《生物技术修复重金属污染土壤》课程论文.doc

论文：土壤重金属污染现状与修复技术发展

课程名《生物技术修复重金属污染土壤》

学院：xxxx
专业：xx
年级：20xx级
姓名：xxx
学号：1111111111

土壤是农业的基础,也是人类获取食物和其他再生资源的物质基础。随着工业发展和农业生产的现代化，重金属
污染已经成为一个危害全球环境质量的主要问题。本文通过土壤重金属污染的来源、现状、不同修复技术的原理、优缺点、前景作了概述，并重点对目前常用改良剂的修复效果，存在的问题、改良剂原位修复土壤重金属污染的作用机制以及国内外研究进展作简要综述及对未来趋势提出一些看法为实现对重金属污染土壤进行有效的生态整治和安全高效的利用提供技术途径。
土壤重金属污染具有污染物在土壤中移动性差、滞留时间长、不能被微生物降解的特点，并可经水、植物等介质最终影响人类健康。因此，治理和恢复的难度大。
一：土壤中重金属污染物来源与分布
土壤中重金属的来源是多途径的，首先是成土母质本身含有重金属，不同的母质、成土过程所形成的土壤含有重金属量差异很大。此外，人类工农业生产活动，也造成重金属对大气、水体和土壤的污染。

1 . 大气中重金属沉降
大气中的重金属主要来源于能源、运输、冶金和建筑材料生产产生的气体和粉尘。除汞以外，重金属基本上是以气溶胶的形态进入大气，经过自然沉降和降水进人土壤。据Lisk报道，煤含Ce、Cr、Pb、Hg、Ti等金属，石油中含有相当量的Hg(O.02～30mg/kg)，这类燃料在燃烧时，部分悬浮颗粒和挥发金属随烟尘进入大气，其中1O%～30%沉降在距排放源十几公里的范围内，据估计全世界每年约有1600吨的汞是通过煤和其它石化燃料燃烧而排放到大气中去的。例如比利时每年从大气进入每公顷土壤的重金属量就有Pb 250g、Cd 19g、As 15g、Zn 3750g。
运输，特别是汽车运输对大气和土壤造成严重污染。主要以Pb、Zn、Cd、Cr、Cu等的污染为主。它们来自于含铅汽油的燃烧和汽车轮胎磨损产生的粉尘，据有关材料报导，汽车排放的尾气中含Pb量多达20～50 μg/L，它们成条带状分布，因距离公路、铁路、城市中心的远近及交通量的大小有明显的差异。Вериня等研究发现在公路两侧50m的距离有被污染的痕迹，每月每平方米累积的易溶性污染物在4～40 g。进入环境的强度顺序为：Cu、Pb、Co、Fe和Zn。在宁-杭公路南京段两侧的土壤形成Pb、Cr、Co污染带，且沿公路延长方向分布，自公路两侧污染强度减弱。经自然沉降和雨淋沉降进入土壤的重金属污染，与重工业发达程度、城市的人口密度、土地利用率、交通发达程度有直接关系，距城市越近污染的程度就越重，污染强弱顺序为：城市-郊区-农村。

