1、第16章 生物修復(fù)的可處理性及工程設(shè)計(jì),內(nèi)容,一、可處理試驗(yàn)的目的 二、可處理試驗(yàn)的內(nèi)容 三、可處理試驗(yàn)方法 四、生物修復(fù)工程設(shè)計(jì),一、可處理試驗(yàn)的目的,在設(shè)計(jì)修復(fù)工程以前，必須首先確定不同修復(fù)技術(shù)，物理、化學(xué)、生物的適用性。所以，應(yīng)回答如下問題： 污染物的性質(zhì) 污染物的濃度和分布 現(xiàn)場(chǎng)微生物活性 現(xiàn)場(chǎng)水力學(xué)特性 現(xiàn)場(chǎng)氧化還原電位 土壤和水的特性 養(yǎng)分的有效性,可處理試驗(yàn)研究的目的主要是：,收集污染物和污染現(xiàn)場(chǎng)的特性數(shù)據(jù)用以評(píng)估（生物）修復(fù)技術(shù)的可行性和局限性，保持（生物）修復(fù)系統(tǒng)效率最大化； 提供污染物在（生物）修復(fù)過程中的行為和歸宿數(shù)據(jù)； 評(píng)價(jià)（生物）修復(fù)所能達(dá)到的速度和程度； 評(píng)價(jià)修復(fù)過

2、程中可能出現(xiàn)的問題； 評(píng)估修復(fù)時(shí)間、達(dá)到的程度及費(fèi)用。,1. 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查 2 生物過程評(píng)價(jià) 3.原位生物修復(fù)評(píng)價(jià) 4 過程（工程）控制評(píng)價(jià) “一查三評(píng)價(jià)”,二、可處理試驗(yàn)的內(nèi)容,目的： 1）收集使生物處理過程最優(yōu)化的信息； 2）收集控制環(huán)境條件使之維持最佳條件的信息,1. 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,1. 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,表1 初步現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估數(shù)據(jù),方法： 1）調(diào)查、資料查閱 污染物的性質(zhì)和濃度分布、泄露、年代 從水文地質(zhì)環(huán)保等部門查閱有關(guān)資料 2）采樣分析 對(duì)土壤和地下水（井水）取樣分析。 3）現(xiàn)場(chǎng)研究 流體壓力測(cè)定，了解地下水性質(zhì),2 生物過程評(píng)價(jià),需要解決的問題： 微生物可利用的碳源和能源 可利用的電子受體和氧化還原

3、條件 現(xiàn)有微生物活性和可能的毒性 營(yíng)養(yǎng)物的有效性 對(duì)生物（微生物）有重要意義的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件,1) 碳源和能源 Available C（for each pollutants） Total C DOC BOD,2）電子受體,現(xiàn)場(chǎng)特征應(yīng)當(dāng)包括現(xiàn)場(chǎng)存在的電子受體。了解電子受體可以知道最容易發(fā)生的反應(yīng)和微生物降解代謝方式。也可以通過控制電子受體得到理想的反應(yīng)。 測(cè)定現(xiàn)場(chǎng)氧化還原電位就可以估計(jì)可利用的電子受體。 氧化還原電位的測(cè)定：電極法,(1) Aerobic Degradation +250mv and higher (2) Oxygen - Nitrogen +250mv to 100mv =di

4、nitrification (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,測(cè)量天然微生物的活性是評(píng)價(jià)現(xiàn)場(chǎng)毒性的步驟之一。微生物數(shù)量低，說明有毒性。 一般地下水中微生物數(shù)量在103-108個(gè)/L 土壤103-107個(gè)/L 如果污染區(qū)微生物數(shù)量 103個(gè)/L，則表明有毒性。,4）養(yǎng)分條件,特別是氮，磷 測(cè)定硝酸鹽、亞硝酸鹽、銨鹽、硫酸鹽、和亞硫酸鹽不僅可以評(píng)價(jià)養(yǎng)分情況，還可評(píng)價(jià)氧化還原條件和電子受體。 生物修復(fù)中最常添加的養(yǎng)

