砷污染土地的植物修復(fù)設(shè)計(jì)

1、環(huán)境工程設(shè)計(jì)題目： 砷污染土地的植物修復(fù)設(shè)計(jì)姓名： 張廈 班級(jí)： 環(huán)境0902學(xué)號(hào)： 200948270201 指導(dǎo)教師： 李立平2012年12月9日1背景1.1 砷污染現(xiàn)狀 砷是自然界普遍存在的元素。在正常情況下,砷處于自然循環(huán)的平衡之中,由于人類普遍利用砷,造成了砷在環(huán)境中的積累,從而危害動(dòng)植物,甚至威脅到人類的健康,這種狀況就是通常所說(shuō)的砷污染。在廣西、云南、湖南等一些受到重金屬污染區(qū)的土地上，原本正常生長(zhǎng)的農(nóng)作物會(huì)被超標(biāo)的重金屬毒死，人們難覓蔬菜和糧食的蹤影。因礦產(chǎn)資源采掘不當(dāng)而使廢棄采礦地大量裸露，并通過(guò)水流等途徑污染農(nóng)田，造成土壤中的重金屬含量嚴(yán)重超標(biāo)，直接影響到農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)

2、，威脅人類健康。1.2 土壤砷污染治理現(xiàn)狀世界上曾發(fā)生多次砷中毒事件,因此含砷化合物污染和防治已日益引起人們的普遍關(guān)注近20年來(lái),隨著植物修復(fù)技術(shù)不斷發(fā)展,植物修復(fù)技術(shù)已被廣泛地應(yīng)用于重金屬污染土壤的修復(fù)。植物修復(fù)方法主要有植物穩(wěn)定，植物提取，植物揮發(fā)。植物揮發(fā)其機(jī)理是利用植物根系吸收金屬，將其轉(zhuǎn)化為氣態(tài)物質(zhì)揮發(fā)到大氣中，以降低土壤污染。植物固定利用耐重金屬植物或超累積植物降低重金屬的活性，從而減少重金屬被淋洗到地下水或通過(guò)空氣擴(kuò)散進(jìn)一步污染環(huán)境的可能性。植物提取 (Phytoextraction)是目前研究最多，最有發(fā)展前景的方法。通過(guò)利用超富集植物根系吸收污染土壤中的砷并運(yùn)移至植物地上部，

3、通過(guò)收割地上部物質(zhì)帶走土壤中砷，降低其土壤砷的含量，達(dá)到對(duì)土壤砷污染的治理目的。1.3 土壤砷污染治理所遇到的問(wèn)題對(duì)于砷污染來(lái)說(shuō)，已有的植物修復(fù)的技術(shù)主要是植物提取，但是利用植物提取需要選擇出或誘導(dǎo)出超富集植物，再者，如何利用富集植物使砷污染修復(fù)效率以及經(jīng)濟(jì)效率綜合最高，操作的便宜程度等都需要精心設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)旨在解決以下問(wèn)題：通過(guò)選擇最佳的超富集植物，利用影響修復(fù)效率的因素使達(dá)到修復(fù)效率、經(jīng)濟(jì)效率綜合最優(yōu)，對(duì)刈割后的植物后處理 等給出實(shí)際的可行的治理方案。2項(xiàng)目區(qū)現(xiàn)狀項(xiàng)目區(qū)位于湖南郴州市新額橋砷礦區(qū)附近廢棄耕田（旱地），該地屬中亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候。氣候特點(diǎn)，氣候受季風(fēng)交替影響，春早多變，夏熱期

4、長(zhǎng)，秋短溫涼，冬無(wú)嚴(yán)寒，熱量豐富，雨水不勻。年平均氣溫18.3，1月平均氣溫7.1，7月平均氣溫28.1。年平均日照數(shù)為1603.1小時(shí)。年平均降水量1600毫米。無(wú)霜期292天。郴州土壤略偏堿;有機(jī)質(zhì)總體上較豐富,平均為42.30 g/kg,高于湖南省平均值;土壤全氮和堿解氮含量較高;全磷含量平均為0.93 g/kg,速效磷在土壤中的分布極不均衡,適宜范圍1020 mg/kg的土壤樣品只占20.84%;土壤全鉀及速效鉀含量偏低,由南到北, 由西到東呈逐漸增加的趨勢(shì)。土壤普遍缺硼,有91.28%的土壤樣品低于缺硼臨界值0.30 mg/kg，項(xiàng)目區(qū)面積100×100見圖1。平均砷含量3