2. 农药、化肥和塑料薄膜使用
农药、化肥和地膜是重要的农用物资，对农业生产的发展起着重大的推动作用，但长期不合理施用，也可以导致土壤重金属污染。绝大多数的农药为有机化合物，少数为有机-无机化合物或纯矿物质，个别农药在其组成中含有Hg、As、Cu、Zn等重金属。如随着西力生消毒种子进入每公顷土壤的Hg为6～9g；在农业地区，特别是在西方国家的家庭园林中，由于经常施用含 As农药，土壤中As的残留量明显增加，美国的密执安州土壤中As含量达到112mg/kg。杀真菌农药常含有Cu和Zn，被大量地用于果树和温室作物，常常会造成土壤Cu、Zn累积达到有毒的浓度。如在莫尔达维亚，葡萄生长季节要喷5～12次波尔多液或类似的制剂，每年约有6000～8000吨的铜施入土壤。
重金属元素是肥料中报道最多的污染物质。氮、钾肥料中重金属含量较低，磷肥中含有较多的有害重金属，复合肥的重金属主要来源于母料及加工流程所带入。肥料中重金属含量一般是磷肥>复合肥>钾肥>氮肥。Cd是土壤环境中重要的污染元素，随磷肥进入土壤的Cd一直受到人们的关注。许多研究表明，随着磷肥及复合肥的大量施用，土壤有效Cd的含量不断增加，作物吸收Cd量也相应增加。据马耀华等对上海地区菜园土研究发现，施肥后，Cd的含量从 O.13mg/kg上升到O.32mg/kg。美国橘园每年每公顷施磷量为175kg，36年后土壤Cd量由O.07mg/kg提高到1.0 mg/kg；新西兰在同一地点施用磷肥50年后取土分析，土壤Cd含量由O.39mg/kg提高到O.85mg/kg。肥料中Cr、As元素含量较高，且土壤的环境含量又较低，能引起土壤中Cr、As的较快积累。硝酸铵、磷酸铵、复合肥中As量可达50～60mg，长期施用可造成土壤As严重污染。近年来，地膜的大面积的推广使用，造成了土壤的白色污染。由于地膜生产过程中加入了含有Cd、Pb的热稳定剂，同时也增加了土壤重金属污染。
3. 污水灌溉
利用污水灌溉是灌区农业的一项古老的技术，主要是把污水作为灌溉水源来利用。污水按来源和数量可分为城市生活污水、石油化工污水、工业矿山污水和城市混合污水等。生活污水中重金属含量很少，但是，由于我国工业迅速发展，工矿企业污水未经分流处理而排人下水道与生活污水混合排放，从而造成污灌区土壤重金属Hg、Cd、Cr、Pb、Cd等含量逐年增加。淮阳污灌区土壤Hg、Ca、Cr、Pb、As等重金属1995年已超过警戒线。其它灌区部分重金属含量也远远超过当地背景值。
随着污水灌溉而进入土壤的重金属，以不同的方式被土壤截留固定。95%的Hg被土壤矿质胶体和有机质迅速吸附，一般累积在土壤表层，自上而下递减。郑州污水灌区水中Hg的浓度达到O.242mg/kg，而土壤Hg含量O.194 mg/kg就会造成重度污染。污水中的As多以3价或5价状态存在，进入土壤后被铁、铝氢氧化物及硅酸盐粘土矿物吸附，也可以和铁、铝、钙、镁等生成复杂的难溶性砷化合物。而Cd很容易被水中的悬浮物吸附，水中Cd的含量随着距排污口距离的增加而迅速下降，因此污染的范围较少。Pb很容易被土壤有机质和粘土矿物吸附。Pb的迁移性弱，污灌区Pb的累积分布特点是离污染源近土壤含量高，距离远则土壤含量低。污水中Cr有4种形态，一般以3价和6价为主，3价Cr很快被土壤吸附固定，而6价Cr进入土壤中被有机质还原为3价Cr，随之被吸附固定。因此，污灌区土壤Cr会逐年累积。
4. 固体废弃物中重金属进入土壤
含重金属废弃物种类繁多，不同种类其危害方式和污染程度都不一样。污染的范围一般以废弃堆为中心向四周扩散。通过对武汉市垃圾堆放场[23]、杭州某铬渣堆存区[24]、城市生活垃圾场[25]及车辆废弃场[26]附近土壤中的重金属污染的研究，这些区域的重金属Cd、Hg、Cr、Cu、Zn、Ni、Pb、As、Sb、V、Co、Mn的含量高于当地土壤背景值，重金属在土壤中的含量和形态分布特征受其垃圾中释放率的影响，且随距离的加大重金属的含量而降低。由于废弃物种类不同，各重金属污染程度也不尽相同，如铬渣堆存区的Cd、Hg、Pb为重度污染，Zn为中度污染，Cr、Cu为轻度污染。

二：土壤重金属污染的修复技术
目前，修复土壤重金属污染主要有以下几个途径。一是改变重金属在土壤中的存在状态，降低其在环境中的迁移性和生物可利用性；二是利用生物或工程技术方法从土壤中去除重金属；三是改变种植制度，避免重金属通过食物链影响生物和人体健康。具体的措施为化学固定、土壤淋洗、热脱附、蒸汽萃取、电动修复、生物修复法和农艺措施等[10]。依据重金属污染的特点及改良修复技术的原理，目前重金属污染土壤的改良修复主要有物理修复、生物修复和化学修复3种。

