原位生物修復技術范文

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關鍵詞：水體底泥修復;原位修復技術;生物制劑原位修復技術;天然粘土礦物原位除藻技術

Abstract: the rapid development of social economy has brought increasingly serious environmental problems, a great deal of sewage emission to serious water pollution, decomposition of sediment pollutant effects on plants and the great reconstruction of water. In situ remediation technology has been increasingly applied to repair the water sediment, the natural clay minerals in situ removal technology, biological preparation in situ remediation technology to introduce water in-situ sediment remediation technology and its application.

Keywords: water sediment remediation; in situ remediation technology; biological preparation in situ remediation technology; algae removal technology of natural clay minerals in situ

中圖分類號：[TU992.3]文獻標識碼：A文章編號：2095-2104（2013）

1前言

隨著社會經濟的快速發展，工業化和城鎮化的不斷推進，工業廢水和生活污水的集中大量排放，水體中有機碳污染物、有機氮污染物以及含磷化合物負荷不斷加大，水體水質污染日趨嚴重。水體富營養化也已成為世界性的環境問題，突出表現為藍藻水華暴發、沉水植物衰退和底泥的高度厭氧。水體底泥是大型沉水植物固著的基礎，也是植物生長所需營養物質的重要來源。底泥上污染物的分解會消耗過多的溶解氧而導致底泥和底層水體缺氧，造成植物根系呼吸困難;同時，厭氧分解過程中產生的還原性有毒物質，也可能對植物產生毒害。尤其在一些大型淺水湖泊的湖灣和湖口區，暗黑、發臭的厭氧污泥不僅造成了嚴重的內源污染，也會影響植物重建和水體修復。本文就水體底泥修復中常用的原位修復技術做一下介紹。

原位生物修復技術是一種有發展潛力、效率高且投資少的環境修復技術。研究原位生物修復技術的過程、效果以及系統的利用率越來越成為人們關注的熱點。

所謂原位修復技術就是利用微生物對污染土壤不經攪動、在原位和易殘留部位之間進行現場處理。該技術應用于被石油類碳氫化合物所污染約地下水治理己經有多年歷史,但是直接用于治理被其它污染物污染的地下水和水體底泥也只是近幾年的事。原位修復技術的研究結果一方面加深了我們對該技術使用過程中一些限制因素的理解,同時也為使用其他相關的生物、化學和水力參數等提供了幫助。以下將結合具體的應用來介紹一下水體底泥的原位修復技術。

2天然粘土礦物原位除藻技術

天然粘土礦物原位除藻技術是指采用當地易得的底泥或岸邊粘土等經改性處理后，用于凝聚、沉降去除水體中的污染物及有害藻類，因其具有材料廉價易得、安全無毒、操作簡單等優點，被認為是目前最具前景的應急除藻技術之一。鄒華等提出、發展并應用了改性當地土壤除藻技術，研究了其除藻機理、室內和圍隔實驗及其對水質改善的作用，實現了應急水華治理、水質底質改善和沉水植物恢復的綜合效應。隨著當地土壤湖泊修復技術的發展和完善，改性土壤及去除的藍藻在水-沉積物界面處的變化及該技術長期的生態效應更加引起關注，Pan等提出通過追加噴灑原位土壤覆蓋先期絮凝的藍藻及其所含營養鹽實現對沉降藍藻封藏、對污染底泥覆蓋、生境改善和“藻-草”轉化的技術。

室內模擬系統中，在高度厭氧底泥上進行土壤和硅藻土原位覆蓋修復，約1 cm 的材料能夠明顯逆轉底質和水質條件: 污染厭氧底泥與水體隔絕，表層底質類型改變; 底泥的氧化還原電位大幅上升(分別提高了48. 37%和46. 77%); 水體中的TN、TP釋放受到減緩，營養鹽含量降低; 相比于對照水體底層溶解氧的明顯下降，覆蓋材料使水中溶氧維持在初始水平并略有升高。底質覆蓋的箱體中，苦草種子萌發并長勢良好，而對照箱體中苦草種子萌發后幼苗腐爛死亡，可見土壤和硅藻土原位覆蓋有效緩解了不利的環境脅迫，為苦草重建提供了適宜的底質和水質條件。硅藻土箱體中苦草的生物量、葉綠素和根冠比都高于土壤覆蓋箱體，因而具多孔結構的硅藻土表層底質更利于植物的生物累積和根系定植。

本技術適用于底層厭氧嚴重的區域，如湖灣區或較為平靜的水體; 然而天然水體經常面臨風浪、水生動物等擾動會破壞土壤覆蓋層，這也是該技術目前的局限性所在，因而有待開發更多新的覆蓋材料以實現更穩固的覆蓋和更長期的效果。

3生物制劑原位修復技術

3.1 生物制劑原位修復技術的概念

生物制劑原位修復技術主要是通過向污染水體中投加生物制劑，調控水體中微生物群體組成和數量，優化群落結構，提高水體中有自凈能力的微生物對污染物的去除效率，使河水最大程度恢復其原有的自凈能力，使污染物就地降解或轉化成無害物質。該技術不需要搬運或輸送污染水體(包括底泥和岸邊受污染的土壤)，而是在受污染區域直接進行原地的水體修復，具有使用安全方便、降解污染物徹底且費用低廉的優點。

3.2 生物制劑的種類和應用現狀

用于生物修復的微生物通常是經過反復篩選的、對污染物具有較強降解功能的微生物菌株，也可以是以這些功能性微生物為核心經過進一步開發形成的商品化微生物菌劑。根據污染環境的不同，可以按照微生物生長代謝規律向水體中投加營養物質、無毒表面活性劑或電子受體等來激活水環境中土著微生物的代謝潛能，抑制產生黑臭的菌群生理活性。通過以上幾種手段強化微生物對污染物的降解效能，從而達到水體原位修復的目的。以下對組成生物制劑的微生物菌劑、生物促生劑以及基質競爭抑制劑在水體底泥修復的應用逐一進行介紹。

3.2.1 投加復合微生物菌劑

篇2

關鍵詞:原位固定修復;重金屬污染;土壤修復技術

中圖分類號:X503文獻標識碼:A文章編號:1009-2374 (2010)13-0031-02

原位固定修復工藝方法從成本和時間上能較好地滿足治理土壤中重金屬污染的要求。原位固定就是通過往土壤中加入固定劑,調節和改變重金屬在土壤中的物理化學性質,使其產生沉淀、吸附、離子交換、腐殖化和氧化-還原等一系列反應,降低其在土壤環境中的生物有效性和可遷移性,從而減少這些重金屬元素對動植物的毒性。目前在土壤修復中常用的固定劑包括無機固定劑、有機固定劑和有機-無機復合固定劑。該方法的優點是成本低,對重金屬的固定時間長,對于大面積的面源污染有很好的修復前景。然而,固定劑使用不當,也會帶來一系列的問題。本文對重金屬污染土壤的原位固定修復進行了研究。

一、重金屬污染土壤的原位固定治理技術

(一)原位固定治理技術的提出

重金屬原位固定修復的研究開始于20世紀50年代,所制備的吸附劑最早來固定水體中不同重金屬。后來,人們發現了重金屬的毒性與其在土壤中的賦存形態有密切的相關性。一些基于降低重金屬生物有效性的物質如沸石、水泥和石灰等被應用于固定土壤和沉積物中的重金屬。原位修復技術才逐漸被應用到土壤重金屬的吸附固定中。20世紀80年代以后,許多固定物質,如人工合成的沸石、生物固體、污泥和磷酸鹽衍生物等應用于重金屬污染土壤的原位固定中。隨著人們對土壤中重金屬存在形態的進一步研究,發現了重金屬的毒性與其在土壤中存在的各種形態密切相關,植物吸收重金屬的量取決于土壤中有效態重金屬含量,而不是土壤中重金屬的全量。

原位固定技術是指通過往土壤中加入固定劑,調節和改變重金屬在土壤中的物理化學性質,使其產生沉淀、吸附、離子交換、腐殖化和氧化-還原等一系列反應,降低其在土壤環境中的生物有效性和可遷移性,從而減少這些重金屬元素對動植物的毒性。由于其成本低廉、操作方便、效果快速,使其在對污染土壤的治理中得到廣泛應用,尤其對耕作土壤中的面源污染的治理。

(二)原位固定治理技術應用的主要限制因素

目前,原位修復技術在應用中仍然存在一些困難:其一,每個固定劑都有其適用的土壤,土壤的成土母質、粘粒含量、pH等理化性質直接影響固定劑的修復效果。環境條件的改變,特別是降水多少等,也會影響固定劑對重金屬的固定作用。因此,每一種固定劑應用于實踐,都要有科學的技術參數作支撐。其二,化學合成的有機-無機復合體應用于重金屬污染土壤修復,不僅治理成本過高,且有相當的環境風險。有些固定劑在土壤中還會引起土壤理化性質的改變,對植被造成不良影響。為此,我們提出用天然的有機、無機材料制備出有機-無機復合體,杜絕二次污染,并發展與之相應的有機-無機復合體原位鈍化技術。其三,雖然吸附劑能將重金屬固定住,但金屬離子依然還存留在土壤環境中,并可能隨著環境條件的改變,生物有效性也可能變化。所以,探尋將重金屬從土壤中徹底取出的方法是非常必要的。

二、固定劑對土壤中重金屬活性的影響

固定劑可分為有機、無機和有機-無機復合體三種類型。無機材料通過其對重金屬的吸附、氧化還原、拮抗或沉淀作用,以降低重金屬的生物有效性。由于土壤化學性質和作物吸收關系復雜,這種效果具有地帶性。有機物料對土壤中重金屬的影響極其復雜,也有文章報道低分子有機物通過螯合作用活化土壤中重金屬。有機-無機復合體對重金屬的吸附、沉淀、凝聚、絡合等能力大于單一的有機物或無機物。

(一)無機固定劑對土壤中重金屬活性的影響

無機固定劑主要包括三種:(1)石灰、鋼渣、高爐渣、粉煤灰等堿性物質,通過對重金屬的吸附、氧化還原、拮抗或沉淀作用降低土壤中重金屬的生物有效性;(2)羥基磷灰石、磷礦粉、磷酸氫鈣等磷酸鹽,可增加離子吸附和沉降,減少水溶態含量及生物毒性;(3)天然、天然改性或人工合成的沸石、膨潤土等礦物亦可提高固定效果。

