前言:一篇好文章的誕生,需要你不斷地搜集資料、整理思路,本站小編為你收集了豐富的土壤污染修復技術主題范文,僅供參考,歡迎閱讀并收藏。
關鍵詞:污染土壤;危害;植物修復;技術
植物修復是利用某些植物對土壤重金屬的超量吸收揮發以及對土壤中有機污染物降解等特殊功能,并與根際微生物協同作用,進行原位修復污染土壤的方法,這種方法費用低,效果顯著,不影響環境,是一種極具發展潛力的“綠色產業”。植物修復的對象是重金屬、有機物或放射性元素污染的土壤及水體的一項綠色技術。
一、土壤污染的含義以及危害
土壤污染是指有毒有害污染物的數量和速度超過了土壤的容納能力和凈化速度,而通過多種途徑進入土壤。造成土壤的物理、化學和生物學性質、組成及性狀等發生變化,使土壤的自然動態平衡遭到破壞,從而導致土壤自然功能失調、土壤質量惡化、嚴重影響作物的生長發育和產品的質量,從而產生一定的環境效應,并可通過食物鏈對生物和人類構成危害。土壤污染的危害包括隱蔽性和滯后性、累積性和不可逆性、不易治理性和后果嚴重性。
植物修復技術包括利用植物超積累或積累的植物吸取修復,利用植物代謝功能的植物降解修復、利用植物根系控制污染擴散和恢復生態功能的植物穩定修復、利用植物轉化功能的植物揮發修復、利用植物根系吸附的植物過濾修復等技術;重金屬、農藥、石油和持久性有機污染物、炸藥、放射性核素等是被植物修復的污染物。這種技術的應用關鍵在于篩選具有高產和高去污能力的植物,摸清植物對土壤條件和生態環境的適應性。
三、植物修復的研究和機理
1.植物修復的研究。植物修復是一項綠色技術,它是利用植物修復有毒重金屬、有機物、放射性核素污染土壤、沉積物、地表水和地下水,是一項利用太陽能動力的處理系統。作為早期有機污染植物修復的研究對象是石油烴類,其修復機理已有較清楚的認識。
2.植物修復機理。植物修復技術是一種綠色的修復技術,已經引起人們極大興趣和關注,植物修復技術是污染土壤修復技術中發展最快的領域。當前進行的土壤污染的植物修復機理包括植物提取作用、根際降解作用、植物揮發等作用。
3.植物修復技術的局限性。植物修復既是一種符合公眾心理需求的新技術,是一條綠色的,生態的凈化途徑,而且也是一種經濟有效的凈化的方案。該技術對環境擾動少,可以說是真正意義上的“綠色修復技術”。但是植物修復技術也具有其局限性,這種局限性主要表現在:(1)目前發現的超富集植物所能累積的元素大多較單一,而土壤污染通常是多元素的復合污染。(2)超富集植物生產比較緩慢,生物量低,而且生長周期比較長,因此從土壤中提取的污染物的總量有限。(3)目前發現的超富集植物幾乎都是野生植物,人們對其農藝性狀、病蟲害防治、育種潛力以及生理學等方面的了解還不夠深刻,所以難以優化栽培和培育。(4)猶豫超富集植物的根系比較淺,只能吸收淺層土壤中的污染物,對較深層土壤中的污染物則無能為力。(5)異地引種對生物多樣性的威脅,要引起足夠的重視,這是一個不容忽視的問題。(6)植物器官往往會通過腐爛、落葉等途徑使重金屬污染物重返土壤,因此要將富集重金屬的超富集植物進行收割并作為廢棄物妥善處理。
4.植物修復技術發展前景
(1)植物修復涉及一系列技術,包括不同的植被類型,其作用對象、修復機理和能力都是不相同的。(2)利用放射性同位素標記技術,加強研究植物體內各種生理生化代謝途徑對污染物脅迫下的適應性反應,如光合反應、呼吸代謝、激素應激對污染物脅迫是如何做出適應性改變的,還要加強研究污染物脅迫下植物次生代謝途徑反應以及逆境信號傳導途徑。(3)從分子生物水平加強對植物解毒機理等基礎理論的研究。應重點圍繞根系來探索解毒機制和污染物在植物體內的運輸機制,植物吸收污染物首先要經過根系,因此,要了解植物、土壤、微生物整個體系下各物質之間的相互作用。(4)植物一微生物聯合修復技術可以成為一種很有發展前途的新型生物修復技術,需進一步完善其理論體系、修復機制和修復技術。
關鍵詞:土壤;重金屬;污染;現狀;修復
中圖分類號:TE991.3 文獻標識碼:A
比重大于4或5的金屬為重金屬,如鐵、錳、銅、鋅、鈷、鎳、鈦、鉬、汞、鉛、鎘、砷等。鐵、錳、銅、鋅等重金屬是生命活動所需要的微量元素,汞、鉛、鎘、砷等并非生命活動所必需,而且所有重金屬含量超過一定濃度時對人體有毒有害。
重金屬污染,指由重金屬或其化合物造成的環境污染。土壤重金屬來源廣泛,包括采礦、冶金、化工、金屬加工、廢電池處理、電子制革和塑料等工業排放的三廢及汽車尾氣排放,農藥和化肥的施用等。如,鎘大米,重金屬鎘毒性很大,可在人體內積蓄,主要積蓄在腎臟,引起泌尿系統的功能變化。農灌水中含鎘0.007mg/L時,即可造成污染。
1 土壤污染現狀
土壤是農業最基本的生產資料,是農業發展的基礎,是不可再生的自然資源。而污染企業的快速發展,農業中肥料的大量投入,經濟效益提高的同時,環境的污染也日趨嚴重,使得重金屬在大氣、水體、土壤、生物體中廣泛分布,而土壤往往是重金屬的儲存庫和最后的歸宿。當環境變化時,底泥中的重金屬形態將發生轉化并釋放造成污染。重金屬不能被生物降解,但具有生物累積性,重金屬可以通過食物鏈不斷富集,殘留在一些初級農產品中,傳遞進入人體內,對人類健康產生嚴重危害。
中國目前有耕地1.35億多hm2,但優質耕地數量不斷減少,近期的第二次全國土地調查結果顯示,中重度污染耕地超過300萬hm2,而每年因土壤污染致糧食減產100億kg。中國中央農村工作領導小組副組長陳錫文介紹說,今后受重金屬污染的耕地將退出食用農產品生產,啟動重金屬污染耕地修復試點。
2 控制與消除土壤污染源
在“十二五”規劃中,把重金屬污染的防治列為重要工作,要求到2015年,重點區域鉛、汞、鉻、鎘和類金屬砷等重金屬污染物的排放,比2007年削減15%,非重點區域的重點重金屬污染排放量不超過2007年的水平。
控制土壤污染源,即控制進入土壤中的污染物的數量與速度,通過其自然凈化作用而不致引起土壤污染,加強土壤污灌區的監測與管理,合理施用化肥與農藥,增加土壤容量與提高土壤凈化能力,建立監測系統網絡,定期對轄區土壤環境質量進行檢查。
3 注重農業資源永續利用
我國土壤重金屬污染已經達到相當嚴重的程度,要充分認識重金屬污染的長期性、隱匿性、不可逆性以及不能完全被分解和消逝的特點,從思想上重視了解重金屬對人類及環境造成的危害,提高環境保護意識,建立農業可持續發展長效機制,逐步讓過度開發的農業資源休養生息,促進生態友好型農業發展,加大生態保護建設力度,是為子孫后代留下生存發展空間的重大戰略決策。
4 修復措施
土壤修復即通過科技創新來恢復土壤的農業生產能力和生態環境緩沖調控能力。重金屬對土壤的污染具有不可逆轉性,土壤一旦發生污染,短時間內很難修復,相比水、大氣、固體廢棄物等環境污染治理,土壤污染是最難解決的,土壤重金屬污染問題日益受到人們的關注。有關專家認為,已受污染土壤沒有治理價值,對那些污染嚴重、生態脆弱、資源環境壓力大的耕地,該改種的就改種,該治理的就治理,該退耕的就退耕。目前,土壤修復技術歸納起來有熱力學修復技術、熱解吸修復技術、焚燒法、土地填埋法、化學淋洗、堆肥法、生物修復等多種,目前研究較多的生物修復法,包括植物修復法和動物修復法。
4.1 植物修復法
植物修復法是利用重金屬積累將土壤中的重金屬富集于植物體內,然后通過收割植物從土壤清除出去,植物修復法應用比較普遍和簡便,成本較低,不改變土壤性質,種植的植物不僅美化環境還可以起到防風固坡,防止土壤流失。但是,其治理效率較低,耗時長、污染程度不能超過修復植物的正常生長范圍,只適合中低濃度的污染耕地,而對于高濃度的污染耕地,植物修復法則需要漫長的時間并且效果難料,而且隨著植物離開土壤,還會產生二次污染危害。因此,植物修復技術只能作為一種污染治理輔助技術。
4.2 動物修復法
動物修復是通過土壤動物或者投放動物對土壤重金屬吸收、降解、轉移以去除重金屬或抑制其毒性,被認為是一種有效的生態恢復措施。動物修復的機理:生物體內的金屬硫蛋白與重金屬結合形成低毒或無害的絡合物;生物的代謝物富含SH的多肽,能與重金屬螯合,從而改變其存在狀態;生物體內存在的多種編碼金屬轉運蛋白能提高生物對金屬的抗性。
雖然土壤的修復技術很多,但沒有一種修復技術可以針對所有污染土壤。相似的污染狀況,不同的土壤性質、不同的修復需求,也制約一些修復技術的使用。大多數修復技術對土壤或多或少帶來一些副作用。
5 小結
綜上所述,由于土壤重金屬來源廣泛、復雜,增加了對土壤重金屬治理和修復難度,嚴重制約了我國農業生產,要更好地防治土壤重金屬污染,還需要廣大科研工作者不懈的努力,研發出更好的效率更高的修復技術,要大力宣傳加強全民環保意識,把環境污染程度降到最低,形成全社會都來重視土壤污染的良好環保氛圍,逐步改善土壤生態環境。目前,研發適用性廣、成本低、見效快、環保的土壤重金屬污染修復技術是各國土壤重金屬生態修復的前沿問題,也是迫切需要解決的問題。
參考文獻
[1] 陳海仟,吳光紅,張美琴,潘道東.我國水產品重金屬污染現狀及其生物修復技術分析.農產品質量安全論叢--2008年農產品質量安全國際研討會論文集.
[2] 農產品中重金屬風險評估.農產品質量安全風險評估--原理、方法和應用.
[3] 沈振國,劉有良.超積累重金屬植物研究進展[J].植物生理學通報,
1998,34(2).
