1、土壤污染及其修復(fù),土壤污染及修復(fù),二、土壤污染修復(fù) （一）我國(guó)土壤污染修復(fù)的形勢(shì) 我國(guó)于2006年開(kāi)展了全國(guó)首次土壤污染狀況調(diào)查，以全面、系統(tǒng)、準(zhǔn)確掌握我國(guó)土壤污染的真實(shí)情況，有效防治土壤污染，確保百姓身體健康。,土壤污染及修復(fù),二、土壤污染修復(fù) （一）我國(guó)土壤污染修復(fù)的形勢(shì) 調(diào)查的主要任務(wù)有： 1.開(kāi)展全國(guó)土壤環(huán)境質(zhì)量狀況調(diào)查與評(píng)價(jià)。 2.開(kāi)展重點(diǎn)區(qū)域土壤污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與安全等級(jí)劃分。 3.開(kāi)展全國(guó)土壤背景點(diǎn)環(huán)境質(zhì)量調(diào)查與對(duì)比分析。 4.開(kāi)展污染土壤修復(fù)與綜合修復(fù)試點(diǎn)。 5.建設(shè)土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)督管理體系。,土壤重金屬污染修復(fù)技術(shù),由于土壤重金屬污染具有以上特點(diǎn)，且可經(jīng)由水環(huán)境直接毒害植物體，并

2、可最終通過(guò)食物鏈危害人類健康。因此，其治理和恢復(fù)的難度大，但又顯得極為迫切。,土壤重金屬污染特點(diǎn),表聚性,長(zhǎng)期性,不可逆性,隱蔽性,綜合國(guó)內(nèi)外各種研究，修復(fù)措施主要有四種：,工程措施 物理化學(xué)修復(fù) 生物修復(fù) 農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù),工程措施,主要包括客土、換土和深耕翻土等措施。深耕翻土用于輕度污染的土壤，而客土和換土則是用于重污染區(qū)的常見(jiàn)方法。工程措施是比較經(jīng)典的土壤重金屬污染治理措施，它具有徹底、穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，但實(shí)施工程量大、投資費(fèi)用高，破壞土體結(jié)構(gòu)，引起土壤肥力下降，并且還要對(duì)換出的污土進(jìn)行堆放或處理。,物理化學(xué)修復(fù),電動(dòng)修復(fù),污染土壤,通電流,金屬離子等向電極運(yùn)輸,集中收集處理,達(dá)到治污目的,電動(dòng)修

3、復(fù)是一種原位修復(fù)技術(shù)，不攪動(dòng)土層，并可以縮短修復(fù)時(shí)間，是一種經(jīng)濟(jì)可行的修復(fù)技術(shù)。,電熱修復(fù),污染土壤,高頻電壓產(chǎn)生電磁波,熱能,對(duì)土壤加熱,污染物從土中解吸,揮發(fā)性重金屬分離,達(dá)到修復(fù)目的,熔化土壤,冷卻后形成玻璃態(tài)物質(zhì),土壤淋洗,污染土壤,淋洗液淋洗,土壤固相中重金屬,土壤液相中,將液相回收處理,達(dá)到修復(fù)目的,化學(xué)修復(fù),污染土壤,加入改良劑,降低重金屬生物有效性,達(dá)到修復(fù)目的,.,13,有機(jī)污染土壤修復(fù)技術(shù)體系,按修復(fù)場(chǎng)地分類 （1）原位（in situ）修復(fù)： 污染土壤氣體提取法(SVE)； 井中汽提法（In-well Vapor Stripping）； 生物通氣； 空氣攪動(dòng)法（Air S

