环境污染修复.ppt

土壤污染及其修复 土壤污染及修复 二 土壤污染修复 一 我国土壤污染修复的形势我国于2006年开展了全国首次土壤污染状况调查 以全面 系统 准确掌握我国土壤污染的真实情况 有效防治土壤污染 确保百姓身体健康 土壤污染及修复 二 土壤污染修复 一 我国土壤污染修复的形势调查的主要任务有 1 开展全国土壤环境质量状况调查与评价 2 开展重点区域土壤污染风险评估与安全等级划分 3 开展全国土壤背景点环境质量调查与对比分析 4 开展污染土壤修复与综合修复试点 5 建设土壤环境质量监督管理体系 土壤重金属污染修复技术 由于土壤重金属污染具有以上特点 且可经由水环境直接毒害植物体 并可最终通过食物链危害人类健康 因此 其治理和恢复的难度大 但又显得极为迫切 土壤重金属污染特点 表聚性 长期性 不可逆性 隐蔽性 综合国内外各种研究 修复措施主要有四种 工程措施物理化学修复生物修复农业生态修复 工程措施 主要包括客土 换土和深耕翻土等措施 深耕翻土用于轻度污染的土壤 而客土和换土则是用于重污染区的常见方法 工程措施是比较经典的土壤重金属污染治理措施 它具有彻底 稳定的优点 但实施工程量大 投资费用高 破坏土体结构 引起土壤肥力下降 并且还要对换出的污土进行堆放或处理 物理化学修复 电动修复 污染土壤 通电流 金属离子等向电极运输 集中收集处理 达到治污目的 电动修复是一种原位修复技术 不搅动土层 并可以缩短修复时间 是一种经济可行的修复技术 电热修复 污染土壤 高频电压产生电磁波 热能 对土壤加热 污染物从土中解吸 挥发性重金属分离 达到修复目的 熔化土壤 冷却后形成玻璃态物质 土壤淋洗 污染土壤 淋洗液淋洗 土壤固相中重金属 土壤液相中 将液相回收处理 达到修复目的 化学修复 污染土壤 加入改良剂 降低重金属生物有效性 达到修复目的 有机污染土壤修复技术体系 按修复场地分类 1 原位 insitu 修复 污染土壤气体提取法 SVE 井中汽提法 In wellVaporStripping 生物通气 空气搅动法 AirSparging 原位冲洗 淋洗 加热方法 处理墙方法 原位稳定 固化方法 电动力学方法 原位微生物修复方法 植物 微生物联合修复方法等 有机污染土壤修复技术体系 按修复场地分类异位 exsitu 修复 气提法 泥浆反应器修复 土壤耕作法 土壤堆腐 焚烧法 客土法 预制床 淋洗 萃取 淋洗 生物反应器联合修复 有机污染土壤修复技术体系 按照技术类别分类 1 物理化学修复 加热方法 稳定固化法 淋洗 萃取 电动力学等 2 生物修复 微生物修复 生物通气 泥浆反应器 预制床等植物修复 湿地修复 菌根修复等 植物 微生物联合修复 菌根菌剂联合修复等 3 物理化学 生物联合修复 淋洗 反应器联合修复等 有机污染修复技术的流程及原理 有机污染修复技术的流程及原理 原位修复技术 1 原位生物修复一般流程 生物修复原位处理方式示意图 有机污染修复技术的流程及原理 原位修复技术 2 生物通风技术一般流程 生物通风原位处理方式示意图 有机污染修复技术的流程及原理 异位修复技术 1 泥浆反应器技术一般流程 反应器系统示意图 有机污染修复技术的流程及原理 异位修复技术 1 泥浆反应器技术一般流程 生物反应器修复系统示意图 有机污染修复技术的流程及原理 异位修复技术 2 挖掘堆置法 挖掘堆置法系统示意图 桶箱 空气过滤器和泵 砾石层 污染土壤 3 土壤耕作法 土壤淋洗法対象 重金属 农药 油等 车载式 固定式 30m3 h处理能力淋洗修复工程 热处理 直接加入使污染物挥发或分解 