土壤污染与修复技术

关于土壤污染与修复技术主要内容土壤背景值与环境容量土壤中污染物的来源与危害土壤中污染物的生物降解与转化污染土壤典型修复技术及原理第2页,共61页，2024年2月25日，星期天土壤背景值及其应用背景值元素：在自然成土过程中，构成土壤自身的化学元素的组成和含量。即未受到人类活动影响的土壤本身的化学元素组成和含量。背景值应用：1）农田施肥2）土壤污染评价3）土壤环境容量4）环境医学1.土壤背景值与环境容量第3页,共61页，2024年2月25日，星期天土壤自净作用（self-purification）进入土壤的污染物，在土壤矿物、有机物和微生物的作用下，经过一系列物理、化学及生物化学反应过程，降低其浓度或改变其形态，从而消除污染物毒性的现象。物理自净：质流、挥发、扩散、吸附等作用化学自净：吸附、沉淀、配合（络合）、封锁(sequestration)、氧化还原等作用生物化学自净：微生物或酶的降解(degradation)作用第4页,共61页，2024年2月25日，星期天土壤环境容量土壤环境单元一定时限内遵循环境质量标准，既保证农产品产量和生物学质量，同时也不使环境污染时，土壤所能容纳的污染物的最大数量。随土壤类型、生态体系的不同而不同。第5页,共61页，2024年2月25日，星期天2土壤中污染物的来源与危害2.1污染土壤的定义2.2土壤污染的特点2.3土壤中污染物的来源2.4土壤污染的类型2.5土壤污染的危害第6页,共61页，2024年2月25日，星期天2.1污染土壤的定义“绝对性”定义：由人类活动向土壤添加有害化合物，此时土壤即受到了污染。这个定义的关键是存在有可鉴别的人为添加污染物。“相对性”定义：以特定的参照数据来加以判断，如以背景值加两倍标准差为临界值，若超过这一数值，即认为该土壤为某元素所污染。“综合性”定义：不但要看含量的增加，还要看后果，即加入土壤的物质给生态系统造成了危害。第7页,共61页，2024年2月25日，星期天三种定义的出发点虽然不同，但有一点是共同的，即认为土壤中某种成分的含量明显高于原有含量时即构成了污染。土壤污染就是指人为因素有意或无意地将对人类或其他生命体有害的物质施加到土壤中，使其某种成分的含量明显高于原有含量、并引起土壤环境质量恶化的现象。第8页,共61页，2024年2月25日，星期天2.2土壤污染的特点

（1）隐蔽性或潜伏性：水体和大气的污染比较直观，严重时通过人的感官即能发现。而土壤污染往往要通过农作物包括粮食、蔬菜、水果或牧草以及摄食的人或动物的健康状况才能反映出来，从遭受污染到产生恶果有一个相当长的逐步积累过程，具有隐蔽性或潜伏性。日本的第二公害病——痛痛病60年代发生于富山县神通川流域，直至70年代才基本证实是镉污染土壤所产生的“镉米”所致。第9页,共61页，2024年2月25日，星期天（2）不可逆性和长期性:土壤一旦遭到污染后极难恢复，重金属对土壤的污染是一个不可逆过程，而许多有机化学物质的污染也需要一个比较长的降解时间。例如1966年冬至1977年春，沈阳以抚顺污水灌溉区发生的石油、酚类以及后来张土罐区镉污染，造成大面积的土壤毒化、水稻矮化、稻米异味、含镉量超过食品卫生标准。经过十余年的艰苦努力，包括施用改良剂、深翻、清罐、客土、选择品种等各种措施，才逐步恢复其部分生产力。第10页,共61页，2024年2月25日，星期天（3）后果严重性：由于土壤污染的隐蔽性或潜伏性、以及它的不可逆性或长期性，往往通过食物链危害动物和人体的健康。第11页,共61页，2024年2月25日，星期天2.3土壤中污染物的来源土壤污染源可分为天然污染源和人为污染源。天然污染源是指自然界自行向环境排放有害物质或造成有害影响的场所，如正在活动的火山；人为污染源是指人类活动所形成的污染源。是土壤污染研究和污染土壤修复的主要对象，而在这些污染源中，化学物质对土壤的污染是人们最为关注的。污染物进入土壤的途径按照所划分的土壤污染源可分为污水灌溉、固体废弃物的利用、农药和化肥、大气沉降物等。第12页,共61页，2024年2月25日，星期天大气沉降（土壤酸化、多环芳烃和二噁英等）污水排灌（重金属、多环芳烃等）化肥农药施用（硝酸盐、PCB、DDT等）固体废物堆放处置工业生产（石油、多环芳烃和重金属污染等）交通运输全球物质循环第13页,共61页，2024年2月25日，星期天2.4土壤污染的类型

