受污染地下水源的生物修复技术研究进展

时文靓，于水利，邱晓霞，赵丽晔
（哈尔滨工业大学市政环境工程学院，哈尔滨。15000）

　　摘　要：生物修复技术是地下水污染治理的有效措施，本文介绍了当今生物修复技术的研究现状，阐述了工程菌培养和驯化的方法和生物修复工程实现的技术手段，并对该技术的发展趋势进行了展望。
　　关键词：受污染地下水，生物修复，工程菌

Bioremediation of Contaminated Groundwater
Shi Wen-xin　　Yu Shui-li　　Qiu Xiao-xia　　Zhao Li-ye
(Sch.of Municipal & Environ. Engin, Harbin Insistute of Technology,Harbin,150090,China)

　　Abstract: Bioremediation is an effective means to treat contaminated groundwater.This paper introduces the researching status quo of the bioremediation and expatiates the ways to incubate and domesticate the engineering bacteria.At last, the applied measures of the bioremediation is expounded.
　　Key words:contaminated groundwater; bioremediation;engineering bacteria

0 前言

　　水是人类科全不可或缺的宝贵资源。地下水源是其中重要的组成部分。近年来，随着工农业的迅猛发展，同地表水一样，地下水源也遭遇到严重的污染。在我国，多数城市地下水受到一定程度的点状或面状污染，局部地区地下水部分水质指标超标^[1]。在一些地区由于使用被污染的地下水作为饮用水，居民的身体健康受到了严重的威胁。比如说，淄博地区的浅层地下水目受石油化工废水的污染，地下水最高含油量达到了100mg/L，超过国家标准（＜0.1mg/L）1000倍以上，致使污染区人群的肝肿大和消化系统恶性癌发病率和死亡率均高于对照区，且有逐年升高趋势。在日本，环境厅对全国地下水进行了调查，结果发现很多地方的地下水中三氯乙烯和四氯乙烯的含量己严重超过世界工生组织(WHO)所规定的饮用水水质标准。鉴于地下水污染对人类健康造成的严重危害，人们开展了隔离法、吸附法、电化学法等多种技术研究，并借助这些技术手段来治理地下水污染。近年来，随着生物技术研究的深入，人们开始将生物工程运用到地下水污染治理方面，这就是受污染地下水的生物修复技术。

