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土壤重金屬污染現(xiàn)狀及其治理方法

來源:北京盛盈科技發(fā)展有限公司   2014年10月21日 16:56  

土壤重金屬污染現(xiàn)狀及其治理方法

摘要 隨著社會的快速發(fā)展,,土壤重金屬污染日益嚴重。針對此,,涌現(xiàn)了許多修復技術,,而生物修復前景廣闊,,正日益受到重視,。

關鍵詞 土壤重金屬污染 生物修復 超積累植物

Abstract: With the rapid development of the society, the heavy metal pollution of the soil is growing worse and worse. Facing this situation, there have been many repairing technologies. The Bioremediation has a broad prospect and is at a premium.

Keywords: heavy metal pollution of the soil,;Bioremediation,; hyper accumulator

現(xiàn)代工農業(yè)等快速發(fā)展的同時,,土壤重金屬污染的形勢也越來越嚴峻。其治理方法很多,,而生物修復以其*的優(yōu)勢正受到關注,,應用前景廣闊。但生物修復仍存在許多問題待解決,,如超積累植物吸收重金屬的機理還未研究清楚,。所有這些,都阻礙了生物修復的大規(guī)模應用,。

土壤重金屬污染是指土壤中重金屬過量累積引起的污染,。污染土壤的重金屬包括生物毒性顯著的元素如CdPb,、Hg,、CrAs,,以及有一定毒性的元素如Cu,、ZnNi,。這類污染范圍廣,、持續(xù)時間長、污染隱蔽,、無法被生物降解,,將導致土壤退化,農作物產量和質量下降,,并通過徑流,、淋失作用污染地表水和地下水。過量重金屬將對植物生理功能產生不良影響,,使其營養(yǎng)失調,。汞、砷能抑制土壤中硝化,、氨化細菌活動,,阻礙氮素供應。重金屬可通過食物鏈富集并生成毒性更強的甲基化合物,毒害食物鏈生物,,zui終在人體內積累,,危害人類健康。

1現(xiàn)狀

1.1國內

國家*抽樣監(jiān)測30萬公頃基本農田保護區(qū)土壤,,發(fā)現(xiàn)有3.6萬公頃土壤重金屬超標,,超標率達12.1%

據*消息,,目前全國耕地面積的10%以上已受重金屬污染,,約有1.5億畝,污水灌溉污染耕地3250萬畝,,固體廢棄物堆積占地和毀田200萬畝,,其中多數(shù)集中在經濟相對發(fā)達地區(qū)。

據我國*調查數(shù)據,,在全國約140萬公頃的污灌區(qū)中,,受重金屬污染的土地面積占污灌區(qū)面積的64.8%,其中輕度污染46.7%,,中度污染9.7%,,嚴重污染8.4%

華南部分城市50%的耕地遭受鎘,、砷,、汞等有毒重金屬污染;長三角地區(qū)有些城市大片農田受多種重金屬污染,, 10%的土壤基本喪失生產力,。

   2005年,長三角等地土壤重金屬污染嚴重的情況,,曾見諸報端,,并引發(fā)輿論普遍關注和爭議。土壤污染立法迫在眉睫,。  

對浙北,、浙東和浙中的236.5萬公頃農用地調查發(fā)現(xiàn),不適合種農作物的農用地面積為47.2萬公頃,,占20%,;浙北、浙中,、浙東沿海三個區(qū)域中,,屬輕度、中度與重度重金屬污染的面積分別占38.12%,、9.04%,、1.61%,,城郊傳統(tǒng)的蔬菜基地、部分基本農田都受到了較嚴重的影響,。

第九屆亞太煙草和健康大會中一項名為《中國銷售的香煙:設計,、煙度排放與重金屬》的研究報告稱:13個中國品牌國產香煙中鉛、砷,、鎘等重金屬成分含量嚴重超標,,其含量zui高超過拿大產香煙3倍以上! 

