5章 原位生物修复

第五章原位生物修复InsituBioremediation原位生物修复原位修复时在污染源就地处理污染物的一种生物处理技术，包括自然修复和工程修复两种过程，是最常见的生物修复形式。主要是指在人为控制条件下进行•(1)不饱和土壤•(2)饱和土壤•(3)地下水中污染物的生物降解与污染治理。•原位生物修复的主要过程是投加营养物质、提供氧源（通常是H2O2）、接种特殊微生物。•原位修复不需将污染物转移，具有省时、高效的优点。缺点是过程难以控制。•原位生物修复中，氧的传输和土壤的渗透性是成功的关键。原位修复的主要处理法有•生物通风法(bioventing):对不饱和土壤•生物搅拌法(biosparging):对饱和土壤部分打入空气•泵处理法：抽出法第一节水力学控制•原位生物修复设计的第一阶段是选择隔离和控制污染带的技术。•水力学控制对移动或阻止地下水流、提高和降低水位及控制污染羽流等都是必需的。•流体力学隔离系统的费用一般比物理遏制结构要低,也更灵活.•水力系统除了能隔离污染带以外，还是过程控制的重要手段;•系统包括注入井、回收井以及控制进出污染区传质可能的障碍;•补给水使用经过处理的回用水或未受污染的水源水;•补给水流中可以含有营养盐、基质和电子受体输入亚表层，还可以加微生物接种体。•水力控制设计需要了解现场的水文地质。含水层反应试验、示踪试验、水力模型是比较常用的手段。•注入速率影响降解速率，流速影响溶质和气体的传输速率、接触时间，最佳注入速率一般用水力模型难以预测，必须依靠现场监测。第二节亚表层供给系统•原位生物修复的基质（生物修复控制剂）供给系统种类方法重力法淹灌、塘灌、表面喷灌、渗滤沟、渗滤床强制法水泵注入、空气真空、空气注入1重力注入•地表重力供给系统法适合于浅层废物沉积、高渗透性场所和局部的污染.•即对渗流带的效果较好,在饱和带重力法充分混合较难,要充分考察后使用.•寒冷天气是一个限制因素.设计重力供给系统应该考虑的主要问题：•电子受体和营养盐的供应速率、渗入速率•污染概况(地点、深度、污染带)•场地特征(水力传导特性、降水量、孔隙度)•含水层厚度•电子受体、营养盐以及基质的需要量应根据污染物的质量或呼吸试验计算得到。•如果重力法供应的物质速率可满足有机物降解速率，则可采用重力法；如果达不到要求，则需用强制法。•在重力供应系统中，受电子受体供应速率的限制，修复速率很慢。虽然每月投入的人力物力很少，但耗时长，最后总费用可能会超过其它供给系统。重力法渗透供给系统与修复项目密切相关:首要考虑是污染物是在渗流带还是在饱和带，重力法在渗流带、饱和带和两者均可用。第二考虑是电子受体如何携带。如果水仅携带营养，气则要另外注入，那么不饱和带就要保持较高的透气率。如果电子受体由水携带，那么就要以最快的速度下渗。2强制注入•强制注入在过程控制中较为灵活。但浅水注入点限制注入系统的水头和注入井影响的区域。•注入井，回收井壁一般要考虑作密封处理,防止气体或水向上渗透.在原位生物修复中各种不同的影响带生物修复的影响带经常是根据携带氧浓度所确立的(1mg/L):•氧影响带决定了强制注入井的间隔以及井的投资(井的材质、深度）;•理想的注入井和回收井之间的距离，应是能使营养液在注入后6周内达到污染区,但要注意营养液在此期间的损耗;•化学品迁移时间和反应速率可以根据可处理性研究和泵试验估算，但必须经现场监测证实。3回收系统•回收技术也分重力法和强制法种类方法重力法沟渠，埋管强制法井点，土壤渗滤仪，深井泵现水位原水位回收井4注入井和回收井的构造•指井的排列形式;•各个场地的特征导致井的形式各异;•可根据模拟地下水流的形式设计井系统。线性规划结合地下水流模型，或非线性规划结合地下水流模型和平流迁移模型。