但采用無機固定劑進行土壤改良往往需要較大的施入量,在某些情況下,可能誘發新的環境問題。如磷灰石的大量施用會使土壤累積較多的磷,對周圍水體造成潛在的威脅。在一些修復過程中由于土壤過度石灰化,會使土壤中重金屬離子濃度長期升高并導致農作物減產。在土壤中添加沸石或沸石類似的硅酸鹽物質,可導致土壤溶液中可溶性有機碳(DOC)升高,最后是土壤中鎘和鋅的淋溶性加大。

(二)有機固定劑對土壤中重金屬活性的影響

有機固體廢物按其來源不同可分為第一性生產廢棄物(作物秸稈、枯枝落葉等)、第二性生產廢棄物(畜禽糞便等)、工副業有機廢料(農畜產品加工廢棄物)和人類生活廢棄物(城鄉生活垃圾、人糞尿等)4類。它們具有的活性基團(如:COO-、-NH、=NH、=PO4、-S-、-O-等),很容易作為配位體與重金屬元素Zn、Mn、Cu、Fe等絡合或螯合,鈍化土壤中的重金屬。

有機材料因其對提高土壤肥力具有十分重要的意義,且取材方便、經濟,因此在土壤重金屬污染修復中得到了廣泛應用。有機材料可能通過幾種途徑降低土壤重金屬的有效性:提高土壤pH,增加土壤固相有機質對重金屬的吸附;有機分解產物與重金屬形成難溶性沉淀(如硫化物);水溶性有機物與重金屬結合形成不易被植物吸收的形態等。

但有機物料對土壤中重金屬的影響極其復雜,也有文章報道低分子有機物通過螯合作用活化土壤中重金屬。有研究表明,有機物料在后茬作物中促進了重金屬的生物積累和毒性。王新等認為有機肥料選擇不當不但起不到應有的效果,甚至還會有副作用。

(三)有機-無機復合固定劑對土壤中重金屬活性的影響

有機-無機復合體包括城市固體廢棄物、黃酸鹽吸附劑、污水污泥、石灰化生物固體等,人工合成的大都是以天然粘土礦物和有機化學試劑合成有機-無機復合體。有機-無機復合體對重金屬的吸附、沉淀、凝聚、絡合等能力大于單一的有機物或無機物已被大量的研究所證實。

三、固定劑在治理重金屬污染中的應用

(一)固定劑在水處理中的應用

固定劑在污水處理中的應用已經相當廣泛。已有大量的研究表明,膨潤土和沸石等固定劑及它們的改性產品能有效地治理含氮、磷、重金屬離子廢水及有機廢水,為廢水處理行業低成本、高效率的運轉提供了一條行之有效的新途徑。杭瑚等利用膨潤土處理污水中的重金屬離子,發現加入0.04%膨潤土和0.006%的PAC可使低濃度污水中Pb2+脫除93.1%。還有研究發現,經過改性的有機膨潤土對含50mg/L的Cr6+廢水的去除率達到95%。

(二)固定劑在修復重金屬污染土壤中的應用

固定劑原位修復重金屬污染土壤因其易于實施性和成本低廉性,已經得到廣泛應用。當然在使用過程中,也存在著一定的局限性和潛在風險。其改良效果也有很大程度的差異。無機和有機改良劑的修復效果不僅與重金屬離子的種類有關,而且還受作物、土壤類型及環境因子的制約。

有機物質因其取材方便價格低廉,又對提高土壤肥力具有十分重要的意義,因此在土壤重金屬污染改良中得到了廣泛應用。李劍超等指出,在盆栽試驗中,豬糞和泥炭均降低了潮土中水溶性Cu的含量,卻沒有降低紅壤中水溶性Cu的含量。

武玫玲等研究表明,土壤中重金屬離子濃度較低時,Fe 、Mn氧化物對重金屬離子的專性吸附隨pH增大而升高,但是不同重金屬離子開始吸附的pH值和達到最高吸附量的pH明顯不同。氧化物和有機質對于控制土壤溶液中Cu的濃度所起的作用,遠較粘土礦物重要,當土壤中Cu濃度低時,主要與游離氧化鐵和有機質結合,呈現緊結合態,而當Cu濃度高時,則又出現大量的松結合態,這部分Cu主要是與水云母、高嶺石等粘土礦物結合。因此含游離氧化鐵和有機質高的土壤對外來銅的緩沖能力相對較強。因此從理論上來說,在修復Cu污染的土壤方面,固定劑施用在含游離氧化鐵和有機質低的土壤中會表現出更顯著的修復效果。

四、結語

縱觀國內外研究發現:(1)重金屬污染土壤鈍化修復技術的研究已取得了一系列重要進展,無論是分別施用無機鈍化劑、有機鈍化劑,還是有機、無機鈍化劑混合使用,都有成功的實例,但在不同的土壤類型、不同污染程度、不同重金屬種類的研究結果各異;(2)鈍化劑的需用量較大,尤其是無機鈍化劑一般用量在5%左右時,鈍化效果才較明顯;(3)利用有機試劑和天然粘土礦物預制備的有機-無機復合體,能顯著提高對重金屬的吸附量,但多在水處理中的應用研究,應用于土壤污染修復,不僅成本過高,且可能誘發新的環境問題;(4)無論施用哪種鈍化劑,最終被吸附鈍化的重金屬都留在土壤中,存在著潛在的環境風險。

參考文獻

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關鍵詞：黑臭水體；生物修復；生物促生劑

中圖分類號：X172 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）13-3027-04

城市內湖泊、河道等景觀水體是城市居民生活環境中的重要組成部分。由于過量生活污水排入、未雨污分流等原因導致水體污染，造成了水體嚴重缺氧而呈黑臭狀態[1，2]，嚴重影響居民生活、城市形象和生態環境，已成為我國許多大、中城市共同存在的污染問題。如何解決城市內河水體的黑臭問題也是當前城市環境改善的熱點問題。

目前，黑臭水體的修復技術主要有物理修復技術、化學修復技術和生物修復技術等，而生物修復技術具有環境友好、生態節能的優點，是最具發展前景的主體修復技術[3，4]。生物修復技術主要有兩類[5，6]：一類是接種微生物技術[7]，直接向黑臭河道投加外來微生物菌劑，降解水體中的污染物，從而修復水體；另一類是培養土著微生物技術[8]，向黑臭河道投加微生物促生劑和營養劑等，促進土著微生物的生長，充分發揮土著微生物對污染物的降解，從而達到水體修復的目的。

投加微生物菌種進行的黑臭水體原位修復，外來菌種可能會與水體中的土著微生物之間存在生存競爭，會導致菌種生物量和降解活性的降低，影響水體的修復效果[9]，因此采用微生物激活劑，依靠環境中土著微生物的激活技術對黑臭水體進行修復則更具現實意義。土著微生物激活技術則具有安全、高效、經濟的優勢，使用此技術能有效避免引進外源微生物所引起的生物競爭等生態問題，不破壞原有生態系統。唐玉斌等[10]研究了投加葡萄糖和生物激活劑對生物膜修復污染河水效果的影響。張麗等[11]研究了在底泥中投加生物促生劑對改善河道水質效果的影響。本研究在曝氣條件下，利用投加生物促生劑、葡萄糖、氨基酸等物質修復黑臭水體，從而研究水體修復過程中水質的變化情況，旨在為黑臭河流的原位生物修復提供參考和依據。

1 材料與方法

1.1 試驗水體概況

選取南京南湖片區北河黑臭水體為研究對象，由于此片區長期未實現雨污分流，生活污水直接入河，導致水體黑臭現象嚴重，水體呈黑綠色且散發惡臭氣味，水質條件極差，惡臭氣味對此片區兩岸居民的生活也造成了嚴重的影響。

通過監測南湖北河水體水質可知，溶解氧低于0.7 mg/L，化學需氧量（COD）、總氮（TN）、總磷（TP）達到100.0、30.0、2.8 mg/L。引用黑臭多因子加權指數[12]（WI）方法評價，當黑臭指數WI≥15時水體黑臭，根據模型計算污染水體的WI值為100.3，黑臭現象嚴重。

1.2 試驗設計

試驗裝置為50 cm×35 cm×30 cm有機玻璃盒，底層鋪滿5 cm厚北河河道底泥，上層加入北河河道水體，試驗模擬靜態河道，溫度為實驗室室內溫度。

試驗分4組進行，第一組為空白試驗，保持靜置不曝氣狀態，第二組投加生物促生劑BE（上海普羅生物技術有限公司生產），第三組投加葡萄糖，第四組投加氨基酸。藥品投加及曝氣方案如表1所示。

1.3 分析方法

試驗檢測選取的水質指標為臭閾值、硫酸鹽、ORP、CODCr、氨氮（NH3-N）、TN和TP，其中ORP采用數字式ORP計測定，硫酸鹽采用鉻酸鋇分光光度法，臭閾值采用臭閾值法，COD采用重鉻酸鉀氧化法，NH3-N采用納氏試劑比色法，TN采用過硫酸鉀氧化法，TP采用鉬銻抗分光光度法，分析步驟參照文獻[13]進行。

2 結果與分析

2.1 水體臭閾值變化情況

臭是檢驗污染原水的必測項目之一，檢驗臭對評價水處理效果也有意義。試驗期內水體的臭閾值變化情況（表2）。由表2可知，BE、葡萄糖、氨基酸組水體臭閾值變化明顯，試驗第2天臭閾值下降至2以下，第3天臭味消失；而空白組的臭閾值則變化緩慢，第9天臭味才基本消失。

2.2 水體COD變化情況

化學耗氧量是表示水質污染度的重要指標，水體中的還原性物質有各種有機物、亞硝酸鹽、硫化物、亞鐵鹽等，COD又往往作為衡量水中有機物質含量多少的指標，間接反映水體中有機物污染程度，COD值越大，說明水體中有機污染物污染越嚴重[14]。水體COD變化情況如圖1所示。

由圖1可知，BE、葡萄糖、氨基酸組COD含量在1～25 d內一直下降，降至50 mg/L 左右，25～40 d處于平緩期，40 d以后繼續下降，BE、葡萄糖、氨基酸組最終COD含量為32.6、34.6、38.1 mg/L，去除率為69.7%、64.4%、61.7% ，由此可見，45 d后3種物質均能有效地促進水體COD的降解，水體COD指標由劣Ⅴ類提升為Ⅴ類水標準。

2.3 水體氮的變化情況

過量的氮進人水體會給水體帶來污染與危害，氮超標也是目前許多城市黑臭河道治理過程中急需解決的突出問題[15]。水體氨氮、總氮的變化情況如圖2所示。由圖2可知，BE、葡萄糖、氨基酸組的水體總氮含量一直呈平緩下降趨勢，最終去除率為77.9%、72.5%、50.7%；BE、葡萄糖、氨基酸組的水體氨氮含量在1～38 d一直呈下降趨勢，到38 d后趨于平緩， BE、葡萄糖、氨基酸組的水體氨氮含量最終值為2.1、2.3、6.9 mg/L，去除率為92.76%、92.05%、76.64%，前兩者水體氨氮最終含量由劣Ⅴ類提升到Ⅴ類水標準。

