微生物修复污染地下水技术

微生物修复硝基苯污染地下水摘要：硝基苯是一种普遍的、高毒性的、地下水中常见的环境有机污染物，硝基苯进入地下水后，破坏地下水资源，并通过饮用水或食物链进入人体，造成多种疾病，因此硝基苯污染地下水亟待有效修复。原位生物修复技术被认为是最具有发展潜力的绿色地下水修复技术。本文介绍了几种微生物修复的方法。关键词：硝基苯地下水原位微生物修复方法Abstract：Asacommon,hightoxicityenvironmentalorganicpollutant,nitrobenzenehasbeendetectedfrequentlyinorganiccontaminatedgroundwater.Nitrobenzeneingroundwaterwouldresultinthedestructionofgroundwaterresources,andcausehumandiseasesthroughdrinkingwaterorfoodchain.Basedonthesereasons,itissignificanttoremediatenitrobenzene-contaminatedgroundwatereffectively.In-situbioremediationtechnologyisconsideredasthemostpotentialandgreenremediationtechnology.Thisarticledescribedseveralmicrobialmediationmethods.Keywords:nitrobenzenegroundwaterIn-situbioremediationtechnologymethods我国90%的城市地下水均受到不同程度的污染，其中60%地下水已受到严重污染。据我国195个抽样点地下水污染调查结果表明，我国97%的城市地下水明显受到污染，40%的城市地下水污染仍有加剧的趋势。地下水中有机物污染普遍、危害性巨大，随着地下水污染事故的不断发生，地下水污染的防治及修复已迫在眉捷。地下水的污染具有复杂性、隐蔽性和难以恢复等特点，一旦地下水遭受了污染，其恢复和净化的过程是漫长的，而且其处理技术难度大、治理费用昂贵。1.地下水污染修复技术目前较典型的地下水污染修复技术约有十多种，修复技术根据技术原理可分为四大类，即物理法、化学法、生物法和复合修复技术。按修复方式可分为异位修复技术和原位修复技术。1.1地下水异位修复地下水异位修复是将污染物先用收集系统或抽提系统转移到地上，然后再处理的技术[1]。该技术根据地下水污染范围，在污染场地布设一定数量抽水井，通过抽取污染地下水，使污染晕范围和污染程度逐渐减小，并使含水层介质中的污染质通过水泵和水井随同地下水抽取上来，然后利用地面净化设备治理，最后将处理后的污染地下水直接排入地表径流、回灌到地下或用于当地供水等。常用的地下水异位修复技术是抽出-处理技术。1.2地下水原位修复地下水原位修复技术是指在基本不破坏土体和地下水自然环境条件下，对受污染对象不作搬运或运输，而在原地进行修复的方法[2,3]。该方法较异位修复直接、快速、经济、效果好，较常用的地下水原位修复技术有原位曝气技术、渗透性反应墙修复技术、反应带技术、原位生物修复技术等。原位修复技术不但可以节省处理费用，还可减少地表处理设施的使用，最大程度地减少污染物的暴露和对环境的扰动。1.2.1原位曝气技术原位曝气技术是在土壤修复方法——土壤气相抽提技术（SVE）的基础上发展起来的。其原理是：将压缩后的空气注入地下水污染晕中，空气在地下水中向四周扩散并形成气泡，气泡在上升过程中可将地下水中挥发性有机物蒸汽一起带出并离开地下水，耦合SVE技术，将含有机污染的抽出气体进行集中处理，以达到地下水修复净化效果[4]。原位曝气技术不仅可以有效地吹脱地下水中的挥发性有机物，而且可以向原本缺氧的地下水系统供氧，使地下水溶解氧含量急剧上升，地下水处于好氧状态。