生物修复技术对水体污染治理的应用

生物修复技术对水体污染治理的应用目录1.国内外生物修复现状2.水体污染现状3.生物修复技术简介4.生物修复技术应用成功的案例国内生物技术现状•我国生物修复技术研究与应用蓬勃发展。取得了显著成绩。其内容主要包括微生物修复技术、重金属污染的植物修复技术、矿山废弃地生态恢复技术、固体废弃物资源化技术、垃圾填埋场生态修复技术及湖沼生态恢复技术等。•在高效特异微生物与重金属超富集植物筛选及其机理研究上取得了一系列的突破，已筛选出近50种针对农药、石油、多环芳烃等有机污染物的高效特异菌种和As、Cd、Mn、Zn等12种重金属的超富集植物。•例如：上海泽龙生物工程有限公司系采用生物生态治理景观水的专业性科技型公司，“生物修复法治理景观水体污染技术”项目成果已通过上海市科学技术委员会鉴定（沪科鉴（2002）第0418），该项目达到国内先进水平生物修复的例子国外现状•欧洲各国如德国、丹麦、荷兰对生物修复技术非常重视，全欧洲从事该项技术的研究机构和商业公司大约有近百个，他们的研究证明，利用微生物分解有毒有害物质的生物修复技术是治理大面积污染区域的一种有价值的方法。美国国家环保局、国防部、能源部都积极推进生物修复技术的研究和应用。美国的一些州也对生物修复技术持积极态度，如新泽西州、威斯康星州规定将该技术列为净化受储油罐泄漏污染土壤治理的方法之一•源部制定了90年代土壤和地下水的生物修复计划，并组织了一个由联邦政府、学术和实业界人员组成的“生物修复行动委员会”(BioremediationActionCommittee)来负责生物修复技术的研究和具体应用实施。生物修复成功案例•JonE.Llidstrom等人在1990年夏到1991年应用投加营养和高效降解菌对阿拉斯加ExxonValdez王子海湾由于油轮泄漏造成的污染进行的处理，取得非常明显的效果，使得近百公里海岸的环境质量得到明显改善。水环境污染形势严峻•我国人均水资源占有量只有2300立方米，约为世界平均水平的1/4，排在第121位，是世界上13个贫水国家之一。地表水污染普遍，特别是流经城市的河段有机污染严重，湖泊营养化问题突出，地下水受到点源和面源污染，近岸海域水污染加剧；•有关专家甚至预测，中国解决水环境污染问题比解决缺水问题更加困难和艰巨。主要污染源•农业中化肥和农药的过量施用；•工业和城市的垃圾、污水侵入土壤和地下水；•大气沉降，包括“干降”和“湿降”，大气中的SO2和重金属等进入土壤和地下水，导致土壤“酸化”和重金属污染；•采矿废弃物，主要是重金属污染；•地下储罐和输送管线等。我国主要七大流域水质类别比例现状(共监测264个断面)Ⅴ类6.9%Ⅳ类21.6%Ⅲ类15.5%Ⅱ类25.9%Ⅰ类16.4%劣Ⅴ类13.8%水污染的总体形势工业点源和农业面源相互交织富营养化状况未有明显改观生活污染和工业污染相互叠加突发环境污染事件呈高发态势常规普通污染物和有毒有害物质相互并存化学需氧量3028.96万吨氨氮172.91万吨废水排放总量2092.81亿吨石油类78.21万吨总氮472.89万吨总磷42.32万吨重金属（镉、铬、砷、汞、铅）0.09万吨工业污染结构性问题明显•黄河中上游长期以来形成了以重化工为主的工业结构，煤炭、石油等资源开发强度大，利用效率较低，污染排放强度高。流域内化工、食品酿造、石油加工、炼焦、造纸等主导产业污染比较严重，部分企业工艺落后，原材料及水资源利用效率低，污染治理设施投入严重不足，有些企业甚至排放汞、镉、铅、砷、六价铬、挥发酚、氰化物等有毒有害物质，严重威胁饮水安全，容易发生水污染事故.主要污染物集中在少数行业，造纸、化工、纺织等行业化学需氧量、氨氮排放量占全部工业排放量的比例非常大。黄河流域饮用水水源水质安全依然面临威胁根据我部2007～2010年开展的饮用水水源基础环境状况调查显示，有五分之一左右的水源地存在污染物超标现象。