1 生物修复技术概述

1.1生物修复技术的概念及其特点
　　生物修复(Bioremedation)技术是利用特定的生物（植物、微生物或原生动物）吸收、转化、清除或降解污染物，使其完全无害化，从而使污染了的土壤或地下水能够部分或完全恢复到初始状态的生物措施。它是传统的生物处理方法的延伸，其创新之处在于它治理的对象是较大面积的污染。生物修复包括两个方面的内容：一是利用具有特殊生理生化功能的植物或特异微生物在原位修复污染了的土壤或水体；二是应用生物处理或生物循环过程，通过精心设计与合理应用来阻断或减少污染源向环境的直接排放^[2]。与生物净化（biopurification）相比，生物修复更强调人为控制条件下生物技术的应用，而生物净化则强调自然生态系统中的生物对外源污染物进行的自发清除过程。
　　生物修复技术的主要特点(1)处理效果好。微生物的吸附和降解作用能有效地去除污染物，可以使其残留量达到很低水平：（2）对环境的影响小，无二次污染。生物修复可以矿化地下水中的有机物，使之转化为对环境无害的水和CO2；(3)可以就地处理。避免了集输过程的二次污染，节约了处理费用。(4)反应条件简单，投资省，运行费用低。生物过程是以酶促反应为基础的，通常是在常温、常压下进行；另外，酶对底物有高度的特异性，而使得该过程效率高，副产物少；与需要高温、高压条件的化工过程相比，反应条件大大简化，因而投资省、费用少、消耗低。(5)生物修复过程稳定、操作简便。
1.2 受污染水源生物修复技术的研究现状
　　生物修复的基础研究始于20多年前，最初主要集中在水体、土壤和地下水体的石油类污染物生物降解的实验室研究。随后，人们针对受污染的土壤和水体环境的可生物修复性能进行了广泛的研究。结果表明，采用生物修复技术可以有效地降解多种污染物质，使环境污染降低到最低水平。比如说，高氯乙烯是一类含氯量很高的人工合成有机物。对环境危害很大，迄今为止尚无有效的治
理方法。Alphenaar PA等利用厌氧微生物先将高氯乙烯降解为二氯乙烯，再用好氧微生物将工氯乙烯降解，从而利用生物修复的方法将地下水中的高氯乙烯矿化分解。Schmitt Reinhard等对液化气工厂主要含一些苯、甲苯、乙苯、二甲苯和低分子量的多环芳烃的地下水进行了声物降解研究，在加氧的条件下。芳香烃被氧化为特异的芳香族有机酸^[3]。再如，在靠近固体火箭燃料、炸药和烟火等制造厂的地区，地下水中的污染物高氯酸盐含量较高。而高氯酸盐的毒性会对人们健康造成严重的影响，为了解决这个问题，科研人员发明了一种先进的高氯酸盐生物修复系统，即采用能够进行自养代谢的混合微生物培养菌以及一种低成本、相对不易溶解的无机物质来去除高氯酸盐。在初期试验中。这种生物修复系统在不到6天的时间内将高氯酸盐的浓度从50mg/L降至＜1mg/L。在2天的时间内，又将其从1mg/L降至＜10μg/L。目前，地下水的生物修复技术已经得以工程应用，其中最为成功的工程有两个一个是美国密执安Grayling一个空军基地柴茶油储罐管道破裂造成土壤和地下水高浓度有机污染的治理工程，另一个是在弗吉尼亚进行的对受二氯乙烯、三氯乙烯和四氯乙烯污染的地下水的生物修复工程。在分别经过13月和16月的运行以后，地下水中污染物浓度均可满足密州自然资源局规定的标准。
　　近年来，人们在开展土壤和地下水生物修复技术研究的同时。也对地表水的生物修复技术进行了研究。我国学者徐向阳对含酚地表水的生物修复进行了研究，结果表明，分离的菌株能够以苯酚为唯一的碳源和能源。在充氧或不充氧的条件下，可将地表水中酚类的浓度从＜0.5mg/L降低到0.002mg/l以下^[4]。徐亚同等人对上海上澳塘水体进行了生物修复性试验（试验规模为3600－5000m³/d，结果表明，生物修复可以消除水体黑臭，可将水中的BOD5从20mg/L降低到3mg/L，CODcr从60-70mg/L降低到30mg/L，溶解氧含量从进水的0.5mg/L左右到出水时的7.8mg/L。透明度由进水时的十几厘米到出水时的40厘米左右。在国外，地表水生物修复最成功的范例是美国 Jon E. Llidstrom等人在1990年夏到1991年应用投加营养和高效降解菌对阿拉斯加Exxon Valdez王子海湾由于油轮泄漏造成的污染进行的处理，该工程取得了非常明显的效果，使得近百公里海岸的环境质量得到明显改善。