氧气可有效地激活土著微生物，促进微生物的生长和繁殖，从而提高有机物生物降解效率。一般来说，有机污染物更容易在好氧条件下进行生物降解，并彻底地降解分解为无毒无危害的二氧化碳和水[5]1.2.2可渗透反应墙技术可渗透反应墙技术在目前的地下水污染修复中被广泛研究和应用[6]。所谓可渗透反应墙，即在污染地下水流向的垂直方向人工构筑一堵“墙”，根据地下水污染特点，在该“墙”体内安装有污染物吸附剂、氧化/还原剂、鳌/络合剂、污染物高效降解菌以及微生物生长所需营养、释氧剂等，并且该“墙”应具有较大的渗透性（至少大于含水层），当污染的地下水流经此“墙”时，污染物或被吸附剂截留固定在吸附填料上，或被氧化剂氧化分解，或被还原剂还原以降低污染风险，或与鳌/络合剂反应，污染物（主要是重金属）以鳌/络合物稳定形态存在以降低污染危害，或被微生物降解，生成无毒无危害的二氧化碳和水。因此，在构筑可渗透反应墙修复地下水时应注意三个关键点，一是“墙”，二是“可渗透的”，三是“反应”即具有活性的。“可渗透的”、“反应”这两个关键点已在上面叙述，下面探讨有关“墙”的问题。1.2.3反应带技术反应带技术是在可渗透反应墙技术的基础上发展起来的一种新型实用的地下水修复技术[7]。该技术即在地下水污染晕上适当布井，形成一系列井群，然后在井中装填类似可渗透反应墙介质填料，即形成反应带。当污染物随地下水流经反应带时，污染物与井中的介质填料发生物理化学变化或者生化降解，原理同可渗透反应墙技术，即达到污染物去除目的。1.2.4地下水原位生物修复技术原位生物修复地下水技术一般是指利用地下水中土著微生物或人工筛选培养的高效降解菌株，在原地下水环境中来生物降解水中污染物[8]。目前，原位生物修复技术已被普遍认为是最具有发展潜力的地下水绿色修复技术，主要是因为该技术与物理、化学方法相比，有着以下一系列的优点[9]：①同其它原位修复技术相同，修复过程在现场进行，降低了了工程造价以及减少了人体直接接触污染物的机会，对环境扰动小；②生物修复可使有机物被降解矿化为二氧化碳和水,从根本上消除了污染物，解除了对环境和人类的危害风险，修复过程无二次污染；③该技术可与其它地下水污染修复技术相结合,可处理复杂的、高强度的污染；④修复过程易于维护和管理，费用低,仅为传统物理、化学修复的30%～50%。2.原位修复硝基苯污染地下水2.1硝基苯污染地下水硝基苯是一种常见的、广泛使用的化工原料，主要应用于苯胺生产，染料、除草剂、杀虫剂、橡胶、炸药、医药等合成。在硝基苯生产过程中，由于硝基苯废渣的淋滤作用以及含硝基苯废水的排放，导致大量的硝基苯通过包气带进入地下水系统。环境突发性事故也是地下水硝基苯污染的重要来源。例如，2005年11月吉林双苯厂爆炸事件，导致大量的硝基苯进入地表水体和地下水系统，地下水中硝基苯检出最大浓度达到200mg/L以上[7]；2006年4月徐州发生一起硝基苯泄漏事故，在泄漏地点周围造成严重的硝基苯污染，其中事故发生地排污口黄河水中的硝基苯超标25倍，西苑桥西北10m处市政排污沟内硝基苯质量浓度为9.61mg/L。由于硝基苯有一定的水溶性，地表水体中的硝基苯通过包气带土壤迁移至地下室是在所难免的。地下水中硝基苯是一种有毒的、持久性难降解的有机污染物，已被许多国家列为环境优先控制污染物[7,10]。我国又是一个水资源匮乏的国家，因此硝基苯对地下水的污染亟待修复解决。2.2原位可渗透反应墙修复以物理化学活性材料或者固定化硝基苯降解菌的介质为可渗透反应墙的填料，当含硝基苯的地下水流经墙体时，硝基苯可以被物化材料或被吸附或被转化，或者被微生物降解矿化[11]。仲建强等[12]采用先化学反应墙后生物反应墙的序批式技术原位修复了硝基苯污染地下水，化学反应墙填料为零价铁，目的是将难生物降解的硝基苯还原为易生物降解的苯胺，然后苯胺和残留的硝基苯在后续的生物反应墙（填料为硝基苯、苯胺固定化活性炭）内被活性炭吸附，并被微生物降解，硝基苯最终去除率达到99.4%。