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浅析生物修复技术在水环境中的应用

   日期:2019-07-13     来源:地球    浏览:0    

  从微生物修复、植物修复和动物修复三个方面系统介绍了生物修复技术的作用原理,阐述了生物修复技术治理水中不同污染物的研究现状,并提出目前存在的问题和今后发展的建议。据报道,我国目前有50%的河道和80%以上的湖泊受到污染,许多湖泊已达不到地表水Ⅲ类水质标准,受污染水体的综合治理和修复已刻不容缓。生物修复的种类很多,根据被修复的污染环境,可分为土壤生物修复、地下水生物修复、沉积物生物修复和海洋生物修复等;根据生物修复所利用的生物种类,可分为动物修复、植物修复和微生物修复;根据人工干预的情况,可分为自然生物修复和人工生物修复。

  1、生物修复的作用机理

  1.1微生物修复

  废水中的有毒物质的成份非常复杂,包括各种酚类、氰化物、重金属、有机磷、有机汞、有机酸、醛醇及蛋白质等等。生物处理去除污水中的有机物质,是利用微生物的新陈代谢过程。微生物群体依靠细胞壁将污水中的有机物质吸收消化,同时产生一定的代谢物质,再作为其它微生物的养料,进行吸收消化,周而复始,直至污水中的有机物质全部分解。

  1.2植物修复

  植物,特别是水生植物,对污染水体都有一定的净化能力,因此,在污染水体中种植对污染物吸收能力强且耐性好的植物,应用植物对污染物的吸附、吸收、富集和降解(植物根系-根际微生物的联合作用)等,将水体中污染物去除或固定,从而实现水体修复的目的。

  植物可直接吸收污染物质,通过转化和输送,以非植物性毒素的形式进行积累。另一方面,植物通过向水体中分泌营养物质(单糖、氨基酸、脂肪族化合物等)和酶以及传递O2到根部来刺激根系周围微生物生长,并改变水体的生化活性,从而加速水体的生物修复作用。近年来研究表明植物根系的分泌物不但可为微生物提供营养物,同时可诱导微生物降解某些难降解的有毒物质如多氯联苯。水生植物可向沉积物、根围、茎叶围释放营养物质和O2,使沉积物中的微生物通过好氧的方式矿化污染物,提高微生物活性及对污染物的矿化能力[2]。

  1.3动物修复

  在污染水体治理修复中,合理规划、科学发展水上养殖,可在氮磷污染较重的水域适当增加食草和浮游植物鱼种的投放,以控制和消耗过度繁殖的藻类、提高水质。鱼类是动物修复的重要参与者,鲢鱼主要以浮游植物为食,鳙鱼主要以浮游动物为食。水蚤以藻类和有机腐屑为食,能有效除去藻类,同时它又可作为鱼类等水生动物的饵料被消耗。螺、蚌等底栖动物也可摄食碎屑、藻类,虾和鱼类可摄食藻类、碎屑、浮游动植物等,它们都能够明显限制浮游植物的生物量,同时降低水体中的COD、TP、DO和pH值。

  2、生物修复技术的研究现状

  2.1脱氮除磷

  去除水体中大量的氮、磷,是治理富营养化污水的根本。而氮、磷元素是植物生长必需的营养物质,因而治理氮、磷污染的最好方法是植物修复。

  李睿华等[3]探讨了美人蕉、香根草和荆三棱3种水生植物带改善河水水质的作用,发现有植物带对污染物降解的效果好于无植物带,其中荆三棱带效果最好,它在整个运行期间对COD、氨氮NH4+-N和总磷TP的去除效果分别为44.1%、78.7%和71.4%。

  人工湿地污水净化系统一个很重要的功能就是去除污水中的氮磷。湿地植物能通过吸收、吸附和富集等作用去除污水中的污染物,包括对氮、磷的吸收利用。赵丽娜等[4]比较了几种春季湿地植物的污水处理效果,总结出菖蒲和香蒲的处理能力较好,其对TN、TP和COD的去除率分别达到了72.46%、90.36%、65.05%和69.82%、91.32%、77.15%;芦苇的处理效果略次于菖蒲和香蒲,其TN、TP和COD的去除率分别为58.84%、74.60%和57.19%。Chris[5]研究了流入污水的水质对湿地去除氮、磷的影响,停留时间从2d增加到7d,结果发现在没有种植植物的湿地中TN的和TP的去除率分别从相同的12%增加到41%和 36%,而在种植了棒灯芯草时分别从48%和37%增加到75%和74%。