影响因子：•含水层水力传导性的变异性•亚表层的运移时间•抽取速率•污染物的分布•表层和亚表层的结构原位生物修复的注入井和回收井的一般类型致密含水层的注入井-回收井形式垂直水力循环系统强制注入和回收可与重力供给结合使用:•污染物在地下水面以上,可以抽气供氧,渗漏沟供营养盐;•污染物在渗流带和饱和带,可注水提升,或抽真空注入空气,或在渗流带抽气,在饱和带注水.۞特定微生物反应也可决定注入和回收形式:Ө共代谢、硝酸盐和硫酸盐还原菌以及多种代谢方式需要在设计中考虑促进微生物生长的措施。Ө某些化合物的矿化需要既有厌氧代谢又有好氧代谢。Ө原位处理中要求顺次厌氧和好氧代谢系统使设计和运行很困难。这段距离与地下水流量和脱卤作用速率有关显著的脱卤作用应当发生在转化化合物达到第二排过程控制井以前第三节阻塞控制运行过程中可能的问题时含水层和注入井的阻塞（clogging）。主要类型有:1.悬浮固体阻塞2.生物阻塞3.化学阻塞1.悬浮固体阻塞•控制注水中固体浓度2mg/L，或浊度应低于1NTU.•技术：控制pH，使用过滤器，避免氢氧化物的沉淀.2.生物阻塞A.注入井的滤网阻塞•加入氧和营养盐后会刺激井滤网上和周围含水层中生物生长•也可在筛网和钻孔处加入杀菌剂，通常采用过氧化氢处理•为了减少注入井阻塞，使用脉冲法分别以一定的间隔分别注入电子受体和营养盐，分开注入是避免注入点的生物最佳生长条件脉冲注入电子受体和基质防止注入阻塞双脉冲注入系统须选择：♫基质和氧各个脉冲的比率根据化学反应计算得到♫整个脉冲长度可用生物修复剂的迁移模型确定♫周期频率B.铁细菌铁细茵的生物阻塞是水井和地表处理系统运行维护的普遍问题，水中铁含量很低的情况下就可以使膜生物反应器阻塞反应式为:3.化学阻塞营养盐、基质、氧和生物活性在含水层中的相互作用复杂多变，了解其中的化学沉淀阻塞的机制非常困难可处理性研究和地球化学平衡模型可以评价含水层化学物质对注水混合的可能影响离子交换对阻塞本身没有显著影响，主要注意的问题是氧化还原电位和营养盐的加入引起的后续变化和反应•注入前的可处理性研究要评价在实际土壤样品中的化学反应•所有加入化学品都要评价•最好分别注入化学品而非混合注入A.氧化还原电位•25℃下铁溶解度与pH值和pE关系•图中①、②、③为采样点位FeSFeSB.营养盐•磷酸盐是引起含水层阻塞的另一化学因素。磷酸盐不能注入到石灰性土壤，否则会被吸附沉淀。•生物所需磷酸盐与沉淀反应常有矛盾.第四节原位氧源۩好氧微生物中氧通常是限制因子可通过强制手段加入分子氧也可通过化学反应加入系统选择氧供应系统应按考虑的因素:•污染负荷需氧量•设计降解速率•氧转移速率•氧源传输利用的难易•氧源的费用供氧方式•井孔通气•含氧水的注入•过氧化氢的注入•生物通气•生物注气1.井孔通气•井孔通气是结构最简单、价格低廉的系统，可通过多孔气泡装置将空气扩散到井孔中。•向井水中注气可使用金刚砂扩散器、多孔石、环带金属、碳化硅扩散器等－使空气气泡更细小，便于溶解。2.含氧水注入•用泵打入饱和含氧水是最常见的供氧注入速率/(L/min)单井供氧量/(kg/d)通气水(DO=10mg/L)含氧水(DO=50mg/L)4.50.01440.07245.50.1440.724551.447.2含氧水注入供应的氧井孔通气、含氧水注入存在的问题:•生物阻塞常抑制气流进入井孔，解决办法是将注气器提出清洗和用化学品处理井。•供氧速率低是其主要缺点，1m3烃类污染的土壤需要有20万m3饱和含氧水，解决办法是用过氧化氢和土壤通气方式注入氧。烃类矿化需要供给的氧量和硝酸盐量电子受体浓度和载体载体/烃类(质量)O2（空气）8mg/L,水40万O2（纯O2）40mg/L,水8万O2（过氧化氢）100mg/LH2O2,水6.5万500mg/LH2O2,水1.3万硝酸盐50mg/L,水9万O2（空气）20.9%,空气133.过氧化氢注入•质量比为1:0.47•需要有饱和的亚表层•需要强制注入•主要问题是控制分解速率使用中需注意的问题:•土壤酶促反应、一些金属、高pH值都可使过氧化氢分解•土壤降解限制了使用浓度，干净砂为500mg/L,其他为100mg/L•过高有毒性,且各类细菌耐受能力不同•磷酸盐可使过氧化氢稳定时间加长,宜采用简单－复杂磷酸盐混合物4.