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土壤化学修复技术ppt

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土壤化学修复技术ppt

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这是土壤化学修复技术ppt下载,主要介绍了环境修复的概念;环境修复的对象和任务;环境修复的类型;环境修复的产生和发展;土壤污染物质;土壤污染类型与来源;原理篇,欢迎点击下载。

土壤修复原理与技术 提 纲 修复(remediation)是一个工程上的概念,顾名思义,是指借助外界作用力使某个受损的特定对象部分或全部恢复到原初始状态的过程。 环境修复(environmental remediation)就是研究对被污染的环境采取物理、化学与生物学技术措施,使存在于环境中的污染物质浓度减少或毒性降低或完全无害化,使得环境能够部分或者全部的恢复到原始状态。 环境污染→健康环境 环境修复≠和环境净化 环境修复≠”三废”治理 根据环境修复的概念可知,其对象是自然界中各种各样因为环境污染和破坏等而形成的环境问题,如污染的大气、水体、土壤等 任务是即使得污染的环境能够部分或者全部恢复到原始状态。 根据环境修复的对象,环境修复可分为土壤环境修复、水体环境修复、大气环境修复、固体废物环境修复等几个类型。 根据环境修复的方法和技术手段,环境修复可分为工程修复、物理修复、化学修复、生物修复四大类型。 根据修复的形式,环境修复可分为原位修复和异位修复两个类型。 人们对环境质量越来越高的要求与随工业文明而来的环境污染和生态破坏之间的矛盾促使了环境修复学科的产生。污染预防工程、传统的环境工程(即“三废”治理工程)和环境修复工程分别属于污染物控制的产前、产中和产后三个环节,它们共同构成污染控制的全过程体系。 随着科学技术的发展,环境修复的理论研究不断深入,工程技术手段也不断更新,形成了目前物理、化学、生物多种方法共存的局面,并有由物理化学方法向生物方法发展的趋势。 土壤污染的概念 1)工业污染源:工业“三废”物质排放。 2)农业污染源:化肥、农药、畜禽粪便。 3)生活污染源:城乡生活废水、农家肥等。 4)其它污染源(废弃物焚烧等) 物理分离修复 蒸气浸提修复 固定稳定化修复 电动力学修复 热力学修复 化学淋洗修复 化学固定修复 化学氧化修复 化学还原修复 原位可渗透反应墙 生物修复技术主要是利用生物特有的分解有毒有害物质的能力,去除污染环境如土壤中的污染物,达到清除环境污染的目的。 广义的生物修复通常是指利用各种生物(包括微生物,动物和植物)的特性,吸收、降解、转化环境中的污染物,使受污染的环境得到改善的治理技术。广义的生物修复可以分为微生物修复、植物修复、动物修复和生态修复四大类。 狭义的生物修复通常是指在自然或人工控制的条件下,利用特定的微生物降解、清除环境中污染物的技术。 按修复主体可分为微生物修复、植物修复、动物修复、生态修复。 按修复受体可分为土壤生物修复、地下水生物修复、河流生物修复、湖泊水库生物修复、海洋生物修复、大气生物修复、矿区生物修复、垃圾场生物修复等。 按修复场所可分为原位生物修复、异位生物修复和原位-异位联合生物修复。 生物修复起源于有机污染物的治理,利用好氧或厌氧微生物处理污水已有l00多年的历史,但是利用生物修复技术处理现场有机污染物才有30年的历史。1972年美国清除宾夕法尼亚州的Ambler管线泄漏的汽油是史料所记载的首次应用生物修复技术。 20世纪80年代以后基础研究的成果被应用于大范围的污染环境治理,并取得了相当的成功,从而发展成为一种新的生物治理技术。 