受污染環(huán)境的修復課件

第五章受污染環(huán)境的修復第五章受污染環(huán)境的修復第一節(jié)微生物修復技術一、概述

微生物修復技術是指通過微生物的作用清除土壤和水體中的污染物，或是使污染物無害化的過程，包括自然和人為控制條件下的污染物降解或無害化過程。第一節(jié)微生物修復技術一、概述微生物修復（源分類）自然修復過程利用土著微生物的條件：充分和穩(wěn)定的地下水流有微生物可利用的營養(yǎng)物有緩沖pH的能力有使代謝能夠進行的電子受體微生物修復（源分類）自然修復過程酶對污染物的降解起到關鍵作用。電滲析流可以用以下方程描述：而N,P是限制微生物活動的重要因素2H2O2濃度的影響——隨著濃度的增大，COD的去除首先增大，而后出現(xiàn)下降影響微生物修復效率的因素Ie－電流梯度ThlaspicaerulenscensTraffickingandsequestration游船海難事故造成的原油泄漏；二、影響微生物修復效率的因素第六節(jié)表面活性劑及共溶劑淋洗技術pT-fpgvectordigestedbyBamHI/EcoRIandfpggenewasrecovered把污染物移到反應器中完成微生物移到反應器中完成微生物的代謝過程，生物反應器包括土壤泥漿生物反應器和預制床反應器RH+OH·——H2O+R·fpg融合基因克隆與構建結果微生物修復（源分類）人為修復工程：采用外源微生物又稱強化生物修復或工程化的生物修復手段：生物刺激技術：滿足微生物生長環(huán)境條件生物強化技術：投入外源微生物等酶對污染物的降解起到關鍵作用。微生物修復（源分類）人為修復工生物修復（場址分類）原位生物修復：污染的原地點異位生物修復：將污染物移動到鄰近點或反應器內(nèi)進行。生物修復（場址分類）原位生物修復：污染的原地點海洋污染的生物修復游船海難事故造成的原油泄漏；污染海面和海灘進行生物修復投表面活性劑投微生物菌劑投營養(yǎng)物海洋污染的生物修復游船海難事故造成的原油泄漏；污染海面和海灘二、影響微生物修復效率的因素（1）營養(yǎng)物質

污染物主要提供碳源，而N,P是限制微生物活動的重要因素典型的細菌細胞組成二、影響微生物修復效率的因素（1）營養(yǎng)物質典型的細菌細胞組成（2）電子受體

土壤中污染物氧化分解的最終電子受體種類和濃度極大影響著污染物降解的速率和程度，微生物氧化還原反應的最終電子受體分為：溶解氧有機物分解的中間產(chǎn)物無機酸根影響微生物修復效率的因素（2）電子受體影響微生物修復效率的因素（3）污染物的性質

可降解性是關鍵；另外還包括毒性，揮發(fā)性和鎖定

鎖定：污染物與土壤顆粒物相互作用，生物有效性下降。影響微生物修復效率的因素（3）污染物的性質影響微生物修復效率的因素（4）環(huán)境條件

土壤顆粒的性質（有機質及黏土含量等及介質條件（酸堿度、溫度、濕度和孔隙率等）（5）微生物的協(xié)同作用

微生物降解過程需要兩種或更多種類微生物的協(xié)同作用才能夠完成。影響微生物修復效率的因素（4）環(huán)境條件影響微生物修復效率的因素三、強化生物修復的主要類型原位強化修復技術生物強化法生物通氣法生物注射法生物沖淋法土地耕作法

三、強化生物修復的主要類型原位強化修復技術原位強化修復技術（1）生物強化法

在生物處理體系中投加具有特定功能的微生物來改善原有處理體系的處理效果。原位強化修復技術（1）生物強化法芳香烴降解fpg

基因的構建與表達策略pGEX4TdigestedbyBamHIandEcoRIFgpgeneBamHIEcoRIRecombinantpGEX-fpg

pT-fpgvectordigestedbyBamHI/EcoRIandfpggenewasrecovered芳香烴降解fpg基因的構建與表達策略pGEX4Tdigfpg

