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幾種措施：控制和消除外排污染源、土壤改造和植物修復(fù)法、農(nóng)藥微生物降解等。對于不同的污染物，在實際工作中常常采用不同的治理措施。哪一種措施是最重要的？切斷污染源是削減、消除土壤污染的有效措施。盡可能避免工礦企業(yè)重金屬與有害有機污染物等各類污染物的任意排放，盡量避免其輸入土壤環(huán)境，是防止土壤環(huán)境遭受污染的最根本性的也是最重要的原則。主要包括：控制含有重金屬有害氣體和粉塵的超標(biāo)排放；嚴(yán)格執(zhí)行污灌水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和控制污水超標(biāo)排放；控制污泥、垃圾等固體廢棄物的排放和使用；發(fā)展清潔工藝。一、土壤重金屬污染的治理途徑（一）土壤重金屬污染的調(diào)控措施目前，治理土壤重金屬污染的途徑主要有兩種，一種是改變重金屬在土壤中的存在形態(tài)，使其固定，降低其在環(huán)境中的遷移能力和生物可利用性；另一種方法是從土壤中去除重金屬。圍繞這兩種治理途徑，已有相應(yīng)的一些有關(guān)物理、化學(xué)和生物治理方法提出。思考：你所了解的治理土壤重金屬污染具體方法有哪些？1.施用改良劑該方法要以了解重金屬的特征及其在土壤中的活動為前提，這一點對于研究能使作物減少吸收重金屬的方法來說，是極為重要的。(1)調(diào)節(jié)土壤pH值和施用石灰一般來說，提高pH值可降低許多物質(zhì)的溶解度，但對有的元素存在相反情況。如Cu、Cr和Mo等的情況，因此，需要視具體情況決定。(2)土壤中增施有機物質(zhì)向土壤施入有機物質(zhì)被視為是提高土壤肥力的方法。加入的有機物可促使土壤溶液中的重金屬離子形成絡(luò)合物、螯合物，增大土壤對重金屬離子的吸附能力，從而減輕重金屬對作物的危害。另外，向土壤中施加促進還原作用的有機物，可促使重金屬以硫化物形式沉淀，可使某些元素的毒性降低。(如Cr6+轉(zhuǎn)化為Cr3+)(3)化學(xué)沉淀和吸附促使土壤中重金屬形成難溶性鹽，可使大多數(shù)重金屬的植物毒性顯著降低。例如，土壤中增施易溶性正磷酸化合物，在提高土壤磷含量、改善土壤肥力狀況的同時，可使土壤中某些重金屬呈難溶性的磷酸鹽沉淀。例如鉛、鐵、錳、鉻、鋅、鎘等的磷酸鹽通常都是難溶鹽，在水田條件下，土壤中的鎘可以磷酸鎘的形式沉淀。土壤遭受嚴(yán)重污染時，特別是重金屬與砷復(fù)合污染時，施加磷酸鹽對消除或減輕土壤重金屬的危害程度有重要意義。2.調(diào)節(jié)土壤的氧化還原電位(Eh值)土壤的Eh值在很大程度上控制著水田土壤中重金屬的行為。而土壤Eh值與土壤水分狀況有密切關(guān)系，因而可以通過調(diào)節(jié)土壤水分來控制土壤中重金屬的某些行為。例如，生長在氧化條件下（不淹水）的水稻，含鎘量比生長在還原條件下（淹水）的高得多。我國學(xué)者對水稻抽穗一周后不同土壤Eh值條件下的糙米含鎘量進行了測定，氧化還原電位416mV時糙米含鎘量為168mV時的12.5倍。在濕潤和淹水條件下種植水稻，濕潤條件下根的含鎘量為淹水條件下的2倍、莖葉的5倍，糙米為6倍。(二)土壤重金屬污染的工程治理措施土壤重金屬污染的主要工程治理措施有：客土法、換土法、水洗法、電動力學(xué)法、熱解吸法。1.客土法、換土法客土法是在被污染的土壤上覆蓋非污染土壤；換土法是部分或全部挖除土壤而換上非污染土壤。實踐證明，這是治理農(nóng)田重金屬嚴(yán)重污染的切實有效的方法，在一般情況下，換土厚度越大，降低作物中重金屬含量的效果越顯著。