发生。 优点是简单经济、但污染物有可能从处理地转移。 一般污染土壤的渗滤性较差，土层较浅，污染物有比较容易降解的情况。,堆肥法（composting
14、） 是处理固体废弃物的传统技术，同于受石油、洗涤剂、多氯烃、农药等污染土壤的修复处理。 将污染土壤和水（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，同时以石灰调节PH。 堆肥法包括：风道式堆肥处理、好气静态堆肥处理、机械堆肥处理。,生物反应器法（bioreactor） 把污染物转移到反应器中完成微生物代谢过程。 使用于地表土和水体的污染。 类型：土壤泥浆生物反应器（soil slurry bioreactor） 预制床反应器（prepared bed reactor）,厌氧处理 对某些具有高氧化状态的污染物的降解，比好氧处理更为有效。（如三硝基甲苯、PC
15、B等） 总体来说，好氧处理在生物修复中使用比厌氧处理广泛。 严格的厌氧条件难于达到，厌氧过程中会产生一些毒性更大、难降解的中间产物，厌氧发酵的最终产物是H2S和CH4也存在毒性和风险。,微生物修复的优点 生物修复可以现场进行，可以减少了运势费用和人类直接接触污染物的机会。 生物修复经常以原位方式进行，这样可以使对污染位点的干扰或破坏达到最小。 生物修复有机物分解为CO2和H2O,可以永久性的消除污染物和长期的隐患，无二次污染物，不会使污染转移。 生物修复可于其他技术结合使用，处理复合污染。 降解过程迅速，费用低，只是传统物理、化学费用的30%50%。,微生物修复的局限性和缺点 不是所有的污染物
16、都适合于生物修复。 有些化学品经微生物降解后，其产物的毒性和迁移性比原化合物反而增减。 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。,高效降解菌株的筛选和基因工程菌的开发。 新型营养物质的开发。 拟降解对象的物理化学性质。 近年来，一些新技术特别是生物技术如基因工程、酶工程、细胞工程等被吸纳运用于生物修复，提高了该技术的处理效率，使得可行性与有效性逐渐加强，降低了处理成本。 生物修复技术具有广阔的应用前景,但不是万能的,只有同物理和化学处理方法组成统一的处理技术体系,才能更好、更有效地修复污染土壤。,Bioremediation (Enhanced In-Situ)
17、,Applicability Enhanced in situ aerobic bioremediation is used primarily to treat nonhalogenated semivolatile organic compounds (SVOCs) such as diesel fuel and heavy fuel oil. These contaminants readily and directly metabolizable and often require only oxygen addition to stimulate biodegradation. Co
18、metabolic treatment is primarily used for chlorinated volatile organic compound (VOC) and SVOC contamination. Treatment of chlorinated solvents such as trichloroethylene (TCE) requires the addition of a cosubstrate such as methane, propane, or toluene. Cometabolic treatment of other SVOCs can requir
19、e structural analogs for stimulation of contaminant degradation. The technology is applicable at sites where the aquifer characteristics are such as to allow effective delivery and mixing of the amendments, and where regulatory constraints do not preclude the technology.,Cost,Costs: $1 - $25 per pou
20、nd of contaminant removed In many cases, enhanced in situ treatment can provide a more cost-effective alternative to pump-and-treat methods that employ technologies to achieve aboveground treatment. The costs are dependent on the specific requirements of installation such as the depth to, and the la
21、teral extent of, the contaminant plume. The technology becomes more cost competitive with larger more concentrated plumes and when amendment delivery is not impeded by site constraints such as hydrogeologic considerations and/or surface logistical concerns such as buildings or other infrastructure.