间接加热使污染物挥发 针对高浓度土壤污染 対象 VOCs 水银 农药 油等 优点 可使VOCs完全实现无害化 日处理能力可达200t 实际工程 污染土壤 外热装置 修复土壤 焚烧装置 烟囱 热交换 填埋 热解气体 化学试剂 热处理典型流程 电渗析 土壤处理槽 电极槽 点源 絮凝沉淀 回收 给水 给水泵 给水塔 抽水泵 处理墙 土地耕作 Composting 生物通风 强化堆置 一般混合处理 石油污染修复一般流程 有机污染修复技术的流程及原理 石油污染土壤修复 生物修复 生物修复是利用生物技术治理污染土壤的一种新方法 利用生物削减 净化土壤中的重金属或降低重金属毒性 主要包含植物修复技术与微生物修复技术两种方法 植物修复 phytoremediation 利用植物及其根际圈微生物体系的吸收 挥发和转化 降解等作用来清除污染环境中的污染物质 生物修复基本概念和修复机理 植物修复发展历程无意识地利用植物处理排泄物20世纪初 有意识地利用植物生态系统处理废弃物和污水无害化1970s后 发展污水的土地处理系统 成为城市生活废水的处理技术 废弃矿山的复垦 污泥的处理和农业应用 植物耐性机理的研究1980s Chaney提出利用超积累植物清除土壤重金属污染 形成植物修复概念 植物对污染物的修复机理 有机物的吸收积累和代谢 某些植物能在体内代谢或矿化有机物 使其失活 但多数研究只证明了植物仅能通过酶催化氧化降解有机物 降解产物的进一步深度氧化过程研究还很缺乏 为提高植物修复效率 可利用基因工程技术增强植物的降解能力 植物对有机污染物的吸收途径 对气态污染物的粘附和吸收 对水溶态污染物的吸收 植物粘附污染物的数量 主要决定于植物表面积的大小和粗糙程度 某些植物还可分泌油脂 黏液 如去杉 油松等 气孔是叶片吸收污染物的主要部位 但高浓度污染物可对叶片造成损害 如二氧化硫可导致植物气孔张开和关闭的机能瘫痪 臭氧可损害叶片的栅栏组织 气态污染物 水溶态污染物 主要通过根吸收 叶片也能吸收水溶态物质 水溶态的污染物到达根表面 主要有两条途径 一条是质体流途径 massflow 即污染物随蒸腾拉力 在植物吸收水分时与水一起到达植物根部 另一条是扩散途径 diffusion 即通过扩散到达根表面 叶片对农药通过气孔吸收与角质层吸收 附着性能是影响药效的重要因素 表面活性剂能显著降低表面张力 改善药液在叶面的附着性 从而提高吸收 如 刘支前等发现不加任何表面活性剂时 草甘膦药液不能直接经蚕豆叶面气孔吸收 添加0 5 的有机硅表面活性剂后 气孔吸收率可达85 4 自然来源 工业矿床和岩石风化而成的地表土壤 重金属来源 人为来源 生产活动农药肥料交通运输废弃物废水废气 植物对重金属吸收积累 土壤中重金属本身所存在的形态可分为 水溶态 有机质结合态 碳酸盐结合态 Fe Mn氧化物结合态以及包含于矿物晶格中的残渣态 从植物的可利用性可分为可吸收态 交换态 难吸收态 重金属的游离离子及螯合离子易被植物所吸收 残渣态的难被植物吸收 介于两者之间的则为交换态 植物修复的优点 适用污染因子广泛 不仅适合重金属 同时可治理有机物污染 从生态学角度看 有利于污染地生态恢复 美化环境 以太阳能为动力 成本低 适合大面积修复推广 修复费用约为5 40美元 吨 而填埋的费用为100 500美元 吨 尤其适于低浓度条件 不会引起二次污染 特别是不会对地下水构成污染 修复模式 植物提取 phytoextraction 植物挥发 phytovolatilization 植物稳定 phytostabilization 植物降解 