4、parging） 原位沖洗、淋洗； 加熱方法； 處理墻方法； 原位穩(wěn)定固化方法； 電動(dòng)力學(xué)方法； 原位微生物修復(fù)方法； 植物微生物聯(lián)合修復(fù)方法等。,.,14,有機(jī)污染土壤修復(fù)技術(shù)體系,按修復(fù)場(chǎng)地分類 異位（ex situ）修復(fù)： 氣提法； 泥漿反應(yīng)器修復(fù)； 土壤耕作法； 土壤堆腐； 焚燒法； 客土法； 預(yù)制床； 淋洗/萃取； 淋洗生物反應(yīng)器聯(lián)合修復(fù)；,.,15,有機(jī)污染土壤修復(fù)技術(shù)體系,按照技術(shù)類別分類 （1）物理化學(xué)修復(fù)： 加熱方法；穩(wěn)定固化法；淋洗；萃?。浑妱?dòng)力學(xué)等 （2）生物修復(fù)： 微生物修復(fù)；生物通氣、泥漿反應(yīng)器、預(yù)制床等 植物修復(fù)；濕地修復(fù)；菌根修復(fù)等； 植物微生物聯(lián)合修復(fù)；菌根菌劑

5、聯(lián)合修復(fù)等； （3）物理化學(xué)生物聯(lián)合修復(fù)： 淋洗反應(yīng)器聯(lián)合修復(fù)等。,.,16,有機(jī)污染修復(fù)技術(shù)的流程及原理,.,17,有機(jī)污染修復(fù)技術(shù)的流程及原理,原位修復(fù)技術(shù) （1）原位生物修復(fù)一般流程：,生物修復(fù)原位處理方式示意圖,.,18,有機(jī)污染修復(fù)技術(shù)的流程及原理,原位修復(fù)技術(shù) （2）生物通風(fēng)技術(shù)一般流程：,生物通風(fēng)原位處理方式示意圖,.,19,.,20,有機(jī)污染修復(fù)技術(shù)的流程及原理,異位修復(fù)技術(shù) （1）泥漿反應(yīng)器技術(shù)一般流程：,反應(yīng)器系統(tǒng)示意圖,.,21,有機(jī)污染修復(fù)技術(shù)的流程及原理,異位修復(fù)技術(shù) （1）泥漿反應(yīng)器技術(shù)一般流程：,生物反應(yīng)器修復(fù)系統(tǒng)示意圖,.,22,有機(jī)污染修復(fù)技術(shù)的流程及原理,異

6、位修復(fù)技術(shù) （2）挖掘堆置法：,挖掘堆置法系統(tǒng)示意圖,.,23,桶箱,空氣過(guò)濾器和泵,礫石層,污染土壤,（3）土壤耕作法：,.,24,土壤淋洗法 対象：重金屬、農(nóng)藥、油等,.,25,車載式,固定式,.,26,30m3/h處理能力淋洗修復(fù)工程,.,27,熱處理： 直接加入使污染物揮發(fā)或分解，間接加熱使污染物揮發(fā)； 針對(duì)高濃度土壤污染。 対象：VOCs、水銀、農(nóng)藥、油等； 優(yōu)點(diǎn)：可使VOCs完全實(shí)現(xiàn)無(wú)害化； 日處理能力可達(dá)200t。,.,28,實(shí)際工程,污染土壤,外熱裝置,修復(fù)土壤,焚燒裝置,煙囪,熱交換,填埋,熱 解 氣 體,化 學(xué) 試 劑,熱處理典型流程：,.,29,電滲析：,土壤處理槽,電極

7、槽,點(diǎn)源,絮凝 沉淀,回收,給水,給水泵,給水塔,抽水泵,.,30,處理墻：,.,31,土地耕作,Composting,生物通風(fēng),強(qiáng)化堆置,一般混合處理,.,32,石油污染修復(fù)一般流程,有機(jī)污染修復(fù)技術(shù)的流程及原理,石油污染土壤修復(fù),.,33,生物修復(fù),生物修復(fù)是利用生物技術(shù)治理污染土壤的一種新方法。利用生物削減、凈化土壤中的重金屬或降低重金屬毒性。主要包含植物修復(fù)技術(shù)與微生物修復(fù)技術(shù)兩種方法。,植物修復(fù)(phytoremediation): 利用植物及其根際圈微生物體系的吸收、揮發(fā)和轉(zhuǎn)化、降解等作用來(lái)清除污染環(huán)境中的污染物質(zhì)。,生物修復(fù)基本概念和修復(fù)機(jī)理,植物修復(fù)發(fā)展歷程 無(wú)意識(shí)地利用植物處