5、00mg/kg。 圖1新額橋礦區(qū)簡(jiǎn)圖3設(shè)計(jì)原則本設(shè)計(jì)主要通過(guò)以下原則進(jìn)行設(shè)計(jì)：3.1 選擇最優(yōu)的超積累植物 根據(jù)土壤與超級(jí)類植物的相互適應(yīng)，應(yīng)選用積累量大又適宜在該土壤生長(zhǎng)的植物。3.2 采用蜈蚣草的最佳種植密度 合理的耕作，種植密度的安排影響植物的生長(zhǎng)，因此科學(xué)的種植密度將有利于植物的生長(zhǎng)，提高其生物量，加快污染物的去除。3.3 化肥的最佳選擇和使用量最佳及方法簡(jiǎn)便 根據(jù)土壤化學(xué)原理，化學(xué)肥料能顯著的影響重金屬元素的遷移轉(zhuǎn)化。在連續(xù)種植的土壤上容易缺乏養(yǎng)分，因此適當(dāng)?shù)氖┯梅柿喜粌H能使植物正常生長(zhǎng)還能促進(jìn)超積累植物對(duì)重金屬的吸收。3.4 采用對(duì)蜈蚣草的最佳刈割次數(shù)以提高修復(fù)效率 若不及時(shí)收割，

6、則落葉枯枝等重新進(jìn)入土壤，使修復(fù)變成無(wú)效功。若收割次數(shù)過(guò)頻繁于則影響超積累植物的正常生長(zhǎng)以及其修復(fù)效率。等進(jìn)行設(shè)計(jì)，旨在達(dá)到砷污染治理的效率、經(jīng)濟(jì)最優(yōu)化。4設(shè)計(jì)目標(biāo)及方法總述：經(jīng)過(guò)蜈蚣草的植物提取、對(duì)蜈蚣草的刈割、帶走，最終土壤砷含量應(yīng)達(dá)到二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)30mg/kg。第一年之后土壤砷含量應(yīng)達(dá)到：300*(1-8%)=276 mg/kg方法：利用超富集植物蜈蚣草的植物提取作用，從土壤中吸收砷元素，并不斷的對(duì)蜈蚣草進(jìn)行刈割、帶走，從而達(dá)到治理目的。4.1 植物選擇陳同斌、韋朝陽(yáng)1 3等在湖南省發(fā)現(xiàn)了兩種能超富集砷植物,蜈蚣草(Pterisvittata)和大葉井口邊草(PteriscreticaL.)

7、 ，不但富集砷，耐砷毒能力也極強(qiáng)。由于蜈蚣草已經(jīng)較大范圍的的應(yīng)用到實(shí)際，故這里選用蜈蚣草進(jìn)行砷污染治理。具有生物量大、生長(zhǎng)快和抗病蟲害能力強(qiáng)的特點(diǎn)。蜈蚣草是侏羅紀(jì)時(shí)代的一種古老的多年生蕨類植物，根系非常發(fā)達(dá)，一年內(nèi)可刈割多次，治理成本非常低。蜈蚣草葉片富集砷達(dá)0.5%，為普通植物的數(shù)十萬(wàn)倍；能夠生長(zhǎng)在0.15-3%的污染土壤和礦渣上，具有極強(qiáng)的耐砷毒能力；其地上部與根的含砷比率為5：1，顯示其具有超常的從土壤中吸收富集砷的能力1 3。蜈蚣草生物量大，富集砷能力強(qiáng)，每年去除土壤砷的效率為8%左右1 3。4.2蜈蚣草的種植密度已有研究表明：蜈蚣草是一種適宜于密植的草本植物，具有通過(guò)提高栽培密度來(lái)提

8、高其地上部生物產(chǎn)量的潛力；同時(shí)蜈蚣草密植有利于促使其吸收的砷向地上部富集，從而有利于進(jìn)一步提高其對(duì)砷污染土壤的修復(fù)能力；綜合考慮修復(fù)過(guò)程中的收獲方式、經(jīng)濟(jì)成本與可操作性，選擇種植密度20cm×20cm為蜈蚣草的最佳栽培密度4。43化肥的最佳選擇和使用量與水稻和小麥相比,蜈蚣草對(duì)氮、磷和鉀的吸收量都較低,但如果在連續(xù)種植過(guò)程中不施肥,蜈蚣草則可能會(huì)出現(xiàn)養(yǎng)分虧缺問(wèn)題。地上部帶走的總氮、總磷和總鉀量分別為2389、4.413.0和2169kg.hm-2.a-1 5 。通過(guò)田間試驗(yàn)研究施用磷肥對(duì)砷超富集植物蜈蚣草(PterisvittataL.)生長(zhǎng)和砷污染土壤修復(fù)效率的影響，結(jié)果表明,適量