2.4 水體ORP以及硫酸鹽情況的變化情況

ORP是用來表征水體氧化還原特性的基本參數，能一定程度上從宏觀上顯示水體污染程度，ORP值越大，水體氧化能力越強；ORP值越小，水體還原能力越強[16]，ORP值能一定程度上從宏觀上顯示水體污染程度。水體中元素硫的存在狀態與氧化還原電位有關，如果氧化還原電位升高，硫化物就會轉化成硫酸根[17]。水體ORP及硫酸鹽變化情況如圖3所示。

由圖3可知，BE、葡萄糖、氨基酸組水體中氧化還原電位一直處于持續升高階段，明顯高于空白組；BE、葡萄糖、氨基酸組硫酸鹽濃度在1～35 d處于平緩上升階段，35 d以后處于急劇上升階段，由此可見，3種物質能夠提升水體的氧化還原電位，并能提高硫酸鹽含量。

2.5 不同室溫下水體的修復情況

由于水體修復過程中微生物活性易受到溫度的影響[18]，為考察溫度對水體修復的影響程度，所以在6～7月、10～11月不同時間段，采用投加BE試驗組，在不同室溫條件下進行，觀察不同室溫對水體修復效果的影響，也為黑臭河道原位微生物修復提供參考。不同室溫下水體修復情況如圖4所示。

由圖4可知，高、低溫條件下COD最終含量為26.4、32.6 mg/L；總磷最終含量為0.07、0.20 mg/L；總氮最終含量為2.9、10.0 mg/L；氨氮最終含量為0.3、2.1 mg/L。高溫條件下COD、總磷、總氮和氨氮的變化曲線都低于低溫條件下，并且高溫條件下COD、總磷含量在修復過程中先于低溫條件下到達Ⅴ類水標準。由此可見，在高溫下投加BE對水體的修復效果好于低溫情況下，對總氮、總磷的去除效果影響較大，但對COD、氨氮的去除效果影響不大。

3 結論

通過投加生物促生劑BE、葡萄糖、氨基酸修復黑臭水體的研究，得出以下結論：

1）曝氣條件下，通過對黑臭水體投加BE、葡萄糖和氨基酸可以看出，3種物質能夠改善水質，有效去除水體中的COD、氨氮、總氮，效果明顯，COD去除率分別為69.7%、64.4%、61.7%，氨氮去除率分別為92.7%、92.1%、76.6%，總氮的去除率分別為77.9%、72.5%、50.7%，水質由劣Ⅴ類提升到Ⅴ類水標準，水體中ORP以及硫酸鹽含量明顯提高；對于投加3種物質修復黑臭水體的效果對比，可以看出，投加BE去除效果最為顯著。

2）在不同溫度條件下投加BE進行水體修復，通過此試驗發現，在高溫條件下，投加BE能夠更有效地去除水體中的COD、總磷、氨氮、總氮，水質更早由劣Ⅴ類提升到Ⅴ類水標準，水體修復效果明顯優于低溫條件下，也為黑臭河道原位修復提供了一定的參考依據。

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篇4

關鍵詞：水環境修復；河流；湖泊水庫；地下水

水環境是流域內儲存、傳輸和提供水資源的水體，是水生生物生存與繁衍的空間，也是各種污染物的最終歸宿。根據水的地理位置，將流域中的水環境分為地表水環境和地下水環境。地表水環境指河流、湖泊、水庫、海洋、沼澤、冰川等以暴露在地面的水為主的水域；地下水環境指泉水、淺層地下水、深層地下水等存在于包氣帶以下底層空隙的水域[1]。

人類不合理的生產和生活方式對水環境造成了不同程度的損害，世界水資源委員會指出，全世界有50%以上的水域已被污染，水域生態系統遭到嚴重破壞。我國水環境受損也比較嚴重，超過60% 的河流、湖泊和濕地生態系統的結構與功能遭到不同程度的破壞[2]。

水環境修復，就是利用生態系統原理，采取各種技術手段，提高水體質量，修復生態系統結構，使流域生態系統實現整體協調、自我維持和自我演替的良性循環[3-5]。

隨著水環境恢復理論地不斷完善和深入，近年來水環境恢復研究發展較快。美國有關受損水環境的修復研究，自1970 年起由clean lake program（clp）組織實施，投入經費逐年增加[6]。歐洲一些國家也從20 世紀70 年代開始水環境治理和修復工作。如荷蘭在1990 年對aldefeane 地區水環境進行修復，成效顯著[7]。20 世紀80 年代，我國開始了對水環境恢復的研究工作，并在巢湖、太湖等不同地區開展了水環境恢復的研究與實踐[8-10]，取得了許多成功的經驗。

為了保證人類的可持續發展，開發切實可行的技術對受損水環境進行修復，成為了環境科學與技術領域的研究熱點之一。水環境修復的對象不僅包括水體，還有水體相關的生物地理環境。而不同的水域形式，因其物理環境、化學環境以及生物環境的不同，需要不同的修復技術體系。河流、湖泊水庫和地下水是與人類生產生活密切相關的水環境，本文將從這3個方面，綜述其最新的水環境修復技術，為水環境修復技術的研究提供基礎。

1 河流修復技術

河流修復是指使河流生態系統恢復到未被破壞前的近似狀態，且能夠自我維持動態均衡的復雜過程[11]。河流修復技術多種多樣，①物理技術：河道引水技術、生態防滲技術、底泥疏浚與物理覆蓋技術、人工增氧技術等[12-15]；②化學技術：投加絮凝劑促進污染物沉淀、加石灰脫氮、投加化學藥劑除藻、調節ph值對重金屬進行化學固定、原位化學反應技術等[16]；③生物-生態技術：微生物修復技術、水生動植物修復技術[17-19]、人工濕地技術以及多自然型河流構建技術等。

本文將重點介紹以下方法：河道引水技術、原位化學反應技術和水生植物修復技術。

1.1 河道引水技術

河道引水技術是指引進外部清潔水源來改善河道水質[20]，在水源允許的情況下，引進外部清潔的水源，增加河水水量，不僅可以人為地縮短水在河道中的停留時間，增加浮游植物的生物量[21]，使污染河水不易黑臭，同時水體復氧量也會增加，提高河道自凈能力。利用調水改善河道水質是一種投資少、成本低、見效快的處理工程。

1.2 水生植物修復技術

水生植物在水環境修復中的作用方式主要包括物理過程、吸收作用、協同作用和化感作用[22]。水生植物修復技術利用水生植物及其共生的微環境去除水體中的污染物質并恢復永生生態系統[16]。水生物修復技術的核心是將植物漂浮種植到水面上，利用植物生長從水體中吸收利用大量污染物[23]。生物浮床是其典型的技術應用之一。

1.3 原位化學反應技術

原位化學反應技術是指通過化學反應和生物反應（氧化、還原、吸附、沉淀、有機金屬絡合等），在受污染的地點，原地使重金屬離子固定下來的方法。常用的物質包括石灰[ca（oh）2]、灰燼（koh）硫化鈉na2s）等。此外，化學氧化可以將有機物轉化為無毒或者毒性比較小的化合物，常用的氧化劑為二氧化氯、次氯酸鈉或者次氯酸鈣和臭氧等[3]。

2 湖泊水庫修復技術

湖泊水庫水質惡化主要有2 個原因：一是外界輸人的大量營養物質在水體中富集，二是內

源性負荷。因此湖泊水庫修復可從外源性污染物質的控制和內源性污染物質的控制2方面展開。外源性污染物的控制技術主要有：清潔生產、退耕還林、改變消費模式[4]、廢水集中處理技術[3]等；內源性污染物的控制技術主要有稀釋和沖刷、底泥疏浚和覆蓋、水力調度技術、氣體抽提技術、空氣吹脫技術、投加石灰法、水生植物修復技術、生物調控技術、生物膜技術、微生物修復技術、仿生植物凈化技術、土地處理技術、深水曝氣技術等[3]。外源性污染物控制技術中清潔生產是一項有效技術，內源性污染物控制技術中底泥疏浚是修復湖泊水庫的一項有效技術，這不同于河流的修復。

2.1 清潔生產

清潔生產是指通過原材料和能源的調整替代、工藝技術的改進、設備裝備的改進、過程控制的改進、廢棄物的回收利用、產品的調整變更等措施，達到污染物的源頭削減、過程控制、提高資源利用效率的目的，減少或者避免生產和產品使用過程中污染物的產生和排放，以減輕或者消除對人類健康和環境危害的技術[24]。清潔生產技術主要包括源頭控制、過程減排和末端循環3類技術。源頭削減應盡量采用無污染、少污染的能源和原材料；過程減量應盡量采用消耗少、效率高、無污染、少污染的工藝和設備；末端循環時對必須排放的污染物，采用回收、循環利用技術，回收其中有利用價值的資源。清潔生產可以產生環境和經濟雙重效益，使得匯入湖泊水庫中的外源性污染物濃度大大減少，達到修復的目的。 　2.2 底泥疏浚

底泥是湖泊水庫中的內污染源，有大量的污染物質積累在底泥中，包括營養鹽、難降解的有毒有害有機物、重金屬離子等[3]。底泥中的有害物質釋放到水體中會使水質急劇惡化。底泥疏浚可以徹底去除其中的有害物質。一般有2 種形式的疏挖，一種是把水抽干，然后用推土機和刮泥機進行疏挖，另一種是采用帶水作業。第1 種方法存在一定的技術限制，第2 種方法應用性更強。帶水疏挖可以采用機械式疏挖，也可以采用水力式疏挖。疏浚技術主要包括確定疏挖底泥體積、選擇挖泥機、計算壓頭和功率、設計底泥堆放場以及底泥利用幾個部分。疏浚時應注意防止底泥泛起以及底泥的合理處置，避免二次污染。歐洲多國均采用過該技術對湖泊水庫進行修復，并且效果顯著。例如瑞典的trummen 湖，清除表層1 m 厚的底泥后，水深增加1.1～1.7 m，tp 濃度迅速下降，這種狀態維持了18 年[25]。

3 地下水修復技術

地下水具有多種功能，與人類生活密切相關。隨著工農業的快速發展和人民生活水平的提高，地下水受到了嚴重污染。因此，對受污染的地下水環境修復變得越來越重要，其修復技術的研究已引起國外學者的廣泛關注[26]。