22、The cost for enhanced in situ biotreatment can range between $1 and $25 per pound of contaminant removed. The major cost items included in the cost estimate range for enhanced in situ aerobic bioremediation are designated below.,Major Cost Items to Implement Enhanced In Situ Aerobic Bioremediation,D
23、uration The length of time required for treatment can range from 6 months to 5 years and is dependent on many site-specific factors, including the following:,Cleanup goals The volume of in situ media requiring treatment Achievable biodegradation rates Contaminant concentrations and distribution In s
24、itu characteristics including permeability and anisotropy Presence of noncontaminant oxygen sinks Amendment delivery capacities.,Very high contaminant concentrations, which may be toxic to microorganisms. Concentrations of hydrogen peroxide greater than 100 to 200 ppm in groundwater inhibit the acti
25、vity of microorganisms. Treatment fluid flow must be controlled to avoid contaminant escape from zones of active biodegradation. Subsurface heterogeneity can make it difficult to deliver amendments throughout the different zones of contamination, resulting in rapid remediation of the higher permeabl
26、e zones and much slower remediation of the tighter zones where advective flow is limited. Low-permeability soils are difficult to treat.,Limitations,Both biotic and abiotic sinks for oxygen can increase costs and operation and maintenance duration. Iron precipitation and/or other changes in groundwa
27、ter chemistry can cause permeability reductions and result in reduced ability to deliver amendments. Amended oxygen can be consumed very rapidly near the injection well, which creates two significant problems: biological growth can be limited to the region near the injection well, limiting adequate
28、contamination/microorganism contact throughout the contaminated zone; and biofouling of wells can retard the input of nutrients. A surface treatment system, such as air stripping or carbon adsorption, may be required to treat extracted groundwater prior to re-injection or disposal Heavy metals are n
29、ot treated by this method and can be toxic to microorganisms.,Bioventing,Applicability Conventional bioventing techniques are used primarily to treat aerobically biodegradable compounds such as nonhalogenated volatile organic compounds (VOCs) and semivolatile organic compounds (SVOCs). Compounds tha
30、t have been successfully remediated include petroleum hydrocarbons, nonchlorinated solvents, some pesticides, and wood preservatives. Cometabolic bioventing is applicable to contaminants such as trichloroethylene (TCE), trichloroethane (TCA), ethylene dibromide, and dichloroethylene (DCE) that resis
31、t direct aerobic degradation.,Costs: $10 to $50 per cubic yard.The major cost items included in the cost estimate range for bioventing and cometabolic bioventing are designated below:,Cost,Cleanup goals The volume of in situ media requiring treatment Contaminant concentrations and distributions Achi
32、evable biodegradation rates In situ characteristics including permeability and anisotropy,Duration Bioventing is a medium- to long-term technology. Cleanup ranges from 6 months to 5 years. The duration of operation and maintenance is dependent on the following conditions:,Limitations,The presence of
33、 the water table within several feet of the surface can reduce bioventing performance. Vapors can build up in basements within the radius of influence of air injection wells, a problem that can be alleviated by extracting air near the structure of concern. Subsurface heterogeneity can interfere with
34、 efficient aeration of the contaminated zone. Low-permeability soils are difficult to treat.,Low soil moisture content may limit biodegradation and the effectiveness of bioventing, which tends to dry out the soils. Off-gas monitoring at the soil surface may be required when soils are aerated through
35、 air injection. Aerobic biodegradation of many chlorinated compounds may not be effective unless either a co-metabolite is present or an anaerobic cycle is used. Low ambient temperatures can significantly decrease biodegradation rates. Heavy metals are not treated by this method and can be toxic to
36、microorganisms.,Land Farming,Applicability Land application is used primarily to treat aerobically biodegradable compounds such as nonhalogenated volatile organic compounds (VOCs) and semivolatile organic compounds (SVOCs).,Cost $40 to $80 per cubic yard with minimal leachate control. $135 to $270 p
37、er cubic yard with extensive leachate control and treatment. The major cost items included in the cost estimate range for land application are designated below.,Pretreatment Activities Included in Cost,Duration Land application is a medium- to long-term technology. Operation and maintenance duration
38、 for land application ranges from 6 months to 5 years. The duration of operation and maintenance is dependent on the following conditions:,Cleanup goals Concentration and types of contaminants Climate (i.e., temperature, winds, and rain) Degradation rates Tilling frequency.,Limitations,Very high con
39、taminant concentrations may be toxic to microorganisms. The method is not suitable for treating high hazard or toxic contaminants. A large amount of space is required. Runoff collection facilities must be constructed and monitored. Fine particulate in the soil may cause dust generation when tilling
40、dry soil. Topography, erosion, climate, soil stratigraphy, and permeability of the soil at the site must be evaluated to determine the optimum design of the facility. Heavy metals are not treated by this method and can be toxic to microorganisms. Debris greater than 60 mm in diameter typically must be removed prior to processing.,欢迎大家提问！ 提供宝贵的意见！,THANKS,
