生物修复

生物修复是一种通过改变环境条件以刺激微生物生长并降解目标污染物来处理包括水，土壤和地下物质在内的受污染介质的过程。在许多情况下，生物修复比其他修复替代方案更便宜，更可持续。生物处理是用于处理废物的类似方法，包括废水、工业废物和固体废物。

大多数生物修复过程都涉及氧化还原反应，在该过程中，要么添加电子受体（通常为氧气）以刺激还原性污染物（例如碳氢化合物）的氧化，要么添加电子给体（通常为有机底物）以减少氧化的污染物（硝酸盐、高氯酸盐）、氧化金属、氯化溶剂、炸药和推进剂）。在这两种方法中，都可以添加其他营养素、维生素、矿物质和pH缓冲液，以优化微生物的条件。在某些情况下，添加专门的微生物培养物以进一步增强生物降解能力。生物修复相关技术的一些示例是植物修复、mycoremediation、生物通风、浸出、土地耕作、生物反应器、堆肥、生物强化、rhizofiltration和生物刺激效应。

大多数生物修复过程都涉及氧化还原（Redox）反应，其中化学物质将电子（电子给体）提供给接受电子的不同物质（电子受体）。在该过程中，据说电子给体被氧化而电子受体被还原。生物修复过程中常见的电子受体包括氧气、硝酸盐、锰（III和IV）、铁（III）、硫酸盐、二氧化碳和一些污染物（氯化溶剂、炸药、氧化金属和放射性核素）。电子给体包括糖、脂肪、醇、天然有机物质、燃料碳氢化合物和各种减少的有机污染物。

有氧生物修复是氧化生物修复过程的最常见形式，其中氧气被用作石油、聚芳烃（PAHs）、苯酚和其他还原性污染物的氧化的电子受体。氧气通常是优选的电子受体，因为其能量产率更高，并且因为某些酶系统需要氧来引发降解过程。许多实验室和现场研究表明，微生物可以降解多种碳氢化合物，包括汽油、煤油、柴油和喷气燃料的成分。在理想条件下，低至中等重量的脂族，脂环族的生物降解率和芳族化合物可能很高。随着化合物分子量的增加，抗生物降解性也随之增加。

在地下水位上方提供氧气的常用方法包括耕种，堆肥和生物通风。在耕作过程中，将受污染的土壤，沉积物或淤泥掺入土壤表面，并使用常规农业设备定期翻倒以给混合物充气。堆肥通过将待处理废物与填充剂混合，成堆并定期混合以增加氧的转移，从而加速了污染物的生物降解。 生物排放是增加进入土壤不饱和区的氧气或空气流量的过程，这会增加目标碳氢化合物污染物自然就地降解的速度。

在地下水位以下添加氧气的方法包括在处理区中循环充气水，添加纯氧气或过氧化物以及鼓入空气。再循环系统通常由注入井或集水井与一个或多个采油井的组合组成，在采油井中对提取的地下水进行处理，充氧，补充养分并重新注入。但是，该方法可提供的氧气量受到氧气在水中的低溶解度的限制（对于在典型温度下与空气平衡的水，溶解度为8至10 mg / L）。通过使水与纯氧接触或添加过氧化氢（H ₂ O ₂）到水上。在某些情况下，通过压力将固体钙或过氧化镁浆液通过土壤钻孔注入。这些固体过氧化物与水反应释放H ₂ O ₂，然后分解释放氧气。空气喷射涉及在地下水位以下的压力下注入空气。空气注入压力必须足够大，以克服水的静水压力和对通过土壤的空气流动的阻力。

厌氧生物修复可用于处理各种氧化污染物，包括氯化乙烯（PCE、TCE、DCE、VC）、氯化乙烷（TCA、DCA）、氯甲烷（CT、CF）、氯化环烃，各种高能物质（例如，高氯酸盐、RDX、TNT）和硝酸盐。