phytodegradation 第二节污染土壤修复模式 植物提取 利用植物根系吸收重金属元素 并经过植物体内一系列复杂的生理生化过程 将重金属元素从根部转运至植物地上部分 再进行收割处理 根据实施的策略不同 植物提取技术可分为连续植物提取和诱导植物提取 植物提取 第一种情况 连续植物提取 植物在整个生命周期中都能吸收 转运 积累和忍耐高含量的重金属 第二种情况 某些植物只能在一段时期内吸收重金属 或整个生命期中都吸收但吸收量很低 第二种情况下 人们辅以络合剂等理化措施诱导植物积累更多金属元素 这就是诱导植物提取 诱导植物提取举例 在芥菜营养生长旺盛期施用 络合剂可显著提高土壤中植物有效态Cu 使土壤水浸提态Cu和交换态Cu显著上升 从而芥菜中Cu的含量明显增加 植物提取技术与其他修复模式的区别之处在于重金属地上部分含量的不同 因而植物提取技术要求植物能从根部吸收重金属离子 还能有较高的地上部分转运能力 金属离子首先进入根部细胞 通过共质体的运输穿越根内皮层中的凯氏带 进入中柱送达木质部 再与木质部中大量存在的有机酸和氨基酸结合运往地上部分 印度芥菜在高浓度可溶性Pb营养液中培养一段时间后 茎中Pb含量达到1 5 印度芥菜还能吸收积累Cr Cu Zn Cd Ni等重金属 植物提取 例子 为植物修复的核心部分 最早的概念于1977年Brooks提出 现在接近成熟 重金属超积累植物 东南景天 SedumalfrediiH 由杨肖娥等发现的第一种Zn超富集植物 地上部的Zn含量达5000ppm 富集系数达1 9以上 蜈蚣草 PterisvittataLinn 第一种在我国发现的As超富集植物 由陈同斌等发现 图1重金属zn cd超积累植物十字花科的天蓝遏蓝菜 thlaspicaerulescens 图2铜草 海洲香薷 吸收Pb Zn Cd 商陆 Mn 超积累植物地上部分的重金属含量是同等生境条件下其他普通植物含量的100倍以上 在污染地生长旺盛 生物量大 能正常完成生活史 富集系数 BCF 和转运系数 TF 都大于l 一般而言 植物体内重金属临界含量为Zn l0000mg kg Cd l00mg kg Au lmg kg Pb Cu Ni Co均为1000mg kg 超积累植物特征 富集系数 地上部器官中重金属含量 土壤中重金属含量 转运系数 茎叶中重金属含量 根部重金属含量 过渡类型 有一些植物虽然达不到上述各项指标 但比起一般的植物能忍耐一定程度的重金属 文献资料上多称为富集植物 长期生长于污染土壤中的植物对环境胁迫往往形成了三类适应模式 各自特点为 抵御 与根际周围的各类真 细菌组成菌根 形成防御体系共同抵制外界污染物质的侵害 忍耐 无法构建防御体系 但可形成一定的忍耐特性 体内重金属含量高于普通植物 即使脱离重金属污染土壤仍能自然成活 称为富集植物 利用 因为自身生理的需要 土壤中污染物质含量要达到一定数值才能成活 称为超积累植物 如比苏草在Cu含量小于100 g kg的土壤中不能正常生长 根据其这一特性 某种重金属的超积累植物往往还能成为金属矿藏的指示植物 植物对污染环境的适应模式 地域来看 多分布于富含重金属的矿区 植物分类来看 多位于几个类别之内 如Ni主要颁布于 五科 十属 农田杂草也可能是超积累植物的一个重要来源库 如魏树和等发现了8种对Cd具有超积累性的杂草 超积累植物分布 首先 大部分植物植株矮小 生长缓慢 且不易机械化作业 其次 多为野生型植物 对生物气候条件的要求也比较严格 区域性分布较强 引种受到严重限制 再次 专一性强 只作用于一种或两种特定的重金属元素 