土壤修复课件

1、 一、 土壤环境与污染 二、 污染土壤与修复孙铁珩院士(沈阳应用生态所研究员) 第一部分 土壤环境与污染 土壤污染与修复研究是当今环境科学新的生长点之一，土壤污染与修复研究是当今环境科学新的生长点之一， 倍受国内外环境科技工作者的重视。倍受国内外环境科技工作者的重视。 与大气、水体相比，与大气、水体相比，土壤是土壤是一个复杂的物理、化学与一个复杂的物理、化学与生物的复合环境介质，是一个重要的生态剖面，许多环境生物的复合环境介质，是一个重要的生态剖面，许多环境化学、环境生物、环境毒理的规律与机制，可以通过土壤化学、环境生物、环境毒理的规律与机制，可以通过土壤生态剖面加以观察、研究。生态剖面加以观

2、察、研究。 污染土壤污染土壤污染底泥污染底泥土壤污染的控制与治理成为重要的科学问题。土壤污染的控制与治理成为重要的科学问题。 1 1、背景与需求、背景与需求成为主要污染源成为主要污染源成为二次污染库成为二次污染库 科学问题 国 家 需 求土壤污染与修复研究 是中国进入是中国进入WTO、保证农产品安全、推动农村生态环境、保证农产品安全、推动农村生态环境保护和全面建设小康社会的国家战略需求。保护和全面建设小康社会的国家战略需求。 生态系统的基本单元，具有生态系统的基本单元，具有 S W P 系统的整体性系统的整体性 人类活动的主要资源，具有人类活动的主要资源，具有质量、数量的双重性质量、数量的双重

3、性 2、对土壤环境的基本认识、对土壤环境的基本认识土壤具有三个基本特征 肥肥 力力 质质 量量 环环 境境 质质 量量 健健 康康 质质 量量 内内 涵涵 安全生产安全生产土土壤壤质质量量 保证最大生产力保证最大生产力 最佳生物学质量最佳生物学质量 不引发二次环境污染不引发二次环境污染 自然体、环境介质，具有自然体、环境介质，具有多功能性多功能性q 承接污染物的载体承接污染物的载体q 净化污染物的活体净化污染物的活体0 负负 荷荷0 容容 量量0 功功 能能0 强强 度度1、系统之间、系统之间2、研究过程、研究过程 3、污染效应污染效应4、干扰因素、干扰因素与大气环境、水环境不同与大气环境、水

4、环境不同理论体系、化学形态、迁移理论体系、化学形态、迁移转化、恢复治理机制不同转化、恢复治理机制不同同一作物同一作物, 对不同污染物的生物对不同污染物的生物效应、吸收累积、释放机制不同效应、吸收累积、释放机制不同土壤肥力、养分含量、土壤质地、机土壤肥力、养分含量、土壤质地、机械组成械组成, 对污染物毒性影响程度不同对污染物毒性影响程度不同 2-1 土壤污染基本特征发生的隐蔽性发生的隐蔽性形成的复杂性形成的复杂性恢复的长期性恢复的长期性毒性的缓效性毒性的缓效性诊断的特殊性诊断的特殊性 土壤污染的特点土壤污染的特点 环境土壤学研究的目的环境土壤学研究的目的认识认识利用利用调控调控土壤肥力的培育土壤

5、肥力的培育土壤污染的防治土壤污染的防治土壤净化功能的利用土壤净化功能的利用污染土壤的清洁污染土壤的清洁 农林土壤学农林土壤学 环境土壤学环境土壤学 以提高农业生物生产力为以提高农业生物生产力为 目的的土壤肥力和资源研究目的的土壤肥力和资源研究 以提高土壤三质量为目的以提高土壤三质量为目的 ( (肥力、健康、环境肥力、健康、环境) ) 土壤生态过程研究土壤生态过程研究 污染发生机制研究污染发生机制研究 土壤功能、容量研究土壤功能、容量研究 2-2 环境土壤学的发展历程环境土壤学的发展历程50年代年代: 土地资源开发利用土地资源开发利用 提高生产研究提高生产研究60年代年代: 水土保持，盐碱地改良

