1、土壤污染微生物修复 技术与原理原位微生物修复原位微生物修复 原位微生物修复的内容：设计建立对亚表层环境控 制有效的供应系统、回收系统和监测系统，将电子 受体、微生物营养和活性微生物有效地输送至受污 染的目标区域。原位微生物修复的目标:通过控制调控亚表层环境 使微生物降解达到最佳状态。原位微生物修复的优点：它能使对修复场地的干扰 破坏达到最小。典型原位生物修复系统：第一节 水力学控制原位生物修复设计的第一个阶段是选择隔离 和控制污染带的技术。水力学控制对移动或阻止地下水流、提高或 降低水位以及控制污染羽流动都是必需的。隔离污染羽的常用方法是进行水文干预。流 体力学隔离系统的费用一般比物理遏制结构
2、 要低，系统更灵活。水文控制系统一般为中间抽水，四周注水。最理想的情况是污染带完全隔离，未控制的地下水可以进 入污染羽流，但是污染地下水不会从修复区流出。第二节 亚表层供给系统 供给系统要以最有效的方式向污染带供给生物修复 控制剂，并使其在微生物活动区域均匀分布；同时 保证损失最小、阻塞最小。注入系统有重力法和强制法两种。一、重力注入 重力供给系统适于浅层废物沉积、高渗透性场所和 局部的污染。影响重力注入的因素：气候、降水量、土壤渗透性 和有机负荷。重力供给系统可行性评价：最重要的方面是有机负 荷，有机负荷太高不适合。电子受体和营养盐的供应速率：根据土壤渗漏速率、水力传导性、吸附速率以及衰减速
3、率来确定的。设计重力供给系统必须考虑的内容：电子受体和营养盐的供应速率；污染的地点与深度；维持的渗入速率；场地的水力传导性(垂直与水平)；污染带的构造-空间尺度、沉积厚度；地下水深度；亚表层的孔隙度和一致性；降水量和冻土层厚度；现场地表地形；含水层厚度。二、强制注入 强制注入速率和位置：是可以控制的，注入井可以安 装在任何深度。注入井修复影响带：由于降解速度受氧限制，生物修 复影响带经常是根据携带浓度1 mg/L氧的距离所确 立的，氧影响带决定强制注入井的间隔以及井投资。注入井和回收井间的距离：应该是能使营养液在注入 后6周内达到污染区。三、回收系统 回收技术分重力法和强制法 重力回收取决于截
4、留的来自污染带的浓度逐 渐降低的地下水。强制回收系统可使用吸取提升和标准的井泵。强制回收四、注入井和回收井的构造 典型的井的类型抽出井注入井注入-回收井对升梯度注入井和 降梯度回收井线交错注入井-回 收井系列和降梯 度回收井组合沿羽流边界的注入 井和回收井系列第三节 阻塞控制 运行中可能的问题是含水层和注入井的阻塞。主要的阻塞原因与悬浮固体、生物生长和含 水层化学有关。一、悬浮固体阻塞 注入水通常是来自回收系统，容易造成悬浮固体阻塞。悬浮固体来源是回收井的粘土、絮凝物或生物生长物。回收水化学处理或生物处理时，生物生长、生物絮凝或 化学絮凝会产生悬浮固体。含水层中pH和氧化还原电 位的改变会产生
5、氢氧化铝或铁沉淀而产生阻塞。注水中悬浮固体浓度应低于2.0mg/L。浊度可用作为控 制指标，应低于1浊度单位(NTU)。推荐使用过滤器处 理回收水。二、生物阻塞1、注入井的滤网 原位生物修复运行时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使微生物易阻塞 注入井。使用脉冲注入法可减少注入井阻塞。电子受体和 营养盐分别以一定的间隔分别注入。分开注入生 物修复剂可消除注入点的最佳生长条件所以不利 于生物生长。2、铁细菌 铁细菌生长也引起生物阻塞。水中铁含量很低的 情况下就可以使生物膜反应器阻塞。主要优势菌为锈色嘉利翁氏菌(Gallionellaferruginea)和纤发菌属(Lepto