孟庆玲等[13]将铁屑、活性碳与沥青(沥青为黏合剂)高温焙烧制成组合材料作为可渗透反应墙介质，用来原位修复硝基苯污染地下水，结果该组合材料可有效地将地下水中的硝基苯还原为苯胺，最终优化条件下硝基苯的转化率可达到93.26%。2.3原位反应带修复原位反应带技术与原位可渗透反应墙技术去除污染物原理基本相似，只是工艺在外在表现形式有所不同。关于采用反应带技术原位修复硝基苯污染地下水研究也已有报道。王显[7]提出并采用组合型化学与生物反应带修复硝基苯污染地下水，化学反应井的填料是零价铁和椰壳炭，旨在将硝基苯还原为苯胺，生物反应井填料是固定化硝基苯和苯胺降解菌的活性炭，可将残留的硝基苯和硝基苯转化的苯胺进行生物降解，最终地下水中硝基苯浓度可从118.02mg/L降低到0.20mg/L。2.4原位生物修复目前原位生物修复硝基苯污染地下水的报道较少，包括仲建强等所报道的生物反应墙法和王显胜研究的生物反应带法。虽然这两种技术均取得了较好的硝基苯去除效果，但一般只适用于污染集中、污染晕小的场地，并且安装时费用较高，对环境有一定的干扰和破坏，固定化微生物填料需要及时更换以确保效果和不被堵塞。3.探究土著微生物修复硝基苯污染地下水[14]3.1土著微生物修复硝基苯污染地下水研究思路首先采用变性梯度凝胶电泳分析硝基苯污染地下水微生物群落结构及组成，荧光定量PCR考察地下水微生物是否含有硝基苯降解基因及降解菌；然后采用添加激活剂的方式室内模拟强化自然生物修复硝基苯污染地下水，研究其修复效果及其微生物活性、群落结构与降解基因丰度变化等；最后采用投菌法强化硝基苯污染地下水的原位生物修复，研究其修复效果，并研究投加菌在地下水中的演变规律以及与土著微生物之间的关系。通过分析硝基苯污染地下水微生物群落特点，分析激活土著微生物及投菌法原位生物修复硝基苯污染地下水实效性，最终提出一套较为完整的硝基苯污染地下水原位生物修复技术。3.2土著微生物ZG菌培养从硝基苯污染的地下水中筛选出一株以硝基苯为唯一碳源和氮源好氧硝基苯降解菌，命名为ZG菌，该菌为革兰氏阴性短杆细菌，含有硝基还原酶基因，降解硝基苯遵循半还原代谢途径。ZG菌具有一定的环境变化耐冲击能力，在温度10~30℃、pH4~9、硝基苯初始浓度≤600mg/L的范围内，ZG菌均可有效地降解硝基苯，并且在20℃、pH为7、底物浓度≤300mg/L时，其降解效果最好，硝基苯降解率达到99%以上。3.3曝气-投菌修复工艺原理曝气-投菌修复地下水硝基苯去除率达到89.92%，硝基苯残留浓度低于4.16mg/L。曝气明显改变硝基苯污染地下水微生物群落结构，与天然地下水微生物群落结构相似性仅为42.6%，曝气激活了ZG菌和其它微生物并成为优势物种。向硝基苯污染地下水单一曝气后，微生物脱氢酶活性提高了76.25%；单一投加ZG菌后，脱氢酶活性提高了82.50%；曝气同时投加ZG菌，微生物脱氢酶活性提高了138.75%~356.25%。总之，原位生物修复技术是一类经济、可行、有效、绿色的硝基苯污染地下水修复技术，其修复方法包括强化自然生物修复技术和强化人工生物修复技术。在实际修复过程中，可根据实际情况选择直接强化人工生物修复或者采用先自然生物修复降低硝基苯浓度后强化人工生物修复策略。参考文献[1]冉德发,王建增.石油类污染地下水的原位修复技术方法论述[J].探矿工程(岩土钻掘工程),2005,(6):208.[2]KarnBarbara,KuikenTodd,OttoMartha.Nanotechnologyandinsituremediation:areviewofthebenefitsandpotentialrisks[J].Environmentalhealthperspectives,2009,117(12):1813-1831.[3]WangLi-Qun,LuoLei,MaYi-Bing,etal.Insituimmobilizationremediation