6、水土保持，盐碱地改良 土地环境资源保护研究土地环境资源保护研究 污水灌田，施用农药污水灌田，施用农药 土地环境污染研究土地环境污染研究70年代年代: 区域性区域性 土壤环境评价及污染土壤环境评价及污染 综合防治研究综合防治研究 80年代年代:土壤环境背景容量及基准土壤环境背景容量及基准 土壤土壤-植物系统植物系统 净化功能及其应用研究净化功能及其应用研究90年代年代:土地植物系统污染生物地球化学土地植物系统污染生物地球化学 长期定位研究长期定位研究 无公害农业及绿色食品生产技术无公害农业及绿色食品生产技术 应用技术研究应用技术研究 流域及湖泊水污染治理关键技术流域及湖泊水污染治理关键技术 3

7、3、土壤环境与土壤污染研究回顾、土壤环境与土壤污染研究回顾2000：土壤污染生态过程与生态安全：土壤污染生态过程与生态安全资资 源源 调调 查查质质 量量 评评 价价 污污 染染 防防 治治 规规 律律 研研 究究 机机 制制 研研 究究实用技术研究实用技术研究 3-13-1 土壤环境与土壤污染土壤环境与土壤污染 - - 学科发展历程学科发展历程58年污水灌溉在主要城市郊区兴起年污水灌溉在主要城市郊区兴起推动灌溉事业，促进北方水稻农作发展推动灌溉事业，促进北方水稻农作发展 N肥过剩，贪青倒伏，作物受害，土壤毒化肥过剩，贪青倒伏，作物受害，土壤毒化土壤毒化土壤毒化诊断指标诊断指标确立确立N肥定额

8、肥定额防止徒长倒伏防止徒长倒伏 增施矿质肥料增施矿质肥料调整作物调整作物Si / N营养比营养比 3-2 土壤环境与土壤污染研究事例土壤环境与土壤污染研究事例污灌污灌 污染物在土壤污染物在土壤-植物系统植物系统 迁移迁移-分布分布土壤土壤-地下水地下水 污染污染污水灌溉研究污水灌溉研究作物污染及残留作物污染及残留与毒性研究与毒性研究 灌区人体灌区人体健康调查健康调查污污 水水 灌灌 溉溉 研研 究究 成成 果果 污水灌溉地区水质、粮食和地下水评价污水灌溉地区水质、粮食和地下水评价 矿物油、苯并（矿物油、苯并（a）芘、重金属在土壤芘、重金属在土壤 植物植物 系统迁移分布系统迁移分布 主要污染物生

9、物学质量评价主要污染物生物学质量评价 重金属、矿物油等土壤环境容量重金属、矿物油等土壤环境容量 污灌区综合治理与防治规则污灌区综合治理与防治规则土壤环境质量评价评价方法及其指标体系区域性区域性 土壤环境土壤环境重重 点点 污污 灌灌 区区石石 油油 化化 工工 区区工工 矿矿 开开 发发 区区污污 染染 起起 始始 值值 污污 染染 标标 准准 单单 项项 指指 标标 综综 合合 指指 标标 3-3 区域土壤环境研究区域土壤环境研究意义意义 土壤环境质量与污染评价土壤环境质量与污染评价 制定土壤环境容量与土壤环境质量标准制定土壤环境容量与土壤环境质量标准 土壤污染清洁技术土地利用与土地管理土壤

10、污染清洁技术土地利用与土地管理成果成果 1973 -1977 年年 北京、南京、广东等重点地区北京、南京、广东等重点地区 土壤、水体及生物背景值试点研究实验土壤、水体及生物背景值试点研究实验 1979 年年 13 个省市主要农业土壤和主要作物个省市主要农业土壤和主要作物 9 种元素背景值调查种元素背景值调查 1986 年年 29 省市土壤背景值调查省市土壤背景值调查 3-4 土土 壤壤 环环 境境 背背 景景意义意义 制定土壤环境标准制定土壤环境标准 污染物排放、污泥和污水的农业利用污染物排放、污泥和污水的农业利用 区域污染物管理与控制区域污染物管理与控制成果成果 敏感作物盆栽生物试验敏感作物

