第十二章土壤污染與修復(fù)(共67張課件)

第十二章土壤污染與修復(fù)第1頁，共67頁。我國遭受不同程度污染的農(nóng)田已達(dá)2500萬hm2，其中受農(nóng)藥污染的有1500萬hm2，受污水灌溉、垃圾及其他固體廢棄物（尾礦等）污染的有700萬~800萬hm2，其它如廢氣、酸雨、石油等污染的達(dá)300萬~400萬hm2；我國單位耕地面積化肥用量為世界平均用量的2.9倍；在我國北方地區(qū),14個縣市的69個點位的調(diào)查表明,37個點位的地下水NO3-含量已高達(dá)50mg/L；1994年，我國農(nóng)藥的施用量已超過2.2×105t，占世界農(nóng)藥總產(chǎn)量的十分之一；每年受重金屬污染的糧食達(dá)1200萬t，直接經(jīng)濟(jì)損失超過200億元。并非危言聳聽：第2頁，共67頁。研究發(fā)現(xiàn):施用的農(nóng)藥有20%-70%長期殘留在土壤中。殘留農(nóng)藥對土壤中的硝化細(xì)菌、根瘤菌和根際微生物影響較大。其他如：

由于高交通量造成的道路兩旁土壤環(huán)境的多環(huán)芳烴及鉛污染；城市污水的農(nóng)業(yè)利用及城市垃圾、有毒廢棄物的堆放、處置帶來的重金屬及其他有毒物污染。第3頁，共67頁。我國的土壤污染形勢局部地區(qū)有所改善,但總體形勢比較嚴(yán)峻。防治土壤污染，保護(hù)土壤資源，維持生態(tài)平衡，保護(hù)人類健康?！殉蔀橥怀龅娜騿栴}。第4頁，共67頁。第一節(jié)土壤污染的概念第5頁，共67頁。一、土壤背景值

土壤背景值在理論上應(yīng)該是土壤在自然成土過程中，構(gòu)成土壤自身的化學(xué)元素的組成和含量。即未受人類活動影響的土壤本身的化學(xué)元素組成和含量。即嚴(yán)格按照土壤背景值研究方法所獲得的盡可能不受或少受人類活動影響的土壤化學(xué)元素的原始含量。第6頁，共67頁。（一）土壤背景值的獲得獲得接近自然土壤化學(xué)元素含量的真值很難，確定土壤背景值是一項難度很高的基礎(chǔ)性研究；各國都很重視土壤背景值的研究，我國于1990年出版了《中國土壤元素背景值》；必須建立一個完善的工作系統(tǒng)。第7頁，共67頁。（二）土壤背景值的應(yīng)用1、農(nóng)田施肥；2、土壤污染評價；3、土壤環(huán)境容量；4、環(huán)境醫(yī)學(xué)和食品衛(wèi)生；第8頁，共67頁。二、土壤自凈作用

土壤自凈是指進(jìn)入土壤的污染物，在土壤礦物質(zhì)、有機質(zhì)和土壤微生物的作用下，經(jīng)過一系列的物理、化學(xué)及生物化學(xué)反應(yīng)過程，降低其濃度或改變其形態(tài)，從而消除污染物毒性的現(xiàn)象。物理自凈化學(xué)和物理化學(xué)自凈生物化學(xué)自凈第9頁，共67頁。三、土壤環(huán)境容量（一）環(huán)境容量環(huán)境容量指的是在一定條件下環(huán)境對污染物最大容納量。最早來源于“人口承載力”的研究。第10頁，共67頁。（二）土壤環(huán)境容量1、土壤環(huán)境容量的概念土壤環(huán)境容量被定義為：“土壤環(huán)境單元一定時限內(nèi)遵循環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，既保證農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和生物學(xué)質(zhì)量、同時也不使環(huán)境污染時，土壤所能允許承納的污染物的最大數(shù)量或負(fù)荷量”。第11頁，共67頁。第12頁，共67頁。元素表12-2我國主要土壤重金屬臨界含量（mg/kg）土壤CdPbAsCr黑土1.4253042298灰鈣土2.3030025110黃棕壤0.305865199磚紅壤0.632434580赤紅壤0.462873845紅壤0.5634547104潮土0.6436635104紫色土（中性）0.7443011110第13頁，共67頁。土壤環(huán)境容量的數(shù)學(xué)模型是土壤生態(tài)系統(tǒng)與其邊界環(huán)境中諸參數(shù)構(gòu)成的定量關(guān)系，用以表達(dá)土壤環(huán)境容量范疇的客觀規(guī)律。

