第16章生物修復(fù)的可處理性及工程設(shè)計

1、第第1616章章 生物修復(fù)的可處理性生物修復(fù)的可處理性及工程設(shè)計及工程設(shè)計 內(nèi)容 一、可處理試驗的目的一、可處理試驗的目的 二、可處理試驗的內(nèi)容二、可處理試驗的內(nèi)容 三、可處理試驗方法三、可處理試驗方法 四、生物修復(fù)工程設(shè)計四、生物修復(fù)工程設(shè)計一、可處理試驗的目的一、可處理試驗的目的 在設(shè)計修復(fù)工程以前，必須首先確定不同修復(fù)在設(shè)計修復(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)技術(shù)，物理、化學(xué)、生物的適用性。所以，應(yīng)回答如下問題：回答如下問題： 污染物的性質(zhì)污染物的性質(zhì) 污染物的濃度和分布污染物的濃度和分布 現(xiàn)場微生物活性現(xiàn)場微生物活性 現(xiàn)場水力學(xué)特性現(xiàn)場水力學(xué)特性

2、現(xiàn)場氧化還原電位現(xiàn)場氧化還原電位 土壤和水的特性土壤和水的特性 養(yǎng)分的有效性養(yǎng)分的有效性可處理試驗研究的目的主要是：可處理試驗研究的目的主要是： 收集污染物和污染現(xiàn)場的特性數(shù)據(jù)用以評估（生收集污染物和污染現(xiàn)場的特性數(shù)據(jù)用以評估（生物）修復(fù)技術(shù)的可行性和局限性，保持（生物）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提供污染物在（生物）修復(fù)過程中的行為和歸宿數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)；評價（生物）修復(fù)所能達(dá)到的速度和程度；評價（生物）修復(fù)所能達(dá)到的速度和程度；評價修復(fù)過程中可能出現(xiàn)的問題；評價修復(fù)過程中可能出現(xiàn)的問題；評估修復(fù)時間、達(dá)

3、到的程度及費(fèi)用。評估修復(fù)時間、達(dá)到的程度及費(fèi)用。 1. 現(xiàn)場調(diào)查現(xiàn)場調(diào)查 2 生物過程評價生物過程評價 3.原位生物修復(fù)評價原位生物修復(fù)評價 4 過程（工程）控制評價過程（工程）控制評價 “一查三評價一查三評價”二、可處理試驗的內(nèi)容 目的：目的： 1）收集使生物處理過程最優(yōu)化的信息；）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）收集控制環(huán)境條件使之維持最佳條件的信息的信息1. 現(xiàn)場調(diào)查1. 現(xiàn)場調(diào)查 類別項目污染物的性質(zhì)揮發(fā)性有機(jī)化合物、半揮發(fā)性有機(jī)物、殺蟲劑和除草劑PCBs、金屬、氰化物或烴類污染物的濃度和分布地下水文概況流向、梯度、承壓水或非承壓水地質(zhì)概況表1

4、初步現(xiàn)場評估數(shù)據(jù) 方法：方法： 1）調(diào)查、資料查閱）調(diào)查、資料查閱 污染物的性質(zhì)和濃度分布、泄露、年代污染物的性質(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)資料從水文地質(zhì)環(huán)保等部門查閱有關(guān)資料 2）采樣分析）采樣分析 對土壤和地下水（井水）取樣分析。對土壤和地下水（井水）取樣分析。 3）現(xiàn)場研究）現(xiàn)場研究 流體壓力測定，了解地下水性質(zhì)流體壓力測定，了解地下水性質(zhì)2 生物過程評價 需要解決的問題：需要解決的問題： 微生物可利用的碳源和能源微生物可利用的碳源和能源 可利用的電子受體和氧化還原條件可利用的電子受體和氧化還原條件 現(xiàn)有微生物活性和可能的毒性現(xiàn)有微生物活性和可能的毒性 營養(yǎng)物的

5、有效性營養(yǎng)物的有效性 對生物（微生物）有重要意義的現(xiàn)場環(huán)對生物（微生物）有重要意義的現(xiàn)場環(huán)境條件境條件 1) 碳源和能源碳源和能源 Available C（for each pollutants） Total C DOC BOD2）電子受體 現(xiàn)場特征應(yīng)當(dāng)包括現(xiàn)場存在的電子受體。了解現(xiàn)場特征應(yīng)當(dāng)包括現(xiàn)場存在的電子受體。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)。理想的反應(yīng)。 測定現(xiàn)場氧化還原電位就可以估計可利用的電測定現(xiàn)場氧化還原電位就可以估計可利用的電子受體。子受

