第16章 生物修復(fù)的可處理性及工程設(shè)計(jì)

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)場微生物活性現(xiàn)場水力學(xué)特性現(xiàn)場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）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)；評價(jià)（生物）修復(fù)所能達(dá)到的速度和程度；評價(jià)修復(fù)過程中可能出現(xiàn)的問題；評估修復(fù)時間、達(dá)到的程度及費(fèi)用。

1.現(xiàn)場調(diào)查2生物過程評價(jià)3.原位生物修復(fù)評價(jià)4過程（工程）控制評價(jià)

“一查三評價(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)場調(diào)查1.現(xiàn)場調(diào)查

類別項(xiàng)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初步現(xiàn)場評估數(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）采樣分析對土壤和地下水（井水）取樣分析。3）現(xiàn)場研究流體壓力測定，了解地下水性質(zhì)2生物過程評價(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條件現(xiàn)有微生物活性和可能的毒性營養(yǎng)物的有效性對生物（微生物）有重要意義的現(xiàn)場環(huán)境條件

1)碳源和能源AvailableC（foreachpollutants）TotalCDOCBOD2）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)。測定現(xiàn)場氧化還原電位就可以估計(jì)可利用的電子受體。氧化還原電位的測定：電極法(1)AerobicDegradation+250mvandhigher(2)Oxygen-Nitrogen+250mvto100mv=====dinitrification(3&4)Iron-Mn(IV)+100mvto0mv(5)Sulfate0mvto-200mv(6)Methane-Hydrogen-200mvandlower3）微生物活性測量天然微生物的活性是評價(jià)現(xiàn)場毒性的步驟之一。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/L土壤103-107個/L如果污染區(qū)微生物數(shù)量<103個/L，則表明有毒性。4）養(yǎng)分條件特別是氮，磷測定硝酸鹽、亞硝酸鹽、銨鹽、硫酸鹽、和亞硫酸鹽不僅可以評價(jià)養(yǎng)分情況，還可評價(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)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)不僅需要上述的評價(jià)，而且評價(jià)范圍需要進(jìn)一步拓寬。還須增加下述現(xiàn)場數(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于評價(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，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能設(shè)計(jì)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。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?qū)屎蜐B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)測的流向、速度、以及注入試劑的運(yùn)動時間。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人體健康及環(huán)境的危害程度污染地點(diǎn)的敏感性時間計(jì)劃的靈活性項(xiàng)目預(yù)算的靈活性工程的置信因子（confidencefactor）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（GuideforconductingtreatabilitystudiesunderCERCLE:Biodegradationremedyselection),美國環(huán)保署，EPA/540R-93/519,1993.3ComprehensiveEnvironmentalResponse,Compensation,andLiabilityActCERCLE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（GuideforconductingtreatabilitystudiesunderCERCLE:AerobicBiodegradationremedyscreening),美國環(huán)保署，EPA/54012-91/519/-13A,1991.8（一）、基本方案1）對照對照提供比較基數(shù)。所有處理性評價(jià)都要設(shè)對照。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質(zhì)，通常是疊氮化鈉，或氯化汞。疊氮化鈉.產(chǎn)品英文名,Sodiumazide.產(chǎn)品別名,迭氮鈉.分子式,NaN3.產(chǎn)品用途,用于有機(jī)合成,污水含氧量測定,血清防腐劑等

2）土著微生物目的是了解土著微生物對靶標(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的需要。

3）接種微生物目的是評價(jià)接種微生物對靶標(biāo)化合物的降解效果?？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，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）接種微生物與土著微生物的生長條件會有一定差別。

4）過程的最優(yōu)化設(shè)計(jì)試驗(yàn)評價(jià)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?？梢栽O(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，和需要多長時間？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力學(xué)來獲得。但要注意，實(shí)驗(yàn)室得出的降解動力學(xué)數(shù)據(jù)很難在現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)中得到。動力學(xué)研究的例子微生物植物降解動力學(xué)：冪指數(shù)定律（Powerratelaw）Figure2.6:IntegratedratelawsforreactionorderszerothroughtwoFigure2.8:PlotofHydrogenPeroxideConcentrationversusTimePlotofthenaturallogofhydrogenperoxideconcentrationversustimePlotofinversehydrogenperoxideconcentrationversustimeHalf-LivesAhalf-lifeisthetimeittakesforonehalfofthestartingmaterialtobetransformedintoitsproducts.Oftenyouwillhearhalf-lifeassociatedwithradioactivedecayphenomena(whichfollowfirstorderkinetics),butthetermcanbeappliedtoanyreaction.Half-livesofreactionswithorderszerothroughtwo（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)滅菌和不滅菌兩個處理。不同時間取樣，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,生長素等營養(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2L的容器。試驗(yàn)方案舉例首先，試驗(yàn)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。四個步驟（1）數(shù)據(jù)收集污染物的種類、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)合國人權(quán)環(huán)境會議后，中國政府開始重視環(huán)境問題。1973年國務(wù)院召開了第一次全國環(huán)境保護(hù)會議，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《中華人民共和國憲法》第11條專門對環(huán)境保護(hù)作了規(guī)定：“國家保護(hù)環(huán)境和自然資源，防治污染和其他公害?！币罁?jù)此條，我國在1979年頒布了《中華人民共和國環(huán)境保護(hù)法（試行）》；我國1982年《憲法》總綱第26條第1款規(guī)定：“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?！贝_認(rèn)了環(huán)境保護(hù)是國家的一項(xiàng)基本