關鍵詞:土壤修復;表面活性劑;增溶作用;吸附;膠束
中圖分類號:X131.3文獻標識碼:A文章編號:16749944(2013)05016305
1引言
土壤是各種污染物的源和匯。農業生產中的化肥、農藥大量施用,城市垃圾的隨意堆放,油井開采的措施不當等人為因素都造成土壤有機污染的加劇。土壤是一類特殊的環境體系,由固-液-氣-生物等多相介質構成。土壤成分的復雜性決定了其污染狀態的復雜性,有機物、重金屬等以不同的結合態或游離態存在于土壤中[1],因此,土壤污染的修復難度很大,選擇合適的修復方法對于防止污染物的遷移擴散及恢復土壤的生態功能有著重要意義。
2土壤有機污染及修復方法概述
選擇合適的修復方法首先要了解有機污染物在土壤中的存在狀態,通常認為污染物吸附于土壤有機質上,但來源不同的土壤或不同種類的污染物其吸附行為存在差異,還沒有統一的理論。目前土壤有機污染的修復方法包括熱修復、生物修復和化學修復,實踐中需綜合考慮被污染土壤的特點和所要達到的目的從而選擇合適的修復方法。
2.1土壤有機污染的特點
有機污染物在土壤上的吸附行為決定著其在土壤環境中的遷移轉化、歸趨、生物生態效應及修復、緩解途徑和機制。目前較為認可的吸附理論是分配理論,認為弱極性非離子有機物從水相吸附到土壤有機相是有機物在土壤中的分配過程,土壤吸附作用的強弱取決于有機質含量[2]。但分配理論無法解釋土壤分配系數與土壤復雜的有機成分之間的關系及吸附等溫線的非線性
Key words:the cities of Guangzhou,Foshan and Zhaoqing;API;SO2;NO2;PM10等問題,相應的,關于土壤分配系數變化、低濃度非線性吸附、復合污染吸附行為及效應的研究成為焦點。
2.1.1土壤分配系數隨土壤成分而變化
同一種有機物在不同土壤上的分配系數相差數倍。土壤有機質(SOM)的組成影響土壤分配系數,研究者以不同方法證明,SOM極性越高,其吸附有機污染物的能力越低。綜合研究表明,有機污染物在土壤上的分配系數變化受以下因素影響[3]:土壤的來源和有機質的腐殖化程度,特別是有機質的組成與結構(如極性、方向性、脂肪性);水中存在溶解性有機質(Dissolved Organic Matter,DOM)。
這些影響因素表明,在選擇土壤有機污染的修復方法時,要注意對土壤狀況的調查,對方法的小規模試驗,對于不同的土壤來源,其修復方法和操作過程應有所差異。
2.1.2污染物的低濃度影響吸附等溫線
由于土壤中有機污染物的濃度通常較低,有機物的吸附行為更為復雜[4,5]。SOM可能存在不同的形態,如玻璃態對有機物的吸附速率大于橡膠態;焦炭類物質的存在與SOM形成競爭吸附,并且焦炭類物質的濃度較低時,非表面吸附現象較明顯;另一方面,當SOM被水飽和后將增加極性有機物的表面吸附位。上述因素都會導致吸附等溫線出現非線性的特征,由此引出的特殊吸附作用理論也成為研究的焦點。
2.1.3土壤有機污染屬于復合型污染體系
土壤環境是由固-液-氣-生物等多相介質構成的復雜體系,污染物來源眾多,組成復雜,而污染造成的生態效應具有長期性綜合性的特點[6,7]。因此,研究土壤有機污染的修復也應建立在多介質多過程的復合體系理論基礎之上[8]。本文介紹的表面活性劑修復技術就是基于這一理論的修復方法之一。
土壤有機污染的特點是,污染物在土壤中的遷移變化屬于多介質多過程的復合污染體系,污染物的低濃度吸附超出了線性理論的研究范疇,不同來源的土壤對污染過程和修復過程作用差別很大,因此,研究土壤有機污染現狀需要針對實際土壤環境的特點做詳細的分析和試驗才能進一步尋找合適的修復方法。
2.2土壤有機污染的常見修復方法
土壤有機污染往往超出了土壤環境的自凈能力,為了恢復土壤的生態和農業效用,已有多種用于土壤有機污染的修復方法。下面介紹其中應用較為廣泛的幾種,同時與表面活性劑修復方法加以比較。
2.2.1熱修復方法
土壤有機污染的熱修復方法原理是,利用有機物的熱揮發性,采用加熱的方法將污染物從土壤中解吸出來。熱修復方法工藝簡單,技術成熟,但該方法能耗過大,導致操作費用很高,而且從適用范圍來講,加熱方法也只適用于易揮發的有機污染物[9]。
2.2.2生物修復方法
土壤有機污染的生物修復方法是利用土壤定的微生物將有機污染物降解,以恢復土壤的生態能力[10]。土壤中通常存在高效降解污染物的微生物,如能將其馴化成優勢微生物,通過優化操作條件,可以加速微生物的降解作用,修復被污染土壤[11]。
生物修復方法效果較好,但所需修復時間較長。在各種污染介質的修復中,生物方法都因成本較低、副作用小而受到較多關注。但是在土壤污染的修復中,因為土壤成分和生物結構的復雜性,生物修復方法的修復效率還有待提高。
2.2.3化學修復方法
土壤有機污染的化學修復方法相對生物修復方法更為簡單,在土壤中注入表面活性劑和有機溶劑,提高有機污染物的溶解性和流動性,使其從土壤中洗脫出來,即利用表面活性劑和有機溶劑實現強化的洗脫效果[12]。
由于污染物常常被土壤有機質強烈吸附,降低了其生物可利用性,因此,從解吸的角度修復土壤有機污染是可行的。化學方法正是利用了洗脫劑在有機物相互吸附過程中的影響,使有機污染物脫離土壤有機相。
以上3種方法是常見的土壤有機污染的修復方法,分別從不同角度解決土壤有機污染的問題,從修復效率和恢復土壤的生態功能來講,化學修復是相對溫和而有效的方法。其中,表面活性劑修復技術是一種應用廣泛的化學洗脫方法,下面將就土壤有機污染的表面活性劑修復技術做詳細的介紹。
3表面活性劑修復技術概述
土壤中的有機污染物往往以吸附態存在,而大多數修復技術針對溶解態污染物最有效,因此吸附影響了其修復效率。表面活性劑能夠增加污染物的溶解性和遷移性,因此利用表面活性劑的化學洗脫技術收到重視。
3.1表面活性劑的特點及其增溶作用
表面活性劑分子的特點是具有兩性基團,親水基團和疏水基團(親脂基團)。表面活性劑能夠顯著降低接觸界面的表面張力,增加有機污染物特別是疏水有機污染物在水相的溶解性[13]。
當表面活性劑濃度很低時,表面活性劑的存在形式為:單體的疏水基團靠攏而親水基團分散在溶液相;當表面活性劑達到一定濃度時,單體迅速聚集,形成球狀、棒狀或層狀的“膠束”,該濃度稱為臨界膠束濃度(Critical Micelle Concentration,CMC)[14]。膠束是由以疏水性基團為核心,親水性基團包裹疏水核心構成的集合體,膠束外表面的親水性使其可以在土壤水相中自由運動,攝取溶解態有機污染物而發揮增溶作用。表面活性劑單體也可以增加有機污染物的溶解性,但其效果相對于膠束態并不明顯。膠束態是表面活性劑的高效作用狀態,膠束態的表面活性劑可以顯著增加有機污染物的溶解性。
根據“相似相溶”的原理,疏水性有機污染物有進入膠束內部的趨勢,因此當表面活性劑濃度超過CMC時,污染物分配趨于進入膠束核心,大量膠束的形成增加了污染物的溶解性。
3.2用于土壤有機污染修復的表面活性劑類型
表面活性劑按親水性離子分為陰離子表面活性劑、陽離子表面活性劑、非離子表面活性劑和兩性離子表面活性劑。目前常用于土壤有機污染修復的表面活性劑列于表1[14]。
2013年5月綠色科技第5期表1表面活性劑類型舉例
類型名稱目標污染物非離子型表面活性劑十二烷基聚氧乙烯醚十二烷、癸烷、苯、甲苯、氯苯、二氯苯、三氯乙烯、多環芳烴辛烷基聚氧乙烯醚多環芳烴壬烷基聚氧乙烯醚多環芳烴辛基苯基聚氧乙烯醚三氯乙烯、四氯乙烯、三氯苯、DDT、多氯聯苯壬基苯基聚氧乙烯醚三氯乙烯、四氯乙烯、二氯苯、四氯苯、多環芳烴聚氧乙烯脫水山梨醇單油酸酯烷烴聚氧乙烯油酸酯十二烷、甲苯、三甲苯、菲十二烷基硫酸鈉廣泛用于去除各種有機污染物陰離子表面十二烷基苯磺酸鈉活性劑十二烷基雙苯磺酸鈉其他皂角甘萘、六氯苯石油磷酸鹽DDT、三氯乙烯、多環芳烴環糊精多環芳烴乙烯吡咯烷酮/苯乙烯多環芳烴
帶有陽離子的表面活性劑不常使用,因為土壤顆粒帶負電,會吸附表面活性劑的陽離子,使其難以發揮增溶作用。一般,非離子表面活性劑比陰離子表面活性劑洗脫效率更高,可能原因有兩方面,一是陰離子表面活性劑的CMC較高,同等濃度下不容易形成膠束,二是因離子表面活性劑組分在含水層的沉積,沉積在介質表層的表面活性劑會增加土壤的有機碳含量,增加了土壤的疏水性,不利于有機污染物從土壤上解吸下來[14]。
3.3表面活性劑修復土壤的影響因素
表面活性劑用于土壤有機污染的修復效果受到各種因素影響,這些因素可能會影響表面活性劑的CMC,或影響土壤有機質的成分,或影響表面活性劑增溶有機物的過程,下面分別說明。
3.3.1表面活性劑的性質
表面活性劑的性質包括其類型、在土壤中的飽和濃度及水油平衡值(HLB)[15]。
表面活性劑分子的疏水基團一般是由烴基構成的,而親水基團則由各種極性基團組成,種類繁多,因此,表面活性劑在性質上的差異,除與烷基的大小和形狀有關外,主要與親水基團的類型有關。前面已提到表面活性劑用于土壤有機污染修復常見的類型是非離子型和陰離子型,兩種類型的作用效果不同,非離子型的表面活性劑CMC低,易形成膠束,修復效果好[16-18]。但部分污染物反而在因離子表面活性劑作用時效果好,在實際修復時,要做詳細的分析和試驗才能確定。
表面活性劑在土壤中存在飽和濃度,研究表明:表面活性劑接近飽和濃度時,才會有明顯的洗脫作用,當表面活性劑用量遠遠低于土壤飽和量時,表面活性劑被土壤所吸附,反而不利于洗脫作用的發揮。
表面活性劑作為一種兩性物質也有分配于水相和油脂相的動態平衡,水油平衡值(HLB)是描述表面活性劑在水相和油脂相達到動態平衡時其分配比例的參數。表面活性劑的HLB越低,修復作用越好。原因是表面活性劑在一定范圍內越易溶于油脂相,與有機污染物的親和力越強,越易將其從土壤中洗脫下來[19]。
3.3.2被污染土壤的成分
有機污染物在土壤上的吸附受到SOM含量的影響,實際環境中,表面活性劑也會被SOM吸附[20],影響其增溶或洗脫作用。若土壤有機質含量偏低,粘粒含量將成為影響洗脫效果的重要因素[3]。粘粒含量高的土壤洗脫過程較慢,且表面活性劑的有實際濃度低。原因是粘粒含量高時,土壤對有機污染物和表面活性劑的吸附同時加強,導致洗脫作用的滯后。如果僅考慮表面活性劑的洗脫修復作用,這也造成了表面活性劑的浪費,但有研究發現,表面活性劑吸附于土壤可以從土壤內部降低相界面表面張力,從而增加有機污染物的滲出。