11、盆栽生物试验 土壤微生物生态及土壤酶活性土壤微生物生态及土壤酶活性 同位素示踪技术同位素示踪技术 田间物质平衡田间物质平衡 土壤净化功能土壤净化功能 3-5 土土 壤壤 环环 境境 容容 量量污染地点污染地点 ：沈阳市张士灌区沈阳市张士灌区污染原因污染原因 ：含镉工业污水灌田：含镉工业污水灌田污染面积污染面积 ：2 8 0 0 ha污染状态污染状态 ：土壤含镉：土壤含镉 5 - 10 mg / kg 土土 稻米耔实镉稻米耔实镉 0.4 - 1.0 mg / kg 米米 3-6 镉镉 土 污污 染染 及及 防防 治治镉土污染治理镉土污染治理客土法客土法深耕深耕 换土换土农作法农作法 排排水晒田水

12、晒田 淹淹水厌氧水厌氧化学法改良化学法改良 施用石灰磷肥施用石灰磷肥及其它改良剂及其它改良剂生物法改良生物法改良 作物吸收富集作物吸收富集木本净化木本净化 3-7 镉土污染治理研究成果镉土污染治理研究成果 利用土壤利用土壤 - 植物系统生物、化学、物理的净化功能植物系统生物、化学、物理的净化功能 通过科学设计和有效地进行管理通过科学设计和有效地进行管理 对污水中对污水中 N、P 资源加以利用资源加以利用 对可降解污染物加以净化对可降解污染物加以净化 实现无害化、资源化的生态工程技术实现无害化、资源化的生态工程技术 适合国情适合国情 投资少，运行费用低投资少，运行费用低 可回收再生水资源可回收再

13、生水资源 3-8 污水生态工程土地处理污水生态工程土地处理 土壤环境污染现状的描述土壤环境污染现状的描述 污染危害的调查和污染点的评价及风险分析污染危害的调查和污染点的评价及风险分析 土壤污染生态过程及其微观机理研究土壤污染生态过程及其微观机理研究 土壤生态毒理学诊断土壤生态毒理学诊断污染土壤生态过程污染土壤生态过程 4、污染物的生态过程研究 复合污染条件下，常用农药与石油及其化工产品等有机复合污染条件下，常用农药与石油及其化工产品等有机 污染物在土壤中的迁移动态研究，探讨污染物的最适污染物在土壤中的迁移动态研究，探讨污染物的最适 降解条件降解条件 污染物在土壤中的降解过程及其影响因素，确立其

14、微污染物在土壤中的降解过程及其影响因素，确立其微 生物降解的最佳条件生物降解的最佳条件 污染物在土壤中的固定污染物在土壤中的固定 - - 再释放机制及预测再释放机制及预测 耐污植物对污染物的吸收能力耐污植物对污染物的吸收能力 污染胁迫条件下，土著微生物群落的变化规律污染胁迫条件下，土著微生物群落的变化规律 农作物连作条件下，土壤生物污染的发生过程农作物连作条件下，土壤生物污染的发生过程 重点有机、无机污染物的土壤生态过程区域比较研究重点有机、无机污染物的土壤生态过程区域比较研究研究内容研究内容平衡研究平衡研究迁移迁移降解降解吸附与解析吸附与解析植物吸收积累植物吸收积累挥发过程挥发过程供试化学品

15、供试化学品多多 环环 芳烃类芳烃类有机氯类有机氯类 与与 农农 药药杂杂 环环 化合物化合物离子型有离子型有机化合物机化合物菲菲 荧蒽荧蒽 苯并芘苯并芘1,2,4-三氯苯三氯苯 邻苯二甲酸二丁酯邻苯二甲酸二丁酯 邻苯二甲酸二异辛酯邻苯二甲酸二异辛酯多效唑多效唑西玛津西玛津直链烷基直链烷基苯磺酸钠苯磺酸钠效应研究效应研究对宏观系统的影响对宏观系统的影响对微观系统的影响对微观系统的影响生物量生物量生生 物多物多样性样性 生物学生物学质质 量量对植物形态对植物形态学上的影响学上的影响对土壤微生物对土壤微生物土壤酶的影响土壤酶的影响转化研究转化研究 有机污染物本体（有机污染物本体（A）在陆地生态系统中