1. 物理修复技术
电动修复：
是通过电流的作用，在电场的作用下，土壤中的重金属离子(如Pb、Cd、Cr、Zn等)和无机离子以电透渗和电迁移的方式向电极运输，然后进行集中收集处理。研究发现，土壤pH、缓冲性能、土壤组分及污染金属种类会影响修复的效果。
该方法特别适合于低渗透的粘土和淤泥土，可以控制污染物的流动方向。在沙土上的实验结果表明，土壤中Pb2+、Cr3+等重金属离子的除去率也可达90%以上。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。
热处理：
是利用高频电压产生电磁波，产生热能，对土壤进行加热，使污染物从土壤颗粒内解吸出来，加快一些易挥发性重金属从土壤中分离，从而达到修复的目的。该技术可以修复被Hg和Se等重金属污染的土壤。另外可以把重金属污染区土壤置于高温高压下，形成玻璃态物质，从而达到从根本上消除土壤重金属污染的目的。
植物修复：
植物修复是利用某些可以忍耐或超富集某种重金属元素的植物，通过植物系统或根系吸收带走土壤中的重金属，或降低重金属的毒性，以期达到清除污染、治理土壤的目的。植物修复技术依其过程及修复机制的不同可分成植物吸取、植物挥发、植物降解、植物根滤、根际生物降解和植物稳定。其中植物吸取是利用某些特殊植物如超积累植物对重金属的吸收，通过收获地上部分来达到减少土壤重金属含量的目的，此技术在目前重金属污染土壤的植物修复研究中应用较多。
生物修复：.
生物修复是利用微生物或植物的生命代谢活动，对土壤中的重金属进行富集或提取，通过生物作用改变重金属在土壤中的化学形态，使重金属固定或解毒，降低其在土壤环境中的移动性和生物可利用性，其包括植物修复和微生物修复。

2. 化学修复技术

无机改良剂
施用石灰等碱性物质后，一方面土壤pH值提高，土壤表面负电荷增加，从而土壤对重金属的亲和性增加；另一方面pH值升高，也有利于MOH+的存在，从而提高Cd等重金属离子的吸附量，同时促使土壤中Cd、Cu、Hg、Zn等重金属形成氢氧化物或碳酸盐结合态沉淀或共沉淀，如pH值大于6.5时，Hg就能形成氢氧化物或碳酸盐沉淀。土壤中的磷酸根离子可以和30多种金属离子形成金属磷酸盐沉淀，而且反应生成的金属磷酸盐在很大的pH范围内的溶解度极小，如PbAl3（PO4）2（OH）5·H2O的LogKsp为-99.3。此外，随着时间的延长磷酸盐还可与铅形成类似磷氯铅矿Pb5（PO4）3Cl的沉淀，而磷氯铅矿的溶解度比其类似物碳酸铅和硫酸铅低几个数量级。
有机改良剂：
常用的有机改良剂有绿肥、堆肥、动物粪便和泥炭等。这些改良剂对重金属的改良修复机理主要通过影响重金属的溶解或解离动力学过程而改变重金属在土壤固-液相间的平衡。此外，腐植酸可与多种金属离子形成具有一定稳定程度的腐植酸-金属离子络合（螯合）物。腐植酸对Cd、Cu的吸附容量以FA大于HA，吸附强度以HA大于FA，而解吸量以FA-Cd（Cu）大于HA-Cd（Cu）[27-28]。HA-Cd（Zn）络合物的稳定常数与配位数均大于FA-Cd（Zn）络合物的稳定常数与配位数，表明施用大分子的腐植酸较小分子腐植酸更能有效地降低重金属的生物有效性[29]另一方面，有机改良剂对土壤重金属生物有效性的影响通常和有机物料的某些组分与金属之间的络合反应有关

综述
土壤重金属污染首先应从源头抓起，控制污染源，土壤重金属的污染已经达到相当严重的程度,要充分认识土壤重金属污染的长期性、隐匿性、不可逆性以及不能完全被分解或消逝的特点。土壤质量问题是经济可持续发展和社会全面进步的战略问题，它直接影响土壤质别、水质状况、作物生长、农业产量、农产品品质等，并通过食物链对人体健康造成危害。对工业生产中排放的污染物尚未得到较彻底控制，尤其在农业生产中大量而盲目使用化学肥料和农药的今天，江河湖海、地下水及陆地中无机和有机污染物积累总量与日俱增，使土地环境质量变得极其脆弱。一旦土壤对这些污染物尤其是重金属的消纳容量达到饱和，这些污染物对耕地生产能力的潜在毁灭性破坏便有可能一触即发，有人已形象地称之为农业生产中的“定时炸弹”。从这个意义上来讲，土地管理与保护工作不仅是对耕地总量的监管，还应该加强对耕地质量的保护与改善。对土壤质量的保护便是对耕地生产能力的保护，更是提高土地利用效率的强有力措施之一。对于我国这样一个人口众多的农业大国，开展国土质量调查评价，对土壤重金属污染物进行试验研究，开发耕地污染的治理方法和技术，显得更为必要和迫切。