5、分是氮素。它既可供細(xì)胞生長(zhǎng)，又可作替代電子受體。主要是尿素和銨鹽。便宜并且容易操作。 注意銨鹽增加耗氧量。,5）其他環(huán)境因素,水分、溫度、pH、滲透壓、含鹽量、堿度、重金屬、放射性 溫度不可控制。,3.原位生物修復(fù)評(píng)價(jià),原位生物修復(fù)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)不僅需要上述的評(píng)價(jià)，而且評(píng)價(jià)范圍需要進(jìn)一步拓寬。 還須增加下述現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)=需要立體的數(shù)據(jù) 污染物的類型及其所在位置； 亞表層的地質(zhì)和水文狀況 污染區(qū)的水文,1）污染物的分布,污染物的濃度和分布對(duì)于評(píng)價(jià)原位修復(fù)的可應(yīng)用性非常重要。 地下水中污染物的濃度通常較低，不足以支持微生物的生長(zhǎng)，而在其來源的土壤上確很高。 成功的生物修復(fù)取決于對(duì)污染物分布的了解和能設(shè)計(jì)出

6、處理各種狀態(tài)污染物的體系。 最理想的是繪出污染物分布的水平和垂直分布圖,水平分布圖,垂直分布圖,2）微生物活性,獲取亞表層中各種微環(huán)境中微生物的活性。這些資料用于選擇用什么微生物來進(jìn)行處理。 選擇依據(jù)： 污染物降解的最可行途徑是什么？ 各個(gè)途徑的效果？ 土著細(xì)菌是否合適？ 現(xiàn)有Eh、NO3、SO4？ 含水層有堵塞嗎？,3）土水特性（局部）,土水特性影響到污染物的降解。比如，有機(jī)質(zhì)含量高會(huì)阻止污染物的降解/ 硫酸鹽抑制甲烷產(chǎn)生。,4 過程（工程）控制評(píng)價(jià),通過注入流體來實(shí)現(xiàn)控制亞表層。 流體是空氣和水。 注入或抽出空氣是為了使氧氣達(dá)到不飽和層。 在抽注水時(shí)可以同時(shí)讓氧氣和養(yǎng)分隨同加入。它們隨水位

7、上升可以進(jìn)入污染帶。,了解水文地質(zhì)特性（立體）,包括含水層的異質(zhì)性，污染物的組分 水力循環(huán)速率 梯度和流向 導(dǎo)水率和滲透率,確認(rèn)遷移特征,應(yīng)用標(biāo)記物實(shí)驗(yàn)，證實(shí)預(yù)測(cè)的流向、速度、以及注入試劑的運(yùn)動(dòng)時(shí)間。 通常，溴化物是標(biāo)記物的最佳選擇/,三、 可處理試驗(yàn)方法,設(shè)計(jì)之前，除上述目標(biāo)外，還須了解下述外部因素： 管理部門的目的 客戶的要求 污染物對(duì)人體健康及環(huán)境的危害程度 污染地點(diǎn)的敏感性 時(shí)間計(jì)劃的靈活性 項(xiàng)目預(yù)算的靈活性 工程的置信因子（confidence factor）,制定方案的指南,CERCLE可處理研究實(shí)施指南生物降解性修復(fù)方法的選擇（Guide for conducting treat

8、ability studies under CERCLE: Biodegradation remedy selection), 美國(guó)環(huán)保署，EPA/540R-93/519, 1993.3 Comprehensive Environmental Response, Compensation, and Liability Act CERCLE可處理研究實(shí)施指南好氧生物降解性修復(fù)方法的篩選（Guide for conducting treatability studies under CERCLE: Aerobic Biodegradation remedy screening), 美國(guó)環(huán)保署，EP