6、體。 氧化還原電位的測定：電極法氧化還原電位的測定：電極法(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 測量天然微生物的活性是評價現(xiàn)場毒性測量天然微生物的活性是評價現(xiàn)場毒性的步驟之一。微生物數(shù)量低，說明有毒的步驟之一。微生物

7、數(shù)量低，說明有毒性。性。 一般地下水中微生物數(shù)量在一般地下水中微生物數(shù)量在103-108個個/L 土壤土壤103-107個個/L 如果污染區(qū)微生物數(shù)量如果污染區(qū)微生物數(shù)量 103個個/L，則表，則表明有毒性。明有毒性。4）養(yǎng)分條件 特別是氮，磷特別是氮，磷 測定硝酸鹽、亞硝酸鹽、銨鹽、硫酸鹽、和亞測定硝酸鹽、亞硝酸鹽、銨鹽、硫酸鹽、和亞硫酸鹽不僅可以評價養(yǎng)分情況，還可評價氧化硫酸鹽不僅可以評價養(yǎng)分情況，還可評價氧化還原條件和電子受體。還原條件和電子受體。 生物修復(fù)中最常添加的養(yǎng)分是氮素。它既可供生物修復(fù)中最常添加的養(yǎng)分是氮素。它既可供細(xì)胞生長，又可作替代電子受體。主要是尿素細(xì)胞生長，又可作替代

8、電子受體。主要是尿素和銨鹽。便宜并且容易操作。和銨鹽。便宜并且容易操作。 注意銨鹽增加耗氧量。注意銨鹽增加耗氧量。5）其他環(huán)境因素 水分、溫度、水分、溫度、pH、滲透壓、含鹽量、堿、滲透壓、含鹽量、堿度、重金屬、放射性度、重金屬、放射性 溫度不可控制。溫度不可控制。3.原位生物修復(fù)評價 原位生物修復(fù)項目的設(shè)計不僅需要上述的評價，原位生物修復(fù)項目的設(shè)計不僅需要上述的評價，而且評價范圍需要進(jìn)一步拓寬。而且評價范圍需要進(jìn)一步拓寬。 還須增加下述現(xiàn)場數(shù)據(jù)還須增加下述現(xiàn)場數(shù)據(jù)=需要立體的數(shù)據(jù)需要立體的數(shù)據(jù) 污染物的類型及其所在位置；污染物的類型及其所在位置； 亞表層的地質(zhì)和水文狀況亞表層的地質(zhì)和水文狀況

9、 污染區(qū)的水文污染區(qū)的水文1）污染物的分布 污染物的濃度和分布對于評價原位修復(fù)的可應(yīng)污染物的濃度和分布對于評價原位修復(fù)的可應(yīng)用性非常重要。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，而在其來源的土壤上確很高。微生物的生長，而在其來源的土壤上確很高。 成功的生物修復(fù)取決于對污染物分布的了解和成功的生物修復(fù)取決于對污染物分布的了解和能設(shè)計出處理各種狀態(tài)污染物的體系。能設(shè)計出處理各種狀態(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最理想的是繪出污染物分布的水平和垂直分布圖圖水平分布圖垂直分布圖2）微生物活性 獲取亞表層中各

10、種微環(huán)境中微生物的活性。這獲取亞表層中各種微環(huán)境中微生物的活性。這些資料用于些資料用于選擇用什么微生物來進(jìn)行處理選擇用什么微生物來進(jìn)行處理。 選擇依據(jù)：選擇依據(jù)： 污染物降解的最可行途徑是什么？污染物降解的最可行途徑是什么？ 各個途徑的效果？各個途徑的效果？ 土著細(xì)菌是否合適？土著細(xì)菌是否合適？ 現(xiàn)有現(xiàn)有Eh、NO3、SO4？ 含水層有堵塞嗎？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，土水特性影響到污染物的降解。比如，有機(jī)質(zhì)含量高會阻止污染物的降解有機(jī)質(zhì)含量高會阻止污染物的降解/ 硫酸鹽抑制甲烷產(chǎn)生。硫酸鹽抑制甲烷產(chǎn)生。4 過程（工程）控制評價 通過注入流體來實現(xiàn)

