氯化乙烯原位微生物修复结合含水层储能系统中的生物地球化学行为

Chlorinated ethenes (CVOCs) have been extensively used in the industrial sectors, especially in the dry-cleaning industry, leading to contamination of groundwater and risk of human health. As a cost-effective remediation technique, in-situ bioremediation (ISB) has been widely investigated and applied throughout the world for CVOCs remediation. However, the property of long duration of ISB might limit its further development and re-use of the contaminated land. To overcome this drawback, innovation or combination with other technology in a broader urban developing framework is needed. The combination of ISB and the novel sustainable energy technology -aquifer thermal energy storage (ATES)- could be a promising approach which might deal with environmental and energy problem simultaneously. Preliminary research has shown that the compatibility of these two is relatively high and ATES seems to have positive effects on ISB. By conducting series of batch and column experiments that highly mimic ATES-ISB system, and applying analytical chemistry, molecular microbiology and environmental microbiology techniques, this project focuses on investigate the related important biogeochemical processes in the combined system. We aim to clarify how ATES affects CVOCs bioremediation through by periodically changing temperature and highly enhancing groundwater movement; reveal how microorganisms behave under ATES condition; and determine the influence of microbial activities on ATES functioning. The outcome of this study is meaningful for the development of ATES-ISB technology and is expected to provide useful theoretical and practical guidelines.

城市含水土层中氯化乙烯污染是普遍而严峻的环境问题，修复该污染的原位微生物修复技术ISB是国内外研究热点。然而ISB普遍周期长，效率亟需提高。基于同时解决环境与能源问题理念所提出的“ISB与清洁能源含水层储能系统（ATES）的结合技术”，是目前国际上备受关注的研究前沿。作为新型技术，相关的研究目前仍处于初期阶段，结合技术背后涉及的复杂生物地球化学行为尚未得到深入解释。本项目以探索结合体系间的相互影响为目的，拟开展高度模拟结合系统的土柱与批式机理性实验，探讨结合体系的局部与整体变化，并联合运用分析化学、分子生物学及环境微生物学技术，深究背后复杂的生物地球化学行为过程，阐明ATES（温度高低交替变化、地下水流极大增强）对氯化乙烯原位微生物修复的作用，明确相关厌氧微生物在此环境下的运动行为机理，并揭示微生物活动对ATES运行的潜在影响，以期为该结合技术的发展和未来成熟应用提供科学依据和技术支撑。

随着全球工业化和城市化的迅猛发展，地下水污染修复已成为国家的重大需求。同时，地热能等绿色能源的开发利用也是我国能源发展的重要方向。本项目将地下水原位微生物修复和含水层储能系统ATES结合起来，着重研究结合体系中各种关键的生物地球化学行为，并通过全生命周期评价研究体系的环境效益，以期构建一套同时兼顾环境和能源问题的新型联合技术，并为开展环境治理与能源开发提供新的理念和思路。研究成果可为促进地下水有机污染的修复、城市和后工业区向可持续城市化转变做出一定贡献。本项目主要研究内容及成果如下：.1. 生物强化性措施对ATES运行的作用研究。研究发现，生物强化措施可缓解外源氧化因子引起的压降积累，生物堵塞的风险相对较小，表明强化性措施造成ATES系统生物堵塞可能性较低，并与ATES系统较高的水流速度紧密相关，如高水速下的高切应力使微生物难以吸附在ATES滤膜处。由于强化生物修复通常需要较低的氧化还原条件，因此还可防止ATES系统运行过程中外源氧化因子侵入所形成的铁沉淀和化学堵塞。研究成果发表在Science of The Total Environment（2018）上。.2. 模拟ATES高动态水流条件下，对含水层土壤有机碳的潜在释放作用。该研究发现，通过强烈摇晃（包括水平及环形振荡）来模拟的ATES高动态水流条件对COD和TOC的提升具有显著改变作用，有潜在的有机质释放促进作用。同时氧化还原电位逐步下降，最低可达-500mV，有助于氯化乙烯的生物还原脱卤作用。研究成果发表在Science of The Total Environment（2019）上。.3. 运用生命周期评价LCA方法，探究ATES-ISB系统的生命周期环境影响。研究表明，ATES-ISB结合系统的全生命周期环境影响比传统供冷供热加传统原位生物修复系统减少一倍，对环境的影响主要是电量的使用以及生物修复过程中所需要添加的有机电子供体，这两项分别占ATES-ISB系统总环境影响的61%及17%。该研究成果发表在环境类顶级期刊Environmental Science & Technology（2020）上，该论文发表了目前领域内第一项针对ATES-ISB结合体系全生命周期环境影响的研究成果。

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