6、thrix)。使亚铁氧化，铁离子形成铁氧化物水铁矿(Fe5HO84H2O)其溶解性很低(Ksp=10-40)：4Fe2+O2+4H4Fe3+2H2O5Fe3+12H2O Fe5HO84H2O+15H三、化学阻塞 化学反应有氧化、还原、沉淀和离子交换。对大 多数含水层，离子交换对阻塞没有显著影响。最 主要问题是氧化还原电位和营养盐加入的变化。氧化还原电位变化含氧水注入后还原条件变为氧化条件，氧化反应包括铁、硫化物和氨等的氧化。很多地下水含铁氧化形成沉淀。Fe2+被氧化为Fe3+，形成Fe(OH)3。营养盐 磷酸盐是引起含水层阻塞的重要化学因素。正磷酸 盐浓度只要不超过10mg/L就会使沉淀达到最
7、小，但 是由于亚表层磷酸盐转移困难，这一浓度对生物修 复来说可能很不够。磷酸盐不能注入到石灰性土壤，否则会被吸附沉淀。可以用其他磷酸盐进行生物修复，如三聚磷酸钠、焦磷酸盐(P2O74-)和三偏磷酸盐(P3O93-)。第四节 原位氧源在选择氧供应系统时，应按下列标准评判：污染负荷的需氧量；自然有机沉积的需氧量；设计降解速度；每种方法供应的氧转移速率；氧源传输利用的难易；氧源的费用。原位氧源可以通过强制手段将分子氧加入系统，或 通过化学反应加入系统(如用过氧化氢)。与降解速率有关的最终需氧量决定了供氧速率。供 氧应和需氧平衡，才能使生物修复的清除时间达到 最佳。太低的供氧速率会使修复时间延长，太高
8、的 供氧速率又会增加修复成本。供氧方式：井孔通气，含氧水注入，H2O2注入，通 气，注气。污染物位置和需氧速率，决定了使用什 么样的供氧方式。1、井孔通气：可通过多孔气泡装置将空气扩散到井孔中，具有结构简单、价格低廉的优点。注气装置可使用金 刚砂扩散器、多孔石、碳化硅扩散器等。2、含氧水的注入：用泵将饱和含氧水打入含水层。为了防 止生物阻塞，将注气器提出清洗和用H2O2处理。供氧速 率低是其主要缺点。3、H2O2的注入：土壤酶促反应使H2O2分解，高pH值也可 加速分解。可以考虑通过选择营养盐的种类阻止H2O2分 解，使用磷酸盐可使H2O2稳定传输较长距离。第五节 原位共代谢 多数生物修复项目
9、用污染物作为主要基质，但某 些污染物，如氯代烃，则需要共代谢系统，共代 谢需要注入主要基质。如果污染物是石油烃和氯化有机物的混合物，石 油烃可以作为氯化烃代谢菌的能源和碳源进行共 代谢。生物修复还用硝酸盐为电子受体。如用硝酸盐作 为电子受体，注入乙酸盐作为主要基质可促进氯 代烃的共代谢。第六节 生物通风生物通风法由土壤气相抽提法（SVE）发展而 来，通过向土壤中供给空气或氧气，依靠微生物的 好氧活动，促进污染物降解；同时利用土壤中的压 力梯度促使挥发性有机物及降解产物流向抽气井，被抽提去除。关键技术参数或指标影响因 素技术指标技术参数土壤理 化性质 因素土壤的气体渗透率土壤含水率土壤温度土壤的