1989年,美国阿拉斯加海域受到大面积石油污染,生物修复技术首次大规模应用,取得了很好的效果。阿拉斯加溢油生物修复成为生物修复史上的里程碑,至此,生物修复技术成为一种可被人们接受的油泄漏治理方法。 我国关于生物修复的研究起步较晚,目前尚处于小试与中试阶段,还需进一步发展 与化学、物理处理方法相比,生物修复技术具有下列的优点:① 费用少,仅为传统化学、物理修复经费的30%~50%;② 操作简便,环境影响小;③ 最大限度地降低污染物的浓度;④ 可应用于其它技术难以应用的场地;⑤ 可以同时处理受污染的土壤和地下水,与其它技术结合弹性大。 同时有以下缺点:① 耗时长;② 运行条件苛刻;③ 对污染物有选择性,低生物有效性、难降解性常使生物修复不能进行。 生物修复必须遵循的四项原则是使用适合的生物、在适合的场所、适合的环境条件和适合的技术费用下进行。① 适合的生物是生物修复的先决条件,它是指具有正常生理和代谢能力,并能以较大的速率降解或转化污染物,并在修复过程中不产生毒性产物的生物体系。② 适合的场所是指要有污染物和合适的生物相接触的地点,污染场地不含对降解菌种有抑制作用的物质且目标化合物能够被降解。③ 适合的环境条件是指要控制或改变环境条件,使生物的代谢与生长活动处十最佳状态。环境因子包括温度、湿度、O2、pH值、无机养分、电子受体等。④ 适合的技术费用是指生物修复技术费用必须尽可能低,至少低于同样可以消除该污染物的其他技术。 土著微生物 污染环境中的原有微生物,种类多、代谢类型多样,“食谱”广。据报道,能够降解烃类的微生物有70多个属、200余种;其中细菌约有40个属。表1列举了某些难降解有机物和重金属及其相应的降解转化微生物。 外来微生物 人为富集和培养的高效菌,一般为复合菌群。 基因工程菌 采用基因工程技术,将降解性质粒转移到一些能在污水和受污染土壤中生存的菌体内定向地构建高效降解难降解污染物的工程菌。 用于生物修复的其他微生物 包括藻类和微型动物。 微生物产品和酶 污染物的扩散迁移 主动运输 需要消耗能量,可以逆物质浓度梯度进行,需要载体蛋白的参与,对被运输的物质有高度的立体专一性,为主要方式。 被动扩散 微生物吸收营养物各种方式中最简单的一种,不规则运动的营养物质分子通过细胞膜中的含水小孔,由高浓度的胞外向低浓度的胞内扩散,具有非特异性。 促进扩散 在运输过程中不需要消耗能量,物质本身在分子结构上也不会发生变化,同样不能进行逆浓度运输需要借助于位于细胞膜上的一种载体蛋白参与物质运输。 基团转位 另一类类型的主动运输,在物质运输过程中,除了物质分子发生化学变化外,其他特点都与主动运输相同。厌氧微生物中发生。 胞饮作用 假丝酵母摄取烷烃的一类途径。 氧化作用 包括Fe、S等单质的氧化,NH3、N02-等化合物的氧化,以及一些如甲基、醛有机物基团的氧化。 还原作用 包括高价铁和硫酸盐的还原、NO3-的还原等,还原作用需要缺氧或者厌氧(无氧)的环境。 基团转移作用 如脱羧、脱氨、脱卤等。 水解作用 使大分子转变为小分子,如纤维素降解。 此外还有酯化作用、缩合作用、氨化作用、乙酰化作用、双键断裂反应、卤原子移动等。 微生物对重金属吸附的机理主要有静电吸附、共价吸附、络合整合、离子交换和无机微沉淀等,重金属有可能通过沉淀或晶体化作用沉积于细胞表面,某些难溶性重金属也可能被胞外分泌物或是细胞壁的腔洞捕获而沉积。细胞被杀死后,经过一定的处理,具有一定的粒度、硬度及稳定性,可储存、运输和实际应用。 微生物吸收主要是利用生物新陈代谢作用产生能量,通过单价或二价离子的转移系统把重金属离子输送到细胞内部。由于有细胞内的累积,去除效果可能比单纯的挠生物吸附好。