土壤重金屬污染及治理

1、 王婉倩王婉倩 111494127111494127前前 言言 隨著工業(yè)的大發(fā)展、城市化的擴大和農(nóng)用化學(xué)物質(zhì)隨著工業(yè)的大發(fā)展、城市化的擴大和農(nóng)用化學(xué)物質(zhì)使用種類、數(shù)量的不斷增加，重金屬大量進(jìn)入土壤環(huán)境。使用種類、數(shù)量的不斷增加，重金屬大量進(jìn)入土壤環(huán)境。重金屬具有不可降解性，對土壤造成的長期的污染，已重金屬具有不可降解性，對土壤造成的長期的污染，已經(jīng)成為現(xiàn)今危害最大的環(huán)境問題之一。土壤重金屬污染經(jīng)成為現(xiàn)今危害最大的環(huán)境問題之一。土壤重金屬污染具有污染物在土壤中移動性差、滯留時間長、不能被微具有污染物在土壤中移動性差、滯留時間長、不能被微生物降解的特點，并可經(jīng)水、植物等介質(zhì)最終影響人類生物降解的特

2、點，并可經(jīng)水、植物等介質(zhì)最終影響人類健康，嚴(yán)重危害人體健康。據(jù)估算，全國每年因重金屬健康，嚴(yán)重危害人體健康。據(jù)估算，全國每年因重金屬污染的糧食達(dá)污染的糧食達(dá)12001200萬噸，造成的直接經(jīng)濟(jì)損失超過萬噸，造成的直接經(jīng)濟(jì)損失超過200200億元。億元。一、什么是重金屬？一、什么是重金屬？重金屬：指密度大于重金屬：指密度大于5g/cm3的金屬，或在元素周期表金屬的金屬，或在元素周期表金屬欄內(nèi)原子量超過欄內(nèi)原子量超過40以上之金屬元素均稱為重金屬元素。以上之金屬元素均稱為重金屬元素。 環(huán)境污染重金屬：指鉛、鎘、鉻、汞和類金屬砷等生環(huán)境污染重金屬：指鉛、鎘、鉻、汞和類金屬砷等生物毒性顯著的重金屬。物

3、毒性顯著的重金屬。PbCdCrHgAs 土壤中重金屬的濃度受自然成土條件和人為活動的雙重影響。土壤中重金屬的濃度受自然成土條件和人為活動的雙重影響。自然來源自然來源 （1 1）成土母質(zhì)的風(fēng)化過程對土壤重金屬本底含量的影響）成土母質(zhì)的風(fēng)化過程對土壤重金屬本底含量的影響 （2 2）風(fēng)力和水力的自然物理和化學(xué)遷移過程）風(fēng)力和水力的自然物理和化學(xué)遷移過程人為干擾輸入人為干擾輸入 （1 1）不同工礦企業(yè)生產(chǎn)對土壤重金屬的額外輸入）不同工礦企業(yè)生產(chǎn)對土壤重金屬的額外輸入 （2 2）農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動影響下的土壤重金屬輸入）農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動影響下的土壤重金屬輸入 （3 3）交通運輸對土壤重金屬污染的影響）交通運輸對土

4、壤重金屬污染的影響 （一）土壤中重金屬污染來源（一）土壤中重金屬污染來源二、土壤重金屬污染來源及其危害二、土壤重金屬污染來源及其危害（二）幾種重金屬的危害（二）幾種重金屬的危害 1) 鉛（鉛（Pb） 鉛是人體惟一不需要的微量元素，它是一種鉛是人體惟一不需要的微量元素，它是一種穩(wěn)定的不可降解的污染物，在環(huán)境中可長期積累。主要來自穩(wěn)定的不可降解的污染物，在環(huán)境中可長期積累。主要來自于含鉛礦開采、含鉛汽油、蓄電池、顏料、釉彩、涂料、醫(yī)于含鉛礦開采、含鉛汽油、蓄電池、顏料、釉彩、涂料、醫(yī)藥、化學(xué)試劑等排放的三廢。鉛對植物根系生長顯著影響，藥、化學(xué)試劑等排放的三廢。鉛對植物根系生長顯著影響，致使植物染色

