重金属的污染与治理

重金属的污染与治理刘崇武冶金1104班学号：0507110412摘要：本文总结了土壤中重金属污染物的来源主要包括大气中重金属沉降，农药、化肥和塑料薄膜使用，污水灌溉，污泥施肥，重金属废弃物堆积等，然后介绍了换土法，热修复法，固化／稳定化技术，电动修复技术，土壤清洗技术，微生物修复法，植物修复法等方法在重金属污染方面的治理。近几十年来，随着现代工业的发展和人类自身活动的增加，大量含有重金属污染物的选矿、化工、电镀、制革等工业废水和城市生活污水被排人江河湖泊。据估算，全球每年排放到环境中的有毒重金属高达数百万吨，其中砷为12．5万t，镉为3．9万t，铜为14．7万t，汞为1．2万t，铅为34．6万t，镍为38．1万t，并且还在逐年增加。这些污染物不仅严重污染地表水与地下水，造成全球可利用水资源总量急剧下降，而且使土壤中重金属含量增加，抑制植物的生长发育，促进植物早衰，降低产量，并通过根系进入植物体，再通过食物链的传递和富集，最终危害人体健康。全球重金属污染是相当惊人的，其危害也是相当可观的。重金属已成为全球重要的污染源之一。1土壤中重金属污染物来源与分布土壤中重金属的来源是多途径的，首先是成土母质本身含有重金属，不同的母质、成土过程所形成的土壤含有重金属量差异很大，此外．人类工农生产活动．也造成重金属对大气、水体和土壤的污染1.1大气中重金属沉降大气中的重金属主要来源于工业生产、汽车尾气排放及汽车轮胎磨损产生的大量含重金属的有害气体和粉尘等。它们主要分布在工矿的周围和公路、铁路的两侧。大气中的大多数重金属是经自然沉降和雨淋沉降进人土壤的。如瑞典中部Falun市区的铅污染．它主要来自于市区铜矿工业厂、硫酸厂、油漆厂、采矿和化学工业产生大量废物．由于风的输送，这些细微颗粒的铅，从工业废物堆扩散至周围地区[1]。公路、铁路两侧土壤中的重金属污染，主要是Pb．Zn、Cd、Cr、Co、Cu的污染为主，它们来自于含铅汽油的燃烧。汽午轮胎磨损产生的含锌粉尘等．它们成条带状分布。以公路、铁路为轴向两侧重金属污染强度逐渐减弱；随着时间的推移，公路铁路土壤重金属污染具有很强的叠加性。在宁一杭公路南京段两侧的土壤形成Pb、cr、co污染带，且沿公路延长方向分布．自公路向两侧污染强度减弱。在法国索洛涅地区A71号高速公路沿途严重污染重金属Pb、Zn、Cd，其沉降粒子浓度超过当地土壤背景值2～8倍，而公路旁重金属浓度比沉降粒子中高7～26倍【2】。经过自然沉降和雨淋沉降进入土壤的重金属污染。主要以工矿烟囱、废物堆和公路为中心，向四周及两侧扩散；由城市一郊区一农区，随距城市的距离加大而降低，特别是城市的郊区污染较为严重此外、还与城市的人口密度、城市土地利用率、机动车密度成正相关；重工业越发达，污染相对就越严重。此外．大气汞的干湿沉降也可以引起土壤中汞的含量增高。大气汞通过于湿沉降进入土壤后，被土壤中的粘土矿物和有机物的吸附或固定，富集于土壤表层或为植物吸收而转入土壤，造成土壤汞的浓度的升高。1.2农药、化肥和塑料薄膜使用施用含有铅、汞、镉、砷等的农药和不合理地施用化肥．都可以导致土壤中重金属的污染。一般过磷酸盐中含有较多的重金属Hg、Cd、As、Zn、Pb，磷肥次之，氮肥和钾肥含量较低，但氮肥中铅含量较高．其中As和Cd污染严重。农用塑料薄膜生产应用的热稳定剂中古有Cd、Pb．在大量使用塑料大栅和地膜过程中都可以造成土壤重金属的污染。1.3污水灌溉污水灌溉一般指使用经过一定处理的城市污水灌溉农田、森林和草地。城市污水包括生活污水、商业污水和工业废水。由于城市工业化的迅速发展，大量的工业废水涌人河道，使城市污水中含有的许多重金属离子，随着污水灌溉而进入土壤，在分布上，往往是靠近污染源头和城市土壤污染严重．远离污染源头和城市工业区．土壤几乎不污染。近年来污水灌溉已成为农业灌溉用水的重要组成部分。中国自60年代至今，污灌而积迅速扩大，北方方旱作地区污灌最为普遍，约占全国污灌面积的90％以上，南方地区的污灌面积仅占6％，其余在西北和青藏。