第六章 土壤污染防治

第六章土壤污染防治•土壤污染的防治主要有如下几种措施：•控制和消除外排污染源、土壤改造和植物修复法、农药微生物降解等。对于不同的污染物，在实际工作中常常采用不同的治理措施。•哪一种措施是最重要的？•切断污染源是削减、消除土壤污染的有效措施。尽可能避免工矿企业重金属与有害有机污染物等各类污染物的任意排放，尽量避免其输入土壤环境，是防止土壤环境遭受污染的最根本性的也是最重要的原则。•主要包括：•控制含有重金属有害气体和粉尘的超标排放；•严格执行污灌水质标准和控制污水超标排放；•控制污泥、垃圾等固体废弃物的排放和使用；•发展清洁工艺。一、土壤重金属污染的治理途径•（一）土壤重金属污染的调控措施•目前，治理土壤重金属污染的途径主要有两种，一种是改变重金属在土壤中的存在形态，使其固定，降低其在环境中的迁移能力和生物可利用性；另一种方法是从土壤中去除重金属。围绕这两种治理途径，已有相应的一些有关物理、化学和生物治理方法提出。•思考：你所了解的治理土壤重金属污染具体方法有哪些？•1.施用改良剂•该方法要以了解重金属的特征及其在土壤中的活动为前提，这一点对于研究能使作物减少吸收重金属的方法来说，是极为重要的。•(1)调节土壤pH值和施用石灰•一般来说，提高pH值可降低许多物质的溶解度，但对有的元素存在相反情况。如Cu、Cr和Mo等的情况，因此，需要视具体情况决定。•(2)土壤中增施有机物质•向土壤施入有机物质被视为是提高土壤肥力的方法。加入的有机物可促使土壤溶液中的重金属离子形成络合物、螯合物，增大土壤对重金属离子的吸附能力，从而减轻重金属对作物的危害。另外，向土壤中施加促进还原作用的有机物，可促使重金属以硫化物形式沉淀，可使某些元素的毒性降低。(如Cr6+转化为Cr3+)•(3)化学沉淀和吸附•促使土壤中重金属形成难溶性盐，可使大多数重金属的植物毒性显著降低。例如，土壤中增施易溶性正磷酸化合物，在提高土壤磷含量、改善土壤肥力状况的同时，可使土壤中某些重金属呈难溶性的磷酸盐沉淀。例如铅、铁、锰、铬、锌、镉等的磷酸盐通常都是难溶盐，在水田条件下，土壤中的镉可以磷酸镉的形式沉淀。土壤遭受严重污染时，特别是重金属与砷复合污染时，施加磷酸盐对消除或减轻土壤重金属的危害程度有重要意义。•2.调节土壤的氧化还原电位(Eh值)•土壤的Eh值在很大程度上控制着水田土壤中重金属的行为。而土壤Eh值与土壤水分状况有密切关系，因而可以通过调节土壤水分来控制土壤中重金属的某些行为。•例如，生长在氧化条件下（不淹水）的水稻，含镉量比生长在还原条件下（淹水）的高得多。我国学者对水稻抽穗一周后不同土壤Eh值条件下的糙米含镉量进行了测定，氧化还原电位416mV时糙米含镉量为168mV时的12.5倍。在湿润和淹水条件下种植水稻，湿润条件下根的含镉量为淹水条件下的2倍、茎叶的5倍，糙米为6倍。(二)土壤重金属污染的工程治理措施•土壤重金属污染的主要工程治理措施有：客土法、换土法、水洗法、电动力学法、热解吸法。•1.客土法、换土法•客土法是在被污染的土壤上覆盖非污染土壤；换土法是部分或全部挖除土壤而换上非污染土壤。实践证明，这是治理农田重金属严重污染的切实有效的方法，在一般情况下，换土厚度越大，降低作物中重金属含量的效果越显著。•但是，采用客土法、换土法必须注意以下两点：一是作客土的非污染土壤的pH值等性质最好与原污染土壤相一致或接近，以免由于环境因素的改变而引起污染土壤中重金属活性的增大。比如，如果使用了酸性客土，可引起整个土壤酸性增强，使下层土壤中重金属元素的活性增大，对作物的毒性效应增强。因此，为了安全起见，原则上要使换土的厚度大于耕作层的厚度；另外，应妥善处理被挖出的污染土壤，使其不致引起二次污染。•2.水洗法•水洗法是采用清水灌溉稀释或洗去重金属离子，或使重金属离子迁移至深土层中，以减少表土中重金属离子的浓度。•3.淋洗法•淋洗法的原理是运用试剂和土壤中的重金属作用，形成溶解性重金属离子或金属-试剂络合物。