但是,由于环境中要去除的重金属离子大多有毒有害,抑制生物活性,甚至使其中毒死亡,并且生物的新陈代谢作用受温度、pH值、能源等诸多因素的影响,因此微生物累积在实际应用中受到很大的限制。 外境中重金属离子的长期存在使自然界中形成一些特殊微生物,它们对有毒重金属离子具有抗性,可以使金属离子发生转化。对微生物而言,这是一种很好的解毒作用;对环境而言则是一种很好的修复作用,汞、铅、锡、砷等金属或类金属离子都能在微生物的作用下通过氧化还原作用而失去毒性。主要包括甲基化作用、氧化作用和还原作用。 营养物质 在营养缺乏的环境中,为了使污染物达到完全降解,添加适当营养物比接种特殊微生物更加重要,例如N、P营养盐。 电子受体 土壤中污染物氧化分解的最终电子受体的种类和浓度也极大地影响着污染物生物降解的速度和程度。微生物氧化还原反应的最终电子受体主要包括溶解氧、有机物分解的中间产物和无机酸根(如硝酸根和硫酸根)。 共代谢基质 微生物的共代谢对一些顽固污染物的降解起着重要作用,因此共代谢基质对生物修复有重要影响 有毒有害污染物的物理化学性质 如有机污染物的化学结构、毒性、生物可利用性 污染现场和土壤的特性 微生物修复技术是在人为强化的条件下,用自然环境中的土著微生物或人为投加外源微生物的代谢活动,对环境中的污染物进行转化、降解与去除的方法。 环境生物修复技术主要由三方面的内容组成:① 利用土著微生物代谢能力的技术;② 活化土著微生物分解能力的方法;③ 添加具有高速分解难降解化合物能力的特定微生物(群)的方法。 植物修复是以植物忍耐和超量积累某种或某些化学元素的理论为基础,利用植物及其根际圈微生物体系的吸收、挥发、降解和转化作用来清除环境中污染物质的一项新兴的污染治理技术。具体地说植物修复就是利用植物本身特有的利用、分解和转化污染物的作用,利用植物根系特殊的生态条件加速根际圈的微生态环境中的微生物的生长繁殖,以及利用某些植物特殊的积累与固定能力,提高对环境中某些无机和有机污染物的脱毒和分解能力。 广义的植物修复包括利用植物修复重金属污染的土壤、利用植物净化空气和水体、利用植物清除放射性核素和利用植物及其根际微生物共存体系净化土壤中的有机污染物。目前植物修复主要指利用植物及其根际圈微生物体系清洁污染土壤,其中利用重金属超积累植物的提取作用去除污染土壤中的重金属又是植物修复的核心技术。因此狭义的植物修复技术主要指利用植物清除污染土壤中的重金属。 根据植物修复在某一方面的修复功能和特点可将植物修复分为6种基本类型: 植物净化空气 表现为对有害气体的吸收、对降尘和飘尘的阻滞和过滤、杀菌和除菌、吸收二氧化碳、降噪等。 植物提取修复 利用陆生或水生植物超量吸收一种或几种重金属,并富集到可收割部分再进行集中处理。为应用最多和最有发展前途的植物修复技术。 植物挥发修复 将挥发性污染物吸收到植株体内,再转化为气态物质释放到大气中,主要集中在挥发性重金属修复方面,如汞、硒、砷。 植物降解修复 两种途径:一是将污染物吸收到植株体内储存于组织中或矿化,二是分泌物质直接降解根系圈内有机污染物。 根际圈生物降解修复 利用植物根际圈菌根真菌、专性或非专性细菌等微生物的降解作用来转化有机污染物,降低或彻底消除其生物毒性。其中植物对根际圈降解微生物起到活化的作用,此外根分泌的一些有机物质也是细菌通过共代谢降解有机污染物质的原料。这种修复方式实际上是微生物与植物的联合作用过程,其中微生物在降解过程中起主导作用 植物固定/稳定化修复 一是通过耐性植物根系分泌物质来积累和沉淀根际圈附近的污染物质,二是利用耐性植物在污染土壤上的生长来减少污染土壤的风蚀和水蚀,防止污染物质迁移和扩散。 优点包括:① 资源丰富,开发和应用潜力巨大在实践应用中有了良好的技术保障;② 能耗较低,可防止水土流失,创造生态效益和经济效益,符合可持续发展战略的理念;③ 修复工艺操作简单,成本低,减少了公众的担心,可以在大面积污染范围内实施。 