3.3.3共溶劑的輔助作用
共溶劑指的是甲醇等小分子有機溶劑,在水相中加入適當濃度的有機溶劑可以大大提高有機物在水相的溶解度。共溶劑與表面活性劑共同使用時,由于共溶劑分子大小比表面活性劑膠束分子小得多,能有效地幫助疏水性有機污染物由土壤有機相向水相遷移。另外,共溶劑本身也能溶解于膠束核心,形成一個溶劑-表面活性劑大膠束,增大了核心的有效容積,提高了有機污染物的分配能力[14]。
4表面活性劑修復機理
表面活性劑對土壤的修復主要通過增加有機污染物的溶解性,使污染物從土壤上解吸下來,并隨洗脫液遷移離開土壤。表面活性劑的修復機理可以從其增溶過程來理解[3,14,20]。表面活性劑對有機污染物的增溶過程分為直接增溶和間接增溶兩種機制,下面分別詳細說明,并引入公式對表面活性劑的增溶能力進行評價。
4.1表面活性劑的增溶機理
大部分有機污染物通過各種化學作用力吸附在土壤有機質(SOM)上,其中主要是疏水作用力,另有部分有機污染物溶解于土壤顆粒周圍的水相中,溶于水相的污染物和吸附與SOM的污染物形成動態平衡。表面活性劑對有機污染物也靠疏水作用力而吸附,且表面活性劑對有機污染物的吸附能力強于土壤有機質,作用的結果即是有機污染物從SOM上解吸下來,進入水相。表面活性劑奪取有機污染物的過程尚不確定,根據表面活性劑是否直接接觸污染物,分為直接增溶和間接增溶兩種過程[21]。
4.1.1直接增溶過程
表面活性劑對有機物的直接增溶過程認為表面活性劑單體先接觸污染物的分子,再形成膠束。
表面活性劑隨洗脫液進入土壤顆粒周圍的水相,接觸溶解態的污染物并通過疏水作用吸附污染物,隨著表面活性劑濃度的增加,直至超過CMC,吸附了污染物的單體將以污染物為核心形成膠束。膠束在洗脫液中擴散,攜帶污染物遷移離開被污染土壤。由于污染物的溶解態和吸附態存在動態平衡,吸附于SOM的污染物會進入水相,進而重復表面活性劑奪取污染物的過程。最終,大部分污染物都將被表面活性劑奪取,并洗脫出去。
4.1.2間接增溶過程
表面活性劑對有機物的間接增溶過程認為表面活性劑先形成膠束,再通過水相介質獲取污染物,使其進入膠束核心。
表面活性劑也是先進入土壤顆粒周圍的水相,由于濃度高于CMC,迅速形成膠束態,分散于水相。由于膠束表面是親水的,與疏水的污染物相互排斥而無法接近。間接增溶機理認為有機物在水相的溶解態是以被水相包圍的狀態存在的,因此表面活性劑膠束可以通過接觸水相而間接攝取污染物。接下來的擴散遷移過程與直接增溶相同,也造成動態平衡的移動,而增加污染物的溶解性。
4.2表面活性劑的增溶能力評價
為了選擇合適的表面活性劑進行土壤修復,需要先確定其對污染物的增溶能力,可以通過理論對比或試驗分析來確定。下面引入評價表面活性劑增溶能力的兩個公式。
公式(1)[3]:
S*w/Sw=1+XmnKmn+XmcKmc(1)
其中各參數的含義如下:S*w-有機物的表觀溶解度;Sw-有機物在純水中的溶解度;Xmn-單體形式的表面活性劑濃度;Xmc-膠束形式的表面活性劑濃度;Kmn-有機物在表面活性劑單體和水之間的分配系數;Kmc-有機物在表面活性劑膠束和水之間的分配系數。
該公式考慮到表面活性劑單體和膠束兩方面的增溶能力,是相對于沒有任何增溶劑時污染物的溶解能力來表述的。當表面活性劑濃度低于CMC時,考慮Kmn大小,即表面活性劑單體相對對有機物的增溶能力,同理,高于CMC時,則主要考慮Kmc大小。Kmn和Kmc均與有機污染物的疏水性正相關,與表面活性劑的水油平衡值(HLB)負相關。
公式(2)[22]:
MSR=S-SCMCCS-CMC(2)
其中各參數的含義如下:MSR-摩爾增溶比;CMC-臨界膠束濃度;CS-表面活性劑濃度大于CMC時的任一濃度;S-表面活性劑濃度為CS時有機物的表觀溶解度;SCMC-表面活性劑濃度為 時有機物的表觀溶解度。
該公式只考慮表面活性劑膠束的增溶作用,以達到臨界膠束濃度(CMC)前的溶解性參數作為對照。可以利用該公式通過試驗來估計表面活性劑對某種污染物的增溶效果,如圖1。
圖1以試驗方法估計表面活性劑增溶效果的示意圖
評價表面活性劑增溶能力的公式還有多種,例如與表面活性劑的辛醇水分配系數相關的評價公式,以及考慮到表面活性劑在土壤上的吸附而對增溶產生的負作用的公式等[20]。不管哪種公式,在應用時都要考慮到土壤環境的復雜性以及表面活性劑與污染物的多種作用力綜合增溶的效果。
5表面活性劑修復技術的展望與思考
5.1表面活性劑修復技術的展望和應用
土壤有機污染日益嚴重,尋找快速高效的修復土壤有機污染的方法十分重要。表面活性劑由于其特殊的結構、性質及性能,在土壤有機污染修復中的應用獲得越來越多的關注。
表面活性劑屬于化學洗脫法的一種,利用水頭壓力推動洗脫液通過被污染土壤,將污染物從土壤中洗脫出去,然后再用泵將洗脫液抽提出來,并對含有污染物的洗脫液進行處理。洗脫液中含有表面活性劑和共溶劑,也可以針對被污染土壤的特點加入絡合劑[14]。表面活性劑在土壤有機污染修復中的作用主要是通過自身在多介質中的吸附和溶解行為,形成不同的吸附態和溶解態,從各方面對有機污染物產生增溶作用,來改變有機污染物在土壤上的吸附行為和生物可利用性,進而達到修復土壤有機污染的目的。
化學與生物相結合修復是當前土壤有機污染最具潛力的修復方式,基于表面活性劑和其他化學試劑的活化作用,洗脫土壤污染物,增大污染物在水中的溶解度,改善其生物可利用性,促進微生物對污染物的降解或植物對污染物的吸收,提高被污染土壤的修復效率[8]。
表面活性劑修復技術已廣泛用于土壤有機污染的修復,但其推廣應用仍存在一些問題。主要是表面活性劑的回收和存留于土壤中的毒性問題。
表面活性劑的回收是從修復成本和環境保護兩個角度來考慮的。表面活性劑用于土壤有機污染修復中,使用的濃度一般較高,同時表面活性劑在洗脫中損失很大,這一部分損失多是在土壤中的吸附截留。表面活性劑的回收需將有機污染物與表面活性劑徹底分離,利用空氣吹脫法、萃取法和沉淀法等方法可以將污染物從洗脫液中分離出去,再通過膜分離、泡沫分離等方法將表面活性劑濃縮提取。回收費用與損失造成的浪費相比,僅占一小部分,因此回收表面活性劑在經濟上是可行的。同時,可以將環境影響減到更小。
表面活性劑的毒性問題是一直以來關注的焦點,雖然目前的研究表明表面活性劑對生物沒有毒性作用,也無生物積累效應[23],但表面活性劑種類繁多、性質各異,長期存在于土壤中仍然存在環境隱患。在工程應用時,除了注入洗脫液進行修復外,還需在修復完成后,沖洗殘留的表面活性劑,將其從土壤上解吸下來。另外,表面活性劑的降解主要靠生物降解,因此,在修復完成后應創造有利條件加快表面活性劑的生物降解。
近年來,“生物表面活性劑”開始受到關注。生物表面活性劑是由微生物、植物或動物產生的天然表面活性劑[15]。由于其臨界膠束濃度(CMC)低,修復效果好,易被生物降解,可以減少二次污染,因而應用前景良好。
5.2關于表面活性劑修復技術的思考
表面活性劑因其特殊的化學結構和對良好的活化性能,已廣泛應用于人類生活和生產的各個領域,在環境保護領域,表面活性劑既是環境治理的去除對象,又是環境修復的有效工具。表面活性劑進入地表水環境中,將改變水的感官性狀,產生泡沫,如果造成水源污染,將難以徹底清理。同時,表面活性劑在廢水當中大量存在還會造成有機物的乳化、分散,增加廢水處理的難度。可見,表面活性劑大量使用會給環境帶來不利影響,應適當控制表面活性劑的使用。
表面活性劑的修復機理尚不完全清楚,對實踐的指導作用還要靠詳細的試驗和分析來確定修復方案。目前的研究多集中于利用表面活性劑修復被特定有機物污染的土壤,而對于多污染成分和非均質土壤的復雜情況還不能全面了解其作用機理和修復過程,研究力度有待加強,且對修復機理的深入研究不應被忽視。
隨著人類生活范圍的擴張和工業生產規模的擴大,有機污染迅速擴張到土壤環境中,土壤作為一種多相多成分的復雜介質,往往是污染物的最終去向,同時土壤還承擔著生態修復的重要任務。土壤環境的保護應該受到更多的重視,不僅包括被污染土壤的修復和污染物的徹底隔離,還應對污染的產生和擴散加以控制,這樣也將避免因修復導致的負作用使土壤失去生態功能。
綜上所述,表面活性劑對土壤有機污染的修復主要靠其對污染物的增溶作用,將污染物從土壤有機質中解吸下來,進一步通過洗脫去除污染物,或由生物降解和富集作用緩解土壤受污染的程度。表面活性劑在土壤有機污染修復中具有很大的應用潛力,并已積累了一定的研究成果,但仍存在許多問題有待于進一步的研究和實踐來闡明其修復機理。另一方面,從污染控制的角度,應著力減少有機污染物向環境中的排放,保持土壤的生態功能。
參考文獻:
[1] 周東美,王慎強,陳懷滿.土壤中有機污染物-重金屬復合污染的交互作用[J].土壤與環境,2000,9(2):143~145.
[2] Chiou C T.Partition and adsorption of organic contaminants in environmental systems[M].New Jersey:John Wiley&Sons,Inc.,Hoboken,2002.
[3] 陳寶梁.表面活性劑在土壤有機污染修復中的作用及機理[D].杭州:浙江大學,2004.
[4] Young T,Weber W.Effects of diagenetic processes on sorption energetics [J].Environmental Science and Technology,1995(29):92~97.
[5] Weber W,Huang W.Intraparticle heterogeneity and phase-distribution relationships under nonequilibrium conditions[J].Environmental Science and Technology,1996(30):881~888.