  2.2降解有机污染物

  生物强化技术通过在污水中加入优势高效菌种来增加和改善处理系统的能力,是一种利用生物治理废水的高效技术,在废水治理中的应用范围在逐渐扩大。

  解宏端等[6]采用生物强化技术,向活性污泥处理系统中投加高效菌剂,考察了其对焦化废水的处理效果和最佳控制参数。结果表明,在连续进水的条件下,控制活性污泥的SV30为30%、高效菌液的投加量为V菌液/V焦化废水=0.3%、水力停留时间为15h,系统对挥发酚的去除率为99.94%,出水挥发酚含量<0.5mg/L,达到《钢铁工业水污染物排放标准》(GB 13456-92)的一级标准要求;对COD的去除率为85.60%,与未投菌的对照组相比(COD去除率为60.87%),也有较大程度的提高。

  在活性污泥中投加X4菌对含油脂废水进行强化处理,可以提高油脂的去除率。驯化后的活性污泥对油脂具有较好的去除能力,在24小时内对油脂的降解率为78%。在驯化后的活性污泥中投菌量为43%时,24h油脂的去除率达到97%[7]。宋秀娟等[8]采用生物强化技术,即利用从废水中分离、筛选出的降解丙烯腈与总氰的特效菌株,使化纤废水加营养盐的培养基中丙烯腈降解率达98.7%,总氰降解率达84%。

  2.3去除重金属污染

  (1)重金属污染水体的微生物修复

  生物法去除环境中的重金属主要是利用微生物改变金属原子、金属离子的形态,使其沉淀,以达到去除有毒重金属的目的;或者利用微生物改变金属离子的价态,使金属溶于液体中,从而易于从土壤中滤除。

  张玉玲等[9]利用从活性污泥中分离、纯化、筛选得到的霉菌,可以有效地吸附水体中Cr(Ⅵ)、Cd(Ⅱ)离子。王亚雄等[10]对产碱假单胞菌和藤黄微球菌对Cu2+、Pb2+的吸附特性研究表明,两者对Cu2+、Pb2+的吸附速度很快,3min内细菌对金属离子的吸附量达到总吸附量的75%,然后吸附速度逐渐降低。Prakasham等[11]报道了根霉对Cr6+吸附。

  (2)重金属污染水体的植物修复

  重金属污染水体的植物修复是通过植物根系移去、挥发或稳定水体环境中的重金属污染物,降低污染物中的重金属毒性,以达到清除污染、修复或治理水体为目的的一种技术。研究表明:通过植物的吸收、挥发、根滤、降解、稳定等作用,以达到净化环境的目的,而植物修复是一种清除环境污染的绿色技术,它具有成本低、不破坏生态环境、不引起二次污染等优点[12]。

  黄永杰等[13]比较了八种水生植物对重金属富集能力,其中以水鳖根、茎叶的Cu、Pb、Cd、Zn含量最高。彭克俭[14]认为龙须眼子菜能有效地从溶液中去除镉和铅。向日葵、豌豆、蓖麻等植物幼苗也能有效地运用到环境水体中重金属锌、铅、镉、铜污染的植物修复。

  (3)重金属污染水体的动物修复

  水体底栖动物中的贝类、甲壳类、环节动物等对重金属具有一定富集作用。王晓丽等[15]应用半静态双箱模型室内模拟了牡蛎对四种重金属(As、Hg、Cd、Pb)的生物富集实验,证明了牡蛎是比较理想的重金属Hg、Cd、Pb污染的指示生物。

  3、建议

  结合当前国际该领域的发展趋势,建议着重开展以下研究工作:①筛选、分离、培育高效生物物种,主要包括污染物高效降解微生物、重金属耐性与超富集植物及污染物降解动物;②深入生物修复机理的研究,要从生态学、生理学、生物化学及分子生物学等不同角度与层次研究生物修复的机理;③基因工程的研究应用,使生物修复技术的研究和应用进入分子水平,提高学科的发展水平和发展空间;④加强生物修复技术同其它修复技术相结合的综合技术的研究。

 
 
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