融合基因克隆與構建結果PCRproductsofTP-PCRmethod12M2000bp1000bp750bp500bp250bp100bp123M456構建結果fpg融合基因克隆與構建結果12M表達載體構建結果重組pGEX4T-fpg

載體構建及fpg基因的表達結果ConstructionofpGEX4T-fpgandfpgexpressionresults12345678M12345678M66.2kD45.0kD35.0kD25.0kD18.4kD14.4kD表達載體構建結果重組pGEX4T-fpg載體構建及fpg基質粒轉化質粒轉化攜帶有fpg融合基因表達蛋白的大腸桿菌（左）和野生菌（右）熒光顯微鏡下形態(tài)攜帶有fpg融合基因表達蛋白的大腸桿菌（左）和野生菌（右）熒（2）生物通氣法用于修復受揮發(fā)性有機物污染的地下水水層上部通氣層土壤。原位強化修復技術原位強化修復技術（3）生物注射法適用于處理受揮發(fā)性有機物污染的地下水及上部土壤。（4）生物沖淋法將含氧和營養(yǎng)物的水補充到亞表層，促進土壤和地下水中的污染物的生物降解。（5)土地耕作法對污染土壤進行耕梨處理。原位強化修復技術（3）生物注射法原位強化修復技術

異位生物修復(1)堆肥法處理固體廢棄物的傳統(tǒng)技術，用于受石油，洗滌劑，多氯烴，農(nóng)藥等污染土壤的修復處理。(2)生物反應器處理把污染物移到反應器中完成微生物移到反應器中完成微生物的代謝過程，生物反應器包括土壤泥漿生物反應器和預制床反應器異位生物修復(3)厭氧處理厭氧處理對于某些具有高氧化狀態(tài)的污染物的降解，如三硝基甲苯，多氯取代化合物（PCB等），比耗氧處理更為有效。異位生物修復異位生物修復四、生物修復的優(yōu)缺點優(yōu)點：現(xiàn)場、原位、徹底、低耗缺點：有的不能修復有的降解后毒性更大前期費用較高四、生物修復的優(yōu)缺點優(yōu)點：現(xiàn)場、原位、徹底、低耗第二節(jié)植物修復技術一、概述

植物修復技術直接利用各種活體植物，通過提取，降解和固定等過程清除環(huán)境中的污染物，或消減污染物的毒性，可以用于受污染的地下水，沉積物和土壤的原位處理。第二節(jié)植物修復技術一、概述第五章受污染環(huán)境的修復課件二、植物修復重金屬污染的過程和機理（1）植物提取植物提取是利用重金屬超積累植物從土壤中吸取一種或幾種重金屬，并將其轉移，儲存到地上部分，隨后收割地上部分并集中處理，連續(xù)種植這種植物，即可使土壤中重金屬含量降低到可接受的水平。二、植物修復重金屬污染的過程和機理超積累植物的篩選518Zn36Ni612Mn35Pb1124Cu1226Co22Cd23AsNumberoffamiliesNumberofspeciesMetals518Zn36318Ni612Mn35Pb1124Cu1226Co22Cd3AsNumberoffamiliesNumberofspeciesMetals世界上發(fā)現(xiàn)的超積累植物種類超積累植物的篩選518Zn36Ni612Mn35Pb1124MetalsPlantsMaxiumcontentsCuIpomoeaalpina12300CdThlaspicaerulenscens1800PbThlaspicaerulenscens8200ZnThlaspicaerulenscens51600MnMacadamianeurophylla51800CoHaumaniastrumrobertii10200NiBerkheyacoddii7880AsPterisvittata5000一些超積累植物和累積金屬的最大含量MetalsPlantsMaxiumcontentsCuI國內(nèi)一些學者發(fā)現(xiàn)的超積累植物國內(nèi)一些學者發(fā)現(xiàn)的超積累植物我們發(fā)現(xiàn)的錳超積累植物——商陸我們發(fā)現(xiàn)的錳超積累植物——商陸（2）植物穩(wěn)定