土壤污染的类型目前并无严格的划分，如从污染物的属性来考虑，一般可分为有机物污染、无机物污染、生物污染和放射性物质的污染。（1）有机物污染：石油、有机农药等；（2）无机物污染：重金属污染等；（3）生物污染：细菌、真菌等；（4）放射性污染：放射性核素等。第14页,共61页，2024年2月25日，星期天重金属污染土壤的治理措施：（1）通过农田的水分调控，调节水田土壤Eh值来控制土壤重金属的毒性；（2）施用石灰、有机物质等改良剂重金属的毒性与土壤pH关系密切；（3）客土、换土法；（4）生物修复（biologicalreserve）。第15页,共61页，2024年2月25日，星期天Cadmium岩石 0.1

0.2mg/kg天然土壤 0.01

0.70mg/kg我国土壤 0.001

91.46mg/kg来源：电镀、颜料、电池、电视、肥料等毒理：降低植物细胞ATP酶活性阻止植物对K、P的吸收食用“镉米”患骨痛病第16页,共61页，2024年2月25日，星期天Chromium岩石:100mg/kg我国土壤:50

60mg/kg来源：采矿、电镀、颜料、油漆、合金、印染、胶印等六价Cr毒性高于三价Cr毒理：刺激和腐蚀皮肤及粘膜血功能障碍、骨功能衰竭致癌、致畸变植物细胞质壁分离、细胞膜透性变化等第17页,共61页，2024年2月25日，星期天Mercury岩石：0.2mg/kg土壤：0.03mg/kg我国土壤：0.065mg/kg来源：工业污水、农药等毒理：抑制植物光合作用、根系生长、养分吸收、酶活性及根瘤菌的固氮作用等第18页,共61页，2024年2月25日，星期天Copper岩石：70mg/kg,常与硫共存土壤:20

30mg/kg我国土壤：22mg/kg来源：采矿、燃料、城市垃圾、农药毒理：植物光合作用减弱、叶色褪绿、缺铁等第19页,共61页，2024年2月25日，星期天Lead岩石：16mg/kg土壤：13

42mg/kg来源：汽油、蓄电池、采矿（铅锌矿）、颜料、涂料等毒理：植物体内酶的活性、光合作用、呼吸作用、养分吸收毒害人体神经系统、血液及血管，抑制酶促血红素合成过程第20页,共61页，2024年2月25日，星期天Zinc岩石：80mg/kg土壤：50mg/kg我国土壤：100mg/kg来源：采矿、污泥、垃圾、燃料、冶炼等毒理：抑制植物光合作用、韧皮部输送作用、改变细胞膜透性等第21页,共61页，2024年2月25日，星期天Arsenic岩石：2

5mg/kg土壤：9.36mg/kg我国土壤：10.38mg/kg来源：金属开采和冶炼、农药、化肥、燃料等毒理：取代DNA中的磷、抑制水分与养分吸收与细胞蛋白质巯基结合，抑制细胞呼吸酶活性第22页,共61页，2024年2月25日，星期天Fluorin岩石：660mg/kg我国土壤：478mg/kg来源：母质、铝厂、磷肥厂、水泥及砖瓦等硅酸盐工业毒理：腐蚀牙齿、使骨骼的钙代谢紊乱第23页,共61页，2024年2月25日，星期天农药在土壤中的转化土壤对化学农药的吸附作用；农药在土壤中的挥发、扩散和迁移；化学农药在土壤中的降解作用。第24页,共61页，2024年2月25日，星期天农药污染的土壤，除合理施用农药、采用病虫害综合防治，改进农药剂型等以预防为主的系列技术措施外，对污染土壤的治理应从加速土壤中农药的降解入手。

其中采取以下措施：

（1）增施有机肥料，提高土壤对农药的吸附量，减轻农药对土壤的污染；

（2）调控土壤pH和Eh，加速农药的降解。第25页,共61页，2024年2月25日，星期天氮肥对环境的污染（1）对土壤及作物的影响（硝酸盐及亚硝酸盐的毒性）（2）造成水体的富营养化（eutrophication）（3）对大气的污染第26页,共61页，2024年2月25日，星期天磷肥对环境的污染