20098月,,陜西鳳翔縣發(fā)現(xiàn)大量兒童血鉛含量嚴重超標,,后確認是附近的陜西東嶺冶煉公司的鉛排放所導致。

1.2國外

英國早期開采煤炭,、鐵礦,、銅礦下的土壤重金屬污染經過300年依然存在,。19961999年間,,英格蘭和威爾士嘗試挖出污染土壤并移至別處,但并未根本解決問題,。從20世紀中葉開始,,英國陸續(xù)制定相關的污染控制和管理的法律法規(guī),并進行土壤改良劑和場地污染修復研究,。

日本的土地重金屬污染在上世紀六七十年代非常嚴重,。其經濟的快速增長導致了全國各地出現(xiàn)許多嚴重環(huán)境污染事件,被稱為四大公害的痛痛病,、水俁病,、第二水俁病、四日市病,,就有三起和重金屬污染有關,。

荷蘭在工業(yè)化初期土地污染問題嚴重。從20世紀80年代中期開始,,加強土壤的環(huán)境管理,,完善了土壤環(huán)境管理的法律及相關標準。國土面積4.15萬平方公里的荷蘭每年要花費4億歐元修復1500—2000個場地,,預計到2015年基本能修復全部污染土壤,。

1.3

工業(yè)、城市污染的加劇,,農用化學物質種類,、數(shù)量的增加,使得土壤重金屬污染日益嚴重,。據調查,,*平均每年排放約1.5萬噸Hg,, 340萬噸Cu 500萬噸Pb,,1500萬噸Mn100萬噸Ni,。

2來源與分布

2.1大氣沉降

能源、運輸,、冶金和建筑材料生產等產生的含有重金屬的氣體和粉塵進入大氣,,通過自然沉降和降水進人土壤。據估計*每年約有1600噸的汞通過化石燃料燃燒排放到大氣中,。含鉛汽油的燃燒和汽車輪胎磨損產生的粉塵對大氣和土壤造成Pb,、ZnCd,、Cr,、Cu等污染。例如比利時每年從大氣進入土壤的重金屬每公頃就有Pb 250g,、Cd 19g,、As 15gZn 3750g,。

2.2污水

未經處理的工礦企業(yè)污水排人下水道與生活污水混合,,造成污灌區(qū)土壤重金屬HgCd,、Cr,、PbCd等的含量逐年增加,。如淮陽污灌區(qū)土壤Hg,、CaCr,、Pb,、As等重金屬1995年已超過警戒線,其它灌區(qū)部分重金屬含量也遠遠超過當?shù)乇尘爸怠?SPAN>

2.3固體廢棄物

工礦業(yè)固體廢棄物堆放或處理過程中,,由于日曬,、雨淋、水洗重金屬極易移動,,以輻射狀,、漏斗狀向周圍土壤、水體擴散,。沈陽冶煉廠冶煉鋅產生的礦渣主要含Zn,、Cd1971年開始堆放在一個洼地場所,,目前已擴散到離堆放場700米以外的范圍,。武漢市垃圾堆放場,,杭州鉻渣堆放區(qū)附近土壤中重金屬CdHg,、Cr,、 CuZn,、Pb,、As等的含量均高于當?shù)赝寥辣尘爸怠?SPAN>

有一些固體廢棄物被作為肥料施入土壤,造成土壤重金屬污染,。磷石膏是化肥工業(yè)廢物,,含有一定量的正磷酸以及不同形態(tài)的含磷化合物,并可改良酸性土壤,,因而被大量施入土壤,,造成了土壤中Cr Pb,、Mn,、As含量增加。磷鋼渣作為磷源施入土壤,,造成土壤中Cr累積,。

2.4農用物資

農藥、化肥和地膜長期不合理施用,,導致土壤重金屬污染。殺真菌農藥含有CuZn,,被大量地施用于果樹和溫室作物,,造成土壤CuZn累積達到有毒的濃度,。如在莫爾達維亞,,葡萄生長季節(jié)要噴512次波爾多液或類似的制劑,導致每年約有60008000噸的銅被施入土壤,。

近年來,,地膜的大面積推廣使用,不僅造成了土壤的白色污染,,而且地膜生產過程中加入了含Cd,、Pb的熱穩(wěn)定劑,增加了土壤重金屬污染,。

3土壤重金屬污染修復技術

3.1工程措施

主要包括客土,、換土和深耕翻土等措施。輕度污染的土壤用深耕翻土,,重污染區(qū)常用客土和換土法,。工程措施治理土壤重金屬污染*,、穩(wěn)定,但工程量大,、投資費用高,,破壞土體結構,引起土壤肥力下降,,并且還要對換出的污土進行堆放或處理,。