10、pH营养物的含量土壤氧气/电子受体土壤的渗透率一般应该大于 0.1 达西。一般认为含水率达到15-20时，生物修复的效果最好。大多数生物修复是在中温条件（20-40）下进行的，最 大不超过40。大多数微生物生存的pH 范围为5-9一般认为，利用微生物进行修复时，土壤中C:N:P的比 例应维持在100:5-10:1除了用空气提供氧气外，还可采用H2O2、Fe3+、NO3-或 纯氧作为电子受体污染物 特性因 素污染物的可生物降解性污染物的浓度污染物的挥发性生物降解性与污染物的分子结构有关，通常结构越简单，分子量越小的组分越容易被降解。土壤中污染物浓度水平应适中。一般来说挥发性强的污染物通过通风处理
11、易从土壤中脱 离微生物一般认为采用生物降解技术对土壤进行修复时土壤中土著微生物的数量应不低于 因素105数量级应用情况生物通风技术的处理周期与污染物的生物可降解性相关，一般处理周 期为6-24 月。处理成本（包括通风系统、营养水分调配系统、在线监测系统）与工 程规模等相关，根据国外场地处理经验，处理成本约为13-27 美元/m3。异位微生物修复 异位微生物修复是指将被污染介质(土壤、水体)搬 动和输送到它处进行微生物修复，强调人为调控和 创造更加优化的降解环境。一般受污染土壤较浅，而且易于挖掘，或污染场地 化学特性阻碍原位生物修复就采用异位微生物修复。异位微生物修复技术：预制床法（土地耕作）、
12、堆 制处理、生物反应器（泥浆相处理）一、土地耕作 土地耕作是在上层土壤进行的生物修复过程，原位 或易位生物修复都可以。通过耕翻，促进微生物对 有害化合物的降解。一般只适用于上层30cm土壤。设备：农用机械。土地耕作的设计和运行：土壤耕作床通常用砂子或土壤作为底层，底层可以保护粘土 层防止机械损伤。污染土壤挖出后，必要时过筛，放在砂床上；加入的营养盐一般是化肥，直接施用干粉或配成水溶液后施 用。使用微生物接种可以缩短驯化期，提高反应速率。施用所有的添加剂以后，耕、耙污染土壤。监测土壤污染物随时间的消失过程，以及渗透液样品随水的 损失量。堆制处理分为两个阶段：第一阶段高速降解，微生物活动强烈，耗氧
13、和降解速率很高，可通过强制通风或频繁混合供氧，需 注意高温和气味产生。第二阶段低速降解，可通过自然对流供 氧。微生物活动减少、温度不高、气味不重。堆制系统的疏松剂：有木片、树皮块、锯末、树叶、秸秆、橡 胶轮胎块等，增加介质孔隙度，降低水分，大多可充当额外的 碳源和能源。疏松剂筛分回收常用振动床、旋转筛或筛网。现代堆制处理系统通常分为三种：条形堆系统；静态堆系统；反应器系统。二、堆制处理（1）条形堆系统 污染土壤与疏松剂混合后，用机械摊成条。最大尺寸一般为1.2-1.5 m高、3.0-3.5 m宽。每天倒翻混合以保持好氧状态。机械混合使用铲车或特殊设计的设备。在不透水的地面上放 置疏松剂，再将土
14、壤或污泥放在上面，然后两层混合。（2）静态堆系统静态堆系统利用强制通气使较大的堆好氧分解。（3）反应器系统 反应器系统多使用先进混合设备，如碾磨式和犁片式混合器，反应器系统运送物料使用皮带传送机、螺旋推进传送机、槽带传送机和链条传送机。反应器系统堆制的高速发酵阶段是在封闭的反应器中进行。第二阶段(熟化阶段)可以在反应器内，也可以在外部堆放。反应器有两种类型：推流式(垂直或水平)和搅动床式。推流式 反应器中混合物料以水平方向或从上至下经过反应室。搅动 床式反应器使用机械在原地或移动混合堆料。水平推流式反应器物料运输由可移动地板或液压活塞执行搅动床式反应器使用搅拌螺旋加料器（1）堆温控制 堆温会影