8、理排泄物 20世紀(jì)初，有意識(shí)地利用植物生態(tài)系統(tǒng)處理廢棄物和污水無(wú)害化 1970s后，發(fā)展污水的土地處理系統(tǒng)，成為城市生活廢水的處理技術(shù)；廢棄礦山的復(fù)墾，污泥的處理和農(nóng)業(yè)應(yīng)用，植物耐性機(jī)理的研究 1980s, Chaney 提出利用超積累植物清除土壤重金屬污染，形成植物修復(fù)概念。,植物對(duì)污染物的修復(fù)機(jī)理- 有機(jī)物的吸收積累和代謝,某些植物能在體內(nèi)代謝或礦化有機(jī)物，使其失活； 但多數(shù)研究只證明了植物僅能通過(guò)酶催化氧化降解有機(jī)物； 降解產(chǎn)物的進(jìn)一步深度氧化過(guò)程研究還很缺乏； 為提高植物修復(fù)效率，可利用基因工程技術(shù)增強(qiáng)植物的降解能力,植物對(duì)有機(jī)污染物的吸收途徑,對(duì)氣態(tài)污染物的粘附和吸收,對(duì)水溶態(tài)污染物

9、的吸收,植物粘附污染物的數(shù)量, 主要決定于植物表面積的大小和粗糙程度, 某些植物還可分泌油脂、黏液, 如去杉、油松等; 氣孔是葉片吸收污染物的主要部位, 但高濃度污染物可對(duì)葉片造成損害, 如二氧化硫可導(dǎo)致植物氣孔張開(kāi)和關(guān)閉的機(jī)能癱瘓, 臭氧可損害葉片的柵欄組織.,氣態(tài)污染物,水溶態(tài)污染物,主要通過(guò)根吸收,葉片也能吸收水溶態(tài)物質(zhì),水溶態(tài)的污染物到達(dá)根表面，主要有兩條途徑： 一條是質(zhì)體流途徑(massflow)，即污染物隨蒸騰拉力，在植物吸收水分時(shí)與水一起到達(dá)植物根部； 另一條是擴(kuò)散途徑(diffusion)，即通過(guò)擴(kuò)散到達(dá)根表面。,葉片對(duì)農(nóng)藥通過(guò)氣孔吸收與角質(zhì)層吸收。 附著性能是影響藥效的重要因

10、素。表面活性劑能顯著降低表面張力，改善藥液在葉面的附著性, 從而提高吸收。 如: 劉支前等發(fā)現(xiàn)不加任何表面活性劑時(shí)，草甘膦藥液不能直接經(jīng)蠶豆葉面氣孔吸收；添加0.5的有機(jī)硅表面活性劑后，氣孔吸收率可達(dá)85.4。,自然來(lái)源：工業(yè)礦床和巖石風(fēng)化而成的地表土壤,重金屬來(lái)源,人為來(lái)源,生產(chǎn)活動(dòng) 農(nóng)藥肥料 交通運(yùn)輸 廢棄物 廢水廢氣,植物對(duì)重金屬吸收積累,土壤中重金屬本身所存在的形態(tài)可分為：水溶態(tài)、有機(jī)質(zhì)結(jié)合態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、Fe-Mn氧化物結(jié)合態(tài)以及包含于礦物晶格中的殘?jiān)鼞B(tài)。 從植物的可利用性可分為可吸收態(tài)、交換態(tài)、難吸收態(tài)。 重金屬的游離離子及螯合離子易被植物所吸收，殘?jiān)鼞B(tài)的難被植物吸收，介于兩者之