當(dāng)土壤環(huán)境容量標(biāo)準(zhǔn)確定后，可由下式獲得土壤的靜容量：

Cso=M(Ci-Cbi)式中：Cso為土壤靜容量；M為耕層土重；Ci為i元素的土壤環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)；Cbi為i元素的土壤背景值。2、土壤環(huán)境容量的數(shù)學(xué)模型第14頁，共67頁。根據(jù)物質(zhì)平衡方程推導(dǎo)的年輸入量：Q=[(QT-Q0KT)(1-K)+2Z(1-KT)]/[K(1-KT)]當(dāng)QT等于土壤環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)時，Q即為一定年限內(nèi)土壤容許的重金屬年輸入量，即土壤的年變動容量；當(dāng)Q0等于土壤背景值時，Q為一定年限內(nèi)土壤容許的重金屬最大年輸入量或最大年變動容量。

在一定年限內(nèi)土壤容許輸入的總量為Q總=n.Q土壤變動容量第15頁，共67頁。由人類的活動向土壤添加有害物質(zhì)，此時土壤即受到了污染。另一種是以特定的參照數(shù)據(jù)來加以判斷的，如以土壤背景值加二倍標(biāo)準(zhǔn)差為臨界值，如超過此值，則認(rèn)為該土壤已被污染。第三種定義是不但要看含量的增加，還要看后果，即當(dāng)加入土壤的污染物超過土壤的自凈能力，或污染物在土壤中積累量超過土壤基準(zhǔn)量，而給生態(tài)系統(tǒng)造成了危害，此時才能被稱為污染。四、土壤污染的概念第16頁，共67頁。近20年來，國際土壤學(xué)界十分注重從環(huán)境和健康的角度開拓土壤科學(xué)新的領(lǐng)域，土壤質(zhì)量成為現(xiàn)代土壤學(xué)發(fā)展的前沿和研究熱點。土壤質(zhì)量：綜合表征土壤維持生產(chǎn)力、凈化環(huán)境以及保障動植物健康能力的量度。主要包括3個方面：土壤肥力質(zhì)量—土壤提供植物養(yǎng)分和生產(chǎn)生物物質(zhì)的能力，是保障糧食生產(chǎn)的根本；土壤環(huán)境質(zhì)量—土壤容納、吸收和降解各種環(huán)境污染物的能力，是調(diào)節(jié)環(huán)境水、氣質(zhì)量以適應(yīng)人畜健康生長的降污能力；土壤健康質(zhì)量—土壤生產(chǎn)安全和營養(yǎng)成分完全的優(yōu)質(zhì)食品，從而影響和促進(jìn)人類和動物健康的能力。第17頁，共67頁。第二節(jié)土壤污染物的來源及危害第18頁，共67頁。第19頁，共67頁。1、鎘（Cd）

含量：土壤中0.01～0.70mg/kg，平均0.097mg/kg.來源：冶煉廠、電鍍廠、電池、磷肥等毒性：積蓄性，潛伏10-30年，影響植物對磷鉀的吸收。污染實例：日本的鎘米事件。病癥：痛痛病。一、重金屬污染物第20頁，共67頁。不同劑量的鎘污染土壤對水稻生長發(fā)育的影響（不明顯）中國多地市場上約10%大米鎘超標(biāo)第21頁，共67頁。痛痛病患者痛痛病受害者在患病以后，身形一般會縮小，異于常人第22頁，共67頁。2、鉻（Cr）含量：我國土壤小于80mg/kg.一般為50～60mg/kg。