该过程涉及向以下物质添加电子供体：

1）耗尽背景电子受体，包括氧气、硝酸盐、氧化铁、锰和硫酸盐；

2）促进氧化污染物的生物和/或化学还原。 六价铬（Cr [VI]）和铀（U [VI]）可以还原为活动性和/或毒性较小的形式。同样，硫酸盐还原为硫化物（硫化物生成）可用于沉淀某些金属（例如锌、镉）。基质的选择和注入方法取决于污染物的类型和在含水层中的分布，水文地质和修复目标。可以使用常规的井装置，直接推技术或通过开挖和回填（例如可渗透反应性屏障（PRB）或生物墙）添加基质。由食用油或固体底物组成的缓释产品往往会留在原位，以延长治疗时间。可溶性底物或缓慢释放底物的可溶性发酵产物可能通过平流和扩散迁移，从而提供了更宽广但寿命更短的处理区域。首先将添加的有机底物发酵成氢（H ₂）和挥发性脂肪酸（VFA）。VFA，包括乙酸盐、乳酸盐、丙酸盐和丁酸盐，为细菌代谢提供碳和能量。

包括镉、铬、铅和铀在内的重金属是元素，因此不能被生物降解。但是，生物修复工艺可以潜在地用于降低这些材料在地下的流动性，从而减少人类和环境暴露的可能性。某些金属（包括铬（Cr）和铀（U））的迁移率随材料的氧化态而变化。微生物可通过将六价铬Cr（VI）还原为三价Cr（III）来降低铬的毒性和迁移率。铀可以从流动性较高的U（VI）氧化态还原为流动性较低的U（IV）氧化态。在此过程中使用微生物是因为除非通过微生物相互作用催化，否则这些金属的还原速度通常很慢也在研究通过增强金属对细胞壁的吸附来从水中去除金属的方法。该方法已被评估用于处理镉、铬、和铅。植物提取过程将污染物浓缩在生物质中，以便随后去除。

在生物刺激的情况下，添加限制营养以使环境更适合生物修复的营养，可以向系统中添加诸如氮、磷、氧和碳等营养，以提高治疗效果。

许多生物过程对pH敏感，并且在接近中性的条件下最有效地发挥作用。低pH值可能会干扰pH的稳态或增加有毒金属的溶解度。微生物可以消耗细胞能量来维持体内平衡，或者细胞质状况可能会因pH的外部变化而改变。通过改变碳和电子流量，细胞形态，膜结构和蛋白质合成，某些厌氧菌已适应低pH条件。

生物修复可用于完全矿化有机污染物，部分转化污染物或改变其迁移率。 重金属和放射性核素不能被生物降解，但是可以被生物转化为流动性较低的形式。在某些情况下，微生物无法使污染物完全矿化，可能会产生毒性更大的化合物。例如，在厌氧条件下，三氯乙烯的还原性脱卤作用可能会产生二氯乙烯（DCE）和氯乙烯（VC），这是可疑或已知的致癌物。但是，微生物脱卤球菌可以进一步将DCE和VC还原为无毒产物乙烯。需要进一步的研究来开发方法，以确保来自生物降解的产品比原始污染物具有更少的持久性和毒性。因此，必须知道目标微生物的代谢和化学途径。此外，了解这些途径将有助于开发可以处理污染物混合物分布不均的站点的新技术。

同样，为了发生生物降解，必须存在具有降解污染物的代谢能力的微生物种群，具有适合微生物生长条件的环境以及适量的养分和污染物。这些微生物使用的生物过程具有高度特异性，因此，许多环境因素也必须予以考虑和调节。因此，必须根据受污染地点的条件专门进行生物修复过程。而且，由于许多因素是相互依赖的，因此通常在受污染的地点进行该程序之前要进行小规模的测试。但是，可能难以将小规模测试研究的结果外推到大型现场操作中。在许多情况下，生物修复比其他方法（例如，填埋和焚烧）要花费更多的时间。