15、响三方面：第一，达到一定的温度会将病原体杀死；第二，温度超过60会产生明显的气味，注意操作控制气 味；第三温度超过60 会使生物降解速率明显下降。生物系统都有温度上限，超过温度上限生物生长急剧下降。温度上升造成微生物多样性下降，也造成降解速率下降。因 为有害化合物的降解更需要混合的同生菌。堆制过程控制（2）堆龄控制 虽然新堆生物量高，但陈堆中污染物降解速率要高一倍。原 因是新堆中的有机质妨碍了污染物的降解。同样，较高的天 然有机质也会阻碍污染物的降解。（3）水分、pH值、物料平衡和生物需氧控制 应选择确保靶标化合物降解的参数，可以不以温度为基础。堆制混合物的最佳组分（有机能源和疏松剂）根据可处
16、理性 研究确定。即在实验室内根据耗氧速率确定最佳的混合比例。生物堆土壤堆体抽气系统营养水分调 配系统渗滤液收集 处理系统在线监测系 统堆制系统构成主要设备抽气风机、控制系统、活性炭吸附罐、营养水分添加泵、土 壤气监测探头、氧气、二氧化碳、水分、温度在线监测仪器技术参数内容污染物生物可降解性对于易生物降解有机物（如石油烃、低分子烷烃等）效果 较好；对于POPs等难降解有机处理效果有限污染物初始浓度土壤污染物初始浓度过高时影响微生物生长和处理效果，需要采用清洁土或低浓度污染土对其进行稀释。土壤通气性土壤渗透系数应不低于10-8 cm/s，否则应采用添加木屑、树叶等膨松剂增大土壤的渗透系数。土壤营养
17、物质比例土壤中碳:氮:磷的比例宜维持在100:10:1,以满足好氧微生物 的生长繁殖以及污染物的降解。微生物含量一般认为土壤微生物的数量应不低于105 数量级。土壤含水率宜控制在90%的土壤田间持水量。土壤温度和pH温度宜控制在 3040范围，pH 宜控制在6.0-7.8。堆体内氧气含量运行过程中应确保堆体内氧气分布均匀且含量不低于7%。土壤中重金属含量土壤中重金属含量不应超过2500 mg/L。生物堆制关键技术参数应用情况该技术处理周期一般为1-6 个月。在美国应用的成本约为130-260 美元/m3，国内的工程应用成本约为300-400元/m3。特定场地生物堆处理的成本和周期，可通过实验室
18、小试或中试结果进行估算。泥浆相系统比固相系统具以下优点：较高和均匀的处理控制；促进有机化学品溶解；土壤颗粒物理分解；增加微生物与污染物的接触；有利于表面活性剂应用；使营养物、电子受体和主要基质分布均匀；加快生物降解速率。三、泥浆相处理泥浆相系统也有一些缺点：增加了能耗；增加了物料处置过程；需要固液分离过程；增加了水处理过程；增加了处理费用：泥浆相系统的处理费用要比土地耕作、堆制高得多，但比焚烧、溶剂萃取和热解吸处理要便宜得多。泥浆生物反应器泥浆反应器包括：池塘、开放式反应器和封闭式反 应器。处理步骤：铲挖污染土壤、筛除直径大于1.2cm的石 块，制成泥浆。泥浆相含水量为60-95(质量分数)，