11、間的則為交換態(tài)。,植物修復(fù)的優(yōu)點(diǎn),適用污染因子廣泛，不僅適合重金屬，同時(shí)可治理有機(jī)物污染。 從生態(tài)學(xué)角度看，有利于污染地生態(tài)恢復(fù)，美化環(huán)境。 以太陽(yáng)能為動(dòng)力，成本低，適合大面積修復(fù)推廣。修復(fù)費(fèi)用約為540美元噸，而填埋的費(fèi)用為100500美元噸。尤其適于低濃度條件。 不會(huì)引起二次污染，特別是不會(huì)對(duì)地下水構(gòu)成污染。,修復(fù)模式,植物提取 (phytoextraction) 植物揮發(fā)(phytovolatilization) 植物穩(wěn)定(phytostabilization) 植物降解(phytodegradation),第二節(jié) 污染土壤修復(fù)模式,植物提取:利用植物根系吸收重金屬元素，并經(jīng)過(guò)植物體內(nèi)一

12、系列復(fù)雜的生理生化過(guò)程，將重金屬元素從根部轉(zhuǎn)運(yùn)至植物地上部分，再進(jìn)行收割處理。 根據(jù)實(shí)施的策略不同，植物提取技術(shù)可分為連續(xù)植物提取和誘導(dǎo)植物提取。,植物提取,第一種情況（連續(xù)植物提取）：植物在整個(gè)生命周期中都能吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)、積累和忍耐高含量的重金屬 第二種情況：某些植物只能在一段時(shí)期內(nèi)吸收重金屬，或整個(gè)生命期中都吸收但吸收量很低 第二種情況下，人們輔以絡(luò)合劑等理化措施誘導(dǎo)植物積累更多金屬元素，這就是誘導(dǎo)植物提取。 誘導(dǎo)植物提取舉例：在芥菜營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)旺盛期施用絡(luò)合劑可顯著提高土壤中植物有效態(tài)Cu，使土壤水浸提態(tài)Cu和交換態(tài)Cu顯著上升，從而芥菜中Cu的含量明顯增加,植物提取技術(shù)與其他修復(fù)模式的區(qū)別之

13、處在于重金屬地上部分含量的不同。 因而植物提取技術(shù)要求植物能從根部吸收重金屬離子，還能有較高的地上部分轉(zhuǎn)運(yùn)能力。 金屬離子首先進(jìn)入根部細(xì)胞，通過(guò)共質(zhì)體的運(yùn)輸穿越根內(nèi)皮層中的凱氏帶，進(jìn)入中柱送達(dá)木質(zhì)部，再與木質(zhì)部中大量存在的有機(jī)酸和氨基酸結(jié)合運(yùn)往地上部分,印度芥菜在高濃度可溶性Pb營(yíng)養(yǎng)液中培養(yǎng)一段時(shí)間后,莖中Pb含量達(dá)到1.5； 印度芥菜還能吸收積累Cr、Cu、Zn、Cd 、Ni等重金屬,植物提取/例子,為植物修復(fù)的核心部分，最早的概念于1977年Brooks提出，現(xiàn)在接近成熟,重金屬超積累植物,東南景天(Sedum alfredii H)由楊肖娥等發(fā)現(xiàn)的第一種Zn 超富集植物。地上部的Zn含量

14、達(dá)5000ppm.富集系數(shù)達(dá)1.9以上。,蜈蚣草（Pteris vittata Linn.）第一種在我國(guó)發(fā)現(xiàn)的As超富集植物，由陳同斌等發(fā)現(xiàn),圖1 重金屬zn/cd超積累植物十字花科的天藍(lán)遏藍(lán)菜（thlaspi caerulescens）。,圖2 銅草 （海洲香薷）,吸收Pb，Zn,Cd,商陸(Mn),超積累植物地上部分的重金屬含量是同等生境條件下其他普通植物含量的100倍以上； 在污染地生長(zhǎng)旺盛，生物量大，能正常完成生活史； 富集系數(shù)(BCF)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(TF)都大于l。一般而言，植物體內(nèi)重金屬臨界含量為Zn:l0000mgkg, Cd:l00mgkg, Au:lmgkg, Pb、Cu、Ni