5、體和細(xì)胞核的畸變。鉛會嚴(yán)重破壞神經(jīng)系統(tǒng)，致使植物染色體和細(xì)胞核的畸變。鉛會嚴(yán)重破壞神經(jīng)系統(tǒng)，可導(dǎo)致血液病和腦病，使兒童智力下降，導(dǎo)致人乏力不想吃可導(dǎo)致血液病和腦病，使兒童智力下降，導(dǎo)致人乏力不想吃飯等。飯等。Pb中毒中毒 2) 鎘（鎘（Cd） 其主要污染源是電鍍、采礦、冶煉、染料、其主要污染源是電鍍、采礦、冶煉、染料、電池和化學(xué)工業(yè)等排放的廢水。電池和化學(xué)工業(yè)等排放的廢水。 在植物中過量的鎘，不僅在植物中過量的鎘，不僅能在植物體內(nèi)殘留，而且也會影響植物對磷鉀的吸收，致使能在植物體內(nèi)殘留，而且也會影響植物對磷鉀的吸收，致使生長緩慢，植株矮小，根系受到抑制，造成生物障礙，降低生長緩慢，植株矮小，根

6、系受到抑制，造成生物障礙，降低產(chǎn)量，在高濃度鎘的毒害下發(fā)生死亡。鎘對人體可產(chǎn)生毒性產(chǎn)量，在高濃度鎘的毒害下發(fā)生死亡。鎘對人體可產(chǎn)生毒性效應(yīng)，長期攝入微量鎘，引起骨痛病等。效應(yīng)，長期攝入微量鎘，引起骨痛病等。鎘中毒鎘中毒 3)汞（汞（Hg）汞是一種劇毒非必需元素，廣泛存在于各類汞是一種劇毒非必需元素，廣泛存在于各類環(huán)境介質(zhì)和食物鏈（尤其是魚類）中，其蹤跡遍布全球各個環(huán)境介質(zhì)和食物鏈（尤其是魚類）中，其蹤跡遍布全球各個角落。角落。 其污染來自工業(yè)污染、農(nóng)業(yè)污染及某些自然因素如其污染來自工業(yè)污染、農(nóng)業(yè)污染及某些自然因素如火山作用等。慢性汞中毒的表現(xiàn)有：頭痛、頭暈、惡心、嘔火山作用等。慢性汞中毒的表現(xiàn)

7、有：頭痛、頭暈、惡心、嘔吐、腹痛、腹瀉、乏力、全身酸痛、寒戰(zhàn)、發(fā)熱（吐、腹痛、腹瀉、乏力、全身酸痛、寒戰(zhàn)、發(fā)熱（3839），嚴(yán)重者情緒激動、煩躁不安、失眠甚至抽搐、昏迷），嚴(yán)重者情緒激動、煩躁不安、失眠甚至抽搐、昏迷或精神失常?；蚓袷С?。 皮膚上出現(xiàn)紅色斑丘疹皮膚上出現(xiàn)紅色斑丘疹 ，全身淋巴結(jié)腫大等。，全身淋巴結(jié)腫大等。Hg中毒中毒 4) 鉻（鉻（Cr）主要的污染源有煉鋼廠、鉻礦、電鍍、合金、主要的污染源有煉鋼廠、鉻礦、電鍍、合金、油漆等排放的三廢。金屬鉻無毒性，三價鉻有毒，六價鉻毒油漆等排放的三廢。金屬鉻無毒性，三價鉻有毒，六價鉻毒性更大，還有腐蝕性。對皮膚和黏膜表現(xiàn)為強烈的刺激和腐性更大

8、，還有腐蝕性。對皮膚和黏膜表現(xiàn)為強烈的刺激和腐蝕作用，對全身還有毒性作用。鉻對種子萌發(fā)、植物生長也蝕作用，對全身還有毒性作用。鉻對種子萌發(fā)、植物生長也產(chǎn)生毒害作用。產(chǎn)生毒害作用。Cr中毒中毒 5) 砷（砷（As）砷，是廣泛分布于自然界的非金屬元素。砷，是廣泛分布于自然界的非金屬元素。 其污染源：有色金屬開采和冶煉，土法煉砷，含砷農(nóng)藥、磷其污染源：有色金屬開采和冶煉，土法煉砷，含砷農(nóng)藥、磷肥、煤等。單質(zhì)砷無毒性，砷化合物均有毒性。三價砷比五肥、煤等。單質(zhì)砷無毒性，砷化合物均有毒性。三價砷比五價砷毒性大，約為價砷毒性大，約為60倍；有機砷與無機砷毒性相似。低濃度倍；有機砷與無機砷毒性相似。低濃度的