16、向）在陆地生态系统中向其代谢及合成物（其代谢及合成物（B, C, D . . . ）的转化过程）的转化过程 物理、化学、生物过程及其动力学过程。物理、化学、生物过程及其动力学过程。 转化过程中的发生条件及其影响因素。转化过程中的发生条件及其影响因素。典型污染土壤的成因典型污染土壤的成因分析与生态风险预测分析与生态风险预测土壤生态毒理学土壤生态毒理学标准实验方法标准实验方法土壤生态毒理学土壤生态毒理学指标体系测指标体系测生物毒性生物毒性指标体系指标体系土壤生物污染的诊断土壤生物污染的诊断与评价指标体系与评价指标体系污染土壤清洁标准污染土壤清洁标准土壤环境标准土壤环境标准土壤生态毒理学诊断与安全预

17、土壤生态毒理学诊断与安全预警系统的建立及其验证警系统的建立及其验证 土壤生态毒理学诊断土壤生态毒理学诊断 污染生态化学过程污染生态化学过程 土壤污染发生机制土壤污染发生机制 土壤污染早期诊断土壤污染早期诊断 土壤污染过程调控土壤污染过程调控 土壤污染系统监测土壤污染系统监测 污染生态毒理过程污染生态毒理过程生态过程研究生态过程研究 5、需要加强的重要研究方向、需要加强的重要研究方向6、土壤污染生态学研究展望、土壤污染生态学研究展望土壤环境标准与生物质量综合指标体系土壤环境标准与生物质量综合指标体系土壤土壤 - 植物系统植物系统生态剖面分析生态剖面分析土壤土壤 - 植物系统生态风险评价植物系统生

18、态风险评价方法论及技术支撑系统方法论及技术支撑系统土壤土壤 - 植物系统净化功能研究植物系统净化功能研究土壤圈及其边界污染物迁移转化规律土壤圈及其边界污染物迁移转化规律土壤环境质量监测网络土壤环境质量监测网络污染卫生学污染卫生学生态毒理学生态毒理学生物生产力生物生产力综合分析综合分析作用机理作用机理确立环境参数确立环境参数实验手段实验手段测试技术测试技术环境容量环境容量土壤土壤 - 水水反应动力学反应动力学土壤土壤 - 环境环境长期定位观测长期定位观测土壤土壤 - 大气大气建立网络系统建立网络系统 第二部分：污染土壤与修复 1990 s 德国，英国，荷兰等开展土壤污染修复研究德国，英国，荷兰等

19、开展土壤污染修复研究水生生态系统问题水生生态系统问题-1960- 1970陆地生态系统问题陆地生态系统问题-1980s 始始1990s-加拿大，美国等开展土壤污染修复研究与工程加拿大，美国等开展土壤污染修复研究与工程1995 中国开展土壤污染生物修复项目中国开展土壤污染生物修复项目 1 1、污染土壤修复研究的历史回顾、污染土壤修复研究的历史回顾 8080年代，年代， 荷兰投资荷兰投资1515亿美元进行土壤修复试验研究亿美元进行土壤修复试验研究1976-19901976-1990年，联邦德国科技部资助的项目年，联邦德国科技部资助的项目 306306个个1990-19961990-1996年，年，

20、联邦德国废物管理与土壤修复项目投资联邦德国废物管理与土壤修复项目投资 7575亿美元亿美元美国政府近期投资美国政府近期投资100100亿美元进行土壤修复技术开发亿美元进行土壤修复技术开发1995 ，国家基金委，科学院等资助土壤污染生物修复项目，国家基金委，科学院等资助土壤污染生物修复项目项目资助 2000-20032000-2003年国内土壤修复研究（根据发表论文统计）年国内土壤修复研究（根据发表论文统计）重金属重金属13%13%其他其他6%6%有机污染有机污染15%15%土壤修复土壤修复综合技术综合技术66%66%原位修复（接菌法原位修复（接菌法, ,生物培养法生物培养法, ,生物通风法生物