11、控制亞表層。通過注入流體來實現(xiàn)控制亞表層。 流體是空氣和水。流體是空氣和水。 注入或抽出空氣是為了使氧氣達(dá)到不飽注入或抽出空氣是為了使氧氣達(dá)到不飽和層。和層。 在抽注水時可以同時讓氧氣和養(yǎng)分隨同在抽注水時可以同時讓氧氣和養(yǎng)分隨同加入。它們隨水位上升可以進(jìn)入污染帶。加入。它們隨水位上升可以進(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，污染物的組分包括含水層的異質(zhì)性，污染物的組分 水力循環(huán)速率水力循環(huán)速率 梯度和流向梯度和流向 導(dǎo)水率和滲透率導(dǎo)水率和滲透率確認(rèn)遷移特征 應(yīng)用標(biāo)記物實驗，證實預(yù)測的流向、速應(yīng)用標(biāo)記物實驗，證實預(yù)測的流向、速度、以及注入試劑的運(yùn)動時間。度、以及注入試劑的運(yùn)動

12、時間。 通常，溴化物是標(biāo)記物的最佳選擇通常，溴化物是標(biāo)記物的最佳選擇/三、 可處理試驗方法 設(shè)計之前，除上述目標(biāo)外，還須了解下述外部設(shè)計之前，除上述目標(biāo)外，還須了解下述外部因素：因素： 管理部門的目的管理部門的目的 客戶的要求客戶的要求 污染物對人體健康及環(huán)境的危害程度污染物對人體健康及環(huán)境的危害程度 污染地點(diǎn)的敏感性污染地點(diǎn)的敏感性 時間計劃的靈活性時間計劃的靈活性 項目預(yù)算的靈活性項目預(yù)算的靈活性 工程的置信因子（工程的置信因子（confidence factor）制定方案的指南 CERCLE可處理研究實施指南可處理研究實施指南生物降解性修復(fù)方法的選生物降解性修復(fù)方法的選擇（擇（Guide

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

14、 Aerobic Biodegradation remedy screening), 美國美國環(huán)保署，環(huán)保署，EPA/54012-91/519/-13A, 1991.8 （一）、基本方案 1）對照）對照 對照提供比較基數(shù)。所有處理性評價都對照提供比較基數(shù)。所有處理性評價都要設(shè)對照。要設(shè)對照。 要求：除處理外，一切條件都應(yīng)一致。要求：除處理外，一切條件都應(yīng)一致。 如非生物對照使用抑制微生物生長的物如非生物對照使用抑制微生物生長的物質(zhì)，通常是疊氮化鈉，或氯化汞。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,

15、 用于有機(jī)合成,污水含氧量測定,血清防腐劑等 2）土著微生物）土著微生物 目的是了解土著微生物對靶標(biāo)化合物的目的是了解土著微生物對靶標(biāo)化合物的降解能力。降解能力。 通常是在了解污染土樣和水樣的污染物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、含量，微生物數(shù)量、pH等參數(shù)后，在加等參數(shù)后，在加入必要的養(yǎng)分濃度，以保證微生物的生入必要的養(yǎng)分濃度，以保證微生物的生長的需要。長的需要。 3）接種微生物）接種微生物 目的是評價接種微生物對靶標(biāo)化合物的降解目的是評價接種微生物對靶標(biāo)化合物的降解效果。效果。 控制條件與土著微生物一致?？刂茥l件與土著微生物一致。 但接種微生物可能會帶來一些基質(zhì)，如木屑

16、，但接種微生物可能會帶來一些基質(zhì)，如木屑，培養(yǎng)液等。因此，有時作為對照使用時，要培養(yǎng)液等。因此，有時作為對照使用時，要將其滅活（高溫或其他手段）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條件會有一接種微生物與土著微生物的生長條件會有一定差別。定差別。 4）過程的最優(yōu)化）過程的最優(yōu)化 設(shè)計試驗評價主要基質(zhì)，補(bǔ)充營養(yǎng)物質(zhì)、設(shè)計試驗評價主要基質(zhì)，補(bǔ)充營養(yǎng)物質(zhì)、電子受體和電子受體等的有效性。電子受體和電子受體等的有效性。 可以設(shè)計單因子試驗和多因子試驗?？梢栽O(shè)計單因子試驗和多因子試驗。 如水分單因子試驗如水分單因子試驗 養(yǎng)分的多因子試驗養(yǎng)分的多因子試驗 正交旋轉(zhuǎn)回歸設(shè)計正交旋轉(zhuǎn)回歸設(shè)計