2 受污染地下水稻的生勤修复技术措旋

　　受污染水源的生物修复技术利用水体中生息的微生物或向水体中投加的特定微生物，在人为促进工程化条件下，分解污染物，修复受污染的环境。由于地下水深埋于地下，生物修复技术的实施一般应结合污染的具体情况．采取不同的方法。由于现场环境的复杂性，因而产生厂许多不同的治理污染的概念和技术措施。
2.1 工程菌的筛选、培养和驯化
　　微生物降解有机化合物的能力是生维修复的技术关键。水体中存在着各种各样的微生物，在遭受污染后，自然就存在着一个培养和驯化选择的过程，一些特异的微生物在污染物的诱导下产生分解污染物的酶系，进而将污染物降解。但在许多条件下，土著微生物菌群驯化时间长、生长速度慢、代谢活性不高，再则，由于许多污染物如多环芳烃（PAHs）、重金属等具有生物毒性，要实现污染水体的生物修复，必须筛选、培养和驯化出能够降解污染物的高效工程菌。工程菌通常从受污染的土壤或水体中筛选，对其的培养和驯化可采用异步培养法、同步培养法和接种培养法。异步培养是先将筛选出工程菌在适当的培养基上加以培养，然后在培养基中逐渐提高污染物的浓度，使能够分解污染物的菌种得到繁殖和发展，不适应的菌种则逐渐淘汰。同步培养是在培养的初期就在培养基中添加污染物并逐渐提高其浓度，该方法可缩短培养和驯化的时间。而接种培养则直接从污染状况相同的生物修复工程中获得工程菌，能进一步缩短培养和驯化的时间，提高驯化效果。
2.2 生物修复的工程实现
　　生物修复作用的成功与否很大程度上与降解微生物群落在水体中的数量及繁殖速率有关。当受污染水体中很少或甚至没有降解菌存在，引入工程菌是最佳的选择。然而引入的菌株不管是天然分离菌种或基因工程菌(GEMs)受pH、温度或氧的供给等许多因素的影响。以适当的方式引入工程菌，通过一定的工程手段为其生长繁殖创造条件是实现生物修复的关键。目前，污染地下水生物修复的工程实现方法有生物注射法、有机粘土祛、抽提地下水系统和回注系统相结合法、生物反应器法等^[5]。
　　生物注射法(biosparging)主要是将加压后的空气通过空气井注射污染地下水的下部，气流加速地下水和土壤中有机物的挥发和降解。这种方法可以增加地下水中溶解氧的含量，为工程菌分解有机污染物创造了良好的生态环境。
　　有机粘土法是化学吸附和生物降解有机结合的原位处理方法。向地卜水中注入季铵盐阳离子表面活性剂；可在现场形成有效的吸附区，控制有排污染物在地下水中的迁移，同时工程菌降解富集在吸附区的有机污染物，从而彻底消除地下水的有机污染。抽提地下水系统和回注系统相结合法是将抽提地下水系统和回注系统（注入空气或H²O²、营养物和己驯化的微生物）结合起来，促进有机物的生物降解。这种处理方法费用较低、时间短，是修 复污染地下水有效方法。
　　生物反应器法是抽提和回注地下水系统相结合方法的强化。从地下抽出的受污染的地下水被送入建立在地面的污水处理系统之中，该处理系统为污染物的生物降解提供包括溶解氧和营养物质在内的良好生态环境；经处理后的地下水通过修灌系统回道到土壤内，同时将营养物、溶解氧和已驯化的工程菌带入地层，使生物降解过程在土壤及地下水层内容得到加速进行。

3 结论与展望

　　研究表明，生物修复技术是治理大面积水体污染的一种有价值的方法。目前，欧、美的许多国家都在积极推进生物修复技术的研究和应用。在我国，由于地下水体的污染状况相对而言较为严重而开展的研究却相对较少。因此，受污染地下水的生物修复技术具有重要的研究价值和广泛的应用价值。

主要参考文献
　　[1]2000年中国环境状况公报[R].北京：国家环境保护局
　　[2]王庆仁，刘秀梅，崔岩山等. 土壤与水体有机污染的生物修复及其应用研究进展[J].生态学报，2001,21(1):159-163
　　[3]Schmitt R, Langguth H R, Puettnann W. Aromatic Hydrocarbon degradation and metabolites formation in aquifers of a former gasworks site: Influence of soul and groundwater reclamations[J]. Grundwasser, 1998, 3(2):78-86
　　[4]徐向阳，俞秀娥，郑平等. 受酚污染地表水生昔修复技术的基础研究[J]. 浙江大学学报，1999，25(4):409-413
　　[5]李静，张甲耀，夏盛林等. 污染地下水的生物修复技术[J]. 农业环境保护，1997，16(6)：283-285

---

作者简介：
　　时文歆(1970-)，男，汉族，河南通许人，讲师，博士生，研究方向为市政与环境工程。