9、砷對植物生長有刺激作用。當(dāng)植株攝入過量砷時，就會受的砷對植物生長有刺激作用。當(dāng)植株攝入過量砷時，就會受害。致使植物的生長發(fā)育受到顯著抑制。在長期食用含無機害。致使植物的生長發(fā)育受到顯著抑制。在長期食用含無機砷的藥物、水以及工作場所暴露砷的人的研究中常常會發(fā)現(xiàn)砷的藥物、水以及工作場所暴露砷的人的研究中常常會發(fā)現(xiàn)皮膚癌。皮膚癌。 砷中毒砷中毒三、主要重金屬離子在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化三、主要重金屬離子在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化鉛鉛(Pb)土壤中鉛主要以土壤中鉛主要以Pb(OH)2 、PbCO3和和PbSO4固體形式存在，固體形式存在，土壤溶液中可溶性鉛含量極低土壤溶液中可溶性鉛含量極低;Pb2+可置換黏土礦物上

10、吸附的可置換黏土礦物上吸附的Ca2+，在土壤中很少移動。，在土壤中很少移動。土壤的土壤的pH值增加，使鉛的可溶性和移動性降低，影響植物值增加，使鉛的可溶性和移動性降低，影響植物對鉛的吸收。對鉛的吸收。大氣中的鉛一部分經(jīng)雨水淋洗進(jìn)入土壤，一部分落在葉面上，大氣中的鉛一部分經(jīng)雨水淋洗進(jìn)入土壤，一部分落在葉面上，可通過張開的氣孔進(jìn)人葉內(nèi)?？赏ㄟ^張開的氣孔進(jìn)人葉內(nèi)。鎘鎘(Cd)鎘一般在土壤表層鎘一般在土壤表層015cm處累積，而處累積，而15 cm以下含量顯著以下含量顯著減少。減少。在土壤中，鎘主要以在土壤中，鎘主要以CdCO3、Cd3(PO4)2及及Cd(OH)2的形態(tài)的形態(tài)存在，其中以存在，其中以

11、CdCO3為主。為主。土壤對鎘的吸附率在土壤對鎘的吸附率在8095之間。之間。鎘在植物各部分的分布：鎘在植物各部分的分布：根根葉葉枝的稈皮枝的稈皮花、果、籽粒。花、果、籽粒。汞汞(Hg)汞進(jìn)入土壤后，汞進(jìn)入土壤后，95以上能迅速被土壤吸附或固定，因此汞以上能迅速被土壤吸附或固定，因此汞也容易在表層累積。也容易在表層累積。植物能直接通過根系吸收汞，汞化合物可能是在土壤中先轉(zhuǎn)植物能直接通過根系吸收汞，汞化合物可能是在土壤中先轉(zhuǎn)化為金屬汞或甲基汞后才被植物吸收。化為金屬汞或甲基汞后才被植物吸收。植物吸收和積累汞的順序：植物吸收和積累汞的順序：揮發(fā)性高、溶解度大揮發(fā)性高、溶解度大 的汞化合物容易被植物

12、吸收。的汞化合物容易被植物吸收。氧化甲基汞氧化甲基汞氯化乙基汞氯化乙基汞氯化汞氯化汞氧化汞氧化汞硫化汞硫化汞汞在植物各部分的分布：根汞在植物各部分的分布：根莖、葉莖、葉籽粒。籽粒。鉻鉻(Cr)鉻是動物和人必需的元素，但高濃度時對植物有害。鉻是動物和人必需的元素，但高濃度時對植物有害。土壤中三價鉻和六價鉻之間能夠相互轉(zhuǎn)化。土壤中三價鉻和六價鉻之間能夠相互轉(zhuǎn)化。土壤中鉻主要以土壤中鉻主要以Cr()存在，進(jìn)人土壤后，存在，進(jìn)人土壤后，90以上迅速以上迅速被土壤吸附固定，在土壤中難以再遷移。被土壤吸附固定，在土壤中難以再遷移。土壤對土壤對Cr()的吸附固定能力較低的吸附固定能力較低(8.5%36.2%