[6] 郭觀林,周啟星.土壤-植物系統復合污染研究進展應用[J].應用生態學報,2003,14(5):823~828.
[7] 趙保衛,朱利中.表面活性劑增效修復土壤有機污染研究進展[J].環境污染治理技術與設備,2006,7(3):30~35.
[8] 戴樹桂,葉常明.多介質多界面環境體系中化學污染物的環境化學行為[M].北京:科學出版社,2000.
[9] 錢暑強,劉錚.污染土壤修復技術介紹 [J].化工進展,2000(4):10~13.
[10] 馬淑敏,劉雅娜,金文標,等.有機污染土壤的生物修復研究進展[J].河北建筑科技學院學報,2006,23(3):39~42.
[11] 朱利中.土壤及地下水有機污染的化學與生物修復[J].環境科學進展,1999(2):65~71.
[12] 陳剛才,甘露,萬國江.土壤有機物污染及治理技術[J].重慶環境科學,2000,22(2):45~49.
[13] 趙國璽.表面活性劑物理化學[M].北京:北京大學出版社,1991.
[14] 戴樹桂.環境化學 [M].北京:高等教育出版社,2006.
[15] 邱罡,謝凝子,吳雙桃等.表面活性劑在污染土壤修復中的應用[J].河北化工,2008(5):66~69.
[16] 盧向陽,唐明遠,黃 彬,等.茶皂素表面活性性能及對絲毛織物的洗滌效果[J].湖南農業大學學報:自然科學版,2000,26(3):218~220.
[17] 梁治齊,宗惠娟,李金華.功能性表面活性劑[M].北京:中國輕工業出版社,2002.
[18] 張永,廖柏寒等.表面活性劑在污染土壤修復中的應用[J].湖南農業大學學報:自然科學版,2007,3:348~352.
[19] Karns J.,Torrents A..Influence of rhamnolipids and triton X-100 on the desorption of pesticides form soils [J].Environmental Science and Technology,2002(36):4669~4675.
[20] Chu W.,So.W..Modeling the two stages of surfactant-aided soil washing [J].Water Research,2001(35):761~767.
[21] Sailaja D.,Suhasin K.L.,Kunar S.,and Gandhi K.S.Theory of rate of solubilization into Surfaetant so1utions [J].Langmuir,2003(19):4014~4026.
1.土壤重金屬污染的現狀
重金屬一般指密度在4.5g/cm3以上的45種元素。常見的對土壤造成污染的重金屬包括鋅、銅、鉻、鎳、鉛、鎘、汞等元素,它們不僅導致土壤退化、農作物產量和品質下降,還會通過徑流和淋洗作用污染地表水和地下水,并通過直接接觸、食物鏈等途徑危及人類的生命和健康。據不完全調查,目前全國受污染的耕地約0.1億ha,占全國耕地的1/10以上;而在土壤污染中,受鎘、砷、鉻、鉛等重金屬污染的耕地面積近2000萬ha,約占總耕地面積的1/5,其中工業“三廢”污染耕地1000萬ha,污水灌溉農田面積達330多萬ha,據估算,全國每年因重金屬污染而減產糧食1000多萬噸,造成的直接經濟損失超過200億元。
2.土壤重金屬污染的生物修復技術
2. 1 植物修復 植物修復是一種利用自然生長植物或遺傳培育植物修復重金屬污染土壤的技術總稱,采用植物對重金屬的忍耐和超量積累能力并結合共生的微生物體系來實現對重金屬污染環境的修復。植物修復技術主要是包括了植物萃取技術;根際過濾技術;植物穩定技術;植物揮發技術。植物萃取是利用重金屬積累植物或超積累植物將土壤中的重金屬萃取出來,富集并運送到植物根部的可收割部分或植物的地上枝條部位;根際過濾是利用重金屬超積累植物或耐重金屬植物從污水中吸收、沉淀和富集重金屬;植物穩定是利用耐重金屬植物或重金屬超積累植物降低重金屬的活性,從而減少重金屬被浸淋到地下水或通過空氣載體擴散進一步污染環境的可能性;植物揮發是指利用植物把土壤中的重金屬轉化為氣體排出土壤,然后在集中起來處理。利用植物修復技術修復土壤重金屬的焦點主要集中在對超富集植物的研究,超富集植物是指能超量吸收重金屬并將其運移到地上部分的植物。
2. 2 微生物修復 微生物可以降低土壤中重金屬的毒性,吸附積累重金屬,改變根際微環境,從而提高植物對重金屬的吸收,揮發或固定效率。如硫酸還原菌、藍細菌、動膠菌及一些藻類,它們能夠產生胞外聚合物,這些胞外聚合物能與重金屬離子形成絡合物。微生物重金屬修復的機理包括表面生物大分子吸收轉運、細胞代謝、空泡吞飲、生物吸附和氧化還原反應等。利用微生物(包括細菌、藻類和酵母等)來減輕或消除重金屬污染,國內外已有許多報道。相關研究表明微生物可使還原態重金屬氧化,如無色桿菌、假單胞菌能使亞砷酸鹽氧化為砷酸鹽,從而降低砷的轉移和毒性。菌根真菌能極大地提高銅在玉米根系中的濃度和吸收量,而玉米地上部分的銅濃度和吸收量變化不顯著,這表明叢枝菌根有助于消減銅由玉米根系向地上部分的運輸。許友澤等研究表明未滅菌土壤中土著微生物對Cr(Ⅵ)進行了修復,使溶出的Cr(Ⅵ)明顯減少。通過7天的淋溶,培養基中未檢測到Cr(Ⅵ)的存在,即鉻污染土壤中Cr(Ⅵ)在7天內基本得到完全修復。但目前,大部分微生物修復技術還局限在科研和實驗室水平,實例研究還不多,無法大面積推廣,對于微修復技術還需做更深入探索。
3.展望
關鍵詞 砷;土壤;污染現狀;植物修復;產后處置
中圖分類號 X53;X592 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739(2016)14-0190-04
Progress on Soil Arsenic Contamination and Its Phytoremediation Technology
DUAN Zhi-bin HU Feng-qing * AN Ji-ping WANG Ji
(School of Geographic and Environmental Sciences,Guizhou Normal University,Guiyang Guizhou 550031)
Abstract The article summarized contamination situation and hyperaccumulator exploitation of soil arsenic,the enhancement of phytoremed-iation technology methods and reinforcement measures were discussed.Meanwhile,different disposal technologies of hyperaccumulator were introduced and compared.In addition,prospects of hyperaccumulator technology in soil arsenic contamination were proposed.
Key words arsenic;soil;contamination situation;phytoremediation;disposal technologies
砷污染已成為現代社會世界性的環境化學污染問題,由于砷在自然界廣泛存在和使用,砷毒害也已經成為威脅人類健康和社會可持續發展的重要因素。我國砷污染形勢日益嚴峻,尤其是湖南、云南、廣西、廣州、貴州等省份,大規模的工業活動和礦山開采冶煉使土壤受到嚴重的砷污染[1-3]。土壤中砷會導致土壤退化、影響農業可持續發展,因此土壤砷污染研究及其修復技術成為環境科學領域研究的熱點。
自從首次發現砷超富集植物(Hyperaccumulator)蜈蚣草后,其修復砷污染土壤逐漸成為研究熱點,但多數集中研究蜈蚣草對砷的吸收和富集機理上。本文在綜合分析前人在該領域的研究成果的基礎上,對砷富集植物開發、提高植物修復砷污染土壤效率的技術途徑與強化措施以及植物產后處置技術等方面進行闡述,以期為今后的研究提供理論支撐。
1 國內外土壤砷污染現狀
土壤環境中砷的來源十分廣泛,包括土壤母質、火山噴發等自然因素,而以人類工農業生產以及礦山開采冶煉等活動造成大量砷進入土壤環境的人為因素通常是造成土壤砷污染嚴重的重要原因。土壤砷污染因其隱蔽性、長期性和不可逆性等特點,通過生物富集作用,最終進入人體,攝入超出限量值會對人體健康產生危害,嚴重時會引發“三致”效應。
目前,全球有數萬個砷污染區域,最高土壤砷含量可達26 500 mg/kg[4],澳大利亞就占有超過10 000個土壤砷污染場地,其中有幾個污染場地土壤砷濃度超過9 900 mg/kg[5],墨西哥拉姑內拉地區土壤砷濃度也高達2 657 mg/kg[6],造成部分國家和地區土壤砷濃度加深的重要來源是采礦和冶煉活動“三廢”的排放(表1)。據數據調查顯示,我國年產砷礦渣50萬t,已囤積的砷渣超過200萬t,約有2 000萬人生活在土壤砷污染高風險區域,土壤砷中毒事件屢見報道[11-12]。由表1可知,我國貴州、湖南、云南等省份采礦區土壤砷濃度嚴重超出《土壤環境質量標準(GB15618-1995)》。
隨著砷污染范圍逐漸擴大,我國城市城郊菜地土壤砷污染研究受到廣泛重視[13]。陳智虎等[14]對貴陽市近郊菜地土壤砷污染狀況調查發現,個別菜地出現無污染向中度污染變化現象,張竹青等[15]對荊州市郊區蔬菜基地砷污染現狀研究發現,蔬菜中砷污染是源于含砷農藥噴灑。北京、上海、廣州、重慶等大城市也都比較系統地對郊區菜地土壤中砷含量進行測定(表2)。食入土壤砷污染的農產品是當前危害局地人群健康最主要的形式,我國土壤砷污染的治理與修復顯得尤為重要。
2 砷污染土壤植物修復研究現狀
目前,傳統的物理、化學方法修復砷污染土壤具有工程量大、投資費用高、破壞土壤結構等缺點,而植物修復技術因其經濟有效、生態協調、環境友好等特點,具有其他傳統修復技術不可比擬的優越性。
2.1 砷富集植物的開發現狀
國際上篩選出的重金屬超富集植物超過400種,而國內外文獻報道砷超富集植物主要有蜈蚣草(Pteris vittata L)、粉葉蕨(Pityrogramma calomelanos)、大葉進口邊草(Pteris cr-etica L)、長夜甘草蕨(Pteris longifolia)、井邊蘭草(Pteris mul-tifida)、斜羽鳳尾蕨(Pteris oshimensis)、紫軸鳳尾蕨(Pteris apericaulis)、白玉鳳尾蕨(Pteris cretica Albo-Lineata)、狹眼鳳尾蕨(Pteris biaurita L)、琉球鳳尾蕨(Pteris ryukyuensis Tagawa)、粗蕨草(Pteris.quadriaurita Retz)等(表3),這為植物修復砷污染土壤研究提供了豐富的物種資源。