植物穩(wěn)定是利用耐重金屬植物的根際的一些分泌物，增加土壤中有毒金屬的穩(wěn)定性，從而減少金屬向作物的遷移，以及被淋濾到地下水或通過空氣擴散進一步污染環(huán)境的可能性。（2）植物穩(wěn)定（3）植物揮發(fā)植物揮發(fā)是利用植物的吸收，積累和揮發(fā)而減少土壤中一些揮發(fā)性污染物，即植物將污染物吸收到體內(nèi)后將其轉化為氣態(tài)物質，釋放到大氣中，多用于吸收金屬元素汞和非金屬元素硒。（3）植物揮發(fā)植物耐受重金屬毒害的機制植物耐金屬毒害的機制復雜多樣，包括細胞壁鈍化，跨膜運輸減少，主動外排，區(qū)域化分布，鰲合，合成逆境蛋白，產(chǎn)生乙烯。其中最主要的，最普遍的機制是通過誘導金屬配體的合成，形成金屬配體復合物，并在器官，細胞和亞細胞水平呈區(qū)域化分布。植物耐受重金屬毒害的機制重金屬吸收、累積和存在形態(tài)重金屬的主動吸收和被動吸收機理重金屬吸收的離子通道和轉運蛋白重金屬在植物體內(nèi)的分布定位重金屬在植物體內(nèi)累積的分子形態(tài)重金屬吸收、累積和存在形態(tài)重金屬的主動吸收和被動吸收機理酶對污染物的降解起到關鍵作用。123M456適用于處理受揮發(fā)性有機物污染的地下水及上部土壤。IpomoeaalpinapGEX4TdigestedbyBamHIandEcoRIPRB是一項原位使用的技術，比起傳統(tǒng)的pT-fpgvectordigestedbyBamHI/EcoRIandfpggenewasrecovered臭氧在堿性環(huán)境等因素作用下，產(chǎn)生活潑的自由基，主要是羥基自由基，與污染物反應，臭氧在催化條件下易于分解形成OH自由基，土壤中天然存在的金屬氧化物如α-Fe2O3,MnO2和Al2O3通常可以作為這種催化反應的活性位點。Fe0+CrO42-+H2O——FexCr1-x(OH)3+OH-深度氧化技術，是相對于常規(guī)氧化技術而言的，指在體系中能產(chǎn)生具有高度反應活性的自由基（如羥基自由基），充分利用自由基的活性，快速徹底地氧化有機污染物的處理技術。適用于處理受揮發(fā)性有機物污染的地下水及上部土壤?；瘜W清洗法：利用水力壓頭推動清洗液通過污染土壤而將污染物從土壤中清洗出去，然后再對含污染物的清洗液進行處理。qv—體積流量從木質部卸載到葉細胞(跨葉細胞膜運輸)Ke－電滲析流導率系數(shù)污染海面和海灘進行生物修復存在，容易深入到非均質的地下含水層不容易治理的將含氧和營養(yǎng)物的水補充到亞表層，促進土壤和地下水中的污染物的生物降解。根系吸收主動與被動吸收在重金屬污染土壤上，植物對重金屬的吸收由于環(huán)境濃度差異大而存在被動吸收；Knight