污染源：煉鋼廠、鉻礦、電鍍、鞣革、顏料、合金、油漆、印染、膠印。毒性：腐蝕皮膚、造血障礙等污染實例：河北省文安縣電鍍村兒童發(fā)鉻的含量明顯高于對照村，其體內(nèi)免疫蛋白的水平明顯降低。第23頁，共67頁。3、汞（Hg）含量：0.065mg/kg.（n=4041)污染源：金礦煉金，生產(chǎn)含汞制品的工廠，包括：日光燈、體溫計，血壓表、氣壓計、整流器等，其他如升汞、中藥中的輕粉、紅粉、制造雷管的雷汞等毒性：在心、腦中蓄積，導(dǎo)致神經(jīng)損傷。污染案例：聞名世界的“水俁病”。在日本九洲熊本縣水俁灣，曾發(fā)生“海藻枯萎、鳥死貓瘋，人群耳聾，手指顫抖，精神錯亂，癱瘓致死”醫(yī)生束手無策的怪病，后經(jīng)多年調(diào)查，才找到元兇—汞中毒。20年間，水俁灣3000余人染病，200多人喪命。第24頁，共67頁。先天性水俁病患者TakakoIsayama和她的媽媽第25頁，共67頁。4、銅(Cu)含量：2～100mg/kg,平均20-30mg/kg。污染源：銅礦，煤的燃燒、城市污泥。含銅農(nóng)藥。印刷電路板廠。毒性：影響光合作用，引起缺鐵；在人的肝臟積累。污染實例：計算機主板廠。第26頁，共67頁。5、鉛（Pb）數(shù)量：2～200mg/kg，一般為13～42mg/kg。背景值16ppm；污染源：鉛鋅礦開采、含鉛汽油、蓄電池、青銅冶煉顏料、釉彩、涂料、醫(yī)藥、化學(xué)試劑等；毒性：影響光合作用，抑制養(yǎng)分吸收；貧血、高血壓、智力衰退等；污染實例：我國曾有用含鉛的容器盛放食品和飲用水而引起中毒的的事故。一些專家認(rèn)為，用鉛容器盛放食品和飲用水使古羅馬統(tǒng)治階級中毒，加速了他們的滅亡。水晶玻璃使用。第27頁，共67頁。6、鋅(Zn）數(shù)量：土壤中10-300mg/kg。平均100mg/kg；污染源：電池、農(nóng)業(yè)污泥、垃圾、農(nóng)藥、鉛鋅礦、煤等；毒性：>50mg/kg時植物中毒。抑制光合作用，失綠癥；污染實例：某電鍍廠。第28頁，共67頁。7、砷（As）含量：0-195mg/kg,平均9.36mg/kg.污染源：有色金屬開采和冶煉、土法煉砷、含砷農(nóng)藥、磷肥、煤。毒性：低濃度有刺激作用；高濃度莖葉受害；皮膚癌。污染實例：某工廠生產(chǎn)磷肥和硫酸，由于將高砷磷礦石放置在距水井（120m）附近，導(dǎo)致飲用水源污染，致使1052人中毒。第29頁，共67頁。

不同劑量的砷污染土壤對水稻生長發(fā)育的影響（明顯）第30頁，共67頁。8、氟（F）數(shù)量：50-3467mg/kg，平均478mg/kg；污染源：煉鋁、煉鋼、磷肥、含氟塑料等；毒性：使人、畜、植物中毒。氟斑牙、大骨病等；污染實例：我國包頭地區(qū)曾發(fā)生過近10萬頭羊氟中毒，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。家蠶也對氟比較敏感。第31頁，共67頁。中毒的柚子

第32頁，共67頁。1、農(nóng)藥二、有機污染物第33頁，共67頁。2、持久性有機污染物（POPs）第34頁，共67頁。第35頁，共67頁。3、油類污染物石油工業(yè)的烷烴和芳烴其它的甘油酯和脂肪酸第36頁，共67頁。4、表面活性劑污染物洗滌劑

5、廢塑料制品城市垃圾農(nóng)用塑料薄膜第37頁，共67頁。三、固體廢物與放射性污染物1、工業(yè)固體廢棄物2、城市垃圾3、放射性物質(zhì)第38頁，共67頁。第三節(jié)土壤組成和性質(zhì)對污染物毒性的影響第39頁，共67頁。