生物通气•是向亚表层供给空气或氧气，促进不饱和层中污染物生物降解的技术地下水未饱和土壤水位污染区域注入井引风机引风机基本生物通气处理系统示意图5.生物注气•是将空气压人饱和层水中，使挥发性化合物进入不饱和层进行生物降解，同时使饱和层也得到氧气有利于生物降解.•扩大了生物降解的面积，使饱和带和不饱和带的土著菌都发挥作用地下水未饱和土壤水位污染区域注入井引风机引风机生物注气处理系统示意图第五节生物通气•生物通气可以很好的应用到不饱和带土壤的污染物好氧降解•主要适用于烃类治理•费用低，设备易于维护•主要作用:供氧、去除挥发性有机物回收井回收气处理有机污染物生物通气的应用性排序化合物评价1三氯乙烯中2甲苯好3苯好4PCBs差5氯仿中6四氯乙烯差7酚好81,1,1三氯乙烷中排序化合物评价9乙苯好10二甲苯好11二氯甲烷中12反-1,2-二氯乙烯中13氯乙烯中141,2二氯乙烷中15氯苯中基本生物通气处理系统示意图基本生物通气中去除效果与气流速率的关系无抽气井的生物通气处理系统无抽气井的生物通气中去除效果与气流速率的关系改进型生物通气系统۞生物通气的设计根据现场需氧量和供氧能力来设计需要估算供氧的影响半径，并在现场运行时监测影响半径根据土壤气体压力、氧气浓度和气流确定，还可根据气体渗透性试验确定注气或抽气近8h，然后在多个监测点测压力变化推荐的监测点间隔稳定态土壤渗透性计算公式:۞氧源的费用和选择۩生物注气费用•注气系统最重要的运行费用是维护压缩机、扩散器和井筛网•注入含氧水费用较低，运行费用主要是生物阻塞；注入过氧化氢运行费用很高•主要的建设费用是泵，维护应简单，能耗应最低。۩生物通气费用•比注气和注含氧水问题少•但排放气体处理费用很高۞现场监测原位生物修复的监测必须设计为多目标:•环境影响评价•整个的过程控制•记录下清除的水平费用要比地表处理系统的监测多得多第六节物料需要量计算•物料有：电子受体、电子供体、主要基质、pH调节剂和营养盐。•这些计算是确定处理过程设备大小和费用的基础。设备包括管道、泵损失控制和化学品贮备容器等。۩电子受体和营养物的需要量估算过程:•首先，根据现场试验数据了解污染物和有效营养物的种类和浓度•第二步是将现场数据转化为污染物的质量负荷(等浓度钱)•第三步就是推导用于生物修复的电子受体和营养物的比,需要书写平衡的氧化还原方程۩几种计算通式:1.电子供体的半反应HD2.电子受体半反应HA3.细胞合成方程CS1.电子供体的半反应HD式中:2.电子受体半反应HA3.细胞合成方程CS在不同氧化还原反应中用于生物量合成的能量系数电子受体fsSO42-0.04-0.2CO20.04-0.2O20.12-0.6(Ave.0.5)NO3-0.1-0.5计算示例:电子受体和营养物土壤受烃类污染的总污染物浓度为7000mg/kg，各种烃的浓度如下:解答过程如下：•步骤1:平均化学结构式0•步骤2确定最合适的电子受体和烃类混合物的代谢方式答：氧为电子受体•步骤3选择合适的氮源答：氨和硝酸盐均可，本例选氨•步骤4选择适当的能量转换系数•答：烃类氧化快，fs选0.5，则fe也为0.5•步骤5写出半反应方程和细胞生长方程•步骤6总反应方程•步骤7确定质量比•总分子量98•根据总反应方程式可计算原位修复实例•胡广仁（1993）•北京某水厂附近一加油站•两个柴油灌漏油78吨，25天后距离漏油点105米的供水井中检出油，一座5000吨的储水池及1000米以上的输水管道被污染，水厂被迫停工。•处理：采用帷幕注浆换土，和抽水控制污染物迁移。•作业：选择一种有毒污染物质，介绍两种不同的修复技术；及这两种修复技术间的差异（如介质不同、浓度不同等）。打印两页以内，手写三页以内，第9周周3交。可到中国期刊网上查相关资料。•本周5上课地点有变。•本周5第2节课进行前三章的课堂测验。