缺点包括: ①具有不确定性和多学科交叉性,受环境条件和病虫害影响较大;② 受植物栽培和生长的限制,周期较长。 植物修复作用原理如图9所示,主要是通过植物自身的光合、呼吸、蒸腾和分泌等代谢活动与环境中的污染物质和微生态环境发生交互反应,从而通过吸收、分解、挥发、固定等过程使污染物达到净化和脱毒的修复效果。 首先,植物根具有深纤维根效应,根的形态可以影响土壤的物化性质以及污染物的生物可利用性和降解程度。 其次,根可以通过吸收和吸附作用在根部积累大量的污染物质,加强了对污染物质的固定,其中根系对污染物质的吸收在污染土壤修复中起重要作用。 再次,根还有生物合成的作用,可以合成多种氨基酸、植物碱、有机氮和有机磷等有机物,同时还能向周围土壤中分泌有机酸、糖类物质、氨基酸和维生素等有机物,降低根际国内污染物质的可移动性和生物有效性,减少污染物对植物的毒害。 植物根际圈指由植物根系和土壤微生物之间相互作用而形成的独特圈带,包括根系、与之发生相互作用的生物,及受这些生物活动影响的土壤,是一个良好的适应微生物群落生长的生态环境,是由土壤为基质,以植物的根系为中心,聚集了大量的细菌、真菌等微生物和贩则、线虫等一些土壤动物的独特的“生态修复单元”。 植物的根系从土壤中吸收水分、矿质营养的同时,向根系周围土壤分泌大量的有机物质,而且其本身也产生一些脱落物,这些物质促使某些土壤微生物和土壤动物在根系周围大量地繁殖和生长,使得根际圈内微生物和土壤动物数量远远大于根际圈外的数量,而微生物的生命活动如氮代谢、发酵和呼吸作用及土壤动物的活动等对植物根也产生重要影响,它们之间形成了互生、共生、协同及寄生的关系。 植物修复有机污染有以下三种机制: 有机污染物的直接吸收和降解 植物根对中度憎水有机污染物有很高的去除效率,包括BTEX、氯代溶剂和短链脂肪族化合物等(0.5≤lgKow ≤ 3.0) 。 根系对有机污染物的吸收程度还取决于有机污染物在土壤水溶液的浓度、植物的吸收率和蒸腾速率。 酶的作用 一般来说,植物根系对有机污染物吸收的强度不如对无机污染物如重金属的吸收强度大,植物根系对有机污染物的修复,主要是依靠根系分泌物对有机污染物产生的配合和降解等作用,以及根系释放到土壤中酶的直接降解作用得以实现。例如从沉积物中鉴定出的脱卤酶、硝酸还原酶、过氧化物酶、漆酶和脂水酶均来自植物的分泌作用。 根际的微生物降解 植物以多种方式帮助微生物转化,根际圈在生物降解中起着重要作用。 植物修复重金属有以下四种机制: 植物对重金属的移运 通过蒸腾拉力和扩散途径使重金属到达根表面;重金属的跨膜运输;重金属在穿过根的中柱,进入导管,并向植株上部传输。 植物积累 将重金属富集和固定于植株上部的组织中,有的可实现超积累,该类植物往往被选为修复植物。 植物挥发 植物将污染物吸收到体内后又将其转化为气态物质,释放到大气中,目前在这方面研究最多的是金属元素汞和非金属元素硒。 植物稳定 利用植物吸收和沉淀固定土壤中的大量有毒金属,以降低其生物有效性并防止其进入地下水和食物链,从而减少其对环境和人类健康的污染风险。 影响植物修复的环境因子包括: 土壤酸碱度 土壤中绝大多数重金属是以难溶态存在的,其可溶性受pH值限制,进而影响到植物的吸收与利用;根际圈微生物对有机污染物的降解活性同时也受到土壤pH的影响。 氧化还原电位 重金属多为过渡元素,在不同的氧化还原状态下,有不同的价态、溶解性和毒性。 共存物质 例如络合-螯合剂和表面活性剂就有对重金属的增溶和增加吸收作用。 另外还有污染物间的复合效应、营养元素、植物激素以及生物因子等影响因素。

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