但是，采用客土法、換土法必須注意以下兩點：一是作客土的非污染土壤的pH值等性質(zhì)最好與原污染土壤相一致或接近，以免由于環(huán)境因素的改變而引起污染土壤中重金屬活性的增大。比如，如果使用了酸性客土，可引起整個土壤酸性增強，使下層土壤中重金屬元素的活性增大，對作物的毒性效應(yīng)增強。因此，為了安全起見，原則上要使換土的厚度大于耕作層的厚度；另外，應(yīng)妥善處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釋或洗去重金屬離子，或使重金屬離子遷移至深土層中，以減少表土中重金屬離子的濃度。3.淋洗法淋洗法的原理是運用試劑和土壤中的重金屬作用，形成溶解性重金屬離子或金屬-試劑絡(luò)合物。最后從提取液中將重金屬回收，提取液可循環(huán)利用。采用表面活性劑作為重金屬的去除試劑是在近年來開始研究和發(fā)展起來的新技術(shù)。應(yīng)用EDTA絡(luò)合劑去除土壤中的Cu、Ni、Cd、Zn，0.01mol/l濃度的EDTA能去除初始濃度為100-300mg/kg重金屬的80%。(三)土壤重金屬污染的生物修復(fù)生物修復(fù)主要是利用天然存在的或特別培養(yǎng)的生物在可調(diào)控環(huán)境條件下將有毒污染物轉(zhuǎn)化為無毒物質(zhì)，或把污染物從一種介質(zhì)轉(zhuǎn)移到生物體內(nèi)的處理技術(shù)。生物修復(fù)可以消除或減弱環(huán)境污染物的毒性，進而減少污染物對人類健康與生態(tài)系統(tǒng)的危害。運用于土壤污染修復(fù)的生物修復(fù)方法以植物修復(fù)為主，屬于自然生物修復(fù)類型。因此，土壤生物修復(fù)是利用各種天然生物過程而發(fā)展起來的一種現(xiàn)場處理各種環(huán)境污染的技術(shù)，具有處理費用低、對環(huán)境影響小、效率高等優(yōu)點。A.通過在污染土壤上種植木本植物、經(jīng)濟作物以及長年生長的野生植物，利用其對重金屬的吸收、積累和耐性除去重金屬。B.利用生物化學(xué)、生物有效性和生物活性原則，把重金屬轉(zhuǎn)化為較低毒性產(chǎn)物（絡(luò)合態(tài)、脫烷基、改變價態(tài)）；或利用重金屬與微生物的親和性以及生物學(xué)活性最佳時機，降低重金屬的毒性和遷移能力。1.植物修復(fù)技術(shù)植物修復(fù)技術(shù)是以植物忍耐和超量積累某種或某些化學(xué)元素的理論為基礎(chǔ)，利用植物及其共存微生物體系清除環(huán)境中污染物的一種污染治理方法。廣義的植物修復(fù)技術(shù)包括利用植物修復(fù)重金屬污染土壤、利用植物凈化空氣、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體系凈化土壤中有機污染物四個方面。狹義的植物修復(fù)技術(shù)主要指利用植物生長吸收功能清除污染土壤中的重金屬元素。(1)植物修復(fù)技術(shù)種類A通過植物作用改變重金屬在土壤中的化學(xué)形態(tài)、使重金屬固定，降低其在土壤中的移動性和生物可利用性；B通過植物吸收、揮發(fā)及降解代謝達到對重金屬的削減、凈化和去除作用根據(jù)其作用過程和機理，重金屬污染土壤的植物修復(fù)技術(shù)可歸納為以下三種類型A植物提取技術(shù)B植物揮發(fā)技術(shù)C植物固定技術(shù)A植物提取技術(shù)利用金屬積累植物或超積累植物將土壤中的金屬吸取出來，傳輸并富集到植物根部可吸收部位和植物地上的枝條部位，待植物收獲后再進行處理?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)對CdCoCuPbNiSeMnZn的超積累植物400余種，其中73%為Ni超積累植物。