污灌导致上壤重余属Hg、Cd、Cr、As、Cu、ZnPb等含量的增加。1.4污泥施肥污泥中含有大量的有机质和氮、磷、钾等营养元素、但同时污泥中也含有大量的重金属，随着大量的市政污泥进人农田，使农田中的重金属的含量在不断增高。污泥施肥可导致土壤中Cd、Hg、Cr，Cu、Zn、Ni、Pb含量的增加，且污泥使用越多，污染就越严重，Cd、、Cu、Zn引起水稻、蔬菜的污染；Hg可引起小麦、玉米的污染；污泥增加青菜中的cd、cu、zn、Ni、Pb也增加”1.5含重金属废弃物堆积含重金属废弃物种类繁多，不同种类其危害方式和污染程度都不一样。污染的范围一般以废弃堆为中心向四周扩散，所以如果重金属废弃物长期堆积不仅会对周围土壤造成严重污染，对附近的水资源污染也是相当大的。1.6金属矿山酸性废水污染金属矿山的开采、冶炼、重金属尾矿、冶炼废渣和矿渣堆放等，可以被酸溶出含重金属离子的矿山酸性废水．随着矿山排水和降雨使之带入水环境如河流等或直接进入土壤，都可以间接或直接地造成土壤重金属污染。1989年我国有色冶金工业向环境中排放重金属Hg为56t，CA为88t，As为173t．Pb为226t，矿山酸性废水重金属污染的范围一般在矿I的周围或河流的下游，在河流中不同河段的重金属污染往往受污染源矿山控制．河流同一污染源的下段自上特到下游，由于金属元素迁移能力碱弱和水体自净化能力的适虞恢复．金属化学污染强度逐渐降低。土壤被污染后，为了避免其对植物生长和通过食物链对人类造成危害，需要将其从土壤中清除。2重金属污染治理方法2.1换土法换土法一般是采用未受污染的土来替代或部分替代受污染的土，主要通过翻土、换土、客土等途径实现。翻土是对污染土壤进行深翻，将土壤表层的污染物分散到土壤深层，从而达到稀释污染物浓度的目的；换土是把受污染的土挖走，然后换上没有污染的土；客土是把大量未污染的土覆盖在污染土壤表层或者与污染土壤混匀。换土的深度一般应大于土壤耕作层，从而达到减少污染物与环境中生物的接触、降低土壤中污染物的浓度的目的。该方法对于降低农作物体内重金属含量、修复重金属污染土壤很有效，但该方法并没有从根本上对污染土壤进行治理【3】。2.2热修复法热修复法主要包括热解吸法和玻璃化法。(1)热解吸法主要用于修复易挥发有机物或易挥发重金属(比如汞、砷等)污染的土壤。其基本原理是通过直接或间接热交换方法提高土壤温度，通过控制热解吸系统的床温和污染物的停留时间有选择性地使污染物(有机物或重金属)得以挥发，通过回收挥发的气态污染物实现对污染土壤的修复。热解吸法修复技术可以在污染场地进行原位修复，也可以将污染土壤挖出后进行异位修复。对于重金属污染，热解吸修复主要用用汞污染土壤的修复。MichaelVRose等已成功开发出商业化的汞污染土壤热解吸修复技术，修复后土壤中汞的浓度低于1mg／U；Chang等【4】。采用高温异位热解吸技术对台北的一个汞污染场地进行修复，把土壤加热至750℃并保持2小时，土壤中汞的含量可以降低到1mg／L以下。(2)玻璃化法是通过加热对污染土壤进行高温处理(1600C,--2000℃)将污染土壤熔化，冷却后土壤形成比较稳定的玻璃态物质，这样土壤中的无机污染物很难被浸提出来，从而实现对污染土壤的修复【5】。玻璃化修复技术一般包括电力加热系统、蒸汽收集和冷凝系统、尾气处理系统等。玻璃化技术能耗高、成本高，但是可以有效地控制污染物的迁移性。2.3固化／稳定化技术固化技术主要是对土壤的形态进行改变，即通过向土壤中加入固化剂(如水泥、硅酸盐等使土壤变硬，并最终形成比较稳定的固体物质，从而将污染物固定在固态物质中，可以有效控制污染物的迁移和泄露。稳定化技术是对污染物的存在形态进行改变，通过向土壤中添加稳定化制剂和辅助还原剂等，形成渗透性较低的固体，使有毒物质变成不溶性物质，将其固定在晶格内，降低污染物的迁移性。