13、)砷砷(As)植物吸收植物吸收As的難易的難易水溶性砷水溶性砷吸附性砷吸附性砷難溶性砷。難溶性砷。環(huán)境的環(huán)境的pH值、值、pE值對土壤中溶解態(tài)、吸附態(tài)和難溶態(tài)砷的值對土壤中溶解態(tài)、吸附態(tài)和難溶態(tài)砷的相對含量以及砷的遷移能力有很大影響。一般相對含量以及砷的遷移能力有很大影響。一般pH值升高，可值升高，可顯著增加砷的溶解度。顯著增加砷的溶解度。水溶性砷和吸附性砷水溶性砷和吸附性砷(總稱為可溶性砷總稱為可溶性砷)，是可被植物吸收利，是可被植物吸收利用的部分。用的部分。水稻含砷量分布順序：稻根水稻含砷量分布順序：稻根莖葉莖葉谷殼谷殼糙米糙米四、土壤重金屬污染修復(fù)技術(shù)四、土壤重金屬污染修復(fù)技術(shù) 由于土壤

14、重金屬污染具有隱蔽性、表聚性、長期性及不由于土壤重金屬污染具有隱蔽性、表聚性、長期性及不可逆性，且可經(jīng)由水環(huán)境直接毒害植物體，并可最終通過食可逆性，且可經(jīng)由水環(huán)境直接毒害植物體，并可最終通過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。目前，綜合國內(nèi)外各種研究，修復(fù)措施主要有得極為迫切。目前，綜合國內(nèi)外各種研究，修復(fù)措施主要有四種：四種： 工程措施工程措施 物理化學(xué)修復(fù)物理化學(xué)修復(fù) 生物修復(fù)生物修復(fù) 農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)( (一）工程措施一）工程措施 主要包括主要包括客土客土、換土換土和和深耕翻土深耕翻土等措施。深耕翻

15、土用等措施。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)的常見方法。工程措施是比較經(jīng)典的土壤重金屬污染治理措施，見方法。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，但實施工程量大、投資費用高，它具有徹底、穩(wěn)定的優(yōu)點，但實施工程量大、投資費用高，破壞土體結(jié)構(gòu)，引起土壤肥力下降，并且還要對換出的污破壞土體結(jié)構(gòu)，引起土壤肥力下降，并且還要對換出的污土進(jìn)行堆放或處理。土進(jìn)行堆放或處理。（二）（二） 物理化學(xué)修復(fù)物理化學(xué)修復(fù)A A 電動修復(fù)電動修復(fù) 污染土壤污染土壤通電流通電流金屬離子等向電極運輸金屬離子等向電極運輸集

16、中收集處理集中收集處理達(dá)到治污目的達(dá)到治污目的 電動修復(fù)是一種原位修復(fù)技術(shù)，不攪動土層，并可電動修復(fù)是一種原位修復(fù)技術(shù)，不攪動土層，并可以縮短修復(fù)時間，是一種經(jīng)濟(jì)可行的修復(fù)技術(shù)。以縮短修復(fù)時間，是一種經(jīng)濟(jì)可行的修復(fù)技術(shù)。B B 電熱修復(fù)電熱修復(fù) 污染土壤污染土壤高頻電壓產(chǎn)生電磁波高頻電壓產(chǎn)生電磁波熱能熱能對土壤加熱對土壤加熱污染物從土中解吸污染物從土中解吸揮發(fā)性重金屬分離揮發(fā)性重金屬分離達(dá)到修復(fù)目的達(dá)到修復(fù)目的熔化土壤冷卻后形成玻璃態(tài)物質(zhì)冷卻后形成玻璃態(tài)物質(zhì)C C 土壤淋洗土壤淋洗 污染土壤污染土壤淋洗液淋洗淋洗液淋洗土壤固相中重金屬土壤固相中重金屬土壤液相中土壤液相中將液相回收處理將液相回收

17、處理達(dá)到修復(fù)目的達(dá)到修復(fù)目的D D 化學(xué)修復(fù)化學(xué)修復(fù) 污染土壤污染土壤加入改良劑加入改良劑降低重金屬生物有效性降低重金屬生物有效性達(dá)到修復(fù)目的達(dá)到修復(fù)目的（三）生物修復(fù)（三）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。主要包含金屬毒性。主要包含植物修復(fù)技術(shù)植物修復(fù)技術(shù)與與微生物修復(fù)技術(shù)微生物修復(fù)技術(shù)兩種方法。兩種方法。1 1、植物修復(fù)技術(shù)、植物修復(fù)技術(shù)(phytoremediation)(phytoremediation) 是以植物忍耐和超積累