根據其主要工作原理地下水修復技術可大致歸并為4 類，即物理技術、化學技術、生物技術和復合技術[27]。物理技術包括水動力控制法、流線控制法、屏蔽法、被動收集法、水力破裂處理法等[27]；化學技術包括有機粘土法[28]和電化學動力修復技術[29]；生物技術包括原位生物修復技術例如bs 技術，和異位生物修復技術例如堆肥式處理法、預制床法、厭氧處理法、生物反應器法等；復合技術包括滲透性反應屏法、抽出處理法、注氣～土壤氣相抽提（sev）法[27]。復合法修復技術兼有以上2 種或多種技術屬性，例如抽出處理法同時使用了物理修復技術、化學修復技術和生物修復技術，綜合各種技術有點，在修復地下水時更加有效。抽出處理技術，簡稱b&t 技術，是最常規的污染地下水治理方法。該方法采用水泵將含水層中地下水面附近的地下水抽取出來，把水中的有機污染物質帶回地表，然后在地面用地面污水處理技術對其進行凈化處理，最后將處理好的水重新注入地下或排入地表水體，以防止地面沉降，或海水人侵，并且可以加速地下水的循環流動。地面污水處理技術方法很多，最常用的包括以下7 種：沉淀、膜分離、交換樹脂、活性炭吸附、空氣吹脫、化學氧化和生物降解[30]。由于液體的物理化學性質各異，p&t 技術只對有機污染物中的輕非水相液體去除效果很明顯，而對于重非水相液體來說，治理耗時長而且效果不明顯[27]。

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篇5

關鍵詞：淡水池塘 養殖 環境問題 解決途徑

目前，淡水養殖業是我國漁業發展中的重點，其產量在水產養殖中逐年呈上升比率，淡水養殖作為水產養殖中的重點，過去傳統的密集型養殖方式暴露了諸多弊端，限制了淡水養殖產業的升級，因此，分析和解決目前淡水池塘養殖中所面臨的環境問題，尋求更好的解決措施嗎，推進淡水池塘養殖業的健康、快速發展是我們需要密切關注的問題。下面我們針對傳統淡水養殖中的環境問題略作分析，并結合最近產業研究成果原位修復技術和異位修復技術來分析下其解決之道。

1.淡水吃糖養殖環境問題分析

從目前淡水養殖的局面來看，傳統養殖的高密集型所造成的弊端與水體富營養化、氮失衡是造成環境問題的三大主兇之一。

傳統淡水養殖采用高密度、高投餌率、高換水率進行養殖，對于環境的危害是巨大的，同時近年因飼料投放問題造成的水體富營養化也是限制淡水池塘養殖行業發展的瓶頸。雖然養殖水平隨著技術研究的突破不斷提升，單位水體的魚載力也在提升，但是魚類代謝與飼料投放的力度也在增加，養殖的高換水率必然會導致污染加重，最終限制行業本身的深入發展。我國以圍網養殖和圍欄養殖為主要方式對于水體環境的污染是很嚴重的，近些年來國家一直在不斷加強對水體環境污染的治理，實施“退魚還湖”等政策，這些必然會繼續加重淡水池塘養殖的比率，按照池塘養殖在我國淡水養殖業中的比重來看，這種潛在的對環境的污染風險是巨大的，因此，做好淡水池塘養殖問題的環境污染治理，保護好水體資源與魚類資源，也是淡水池塘養殖業必須解決的關鍵問題。

作為池塘養殖面臨的嚴峻環境問題之一，氮失衡已經成為了限制池塘養殖發展的瓶頸。目前，淡水池塘水體中的含氮量與含磷量都已經超出了警戒線指標，但是能夠支持初級生物循環的有效磷含量卻極低，以上兩種富營養化的物質無法溶解于水體，只能吸附在淤泥或被重金屬絡合，這將加重水體負擔，加重污染，尤其是現在池塘飼養餌料多使用含氮量較高的有機肥，因此，氮失衡已經成為了必須面對的重要池塘環境問題。氮失衡所帶來的危害是內外兩個層面的。在內部污染方面，會造成魚類體內排泄系統和代謝系統失衡，造成過量活動或失去平衡，極易發生昏迷或死亡現象，這對于依靠產量取勝的淡水池塘養殖來說可謂是致命打擊。在外部污染上，由于高換水率所排放出來的富營養化水體和氮失衡水體，排放到江河湖海中將會加劇大范圍內的水體污染，成為大環境內環境污染的主因，同時對于工農業生產和群眾生活造成長期的惡劣影響。因此面對以上這些淡水池塘養殖環境問題，養殖環境生態修復技術成為了近些年來的研究熱點與重點。

2.淡水池塘養殖問題解決之道

目前，關于淡水池塘生態環境的修復研究主要集中在兩個方面，分別是原位修復技術和異位修復技術。原位修復技術也成成為立體修復，主要是通過在水體環境中營造立體養殖空間實現對超積累物質的吸收和凈化，加強淡水池塘環境內的硝化作用，通過水生植物、蔬菜與細菌的立體分布和作用優化水體內的生物循環，同時還能有實現對多種資源的優化利用，達到產業升級，降低排污系數的目的。異位修復技術的重點主要是對養殖水體的凈化處理，提升水體利用和循環率，降低污染。

篇6

生態修復是自從20世紀80年代以來，隨著城市化進程的加快和城市生態環境的一步步惡化，慢慢的成為生態學一個重要的研究分支。目前，生態修復依然是國內外各國一個重要的研究熱點，許多國家都近年來由于水體富營養化問題的日益嚴重，大水面圍網養殖、圍欄養殖等的取締及“退魚還湖”等政策的執行，使得池塘養殖在中國淡水養殖業中占有極其重要的地位(Caoetal．，2007)。據《2010年中國漁業統計年鑒》數據，池塘養殖面積占淡水養殖面積(還包括湖泊、水庫、河溝、稻田及其他養殖面積)的43%(農業部漁業局，2010)，這一數據隨著中國環境保護政策執行力度的加強將會得到大幅度的提高。然而，傳統的池塘養殖本身也不可避免地對周圍環境產生污染(Peteretal．，1997)。中國的池塘養殖模式發展于20世紀70年代，至今仍以“進水渠+養殖池塘+排水渠”為主要形式。隨著養殖水平的不斷提高，單位水體的漁獲量也隨之增加，但是大量的飼料投入和魚類代謝產物的積累導致池塘內源性污染加重，養殖廢水的排放也大大加劇了周圍水體的富營養化程度。因此，池塘養殖的環境問題已成為制約中國淡水養殖發展的重要因素之一(胡庚東等，2011)，池塘養殖環境生態修復技術的研究日益受到重視。

目前，池塘養殖環境生態修復技術主要分為兩類，一個是原位修復技術(邴旭文等，2001;Lietal．，2007;陳家長等，2010;宋超等，2011)，也可稱為立體修復。其原理主要是在養殖池塘水體上層通過生物浮床栽種水生蔬菜或其他超積累植物，在水體中層投放生物刷為能夠進行硝化作用的有益微生物提供固著場所，促其大量繁殖，從而進一步增強養殖水體的氮循環，在水體下層投放螺絲、貝類等水生動物，促進池塘營養物質的多級利用等，這些方法的主要目的是為池塘水體中多余的營養物質提供新的歸趨，使池塘水質得以穩定，并進一步降低養殖的產排污系數。另一個是異位修復技術(陳家長等，2007;武俊梅等，2010)，亦可稱為平面修復。其原理主要是把養殖廢水排出養殖池塘，引入凈化單元對其進行凈化處理，處理后的水也可被循環用來養魚。就中國目前的池塘養殖生態修復技術的研究進展來看，原位修復技術主要以魚-菜共生養殖模式為代表(吳偉等，2008;陳家長等，2010;李文祥等，2011;宋超等，2011)，異位修復技術主要以循環水養殖模式為代表(劉興國等，2010;胡庚東等，2011;Zhangetal．，2011)。本文從池塘水體富營養化的角度，以池塘水體的氮循環為切入點，評述了這兩種養殖池塘環境生態修復模式。

1池塘養殖的內部污染與外部污染氮失衡是池塘環境問題之一。池塘養殖產生污染主要來源于殘餌和魚體排泄物，根據池塘養殖水體的氮循環過程(圖1)可以看出，由于硝化細菌硝化速度很低，而使亞硝酸鹽、銨氮濃度過高;另一方面，浮游生物生長所需要的硝酸鹽含量較少。因此養殖中后期池塘水質狀況相對于前期較差。氮失衡對池塘養殖造成內部污染和外部污染的影響也是不同的。池塘水體內部污染問題主要集中在銨氮和亞硝酸鹽氮，一般在9、10月時濃度達到一個養殖周期的最高值(宋超等，2011)。水體中濃度過高的氨對魚蝦體內酶的催化作用和細胞膜的穩定性產生嚴重影響，并破壞排泄系統和滲透平衡，導致魚類極度活躍或抽搐，失去平衡，無生氣或昏迷等(Spenceetal．，2001;Randalletal．，2002)。而過高濃度的亞硝酸鹽會導致魚蝦血液中的亞鐵血紅蛋白被氧化成高鐵血紅蛋白，而后者不能運載氧氣，從而抑制血液的載氧能力，造成組織缺氧，魚類攝食能力低甚至死亡(Jensenetal．，2003;Kroupovaetal．，2005)。因此通過加快水體中氮的硝化作用，促進硝酸鹽氮的生成是解決此問題的方法之一。國外的工廠化循環水系統(recirculatingaquaculturesystem，RAS)中生物過濾器的設置正是基于此原理，即將氮循環中硝化作用的模塊引入生物過濾器中進行。雖然總氮無法清除，但硝酸鹽氮對魚類的毒性遠小于前兩者(Martinsetal．，2010)。在可控制的生態風險范圍內(Constableetal．，2003)，池塘養殖對外界環境造成的污染主要是總氮、總磷等富營養化物質的排放。據第一次全國污染源普查公報的數據顯示，水產養殖業總氮和總磷的排放量分別為8.21萬t和1.56萬t，分別占總污染源的1.74%和3.69%，占農業污染源的3.04%和5.48%，而漁業產值占農業總產值的9.32%。因此，漁業單位產值造成的污染相對來講是較低的。

