生物修复工程技术

 一、土壤生物修复工程技术

    就土壤来说,目前实际应用的生物修复工程技术有三种:

1、原位处理 

    这种方法是在受污染地区直接采用生物修复技术,不需要将土壤挖出和运输.一般采用土著微生物处理,有时也加入经过驯化和培养的微生物以加速处理.需要用各种工程化措施进行强化,例如,在受污染区钻井,井分为两组,一组是注水井,用来将接种的微生物、水、营养物和电子受体等物质注入土壤中,另一组是抽水井,通过向地面上抽取地下水造成所需要的地下水在地层中流动,促进微生物的分布和营养等物质的运输,保持氧气供应(图11－3).通常需要的设备是水泵和空压机.有的系统,在地面上还建有采用活性污泥法等手段的生物处理装置,将抽取的地下水处理后再注入地下.

    该工艺是较为简单的处理方法,费用较省,不过由于采用的工程强化措施较少,处理时间会有所增加,而且在长期的生物修复过程中,污染物可能会进一步扩散到深层土壤和地下水中,因而适用于处理污染时间较长、状况已基本稳定的地区或者受污染面积较大的地区.

    生物通风(bioventing)是原位生物修复的一种方式.在这些受污染地区,土壤中的有机污染物会降低土壤中的氧气浓度,增加二氧化碳浓度,进而形成抑制污染物进一步生物降解的条件.因此,为了提高土壤中的污染物降解效果,需要排出土壤中的二氧化碳和补充氧气,生物通风系统就是为改变土壤中气体成分而设计的(如图11－4所示).生物通风方法现已成功地应用于各种土壤的生物修复治理,这些被称为“生物通风堆”的生物处理工艺主要是通过真空或加压进行土壤曝气,使土壤中的气体成分发生变化.生物通风工艺通常用于由地下储油罐泄漏造成的轻度污染土壤的生物修复.由于生物通风方法在军事基地成功的应用,美国空军将生物通风方法列为处理受喷气机燃料污染土壤的一种基本方法.　　

2、挖掘堆置处理

    该法又称处理床或预备床,就是将受污染的土壤从污染地区挖掘起来,防止污染物向地下水或更广大地域扩散,将土壤运输到一个经过各种工程准备(包括布置衬里,设置通风管道等)的地点堆放,形成上升的斜坡,并在此进行生物修复的处理,处理后的土壤再运回原地(图11－5).复杂的系统可以带管道并用温室封闭,简单的系统就只是露天堆放.有时首先将受污染土壤挖掘起来运输到一个地点暂时堆置,然后在受污染的原地进行一些工程准备,再把受污染土壤运回原地处理.从系统中渗流出来的水要收集起来,重新喷洒或另外处理.其他一些工程措施包括用有机块状材料(如树皮或木片)补充土壤,如在一受氯酚污染的土壤中,用35m3的软木树皮和70m3的污染土壤构成处理床,然后加入营养物,经过三个月的处理,氯酚浓度从212mg／L降到30mg／L.添加这些材料,一方面可以改善土壤结构,保持湿度,缓冲温度变化,另一方面也能够为一些高效降解菌(如白地霉(Geotrichumcandidum))提供适宜的生长基质.将五氯酚钠降解菌接种在树皮或包裹在多聚物材料中,能够强化微生物的五氯酚钠的降解能力,同时可以增加微生物对污染物毒性的耐受能力.

    这种技术的优点是可以在土壤受污染之初限制污染物的扩散和迁移,减小污染范围.但用在挖土方和运输方面的费用显著高于原位处理方法,另外在运输过程中可能会造成污染物进一步暴露,还会由于挖掘而破坏原地点的土壤生态结构.

3、反应器处理

    这种方法是将受污染的土壤挖掘起来,和水混合后,在接种了微生物的反应器内进行处理,其工艺类似于污水生物处理方法.处理后的土壤与水分离后,经脱水处理再运回原地(图11－6).处理后的出水视水质情况,直接排放或送入污水处理厂继续处理.反应装置不仅包括各种可以拖动的小型反应器,也有类似稳定塘和污水处理厂的大型设施.在有些情况下,只需要在已有的稳定塘中装配曝气机械和混合设备就可以用来进行生物修复处理.

    高浓度固体泥浆反应器能够用来直接处理污染土壤,其典型的方式是液固接触式.该方法采用批式运行,在第一单元中混合土壤、水、营养、菌种、表面活性剂等物质,最终形成含20％～25％土壤的混合相,然后进入第二单元进行初步处理,完成大部分的生物降解,最后在第三单元中进行深度处理.现场实际应用结果表明,液固接触式反应器可以成功地处理有毒有害有机污染物含量超过总有机物浓度1％的土壤和沉积物.反应器的规模在100m3／d～250m3／d之间不等,与土壤中污染物浓度和有机物含量有关.

        和前两种处理方法相比,反应器处理的一个主要特征是以水相为处理介质,而前两种处理方法是以土壤为处理介质.

    由于以水相为主要处理介质,污染物、微生物、溶解氧和营养物的传质速度快,且避免了复杂而不利的自然环境变化,各种环境条件(如 pH、温度、氧化还原电位、氧气量、营养物浓度、盐度等)便于控制在最佳状态,因此反应器处理污染物的速度明显加快,但其工程复杂,处理费用高.另外,在用于难生物降解物质的处理时必须慎重,以防止污染物从土壤转移到水中.

二、地下水生物修复工程技术

    地下水生物修复工程技术可以分为三类:

1、原位处理 

    与土壤基本相同,参见上文所述.

2、物理拦阻 

    使用暂时的物理屏障以减缓并阻滞污染物在地下水中的进一步迁移,该方法在一些受有毒有害污染物污染的地点已取得成功的经验.

3、地上处理 

    又称为抽取-处理技术,该技术是将受污染的地下水从地下水层中抽取出来,然后在地面上用一种或多种工艺处理(包括汽提法去除挥发性物质、活性炭吸附、超滤臭氧／紫外线氧化或臭氧／双氧水氧化、活性污泥法以及生物膜反应器等),之后再将水注入地层.但实际运行中很难将吸附在地下水层基质上的污染物提取出来,因此这种方法的效率较低,只是作为防止污染物在地下水层中进一步扩散的一种措施.例如,在生物膜反应器中,用沙作为固定生物膜的载体,以甲烷或天然气为初始基质,能去除高于60％的多氯联苯.

    进行地下水生物修复处理时,应注意调查该地的水力地质学参数是否允许向地上抽取地下水并将处理后的地下水返注；地下水层的深度和范围；地下水流的渗透能力和方向,同时也要确定地下水的水质参数如pH、溶解氧、营养物、碱度、以及水温是否适合于运用生物修复技术.