3.2物理修復

3.2.1電動修復

通過電流使土壤中的重金屬離子(PbCd,、Cr,、Zn)和無機離子以電透滲和電遷移的方式向電極運輸,再集中收集處理,。該方法適用于低滲透的粘土和淤泥土,,可以控制污染物的流動方向。在沙土上的實驗,,土壤中Pb2+,、Cr3+等重金屬離子的除去率也可達90%以上。電動修復不攪動土層,,修復時間短,,是一種經濟可行的原位修復技術。

3.2.2電熱修復

利用高頻電壓產生的電磁波對土壤進行加熱,,使污染物從土壤顆粒內解吸出來,,加快一些易揮發(fā)性重金屬從土壤中分離,從而達到修復的目的,。該技術可以修復被HgSe等重金屬污染的土壤,。

3.2.3土壤淋洗

利用淋洗液把土壤固相中的重金屬轉移到土壤液相中去,再把富含重金屬的廢水進一步回收處理,。該技術要求尋找一種既能提取各種形態(tài)的重金屬,,又不破壞土壤結構的淋洗液。目前用于淋洗土壤的淋洗液,,包括有機或無機酸,、堿、鹽和螯合劑,。

3.3化學修復

化學修復就是向土壤投入改良劑,,將重金屬吸附、氧化還原,、拮抗或沉淀,,降低重金屬的生物有效性。常用改良劑有石灰,、沸石,、碳酸鈣,、磷酸鹽、硅酸鹽和促進還原作用的有機物質,,不同改良劑對重金屬的作用機理不同,。化學修復簡單易行,,但它只改變了重金屬在土壤中的存在形態(tài),,金屬元素仍保留在土壤中,容易再度活化危害植物,。

3.4生物修復

生物修復是利用生物削減,、凈化土壤中的重金屬或降低重金屬毒性。該方法效果好,,易于操作,,受到人們的重視,日益成為修復污染土壤研究的熱點,。

3.4.1 植物修復技術

是一種利用自然界存在或人工培養(yǎng)的植物修復重金屬污染土壤的技術,,分為植物提取、植物揮發(fā)和植物穩(wěn)定三種,。植物提取是依靠重金屬超積累植物從土壤中吸取重金屬離子,,接著收割地上部分并進行處理。連續(xù)種植該植物,,可有效降低或去除土壤重金屬,。目前已發(fā)現(xiàn)700多種超積累重金屬植物。植物揮發(fā)是依靠植物根系吸收重金屬,,將其轉化為氣態(tài)物質揮發(fā)到大氣中,。目前研究zui多的是HgSe。植物穩(wěn)定是依靠耐重金屬植物或超累積植物降低重金屬的活性,,防止重金屬被淋洗到地下水或擴散至空氣中。其機理是讓金屬在根部積累,、沉淀或被根表吸收,,以達到固化的目的。

3.4.2 微生物修復技術

微生物可降低土壤中重金屬的毒性,;吸附積累重金屬,;改變根際微環(huán)境,達到提高植物對重金屬的吸收,,揮發(fā)或固定效率的目的,。如動膠菌、藍細菌,、硫酸還原菌及某些藻類,,能夠產生胞外聚合物與重金屬離子結合成絡合物,;Macaskie等分離的檸檬酸菌可分解有機質生成HPO2-4Cd形成 CdHPO4沉淀;國內研究人員發(fā)現(xiàn)有些微生物能把劇毒的甲基汞降解為毒性小,、可揮發(fā)的單質Hg,。

3.5農業(yè)生態(tài)修復

農業(yè)生態(tài)修復包括農藝修復和生態(tài)修復。前者改變耕作制度,,調整作物品種,,種植不進入食物鏈的植物,選擇能降低土壤重金屬污染的化肥,,或增施能夠固定重金屬的有機肥等來降低土壤重金屬污染,;后者調節(jié)土壤水分、養(yǎng)分,、pH值和土壤氧化還原狀況及氣溫,、濕度等生態(tài)因素,調控污染物所處環(huán)境介質,。但該技術修復周期長,,效果不明顯。