2原位修復技術“魚-菜共生模式”與生物絮團技術的比較魚-菜共生模式是近幾年來池塘原位修復技術發展較為成功的例子之一。其原理正是為池塘水體的氮循環找到了一個新的歸趨(圖2)，即水生蔬菜。與此原理相似的，還有生物絮團技術(圖3)(Crabetal．，2007)，該技術將附加的碳源和過剩的氮轉化為生物絮團，并選擇性地為養殖生物提供了新的蛋白來源，提高了飼料的轉化效率。比較這兩種原位修復技術，前者比后者的操作更加簡單，且經濟效益更好。更重要的是，由于土地資源匱乏，中國的農業生產面臨生態與資源的雙重危機，“魚-菜共生”這項綜合效益較高的有機耕作模式，使種植業和水產業在減排和節約資源的目標下得到了有機的配合與統一(陳家長等，2010)。

3異位修復技術———循環水養殖模式與綜合養魚模式的比較以循環水養殖模式為代表的異位修復技術的結構應包括兩部分，一是養殖池塘，另一個是凈化單元(圖4)。養殖池塘基本類似，只是具有養殖品種的差異。而凈化單元各有不同，可以是構建的人工濕地(吳振斌等，2006;陳家長等，2007a，2007b;于濤等，2008;武俊梅等，2010a，2010b;胡庚東等，2011)，可以是現有的稻田(陳柏湘，2009)、藕塘(李谷，2010)，也可以是工程化的生物過濾器及其他凈化部件(Crabetal．，2007;Martinsetal．，2010)。該模式基于物質循環理論實現了水資源的循環利用和養殖廢水的零排放，但也區別于綜合養魚模式(圖5)(蔣高中，2008)。綜合養魚是以養魚為主，漁農牧綜合經營及綜合利用的生產形式，具體形式是以牧草作飼料(對于草食性魚類)，以畜禽糞肥水，增加池塘初級生產力，以塘泥作牧草及其他經濟作物的基肥，在物質循環中得到綜合養殖經濟效益的最大化。而生態修復模式更加側重于氮磷的富營養化物質的最終去向。以魚的生長和減排為最終目的。兩者均基于營養物質的多級利用和循環利用。但后者以經濟效益為導向，而前者以環境修復為導向。#p#分頁標題#e#

4“魚-菜共生”模式和循環水養殖模式的比較作為一項實用技術的研究，還需要考慮其可應用性。對于循環水養殖模式，在土地面積、水域面積匱乏的現狀下，很難有大面積的凈化配置。需要對效益進行分析，最終經濟效益能否達到對生態效益的補償，是否有現實意義和經濟可操作性，否則不具有現實操作性。而對于“魚-菜共生”模式，養殖與種植的結合雖然增加了額外的經濟效益，也在蔬菜生物量增加的過程中實現了生態收入，但該模式也很難實現養殖池塘產排污系數的絕對為零，也就無法實現單個養殖池塘廢水的零污染排放，生態支出是不可避免要產生的，所以如何實現總體上的生態收入與生態支出的平衡是關鍵，以期在“魚-菜共生”模式下達到池塘養殖生態補償的平衡點。因此，兩種模式均存在一個面積配置問題，即在循環水養殖模式下的養殖面積與凈化面積的配置關系，以及在“魚-菜共生”模式下的水上栽種面積。前者面積配置關系的研究是為了實現經濟支出的最小化，使得經濟效益能夠與生態效益達到平衡，而后者面積配置關系的研究是為了找到生態補償的平衡點。

5循環水養殖模式中養殖面積與凈化面積的合適比例以構建人工濕地為例。凈化單元或池塘的設計要求應滿足養殖模塊中在若干池塘同時換水的情況下水體存放的要求，而水體污染物的凈化程度應滿足養殖池塘用水的需要，即達到《漁業水質標準》(GB11607-89)的要求。結合淡水池塘養殖過程中的水質管理的一般規律，如果每次換水0.3m，有1/3的養殖池塘需要換水，凈化池塘的水深設計為1.5m，則666.7m2凈化池塘可以凈化10000m2養殖池塘，也就是養殖池塘和凈化池塘的面積比為15:1。這應當是最基本的物理比例。按養殖池塘所排放的污染物濃度計算。以總氮為例，一般需將其從5mg•L－1降到2.5mg•L－1，則水草對總氮的吸收量應為2.5mg•L－1;如果人工濕地中水草的覆蓋率為50%，而水生植物對污染物的吸收值大約為30g•m－2(陳家長等，2010);養殖期間，以基本養殖管理經驗，15d換水一次，換水0.3m，有1/3的養殖池塘換水;水生植物的生長周期為4個月，以水生植物的吸收量等于養殖池塘排放的污染物的量為計算標準，則1m2凈化池塘可以凈化7.5m2養殖池塘。該計算結果只考慮了水生植物對污染物的凈化作用，而沒有考慮凈化池塘中的微生物、藻類，以及凈化池塘的沉降和過濾等作用。按養殖魚類的產排污系數計算。以養殖草魚為例，還是以水生植物對總氮的去除為目的。以基本養殖管理經驗，草魚的養殖周期為200d，養殖池塘水深2m，凈化池塘水草覆蓋率為50%，一般情況下，養殖池塘畝產1500kg;按水產養殖污染源普查結果，草魚的產排污系數為10g•kg－1，以水生植物的吸收量等于養殖魚類所產生的污染物的量為計算標準，則1m2凈化池塘可以凈化27.5m2養殖池塘。上述給出的3個池塘循環水生態養殖模式凈化池塘和養殖池塘面積之間的關系式在實際應用中可以相互參照使用。首先從物理上考慮，凈化池塘所能承接的水首先必須滿足養殖池塘的一次集中換水量;其次是較為客觀地反映了凈化池塘和養殖池塘面積之間的關系;而最后一個結果全面地反映凈化池塘和養殖池塘二者之間的制約關系，不同的養殖產量、不同的養殖品種都會影響到凈化池塘和養殖池塘面積比例，而提高凈化池塘的凈化能力則可以減少凈化池塘的使用面積，從而提高養殖效益。

篇7

作者簡介：張文（1985―），女，河北正定人，博士研究生，工程師，主要從事污染場地修復技術研究。中圖分類號：S15文獻標識碼：A文章編號：16749944（2014）01001803

1引言

目前，出于產業結構調整和城市環境改善的需要，國內許多城市實施了功能布局優化戰略，大量處在城區的工業企業紛紛關停或搬遷，其中一些化工、冶金等污染企業的退役場地并未納入相應管理程序，不經適當處置便進行土地用途變更，存在極大的環境安全隱患[1]。正如中國土壤學專家潘根興所說：“目前我國土壤污染出現了有毒化工和重金屬污染由工業向農業轉移、由城區向農村轉移、由地表向地下轉移、由上游向下游轉移、由水土污染向食品鏈轉移的趨勢，逐步積累的污染正在演變成污染事故的頻繁爆發”。

2013年1月28日，國務院辦公廳公開[2013]7號文《近期土壤環境保護和綜合治理工作安排》，文件指出，已被污染地塊改變用途或變更使用權人的，應按照有關規定開展土壤環境風險評估，并對土壤環境進行治理修復，未開展風險評估或土壤環境質量不能滿足建設用地要求的，有關部門不得核發土地使用證和施工許可證。經評估認定對人體健康有嚴重影響的污染地塊，要采取措施防止污染擴散，治理達標前不得用于住宅開發。該文件的頒發，為我國土壤修復工作指明了方向。

我國土壤修復行業還處于起步階段，本論文基于[2013]7號文件，主要從修復技術、修復資金、修復標準等方向闡明了目前我國在土壤修復行業剛剛起步階段所面臨的主要問題。另外，根據我國土壤修復行業現狀，本論文還提出了土壤修復企業的發展方向，以推動該行業的良性發展。

2土壤修復行業現狀淺析

2.1修復技術的局限性及發展方向

根據是否移動污染土壤，土壤修復技術的技術路線分為異位修復和原位修復。異位修復是國外早期常用的方法之一，它是將受污染的土壤挖掘之后使用化學、物理方法清洗、水泥窯焚燒處理及生物反應器或預制床等多種方法治理。原位修復技術指在保持現場條件下采用原位氣相抽取技術、原位生物修復技術等直接修復污染的土壤，針對原位修復方法，最近幾年還發展起來原位土壤沖洗技術、原位電磁波頻率加熱技術等。與原位修復技術相比，異位修復技術面臨土壤修復技術的場地選址、污染土壤運輸和場地管理以及二次污染的問題，而原位修復則可避免這些問題，并且修復成本和維護成本較低，但其缺點是修復周期較長，適用于不急于開發的污染地塊修復[2～4]。

雖然我國處于實驗室中的土壤修復技術儲備已超過10年，技術種類近百種，其中植物修復、生物修復、焚燒、氣提修復技術研發比較活躍，但這些技術大部分還停留在技術研發階段，很少有技術能夠滿足工程應用的要求。目前，由于房地產開放商拿地后不堪開發周期壓力，留給場地修復企業的時間一般只有數月或1～2年，相比國外類似污染地塊的修復周期短了數年，因此，在這種現狀下，為了縮短修復周期，國內的場地污染通常都是采用異位處理技術，這種處理方式成本較高，且挖掘填埋只是考慮到了土壤的挖掘、運輸和填埋費用，并沒有考慮到污染情況跟蹤和環境風險監測等這些昂貴的后續監測成本問題。

因此在上述技術背景下，為了加強我國土壤修復行業技術實力，豐富技術儲備，探索適合我國國情技術發展道路，[2013]7號文件指出，以大中城市周邊、重污染工礦企業、集中污染治理設施周邊、重金屬污染防治重點區域、集中式飲用水水源地周邊、廢棄物堆存場地等為重點，開展土壤污染治理與修復試點示范。在長江三角洲、珠江三角洲、西南、中南、遼中南等地區，選擇被污染地塊集中分布的典型區域，實施土壤污染綜合治理；有關地方要在2013年年底前完成綜合治理方案的編制工作并開始實施。今后的污染土壤修復工程并不局限于單一的某種修復技術，可針對污染場地的土壤和污染物的特殊性采用多種方法聯合的工程技術示范，從而為污染物成分、污染土壤特性、環境背景條件相近的場地修復提供技術儲備，積累工程經驗，從而在保證修復效果的前提下縮短修復時間，降低修復成本。選擇被污染地塊集中分布的典型區域編制綜合治理方案，實施土壤污染綜合治理，可集中有效、充足的市場資源，完善土壤綜合治理技術。

2.2修復資金短缺及籌措可行性

在我國，毒地治理的資金問題也同樣也決定著土壤修復行業命運。在國外，如美國、荷蘭等發達國家，長期實行的是“污染者付費”政策，企業和土地所有者分別承擔著不同數額、比例的修復資金。而在我國，“退二進三”退出城市的大都是老國企，首先，這些企業在開辦與運營過程中沒有相應的環保付費政策，后期治理資金未得到積累，無法承擔高額的治理費用；另外，這些企業在搬遷時絕大多數處于經營困難或瀕臨破產狀態，難以實現利用其運營利潤來支付治理費用，且向土地管理部門出讓地塊所獲得的收益也基本用于支付職工安置費用與企業搬遷工程費用。因此，“誰污染、誰治理”原則在我國具有一定的局限性，只能針對經營狀況良好的國有企業采用這樣的模式。