思考：超積累植物用于植物修復(fù)應(yīng)具有哪些特性？根據(jù)美國能源部的標(biāo)準(zhǔn)，篩選超積累植物用于植物修復(fù)應(yīng)具有以下幾個特性:a即使在污染物濃度較低時也有較高的積累速率b能在體內(nèi)積累高濃度的污染物c能同時積累幾種金屬d生長快，生物量大e具有抗蟲抗病能力研究發(fā)現(xiàn)，使用土壤改良劑可以使超累積植物高產(chǎn)，使植物對金屬積累的速率和水平提高。例如在土壤中加入鉛螯合劑以后可增加芥菜對鉛的吸收。近幾年來，多個田間試驗證明這種化學(xué)與植物綜合技術(shù)是可行的。土壤改良劑EDTA可絡(luò)合PbZnCuCd，使其在土壤中保持溶解狀態(tài)，供植物利用。B.植物揮發(fā)技術(shù)。利用一些植物的功能來促進重金屬轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓳]發(fā)的形態(tài)，揮發(fā)出土壤和植物表面以減少土壤中重金屬含量。植物將污染物吸收到體內(nèi)后又將其轉(zhuǎn)化為氣態(tài)物質(zhì)，釋放到大氣中。目前在這方面研究最多的是金屬元素汞和非金屬元素硒。C.植物固定技術(shù)植物固定是利用植物吸收和沉淀來固定土壤中的大量有毒金屬，以降低其生物有效性并防止其進入地下水和食物鏈，從而減少污染物對環(huán)境和人類健康的污染風(fēng)險。在植物固定中植物有兩種主要功能，第一為減少滲漏、防止金屬污染物的遷移第二是通過在根部的累積和沉淀對污染物進行固定，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濾到地下水或通過大氣擴散進一步污染環(huán)境的可能性。2.微生物修復(fù)技術(shù)微生物在被污染土壤環(huán)境去毒方面具有獨特作用，近年來微生物修復(fù)法已被用于進行土壤微生物改造或土壤生物改良，就地凈化污染土壤。微生物修復(fù)土壤要遵循三個原則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強二、土壤有機物污染的治理途徑土壤有機物污染的修復(fù)治理方法主要有化學(xué)法、生物法及化學(xué)與生物相結(jié)合的修復(fù)方法。有機污染物包括多氯聯(lián)苯、多環(huán)芳烴、石油、殺蟲劑、農(nóng)藥等。目前生物修復(fù)治理土壤有機污染的實例較多，主要可分為兩類，一是原位生物處理技術(shù)，另一類是地上生物處理技術(shù)。原位生物處理是向污染區(qū)域投放氮、磷營養(yǎng)物質(zhì)或供氧，促進土壤中依靠有機物作為碳源的微生物的生長繁殖，或接種經(jīng)馴化培養(yǎng)的高效微生物等，利用其代謝作用達到消耗有機物的目的。地上處理法要求把污染的土壤挖出，集中起來進行生物降解?？梢栽O(shè)計和安裝各種過程控制器或生物反應(yīng)器以形成生物降解的理想條件。植物修復(fù)也可用于土壤有機物污染的清楚修復(fù)。植物修復(fù)有機污染有三種機制，第一種是直接吸收并在植物組織中積累非植物毒性的代謝物；第二種是釋放促進生物化學(xué)反應(yīng)的酶；第三種為強化根際的礦化作用。1.植物可以吸收土壤中的有機物，并通過木質(zhì)化作用在新的植物結(jié)構(gòu)中儲藏它們，也可以代謝或礦化，還可揮發(fā)。去毒作用可將原來的化學(xué)品轉(zhuǎn)化為對植物無毒的代謝物如木質(zhì)素等并儲藏于植物細胞的不同部位。2.植物根系釋放到土壤中的酶可直接降解有關(guān)的有機物，使有機物降解得非?？臁?.植物根系可以通過釋放大量的分泌物（糖類、醇類和酸類）等，加強根系微生物礦化有機污染物的速率。