施入土壤中的磷肥除少部分被作物吸收利用外，大部分被土壤所固定，磷肥因其本身含有各种污染物质，造成土壤、作物的污染。主要有以下几种：（1）重金属污染（2）氟污染（3）放射性污染（4）造成水体的富营养化第27页,共61页，2024年2月25日，星期天2.5土壤污染的危害（1）影响人体和生物健康：土壤可以通过食物链影响人体健康；（2）影响农产品的产量和质量：植物可从污染土壤中吸收污染物，从而引起代谢失调，生长发育受阻或导致遗传变异。（3）影响生态系统安全：通过生态系统的能量流动和物质循环影响整个生态系统。因镉污染而畸变的通心菜第28页,共61页，2024年2月25日，星期天食用死亡死亡排泄氧化反硝化硝化反硝化吸收固氮硝化NH3好氧厌氧硝化作用NO2反硝化作用蛋白质的NH2基NO3-NO2-N2ON2脱氨基作用脱氨基固氮作用N2假单胞菌其它

兼性厌氧菌同化巴氏杆菌蛋白质的NH2基同化作用3土壤污染物的生物降解与转化3.1污染物生物降解和转化的特点3.2典型有机污染物的降解3.3重金属的微生物转化3.4影响微生物降解和转化的因素在陆地在水生境中第29页,共61页，2024年2月25日，星期天自然环境中的有机化合物，受到光化学的、化学的和生物的作用而降解转化。有时转化很快，如葡萄糖之类易代谢的化合物被加到含大量微生物和丰富O2的环境中时；有时降解过程非常缓慢，如贮与黑暗、干燥的埃及法老坟墓中的谷粒、长沙马王堆古尸、“楼兰美女”等，历经几千年而不腐，是因环境条件不适合降解。在土壤中，生物降解是主要的机制，而微生物又在生物降解中占首要地位。第30页,共61页，2024年2月25日，星期天3.1生物降解和转化的特点（1）反应迅速；（2）微生物是主要作用者；（3）生物降解与微生物的生长直接相关；（4）受环境因素影响大；（5）生物降解和转化的产物变化大。第31页,共61页，2024年2月25日，星期天3.2典型有机污染物的生物降解3.2.1脂烃类得降解特点微生物对脂烃类的降解特点：很多微生物可以降解脂烃类；脂烃的生物降解一般都需要氧；长链脂肪烃（C10-C24）比短链脂肪烃（<C10）易于降解，小于C10的脂肪烃大部分只能通过共代谢作用降解，大于C24则不容易降解；链烃比环烃易降解，支链烷烃比直链烷烃易降解；不饱和脂肪烃比饱和脂肪烃容易降解；水分低于50%或pH高于8.5时会抑制生物降解作用。第32页,共61页，2024年2月25日，星期天+O2+2H-H2OOHO-2H+O2+2H-H2OO+H2OCH2OHCOOHCH2CH2CH2CH2CHOCOOHCH2CH2CH2CH2COOHCOOHCH2CH2CH2CH2-2H-2H+H2Oβ-氧化3.2.2脂烃类的降解特点（1）链烃的降解：单末端氧化、双末端氧化、次末端氧化和直接脱氢；（2）环烷烃的生物降解：第33页,共61页，2024年2月25日，星期天（3）单环芳烃的好氧降解由加氧酶氧化为儿茶酚，二羟基化的芳香环再氧化，临位或间位开环。临位开环生成已二烯二酸，再氧化为β—酮已二酸，后者再氧化为三羧酸循环的中间产物琥珀酸和CoA。间位开环生成2—羟已二烯半醛酸，进一步代解生成甲酸、乙酸和丙酮酸。第34页,共61页，2024年2月25日，星期天（4）多环芳烃的降解

由双加氧酶催化，生成顺—萘二氢二醇，然后脱氢形成1,2-二羟基萘，再环氧化裂解，接着去除侧链，形成水杨酸；水杨酸进一步转化为儿茶酚或龙胆酸后开环。第35页,共61页，2024年2月25日，星期天3.2.3多氯联苯的降解特点多氯联苯是人工合成的有机氯化物，作为稳定剂，用途很广（润滑油、绝缘泊油、增塑剂、热载体、油漆、油膜等都含有）。PCBs有毒，对皮肤、肝脏、神经、骨骼等都有不良影响，且是一种致癌因子。目前也已经发现很多微生物可以降解PCBs。第36页,共61页，2024年2月25日，星期天采自污染土壤的样品（土、沉积物、水、污水等）或筛选现有菌株用可降解的外源性化合物同类物预富集用符合培养基（如营养肉汤）+外源性化合物进行预富集以外源性化合物为唯一碳源和能源进行直接富集补加碳源，以外源性化合物为唯一氮、磷或硫源直接富集用外源性化合物的同类物不断取代可降解的底物不断减小补加碳源的浓度外源性化合物的总降解与变构化合物的降解菌共培养改变外源性化合物的化学结构，共代谢富集外源性化合物降解菌的一般方法第37页,共61页，2024年2月25日，星期天3.2.4典型农药的降解特点滴滴涕的共代谢第38页,共61页，2024年2月25日，星期天3.3重金属的微生物转化汞、砷、铅、锡、锑、铜、镉、铬、镍和钒以空气、水和土壤的污染物以及食品残渣之类各种各样的化学形态存在于环境中。第39页,共61页，2024年2月25日，星期天微生物活性与有机物降解速率的关系A.微生物生长曲线.