最后从提取液中将重金属回收，提取液可循环利用。•采用表面活性剂作为重金属的去除试剂是在近年来开始研究和发展起来的新技术。应用EDTA络合剂去除土壤中的Cu、Ni、Cd、Zn，0.01mol/l浓度的EDTA能去除初始浓度为100-300mg/kg重金属的80%。(三)土壤重金属污染的生物修复•生物修复主要是利用天然存在的或特别培养的生物在可调控环境条件下将有毒污染物转化为无毒物质，或把污染物从一种介质转移到生物体内的处理技术。生物修复可以消除或减弱环境污染物的毒性，进而减少污染物对人类健康与生态系统的危害。•运用于土壤污染修复的生物修复方法以植物修复为主，属于自然生物修复类型。因此，土壤生物修复是利用各种天然生物过程而发展起来的一种现场处理各种环境污染的技术，具有处理费用低、对环境影响小、效率高等优点。•A.通过在污染土壤上种植木本植物、经济作物以及长年生长的野生植物，利用其对重金属的吸收、积累和耐性除去重金属。•B.利用生物化学、生物有效性和生物活性原则，把重金属转化为较低毒性产物（络合态、脱烷基、改变价态）；或利用重金属与微生物的亲和性以及生物学活性最佳时机，降低重金属的毒性和迁移能力。•1.植物修复技术•植物修复技术是以植物忍耐和超量积累某种或某些化学元素的理论为基础，利用植物及其共存微生物体系清除环境中污染物的一种污染治理方法。•广义的植物修复技术包括利用植物修复重金属污染土壤、利用植物净化空气、利用植物清除放射性核素和利用植物及其根系微生物共存体系净化土壤中有机污染物四个方面。•狭义的植物修复技术主要指利用植物生长吸收功能清除污染土壤中的重金属元素。•(1)植物修复技术种类•A通过植物作用改变重金属在土壤中的化学形态、使重金属固定，降低其在土壤中的移动性和生物可利用性；•B通过植物吸收、挥发及降解代谢达到对重金属的削减、净化和去除作用•根据其作用过程和机理，重金属污染土壤的植物修复技术可归纳为以下三种类型•A植物提取技术•B植物挥发技术•C植物固定技术•A植物提取技术•利用金属积累植物或超积累植物将土壤中的金属吸取出来，传输并富集到植物根部可吸收部位和植物地上的枝条部位，待植物收获后再进行处理。•现已发现对CdCoCuPbNiSeMnZn的超积累植物400余种，其中73%为Ni超积累植物。•思考：超积累植物用于植物修复应具有哪些特性？•根据美国能源部的标准，筛选超积累植物用于植物修复应具有以下几个特性:•a即使在污染物浓度较低时也有较高的积累速率•b能在体内积累高浓度的污染物•c能同时积累几种金属•d生长快，生物量大•e具有抗虫抗病能力•研究发现，使用土壤改良剂可以使超累积植物高产，使植物对金属积累的速率和水平提高。例如在土壤中加入铅螯合剂以后可增加芥菜对铅的吸收。近几年来，多个田间试验证明这种化学与植物综合技术是可行的。土壤改良剂EDTA可络合PbZnCuCd，使其在土壤中保持溶解状态，供植物利用。•B.植物挥发技术。•利用一些植物的功能来促进重金属转变为可挥发的形态，挥发出土壤和植物表面以减少土壤中重金属含量。植物将污染物吸收到体内后又将其转化为气态物质，释放到大气中。目前在这方面研究最多的是金属元素汞和非金属元素硒。•C.植物固定技术•植物固定是利用植物吸收和沉淀来固定土壤中的大量有毒金属，以降低其生物有效性并防止其进入地下水和食物链，从而减少污染物对环境和人类健康的污染风险。•在植物固定中植物有两种主要功能，第一为减少渗漏、防止金属污染物的迁移•第二是通过在根部的累积和沉淀对污染物进行固定，利用耐重金属植物或超累积植物降低重金属的活性，从而减少重金属被淋滤到地下水或通过大气扩散进一步污染环境的可能性。2.微生物修复技术•微生物在被污染土壤环境去毒方面具有独特作用，近年来微生物修复法已被用于进行土壤微生物改造或土壤生物改良，就地净化污染土壤。•微生物修复土壤要遵循三个原则•1.有利于污染物毒性降低•2.有利于污染物生物可利用性降低•3.