一、土壤組成對污染物毒性的影響（一）粘粒礦物對污染物毒性的影響粘粒礦物的吸附行為顯著影響污染物在土壤的活度和毒性。水溶態(tài)和交換態(tài)的重金屬元素的毒性較大，專性吸附態(tài)的重金屬的毒性較小。一般土壤質(zhì)地愈粘，氧化物含量越多，土壤對重金屬的專性吸附作用越強，重金屬的毒性越小。第40頁，共67頁。第41頁，共67頁。（二）有機質(zhì)對污染物毒性的影響當(dāng)土壤pH上升時，生成的絡(luò)合物穩(wěn)定性增加。胡敏酸和富啡酸可以與金屬離子形成可溶性的和不可溶性的絡(luò)合（螯合）物，主要依賴于飽和度。富啡酸金屬離子絡(luò)合物比胡敏酸金屬絡(luò)合物的溶解度大。土壤微生物對污染物尤其是有機污染物降解的影響。靜電吸附、絡(luò)合作用——含氧官能團(tuán)。第42頁，共67頁。二、土壤酸堿性對污染物毒性的影響

土壤溶液中的大多數(shù)金屬元素（包括重金屬）在酸性條件下以游離態(tài)或水化離子態(tài)存在，毒性較大，而在中、堿性條件下易生成難溶性氫氧化物沉淀，毒性大為降低。不同的pH值條件下，重金屬的形態(tài)也不同，pH的變化可改變其吸附、沉淀、絡(luò)合特性，也改變其毒性。電荷形態(tài)、沉淀—溶解、吸附—解吸、絡(luò)合螯合等第43頁，共67頁。三、土壤氧化還原狀況對污染物毒性的影響

大多數(shù)有機氯農(nóng)藥在還原條件下才能加速代謝。分解DDT適宜的Eh值為0～-250mV，艾氏劑也只有在Eh<-120mV時才快速降解。大多數(shù)重金屬都親硫，故在還原條件下易生成硫化物而降低其毒性，通氣后其毒性增強。水稻抽穗前淹水使Cd轉(zhuǎn)化為CdS，可降低米中鎘的數(shù)量。二氧化錳可氧化土壤中的三價鉻，而有機質(zhì)可把六價的鉻還原成三價鉻。第44頁，共67頁。

在通氣良好和堿性土壤中，Ca3(AsO4)2是最穩(wěn)定的含砷礦物，其次是Mn3(AsO4)2，后者在堿性和酸性環(huán)境中都可能形成。

在還原和酸性（pH<6）土壤中，砷（III）氧化物和砷硫化物是穩(wěn)定的。在還原性土壤溶液中，As(III)離子豐富存在。砷氣AsH3只有在土壤溶液很酸，氧化還原電位極低時才產(chǎn)生。在還原和酸性條件下，砷的毒性較強。鐵、錳氧化物可降低其毒性。第45頁，共67頁。加入氧化鐵、二氧化錳的處理，土壤水溶性總砷比對照下降了25％左右，As(III)也從對照的39.5%下降到7％左右。這顯然是①外加的鐵、錳使土壤固定、吸附砷的能力增加，水溶性砷就減少；②Eh不同，As(III)％不同，對水稻生長影響不同。說明土壤氧化原還電位高和加入鐵錳物質(zhì)有利于消除水稻砷害。第46頁，共67頁。第四節(jié)土壤污染的修復(fù)第47頁，共67頁。深刻認(rèn)識土壤健康的重要性；土壤健康就是人類的健康！被污染的土壤就是被破壞的自然資源。就是對地球和人類的犯罪。土壤污染的特點：漸近性、長期性、隱蔽性和復(fù)雜性。土壤污染是人類活動的惡果土壤污染是環(huán)境污染的一部分，與其他污染密切相關(guān)第48頁，共67頁。1、執(zhí)行國家有關(guān)污染物的排放標(biāo)準(zhǔn)；2、建立土壤污染監(jiān)測、預(yù)測和評價系統(tǒng)；3、發(fā)展清潔生產(chǎn)。一、土壤污染的預(yù)防措施第49頁，共67頁。二、污染土壤的修復(fù)土壤修復(fù)技術(shù)包括：生物修復(fù)（植物修復(fù)、微生物修復(fù)）、化學(xué)修復(fù)、物理修復(fù)等。根據(jù)處理污染土壤的位置，可分為原位修復(fù)和異位修復(fù)。原位修復(fù)經(jīng)濟(jì)；異位修復(fù)環(huán)境風(fēng)險較低，系統(tǒng)處理的預(yù)測性較高。第50頁，共67頁。（一）生物修復(fù)技術(shù)