重金属固化／稳定化技术是一种常用技术，自上世纪80年代以来，已在美国、欧洲、澳大利亚等地区应用多年，现已广泛应用于处理含重金属废渣、土壤和淤泥沉积物、铬渣、汞渣、砷渣等领域的环境治理中。根据美国环保总局2004年土壤修复技术报告，对于重金属污染土壤的修复，应用最多的技术为固化／稳定化技术。2.4电动修复技术电动修复技术主要是在污染土壤中插入电极，并在电极上施加低压直流电场，土壤中的污染物在电场作用下会发生一系列物理化学变化，由土壤颗粒表面或内部迁移到土壤溶液中，在电场作用下通过电迁移、电渗和电泳等传质途径定向迁移并富集在电极附近，从而实现修复目的，其中电迁移和电渗是主要传质方式。电动修复技术早期主要应用于盐碱地的修复【6】，到20世纪80年代初，该技术开始应用于重金属污染土壤的修复，从20世纪80年代末到90年代初，Geokinetics公司已经应用电动修复技术在荷兰开展了5个大规模的场地修复试验。2.5土壤清洗技术土壤清洗技术主要是借助水力压头把清洗液注入到被污染的土壤中，通过离子交换、吸附、络合等作用把土壤固相中的污染物转移到液相中，然后再把含有污染物的清洗液从土壤中抽提出来并对其进行适当处理，从而将土壤中的污染物去除掉【7】。采用的清洗液可以是水，也可以是添加有能促进土壤中污染物溶解或迁移的辅助药剂(酸、碱、盐、螯合剂、表面活性剂等)的水溶液等。用于提取土壤中重金属的辅助药剂有无机酸／盐、草酸、螯合剂(柠檬酸、EDTA等)。土壤清洗技术既可以在污染场地原位进行，也可以先把污染土壤挖掘出来进行异位修复。原位土壤清洗修复系统主要由清洗液注入系统、土壤下层清洗液收集系统、被污染清洗液的处理和回用系统几部分组成：异位土壤清洗技术工艺相对较复杂：首先对污染土壤进行挖掘，然后对土壤进行分类，并把土壤中的石块、砾石、沙子等较大颗粒进行分离，而后用清洗剂对受污染部分进行清洗，最后把修复后的土壤进行回填或资源化利用。2.6微生物修复法微生物修复是利用土著的微生物群或经过特定培养的功能微生物群，通过促进或强化微生物代谢功能，利用微生物对某些元素的吸附积累作用、对污染物的降解和转化作用等降低土壤中污染物的浓度或毒性，从而实现对污染土壤的修复【8】。目前微生物修复研究集中于有机污染土壤的修复，如修复石油、多环芳烃等污染土壤；针对重金属污染土壤修复的研究相对较少，主要是利用微生物修复汞、镉和Cr(V1)等污染的土壤【9】。微生物修复技术可以在原地进行，修复周期长，一般需要添加碳、氮、磷等营养物质，外界温度的变化对微生物的生长等影响较大。2.7植物修复法利用化学方法和物理方法清除土壤中重金属的污染，通常因为成本太高和破坏环境而不能被大规模应用。植物修复是利用植物来转移、容纳或转化环境污染物以达到清除污染物、治理环境的目的，被认为是一个从土壤中清除有毒重金属污染的成本低且对环境友好的技术。该技术包括植物提取、植物挥发和植物固定，其中针对植物提取的研究较多。植物提取指利用超富集植物吸收、富集污染物，使植物地上部分的污染物含量达到一定的浓度，通过收获植物地上部分的方法，达到清除污染物的目的。利用植物基因工程手段培育具有高富集能力的转基因植物技术的发展始于对汞离子还原酶的研究，并且已经有关于提高镉的耐受性和积累能力的转基因植物的报道。利用植物基因工程技术培育的转基因植物能吸收、隔离和(或者)去除各种环境污染物的毒性，以便修复被污染的土壤、水或者空气，这方面的研究将为恢复由于人类活动而被重金属污染的大规模土壤和水提供一个有效的技术手段和方法【10】。理想的修复植物应该是高生物量、高积累量、生长快速、同时能耐受和富集土壤中多种有毒重金属、根系发达、容易种植和收获的植物。虽然存在能耐受和富集高浓度有毒重金属的天然植物，但这些植物生物量小、生长缓慢、种植困难。目前，随着分子生物学技术的发展，可使用基因工程手段来改进一些生长快、生物量大的植物使其对重金属具有高的耐受性和富集能力。目前的植物基因工程技术已经能把多种抗性基因导入到不同品种的植物中，通过研究转基因植物的修复能力，获得可以应用于重金属污染