9、施用磷肥促進(jìn)蜈蚣草的生長(zhǎng),顯著提高其生物量,但過(guò)量施用磷肥對(duì)植物產(chǎn)量無(wú)貢獻(xiàn).隨著磷肥施用量的增加,蜈蚣草地上部砷含量呈先增加后減少的趨勢(shì),理論上在施磷量為340kg·hm-2時(shí),砷含量可達(dá)最高(1622mg·kg-1).磷的含量與施磷量呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系。理論上達(dá)到最大土壤修復(fù)效率所需施磷量為369kg·hm-26。施用磷肥可以維持土壤有效態(tài)砷含量在蜈蚣草種植前后變化不大,保證蜈蚣草下個(gè)生育期對(duì)砷的吸收。這些結(jié)果說(shuō)明施用磷肥是蜈蚣草等砷超富集植物在現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)中的必要手段,優(yōu)化施磷技術(shù)可大大提高砷污染土壤的修復(fù)效率.已有研究表明磷肥能一定程度上提高砷超富集植物的修復(fù)

10、能力，但不同的磷肥對(duì)其砷的去除效率的影響可達(dá)數(shù)倍之差，磷酸二氫鈣是首選磷肥類型7。以礦區(qū)土壤實(shí)際試驗(yàn)一年蜈蚣草的砷綜合去除效率達(dá)到8%84.4 確定蜈蚣草的刈割次數(shù)以提高修復(fù)效率以野生苗移栽的蜈蚣草為試材, 通過(guò)盆栽試驗(yàn)結(jié)果表明:在3 次收獲中, 隨著收獲次數(shù)的增加, 不同砷濃度處理之間蜈蚣草生物量的差異逐步縮小; 不加砷的對(duì)照處理中, 每次收獲后的砷吸收速率下降趨勢(shì), 而在3 個(gè)加砷處理中, 第2 次收獲和第3 次收獲的蜈蚣草的吸砷速率為63 75g (p lant·d)、44 55g (p lant·d) , 均顯著高于第1 次收獲時(shí)的吸收速率。表明多次收獲并沒有降低砷

11、的積累速度。由此可見, 通過(guò)適當(dāng)增加蜈蚣草的收獲次數(shù)是提高砷修復(fù)效率的一種策略。根據(jù)試驗(yàn)，一個(gè)生長(zhǎng)周期刈割三次為宜9。5 物料計(jì)算5.1 項(xiàng)目區(qū)面積100×1005.2 全磷含量平均為0.93 g/kg，通過(guò)田間試驗(yàn)研究施用磷肥對(duì)砷超富集植物蜈蚣草(PterisvittataL.)生長(zhǎng)和砷污染土壤修復(fù)效率的影響，結(jié)果表明,適量施用磷肥促進(jìn)蜈蚣草的生長(zhǎng),顯著提高其生物量,但過(guò)量施用磷肥對(duì)植物產(chǎn)量無(wú)貢獻(xiàn).隨著磷肥施用量的增加,蜈蚣草地上部砷含量呈先增加后減少的趨勢(shì),理論上在施磷量為340kg·hm-2時(shí),砷含量可達(dá)最高(1622mg·kg-1).磷的含量與施磷量呈極顯

12、著的正相關(guān)關(guān)系。理論上達(dá)到最大土壤修復(fù)效率所需施磷量為369kg·hm-210。故所需施磷量為369kg·hm-2每年所需袋數(shù)n=369÷25=14.76,按15袋計(jì)算5.3根據(jù)實(shí)驗(yàn)蜈蚣草的神去除效率達(dá)到最大10%，綜合年修復(fù)效率8%11故蜈蚣草的砷去除效率按8%/每年計(jì)算5.4保證鉀肥基本不變，按一個(gè)生長(zhǎng)周期收割的生物量所帶走的鉀施用2169kg.hm-2.a-112，鉀肥使用量按(21+69)/2 =45 kg.hm-2.a-15.5 肥料的有效深度按20cm計(jì)算，保證土壤硼的含量在0.5mg/kg, 用它和土壤容重的數(shù)據(jù)可以計(jì)算出土壤總孔隙度，計(jì)算時(shí)通常采用