15、、Co均為1000mgkg.,超積累植物特征,富集系數(shù),地上部器官中重金屬含量,土壤中重金屬含量,轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù),莖葉中重金屬含量,根部重金屬含量,過(guò)渡類型,有一些植物雖然達(dá)不到上述各項(xiàng)指標(biāo)，但比起一般的植物能忍耐一定程度的重金 屬，文獻(xiàn)資料上多稱為富集植物,長(zhǎng)期生長(zhǎng)于污染土壤中的植物對(duì)環(huán)境脅迫往往形成了三類適應(yīng)模式，各自特點(diǎn)為: 抵御：與根際周圍的各類真、細(xì)菌組成菌根，形成防御體系共同抵制外界污染物質(zhì)的侵害。 忍耐：無(wú)法構(gòu)建防御體系，但可形成一定的忍耐特性，體內(nèi)重金屬含量高于普通植物，即使脫離重金屬污染土壤仍能自然成活，稱為富集植物。 利用：因?yàn)樽陨砩淼男枰?，土壤中污染物質(zhì)含量要達(dá)到一定數(shù)值才能

16、成活，稱為超積累植物。 如比蘇草在Cu含量小于100gkg的土壤中不能正常生長(zhǎng)。根據(jù)其這一特性，某種重金屬的超積累植物往往還能成為金屬礦藏的指示植物。,植物對(duì)污染環(huán)境的適應(yīng)模式,地域來(lái)看，多分布于富含重金屬的礦區(qū)； 植物分類來(lái)看，多位于幾個(gè)類別之內(nèi)，如Ni主要頒布于“五科” 、“十屬”； 農(nóng)田雜草也可能是超積累植物的一個(gè)重要來(lái)源庫(kù)。如魏樹(shù)和等發(fā)現(xiàn)了8種對(duì)Cd具有超積累性的雜草,超積累植物分布,首先，大部分植物植株矮小，生長(zhǎng)緩慢，且不易機(jī)械化作業(yè)； 其次，多為野生型植物，對(duì)生物氣候條件的要求也比較嚴(yán)格，區(qū)域性分布較強(qiáng)，引種受到嚴(yán)重限制； 再次，專一性強(qiáng)，只作用于一種或兩種特定的重金屬元素，對(duì)土壤

17、中其他含量較高的重金屬表現(xiàn)出中毒癥狀； 最后，植物器官往往會(huì)腐爛、落葉，最終重金屬重返土壤。,超積累植物的局限性,植物吸收重金屬本質(zhì)上是否為植物在特定環(huán)境下的特定生理生化反應(yīng) 植物耐重金屬毒害的機(jī)制包括：細(xì)胞區(qū)域化作用；主動(dòng)外排；螯合作用目前誘導(dǎo)植物生成配位體是其研究熱點(diǎn) 另外還可通過(guò)基因手段，促進(jìn)植物基因改良，提高積累量,植物積累重金屬的分子生物學(xué)研究,尋找更多超積累植物，尤其能同時(shí)富集不同重金屬元素的植物的尋找，加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)有野生超積累植物的人工引種、馴化研究； 分子水平上的植物耐金屬性研究，從基因水平上探明植物對(duì)重金屬耐性的根源所在； 各種重金屬元素在不同植物體內(nèi)的儲(chǔ)存及分布特征研究； 超積

18、累植物根際環(huán)境對(duì)重金屬吸收作用的影響,超積累植物研究展望,含義：植物將揮發(fā)性污染物吸收到體內(nèi)后再將其轉(zhuǎn)化為氣態(tài)物質(zhì)，釋放到大氣中。 植物揮發(fā)和土壤根際微生物的活動(dòng)密切相關(guān) 缺點(diǎn)：揮發(fā)性重金屬經(jīng)植物體進(jìn)人大氣最終沉入土壤或水體，會(huì)產(chǎn)生二次污染 揮發(fā)舉例：植物從土壤吸收汞再向大氣揮發(fā)；硒以二甲基硒和二甲基二硒揮發(fā)。,植物揮發(fā),含義：利用植物吸收和沉淀來(lái)固定土壤中的大量有毒重金屬，以降低其生物有效性并防止其進(jìn)入地下水和食物鏈，從而減少環(huán)境和人類健康的污染風(fēng)險(xiǎn)。 適用于相對(duì)不易移動(dòng)的物質(zhì)。 主要應(yīng)用在采礦、廢氣干沉降、污泥處置。 缺點(diǎn)：并未將重金屬?gòu)耐寥乐袕氐浊宄?，?dāng)土壤環(huán)境發(fā)生變化時(shí)仍可能重新活化恢