土壤污染植物修復(fù)技術(shù)存在的問題與發(fā)展趨勢在土壤污染的修復(fù)治理中，以植物修復(fù)最為重要。目前，全球范圍的相關(guān)研究與實踐正在不斷推動著這種修復(fù)理論和技術(shù)應(yīng)用的快速發(fā)展。1.植物修復(fù)技術(shù)的優(yōu)點A.該技術(shù)成本較低，植物修復(fù)比物理化學(xué)處理的費用低幾個數(shù)量級，并且在清理土壤重金屬污染的同時，還可以清除污染土壤周圍的大氣或水體中的污染物，有美化環(huán)境作用，容易為社會所接受。B.此外，植物修復(fù)重金屬污染的過程也是土壤有機質(zhì)含量和土壤肥力增加的過程，被植物修復(fù)過的干凈農(nóng)田更適合多種農(nóng)作物的生長。C.生物固化技術(shù)能使地表長期穩(wěn)定，控制風(fēng)蝕，水蝕，有利于生態(tài)環(huán)境改善。2.植物修復(fù)技術(shù)的局限性及影響因素A.植物修復(fù)過程通常較為緩慢，對土壤肥力、氣候、水分、鹽度、酸堿度、排水與灌溉系統(tǒng)等條件和人為條件有一定的要求；B.植物修復(fù)往往會受到土壤毒物毒性的限制，一種植物常常只是吸收一種或兩種重金屬，對土壤中其他濃度較高的重金屬會表現(xiàn)出某些中毒癥狀，從而限制了植物修復(fù)技術(shù)在多種重金屬污染土壤治理方面的應(yīng)用；C.用于清理重金屬污染土壤的超積累植物通常都是矮小、生物量低、生長緩慢、生長周期較長的類型，因而修復(fù)效率低，不利于機械化作業(yè)；D.用于清理重金屬污染土壤的植物往往會通過器官腐爛、落葉等途徑使重金屬污染物重返土壤。因此，必須在植物落葉前收割并處理。為了提高植物修復(fù)污染土壤的效率，在設(shè)計植物修復(fù)技術(shù)方案時必須考慮以下因素：A.首先要了解受金屬污染的土壤所處的地理、海拔條件，以便選擇適合生長在該條件下的超積累植物種類進行污染土壤的植物修復(fù)；B.對土壤的酸堿度、植物的耐鹽度進行調(diào)查；C.了解要治理土壤的含水量及水分供給狀況；D.掌握擬治理土壤的營養(yǎng)供給狀況，以便擬定合適的施肥方案；E.調(diào)查重金屬污染土壤的污染狀況，了解重金屬的化學(xué)形態(tài)及植物可利用性，以便從土壤化學(xué)的角度采取相應(yīng)的措施增加植物對重金屬的吸收量。植物修復(fù)技術(shù)的發(fā)展趨勢植物修復(fù)技術(shù)是一項很有前途的新技術(shù)，不僅成本較低，而且具有良好的綜合生態(tài)效應(yīng)，特別適合在發(fā)展中國家適用。目前，國內(nèi)外許多研究者正在從事植物修復(fù)的理論研究和實際應(yīng)用研究方面的工作，今后的發(fā)展趨勢大致有如下幾個方面：A.尋找更多的野生超積累植物，并將它們應(yīng)用于礦山復(fù)墾、改良重金屬污染的土壤、凈化污水和固化污染物。B.建立更多的應(yīng)用植物修復(fù)技術(shù)的示范性基地，獲得經(jīng)驗后加以推廣。目前我國一些部門和學(xué)者正在研發(fā)植物修復(fù)生態(tài)工程。如有的植物對Cr、Ni、As、Cd四種重金屬的忍耐積累程度高于一般植物幾十倍到上百倍，且生物量大，在短時間內(nèi)通過根系吸收可去除農(nóng)田中大量有毒物質(zhì)，這一技術(shù)有較廣闊的應(yīng)用前景。C.在應(yīng)用研究的同時，開展理論研究，包括植物機體中重金屬的存在形態(tài)研究、植物積累或超量積累金屬的機理研究、土壤環(huán)境學(xué)和土壤化學(xué)關(guān)于對增加植物吸收重金屬可利用性的控制機理研究等。D.耐重金屬和超積累植