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【三棱环境·技术解析】生物修复技术

发布日期:2019-10-14 09:33:49 浏览次数:145

生物修复是指在人为作用下,利用活有机物(微生物、植物和小型动物等)促进环境中有毒有害物质的降解或固定,减少其对环境危害的技术。生物修复是较为理想的一种治理污染的途径,具有处理费用低,对环境影响小、污染高等优点,包括动物修复技术和植物修复技术。

01

泥浆生物反应器


挖出的土壤加水制成浆状,然后与降解微生物和营养物质在反应器中混合。添加适量的表面活性剂或分散剂可以促进吸附的有机污染物解离,从而促进降解。


降解微生物可以是原来就存在于土壤的微生物,也可以是接种的微生物。要严格控制条件以利于泥浆中有机污染物的降解。处理后的泥浆经脱水处理。脱出的水要进一步处理,以除去其中的污染物,然后可以被循环使用。



【三棱环境·技术解析】生物修复技术(图1)

02

生物堆制法


基于处理床技术的异位生物处理过程,通过使土堆内的条件最优化而促进污染物的生物降解。挖出的污染土壤被堆成长条形的静态对。添加必要的养分和水分于污染土堆中,必要时加入适量表面活性剂,土堆上还可以安装有喷淋营养物的管道。



【三棱环境·技术解析】生物修复技术(图2)

03

土地耕作法


原位土地耕作是通过耕翻土壤(但不挖掘和搬运土壤),补充氧和营养物质以提高土壤微生物的活性,促进污染物的生物降解。异位土地耕作法指将污染土壤挖掘搬运到另一个地点,将污染土壤均匀撒到土地表面,通过耕作方式使污染土壤与表层土壤混合,从而促进污染物生物降解的方法。



【三棱环境·技术解析】生物修复技术(图3)

04

生物通气法


生物通气法是将氧气流导入不饱和土层中,增强土著细菌的活性,促进土壤中有机污染物的自然降解。生物通气主要促进燃油污染物的降解,也可以通过土壤的生物活化作用促使挥发性有机物以蒸气的形式缓慢挥发,工艺如图示。


(案例)美国犹他州的一个空军基地,曾采用生物通气法处理被喷气燃油污染的5000m3的土壤,其石油烃含量高达10000 mg·kg-1。处理历经24个月,处理后土壤石油烃的含量降低到6 mg·kg-1,总费用约60万美元。


【三棱环境·技术解析】生物修复技术(图4)

05

生物注气法


通过空气注气井将空气压入饱和层中,使挥发性污染物随气流进入不饱和层进行生物降解,同时也促进饱和层的生物降解。生物注气法适用于被挥发性有机污染物和燃油污染土壤的处理。空气注气法更适合于处理被小分子有机污染的土壤,对大分子有机物污染的土壤较不适用,工艺如图13-30示。


【三棱环境·技术解析】生物修复技术(图5)


生物修复技术还存在哪些问题


生物泥浆反应器:


由于涉及颗粒大小分离等物理预处理,对土壤结构产生不良影响;过氧化氢、过氧化物等修复助剂的使用例如通过与土壤有机质的反应,导致土壤机体的损伤


生物堆腐法:


与生物泥浆反应器不同的是,该方法尽管对土坡结构和土壤肥力有好处。但是,在处理过程中容易产生气态污染物向大气环境的释放污染物残余和长的处理时间则是另一问题


生物农耕法


由于处理床并不厚于0.5m,需要很大的处理空间;由于涉及的处理空间面积很大,挥发性有机污染物(VOCs)的控制是个问题;由于是露天处理,过程控制也是困难的。就大型处理床而言,点的安全性是个大问题。对土壤重金属污染的修复并不适用,应加以严格监测、控制。


生物通气法:


尽管在大多数非饱和土壤中气体传导率高于水力学传导率,但处理原位系统亚表层中的污染物是否有效则是个大问题。生物通气与营养物的加入,对于土壤有效气孔,是相互矛盾的。该修复系统的有效性还受到渗流区水分含量的限制。水饱和土壤在实施该方法之前,需要降低其水位。对土壤结构和肥力也有一定影响。