19、依生物反应器性质而定。反应器可以是设计的容器，也可以是已有的湖塘。除了反应器以外，还要有沉淀池和脱水设备。微生物修复的机理一、污染物进入微生物细胞的过程1、主动运输(activate transport)微生物在生长过程中所需要的各种营养物质主要以 主动运输的方式进入细胞内部。主动运输的特点：逆梯度运输；依赖于膜运输蛋白；需要代谢能，并对代谢毒性敏感；具有选择性和特异性。主动运输中能量来源载体蛋白功能能量来源Na+-K+泵Na+的输出和K+的输入 ATP细菌视紫红质H+从细胞中主动输出光能磷酸化运输蛋白细菌对葡萄糖的运输磷酸烯醇式丙 酮酸Na+-葡萄糖泵协 同运输蛋白Na+-葡萄糖同时进入 细
20、胞Na+离子梯度F1-F0 ATPaseH+质子运输，H+质子梯度驱 动2、被动扩散 被动扩散(passive transport)是物质通过细胞膜含水小孔由 高浓度的胞外向低浓度的胞内扩散。这种扩散是非特异性 的，物质在扩散运输的过程中既不与膜上的分子发生反应，本身的分子结构也没有任何变化。扩散的速度取决于细胞膜两边该物质的浓度差，当细胞膜 内外的物质浓度相同时，该物质运输的速度降低到零，达 到动态平衡。因为扩散不消耗能量，所以通过被动扩散而 运输的物质不能进行逆浓度梯度的运输。3、促进扩散 促进扩散(accelerative diffusion)与被动扩散类似，在运输过程中不需要消耗能量，
21、物质本身在分 子结构上也不会发生变化，不能进行逆浓度运输，运输速度取决于细胞膜两边的物质浓度差。促进扩散需要借助于位于细胞膜上的一种载体蛋 白参与物质的运输，并且每种载体蛋白只运输相 应的物质。促进扩散对被运输物质有高度的立体 结构专一性。4、基团转位 基团转位（functional groups transference)是另一 种类型的主动运输。在物质运输过程中，除了物 质分子发生化学变化外，其他特点都与主动运输 相同。溶质分子发生化学修饰-定向磷酸化，主要依赖磷 酸烯醇式丙酮酸（PEP）和磷酸转移酶系统（PTS），如糖的衍生物、嘌呤、嘧啶及乙酸等运输。5、胞饮作用 胞饮作用（pinocy
22、tosis）也叫内吞作用，是指物质 吸附在质膜上，然后通过膜的内折而转移到细胞内 的攫取物质及液体的过程。假丝酵母摄取烷烃的途径是胞饮作用，机制包括：第一，通过疏水表面突出物作用把烷烃吸附到细胞 表面；第二，烷烃通过孔和沟穿透坚硬的酵母细胞 壁，而聚集在细胞质表面；第三，通过未修饰烷烃 的胞饮作用把烷烃转移到细胞内的烷烃氧化部位。二、微生物对重金属污染物的修复(一)甲基化作用汞、镉、铅、砷等金属或类金属离子都能够在微 生物的作用下发生甲基化反应。金属甲基化 最常甲基化元素依次是汞、砷和硒，其次是碲、铅和镉。金属甲基化可以使金属挥发。如硒甲基化形成可挥发的二甲 基硒和二甲基二硒。金属甲基化可以是
23、去毒的过程，可以保护生物体免受有毒金 属的毒害。如二甲基硒比无机硒有较低的毒性，因此可以利 用甲基化过程修复硒污染。但其他金属甲基化过程可以大大地增强毒性。如汞甲基化导 致毒性增加并在生物体富集，日本水俣病就是典型的例子。细菌和真菌的不少种类可使金属甲基化。假单胞菌属能够使许多金属或类金属离子发生甲基化反应。甲基化过程中需要甲基钴胺素作为一种甲基传递体存在。金属去甲基化 去甲基化作用导致金属-甲基键的断裂。如甲基汞(CH3Hg)有机汞水解酶的作用下形成Hg2+和CH4，再进一步还原为可 挥发的Hg0。修复甲基汞污染点的一种方法是促进去甲基和汞还原，再收 集挥发汞。微生物对汞的解毒现象比较普遍；