9、A/54012-91/519/-13A, 1991.8,（一）、基本方案,1）對(duì)照 對(duì)照提供比較基數(shù)。所有處理性評(píng)價(jià)都要設(shè)對(duì)照。 要求：除處理外，一切條件都應(yīng)一致。 如非生物對(duì)照使用抑制微生物生長(zhǎng)的物質(zhì)，通常是疊氮化鈉，或氯化汞。,疊氮化鈉. 產(chǎn)品英文名, Sodium azide. 產(chǎn)品別名, 迭氮鈉. 分子式, NaN3. 產(chǎn)品用途, 用于有機(jī)合成,污水含氧量測(cè)定,血清防腐劑等,2）土著微生物 目的是了解土著微生物對(duì)靶標(biāo)化合物的降解能力。 通常是在了解污染土樣和水樣的污染物含量，微生物數(shù)量、pH等參數(shù)后，在加入必要的養(yǎng)分濃度，以保證微生物的生長(zhǎng)的需要。,3）接種微生物 目的是評(píng)價(jià)接種微生物

10、對(duì)靶標(biāo)化合物的降解效果。 控制條件與土著微生物一致。 但接種微生物可能會(huì)帶來一些基質(zhì)，如木屑，培養(yǎng)液等。因此，有時(shí)作為對(duì)照使用時(shí)，要將其滅活（高溫或其他手段） 接種微生物與土著微生物的生長(zhǎng)條件會(huì)有一定差別。,4）過程的最優(yōu)化 設(shè)計(jì)試驗(yàn)評(píng)價(jià)主要基質(zhì)，補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、電子受體和電子受體等的有效性。 可以設(shè)計(jì)單因子試驗(yàn)和多因子試驗(yàn)。 如水分單因子試驗(yàn) 養(yǎng)分的多因子試驗(yàn) 正交旋轉(zhuǎn)回歸設(shè)計(jì),5）可達(dá)到的處理濃度 回答達(dá)到什么樣的處理水平，和需要多長(zhǎng)時(shí)間？ 問題的回答需要在確定上述最優(yōu)的環(huán)境條件后才能得到答案。 這一研究可以通過研究降解的動(dòng)力學(xué)來獲得。 但要注意，實(shí)驗(yàn)室得出的降解動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)很難在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中得

11、到。,動(dòng)力學(xué)研究的例子,微生物 植物,降解動(dòng)力學(xué)：,冪指數(shù)定律（Power rate law）,Figure 2.6: Integrated rate laws for reaction orders zero through two,Figure 2.8: Plot of Hydrogen Peroxide Concentration versus Time,Plot of the natural log of hydrogen peroxide concentration versus time,Plot of inverse hydrogen peroxide concentration

12、 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 radioactive decay phenomena (which follow first order kinetics), but the term can be applied to any reaction.,Half-lives o

13、f reactions with orders zero through two,（二）、基本方法,1 土壤試驗(yàn) （1）土壤滅菌試驗(yàn)：取土壤置于盆缽中，加入目標(biāo)污染物。設(shè)滅菌和不滅菌兩個(gè)處理。不同時(shí)間取樣，考察目標(biāo)污染物分解情況。,取土壤置于盆缽中，加入目標(biāo)污染物。種植不同植物。不同時(shí)間取樣，考察目標(biāo)污染物分解情況。,1 土壤試驗(yàn) （2）土壤植物試驗(yàn)：,2 土柱試驗(yàn),3搖瓶試驗(yàn) 以污染物為主要碳源,補(bǔ)加適量的N, P, S,生長(zhǎng)素等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。接種不同微生物，在不同條件下培養(yǎng)，考察分解情況。,4 反應(yīng)器試驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的反應(yīng)器是一個(gè)2L的容器。,試驗(yàn)方案舉例,首先，試驗(yàn)方案應(yīng)包括一個(gè)對(duì)方案目的的

