1、第第1616章章 生物修复的可处理性生物修复的可处理性及工程设计及工程设计 内容 一、可处理试验的目的一、可处理试验的目的 二、可处理试验的内容二、可处理试验的内容 三、可处理试验方法三、可处理试验方法 四、生物修复工程设计四、生物修复工程设计一、可处理试验的目的一、可处理试验的目的 在设计修复工程以前，必须首先确定不同修复在设计修复工程以前，必须首先确定不同修复技术，物理、化学、生物的适用性。所以，应技术，物理、化学、生物的适用性。所以，应回答如下问题：回答如下问题：污染物的性质污染物的性质 污染物的浓度和分布污染物的浓度和分布 现场微生物活性现场微生物活性 现场水力学特性现场水力学特性 现
2、场氧化还原电位现场氧化还原电位 土壤和水的特性土壤和水的特性 养分的有效性养分的有效性可处理试验研究的目的主要是：可处理试验研究的目的主要是：收集污染物和污染现场的特性数据用以评估（生收集污染物和污染现场的特性数据用以评估（生物）修复技术的可行性和局限性，保持（生物）物）修复技术的可行性和局限性，保持（生物）修复系统效率最大化修复系统效率最大化；提供污染物在（生物）修复过程中的行为和归宿提供污染物在（生物）修复过程中的行为和归宿数据；数据；评价（生物）修复所能达到的速度和程度；评价（生物）修复所能达到的速度和程度；评价修复过程中可能出现的问题；评价修复过程中可能出现的问题；评估修复时间、达到的
3、程度及费用。评估修复时间、达到的程度及费用。1.现场调查现场调查 2 生物过程评价生物过程评价 3.原位生物修复评价原位生物修复评价 4 过程（工程）控制评价过程（工程）控制评价 “一查三评价一查三评价”二、可处理试验的内容 目的：目的：1）收集使生物处理过程最优化的信息；）收集使生物处理过程最优化的信息；2）收集控制环境条件使之维持最佳条件）收集控制环境条件使之维持最佳条件的信息的信息1.现场调查1.现场调查 类别项目污染物的性质挥发性有机化合物、半挥发性有机物、杀虫剂和除草剂PCBs、金属、氰化物或烃类污染物的浓度和分布地下水文概况流向、梯度、承压水或非承压水地质概况表1 初步现场评估数据
4、 方法：方法：1）调查、资料查阅）调查、资料查阅 污染物的性质和浓度分布、泄露、年代污染物的性质和浓度分布、泄露、年代 从水文地质环保等部门查阅有关资料从水文地质环保等部门查阅有关资料 2）采样分析）采样分析 对土壤和地下水（井水）取样分析。对土壤和地下水（井水）取样分析。3）现场研究）现场研究 流体压力测定，了解地下水性质流体压力测定，了解地下水性质2 生物过程评价 需要解决的问题：需要解决的问题：微生物可利用的碳源和能源微生物可利用的碳源和能源 可利用的电子受体和氧化还原条件可利用的电子受体和氧化还原条件 现有微生物活性和可能的毒性现有微生物活性和可能的毒性 营养物的有效性营养物的有效性
5、对生物（微生物）有重要意义的现场环对生物（微生物）有重要意义的现场环境条件境条件 1)碳源和能源碳源和能源 Available C（for each pollutants）Total C DOC BOD2）电子受体 现场特征应当包括现场存在的电子受体。了解现场特征应当包括现场存在的电子受体。了解电子受体可以知道最容易发生的反应和微生物电子受体可以知道最容易发生的反应和微生物降解代谢方式。也可以通过控制电子受体得到降解代谢方式。也可以通过控制电子受体得到理想的反应。理想的反应。测定现场氧化还原电位就可以估计可利用的电测定现场氧化还原电位就可以估计可利用的电子受体。子受体。氧化还原电位的测定：电极
6、法氧化还原电位的测定：电极法(1)Aerobic Degradation+250mv and higher(2)Oxygen-Nitrogen+250mv to 100mv=dinitrification(3&4)Iron-Mn(IV)+100mv to 0mv(5)Sulfate 0mv to-200mv(6)Methane-Hydrogen-200mv and lower 3）微生物活性 测量天然微生物的活性是评价现场毒性测量天然微生物的活性是评价现场毒性的步骤之一。微生物数量低，说明有毒的步骤之一。微生物数量低，说明有毒性。性。一般地下水中微生物数量在一般地下水中微生物数量在103-10