24、有些微生物只能对无机汞 化合物进行还原解毒，而对甲基汞、乙酸汞等有机汞则无能 为力，这是因为其体内缺乏有机汞裂解酶基因(MerB).(二)还原作用微生物还能够将高价金属离子还原成低价态，将有机态 金属还原成单质。有些金属在这个过程中毒性消失。直接还原-酶作用还原性有机质或氢的氧化与Fe3+或Mn4+的还原偶联。多价金属还原，如U6+-U4+,Cr6+-Cr4+,Se6+-Se0,As3+-As0。间接还原-硫化物沉淀金属污染物可以被硫酸还原菌等间接还原作用去除。主要 通过细菌异化硫酸盐使硫酸盐还原为S2-。硫化物与金属污染物，像Ag、Cd、Ce、Ca、Hg、Ni、Pb、Se、Sr和Zn反应形成
25、不同的金属硫化物。Mn2+和Sn3+毒性分别比Mn4+和Sn4+大。微生物能够 氧化Mn2+和Sn3+，成为毒性较小的Mn4+和Sn4+。化能自养菌可以氧化还原无机化合物获得能量。如 铁氧化硫杆菌可从氧化硫化物和Fe2+中获得能量。这类细菌可以耐受很低pH(2.5)和高浓度(0.5 mol/L)的硫酸。硫酸可使Ag、Cd、Ce、Cu、Ca、Hg、Ni、Pb、Se、Sr、U和Zn等金属溶解。这个过程称为 生物浸矿(bioleaching)。(三)氧化作用 微生物吸附主要是生物体细胞壁表面的一些具有 金属络合、配位能力的基团起作用，这些基团通 过与吸附的重金属离子形成离子键或共价键来达 到吸附重金
26、属离子的目的。微生物累积主要是利用生物新陈代谢作用产生的 能量，通过单价或二价离子的转移系统把重金属 离子输送到细胞内部。（四）吸附与累积作用 细胞壁成分、色素、多糖、金属结合蛋白、铁载体都能与 重金属、类金属、金属有机物结合。微生物在结合无机污染物上表现出选择性，并甚于大多数 合成的化学吸着剂。微生物对金属的吸着和积累主要取决 于不同配位体结合部位对金属的选择性。细胞外部吸着金属的量会超过根据细胞壁电荷密度估计的 量，金属可能先和细胞壁上带电荷的部分结合，然后以最 初结合的金属作为核心部位沉淀更多的金属。三、微生物对有机污染物的修复 微生物降解有机污染物有两种方式：（1）通过微生物分泌的胞外
27、酶降解，如水解酶等；（2）污染物被微生物吸收到微生物细胞后，由胞内 酶降解，如氧化还原酶等。微生物降解有机污染物的基本反应类型（一）氧化作用(1)醇的氧化(2)醛的氧化(3)甲基的氧化(4)氨的氧化(5)亚硝酸的氧化(6)硫的氧化(7)铁的氧化(8)-氧化(9)氧化去烷基化(10)硫醚氧化(11)过氧化(12)苯环羟基化(13)芳环裂解(14)杂环裂解(15)环氧化(二)还原作用(1)乙烯基的还原(2)醇的还原(3)醌类的还原(4)芳环羟基化(5)双键还原作用。(6)三键还原作用。(三)基团转移作用 (1)脱羧作用 (2)脱氨基作用(3)脱卤作用(4)脱烃作用(5)脱氢卤(6)脱水反应(四)水解作用(1)酯类的水解(2)胺类水解(3)磷酸酯水解(4)腈水解(5)卤代烃水解去卤(五)酯化作用(六)缩合反应(七)氨化作用羧酸与醇发生酯化反应。乙醛在酵母作用下缩合成3羟基丁酮。丙酮酸在酵母作用下氨化生成丙氨酸。(八)乙酰化作用克氏梭菌等可进行乙酰化作用。(九)双键断裂反应偶氮染料在厌氧菌作用下，先发生脱氯反应生成两个中间产物，再经好氧过程进一步生物降解。(十)卤原子移动卤代苯、2，4D等污染物降解时可进行 此反应。