19、復(fù)毒性。,植物穩(wěn)定,含義：指污染物被植物根系吸收后通過(guò)體內(nèi)代謝活動(dòng)來(lái)過(guò)濾、降解污染物質(zhì)的毒性。 如六價(jià)Cr生物有效性最強(qiáng)，通過(guò)植物根系的降解作用后變成低價(jià)態(tài)的三價(jià)Cr，毒性大大減弱 植物的降解作用與根際土壤環(huán)境密切相關(guān)。根際分泌物的存在，使土壤理化性質(zhì)，如pH值、氧化還原電位、微生物組成等顯著改變,植物降解過(guò)濾,植物修復(fù)有機(jī)污染的三種機(jī)制,直接吸收并積累非植物毒性的代謝物；,釋放促進(jìn)生物化學(xué)反應(yīng)的酶；,強(qiáng)化根際降解作用.,植物可在新的植物結(jié)構(gòu)中貯藏，可使其代謝或礦化，還可使其揮發(fā); 去毒作用可將原來(lái)的化學(xué)品轉(zhuǎn)化為對(duì)植物無(wú)毒的代謝物如木質(zhì)素等，貯藏于植物細(xì)胞內(nèi)。 影響因素: 土壤水中的濃度和植物

20、的吸收率、蒸騰率。植物的吸收率取決于污染物的物化特性和植物本身; 蒸騰作用是決定污染物吸收速率的關(guān)鍵變量，它又與多種條件相關(guān).,直接吸收,與植物酶有關(guān)的有機(jī)物降解非常快，致使化學(xué)污染物從土壤中的解吸和質(zhì)量轉(zhuǎn)移成為限速步驟. 植物死亡后，酶釋放到環(huán)境中還可以繼續(xù)發(fā)揮分解作用; 但游離的酶系在低pH值、高金屬濃度和細(xì)菌毒性下會(huì)被摧毀或鈍化，而植物體內(nèi)的酶則可得到保護(hù).,釋放酶,污染物通過(guò)根際吸附吸收而進(jìn)入植物體內(nèi)； 植物通過(guò)向根際分泌氨基酸、糖類等小分子有機(jī)物而刺激微生物的大量繁殖，可間接促進(jìn)污染物的根際微生物降解； 植物還可通過(guò)根際向土壤輸氧，改變根際周圍的氧化還原條件,強(qiáng)化根際降解,微生物在修

21、復(fù)被重金屬污染的土壤方面具有獨(dú)特的作用。其主要作用原理是：微生物可以降低土壤中重金屬的毒性；微生物可以吸附積累重金屬；微生物可以改變根際微環(huán)境，從而提高植物對(duì)重金屬的吸收，揮發(fā)或固定效率,微生物修復(fù)技術(shù)(bioremediation),農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù),農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)主要包括兩個(gè)方面： 農(nóng)藝修復(fù)措施 生態(tài)修復(fù)。,土壤重金屬污染修復(fù)技術(shù)研究展望,采用工程、物理化學(xué)方法修復(fù)重金屬污染土壤，具有一定的局限性，難以大規(guī)模處理污染土壤，并且成本高，破壞土壤本身結(jié)構(gòu)，易造成二次污染，對(duì)環(huán)境擾動(dòng)大。 農(nóng)業(yè)生態(tài)措施又存在周期長(zhǎng)，效果不顯著的特點(diǎn)。 植物修復(fù)在重金屬污染治理中具有不可替代的優(yōu)勢(shì)，并以其治理過(guò)程的原位性、治理成本的低廉性、管理與操作的簡(jiǎn)易性及環(huán)境美學(xué)的兼容性而