14、簡(jiǎn)短而精煉的陳述。即首先要提出要完成的任務(wù)，然后要講完成任務(wù)的步驟。步驟要盡量詳細(xì)，包括每一個(gè)具體的步驟。,（1）目的 （2）任務(wù) （3）步驟1配制標(biāo)準(zhǔn)溶液 （4）步驟2-可處理性研究 （5）分析方法 （6）質(zhì)量控制 （7）數(shù)據(jù)記錄和報(bào)告,四、生物修復(fù)工程設(shè)計(jì),生物修復(fù)工程是一個(gè)系統(tǒng)工程，需要依靠工程學(xué)、環(huán)境學(xué)、生物學(xué)、生態(tài)學(xué)、微生物學(xué)、地質(zhì)學(xué)、土壤學(xué)、水文學(xué)化學(xué)、氣象學(xué)、計(jì)算機(jī)和微電子等多學(xué)科的合作。,四個(gè)步驟,（1）數(shù)據(jù)收集 污染物的種類、性質(zhì)、濃度、分布，時(shí)間 微生物種類、數(shù)量、活性、分布 環(huán)境特性：土壤種類，生態(tài)，水文、地質(zhì)等 當(dāng)?shù)胤煞ㄒ?guī),有關(guān)環(huán)境立法,1972年聯(lián)合國(guó)人權(quán)環(huán)境會(huì)議后

15、，中國(guó)政府開始重視環(huán)境問題。 1973年國(guó)務(wù)院召開了第一次全國(guó)環(huán)境保護(hù)會(huì)議，擬定并頒布了關(guān)于保護(hù)和改善環(huán)境的若干規(guī)定試行草案,1978年的中華人民共和國(guó)憲法第11條專門對(duì)環(huán)境保護(hù)作了規(guī)定：“國(guó)家保護(hù)環(huán)境和自然資源，防治污染和其他公害?！币罁?jù)此條，我國(guó)在1979年頒布了中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)法（試行）； 我國(guó)1982年憲法總綱第26條第1款規(guī)定：“國(guó)家保護(hù)和改善生活環(huán)境和生態(tài)環(huán)境，防治污染和其他公害?！贝_認(rèn)了環(huán)境保護(hù)是國(guó)家的一項(xiàng)基本職責(zé)；,1983年，在第二次全國(guó)環(huán)境保護(hù)會(huì)議上，我國(guó)宣布環(huán)境保護(hù)為一項(xiàng)基本國(guó)策。 我國(guó)有關(guān)公民環(huán)境權(quán)的理論到2002年在環(huán)境影響評(píng)價(jià)法中才正式提出來。,四個(gè)步驟,（2

16、）技術(shù)路線選擇 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)綜合情況，結(jié)合過去經(jīng)驗(yàn)，篩選方案，并確定最佳技術(shù)路線。,四個(gè)步驟,（3）可處理試驗(yàn) 如果選擇生物修復(fù)，要進(jìn)行 實(shí)驗(yàn)室小試 現(xiàn)場(chǎng)中試 獲得有關(guān)污染物毒性、溫度、營(yíng)養(yǎng)和氧氣限制性因素等，為工程的實(shí)施提供參數(shù)。,四個(gè)步驟,（4）實(shí)際工程設(shè)計(jì) 包括 處理設(shè)備 井位、 井深 營(yíng)養(yǎng)物質(zhì) 氧源,植物修復(fù)設(shè)計(jì)的例子,復(fù)習(xí)題,1 試述現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的目的、步驟、和要獲得的數(shù)據(jù)種類。 2污染物濃度的水平分布和垂直分布？如何獲得？ 3 什么是電子受體？如何現(xiàn)場(chǎng)估計(jì)電子受體？ 4 為什么要調(diào)查土壤的養(yǎng)分條件？ 5 進(jìn)行污染物的動(dòng)力學(xué)研究有什么意義？ 6如何計(jì)算污染物的半減期？,C = At2 + B

17、t + C,C = At2 + Bt + C Eq. (2).,when 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, first, 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 E

18、q. (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 vittata L. International J. Phytoremediation, 6(1): 3547.,Bioremediation treatability assessment ofhydrocarbon-contaminated soils from Eureka, Nunavut,Microorganism characterization Microcosm study,1 Soil