在這樣的背景下，“誰投資、誰受益”策略籌集資金便成為最可行的途徑了[2， 5]。對于城市內部的污染地塊再利用大致有兩種可能，一種是用于綠地等無利潤公益性地塊建設，一種是用于有利潤的經營性地塊建設，如商業及住宅用地建設。對于公益性地塊建設，其受益者是公眾，費用來源只能是公共財政，從另一層面來說，造成毒地污染的國企在歷史上其利稅都上繳給國家或地方政府財政且并沒有積累治理資金，因此公共財政也有責任來承擔當前的治理費用。用于經營性用途的污染場地再利用，由于有了直接的利潤獲得者，如地方土地儲備部門、房地產開發商等，其費用由污染場地開發后受益方支付是較合理可行的。具體的支付方式有兩種：一種是體現在土地出讓金中，由政府的土地儲備部門承擔治理職能，未來即將出讓的地塊不僅要場地凈、權利凈、還要污染凈；一種是開發企業的開發成本，政府將未治理的毒地出讓，企業競爭獲得土地后由其開展治理，達到環保標準經過驗收后再進行開發建設。對于土地歸屬于國土部門或者經營狀況良好的國有企業，一般采取第一種支付方式，如重慶、蘇州等城市利用國有融資平臺，爭取國家、地方財政專項資金支持或企業自籌部分資金對其儲備的土地采用先行治理再進行出讓，這種方式要求政府或經營狀況良好的國有企業承擔更多的資金壓力，但是可以縮短開發周期，提高市場效率。北京、山東等城市一些國有、私營房地產開發商拿到污染地塊后，自籌資金進行場地修復待相關部門驗收后進行環評及開發建設，這樣的出讓后治理方式增加了開發程序，延長了開發時間，造成了開發企業的經濟損失，同時也給某些企業的囤地行為提供了新的借口[1]。

[2013]7號文件指出：“為了健全投入機制，按照'誰污染、誰治理'的原則，督促企業落實土壤污染治理資金；按照“誰投資、誰受益”的原則，充分利用市場機制，引導和鼓勵社會資金投入土壤環境保護和綜合治理。中央財政對土壤環境保護工程中符合條件的重點項目予以適當支持”。筆者認為政府治理后出讓土地更符合我國的國情，基于我國現行的行政管理職能設置。國土資源部門應聯合環境保護部門、工業和信息化部門、住房和城鄉建設部門，盡快完善毒地排查及登記并結合具體污染類型與嚴重程度進行合理的利用規劃，否則開發利用之后再進行修復的成本會大大提高，更重要的是環境風險不容忽視。另外，在當前我國的土地儲備與出讓制度下，國土資源部門應發揮重要作用，積極籌措資金，組織實施污染場地修復工作。

2.3標準體系與法律法規亟需健全

污染場地修復產業剛剛興起，城市化進程的加快和對環境友好型城市的要求對開展專門的污染場地管理提出了迫切的需求。除了技術局限和資金短缺問題，政策與責任的不明晰也是制約場地修復行業發展的另一大瓶頸。盡管相繼提出的國發[2011]35號文件、環發[2012]140號文件及[2013]7號文件均規定“被污染場地再次進行開發利用的，應進行環境評估和無害化治理”，但由于石化、鋼鐵等易造成環境污染的行業背景及污染場地本底情況復雜，環境評估標準值、土壤修復標準值等尚未完善。環保部于2004年和2008年先后了《關于切實做好企業搬遷過程中環境污染防治工作的意見》和《關于加強土壤污染防治工作的意見》，明確了土壤污染防治的指導原則、基本原則、主要目標和重點領域，提出要把建立健全土壤污染防治法律法規和標準體系作為重點領域之一，但這一法律法規和標準體系至今未能建立起來。除目前已和正在征求意見的場地調查、風險評估、場地修復、監測等技術規范外，還有諸如修復過程控制、施工管理等一系列的規范和政策也需要編制。目前我國已經開展修復的省市如北京、武漢、沈陽、重慶、和江浙一帶遵循的都是地方環保部門出臺的標準，國家層面也需要出臺統一標準以便加強行業管理。

3國內修復企業面臨的風險及挑戰

3.1市場機遇及挑戰

近年來土壤修復行業受到國家和地方政府越來越多的重視，相關政策的提出和中央資金支持的力度使其具有良好的發展前景，國外有著豐富經驗的外資公司紛紛進入到中國市場，但出于污染場地修復行業特殊的數據敏感性，主流市場活躍的仍是國內科研院所或修復企業[6]。此外，從國外引進的技術和設備存在本土化適應性不高且成本較高的問題，目前也缺少較為成功的案例。作為國內修復企業，應自主研發適用于本土市場的技術和設備，基于擁有的完善的營銷網絡和豐富的工程管理經驗，對其技術和設備產品面向市場推廣。遵循優勢互補、核心能力增強的原則，有選擇地進行戰略并購或合資合作，從而提高市場影響力與占有率。同時還應積極開展國際交流與合作，引進國外先進的技術與設備，學習并借鑒國外先進的污染場地修復企業豐富的市場運營及施工建設經驗。

3.2技術風險及挑戰

自主技術易被同行業仿制，同時隨著污染場地治理技術領域的不斷更新，會產生多種新的技術手段，將給企業的技術創新提出更高的要求，對此，需要修復企業在現有技術的基礎上不斷進行探索與創新。針對同類技術和產品的挑戰，根據污染場地的不同土壤和污染物特性，以及治理要求細化修復技術方案，研發和儲備各種處理工藝，提高污染土壤治理設備的加工能力，通過成套技術的研發改進，實現污染土壤的全程無害化處理。在有效實現多種復雜場地一站式修復的同時，降低治理成本。針對有可能會出現的新的技術挑戰，提出并完善以市場為導向的技術創新體系，加強技術中心與戰略市場部門的互動，充分發揮技術集成業務對市場開拓的拉動作用，進一步加大各類技術型、管理型人才的引進和培育，打造一支專業化和高層次的科技人才隊伍。另外，進一步加強與國內外科研院所及國際知名環保企業的密切技術合作，通過不斷引入先進的技術手段完善企業的技術體系，不斷提高企業創新技術的應用能力，保持企業在污染場地治理行業的技術領先優勢。

3.3經營風險及挑戰

污染場地修復行業屬于朝陽產業，未來市場經營格局的改變，也將給國內修復企業帶來管理模式、經營思路的挑戰。努力創造吸引和留住優秀人才的良好環境，進一步提高核心技術人才的薪酬和福利待遇，用股票期權等長期激勵形式，保持和培養一支國際一流的研發與技術人才隊伍。通過簽署技術保密協議、建立知識管理系統等方式持續提高技術創新能力的同時，有效地減少人才流失所導致的技術風險。

4結語

篇8

【關鍵詞】人工浮島，主動式人工浮島，治理，污染水體，水體修復

1 人工浮島概述

人工浮島又稱人工浮床、生態浮床、生態浮島，是一種由人工設計建造的漂浮在水面上供植物、動物和微生物生長、棲息、繁衍的生物生態設施[l]。通過植物根系的過濾、吸收、吸附作用和根系生態系統的物質轉化途徑，削減水體中的氮、磷、有機物等營養物質，并以收獲植物體的形式將其搬離水體，從而達到凈化水質的效果，同時又為生物（鳥類、魚類）創造了生息空間從而增加物種多樣性，又可以營造水上景觀。

人工浮島是一種具有凈化污染、修復生境、恢復生態、改善景觀等多種功能的原位生態修復技術，而且還具有施工簡單、工期短、造價低、不耗能、運行管理容易等優勢，在污染水體的綜合治理中具有良好的推廣應用前景。

2 人工浮島技術原理

人工浮島對水體的生態修復技術原理有以下幾點：

（1） 對有機污染物的去除。主要有以下3個途徑：Ⅰ.較大的不溶性有機顆粒團經植物根系截留，可部分被微生物降解；Ⅱ.污水中的可溶性有機物可被植物根系表面的生物膜吸附、吸收和代謝作用降解；Ⅲ.通過對植物收割將新的有機體從水體中去除。系統中有機物的去除主要是微生物的好氧降解作用，即浮島系統的水生植物通過莖和根向其根區輸送氧氣，從而使根區附近變為好氧環境，有利于微生物對水體中有機物的好氧分解，以達到降低水體化學需氧量（COD），生化需氧量（BOD）的目的。

（2） 對氮、磷的去除。氮的去除主要是經過系統中微生物的硝化與反硝化作用后成為氣態化合物進入大氣；也有一部分無機氮作為植物生長過程中不可缺少的物質被植物吸收攝取，并同化為自身的結構組成物質（蛋白質和核酸等）。磷也是植物必需的營養元素，磷的去除主要是植物的吸收和微生物的同化以及聚磷菌的過量攝磷作用。

（3） 對重金屬的去除。環境中的重金屬和一些有機物并非是植物生長所需要的，達到一定程度后具有毒害作用，對于此類化合物，一些植物也演化出了特定的生理機制使其脫毒，并能對重金屬進行吸收、富集，從而具有一定的去除水體重金屬污染功能。通常是通過鰲合和區室化等作用[2]來耐受并吸收富集環境中的重金屬，這種機制也存在于許多水生植物中，使許多水生植物可大量富集水中的重金屬[3]。

（4） 抑制藻類的生長。高等水生植物和藻類在營養物質和光能的利用上是競爭者，前者個體大，生命周期長，吸收貯存營養物質的能力強，因此與藻類競爭吸收水體中的氮磷物質時處于優勢地位，從而使藻類缺少營養而死亡。有些植物通過根部向水體中釋放化感物質，通過化感作用或克藻效應抑制有害水藻的生長，從而凈化水環境，可有效防止水華或者赤潮的發生。

3 主動式人工浮島技術

微生物對有機物的降解主要是好氧降解，可見系統中溶解氧含量與有機物的去除密切相關。另外，系統中氧含量也是影響氮和磷凈化效果的關鍵因素。由于系統中植物根系周圍形成了許多好氧、缺氧、厭氧小區，使得硝化和反硝化作用同時進行。硝化作用是在好氧條件下進行的，反硝化作用則在厭氧條件下進行，而且硝化作用是反硝化作用進行的前提和基礎，增加溶解氧有利于系統對氮的去除。增加植物根系附近介質中的溶解氧，可以有效地增強根系微生物的代謝作用，使嗜磷菌的呼吸代謝活動加強，對磷的降解吸收起到一定的促進作用。所以提高系統中溶解氧含量，能提高系統的凈化效能。