有利于微生物活性增强二、土壤有机物污染的治理途径•土壤有机物污染的修复治理方法主要有化学法、生物法及化学与生物相结合的修复方法。有机污染物包括多氯联苯、多环芳烃、石油、杀虫剂、农药等。目前生物修复治理土壤有机污染的实例较多，主要可分为两类，一是原位生物处理技术，另一类是地上生物处理技术。•原位生物处理是向污染区域投放氮、磷营养物质或供氧，促进土壤中依靠有机物作为碳源的微生物的生长繁殖，或接种经驯化培养的高效微生物等，利用其代谢作用达到消耗有机物的目的。•地上处理法要求把污染的土壤挖出，集中起来进行生物降解。可以设计和安装各种过程控制器或生物反应器以形成生物降解的理想条件。•植物修复也可用于土壤有机物污染的清楚修复。植物修复有机污染有三种机制，第一种是直接吸收并在植物组织中积累非植物毒性的代谢物；第二种是释放促进生物化学反应的酶；第三种为强化根际的矿化作用。•1.植物可以吸收土壤中的有机物，并通过木质化作用在新的植物结构中储藏它们，也可以代谢或矿化，还可挥发。去毒作用可将原来的化学品转化为对植物无毒的代谢物如木质素等并储藏于植物细胞的不同部位。•2.植物根系释放到土壤中的酶可直接降解有关的有机物，使有机物降解得非常快。•3.植物根系可以通过释放大量的分泌物（糖类、醇类和酸类）等，加强根系微生物矿化有机污染物的速率。土壤污染植物修复技术存在的问题与发展趋势•在土壤污染的修复治理中，以植物修复最为重要。目前，全球范围的相关研究与实践正在不断推动着这种修复理论和技术应用的快速发展。•1.植物修复技术的优点•A.该技术成本较低，植物修复比物理化学处理的费用低几个数量级，并且在清理土壤重金属污染的同时，还可以清除污染土壤周围的大气或水体中的污染物，有美化环境作用，容易为社会所接受。•B.此外，植物修复重金属污染的过程也是土壤有机质含量和土壤肥力增加的过程，被植物修复过的干净农田更适合多种农作物的生长。•C.生物固化技术能使地表长期稳定，控制风蚀，水蚀，有利于生态环境改善。2.植物修复技术的局限性及影响因素•A.植物修复过程通常较为缓慢，对土壤肥力、气候、水分、盐度、酸碱度、排水与灌溉系统等条件和人为条件有一定的要求；•B.植物修复往往会受到土壤毒物毒性的限制，一种植物常常只是吸收一种或两种重金属，对土壤中其他浓度较高的重金属会表现出某些中毒症状，从而限制了植物修复技术在多种重金属污染土壤治理方面的应用；•C.用于清理重金属污染土壤的超积累植物通常都是矮小、生物量低、生长缓慢、生长周期较长的类型，因而修复效率低，不利于机械化作业；•D.用于清理重金属污染土壤的植物往往会通过器官腐烂、落叶等途径使重金属污染物重返土壤。因此，必须在植物落叶前收割并处理。•为了提高植物修复污染土壤的效率，在设计植物修复技术方案时必须考虑以下因素：•A.首先要了解受金属污染的土壤所处的地理、海拔条件，以便选择适合生长在该条件下的超积累植物种类进行污染土壤的植物修复；•B.对土壤的酸碱度、植物的耐盐度进行调查；•C.了解要治理土壤的含水量及水分供给状况；•D.掌握拟治理土壤的营养供给状况，以便拟定合适的施肥方案；•E.调查重金属污染土壤的污染状况，了解重金属的化学形态及植物可利用性，以便从土壤化学的角度采取相应的措施增加植物对重金属的吸收量。植物修复技术的发展趋势•植物修复技术是一项很有前途的新技术，不仅成本较低，而且具有良好的综合生态效应，特别适合在发展中国家适用。•目前，国内外许多研究者正在从事植物修复的理论研究和实际应用研究方面的工作，今后的发展趋势大致有如下几个方面：•A.寻找更多的野生超积累植物，并将它们应用于矿山复垦、改良重金属污染的土壤、净化污水和固化污染物。•B.建立更多的应用植物修复技术的示范性基地，获得经验后加以推广。目前我国一些部门和学者正在研发植物修复生态工程。如有的植物对Cr、Ni、As、Cd四种重金属的忍耐积累程度高于一般植物几十倍到上百倍，且生物量大，在短时间内通过根系吸收可去除农田中大量有毒物质，这一技术有较广