7、8个个/L 土壤土壤103-107个个/L 如果污染区微生物数量如果污染区微生物数量 103个个/L，则表，则表明有毒性。明有毒性。4）养分条件 特别是氮，磷特别是氮，磷 测定硝酸盐、亚硝酸盐、铵盐、硫酸盐、和亚测定硝酸盐、亚硝酸盐、铵盐、硫酸盐、和亚硫酸盐不仅可以评价养分情况，还可评价氧化硫酸盐不仅可以评价养分情况，还可评价氧化还原条件和电子受体。还原条件和电子受体。生物修复中最常添加的养分是氮素。它既可供生物修复中最常添加的养分是氮素。它既可供细胞生长，又可作替代电子受体。主要是尿素细胞生长，又可作替代电子受体。主要是尿素和铵盐。便宜并且容易操作。和铵盐。便宜并且容易操作。注意铵盐增加耗氧
8、量。注意铵盐增加耗氧量。5）其他环境因素 水分、温度、水分、温度、pH、渗透压、含盐量、碱、渗透压、含盐量、碱度、重金属、放射性度、重金属、放射性 温度不可控制。温度不可控制。3.原位生物修复评价 原位生物修复项目的设计不仅需要上述的评价，原位生物修复项目的设计不仅需要上述的评价，而且评价范围需要进一步拓宽。而且评价范围需要进一步拓宽。还须增加下述现场数据还须增加下述现场数据=需要立体的数据需要立体的数据 污染物的类型及其所在位置；污染物的类型及其所在位置；亚表层的地质和水文状况亚表层的地质和水文状况 污染区的水文污染区的水文1）污染物的分布 污染物的浓度和分布对于评价原位修复的可应污染物的浓
9、度和分布对于评价原位修复的可应用性非常重要。用性非常重要。地下水中污染物的浓度通常较低，不足以支持地下水中污染物的浓度通常较低，不足以支持微生物的生长，而在其来源的土壤上确很高。微生物的生长，而在其来源的土壤上确很高。成功的生物修复取决于对污染物分布的了解和成功的生物修复取决于对污染物分布的了解和能设计出处理各种状态污染物的体系。能设计出处理各种状态污染物的体系。最理想的是绘出污染物分布的水平和垂直分布最理想的是绘出污染物分布的水平和垂直分布图图水平分布图垂直分布图2）微生物活性 获取亚表层中各种微环境中微生物的活性。这获取亚表层中各种微环境中微生物的活性。这些资料用于些资料用于选择用什么微生
10、物来进行处理选择用什么微生物来进行处理。选择依据：选择依据：污染物降解的最可行途径是什么？污染物降解的最可行途径是什么？各个途径的效果？各个途径的效果？土著细菌是否合适？土著细菌是否合适？现有现有Eh、NO3、SO4？含水层有堵塞吗？含水层有堵塞吗？3）土水特性（局部）土水特性影响到污染物的降解。比如，土水特性影响到污染物的降解。比如，有机质含量高会阻止污染物的降解有机质含量高会阻止污染物的降解/硫酸盐抑制甲烷产生。硫酸盐抑制甲烷产生。4 过程（工程）控制评价 通过注入流体来实现控制亚表层。通过注入流体来实现控制亚表层。流体是空气和水。流体是空气和水。注入或抽出空气是为了使氧气达到不饱注入或抽
11、出空气是为了使氧气达到不饱和层。和层。在抽注水时可以同时让氧气和养分随同在抽注水时可以同时让氧气和养分随同加入。它们随水位上升可以进入污染带。加入。它们随水位上升可以进入污染带。了解水文地质特性（立体）包括含水层的异质性，污染物的组分包括含水层的异质性，污染物的组分 水力循环速率水力循环速率 梯度和流向梯度和流向 导水率和渗透率导水率和渗透率确认迁移特征 应用标记物实验，证实预测的流向、速应用标记物实验，证实预测的流向、速度、以及注入试剂的运动时间。度、以及注入试剂的运动时间。通常，溴化物是标记物的最佳选择通常，溴化物是标记物的最佳选择/三、可处理试验方法 设计之前，除上述目标外，还须了解下述