B.有机物降解曲线3.4影响微生物降解和转化的因素（1）微生物活性：

这是最重要的影响因素，包括微生物的种类和生长速率等方面。不同种

类微生物对同一有机底物或有毒金属反应不同。第40页,共61页，2024年2月25日，星期天（2）化合物的结构：结构简单的较复杂的易降解，分子量小的较分子量大的易降解，聚合物和复合物抗生物降解。碳原子上的氢都被烷基或芳基取代时，会形成生物阻抗物质。第41页,共61页，2024年2月25日，星期天（3）温度；（4）营养；（5）酸碱度；（6）氧；（7）底物浓度；（8）适应训化。第42页,共61页，2024年2月25日，星期天4污染土壤修复技术及原理4.1污染土壤修复技术体系4.2典型修复技术及原理第43页,共61页，2024年2月25日，星期天4.1污染土壤修复技术体系4.1.1按修复场地分类（1）原位（insitu）修复：污染土壤气体提取法井中汽提法（In-wellVaporStripping）；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。第44页,共61页，2024年2月25日，星期天（2）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；淋洗/萃取；淋洗—生物反应器联合修复；第45页,共61页，2024年2月25日，星期天4.1.2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：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。第46页,共61页，2024年2月25日，星期天长期对策可处理计划系统分析应急对策稳定处理原位稳定异位稳定净化处理原位修复异位修复原位分解原位提取分离分解净化4.2典型修复技术的流程及原理污染土壤修复工作流程第47页,共61页，2024年2月25日，星期天废弃材料吸附处理或回收油水分离排水处理达标排放无污染土壤回填高浓度污染土壤高浓度污染土壤油污染土壤土壤淋洗污染土壤表面活性剂Air原位或异位生物修复材料油层水层处理水加热系统营养盐污染土壤清洁土壤洗净土壤搅拌石油污染修复一般流程洗净水第48页,共61页，2024年2月25日，星期天污染土壤修复方法物理修复化学修复生物修复分离法淋洗法调化稳定法热处理法溶剂萃取法氧化还原法微生物修复植物修复动物修复污染土壤修复方法第49页,共61页，2024年2月25日，星期天土壤修复常用技术与方法热力学修复技术：利用热传导（热毯热井或热墙等）或热辐射（无线电波加热）

等实现对污染土壤的修复。热解吸修复技术：以加热方式将受有机物污染的土壤加热至有机物沸点以上，使吸附于土壤中的有机物挥发成气态后再分离处理。焚烧法：

将污染土壤在焚烧炉中焚烧，使高分子量的有害物质（挥发性和半挥发性）分解成低分子的烟气，经过除尘、冷却和净化处理，使烟气达到排放标准。填埋：将废物作为一种泥浆，将污泥施入土壤，通过施肥、灌溉、添加石灰等方式调节土壤的营养、湿度和pH值，保持污染物在土壤上层的好氧降解。第50页,共61页，2024年2月25日，星期天化学淋洗：借助能促进污染物溶解或迁移的化学/生物化学溶剂，在重力作用下或通过水头压力推动淋洗液注入到被污染的图层中，然后再把含有污染物的溶液从土壤中抽提出来，进行分离和污水处理的技术。堆肥法：利用传统的堆肥方法，堆积污染土壤，将污染物与有机物（稻草、麦秸、碎木片和树皮等）、粪便等混合起来，依靠堆肥过程中的微生物作用来降解土壤中难降解的有机污染物。植物修复：运用农业技术改善土壤对植物生长不利的化学和物理方面的限制条件，使之适于种植，并通过种植优选的植物及其根际微生物直接或间接吸收、挥发、分离、降解污染物，恢复重建自然