21、通风法, ,土耕法）土耕法） 异位修复（生物泥浆，堆腐，制备床，厌氧处理）异位修复（生物泥浆，堆腐，制备床，厌氧处理）化学修复化学修复物理修复物理修复化学清洗化学清洗, , 超临界萃取，光化学降解，化学超临界萃取，光化学降解，化学氧化，化学栅（沉淀栅，吸附栅，联合栅）氧化，化学栅（沉淀栅，吸附栅，联合栅）清洗法，蒸发法，电修复法，热修复法清洗法，蒸发法，电修复法，热修复法挖掘添埋法，通风去污法，焚烧法挖掘添埋法，通风去污法，焚烧法植物提取，植物富集，植物稳定植物提取，植物富集，植物稳定生物修复生物修复植物修复植物修复联联合合修修复复 2、土壤修复技术、土壤修复技术 污染土壤生物降解处理技术污染

22、土壤生物降解处理技术污染物生物降解最适条件的建立，包括土壤中大量和污染物生物降解最适条件的建立，包括土壤中大量和微量元素的适当比例，游离酶的选择与浓度确立及土微量元素的适当比例，游离酶的选择与浓度确立及土壤温度、湿度、壤温度、湿度、pHpH和有机质等常规条件和有机质等常规条件土著微生物的驯化与接种菌的筛选和培养土著微生物的驯化与接种菌的筛选和培养特异性降解微生物的构建特异性降解微生物的构建提高污染物生物可利用性技术等提高污染物生物可利用性技术等 有机有机污染土壤堆腐清洁技术污染土壤堆腐清洁技术 污染区人工生态系统的营造、管理及其持续高效无害化污染区人工生态系统的营造、管理及其持续高效无害化 农

23、业利用技术农业利用技术 土壤生物改良剂发研制与开发土壤生物改良剂发研制与开发 2-1 生物清洁技术生物清洁技术 污染物的固定污染物的固定/稳定化处理稳定化处理 技术技术 污染土壤固定污染土壤固定 - 覆盖技术覆盖技术 电渗析技术电渗析技术 树脂树脂/活性炭浮选技术活性炭浮选技术 污染土壤蒸汽萃取技术污染土壤蒸汽萃取技术 污染土壤泥浆反应器处理技术污染土壤泥浆反应器处理技术 污染土壤冲洗技术污染土壤冲洗技术 针对特定的顽固性污染物的溶针对特定的顽固性污染物的溶 剂萃取技术剂萃取技术重金属或其重金属或其它类型无机它类型无机污染土壤污染土壤石油或其石油或其它有机污它有机污染土壤染土壤 2-2 物理化

24、学清洁技术物理化学清洁技术 针对石油、多环芳烃为目标的污染物生物修复针对石油、多环芳烃为目标的污染物生物修复 优势菌种的筛选与功能实验优势菌种的筛选与功能实验 生物修复技术：泥浆反应器、土壤堆腐、超生物修复技术：泥浆反应器、土壤堆腐、超 富集植物筛选富集植物筛选 2-3 土壤清洁技术研究进展土壤清洁技术研究进展 1，外源微生物引入，外源微生物引入-（关键）条件和原则（关键）条件和原则2，微生物的适应性，微生物的适应性-（重点）机制与影响因素（重点）机制与影响因素3，生物修复过程中污染物的降解，生物修复过程中污染物的降解-限制因素限制因素-浓度）浓度）4，有机污染物次生代谢过程，有机污染物次生代

25、谢过程-问题问题-毒性代谢产物生成毒性代谢产物生成5，生物修复的现场放大技术，生物修复的现场放大技术-技术的应用技术的应用6，污染物的淋溶过程，污染物的淋溶过程 可溶性组分的地下迁移可溶性组分的地下迁移-二次污染二次污染7 7，污染土壤修复的生态安全性评价，污染土壤修复的生态安全性评价 3、土壤修复研究的现存问题、土壤修复研究的现存问题 3-1 3-1 外源微生物引入外源微生物引入条件及原则：条件及原则：(1)(1)当现存的土著微生物不能降解土壤中的污染物当现存的土著微生物不能降解土壤中的污染物, , 如有机如有机污染物降解过程中的中间产物不能为土著微生物降解，考虑污染物降解过程中的中间产物不