近幾年,國內外學者又陸續發現一些耐砷植物,2011年Nateewattana等[30]研究了4種濕地植物對土壤砷修復情況,結果發現紙莎草(Cyperus papyrus L)對砷的富集濃度范圍在130~172 mg/kg;2012年王海娟[10]對云南和貴州幾個礦區的野生植物進行調查和測定后發現,密蒙花(Buddieia officina-lis Maxim)、珠光香青(Anaphalis margaritacea L.)、小米菜(Amaranthus tricolor linn)和土荊芥(Chenopodium ambrosio-ides)4種植物地上部砷含量分別為607.68、702.70、381.65、369.55 mg/kg,并且這4種植物的富集系數與地上部生物量均較高,因而可將其作為理想植物材料來治理當地礦區砷污染土壤;2013年陳丙良等[31]采集陜西大柳塔礦區土壤和礦區荊條(Vitex negundo var)進行盆栽試驗,結果表明:在砷長期累積情況下,荊條能保持生長態勢,并得出荊條可用于大柳塔礦區土壤砷污染防治的結論;2014年鄒小麗等[32]通過溫室大棚種植4種柳樹,研究和探索其在淹水土壤環境中砷污染的吸收、轉運和去除效果,結果發現,柳樹在土壤砷含量不超過50 mg/kg濃度脅迫160 d后,4種柳樹的生物量沒有發生明顯的差異,均有較強的耐砷性,并且經過柳樹修復后的濕地土壤砷含量明顯減少,可以用作濕地土壤砷污染的植物修復材料。以上報道的富集植物,雖沒有蜈蚣草等蕨類植物具有超強吸收與富集砷能力,但其生境特征與當地環境相適應,對當地砷污染土壤修復同樣具有應用價值。
2.2 植物修復砷污染土壤效率的技術途徑與強化措施
2.2.1 磷肥調控。植物修復砷污染土壤的周期性較長,陳同斌等[33]將砷超富集植物蜈蚣草成功地用于修復湖南郴州砷污染土壤后,又通過連續5年的植物修復田間定位試驗發現,從長期來看,連續種植蜈蚣草過程中不施肥,有可能會因養分虧缺而影響蜈蚣草的生長,同時發現對蜈蚣草施磷肥是一種有效的輔助措施;他通過盆栽試驗又發現,添加400 mg/kg以上的磷時會促進蜈蚣草地上部和地下部的含砷濃度以及砷的生物富集系數明顯升高,并且隨添加磷濃度升高而增加[34];而廖曉勇等[35]通過田間實例研究磷肥對蜈蚣草生長以及修復效率的結果表明,當對蜈蚣草施磷量為200 kg/hm2處理時,其地上部砷含量達到最大值(1 535 mg/kg),土壤砷植物修復率最高(7.84%);當施磷量為600 kg/hm2處理時,蜈蚣草地上部砷累積量有所降低,但可以促進地下莖儲存高量的砷。因此,肥料施用量需要在一個適當的范圍內才能有利于促進富集植物對砷的高量累積。
有學者發現施用不同類型的磷肥也會明顯影響蜈蚣草的生長和植被中砷濃度,廖曉勇等[36]又通過室內盆栽種植蜈蚣草,并對蜈蚣草施用鈣鎂磷肥、磷酸二氫鈣、磷酸二氫銨等7個不同磷肥處理,結果發現磷酸二氫鈣是蜈蚣草修復砷污染土壤過程中最佳磷肥選擇類型,砷的去除效率高達7.28%。因此,在植物修復砷污染土壤過程中,根據待修復土壤污染程度、土壤養分狀況需要開展試驗研究,分析并選擇合適的肥料類型才能有效提高富集植物對砷污染土壤的修復效率。
2.2.2 收割措施。在應用超富集植物修復砷污染土壤的試驗中發現,刈割對超富集植物砷的吸收和植物修復效率有著重要的影響。李文學等[37]以蜈蚣草為試材,通過盆栽試驗研究了收獲次數對蜈蚣草生長、砷吸收和植物修復效率的影響,數據顯示在3次收獲中,第2次和第3次收獲的蜈蚣草的吸砷速率均顯著高于第1次,并且蜈蚣草地上部含砷量分別高達3 214 mg/kg和2 384 mg/kg,均高于第1次收獲。陳同斌等[38]與王宏鑌等[39]分別建立了對砷超富集植物蜈蚣草和井邊蘭草進行連續提取模式,即超富集植物通過根系將土壤中的砷吸收并轉運、富集到地上組織中,等到植物生長幾個月形成一定的生物量后,定期收割地上部分,保留地下部位,形成對同一株植物進行連續轉移土壤砷目的。這表明適當的刈割次數并不會降低砷富集吸收效率,反而是提高修復效率的一種策略。
2.2.3 植物―微生物聯合修復。采用植物―微生物聯合修復技術是提高重金屬污染土壤修復效率的最有效途徑之一[40]。大量文獻也已表明,植物―微生物聯合修復技術顯示出了理想效果。楊倩[41]在田間試驗條件下,施用砷酸還原菌(ARB)顯著促進了蜈蚣草的生長發育,植物干重和砷累積量分別增長了約50%和113%,土壤的修復效率大幅度提高。國外學者觀察到,接種叢枝菌根(AM)可以提高蜈蚣草地上部生物量,增強吸收和富集砷的能力[42-45],國內近年來的研究也表明,AM真菌可以提高植物對砷的耐受性,促進增加植物地上部砷濃度,提高植物富集和轉運效率[46-51]。廖曉勇等[52]把農桿菌屬(Agrobacteriumsp.C13)與蜈蚣草聯合應用到砷污染場地后發現,蜈蚣草生物量提高16%~17%,砷去除率比對照區提高約40%。楊志輝等[53]公開發明了一種用于砷污染土壤的菌株(Brevibacterium.sp.YZ-1)及其應用方法,該菌株對As(Ⅲ)具有極強的耐受性,并且極大降低了環境中砷的毒性。篩選出的高效降解菌株與植物聯合應用具有操作簡便、降低成本、安全有效等優勢,這給重金屬污染土壤修復帶來良好的應用前景。
2.3 植物產后處置技術
超富集植物生物質產后處置與處理技術的研究相對缺乏,在一定程度上限制了植物修復技術工程化與商業化應用。目前超富集植物產后處置主要集中在焚燒法[54-55]、堆肥法[56]、壓縮填埋法[57]、高溫分解法[58-61]、灰化法[62]、液相萃取法[63]等傳統處置技術上,植物冶金[64-66]、熱液改質法[67-69]、超臨界水技術[70]等一些新興的資源化處置技術也相繼獲得一些研究成果,但每種方法都存在其局限性(表4),在今后的生物質回收利用方面,還需要開展更多的試驗研究。
[19] 李其林,趙中金,黃昀.重慶市近郊區蔬菜基地土壤和蔬菜中重金屬的質量現狀[J].重慶環境科學,2000,22(6):33-36.
[20] 余光輝,溫琰茂,徐中堅,等.廣州市蔬菜和菜地土壤砷含量及其健康風險研究[J].水土保持學報,2009,23(6):62-70.
[21] 蔡立梅,黃蘭椿,周永章,等.東莞市農業土壤和蔬菜砷含量及其健康風險分析[J].環境科學與技術,2010,33(1):197-200.
[22] 胡留杰,曾希柏,白玲玉,等.山東壽光設施菜地土壤砷含量及形態[J].應用生態學報,2011,22(1):201-205.
[23] 陳同斌,韋朝陽,黃澤春,等.砷超富集植物蜈蚣草及其對砷的富集特征[J].科學通報,2002,47(3):207-210.
[24] MA L Q,KENNETH M K,TU C,et al.A fern that hyperaccumulates arsenic[J].Nature,2001,409(6820):579-579.
[25] VISOOTTIVISETH P,FRANCESECONI K,SRIDOKCHAN W.The pot-ential of Thai indigenous plant species for the phytoremediation of arse-nic contaminated land[J].Environmental Pollution,2002(118):453-461.
[26] 韋朝陽,陳同斌,黃澤春,等.大葉井口邊草:一種新發現的富集砷的植物[J].生態學報,2002,22(5):777-778.
[27] WANG H B,YE Z H,SHU W S,et al.Arsenic uptake and accumulation in fern species growing at arsenic-contaminated sites of Southern China:Field surveys[J].International Journal of Phytoremediation,2006,8(1):1-11.
[28] WANG H B,WONG M H,LAN C Y,et al.Uptake and accumulation of arsenic by eleven Pteris taxa from southern China[J].Environment Pollution.2007,145(1):225-233.
[29] SRIVASTAVA M,MA L Q,SANTOS J A C.Three new arsenic hypera-ccumulating ferns[J].Science of the Total Environment,2006,364(1/3):24-31.
[30] NATEEWATTANA J,TRICHAIYAPORN S,SAEOUY M.Phytoremed-iation of arsenic in submerged soil by wetland plants[J].International Journal of Phytorememdiation,2011,13(12):35-46.
[31] 陳丙良,劉志斌.礦區土壤砷污染對植物生長影響盆栽實驗[J].東北林業大學學報,2013,41(3):140-142.
[32] 鄒小麗,周源.柳樹對砷的吸收和轉運及對砷污染土壤修復效果研究[J].江西理工大學學報,2014,35(3):7-12.
[33] 陳同斌,李海翔,雷梅,等.植物修復過程中蜈蚣草對土壤養分的吸收動態:5年田間定位實驗[J].環境科學學報,2010,30(2):402-408.
[34] 陳同斌,范稚蓮,雷梅,等.磷對超富集植物蜈蚣草吸收砷的影響極其科學意義[J].科學通報,2002,47(15):1156-1159.
[35] 廖曉勇,陳同斌,謝華,等.磷肥對砷污染土壤的植物修復效率的影響:田間實例研究[J].環境科學學報,2004,24(3):455-462.
[36] 廖曉勇,陳同斌,閻秀蘭,等.不同磷肥對砷超富集植物蜈蚣草修復砷污染土壤的影響[J].環境科學,2008,29(10):2906-2911.
[37] 李文學,陳同斌,劉穎茹.刈割對蜈蚣草的砷吸收和植物修復效率的影響[J].生態學報,2005,25(3):538-542.
[38] 陳同斌,韋朝陽.一種治理砷污染土壤的方法:中國,CN01120519.9[P].2003-02-19.
[39] 王宏鑌,葉志鴻,藍崇鈺,等.一種治理土壤或水體砷污染的方法:中國,CN200510100644.9[P].2006-0614.
[40] 吳佳,謝明吉,楊倩,等.砷污染微生物修復的進展研究[J].環境科學,2011,32(3):818-824.
[41] 楊倩.微生物提高植物修復砷污染土壤的效果和機理研究[D].武漢:華中農業大學,2009.
[42] AGELY A,SYLVIA D M,MA L Q.Mycorrhizae increase arsenic uptake by hyperaccumulator Chinese brake fern(L.)[J].Journal of Environm-ental Quality,2005,34(6):2181-2186.
[43] LEUNG H M,YE Z H,WONG M H.Interactions of mycorrhizal fungi with Pteris vittata(As hyperaccumulator) in As-contaminated soils[J].Environmental Pollution,2006,139(1):1-8.
[44] LIU Y,ZHU Y G,CHEN B D,et al.Influence of the arbuscular myco-rrhizal fungus Glomus mosseae on uptake of arsenate by the As hypera-ccumulator fern Pteris vittata L[J].Mycorrhiza,2005,15(3):187-192.