12、外部设计之前，除上述目标外，还须了解下述外部因素：因素：管理部门的目的管理部门的目的 客户的要求客户的要求 污染物对人体健康及环境的危害程度污染物对人体健康及环境的危害程度 污染地点的敏感性污染地点的敏感性 时间计划的灵活性时间计划的灵活性 项目预算的灵活性项目预算的灵活性 工程的置信因子（工程的置信因子（confidence factor）制定方案的指南 CERCLE可处理研究实施指南可处理研究实施指南生物降解性修复方法的选生物降解性修复方法的选择（择（Guide for conducting treatability studies under CERCLE:Biodegradation
13、remedy selection),美国环保署，美国环保署，EPA/540R-93/519,1993.3 Comprehensive Environmental Response,Compensation,and Liability Act CERCLE可处理研究实施指南可处理研究实施指南好氧生物降解性修复方法好氧生物降解性修复方法的筛选（的筛选（Guide for conducting treatability studies under CERCLE:Aerobic Biodegradation remedy screening),美国美国环保署，环保署，EPA/54012-91/519/
14、-13A,1991.8（一）、基本方案 1）对照）对照 对照提供比较基数。所有处理性评价都对照提供比较基数。所有处理性评价都要设对照。要设对照。要求：除处理外，一切条件都应一致。要求：除处理外，一切条件都应一致。如非生物对照使用抑制微生物生长的物如非生物对照使用抑制微生物生长的物质，通常是叠氮化钠，或氯化汞。质，通常是叠氮化钠，或氯化汞。叠氮化钠.产品英文名,Sodium azide.产品别名,迭氮钠.分子式,NaN3.产品用途,用于有机合成,污水含氧量测定,血清防腐剂等 2）土著微生物）土著微生物 目的是了解土著微生物对靶标化合物的目的是了解土著微生物对靶标化合物的降解能力。降解能力。通常是
15、在了解污染土样和水样的污染物通常是在了解污染土样和水样的污染物含量，微生物数量、含量，微生物数量、pH等参数后，在加等参数后，在加入必要的养分浓度，以保证微生物的生入必要的养分浓度，以保证微生物的生长的需要。长的需要。3）接种微生物）接种微生物 目的是评价接种微生物对靶标化合物的降解目的是评价接种微生物对靶标化合物的降解效果。效果。控制条件与土著微生物一致。控制条件与土著微生物一致。但接种微生物可能会带来一些基质，如木屑，但接种微生物可能会带来一些基质，如木屑，培养液等。因此，有时作为对照使用时，要培养液等。因此，有时作为对照使用时，要将其灭活（高温或其他手段将其灭活（高温或其他手段）接种微生
16、物与土著微生物的生长条件会有一接种微生物与土著微生物的生长条件会有一定差别。定差别。4）过程的最优化）过程的最优化 设计试验评价主要基质，补充营养物质、设计试验评价主要基质，补充营养物质、电子受体和电子受体等的有效性。电子受体和电子受体等的有效性。可以设计单因子试验和多因子试验。可以设计单因子试验和多因子试验。如水分单因子试验如水分单因子试验 养分的多因子试验养分的多因子试验 正交旋转回归设计正交旋转回归设计 5）可达到的处理浓度）可达到的处理浓度 回答达到什么样的处理水平，和需要多长回答达到什么样的处理水平，和需要多长时间？时间？问题的回答需要在确定上述最优的环境条问题的回答需要在确定上述最
17、优的环境条件后才能得到答案。件后才能得到答案。这一研究可以通过研究降解的动力学来获这一研究可以通过研究降解的动力学来获得。得。但要注意，实验室得出的降解动力学数据但要注意，实验室得出的降解动力学数据很难在现场实验中得到。很难在现场实验中得到。动力学研究的例子 微生物 植物降解动力学降解动力学：幂指数定律（幂指数定律（Power rate law）Figure 2.6:Integrated rate laws for reaction orders zero through twoFigure 2.8:Plot of Hydrogen Peroxide Concentration versus