生物修復(fù)（bioremediation）主要依靠生物（特別是微生物）的活動使土壤污染物降解或轉(zhuǎn)化為無毒或低毒物質(zhì)的過程。微生物修復(fù)更適用于有機污染土壤的修復(fù)。第51頁，共67頁。（1）土著微生物

環(huán)境中固有的微生物。（2）外來微生物

需大量接種高效菌。（3）基因工程菌

基因工程技術(shù)，將降解性質(zhì)粒轉(zhuǎn)移到一些在污染土壤中生存的菌體內(nèi)。第52頁，共67頁。第53頁，共67頁。（二）植物修復(fù)技術(shù)植物修復(fù)（phytoremediation）是指利用植物本身特有的吸收富集污染物、轉(zhuǎn)化固定污染物以及通過氧化還原或水解反應(yīng)等生物化學(xué)過程，使土壤環(huán)境中的有機污染物得以降解，使重金屬等無機污染物被固定脫毒，與此同時，還利用植物根際特殊的生態(tài)條件加速土壤微生物生長，顯著提高根際微生物的生物量和潛能，從而提高對土壤有機污染物的分解能力以及利用植物特殊的積累與固定能力去除土壤中某些無機污染物的能力。第54頁，共67頁。植物揮發(fā)SeO32-Se(CH3)2和Se2(CH3)2植物穩(wěn)定植物降解植物提取1、植物提?。╬hytoextraction）以重金屬（超）積累植物（hyperaccumulator）大量吸收某種或某些化學(xué)元素，然后利用除去地上部生物量的方法將重金屬移出土體。2、植物降解（phytodegradation）