[45] TROTTA A,FALASCHI P,COMARA L,et al.Arbuscular mycorrhizae increase the arsenic translocation factor in the As hyperaccumulating fern Pteris vittata L[J].Chemosphere,2006,65(1):74-81.
[46] 肖艷平,邵玉芳,沈生元,等.叢枝菌根真菌與蚯蚓對玉米修復砷污染農田土壤的影響[J].生態與農村環境學報,2010,26(3):235-240.
[47] 趙中秋,崔玉靜,朱永官.菌根和根分泌物在植物抗重金屬中的作用[J].生態學雜志,2003,22(6):81-84.
[48] 夏運生,陳保冬,朱永官,等.外加不同鐵源和叢枝菌根對砷污染土壤上玉米生長及磷、砷吸收的影響[J].環境科學學報,2008,28(3):516-524.
[49] 白建峰,林先貴,尹睿,等.砷污染土壤的生物修復研究進展[J].土壤,2007,39(5):692-700.
[50] 白建峰.As污染農田土壤的微生物-蚯蚓-植物聯合修復研究[D].南京:中國科學院南京土壤研究所,2007.
[51] 劉于.叢枝菌根真菌對植物吸收富集砷的作用及機理[D].北京:中國農業大學,2007.
[52] 廖曉勇,閻秀蘭,朱崗輝.一種強化植物修復砷污染場地的生物菌及其制備和應用方法:中國,CN200910242389.X[P].2010-06-16.
[53] 楊志輝,柴立元,廖映平,等,一種用于砷污染土壤修復的菌株及其應用方法:中國,CN201410266798.4[P].2014-08-27.
[54] YAN X L,CHEN T B,LIAO X Y,et al.Arsenic transformation and volatilization during incineration of the hyperaccumulator Pteris vittata L.[J].Environmental Science and Technology,2008,42(5):1479-1484.
[55] LU S,DU Y,ZHONG D,et parison of trace element emissions from thermal treatments of heavy metal hyperaccumulators[J].Enviro-nmental Science and Technology,2012,46(9):5025-5031.
[56] CAO X,MA L,SHIRALIPOUR A,et al.Biomass reduction and arsenic transformation during composting of arsenic-rich hyperaccumulator Pteris vittata L.[J].Environmental Science and Pollution Research,2010,17(3):586-594.
[57] GHOSH M,SINGH S P.A review on phytoremediation of heavy metals and utilization of its byproducts[J].Applied Ecology and Environmental Research,2005,3(1):1-18.
[58] KOPPOLU L,CLEMENTS L D.Pyrolysis as a technique for separating heavy metals from hyperaccumulators.Part I:Preparation of synthetic hypera-ccumulator biomass[J].Biomass and Bioenergy,2003,24(1):69-79.
湖北省大冶市土壤重金屬污染整體水平較高,特別是鎳、銅、砷等的污染,超標范圍較大,污染程度較高,且污染主要集中在冶煉及開采活動較多的區域。在箕鋪鎮東角山村、金牛鎮下邊村選取具有代表性的兩塊修復示范用地,對解決大冶市重金屬污染問題,探索經濟、合理、綠色的修復技術和方法有重要意義。
本研究針對大冶市存在的大范圍重金屬污染農田,選取位于大箕鋪鎮東角山村、金牛鎮下邊村兩塊具有代表意義的農田共400畝,進行修復示范工程,擬找到一條適合當地社會經濟水平的修復重金屬污染農田技術。調查發現,大箕鋪鎮東角山村重金屬污染地塊中銅、鎳的含量超出土壤環境質量三級標準(GB15618-1995),分別為589.00mg/kg、204.30 mg/kg,金牛鎮下邊村重金屬污染地塊中砷、鎳的含量超出土壤環境質量三級標準(GB15618-1995),分別為36.93mg/kg、259.00 mg/kg。
本示范工程擬采取植物-化學聯合修復方法,重點對大箕鋪鎮東角山村地塊的銅、鎳和金牛鎮下邊村地塊的砷、鎳進行修復,土壤修復深度為0.5m。
1、工程示范目標
將被重金屬污染的區域恢復農田功能,土壤重金屬的濃度修復到標準限值,保證農產品安全生產;通過此修復示范工程,探索得到一種適合當地社會經濟水平及實際狀況的并可用于大面積重金屬污染土壤修復的理念和方法。
綜合考慮各目標污染物國家標準、風險計算結果和土壤背景值之間的差異及我國目前土壤修復技術和經濟的發展水平現狀,本項目的農田土壤修復的標準建議采用土壤環境質量三級標準(GB15618-1995),鎳、砷、銅的修復標準分別為200mg/kg、30mg/kg、400mg/kg。
1.1 示范目標
被重金屬污染的農用地通過連續種植超富集植物對重金屬提取,將其修復到土壤環境質量三級標準(GB15618-1995)的水平。在最短的時間內最大程度地去除土壤中的重金屬(銅,砷和鎳),對于修復過程中田地上是否能夠產出經濟作物以及經濟作物的用途則作為第二優先級考慮。
1.2修復措施
選擇和種植各種適合當地生長的重金屬超富集植物,將土壤中的重金屬富集到植物內。然后通過植物的收割,將重金屬從土壤中去除。收割的生物質進入后續處理過程。輔助措施包括改良土壤的營養結構、pH、氧化還原電位等,通過在土壤中加入溫和的螯合化學添加劑等方法,來促進重金屬超富集植物對土壤中重金屬的吸收。
1.3 種植計劃
種植面積:400畝;
主要針對提取重金屬:砷、鎳、銅;
超富集植物:甘薯高山薯Ipooea douarrei;
種植方式:單種,塊莖繁殖;
種植密度:2000株/畝;
土壤改良的方法:配合灌溉,畝施磷灰石100公斤和EDTA+CA混合螯合劑500升;;
收獲方式:人工+機械收割。
1.4修復目標:土壤環境質量三級標準(GB15618-1995)
1.5目標可達性分析
目前有效的土壤重金屬污染修復主要有兩種途徑。一種是使重金屬在土壤中產生沉淀、吸附等一系列反應,改變重金屬在土壤中的存在狀態,降低其生物有效性,使其鈍化,脫離食物鏈,減小其毒性;另一種是找尋重金屬超累積植物,利用植物吸收,降低土壤中重金屬含量并輔以一些物理化學手段,例如添加浸提劑將土壤中大部分重金屬提取出來再進行集中處理,從而達到修復土壤重金屬污染的目的。重金屬污染土壤的植物修復技術是一種新興的綠色生物技術,其在一定意義上是污水生物凈化和土地處理工程技術的延伸,代表了重金屬污染土壤修復技術創新方向。
植物提取利用植物根系對目標污染重金屬元素的吸收,并經過植物體內一系列復雜的生理生化過程,將重金屬元素從根部轉運至植物地上部分,再進行收割處理,從而把重金屬從污染土壤中去除。該技術適用于大面積推廣修復重金屬污染場地,而且具有成本低廉,不造成二次污染和美化環境的多重效益。
2、示范工程內容
2. 1 植物修復工程前期工程建設
(1)土地平整和覆土
對土壤進行整平和覆土。覆土所用土壤包括心土和表土,心土直接采集于周邊山地,表土則來源于水源地被剝離的上層土壤。
(2)修復示范工程種植區的水土保持和邊坡處理
對于不能覆蓋植被的基礎設施,如田埂路,需要人工壓實,以防降雨沖刷,對于不同種植分區之間的主干路和支干路不能覆蓋植被,可考慮使用壓實機對其進行壓實硬化,并在其表面鋪設碎沙石。對于地勢較低且不遠處有地勢較高尾礦庫的修復區域 ,因此需要對修復區域周邊進行邊坡圍墻處理。
(3)修復示范工程種植區的排灌系統
對于地勢較低,且周邊水塘存在污染隱患,優先考慮噴灌技術。項目示范用地附近沒有高位水源的自然落差,噴灌用水需要經水泵增壓,需要考慮配套的設備包括:動力機、水泵、輸水管道和噴頭等。
(4)修復示范工程種植區的建筑和附屬設施
擬采用向當地農民租用的方式租賃辦公、居住類房屋,科研等活動轉移至金湖示范區進行。并購置科研、辦公和實驗設備,配套的附屬機械設備和設施以租用為主,專用型農用機械如收割機以購置為主。
(5)供電系統
供電電源用附近村莊的變電站或工廠引線接電,電纜長度、位置及配電設備需要根據實際情況確定,由當地供電部門實施接入。
2.2 植物修復
針對此示范區域耕地及其污染特點,對面積為400畝的示范區主要種植超富集植物,配合化學藥劑,使土壤中重金屬盡快釋放,并被超富集植物提取出來,達到修復目標。
3、工程效益分析
3.1 環境效益
通過對土壤修復示范區內重金屬污染土壤的修復,可清除土壤中的重金屬污染,大箕鋪鎮東角山村土壤中鎳、銅消減量為4.30mg/kg和189mg/kg,金牛鎮下邊村土壤中鎳、砷的消減量為59mg/kg和6.93mg/kg。同時可阻斷土壤重金屬對周邊環境的影響,如地下水、地表水、大氣環境污染等,使整個示范區環境質量改善。本次修復過程采用綠色修復的原則,保持全過程的環境友好,減少修復過程的二次污染,且節能、安全、可循環和具有可持續性。修復中確定的超富集植物適合大冶當地的氣候環境,不會對當地的自然生態環境造成負面影響。植物修復過程也能夠增加土壤中有機質含量和土壤肥力,增加農產品的產量和品質。
3.2 經濟效益