18、TimePlot of the natural log of hydrogen peroxide concentration versus time Plot of inverse hydrogen peroxide concentration versus time Half-Lives A half-life is the time it takes for one half of the starting material to be transformed into its products.Often you will hear half-life associated with r
19、adioactive decay phenomena(which follow first order kinetics),but the term can be applied to any reaction.Half-lives of reactions with orders zero through two（二）、基本方法（二）、基本方法 1 土壤试验土壤试验（1）土壤灭菌试验：）土壤灭菌试验：取土壤置于盆钵中，取土壤置于盆钵中，加入目标污染物。设加入目标污染物。设灭菌和不灭菌两个处灭菌和不灭菌两个处理。不同时间取样，理。不同时间取样，考察目标污染物分解考察目标污染物分解情况。情况。取
20、土壤置于盆钵中，加入目标污染物。取土壤置于盆钵中，加入目标污染物。种植不同植物。不同时间取样，考察种植不同植物。不同时间取样，考察目标污染物分解情况。目标污染物分解情况。1 土壤试验土壤试验（2）土壤植物试验：）土壤植物试验：2 土柱试验土柱试验 3摇瓶试验摇瓶试验 以污染物为主要碳以污染物为主要碳源源,补加适量的补加适量的N,P,S,生长素等营养物生长素等营养物质。接种不同微生质。接种不同微生物，在不同条件下物，在不同条件下培养，考察分解情培养，考察分解情况。况。4 反应器试验反应器试验 实验室规模的实验室规模的反应器是一个反应器是一个2L的容器。的容器。试验方案举例 首先，试验方案应包括一
21、个对方案目的首先，试验方案应包括一个对方案目的的简短而精炼的陈述。即首先要提出要的简短而精炼的陈述。即首先要提出要完成的任务，然后要讲完成任务的步骤。完成的任务，然后要讲完成任务的步骤。步骤要尽量详细，包括每一个具体的步步骤要尽量详细，包括每一个具体的步骤。骤。（1）目的）目的（2）任务）任务（3）步骤）步骤1配制标准溶液配制标准溶液（4）步骤）步骤2-可处理性研究可处理性研究（5）分析方法）分析方法（6）质量控制）质量控制（7）数据记录和报告）数据记录和报告四、生物修复工程设计四、生物修复工程设计 生物修复工程是一个系统工程，需要依生物修复工程是一个系统工程，需要依靠工程学、环境学、生物学、
22、生态学、靠工程学、环境学、生物学、生态学、微生物学、地质学、土壤学、水文学化微生物学、地质学、土壤学、水文学化学、气象学、计算机和微电子等多学科学、气象学、计算机和微电子等多学科的合作。的合作。四个步骤（1）数据收集）数据收集 污染物的种类、性质、浓度、分布，时间污染物的种类、性质、浓度、分布，时间 微生物种类、数量、活性、分布微生物种类、数量、活性、分布 环境特性：土壤种类，生态，水文、地质环境特性：土壤种类，生态，水文、地质等等 当地法律法规当地法律法规有关环境立法 1972年联合国人权环境会议后，中国政年联合国人权环境会议后，中国政府开始重视环境问题。府开始重视环境问题。1973年国务院
23、召开了第一次全国环境保年国务院召开了第一次全国环境保护会议，拟定并颁布了护会议，拟定并颁布了关于保护和改关于保护和改善环境的若干规定试行草案善环境的若干规定试行草案 1978年的年的中华人民共和国宪法中华人民共和国宪法第第11条专门对环境保护作了规定：条专门对环境保护作了规定：“国家保国家保护环境和自然资源，防治污染和其他公护环境和自然资源，防治污染和其他公害。害。”依据此条，我国在依据此条，我国在1979年颁布了年颁布了中华人民共和国环境保护法（试中华人民共和国环境保护法（试行）行）；我国我国1982年年宪法宪法总纲第总纲第26条第条第1款规款规定：定：“国家保护和改善生活环境和生态国家保护