等認為超積累植物對土壤溶液中Zn可能存在主動吸收過程。離子通道或轉運蛋白鋅轉運蛋白(ZIP)和鐵轉運蛋白(ITR1)對根吸收土壤中Zn和Fe起重要作用；ZIP和ITR1也具有吸收轉運Mn(II),Co(II),Cd(II)或Cu(II)等重金屬離子的潛力。Uptakeandsequestration酶對污染物的降解起到關鍵作用。根系吸收Uptakeand木質部薄壁細胞轉載到導管的能量可能來自木質部薄壁細胞膜上的H-ATPase產(chǎn)生的負性跨膜電勢在導管中運輸?shù)哪芰恐饕獊碜愿鶋汉驼趄v拉力有機分子在超積累植物體內(nèi)重金屬運輸中有重要作用，用X-射線吸收精細結構分析法(EXAFS)研究,發(fā)現(xiàn)印度芥菜傷流液中有機酸參與了Cd在木質部的運輸木質部運輸Xylemtransport木質部薄壁細胞轉載到導管的能量可能來自木質部薄壁細胞膜上的H卸載與組織分布從木質部卸載到葉細胞(跨葉細胞膜運輸)在組織水平上,重金屬主要分布在表皮細胞、亞表皮細胞和表皮毛中Unloadingandtissuedistribution卸載與組織分布從木質部卸載到葉細胞(跨葉細胞膜運輸)Unlo細胞分布定位細胞壁液泡線粒體葉綠體高爾基體其他Traffickingandsequestration液泡常被認為是重金屬貯存的主要場所,用電子探針觀察了遏藍菜屬觀察到根中的Zn大部分分布在液泡中。細胞壁是重金屬離子進入的第一道屏障,它的金屬沉淀作用是一些植物耐重金屬的原因。蹄蓋蕨屬（Athyriumyokoscense)植物吸收的Cu大約有70-90%位于細胞壁。細胞分布定位細胞壁Traffickingandsequ三、植物修復有機污染物的過程和機理（1）直接吸收有機污染物被植物吸收以后，可直接以母體化合物或以不具有植物毒性的代謝產(chǎn)物的形態(tài)，通過木質化作用在植物組織中貯藏，也可代謝或礦化為水和CO2等，或隨植物的蒸騰（呼吸）作用排除植物體。三、植物修復有機污染物的過程和機理（2）植物分泌物的降解作用植物的根系可向土壤環(huán)境釋放大量分泌物，其數(shù)量約占植物年光合作用的10％－20％。植物產(chǎn)生的各種天然有機物或酶類，可以促進有機污染物在植物體外發(fā)生生物降解。酶對污染物的降解起到關鍵作用。第五章受污染環(huán)境的修復課件（3）增強根際微生物降解直接圍繞在植物根周圍的土壤環(huán)境，一般稱作根際。植物根系分泌一些物質及酶進入土壤，不但可以降解有機污染物，還向生活在根際的微生物提供營養(yǎng)和能量，支持根際微生物的生長和活性，使根際環(huán)境的微生物數(shù)量明顯高于非根際土壤，生物降解作用增強。

根冠細胞和分泌物是根區(qū)微生物生長的重要營養(yǎng)源。（3）增強根際微生物降解第三節(jié)化學氧化技術一、概述

化學氧化修復技術是利用氧化劑的氧化性能，使污染物氧化分解，轉變成無毒或毒性較小的物質，從而消除土壤和水環(huán)境中的污染。第三節(jié)化學氧化技術一、概述

深度氧化技術，是相對于常規(guī)氧化技術而言的，指在體系中能產(chǎn)生具有高度反應活性的自由基（如羥基自由基），充分利用自由基的活性，快速徹底地氧化有機污染物的處理技術。

二、高錳酸鉀氧化法

（1）高錳酸鉀在酸性溶液中有很強的氧化性

MnO4-+8H++5e-——Mn2++4H2O

標準氧化還原電位為E＝（2）高錳酸鉀在中性溶液中氧化性要低得多

MnO4-+2H2O+3e-——MnO2+4OH-

標準氧化還原電位為(3)高錳酸鉀在堿性溶液中的氧化性也較弱

E＝(4)高錳酸鉀氧化有機污染物的機理——在酸性條件下，它是通過提供氧原子而不是通過生成羥基自由基進行氧化反應二、高錳酸鉀氧化法三、臭氧氧化技術

臭氧在酸性介質中氧化還原電位為2.07V,在堿性介質中為，其氧化能力僅次于氟，高于氯和高錳酸鉀。（1）臭氧分子的直接氧化反應

1打開雙鍵發(fā)生加成反應

2親電反應－發(fā)生在分子中電子云密度高的點

3親核反應－只發(fā)生在帶有吸電子基團的碳原子上，限于同不飽和芳香族或脂肪族化合物或某些特殊基團發(fā)生反應三、臭氧氧化技術（2）自由基的反應

臭氧在堿性環(huán)境等因素作用下，產(chǎn)生活潑的自由基，主要是羥基自由基，與污染物反應，臭氧在催化條件下易于分解形成OH自由基，土壤中天然存在的金屬氧化物如α-Fe2O3,MnO2和Al2O3通?？梢宰鳛檫@種催化反應的活性位點。（2）自由基的反應四、過氧化氫及FENTON氧化技術