生物修复是指在人为作用下,利用活有机物(微生物、植物和小型动物等)促进环境中有毒有害物质的降解或固定,减少其对环境危害的技术。


植物修复的概念是利用某些植物能忍耐和超量累计某种重金属和有机物污染的特性来清除土壤中的污染物。


植物修复技术包括利用植物超级累或积累性功能的植物提取、根际降解作用、植物稳定化、植物挥发作用等技术;可被植物修复的污染物有重金属、农药、石油和持久性有机污染物、炸药、放射性核素等。


【三棱环境·技术解析】生物修复技术(图6)

01

植物提取作用


通过植物根系吸收污染物并将污染物富集于植物体内,而后将植物体收获、集中处置。适于采用植物提取技术的污染物包括:金属(Ag、Cd、Co、Cr、Cu、Hg、Mo、Ni、Pb、Zn、As和Se)、放射性核素(90Sr、137Cs、239Pu、238U和234U)非金属(B)。


植物提取土壤重金属的效率取决于植物本身的富集能力、植物可收获部分的生物量以及土壤条件(如土壤质地、土壤酸度、土壤肥力、金属种类及形态等)。超富集植物通常生长缓慢,生物量低,根系浅。因此尽管植物体内金属含量可以很高,但从土壤中吸收走的金属总量未必高,这影响了植物提取修复的效率。


基于上述原因,植物提取修复技术主要适用于表层污染的、污染程度不太严重的土壤。就目前情况看,将植物提取技术作为一种修饰性修复技术可能更合理,即将植物提取与物理-化学技术配合使用,这样既能加快修复的速度,又能减少修复过程对土壤的负面影响。


02

根际降解作用


根际降解作用是一个植物辅助并促进的降解过程,是一种原位生物降解作用。


由植物根系和土壤微生物之间相互作用而形成的独特的、距离根仅几毫米到几厘米的圈带。菌根具有增强植物的逆境抗胁迫能力,对于促进持久性有机污染物(POPs)的降解和转化具有积极的作用。根系分泌物可以增加根系微生物的群落并提高微生物的活性,从而促进有机污染物的降解。作用对象包括:总石油烃、多环芳烃、BTEX(苯、甲苯、乙苯和二甲苯)、农药、含氟溶剂、五氯苯酚、多氯联苯、表面活性剂,如LAS、LAE。


红树植物能在PAHs污染的土壤中生长,并能耐受和修复污染,为了减少PAHs对红树林湿地的危害,对PAHs污染修复的研究显得格外重要,与重金属植物修复的原理不同,PAHs水溶性低,难于被植物吸收,植物根际降解就成为修复其污染最重要的作用。因此,植物根际效应及相关根际环境因子在PAHs降解中的作用就显得十分重要。



红树植物

03

植物稳定化作用


指通过根系的吸收和富集、根系表面的吸附或植物根因的沉淀作用而产生的稳定化作用;或利用植物或植物根系保护污染物使不因风、侵蚀、淋溶以及土壤分散而迁移的稳定化作用。


植物稳定化作用可通过根际微生物活动、根际化学反应和(或)土壤性质或污染物的化学变化而起作用。根系分泌物或根系活动产生的二氧化碳会改变土壤pH,植物固定作用可以改变金属的溶解度和移动件或影响金属与有机化合物的结合,受植物影响的土壤环境可以将金属从溶解状态变为不溶解状态。植物稳定化作用可以通过吸附、沉淀、络合或金属价态的变化而实现。


在铜胁迫试验中,海洲香薷中的分布特征为:根系>叶片>茎秆。海洲香薷和紫花香薷对土壤铜、锌、铅符合污染都具有很强的耐性,地上部分铜、锌、铅等重金属含量在植物生长期呈现动态变化,但植物地上部重金属积累量保持增加趋势。延长植物生长时间可增加重金属累积量。


【三棱环境·技术解析】生物修复技术(图7)