通過項目建設,修復區可以改善農田面積400畝,土壤質量達到土壤環境質量三級標準(GB15618-1995)。修復前的農田撂為荒地,修復后可正常種植農作物,畝效益和糧食效應的增加率為100%,農業總產值增加42萬斤,每斤按國家規定的最低收購價0.95元計算,每年純收入增加到39.9萬元。另外,在工程修復期間田地上生長的超富集植物可賣給當地提煉廠提煉金屬,按每畝2000公斤,每斤0.05元計算,每年400畝地純收入增加8.00萬元。植物產品也可提供給當地的生物能源企業提煉生物柴油或生物乙醇用作清潔能源,每年純收入至少增加2萬元。玉米、高粱等經濟作物雖然是低累積作物,總體上也能吸收一部分目標重金屬,其秸稈可以收集碾碎后產生燃氣或用于秸稈發電,減少當地電耗壓力。工程進行的過程中采取邊修復邊生產相結合的方式,保證當地農民具有一定的經濟收入。
【關鍵詞】土壤 重金屬 植物修復 經濟 美觀
隨著現代工業的發展和農業的現代化,工業三廢的排放,農業化肥與有機農藥的大量施用,生活污水的不斷排放,城市污泥,礦床的開采等大量的污染物進入土壤環境,土壤污染日益嚴重。其中重金屬污染在土壤污染中不僅面積大,并且殘留時間長。當土壤中的重金屬含量積累到一定程度,會對土壤―植物系統產生毒害作用,導致土壤退化、農作物的產量和品質下降,每年因重金屬污染帶來的糧食減產達1000多萬噸,被重金屬污染的糧食每年達1200萬噸,年經濟損失在200億以上[1]。另外,重金屬可以通過植物的吸附作用進入植物體內,另外還可以通過徑流和淋洗等作用污染地表水和地下水,最終能通過接觸和食物鏈等途徑危害人們的生命健康[2]。
1 重金屬的概念及土壤重金屬的來源
1.1 重金屬的概念
重金屬是在工業生產和生物學效應方面均具有重要意義的一大類元素,在化學概念上,還沒有明確的的定義,但是目前還是有了廣為接受的概念,那就是元素的密度大于6g/cm3,具有金屬性質(延展性、導電性、穩定性、配位特性等,且原子數目大于20的元素)。其中常見的重金屬有鎘、鉻、汞、鉛、銅、鋅、銀、錫等。重金屬離子(如Cu2+、Zn2+、Mn2+、Fe2+、Ni2+和Co2+等)是植物代謝必需的微量元素,但如果它們過量則具有相當毒性。環境污染方面所涉及的重金屬主要是指生物毒性顯著的汞、鎘、鉛、鉻以及類金屬砷,還包括具有毒性的重金屬鋅、銅、鈷、鎳、錫、釩等。土壤一旦受到外界污染就相當難治理,通常具有以下幾個特點:累積性;隱蔽性和滯后性;不可逆轉性[3]。
1.2 土壤重金屬的來源
伴隨著工業化和城市化的發展,重金屬在土壤中的含量日益增加,重金屬侵入土壤的主要途徑有:
(1)礦產資源的開采。由于現代化發展的需要和技術的發展,各種礦藏不斷的被發現、開采、加工和利用,產生了大量的采礦廢棄場地,大量的采礦廢水,廢氣,進而引起了土壤的重金屬污染。(2)化肥和農藥的大量使用。現代農業生產中,不節制的隨意濫用化肥和農藥,導致農業土壤中重金屬含量急劇增加,進而形成農業土壤的重金屬污染。(3)污水灌溉和污泥的利用。城市污泥的農業利用和含有重金屬的污水的農業灌溉都對是引起土壤重金屬污染的來源。(4)汽車尾氣的排放。由于汽車工業的發展,越來越多的汽車進入家庭,汽車排放的尾氣對公路兩旁的土壤重金屬污染尤為嚴重[4]。
2 植物修復的概念和類型
對土壤重金屬污染的治理,目前常用的有淋濾法、客土法、吸附固定法等物理方法以及生物還原法、絡合浸提法等化學方法。但這些方法往往投資昂貴、需用復雜設備條件或打亂土層結構,對大面積的污染更是無可奈何。如據報道,對1hm2面積的污染土壤進行工程法治理(客土),每1m深度土體的耗費高800~2400萬美元。如此驚人的代價迫使人們不得不尋求另外途徑。近年來出現的植物修復恰恰為人們提供了一種價廉且有效的土壤重金屬污染治理方法。“植物修復”是指將某種特定的植物種植在重金屬污染的土壤上,而該種植物對土壤中的污染元素具有特殊的吸收富集能力,將植物收獲并進行妥善處理(如灰化回收)后即可將該種重金屬移出土體,達到污染治理與生態修復的目的[5]。
3 結合地理位置合理種植植物使作用發揮到極致
(1)在服務期滿的礦區,由于所處的位置是比較偏僻的山區。種上可以修復受重金屬污染的土壤并據有利用價值的林木,而且在被利用時,不揮發所富集的重金屬。以免產生第二次污染,造成對人體的傷害。(2)在城市公路兩邊旁和重金屬污染的企業廠界的圍邊綠化方面,種上具有觀賞價值又能富集重金屬的植物。在美化城市的同時減少汽車尾氣和企業排放的廢氣廢水對土壤帶來的重金屬污染,并且修復已被污染的土壤。(3)由于大量的化肥和農藥,污水灌溉和污泥的利用,導致重金屬污染土壤的。是否能在農作物輪耕時,選擇一種既有利于均衡利用土壤養分和防治病、蟲、草害;能有效地改善土壤的理化性狀,調節土壤肥力,又能吸附或富集重金屬的植物。從而減少其對環境和人類健康的風險。
4 植物修復技術的展望
植物修復技術是一種支持可持續性發展的環境修復技術,并以其高效、經濟、清潔、美觀等優勢解決了環境中的持久性污染物問題,占領了世界重金屬污染土壤的修復市場。植物修復技術雖然也存在一些諸如生物量小、影響因素較多等不足。但通過適當的強化措施可以使其揚長避短,更好地為修復重金屬污染土壤服務。今后很長一段時間植物修復的研究熱點仍將集中在超富集植物的篩選與優化上。為提高植物修復效率可以嘗試將植物修復技術和其它修復技術聯合以發揮各自的優勢。例如:化學試劑加強、電刺激、磁感應等,這將有助于拓展植物修復的實施領域和應用前景。
我國土壤重金屬污染的來源更加廣泛,污染形態日趨多樣。重金屬污染土壤的面積在逐漸擴大,程度在不斷加深,急切需要有成熟高效的植物修復技術加以市場化應用。雖然我國對植物修復的研究起步較晚,但我國是一個植物資源豐富的國家,植物類型眾多,通過大量的篩選工作肯定能找到適合本土推廣種植的超富集植物。加上豐富的農業經驗和傳統的精耕細作,對重金屬污染土壤植物修復的大規模使用將會起到更大的促進作用[6]。
參考文獻:
[1] 武正華.土壤重金屬污染植物修復研究進展[J].鹽城工業學院學報,2002(6).
[2] 肖鵬飛,李法云 等.土壤重金屬污染及其植物修復研究[J].遼寧大學學報(自然科學版),2004(31).
[3] 高利娟,蔣代華 等.重金屬污染土壤的植物修復及展望[J].甘肅農業,2006(4).
[4] 郭彬,李許明 等.土壤重金屬污染及植物修復金屬研究[J].安徽農業科學,2007(33).
關鍵詞:金屬礦山;土壤重金屬污染;現狀;修復措施
中圖分類號: TD21 文獻標識碼: A
礦產資源作為人們生產生活的基本,這種資源的開發利用為發展國民經濟起到重要推動力的同時,也引發了比較嚴峻的環境問題。我國部分地區礦產資源豐富,隨著現代化工業的快速發展,越來越多的金屬礦山被開采,隨著礦山開采年份的延長,礦山周邊土壤環境中重金屬污染現象越來越嚴重,并逐漸為人們所關注,一旦土壤環境中的重金屬積累到一定程度就會引起土地退化、地表水和地下水污染,并通過植物進入食物鏈被人或動物攝取,危害人體健康。因此,有必要對這一問題進行密切關注,并采取相應的防治措施。
1、金屬礦山土壤重金屬污染和危害
1.1金屬礦山土壤重金屬污染的來源
金屬礦山周邊土壤中的重金屬, 除本身由于地球化學作用而可能造成背景值偏高外,其它則主要來源于金屬礦產開采、洗選、運輸等過程中廢氣、廢水的排放及固體廢物的堆放。露采或坑采的鉆孔、爆破和礦石裝載運輸等過程產生的粉塵和揚塵中含有大量的重金屬, 經過雨水的淋溶進入周邊土壤;廢水主要包括礦坑水,選礦、冶煉廢水及尾礦池水等,廢水以酸性為主, 以含有大量重金屬及有毒、有害元素為特征。有色金屬工業固體廢棄物主要是指在開采過程中產生的剝離物和廢石, 以及在選礦過程中所排棄的尾礦,這些固體廢物若在露天堆放,容易迅速風化,并通過降雨、酸化等作用向礦區周邊擴散, 從而導致土壤重金屬污染。
1.2金屬礦山土壤重金屬污染的影響
土壤重金屬污染的影響主要體現在以下三點:首先,淋溶作用。是指在降水的淋溶作用土壤中的重金屬向下滲透到深層土壤或地下水層。其次,被人或動物的吸入。由于受污染的土壤直接暴露在環境中,人或動物就會通過土壤顆粒物等形式直接或間接地吸入到體內。從而損壞人或動物健康。最后,就是通過植物吸收利用進入食物鏈,進而對食物鏈上的生物產生毒害。
1.3金屬礦山土壤重金屬污染的特點
與其它污染形態有所不同的是, 金屬礦山含重金屬廢棄物種類繁多,并且土壤重金屬污染有其自身特點,對環境的危害方式和污染程度都不一樣,主要表現為:第一點,土壤重金屬污染往往要通過對土壤及農作物樣品進行監測后才能確定,具有滯后性和隱蔽性。第二點,重金屬在土壤中不容易遷移、擴散和稀釋,很容易在土壤中不斷積累而超標,具有累積性。第三點,重金屬污染的自然降解是非常困難的, 積累在土壤中的重金屬很難靠稀釋作用和自凈作用來消除,具有難治理性和不可逆性。
1.4金屬礦山土壤重金屬污染的危害
土壤被污染后,大部分污染物質能較長時間存在于土壤環境中,難以消除,易被人們所忽視。土壤重金屬污染的主要危害包括:首先,影響植物生長。土壤中的重金屬通過雨水淋溶作用向下滲透, 不僅會導致地下水的污染,還會被金屬礦山周圍的植物吸收,影響植物的生長發育。其次,危害人體健康。受污染的土壤直接暴露在環境中,為人或動物所吸收后,會嚴重危害人體健康。最后,降低土壤的生態功能。重金屬污染能明顯影響土壤的理化性質,進而降低土壤微生物量和活性細菌量,減少土壤系統中的生物多樣性, 從而影響土壤生態結構和功能的穩定。
2、金屬礦山土壤重金屬污染的治理途徑
2.1物理方法
物理修復是借助物理手段去除土壤中污染物的技術。分為熱力修復、蒸汽浸提修復等熱處理,及 電動力學修復、壓裂修復、穩定化修復、物理分離修復工程措施法。一般情況下,熱處理法主要針對汞污染,效果比較明顯,但工程量較大,耗能較多,且易使土壤有機質和土壤水遭到破壞。而工程措施是利用外來重金屬多富集在土壤表層的特性,去除受污染的表層土壤后,將下層土壤耕作活化或用未被污染活性土壤覆蓋,從而將耕作層土壤中的重金屬濃度降至臨界濃度以下。
2.2物理化學方法
物理化學方法通常分為三種:一種是電動修復法。這是一門新的經濟型土壤修復技術,在不攪動土層的基礎上,在包含污染土壤的電解池兩側施加直流電壓形成電場梯度,土壤中的重金屬通過電遷移、電滲流或電泳的途徑被帶到位于電解池兩極的處理室中并通過進一步的處理,從而實現污染土壤樣品的減污或清潔。一種是土壤淋洗法。是指利用有機或無機酸等淋洗液將土壤固相中的重金屬轉移至液相中,再把富含重金屬的廢水進一步回收處理。一種是玻璃化技術法。對某些特殊重金屬利用電極加熱將重金屬污染的土壤熔化,冷卻后形成比較穩定的玻璃態物質。