水生植物的根系雖然很多，但在修復較深水體時卻有些不足。水生植物根系僅能達到較淺區域，并對較淺區域進行較好的修復作用，而對深層水體中污染物的凈化效果較慢，所以生態浮床在修復較深水體時可能會出現污染物分區現象。運用水體循環技術，使淺層水體和深層水體形成環流，有利于提高水體深層污染物的凈化效果。

針對人工浮島以上的問題，提出了一個解決方案--主動式人工浮島技術，將人工浮島與水體充氧和水體循環技術相結合，人工營造一個水生植物、水生動物、微生物良好的生長環境，大大提高人工浮島的水質凈化能力，將水質凈化與水面的人工浮島有機結合。

3.1主動式人工浮島技術特點

采用人工曝氣的方式向水體充氧，加速水體復氧過程，以提高水體中溶解氧含量，增強水體中好氧微生物的活力，使水體中的污染物質得到凈化，以改善水質。另一方面直接利用曝氣制造循環流，攪動水流，加快水體傳質，提高水體液面更新速率，提供充氧效率，從而改善微生物生長環境，實現高效的原位生物降解；曝氣形成環流，有利于凈化后水體與污染水體的交換，有利于淺層水體與深層水體的交換，擴大系統有效的凈化面積。

傳統的機械曝氣方法如固定的充氧站、水下設置曝氣充氧機[4]等，能有效控制和延緩水體富營養化。但曝氣設施存在能耗高、充氧效率低、運行費用高等問題。同時，近年太陽能等綠色能源的應用快速發展，大部分自然水體表面水域開闊，陽光照射條件良好，非常適合于利用太陽能光伏發電進行能源供給。通過懸浮載體將太陽能發電系統利用于人工浮島中，直接將太陽能轉化為電能為曝氣系統供電，無需外界能源輸入，無二次污染，節能降耗，提高能源利用效率，在能源自給的同時實現水體修復的目標。

3.2主動式人工浮島的組成

主動式人工浮島由人工浮島降解系統，曝氣充氧循環系統和太陽能發電系統三大部分組成。

3.2.1 人工浮島降解系統

人工浮島降解系統由浮島單元拼接組合而成，浮島單元內部種植水生植物，浮島單元水下部分增加填料，整體環繞于曝氣充氧循環系統，通過植物和微生物的共同作用，實現水體修復目的。

3.2.2 曝氣充氧循環系統

曝氣充氧循環系統由空氣泵、曝氣盤、導流裝置等部分造成。浮島系統為曝氣充氧循環系統提供浮力。空氣泵壓縮的空氣通過導氣管進入曝氣盤，然后以微小氣泡的形式釋放到深層水體中，與其混合，增加水體溶氧量，水氣混合后的液體因密度減少而在導流筒內垂直上升到達淺層水體，同時深層水體因導流筒內的壓力減少而被不斷吸入到導流筒內，形成一個以壓力差為動力的循環流，提高供氧效率和水體凈化效果。

3.2.3 太陽能發電系統

太陽能發電系統由太陽能電池板、控制器、蓄電池、支架等部分組成，為曝氣充氧循環系統提供電力支持。浮島系統承載太陽能發電系統，電池板安裝在浮島面上。陽光充足的白天，太陽能電池板通過控制器向蓄電池供電并帶動空氣泵工作，夜間或陰雨天則蓄電池放電帶動空氣泵工作。另外還可以利用時間控制器控制曝氣充氧循環系統的運行狀態。有效維持水體溶解氧水平，促進微生物代謝，強化水體凈化能力效果。

4 結語

主動式人工浮島基于水體原位修復的概念，通過集約化組合的方式構建立體式的生物體系，使污染水體在植物、動物、微生物的協同作用下，實現水體快速修復，利用太陽能供能強化曝氣和水體循環，大大提高人工浮島的水質凈化效率。該設備能直接安置于需要治理的水體上、結構簡潔、安裝簡便、自動運行、造價低、無需外界能源供給，運行成本低、無二次污染，與水體景觀和諧共處，技術經濟優勢明顯。

參考文獻：

[1] 谷勇峰，李梅，陳淑芬，劉連江，王翠彥.城市河道生態修復技術研究進展[J].環境科學與管理，2013，38（4）：25-29.

[2] 王劍虹，麻密.植物修復的生物學機制[J].植物學通報，2000，17（6）：504-512.

篇9

1背景

目前，許多疾病都會導致患者的臟器衰竭，但可移植的器官源卻異常稀缺，世界上等待器官捐獻的患者數以百萬計。僅僅在中國，腎臟移植的需求量就達到了十萬的數量級，肝臟移植的市場需求量更是達到了百萬級，其它器官的需求也較大，但是真正獲得所需器官移植的患者少之又少。當前，器官移植的主要對策是從一個生命體轉向另一個生命體，很多情況下往往因免疫排異反應造成不可用；另一種方法是使用動物臟器，但是往往涉及到倫理問題。生物技術行業敏銳地意識到生物3D打印技術的潛力，快速增長的3D打印機有望在未來全面解決器官移植供求嚴重失衡的問題。在不久的將來，也許在患者床邊就能打印出仿生耳或者是人體的簡單器官，無需等待，即刻修復自我。那些在漫長地等候著器官移植的患者名單將徹底消除。

2概念

生物3D打印機是一種基于電腦編程技術的，精確控制生物材料、細胞以及其他生物因子在3D骨架上的分布、相互作用以及分化等生理過程的生物組織打印技術，最終創造出在功能上可以替代生物器官與組織的具備生物活性的有機體。目前，生物3D打印的應用平臺主要有鐳射(Laser-based)，噴繪(Inkjet-based)和擠制(Extrusion-based)這三種平臺。通過整合醫學、工程學、電子信息學、生物學等多個學科的相關知識，生物3D打印技術已能打印出可完全代替人體器官或組織的可移植的生物制品。

3行業最新進展

4技術條件

利用3D打印技術人工創造可正常工作的器官需要三個必要的條件：細胞(cell)、支架(scaffold)以及誘導條件(induction)。

(1)細胞

這是生物3D打印的前提條件，必需在保證細胞生物活性的同時，精準地從打印機噴頭中滴出包裹細胞的液滴。細胞的分布密度和位置對于生物3D打印機成功打印生物組織至關重要，另外還要保證無菌環境。

(2)支架

支架模擬了目標器官的骨架，細胞通過依附支架而準確分布并最終構成三維立體的生物器官或組織。該支架必須是無毒的、可生物降解的、不引起并發癥的且適宜細胞增殖的生物制品。支架的密度、細胞排布機理等問題都亟待解決。

(3)精準誘導條件

該條件的確定是打印器官的最大難點。眾所周知，組織器官都由多種功能細胞構成且一直處于動態變化中。將一些細胞固定到支架上構成器官沒有生物意義，成熟細胞不能重新編程獲得新功能。因而目前的生物3D打印機多構建干細胞支架。隨之而來的問題是干細胞分化的誘導問題。該問題復雜、涉及面廣，細胞受臨近干擾、細胞環境、化學信號、物理信號等多種因素的影響。

5技術難題

成功將生物3D打印技術應用到醫療行業必須克服以下幾個技術難題：

(1)細胞技術

不同的組織器官由多種不同的且功能特異的細胞構成。該細胞的體外分離培養至關重要，必需保證所有組成細胞都能在生物3D打印機中維持自身良好的生物活性。細胞分離、培養以及增殖等基礎技術的提高有助于生物3D打印技術的發展。

(2)生物材料

人體不同的組織器官有其獨特的物理學特性。例如皮膚柔軟，而骨組織堅硬。因此，對于不同組織的3D打印需要選擇與組織特性相對應的生物材料，并且這些材料不能干擾所選擇細胞的生物活性和功能。同時所選材料必須能通過生物3D打印系統進行操控。

(3)血管系統

大部分組織器官都通過血管系統提供營養物質并排除廢棄物，只有足夠的新鮮血液才能使器官保持良好的生命活力。然而當前的生物3D打印技術還不能打印出與哺乳動物血管系統功能相當的替代品，也沒有實現血管系統融入3D打印的機體中。

(4)誘導技術

人體器官是一個動態平衡的有機生物體，它不斷地發生新老細胞的替換，機體卻始終維持相同的外形與功能。那么用于3D打印器官的干細胞，在細胞噴灑和分化上需要特定的誘導條件，如何設定該條件是急需解決的問題。

(5)原位生物

3D打印技術該技術是一種基于三維掃描技術研發的在患者傷口原位處直接打印細胞的3D打印技術。該技術的核心是精確地三維掃描技術、編程技術以及防污染技術。如何能快速精確地掃描患者傷口同時不造成傷口污染是目前難以解決的問題。

6 3D生物打印行業的產品

(1)打印生物有機物

標準噴墨打印機的液滴大小基本與人類細胞大小相當，利用打印機，使用生物元素分子作為打印使用的油墨，人們可以快速打印出一系列的生物有機物。

(2)打印血管系統

隨著醫療影像云平臺、生物油墨技術以及水性生物紙技術的進一步的革新以及“生物磚”技術的發明，人們利用生物3D打印技術實現了血管系統的打印。該系統主要含三種成分，膠原蛋白構成的支架、心肌細胞和內皮細胞。無論是器官還是組織都離不開血管系統，該成果極大地促進了器官打印時代的到來。

(3)打印可再生骨架與骨骼

打印人類骨骼的生物3D打印機為骨質壞損患者帶來了希望。骨骼打印機主要含有包裹組織細胞的生物墨水以及由纖維蛋白和膠原蛋白水凝膠組成的支持支架。該打印機還可以打印出新的生物材料，例如可生物降解的聚合物、人體骨骼、牙齒，并應用于牙齒和骨的修復中。

(4)打印人類軟骨

3D打印機成功打印人類軟骨。據統計，8000-10000個孩子中會出現一名耳朵畸形的兒童。小耳畸形是一種先天性畸形病，其耳朵沒有完全發育。生物3D打印技術可以為患該疾病的兒童量身定做耳朵。

(5)打印人工腎臟

迷你腎臟研發成功。本質上，它是一種透析設備，可以模擬腎臟的功能，可排出人體中的代謝廢物、水和無機鹽。該臟器僅易拉罐大小，由外殼、微芯片控制的過濾器，以及活體腎臟細胞組成。該迷你腎臟含有15個芯片，控制物質過濾進程，腎臟細胞可直接利用患者體內的營養物質。