河流型•氨氮•总氮•总磷•粪大肠菌群•CODMn•挥发酚•石油类湖库型•总氮•总磷•藻类地下水型•自然本底•氨氮•重金属目前饮用水水源地的环境管理还仅限于主要污染物，有毒有机污染物的监测与管理在大多数地方还未纳入工作范围•城市湖泊都已处于重富营养或异常营养状态，几乎丧失使用功能；•绝大部分大中型湖泊均已具备发生富营养化条件或处于富营养化状态。–1996年调查的26个国控湖泊（水库）中，总体处于富营养化的高达85%。–滇池80年代初为Ⅲ类水体，90年代后期全湖为劣类Ⅴ类水体，陷入重富营养化状态。巢湖、太湖也处于重富营养化。我国湖泊（水库）富营养化的严峻现状水华现象农业源污染日益突出根据第一次全国污染源普查结果，农业源污染物排放对水环境的影响较大，其化学需氧量、总氮和总磷排放量为1324.09万吨、270.46万吨和28.47万吨，分别占全国排放量的43.7%、57.2%和67.4%。广东韶关乳源水库内网箱养殖宁夏水源保护区内奶牛养殖场要从根本上解决我国的水污染问题，必须把农业源污染防治纳入环境保护的重要议程。突发水污染事件时有发生•1994年淮河水污染事件•2005年松花江重大水污染事件•2012年武汉水污染事件突发水污染事件时有发生松花江重大水污染事件突发水污染事件时有发生太湖发生蓝藻爆发事件阳宗海砷污染事件突发水污染事件时有发生生物修复(Bioremediation)：广义的生物修复通常是指利用各种生物（包括微生物，动物和植物）的特性，吸收、降解、转化环境中的污染物，使受污染的环境得到改善的治理技术，一般分为植物修复、动物修复和微生物修复三种类型。狭义的生物修复通常是指在自然或人工控制的条件下，利用特定的微生物降解、清除环境中污染物的技术。生物修复技术的特点•优点：投资费用省，对环境影响小，能有效降低污染物浓度，适用于在其他技术难以应用的场地，而且能同时处理受污染的土壤和地下水。•局限性：需对具体地点的状况和污染物进行详细而昂贵的考察，微生物活性受温度和其他环境条件的影响，某些情况下，生物修复不能去除全部的污染物。生物修复的分类•按作用方式中有无人为的有目的的活动分两类：自然生物修复和人为生物修复。•实际上一般分类为：植物修复，微生物修复以及动物修复植物修复•植物修复过程中可以具体分为5种：1.植物转化2.根滤作用3.植物辅助生物修复4.植物萃取5.植物固定植物转化•原理：植物转化也称植物降解(Phytodegradation)，指通过植物体内的新陈代谢作用将吸收的污染物进行分解，或者通过植物分泌出的化合物（比如酶）的作用对植物外部的污染物进行分解。植物转化技术使用于疏水性适中的污染物，如BTEX，TCE，TNT等军用排废.对于疏水性非常强的污染物，由于其会紧密结合在根系表面和土壤中，从而无法发生运移.对于这类污染物，更适合采用之后提到的植物固定和植物辅助生物修复技术来治理。根滤作用•原理：借助植物羽状根系所具有的强烈吸持作用，从污水中吸收，浓集，沉淀金属或有机污染物，植物根系可以吸附大量的铅，铬等金属.另外也可以用于放射性污染物，疏水性有机污染物(如三硝基甲苯TNT)的治理。进行根滤作用所需要的媒介以水为主.因此根滤是水体，浅水湖和湿地系统进行植物修复的重要方式，所选用的植物也以水生植物为主。植物辅助生物修复•原理：通过植物的吸收促进某些重金属转移为可挥发态，挥发出土壤和植物表面，达到治理土壤重金属污染的目的。有些元素如Se、As和Hg通过甲基化挥发，大大减轻土壤的重金属污染。如B.Juncea能使土壤中的Se以甲基硒的形式挥发去除。还有的研究表明烟草能使毒性大的二价汞转化为气态的零价汞。Rugh等将细菌的汞还原酶基因转入Arabidopsistfialiana中，发现该植物对HgCl2的抗性和将Hg2+还原为Hg的能力明显增强。这一方法只适用于挥发性污染物，植物挥发要求被转化后的物质毒性要小于转化前的污染物质，以减轻环境害。由于这一方法只适用于挥发性污染物，应用范围很小，并且将污染物转移到大气和（或）异地土壤中对人类和生物又一定的风险，因此，它的应用将受到限制。