Fenton試劑是指在天然或人為添加的亞鐵離子（Fe2+）時，與過氧化氫發(fā)生作用，能夠產(chǎn)生高反應活性的羥基自由基（OH·）的試劑。四、過氧化氫及FENTON氧化技術

Fenton反應體系中，過氧化氫產(chǎn)生羥基自由基的總反應方程為：酸性條件下

Fe2++H2O2——Fe3++O2+OH·Fenton反應生成的OH·能快速降解多種有機化合物：

RH+OH·——H2O+R·R·+Fe3+——Fe2++產(chǎn)物第五章受污染環(huán)境的修復課件

Fenton試劑反應需在酸性條件才能進行，對環(huán)境條件的要求比較苛刻：1PH的影響——酸性條件2H2O2濃度的影響——隨著濃度的增大，COD的去除首先增大，而后出現(xiàn)下降3催化劑(Fe2+)濃度的影響——適量4反應溫度——適當?shù)臏囟燃せ钭杂苫鵉enton試劑反應需在酸性條件才能進行，對環(huán)境條件的第四節(jié)電動力學修復一、基本原理

利用電動力學原理對受污染土壤進行修復的方法稱為電動力學修復技術。電動力學修復是將電極插入受污染的地下水及土壤區(qū)域，施加直流電，形成直流電場。由于土壤顆粒表面雙電層，孔隙水中帶有電荷的離子或顆粒，在電場作用下通過電遷移、電滲析流或電泳的方式沿電場方向遷移，這些統(tǒng)稱為電動效應。這樣，污染物離開土壤向兩極遷移，最終富集在電極區(qū)得到集中處理或分離。第四節(jié)電動力學修復一、基本原理Z——離子的電荷數(shù)

D——擴散系數(shù)

T——熱力學溫度

L——Avogadro常數(shù)

R——摩爾氣體常數(shù)電遷移速率Z——離子的電荷數(shù)

D——擴散系數(shù)

T——熱力學溫度

L——

由于離子在土壤中的遷移比在水中的更復雜，所以在實際土壤中電遷移速率應為：

u*=u/ττ為經(jīng)驗常數(shù)電滲析流可以用以下方程描述：

qv=KexIexAqv—體積流量

Ke－電滲析流導率系數(shù)

Ie－電流梯度

A－截面積

由于離子在土壤中的遷移比在水中的更復雜，所以第五章受污染環(huán)境的修復課件二、聯(lián)用技術

電動力學修復只是將土壤中的污染物從土壤遷移到電極溶液，要將污染物徹底去除，可與其他修復技術聯(lián)用。例如，電動力學修復技術與離子交換技術并用，可使土壤中重金屬離子徹底去除。重金屬在電場的作用下，進入電極室溶液抽提到地面進入離子交換系統(tǒng)，發(fā)生離子交換后的溶液可再次通入地下循環(huán)利用。二、聯(lián)用技術第五節(jié)地下水修復的可滲透反應格柵技術一、概述

可滲透反應格柵技術（PRB）是以活性填料組成的構建物，垂直立于地下水水流的方向，污水流經(jīng)過反應格柵，通過物理的，化學的及生物的反應，使有機物得以有效去除的地下水凈化的技術。第五節(jié)地下水修復的可滲透反應格柵技術一、概述PRB是一項原位使用的技術，比起傳統(tǒng)的泵提－處理技術，可省去泵提、挖掘及異地處理的費用；不阻斷水流，對環(huán)境的影響??；維護容易；在功能喪失后可直接取出處理因而在經(jīng)濟上和工程應用上均顯示出優(yōu)勢。PRB是一項原位使用的技術，比起傳統(tǒng)的二、Fe-PRB1.0價Fe去除地下水中的有機污染物C2HCl3+Fe0+H2O——C2