17、5）可達(dá)到的處理濃度）可達(dá)到的處理濃度 回答達(dá)到什么樣的處理水平，和需要多長回答達(dá)到什么樣的處理水平，和需要多長時間？時間？ 問題的回答需要在確定上述最優(yōu)的環(huán)境條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。件后才能得到答案。 這一研究可以通過研究降解的動力學(xué)來獲這一研究可以通過研究降解的動力學(xué)來獲得。得。 但要注意，實驗室得出的降解動力學(xué)數(shù)據(jù)但要注意，實驗室得出的降解動力學(xué)數(shù)據(jù)很難在現(xiàn)場實驗中得到。很難在現(xiàn)場實驗中得到。動力學(xué)研究的例子 微生物 植物降解動力學(xué)降解動力學(xué)： 冪指數(shù)定律（冪指數(shù)定律（Power rate law）Figure 2.6: Integrated rate l

18、aws for reaction orders zero through twoFigure 2.8: Plot of Hydrogen Peroxide Concentration versus 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 st

19、arting 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 of reactions with orders zero through two （二）、基本方法（二）、基本方法 1 土壤試驗土壤試驗 （1）土壤滅菌試驗：）

20、土壤滅菌試驗：取土壤置于盆缽中，取土壤置于盆缽中，加入目標(biāo)污染物。設(shè)加入目標(biāo)污染物。設(shè)滅菌和不滅菌兩個處滅菌和不滅菌兩個處理。不同時間取樣，理。不同時間取樣，考察目標(biāo)污染物分解考察目標(biāo)污染物分解情況。情況。 取土壤置于盆缽中，加入目標(biāo)污染物。取土壤置于盆缽中，加入目標(biāo)污染物。種植不同植物。不同時間取樣，考察種植不同植物。不同時間取樣，考察目標(biāo)污染物分解情況。目標(biāo)污染物分解情況。 1 土壤試驗土壤試驗 （2）土壤植物試驗：）土壤植物試驗： 2 土柱試驗土柱試驗 3搖瓶試驗搖瓶試驗 以污染物為主要碳以污染物為主要碳源源,補(bǔ)加適量的補(bǔ)加適量的N, P, S,生長素等營養(yǎng)物生長素等營養(yǎng)物質(zhì)。接種不同微

21、生質(zhì)。接種不同微生物，在不同條件下物，在不同條件下培養(yǎng)，考察分解情培養(yǎng)，考察分解情況。況。 4 反應(yīng)器試驗反應(yīng)器試驗 實驗室規(guī)模的實驗室規(guī)模的反應(yīng)器是一個反應(yīng)器是一個2L的容器。的容器。試驗方案舉例 首先，試驗方案應(yīng)包括一個對方案目的首先，試驗方案應(yīng)包括一個對方案目的的簡短而精煉的陳述。即首先要提出要的簡短而精煉的陳述。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。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)，包括每一個具體的步步驟要盡量詳細(xì)，包括每一個具體的步驟。驟。 （1）目的）目的 （2）任務(wù)）任務(wù) （3）步驟）步驟1配制標(biāo)準(zhǔn)溶液配制標(biāo)準(zhǔn)溶液 （4）步驟）步驟2-可處理性研究可

22、處理性研究 （5）分析方法）分析方法 （6）質(zhì)量控制）質(zhì)量控制 （7）數(shù)據(jù)記錄和報告）數(shù)據(jù)記錄和報告四、生物修復(fù)工程設(shè)計四、生物修復(fù)工程設(shè)計 生物修復(fù)工程是一個系統(tǒng)工程，需要依生物修復(fù)工程是一個系統(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)、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)、計算機(jī)和微電子等多學(xué)科學(xué)、氣象學(xué)、計算機(jī)和微電子等多學(xué)科的合作。的合作。四個步驟 （1）數(shù)據(jù)收集）數(shù)據(jù)收集 污染物的種類、性質(zhì)、濃度、分布，時間污染物的種類、性質(zhì)、濃度、分布，時間 微生物種類、數(shù)量、活性、分布微生物種類、數(shù)量、活性、分布 環(huán)