植物本身及相關(guān)微生物和各種酶系將有機污染物降解。3、植物穩(wěn)定（phytostabilization）

使環(huán)境中污染物流動性降低。4、植物揮發(fā)（phytovolatilization）

吸收到體內(nèi)又將其轉(zhuǎn)化為氣態(tài)物質(zhì)。如汞和硒第55頁，共67頁。20年間，水俁灣3000余人染病，200多人喪命。一般超積累植物內(nèi)含的重金屬是非超積累植物的100倍。分解DDT適宜的Eh值為0～-250mV，艾氏劑也只有在Eh<-120mV時才快速降解。污染源：有色金屬開采和冶煉、土法煉砷、含砷農(nóng)藥、磷肥、煤。說明土壤氧化原還電位高和加入鐵錳物質(zhì)有利于消除水稻砷害。1994年，我國農(nóng)藥的施用量已超過2.局部地區(qū)有所改善,但總體形勢比較嚴(yán)峻。添加膨潤土、合成沸石等交換量大的物質(zhì)吸附重金屬，可顯著降低土壤中鎘等重金屬的有效態(tài)濃度。第二節(jié)土壤污染物的來源及危害使環(huán)境中污染物流動性降低。來源：冶煉廠、電鍍廠、電池、磷肥等分解DDT適宜的Eh值為0～-250mV，艾氏劑也只有在Eh<-120mV時才快速降解。Ⅲ類主要適用于林地土壤及污染物容量較大的高背景值土壤和礦產(chǎn)附近等地的農(nóng)田土壤(蔬菜地除外)。當(dāng)土壤pH上升時，生成的絡(luò)合物穩(wěn)定性增加。深刻認(rèn)識土壤健康的重要性；深刻認(rèn)識土壤健康的重要性；第56頁，共67頁。毒性：在心、腦中蓄積，導(dǎo)致神經(jīng)損傷。靜電吸附、絡(luò)合作用——含氧官能團(tuán)。表不同重金屬元素在超積累植物體內(nèi)的濃度（ppm)痛痛病受害者在患病以后，身形一般會縮小，異于常人2、土壤環(huán)境容量的數(shù)學(xué)模型第十二章土壤污染與修復(fù)3、植物穩(wěn)定（phytostabilization）砷氣AsH3只有在土壤溶液很酸，氧化還原電位極低時才產(chǎn)生。植物本身及相關(guān)微生物和各種酶系將有機污染物降解。局部地區(qū)有所改善,但總體形勢比較嚴(yán)峻。污染源：電池、農(nóng)業(yè)污泥、垃圾、農(nóng)藥、鉛鋅礦、煤等；毒性：在心、腦中蓄積，導(dǎo)致神經(jīng)損傷。來源：冶煉廠、電鍍廠、電池、磷肥等表12-2我國主要土壤重金屬臨界含量（mg/kg）土壤肥力質(zhì)量—土壤提供植物養(yǎng)分和生產(chǎn)生物物質(zhì)的能力，是保障糧食生產(chǎn)的根本；第57頁，共67頁。第58頁，共67頁。目前已發(fā)現(xiàn)400多種重金屬超積累植物，其中以超量積累Ni的植物最多。一般超積累植物內(nèi)含的重金屬是非超積累植物的100倍。CdCoCrCuMnNiPbZn18002002400135005180047500800039600表不同重金屬元素在超積累植物體內(nèi)的濃度（ppm)第59頁，共67頁。遏蘭菜東南景天蜈蚣草第60頁，共67頁。我國遭受不同程度污染的農(nóng)田已達(dá)2500萬hm2，其中受農(nóng)藥污染的有1500萬hm2，受污水灌溉、垃圾及其他固體廢棄物（尾礦等）污染的有700萬~800萬hm2，其它如廢氣、酸雨、石油等污染的達(dá)300萬~400萬hm2；毒性：>50mg/kg時植物中毒。20年間，水俁灣3000余人染病，200多人喪命。含量：土壤中0.環(huán)境容量指的是在一定條件下環(huán)境對污染物最大容納量。污染源：電池、農(nóng)業(yè)污泥、垃圾、農(nóng)藥、鉛鋅礦、煤等；我國遭受不同程度污染的農(nóng)田已達(dá)2500萬hm2，其中受農(nóng)藥污染的有1500萬hm2，受污水灌溉、垃圾及其他固體廢棄物（尾礦等）污染的有700萬~800萬hm2，其它如廢氣、酸雨、石油等污染的達(dá)300萬~400萬hm2；分解DDT適宜的Eh值為0～-250mV，艾氏劑也只有在Eh<-120mV時才快速降解。2、全國土壤污染狀況評價技術(shù)規(guī)定土壤背景值在理論上應(yīng)該是土壤在自然成土過程中，構(gòu)成土壤自身的化學(xué)元素的組成和含量。電荷形態(tài)、沉淀—溶解、吸附—解吸、絡(luò)合螯合等（三）化學(xué)修復(fù)技術(shù)化學(xué)修復(fù)（chemicalremediation）是利用加入到土壤中的化學(xué)修復(fù)劑與污染物發(fā)生一定的化學(xué)反應(yīng)，是污染物降解和毒性去除或降低的修復(fù)技術(shù)。施用氧化劑、還原劑、沉淀劑、吸附劑或解吸劑（增溶劑）。重金屬污染的土壤，通過施加改變重金屬污染物在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化方向，常用的有石灰、硫化物、磷酸鹽、硅酸鹽等。施用石灰提高土壤pH，使Cd，Cu，Hg形成氫氧化物沉淀。添加膨潤土、合成沸石等交換量大的物質(zhì)吸附重金屬，可顯著降低土壤中鎘等重金屬的有效態(tài)濃度。第61頁，共67頁?；瘜W(xué)治理方法的費用高，化學(xué)法對環(huán)境造成二次污染的風(fēng)險性高。通過離子拮抗作用來降低植物對某種污染的吸收，經(jīng)濟(jì)有效。硫酸鋅可抑制植物對鎘的吸收；Ca能減輕Cu、Pb、Cd、Zn、Ni等對水稻、番茄的毒害。第62頁，共67頁。（四）物理修復(fù)技術(shù)1