24、和改善生活环境和生态环境，防治污染和其他公害。环境，防治污染和其他公害。”确认了确认了环境保护是国家的一项基本职责；环境保护是国家的一项基本职责；1983年，在第二次全国环境保护会议上，年，在第二次全国环境保护会议上，我国宣布环境保护为一项基本国策。我国宣布环境保护为一项基本国策。我国有关我国有关公民环境权公民环境权的理论到的理论到2002年在年在环境影响评价法环境影响评价法中才正式提出中才正式提出来。来。四个步骤（2）技术路线选择）技术路线选择 根据现场综合情况，结合过去经验，筛根据现场综合情况，结合过去经验，筛选方案，并确定最佳技术路线。选方案，并确定最佳技术路线。四个步骤（3）可处理试验
25、）可处理试验 如果选择生物修复，要进行如果选择生物修复，要进行 实验室小试实验室小试 现场中试现场中试 获得有关污染物毒性、温度、营养和氧获得有关污染物毒性、温度、营养和氧气限制性因素等，为工程的实施提供参气限制性因素等，为工程的实施提供参数。数。四个步骤（4）实际工程设计）实际工程设计 包括包括 处理设备处理设备 井位、井位、井深井深 营养物质营养物质 氧源氧源植物修复设计的例子复习题 1 试述现场调查的目的、步骤、和要获得的数试述现场调查的目的、步骤、和要获得的数据种类。据种类。2污染物浓度的水平分布和垂直分布？如何获得？污染物浓度的水平分布和垂直分布？如何获得？3 什么是电子受体？如何现
26、场估计电子受体？什么是电子受体？如何现场估计电子受体？4 为什么要调查土壤的养分条件？为什么要调查土壤的养分条件？5 进行污染物的动力学研究有什么意义？进行污染物的动力学研究有什么意义？6如何计算污染物的半减期？如何计算污染物的半减期？Imax(C-Cmin)I=Km+(C-Cmin)C=At2+Bt+CC=At2+Bt+C Eq.(2).batIdtdC2when t 0,I=+b.Imax=+(v/w)b,where v and w are the volume of solution and root weight,respectively.To calculate Km value,f
27、irst,t was calculated using Eq.(3)at I=0.5b,where t=-b/4a,and then Km value was calculated using Eq.(2).Cmin was computed by Eq.(2)when I=0,t=-b/2a.Eq.(3)Tu,S.,L.Q.Ma,A.O.Fayiga and E.J.Zillioux.2004.Phytoremediation of Arsenic Contaminated Groundwater by an Arsenic Hyperaccumulating Fern Pteris vit
28、tata L.International J.Phytoremediation,6(1):3547.Bioremediation treatability assessment ofhydrocarbon-contaminated soils from Eureka,Nunavut Microorganism characterization Microcosm study 1 Soil collection and chemical and physical analysis 2 Microorganism characterization 2.1 Microbial enumeration 2.2 Molecular characterization 3 Soil microcosm study:mineralization actiity No treatment:Supplementation with the fertilizers temperatures control tilling Water pr moisture control