海洲香薷


重金属污染土壤的植物吸取修复技术在国内外都得到了广泛研究,已经应用于砷、镉、铜、锌、铅等重金属以及多环芳烃复合污染土壤的修复,并发展出包括络合又到强化修复、不同植物套作联合修复、修复后植物处理处置的成套集成技术,这种技术的应用关键在于筛选具有高产镉、高去污能力的植物,摸清植物对土壤条件和生态环境的适应性。


盐渍化石油污染土壤,生态系统脆弱,修复难度大,利用盐生植物来进行治理是一条有效途径。


据统计,约有1%的陆生植物能够在盐渍化土壤中生长,这为石油污染盐渍化土壤植物修复提供了丰富的资源。根系分泌物可作为营养源促进土壤微生物生长,从而提高石油的降解效率,耐盐植物盐节木能够在石油污染的阿拉伯湾高盐岸边自然生长,根际微生物数量是无植被地区的14倍至38倍。


利用碱蓬、补血草、中亚滨藜和芦苇4种盐生植物对石油污染盐渍化土壤进行修复,植物种植后石油降解速率明显加快,碱蓬、中亚滨藜根际土壤石油烃降解效率达96.5%,对石油组份进行分析,发现种植植物后大分子石油组分消减速度提高更快。引入盐生植物是加快污染土壤修复进程的重要途径,但不同植物对石油污染物的耐性不同,修复效应差别很大,且土壤条件、石油组分等因素都会影响植物修复效果。因此,利用盐生耐勘植物修复石油污染盐溃化土壤,一要筛选耐盐、高效的修复植物,二要研究修复植物利用策略和途径,以充分发挥其修复潜能。



石油污染土壤修复难度大 耐盐植物或为有效途径


中科院南京土壤研究所研究员吴龙华课题组针对我国大面积土壤锌镉污染问题,利用课题组筛选和鉴定的锌镉超级累植物,开展了多年的室内外试验研究。研究证明,源自浙江省铅锌矿区的伴矿景天(Sedum plumbizincicola)是锌镉超级累植物,并且是景天科植物的一个新种。连续修复后,土壤全量镉降低率为80.1%-96.8%、全量锌下降24.8%-64.2%,并且使土壤重金属总量降低。



伴矿景天在修复示范区的长势

04

植物挥发作用


指污染物被植物吸收后,在植物体内代谢利运转,然后以污染物或改变了的污染物形态向大气释放的过程。在植物体内,植物挥发过程可能与植物提取和植物降解过程同时进行并相互关联。植物挥发作用对某些金属污染的土壤有修复效果。


目前研究最多的是汞、硒的植物挥发作用砷也可能产生植物挥发作用,还包括某些有机污染物(如一些含氯溶剂)。



尽管植物修复具有极大的潜在益处,但是该技术并非万能,它只是生物修复技术的一种。


植物修复本身具有局限性。例如,植物修复只适合对一定污染程度以下的土壤进行修复,因为如果被修复的土壤中污染物的浓度太高,即使找到高富集或超积累植物,它的积累和富集容量也是有限的,而对于有机污染的修复,如果污染的程度过高招限制植物的正常生长,这种情况下,必须有其他的技术与之相配合,方能达到顶期的修复效果。其次,植物修复的周期相对较长,因为修复过程与植物生长状况直接相关,因此.不利的气候因素或不良的土壤条件在影响植物的良好生长条件下,将间接影响植物修复的效果。作为一项正在研究开发中的生物修复技术,植物修复仍存在许多不足。


最值得考虑的问题有以下几点:


在建立规章条例方面存在障碍;

从小试到中试、到实用型处理系统的放大过程中,存在运行管理问题;

对不同处理点的异质性问题处理方面存在问题;

对达不到处理的法定目标要求方面,存在责任处罚的量化问题;存在开发时间的确定和运行费用的标准问题。


每一个处理点的条件和污染的程度各有不同。在决定选用那一种生物处理技术之前,要做好必要的场地评估和污染现状分析。为了对处理结果进行科学评价,应将污染土壤的可处理性与土壤和地下水的脱毒研究结合起来。


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