对土壤中其他含量较高的重金属表现出中毒症状 最后 植物器官往往会腐烂 落叶 最终重金属重返土壤 超积累植物的局限性 植物吸收重金属本质上是否为植物在特定环境下的特定生理生化反应 植物耐重金属毒害的机制包括 细胞区域化作用 主动外排 螯合作用 目前诱导植物生成配位体是其研究热点 另外还可通过基因手段 促进植物基因改良 提高积累量 植物积累重金属的分子生物学研究 寻找更多超积累植物 尤其能同时富集不同重金属元素的植物的寻找 加强对现有野生超积累植物的人工引种 驯化研究 分子水平上的植物耐金属性研究 从基因水平上探明植物对重金属耐性的根源所在 各种重金属元素在不同植物体内的储存及分布特征研究 超积累植物根际环境对重金属吸收作用的影响 超积累植物研究展望 含义 植物将挥发性污染物吸收到体内后再将其转化为气态物质 释放到大气中 植物挥发和土壤根际微生物的活动密切相关 缺点 挥发性重金属经植物体进人大气最终沉入土壤或水体 会产生二次污染 挥发举例 植物从土壤吸收汞再向大气挥发 硒以二甲基硒和二甲基二硒挥发 植物挥发 含义 利用植物吸收和沉淀来固定土壤中的大量有毒重金属 以降低其生物有效性并防止其进入地下水和食物链 从而减少环境和人类健康的污染风险 适用于相对不易移动的物质 主要应用在采矿 废气干沉降 污泥处置 缺点 并未将重金属从土壤中彻底清除 当土壤环境发生变化时仍可能重新活化恢复毒性 植物稳定 含义 指污染物被植物根系吸收后通过体内代谢活动来过滤 降解污染物质的毒性 如六价Cr生物有效性最强 通过植物根系的降解作用后变成低价态的三价Cr 毒性大大减弱 植物的降解作用与根际土壤环境密切相关 根际分泌物的存在 使土壤理化性质 如pH值 氧化还原电位 微生物组成等显著改变 植物降解过滤 植物修复有机污染的三种机制 直接吸收并积累非植物毒性的代谢物 释放促进生物化学反应的酶 强化根际降解作用 植物可在新的植物结构中贮藏 可使其代谢或矿化 还可使其挥发 去毒作用可将原来的化学品转化为对植物无毒的代谢物如木质素等 贮藏于植物细胞内 影响因素 土壤水中的浓度和植物的吸收率 蒸腾率 植物的吸收率取决于污染物的物化特性和植物本身 蒸腾作用是决定污染物吸收速率的关键变量 它又与多种条件相关 直接吸收 与植物酶有关的有机物降解非常快 致使化学污染物从土壤中的解吸和质量转移成为限速步骤 植物死亡后 酶释放到环境中还可以继续发挥分解作用 但游离的酶系在低pH值 高金属浓度和细菌毒性下会被摧毁或钝化 而植物体内的酶则可得到保护 释放酶 污染物通过根际吸附 吸收而进入植物体内 植物通过向根际分泌氨基酸 糖类等小分子有机物而刺激微生物的大量繁殖 可间接促进污染物的根际微生物降解 植物还可通过根际向土壤输氧 改变根际周围的氧化还原条件 强化根际降解 微生物在修复被重金属污染的土壤方面具有独特的作用 其主要作用原理是 微生物可以降低土壤中重金属的毒性 微生物可以吸附积累重金属 微生物可以改变根际微环境 从而提高植物对重金属的吸收 挥发或固定效率 微生物修复技术 bioremediation 农业生态修复 农业生态修复主要包括两个方面 农艺修复措施生态修复 土壤重金属污染修复技术研究展望 采用工程 物理化学方法修复重金属污染土壤 具有一定的局限性 难以大规模处理污染土壤 并且成本高 破坏土壤本身结构 易造成二次污染 对环境扰动大 农业生态措施又存在周期长 效果不显著的特点 植物修复在重金属污染治理中具有不可替代的优势 并以其治理过程的原位性 治理成本的低廉性 管理与操作的简易性及环境美学的兼容性而日益受到人们的重视 并成为污染土壤