植物萃取•原理：种植一些特殊植物，利用其根系吸收污染土壤中的有毒有害物质并运移至植物地上部，通过收割地上部物质带走土壤中污染物的一种方法。植物提取作用是目前研究最多，最有发展前景的方法。该技术利用的是一些对重金属具有较强忍耐和富集能力的特殊植物。要求所用植物具有生物量大、生长快和抗病虫害能力强的特点，并具备对多种重金属较强的富集能力。此方法的关键在于寻找合适的超富集植物和诱导出超级富集体。植物固定•原理：利用植物根际的一些特殊物质使土壤中的污染物转化为相对无害物质的一种方法。•植物在植物稳定中主要有两种功能：•1.保护污染土壤不受侵蚀，减少土壤渗漏来防止金属污染物的淋移;•2.通过金属根部的积累和沉淀或根表吸持来加强土壤中污染物的固定。•应用植物稳定原理修复污染土壤应尽量防止植物吸收有害元素，以防止昆虫、草食动物及牛、羊等牲畜在这些地方觅食后可能会对食物链带来的污染。•然而植物稳定作用并没有将环境中的重金属离子去除，只是暂时将其固定，使其对环境中的生物不产生毒害作用，但并没有彻底解决环境中的重金属污染问题。如果环境条件发生变化，重金属的生物可利用性可能又会发生改变。因此，植物固定不是一个很理想的修复方法。植物修复的评价•优点：花费低，适应性广，无二次污染物。•缺点：修复周期长，对于深层污染的修复有困难，由于气候及地质等因素使得植物的生长受到限制，存在污染物通过“植物—动物”的食物链进入自然界的可能。微生物修复•微生物修复技术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级或无害化的过程。用于生物修复的生物土著微生物外来微生物•基因工程菌采用基因工程技术，将降解性质粒转移到一些能在污水和受污染土壤中生存的菌体内定向地构建高效降解难降解污染物的工程菌。•用于生物修复的其他生物这些生物包括藻类、微型动物、植物等。适宜的环境条件•营养微生物的生长需要维持一定量的C:N:P营养物质及某些微量营养元素。•电子受体环境中的有机污染物在微生物的作用下被氧化分解时需耗氧。•有毒有害有机污染物的化学性质•污染现场和土壤的特性人工湿地系统污水处理中的微生物•人工湿地技术是20世纪70年代发展起来一项新型污水生态处理技术。所谓人工湿地,就是人工建造的、可控制的和工程化的湿地系统。人工湿地是一种经济适用的污水处理方法,其具有污泥减量化、处理高效性、运行和维护成本低廉、无化学污染和能源损耗、无臭气等优点,同时还可以作为城市景观。人工湿地对污染物的净化主要是通过植物、填料和微生物之间的物理、化学、生物作用得以实现,而微生物群体是维持湿地生态系统和实现生态净化功能的重要组成赤潮防治中的微生物•在赤潮藻的生消过程中,除了与环境中温度、盐度、光照、水深、营养物供应等物理化学因素有密切关系外,还与大量不同种类的微生物共生,它们各自的代谢物可以对彼此产生有利或有害的影响,细菌代谢物可以有效地阻碍甚至终止藻类的繁殖。微生物修复展望•目前我们对于微生物的研究开发利用还是冰山一角,而我国又面临着来自生活生产各个方面的严峻环境污染问题,所以进一步深入研究微生物的环境修复功能不仅具有很大潜力,而且时间很紧迫,任务很艰巨。在已有的研究基础上,为了更好地提高微生物修复治理效果,获得环境污染治理新突破,就要采用新的工艺手段,生产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。氧化塘、人工湿地等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、放养适生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。水污染控制中的生物修复技术水生生态恢复技术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