13、平均密度值2.65Mg/m3 13 。1hm土壤所需硼肥：(0.5-0.3)×10-6×20×10-2 m×（100×100）m2×2.65 Mg/m3×1000 =1.06kg5.6 平均砷含量300mg/kg，二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)30mg/kg去除年限的的計(jì)算：300 ×（1 8%）n = 30得到n = 12年5.7 蜈蚣草植株育苗量（100÷0.2）2=250000株5.8 表2 物料表*均按一年計(jì)算所需序號(hào)物料名稱規(guī)格單位數(shù)量1磷酸二氫鈣10 25Kg/袋15 2腐植酸鉀（KHm）11 25kg/袋2 3&

14、#160;都樂(lè)硼12 15g×300包/桶 2.334*1012 均來(lái)自武漢立美生物科技有限公司磷酸二氫鈣：有效成分含量:52% |，總養(yǎng)分含量:52 ， 總氮含量:12 ，有效磷含量:10施用方法：全年腐植酸鉀（KHm）：主要成分:腐植酸 ，含量:45，黑色。施用方法：全年都樂(lè)硼：硼含量：（%） 形狀：粉末 施用方法：全年6實(shí)施步驟6.1 5月6月份前土地翻耕并種前施用肥料，施用方法：每年施用三次，每次按三分之一的量。6.2 進(jìn)行蜈蚣草的分株繁殖：全年均可進(jìn)行，以56月為好，也可以直接購(gòu)買目標(biāo)量幼苗，進(jìn)行栽種。6.3 根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行除草、肥水管理、防病等6.4 于十月份

15、進(jìn)行第一次刈割，收割的蜈蚣草通過(guò)砷的固定劑安全焚燒（交由相關(guān)人員負(fù)責(zé)）并進(jìn)行植物樣品中砷的測(cè)定。6.5 冬季進(jìn)行蓋膜防凍措施。6.6 根據(jù)蜈蚣草的長(zhǎng)勢(shì)進(jìn)行第二次刈割并做安全燃燒，并進(jìn)行植物樣品中砷的測(cè)定。6.7 第二年5月6月間進(jìn)行第三次刈割并進(jìn)行安全燃燒，并進(jìn)行植物樣品中砷的測(cè)定。6.8 參照第一年治理，進(jìn)行以后11年的治理，最終達(dá)到預(yù)期目標(biāo)7流程圖流程圖見圖2 圖2修復(fù)流程8實(shí)施效果經(jīng)過(guò)第一年的治理，植物樣品中砷的測(cè)定根據(jù)陳同斌等介紹的方法: 樣品總砷采用HNO32HClO 4 消解, 氫化物發(fā)生2原子熒光光譜儀(海光A FS22202) 測(cè)定。分析中所用試劑均為優(yōu)級(jí)純, 同時(shí)采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)

16、參比物質(zhì)(GBW 208501) 進(jìn)行分析的質(zhì)量控制, 分析誤差均控制在允許的誤差范圍。得到砷去除率在9.1%，完全達(dá)到并超過(guò)預(yù)期。9結(jié)語(yǔ) 修復(fù)后：有效解決了當(dāng)?shù)貒?yán)重的土壤及農(nóng)產(chǎn)品重金屬污染超標(biāo)問(wèn)題，提高了礦區(qū)復(fù)墾土地的利用率，保障了人民的安全健康。土壤重金屬的污染不容忽視，但也不能夸大，一定要實(shí)事求是，因?yàn)橛行┑胤降奈廴就寥朗强梢孕迯?fù)的。盡管超量積累植物在治理重金屬污染土壤方面具有很大的潛力，但在實(shí)際中存在一些問(wèn)題：如自然界中的超量積累植物不僅種屬稀少，而且往往有地域分布的局限性。此外，多數(shù)超累積植物往往存在生物量小、生長(zhǎng)緩慢、氣候環(huán)境適應(yīng)性差等問(wèn)題。因而，尋找篩選和栽培馴化自然界中存在的超

17、累積植物，使其能適用于實(shí)際應(yīng)用，仍然是當(dāng)前植物修復(fù)研究的一項(xiàng)重要任務(wù)。參考文獻(xiàn) 1 廖曉勇, 陳同斌, 肖細(xì)元, 等. 污染農(nóng)田土壤中砷含量的空間變異特征. 地理研究, 2003, 22(5): 635643. 2 廖曉勇, 陳同斌, 謝華, 等. 磷肥對(duì)砷污染土壤的植物修復(fù)效率的影響: 田間實(shí)例研究. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2004, 24(3): 455462. 3 Chen T B, W ei C Y. A method to remediate arsenic contam inated so ils. Ch ina Patent No. CN 01120519. 9. 2001. 4 Ch

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