26、能为土著微生物降解，考虑引入外来微生物引入外来微生物(2)(2)土壤中污染物浓度过高土壤中污染物浓度过高, , 对土著微生物有毒害作用而不对土著微生物有毒害作用而不能有效降解污染物，考虑引入外来微生物能有效降解污染物，考虑引入外来微生物(3)(3)土壤被污染后需要立即处理，考虑引入外来微生物土壤被污染后需要立即处理，考虑引入外来微生物(1)(1) 是否能够降解大部分目标污染物是否能够降解大部分目标污染物; ; (2)(2) 遗传稳定性如何遗传稳定性如何; ; (3)(3) 在环境中是否能快速生长并具有较高酶活性在环境中是否能快速生长并具有较高酶活性; ;(4)(4) 是否具有较强的与土著微生物

27、生存生长竞争能力；是否具有较强的与土著微生物生存生长竞争能力；(5)(5) 是否无致病性且不产生有毒代谢产物等。是否无致病性且不产生有毒代谢产物等。3-2 3-2 外源微生物引入外源微生物引入需要考虑的因素需要考虑的因素预先暴露于污染环境中的微生物决定生物降解速率。预先暴露于污染环境中的微生物决定生物降解速率。有些微生物对有机污染物的氧化能力较强有些微生物对有机污染物的氧化能力较强, ,这种现象被这种现象被称为适应性。称为适应性。适应性的可能机制有以下适应性的可能机制有以下3 3种：种： 特定酶的诱导和抑制；特定酶的诱导和抑制； 基因突变产生新的代谢群体；基因突变产生新的代谢群体； 有机体的选

28、择性富集。有机体的选择性富集。机制研究的成功是生物修复技术成功的关键要素机制研究的成功是生物修复技术成功的关键要素3-3 3-3 微生物的适应性微生物的适应性-机制与影响因素机制与影响因素污染物的降解因其性质、浓度，对微生物暴露方式不同而异污染物的降解因其性质、浓度，对微生物暴露方式不同而异 解决高浓度污染对生物降解影响的方式通常是进行稀释，解决高浓度污染对生物降解影响的方式通常是进行稀释，以满足微生物降解的浓度要求。以满足微生物降解的浓度要求。 当污染物浓度过低（但尚未达到环境质量安全标准）时，当污染物浓度过低（但尚未达到环境质量安全标准）时，生物修复的速率开始下降，有时甚至难于进行。生物修

29、复的速率开始下降，有时甚至难于进行。解决低浓度污染物降解是生物修复过程中面临的重要问题。解决低浓度污染物降解是生物修复过程中面临的重要问题。3-4 生物修复过程中的污染物的降解（浓度限制因素）生物修复过程中的污染物的降解（浓度限制因素） 很多情况下污染物并不能很快的被微生物完全降解，很多情况下污染物并不能很快的被微生物完全降解，其结果是母体污染物浓度减少，次生代谢产物浓度增加。其结果是母体污染物浓度减少，次生代谢产物浓度增加。修复介质的整体污染状况没有得到根本的治理。修复介质的整体污染状况没有得到根本的治理。 次生代谢产物的产生主要在两个方面次生代谢产物的产生主要在两个方面 一、是产生所谓空端

30、产物。即污染物的附加代谢过程一、是产生所谓空端产物。即污染物的附加代谢过程中产生的一种使细菌酶无法进行转化的产物。中产生的一种使细菌酶无法进行转化的产物。 二、即使污染物被完全降解也伴随中间产物的生成。二、即使污染物被完全降解也伴随中间产物的生成。而以细菌为媒介的反应对这类中间产物的降解速度缓慢而以细菌为媒介的反应对这类中间产物的降解速度缓慢次生污染及毒性代谢问题为生物修复中最重要课题之一。次生污染及毒性代谢问题为生物修复中最重要课题之一。3-5 3-5 有机污染物的次生代谢过程有机污染物的次生代谢过程- -毒性代谢产物的生成毒性代谢产物的生成 土壤安全性评价应以污染物由固态转化为溶解土壤安全性评价应以污染物由固态转化为溶解状态的滤出物为依据。淋溶是个关键性问题。状态的滤出物为依据。淋