23、境特性：土壤種類，生態(tài)，水文、地質(zhì)環(huán)境特性：土壤種類，生態(tài)，水文、地質(zhì)等等 當(dāng)?shù)胤煞ㄒ?guī)當(dāng)?shù)胤煞ㄒ?guī)有關(guān)環(huán)境立法 1972年聯(lián)合國人權(quán)環(huán)境會議后，中國政年聯(lián)合國人權(quán)環(huán)境會議后，中國政府開始重視環(huán)境問題。府開始重視環(huán)境問題。 1973年國務(wù)院召開了第一次全國環(huán)境保年國務(wù)院召開了第一次全國環(huán)境保護(hù)會議，擬定并頒布了護(hù)會議，擬定并頒布了關(guān)于保護(hù)和改關(guān)于保護(hù)和改善環(huán)境的若干規(guī)定試行草案善環(huán)境的若干規(guī)定試行草案 1978年的年的中華人民共和國憲法中華人民共和國憲法第第11條專門對環(huán)境保護(hù)作了規(guī)定：條專門對環(huán)境保護(hù)作了規(guī)定：“國家保國家保護(hù)環(huán)境和自然資源，防治污染和其他公護(hù)環(huán)境和自然資源，防治污染和其他公

24、害。害?！币罁?jù)此條，我國在依據(jù)此條，我國在1979年頒布了年頒布了中華人民共和國環(huán)境保護(hù)法（試中華人民共和國環(huán)境保護(hù)法（試行）行）； 我國我國1982年年憲法憲法總綱第總綱第26條第條第1款規(guī)款規(guī)定：定：“國家保護(hù)和改善生活環(huán)境和生態(tài)國家保護(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。環(huán)境，防治污染和其他公害。”確認(rèn)了確認(rèn)了環(huán)境保護(hù)是國家的一項基本職責(zé)；環(huán)境保護(hù)是國家的一項基本職責(zé)； 1983年，在第二次全國環(huán)境保護(hù)會議上，年，在第二次全國環(huán)境保護(hù)會議上，我國宣布環(huán)境保護(hù)為一項基本國策。我國宣布環(huán)境保護(hù)為一項基本國策。 我國有關(guān)我國有關(guān)公民環(huán)境權(quán)公民環(huán)境權(quán)的理論到的理論到2002年在年在環(huán)境

25、影響評價法環(huán)境影響評價法中才正式提出中才正式提出來。來。四個步驟 （2）技術(shù)路線選擇）技術(shù)路線選擇 根據(jù)現(xiàn)場綜合情況，結(jié)合過去經(jīng)驗，篩根據(jù)現(xiàn)場綜合情況，結(jié)合過去經(jīng)驗，篩選方案，并確定最佳技術(shù)路線。選方案，并確定最佳技術(shù)路線。四個步驟 （3）可處理試驗）可處理試驗 如果選擇生物修復(fù)，要進(jìn)行如果選擇生物修復(fù)，要進(jìn)行 實驗室小試實驗室小試 現(xiàn)場中試現(xiàn)場中試 獲得有關(guān)污染物毒性、溫度、營養(yǎng)和氧獲得有關(guān)污染物毒性、溫度、營養(yǎng)和氧氣限制性因素等，為工程的實施提供參氣限制性因素等，為工程的實施提供參數(shù)。數(shù)。四個步驟 （4）實際工程設(shè)計）實際工程設(shè)計 包括包括 處理設(shè)備處理設(shè)備 井位、井位、 井深井深 營養(yǎng)物

26、質(zhì)營養(yǎng)物質(zhì) 氧源氧源植物修復(fù)設(shè)計的例子復(fù)習(xí)題 1 試述現(xiàn)場調(diào)查的目的、步驟、和要獲得的數(shù)試述現(xiàn)場調(diào)查的目的、步驟、和要獲得的數(shù)據(jù)種類。據(jù)種類。 2污染物濃度的水平分布和垂直分布？如何獲得？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)場估計電子受體？什么是電子受體？如何現(xiàn)場估計電子受體？ 4 為什么要調(diào)查土壤的養(yǎng)分條件？為什么要調(diào)查土壤的養(yǎng)分條件？ 5 進(jìn)行污染物的動力學(xué)研究有什么意義？進(jìn)行污染物的動力學(xué)研究有什么意義？ 6如何計算污染物的半減期？如何計算污染物的半減期？ 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 soluti