(6)打印皮膚組織

3D打印機未來實現皮膚修復。該療法利用原位生物3D打印技術在病人傷口處直接打印皮膚組織以達到完美修復的目的。利用三維成像技術掃描患者傷口，并形成3D空間圖像，利用設計程序，控制噴灑到傷口上的皮膚細胞、凝固劑以及膠原蛋白這三者的比例、密度以及位置等條件。

7市場價值

據industryarc的研究報告提示(2014)，在全球醫療保健行業中，3D打印技術的市場價值為4.87億美元。該市場預計年增長率將達到18.3%。

3D打印技術越來越受到全球醫療市場的傾慕。自2014年開始，歐美醫療行業越來越多地應用3D打印技術。歐美地區對該技術的投資也逐年增加，歐美生物3D打印市場處于高速增長期。歐美政府部門也看好該技術的發展。近年來，亞太地區對于該技術的投資也有顯著的增長。

8發展前景

(1)縮短手術時間

生物3D打印技術可以打印出模擬人類真實組織和器官的替代品，醫生手術前可以利用該替代品反復練習手術，選擇更為準確的工具并不斷排除各種突況，從而促進手術的成功，并縮短手術時間。

(2)再生醫學的光明

生物3D打印技術將開啟新的醫療時代。器官移植無需等待，生物3D打印技術為病人提供新的專有的臟器以替換舊的病變的器官，從而使整個身體返老還童、治療重大疾病。這一技術極大的助益于慢性器官衰竭患者的治療，減少了排斥反應，并解決了供體器官短缺問題。協同納米技術、基因工程技術，生物3D打印技術將無限延長生命壽命。

(3)整容行業的應用

生物3D打印技術在整容產業有巨大的應用潛力。例如，對于皮膚燒傷損壞的病人可通過原位打印技術進行傷口修復；人們可以從網絡上下載一個面部掃描圖并把它打印到自己臉部以實現整容的目的；人們還可以將自己不同年輕時的照片存儲下來，任何時候都可以將自己年輕的面孔打印下來，永葆青春不再是一個不可實現的美夢。

(4)生物3D打印技術將成為未來醫療行業的主流技術

3D在人體器官方面的治療和修復方面，如再生醫學，移植手術，手術規劃，將會占據重要的位置。可以打印帶血管的組織，低成本的義肢，藥物，量身定做的傳感器，骨骼，心臟膜瓣，耳朵軟骨，醫療器械，頭蓋骨，腫瘤模型，眼睛，合成皮膚，器官等。

(5)生物3D打印技術將改革藥物開發臨床途徑

有了生物3D打印技術，研發藥物的藥效檢測以及毒性檢測不再需要實驗動物，可以使用打印的器官或組織代替。該方法更為精確的檢測藥物的效力與影響，完全可以模擬藥物在人體內部的情況，且減少了實驗動物的使用，有利于動物保護。

篇10

【關鍵詞】微生物；污水處理；污泥減量

前言

水環境問題是全球的熱點問題之一，　污水污泥處理則是改善水環境的核心任務。　隨著人們對生態環境重視程度的提高，　使用微生物修復的方法治理污水污泥越來越受到人們的關注。

一、關于微生物種群研究

1、除磷細菌。污水污泥中磷含量的多少是衡量其污染程度的主要指標，　除磷細菌則可實現生物除磷，　從而凈化污水污泥。

2、硝化細菌。借助異養微生物，污水污泥通過氨化作用產生氨，之后由硝化細菌、亞硝化細菌氧化成亞硝酸、硝酸形成硝酸鹽，從而起到了“解毒作用”。硝化細菌在污水處理、農業等領域具有極其重要的作用，成為近年來世界研究的熱點，其中變形桿菌的　亞綱幾乎已經成為微生物生態學的模式系統。

3、絲狀細菌

絲狀細菌作為污泥絮體的骨架，表面附著菌膠團細菌，形成結構緊密、沉降性能良好的污泥絮體，具較高的凈化效率；另一方面，絮體尺寸增大到某一臨界值后，絲狀菌伸展出來，顯著影響絮狀活性污泥的沉降性（污泥膨脹）或引起生物量變化和泡沫形成（污泥發泡），從而嚴重影響活性污泥的處理效率。

4、白腐真菌。白腐真菌為生物界中一類奇特的絲狀真菌，腐生在樹木或木材上，能夠降解木質素而導致木質腐爛，一定程度上排除了地球生物圈中碳素循環的障礙。白腐真菌能夠通過產生胞外氧化酶------木質素過氧化物酶、錳過氧化物酶和漆酶等，直接參與各種難降解有機污染物和毒性物質的降解。這種獨特的降解能力和降解機制，多年來一直受到世界各國科學界以及工業界的高度重視。

二、有關機理研究

1、一般機理。微生物對各種污染物的降解在污水處理系統中起著非常重要的作用，微生物對有機污染物的降解歸根結底是通過其分泌的酶來完成的，直接采用酶進行有機污染物的降解比微生物修復更具優勢。從自然界篩選馴化獲得的土著菌，其降解污染物的酶活性往往有限，酶作用的專一性使得微生物對有機污染的降解局限于一種或結構相似的幾種化合物。依照目前的科學水平，僅能分離出極少部分的環境微生物；同時，污染物在自然環境中的生物降解，多數不是由單一微生物所能完成的，需要微生物生態系統的協同合作。因此，研究微生物基因表達的差異與特征，有助于進一步完善對生物修復機理的研究。

2、微生物除磷機理。在污水微生物除磷過程中，幾乎不產生磷酸鈣沉淀。污水除磷的本質是通過除磷菌過量攝取廢水中的磷，以聚磷酸鹽的形式積累于胞內，然后，作為剩余污泥排出。微生物除磷工藝分為連續式和間歇式（序批式）二類，所采用的方法大多為活性污泥法。

3、微生物脫氮機理。在氮的去除過程中，硝化和反硝化是微生物的主要去除機制，通過氨氮的揮發作用去除氮素是一個次要機理。微生物脫氮是指污水中的含氮有機物，在微生物處理過程中被異養型微生物氧化分解，轉為氨氮，然后由自養型硝化細菌將其轉化為NO3-并進一步還原轉化為N2，從而達到脫氮的目的。

三、有關措施研究

1、投加微生物進行水體修復。投加微生物修復可分為原位生物修復和異位生物修復。原位生物修復是指污染水體不經輸送，在其原位進行處理。其主要處理方法有：一是投加菌種強化生物修復。該技術直接向遭受污染的水體接入外源的污染物降解菌，同時提供這些細菌生長所需的營養。在水體中加入微生物其實是對自然界恢復能力和自凈能力的一種強化，當水體中缺乏有效降解吸收污染物的物質時，加入的菌種恰好能加強水體污染物的去除效果。二是添加營養物激活劑或無毒表面活性劑強化水體修復。水體中的營養物缺乏時會嚴重限制水體環境中微生物污染物的降解，而向水體投加營養鹽可以提高微生物的代謝能力，使微生物更好地發揮作用。異位生物修復則需將被污染物質通過某種途徑從污染現場運走，便于對修復過程進行控制。因此，異位生物修復有調控和優化處理的特點，但這種運輸可能會增加費用，導致修復成本提高。目前異位生物修復治理多用在黑臭河水的凈化處理上，即將黑臭河水用泵輸入置于河邊的生物反應器中進行凈化處理，然后再將處理后的水送回河道。

2、生物膜修復。生物膜修復是依靠附著在固體表面濾料介質上生長繁殖的微生物來凈化有機物的好氧處理方法。微生物能附著在固體介質表面上，對水質變化適應性強，并且處理效率高（因為附在上面的微生物種類較多），降解產物污泥量少。與傳統的活性污泥法相比，生物膜法具有操作方便、剩余污泥少、抗沖擊負荷和適用于小型污水處理等特點，但也存在不足，如需要較多的填料和支撐結構，容易產生厭氧等。

3、生物捕食的污泥減量化。微生物在城市污泥處理中的利用主要是污泥前置減量微生物處理。其方法是通過增加微生物在反應池中的濃度，利用原生動物和后生動物的捕食作用減少污泥量；在復雜的污水處理系統中有種群豐富的微生物，通過發展高級生物形成較長的食物鏈，使能量從低級生物（細菌）傳遞到高級生物（原生動物和后生動物），通過生物間的不完全轉化，微生物數量、能量得以減少，使得產生的污泥量減少。

4、微生物減量工藝改革技術。一是OSA（好氧沉淀缺氧）工藝。OSA工藝是將二沉池的污泥經過一個污泥厭氧池后，全部回流進入污水處理前端的好氧池，這樣不僅增加了好氧池中的微生物濃度，提高出水質量，同時極大地減少了剩余污泥的產生量。在OSA工藝中，一般是將膜生物反應器（MBR）和OSA工藝結合使用。通過對膜進行曝氣，增加膜附近的擾動度和物質的傳遞，利用膜的阻截代替傳統重力沉降，使微生物群滯留和分離，并且有效控制污泥的穩定性。因此，水力停留時間（HRT）和固體停留時間（SRT）完全分離，延長了污泥齡，得到低剩余污泥產量和高可溶性污染物去除效率，污泥產量可以減少28%～68%。OSA還可以硝化-反硝化脫氮，若在沉淀池中加入絮凝劑還能同時除磷。污泥衰解可以認為是在OSA系統中，保持厭氧區較低的低氧化還原電位（ORP）有助于污泥的自腐解，不但能夠使污泥衰解達到減量化，而且也可以使COD的去除率和污泥的沉淀性能大大改善。二是Cannibal工藝。這項工藝技術利用側向交換生物反應器，使在好氧反應器和厭氧反應器的液體混合。在側溝，受到低DO的限制，液體中兼氧菌占主導，它們降解和代謝好氧菌的殘留物和副產物。當液體返回到好氧區，好氧菌分解兼氧菌，好氧和兼氧微生物交替作用，將活性污泥破壞，減少活性污泥污水處理系統所產生的污泥量，部分回流污泥直接進入側向交換生物反應器，同時系統不斷選擇低繁殖細菌來分解生物固體，直到固體被完全分解。

四、結語

不同的氣候帶，由于溫度、濕度、水中溶解氧等差異造成微生物分解差異大。一是溫度、降水變化影響微生物的生長速率，二是氣候變化影響微生物酶活性從而改變污水污泥中有機物的降解速率。當前國內外對這方面的研究報道尚少，因此，為了更為廣泛有效地應用微生物處理污水污泥，有必要進一步對微生物在不同時空尺度的作用機制進行研究。

參考文獻：