2.3化學方法
化學修復是利用加入到土壤中的化學修復劑石灰、 沸石、 鈣鎂磷肥等與污染物發生化學反應,有效降低重金屬的水溶性、 擴散性和生物有效性,促使土壤中的重金屬元素轉化為難溶物,從而使污染物被降解或毒性被去除或降低的修復技術。
2.4農業方法
農業生態修復是近幾年新興的修復技術,是因地制宜地調整一些耕作管理制度,在重金屬污染土壤中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措施來降低土壤重金屬污染,從而改變土壤中重金屬的活性,降低其生物有效性,減少重金屬從土壤向作物的轉移,從而達到減輕其危害的目的。
2.5生物方法
污染土壤的生物修復分為植物修復技術、微生物修復技術和動物修復技術。植物修復技術是指利用自然生長或遺傳工程培育的植物及其共存微生物體系,清除污染物的一種環境治理技術。微生物修復技術是指利用土壤中某些微生物的生物活性對重金屬具有吸收、沉淀、氧化和還原等作用,把重金屬離子轉化為低毒產物,從而降低土壤中重金屬的毒性。動物修復技術是指利用土壤中某些動物能吸收重金屬的特性,在一定程度上降低污染土壤中重金屬含量。與其它治理重金屬污染的技術相比生物修復技術設施較簡便、投資較少、無二次污染,但是治理效率低。
3、今后的發展方向
在各種修復技術中,工程修復技術雖然效果好,但費用昂貴,難以用于大規模污染土壤的改良,而且常常導致土壤結構破壞、生物活性下降和土壤肥力退化。而農業措施雖然周期長,但只適用于輕度污染的土壤。生物修復費用低廉,而且能帶來一定的經濟效益,還具有一定的生態效益,是一種較為理想的方法,但也存在著對土壤肥力、氣候、水分、鹽度等自然和人為條件要求嚴格、對一種或兩種重金屬選擇性修復等問題。植物修復技術作為一種新興高效、綠色廉價的生物修復途徑,現已被科學界和政府部門認可和選用,并逐步走向商業化。盡管存在上面這些難點, 重金屬污染土壤的植物修復技術作為一種新興的環境友好型修復技術,在今后環境污染治理中有望發揮不可替代的作用。
4、結語
近年來,我國金屬礦業迅速發展,所造成的重金屬污染日益加劇,而現有的重金屬污染土壤的修復技術很多雖然很多,但都有其局限性,難以達到預期效果,因此,還需要將多種修復技術科學地結合起來綜合應用,取長補短,才能達到更好的效果。
參考文獻:
關鍵詞:國內;土壤污染;現狀;治理措施
在國家建設和社會經濟發展過程中,環境污染問題始終得不到有效解決,甚至有不斷惡化的趨勢,最近幾年,土壤污染現象越來越嚴重。我國是農業國家,土壤是十數億國人賴以生存的重要條件,若是任由土壤污染現象自然發展而不予以有效治理,土壤污染問題會嚴重危害到農產品食用安全,并且土壤中的重金屬污染物還會遷移到大氣中,進而嚴重降低我國的國民綜合健康水平。由此可見,土壤污染問題絕對不容忽視,而深入分析國內土壤污染現狀及治理措施,有利于促進我國土壤污染治理工作的有效開展[1]。
1國內土壤污染現狀
經濟的高速發展往往伴隨著環境問題,當前我國的土壤環境問題比較嚴重,尤其是在農業以及工業活動較為頻繁的地區,土壤污染的問題非常嚴重,這些規模化的生產活動,對土壤造成了較為嚴重的破壞。經過對多個地區的土壤進行監測后發現,超過兩成的監測土壤存在污染超標的問題,其污染物主要為鋅,鎘,銅,鉛等重金屬污染。在對土壤分布進行研究時發現,我國南方地區的污染程度比北方地區更加嚴重,尤其是在長三角以及珠三角和傳統的工業基地東三省的污染問題尤為嚴重,這也說明了經濟發展程度較高以及工業發展程度較高的地區的土壤污染問題較為嚴重[2]。
2土壤污染治理策略
2.1土壤有機污染物治理策略
2.1.1原位修復技術治理策略為了保證土壤污染物的處理效果,應盡量根據污染狀況選擇科學的治理技術,原位修復技術相對來說比較適合受破壞較小的土壤,在眾多的土壤修復技術和方法中,原位修復技術能夠有效地降低修復成本,并實現土壤污染物的有效降解,原位修復技術能夠對土壤的深層污染進行有效地治理。在利用原位修復技術處理土壤污染時,應注意盡量對廢棄物進行分離和控制,防止出現二次污染,降低修復效果。2.1.2異位修復技術治理策略除了原位修復技術外,還有相對應的異位修復技術,這種修復技術通常采用原地處理和異地處理兩種方法進行修復活動。這種修復方法能夠有效地對修復過程中的各類措施進行控制,相比較原位修復技術因為修復技術不會產生較多的廢物副產品,所以修復效果更好。但在采用異位修復技術時,需要大量的土方開挖,所以會產生較多的運輸問題,這大大的增加了修復的成本投入。2.1.3物理治理及熱處理策略除了原位和異位修復技術之外,還需要有針對性解決土壤有機污染的策略,所以會用到更多的土壤污染治理方法,如覆土稀釋法以及玻璃化和蒸汽提取等方法,對土壤進行有機物污染處理。這些處理方法通常被分類為物理污染處理方法,采用物理方法進行污染處理時,不會對土壤造成較大的破壞,治理效果較好,并且在土壤修復的控制過程中,作業條件更加靈活和方便。在開展有機物污染處理過程中首先應當對土壤的結構特點進行分析,通過分析結果來確定采用哪一種有機物污染處理方法,從而制定有效的治理方案[3]。2.1.4化學治理策略除了物理方式治理有機污染物,還可以通過化學方法對有機污染物進行處理,具體方法是通過微波放射或者催化氧化來對有機污染物進行處理,在進行化學治理過程中應當對具體的流程進行嚴格規范,通過科學的分析針對不同的有機污染物進行有效的治理。2.1.5微生物治理策略微生物治理有機污染物也是常見的一種治理措施,其依據的工作原理是土壤中的有機污染物可以作為微生物生長繁殖所需要的能源,所以通過在土壤中投放微生物,來消耗土壤中的有機污染物,在這個消耗過程中有機污染物被轉化為水和二氧化碳,這是一種非常優質的處理方法,操作過程中不會產生大量的廢物副產品。在進行微生物治理有機污染物的過程中,可以通過植物與微生物的伴生關系來提升處理效果,因為植物本身具備較強的吸收污染物的能力,這能夠有效地提升微生物分解效率。這種處理有機污染物的方法雖然非常有效,但其弊端是需要花費比其他修復方法更長久的時間,因為生物可能會產生的降解酶具有針對不同污染物的差異性,所以要通過監測結果來對微生物的數量和類型進行控制,以增強有機物污染的處理效果[4]。
2.2土壤重金屬等無機物污染治理措施
2.2.1物理、化學治理策略在進行土壤重金屬污染物的處理過程中,較為常見的處理方法為淋洗法、電解法以及熱解析法等多種不同的方法,其中熱解析法的治理效果最為明顯。通過熱解析法能夠吸收土壤中99%以上的汞。而對于鉛、鉻等類型的金屬通過電化法處理能夠取得較好的效果,電化法能夠去除土壤污染物中超過90%的鉛、鉻重金屬。而淋洗法則適用于提取土壤污染物中的無機污染物,并進行有效的回收處理。因此,淋洗法對無機污染物具備較好的治理效果。一般來說,利用化學方法對土壤進行處理主要是通過使用不同的穩定劑吸附或改變不同污染物中重金屬的狀態,來減少重金屬對土壤的污染。這種治理方法能夠暫時性地改善土壤的污染問題,但卻無法根除土壤中的污染物,雖然該方法效果較好,但土壤污染物的隱患始終存在。2.2.2植物聯合微生物超積累治理策略通過利用植物與微生物的特性,將二者進行聯合應用來對土壤中的無機物以及重金屬進行治理,這種方法能夠對相關污染物進行快速地吸收轉化、分解和固定。在具體的操作過程中,可以尋找適應性植物,通過在污染土壤中培育這種植物,使得植物在生長過程中能夠對重金屬產生吸附效果,在某種情況下還可以對植物進行基因改善,使得植物能夠適應這種受到污染的環境提升吸收效果,這種方法幾乎不會產生其他危害,治理成本較低,效果較好,并且具備一定的美化功能。2.2.3植物、微生物、化學等聯合治理策略化學螯合劑能夠有效地將土壤中的重金屬轉化成螯合物,通過在土壤中種植植物可以對螯合物進行吸收和降解,并配合電壓法對被污染的土壤中的重金屬進行溶解,此時正處在污染土壤中的植物就可以對這些溶解后的重金屬進行有效地吸收。依照微生物與植物共同對土壤污染進行治理的原理,實現了對污染物的吸收并處理的目的。某些情況下,相關人員能夠通過有機肥料與微生物進行結合,并通過有機肥料來促進微生物對重金屬的吸收能力,從而實現污染物的治理目標[5]。
3土壤污染的有效治理策略
3.1加強法制建設,完善相關法律法規
為了解決我國當前的土壤污染治理問題,除了要提高重金屬以及有機物的污染處理水平之外,還應當加強法律法規的建設工作,通過不斷完善法律法規來促進社會各界參與到土壤污染控制和治理工作中。通過法律手段對污染地區及污染目標進行監控,并通過對污染程度的監測來設定污染預警機制,從而可以通過監測預防以及治理來緩解土地污染的現狀。政府應當對已經存在的相關制度及法規進行有效落實,通過對生產過程中的污染情況進行監督,避免企業為了片面地追求經濟利益而忽略了環境污染問題。而且要設立責任人制度,以便從制度上監督企業,通過對土壤的監測以及責任劃分來解決工農業生產過程中所產生的污染問題。
3.2科學規劃土壤管理
依據我國當前農業發展的現狀,應當對土壤進行有效的規劃和科學設計,對農業生產過程中土壤的使用方式進行相關標準的制定,通過農業生產的方式以及各類投入來提升農業生產的效率,降低對化肥的依賴,不斷推廣綠色有機農業,通過對農作物的研究和改良,增強農作物的抗病能力并以此解決農業生產活動中對農藥和化肥的使用數量。通過改善農業活動的灌溉方式來降低水污染程度,保護水資源,建立符合現代特征的農業生產方式。
4結語
在上面的論述中,詳細說明了目前國內土壤污染現狀,鑒于土壤污染問題的嚴重性,當務之急就是積極探尋導致土壤污染問題的實際原因,并針對土壤污染治理措施進行更加深入、更加細致地研究探討,而政府部門也需要對土壤污染治理給予政策及法律法規方面的支持,加強土壤管理措施規劃,為土壤污染治理的有效實施提供良好條件。
參考文獻:
[1]方建新,王璞.我國土壤污染現狀分析及防治對策研究[J].資源節約與環保,2019(8):79.
[2]莊國泰.我國土壤污染現狀與防控策略[J].中國科學院院刊,2015,30(4):477-483.
[3]張靜.淺析土壤污染現狀與防治措施[J].農業與技術,2020,40(11):130-132.
[4]解麗娟,謝志遠,郭光光.試論我國土壤污染的現狀、危害及治理策略[J].新農業,2020(19):63-64.