18、某種或某些污染物的理論為基礎(chǔ)，是以植物忍耐和超積累某種或某些污染物的理論為基礎(chǔ)，利用自然生長或遺傳工程培育的植物，清除環(huán)境中污染物利用自然生長或遺傳工程培育的植物，清除環(huán)境中污染物的環(huán)境污染治理技術(shù)。包括的環(huán)境污染治理技術(shù)。包括植物提取植物提取、植物揮發(fā)植物揮發(fā)、植物穩(wěn)植物穩(wěn)定定三種方式三種方式 。 植物提取植物提取(phytoextraction)(phytoextraction) 即利用重金屬即利用重金屬超積累植物超積累植物從土壤中吸取金屬污染物，從土壤中吸取金屬污染物，隨后隨后收割地上部分收割地上部分并進(jìn)行集中處理，連續(xù)種植該植物，達(dá)并進(jìn)行集中處理，連續(xù)種植該植物，達(dá)到降低或去除土壤重金

19、屬污染的目的。到降低或去除土壤重金屬污染的目的。植物揮發(fā)植物揮發(fā)(phytovolatilization) 其機理是利用植物其機理是利用植物根系吸收根系吸收重金屬，將其轉(zhuǎn)化為重金屬，將其轉(zhuǎn)化為氣態(tài)氣態(tài)物質(zhì)物質(zhì)揮發(fā)到大氣中，以降低土壤污染。目前研究較多的是揮發(fā)到大氣中，以降低土壤污染。目前研究較多的是HgHg和和SeSe。植物穩(wěn)定植物穩(wěn)定(phytostabilization) 利用一些植物來促進(jìn)重金屬轉(zhuǎn)變?yōu)槔靡恍┲参飦泶龠M(jìn)重金屬轉(zhuǎn)變?yōu)榈投拘孕螒B(tài)低毒性形態(tài)的過程。的過程。在這一過程中，土壤的重金屬含量并不減少，只是在這一過程中，土壤的重金屬含量并不減少，只是形態(tài)發(fā)形態(tài)發(fā)生變化生變化。 總結(jié)總結(jié)

20、優(yōu)點優(yōu)點 與傳統(tǒng)的修復(fù)技術(shù)相比與傳統(tǒng)的修復(fù)技術(shù)相比, , 植物修復(fù)是一種植物修復(fù)是一種容易接受容易接受、成本成本低低、技術(shù)要求低技術(shù)要求低的修復(fù)方法的修復(fù)方法, , 它可應(yīng)用于空氣、地表水、地它可應(yīng)用于空氣、地表水、地下水、土壤中污染物的修復(fù)。下水、土壤中污染物的修復(fù)?？偨Y(jié)總結(jié)缺點缺點 要求植株具有要求植株具有高的生物量高的生物量；對污染物的；對污染物的耐受性要高耐受性要高; ; 受植受植物物根系分布的限制根系分布的限制; ; 受受氣候、土質(zhì)氣候、土質(zhì)等的影響等的影響; ; 清除污染物所清除污染物所需的需的時間長時間長; ; 轉(zhuǎn)基因技術(shù)轉(zhuǎn)基因技術(shù)的應(yīng)用可能會造成潛在的環(huán)境污染的應(yīng)用可能會造成潛在的環(huán)境污染等。等。幾種吸附土壤重金屬的植物幾種吸附土壤重金屬的植物小花南芥：修復(fù)小花南芥：修復(fù)PbPb、ZnZn復(fù)合污染復(fù)合污染 蜈蚣草：修復(fù)蜈蚣草：修復(fù)AsAs污染污染 東南景天：修復(fù)東南景天：修復(fù)CdCd、PbPb、ZnZn、CuCu復(fù)合污染復(fù)合污染 花葵：修復(fù)花葵：修復(fù)CdCd污染污染油菜油菜: :修復(fù)修復(fù)CdCd污染污染 微生物在修復(fù)被重金屬污染的土壤方面具有獨特微生物在修復(fù)被重金屬污染的土壤方面具有獨特的作用。其主要作用原理是：微生物可以降低土壤中的作用。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；微生物重金