4重金屬污染土壤生物修復的主要機理   

4.1植物修復機理

植物根通過吸收和吸附作用在根部富集大量污染物質,從而固定污染物,。土壤受重金屬污染后,植物會不同程度地從根際圈內吸收重金屬,吸收數(shù)量受植物根系生理功能及根際圈內微生物群落組成,、pH、氧化-還原電位,、重金屬種類和濃度以及土壤的理化性質等因素影響,其吸收機理是主動吸收還是被動吸收尚不清楚,。根還可以合成多種氨基酸、植物堿,、有機氮和有機磷等,,并向周圍土壤中分泌有機酸、糖類物質,、氨基酸和維生素等有機物,,不同程度地限制根際圈內污染物質的移動和生物有效性,減輕重金屬對植物的毒害。例如,各種有機物(包括有機酸)與重金屬絡合后可減弱重金屬的活度,,降低其毒性,。

4.2微生物修復機理

菌根植物的根系通過根面上菌絲與根際圈內的重金屬接觸從而對重金屬產生吸收、屏障和螯合等直接作用,。

4.3超積累植物(Hyperaccumulator)及其篩選   

超積累一般要求金屬離子在植物中的含量大于0.1%~1%(干重),;當達到這個標準時,回收植物組織中的金屬才具有經濟性,。超積累植物一般要求其重金屬含量大于一個臨界值(表1),。不同重金屬有超積累作用的植物種的分布也是分布不均勻的。表2和表3列舉了幾種金屬的超積累植物和數(shù)。

1重金屬在土壤普通植物中的平均濃度及其在超累積植物中的臨界標準(mg/kg)  

重金屬元素  

土壤中含量

普通植物中含量 

超累積植物臨界標準

Cd

 

 

100

Co

10

1

1000

Cr

60

1

1000

Mn

850

80

1000

Ca

20

10

1000

Ni

40

2

1000

Pb

10

5

1000

2某些已知超累積植物地上部分的金屬含量mg/kg

金屬

超累積植物

含量

Cd

天藍遏藍菜(Thlaspi caerulescens

1800

Cu

高山甘薯(Ipomoea alpina

12300

Co

Haumaniasturm robetii

10200

Pb

圓葉遏藍菜(T. rotundifolium

8200

Mn

粗脈葉澳洲堅果Macadamia neurophylla

51800

Ni

九節(jié)木屬(P.douarrei)

47500

Zn

天藍遏藍菜(T. caerulescens

51600

3已報道的金屬超積累植物 (Baker,2003)

金屬

金屬濃度標準

(以干重計,地上部分)%

種類

科數(shù)

Sb

>0.1

2

2

As

>0.1

2

2

Cd

>0.01

1

1

Co

>0.1

28

11

Cu

>0.1

37

15

Pb

>0.1

15

6

Ni

>0.1

317

37

Se

>0.1

17

7

Tl

>0.1

1

1

Mg

>1.0

9

5

Zn

>1.0

11

5

 

 

5土壤重金屬污染修復技術研究展望

工程措施,、物理修復和化學修復重金屬污染土壤,,缺點多,大規(guī)模處理污染土壤不現(xiàn)實,,并且會破壞土壤結構,,降低生物活性,使土壤肥力退化,。而農業(yè)生態(tài)措施又周期長,,效果不明顯。生物修復以其性,,良好的社會,、生態(tài)綜合效益而被大眾接受,應用前景廣闊,。以下幾點將成為未來研究的熱點,。

5.1超累積植物篩選與培育

超累積植物一般生長緩慢,生物量低,,環(huán)境適應能力差,,且只能吸收一種重金屬。因此,,篩選與培育吸收能力強,,吸收重金屬種類多,且生物量大的植物是生物修復的一個重點,。

5.2基因工程技術的應用

將篩選與培育出的超累積植物和微生物基因導入生物量大,、生長速度快、適應性好的植物中去已經實現(xiàn),,所以,,利用基因工程技術提高植物修復能力將取得突破性進展。

5.3生物修復綜合技術的研究

重金屬污染土壤的修復是一個整體性的工程,,需要多種修復技術,。植物修復加上化學、微生物及農業(yè)生態(tài)措施,,增加重金屬的生物有效性,,促進植物的生長和吸收,能更好地提高土壤重金屬修復的效率,。因此,生物修復綜合技術前景廣闊,。

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