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1、第九章 土壤污染及其修复,第一节 土壤污染概述第二节 土壤环境的自净作用 第三节 污染土壤修复技术,一、土壤的组成和功能,1.土壤的组成,土壤：是由固、液、气三相物质组成的具有肥力并能生长植物的疏松的地壳表层。,第一节 土壤污染概述,有机质：普通有机物、腐殖酸 有机物 活性有机体：土壤微生物、土壤动物 固态 无机物 液态水 气态水,45,5,一、土壤的组成和功能,土壤有机质,土壤有机质,土壤水,土壤水是含有复杂溶质的稀溶液，因此常将土壤水及其所含溶质称为土壤溶液。土壤中各种形态水分,对土壤中物质的转化过程和土壤的形成过程起着决定性作用。土壤溶液是植物生长所需要的水分和养分的主要供给源。,土壤空
2、气是存在于土壤中的气体的总称。,土壤空气,土壤空气组成：氧气10.3520.03%、二氧化碳0.150.65%、氮气78.880.2%相对湿度100%,近地大气组成：氧气20.94%、二氧化碳0.03%、氮气78.08%、其他气体0.95%相对湿度6090%,土壤的功能,土壤为植物生长的介质，可以提供植物生长所需的养分、水分及机械的支持;,土壤在生态系统的水循环中，影响着水的命运;,土壤是一自然循环体系;,土壤是各种生物居住生存的场所;,在人类建构的生态系中，土壤提供为建筑材料。,二、土壤污染概述,当土壤环境中所含污染物的数量超过土壤环境自净能力或污染物在土壤环境中的积累超过土壤环境基准或土壤
3、环境标准时，称为土壤污染。,土壤污染的概念：,三、土壤污染物与污染源,土壤污染物：把输入土壤中的足以影响土壤环境正常功能，降低作物产量和生物学质量，有害于人体健康的物质。无机污染物有机污染物,土壤中主要的无机污染物质,2、土壤污染源,土壤环境在生物圈中的地位和功能：土壤是农业生产的劳动对象和获得生命能源的生产基地。土壤是作为废物的堆放、处置与处理场所，大量有机和无机污染物进入土壤，是造成土壤环境污染的重要途径和污染来源。土壤环境是开放的系统，大气、水体和生物体中的污染物质迁移转化而进入土壤，使土壤环境遭受二次污染，这也是土壤环境污染的重要来源。,2、土壤污染源,根据人为污染物的来源不同可分为：
4、工业污染源（废气、废水、废渣）农业污染源（化学农药、化肥、有机肥、地膜）生物污染源（各种含病原微生物和寄生虫生活污水、医院污水、垃圾、河水等）,四、土壤污染的发生类型及其影响因素,1、土壤污染的发生类型根据土壤主要污染物的来源和土壤污染的途径，可将土壤污染的发生类型分为：水质污染型（污染源主要是工业废水、城市生活废水和受污染的地面水体）分布特点：已被污染的河流或干渠呈树枝状或呈片状分布。大气污染型（煤燃烧产生的废气、汽车尾气、工业废气中的粒状浮游物质、工厂的含氟废气、核的大气层实验）分布特点：以大气污染源为中心呈椭圆状或条带状分布，长轴沿主风向伸长。,1、土壤污染的发生类型,固体废弃物污染型（
5、工矿业废渣、污泥和城市垃圾）污染特征：属点源性质农业污染型（化肥、农药、城市垃圾堆肥、污泥等）污染特征：污染物质主要集中于表层或耕层，分布比较广泛，属面源污染综合污染型（可能以某一污染类型或某两污染类型 为主）特点：多源性质的,2、影响土壤污染的因素,人类的生产活动所排放的“三废”，通过多种途径输入土壤环境与当地的灌溉、施肥制度、施用农药方式以及施用城市污泥、垃圾等是否按规定的标准和方法有关不同污染物在土壤环境中的迁移、转化、降解、残留规律不同，对土壤环境造成的威胁和危害成都也不同与土壤的类型和性质以及土壤生物和栽培作物种类等因素的影响,五、土壤污染的危害,1、土壤污染危害的特点隐蔽性和潜伏性
6、积累性和地域性不可逆性和长期性治理难而周期长,2 土壤污染的主要危害,土壤污染导致严重的经济损失土壤污染导致农产品产量和品质下降土壤污染对人体健康的影响：重金属污染的影响（如砷中毒）农药化学品物质的影响（如急性、慢性中毒）土壤病原体污染的影响（如结核杆菌）放射性物质污染的影响（如放射性元素）土壤污染危害生态环境：对水质的影响：地表水污染、农业面源污染 随大气质量的影响：大气扬尘 会使土壤生态系统的组成、结构和功能发生变化，破 坏土壤生态平衡。,污灌型锌污染,第二节 土壤环境的自净作用,土壤环境的自净作用，即土壤环境的自然净化作用（或净化功能的作用过程），是指在自然因素的作用下，通过土壤自身的作
7、用，使污染物在土壤环境中的数量、浓度或毒性、活性降低的过程。土壤环境的自净作用按其作用机理的不同，可分为物理净化作用、物理化学净化作用、化学净化作用和生物净化作用四个方面。,1 物理净化作用,土壤胶体具有很强的表面吸附能力。进入土壤中的难溶固体被机械阻留；可溶性污染物被稀释、迁移；部分污染物被转化成气态污染物被迁移、扩散。土壤的物理净化能力与土壤空隙、土壤质地、结构、土壤含水率、土壤温度等因素有关。,2 物理化学净化作用,指污染物的阴、阳离子与土壤胶体上原来吸附的阴、阳离子之间的离子交换吸附的作用。如：（土壤胶体）Ca2+HgCl2（土壤胶体）Hg2+CaCl2（土壤胶体）3OH-+AsO43
8、-（土壤胶体）AsO42-+3OH-物理化学作用只能使污染物在土壤溶液中的离子浓度降低，相对的减轻危害，而并没有从根本上将污染物从土壤环境中清除。,3 化学净化作用,主要指凝聚与沉淀、氧化还原、络合-螯合、酸碱中和,水解、分解和化合等。土壤环境化学净化能力因素有:土壤环境化学净化能力的大小与土壤的物质组成、性质，以及污染物本身的组成、性质有关。如富含碳酸钙的石灰性土壤，对酸性物质的化学净化能力很强。土壤环境化学净化能力与土壤环境条件有关。如增施有机胶体，石灰等。同时输入土壤环境中的几种污染物也可能发生化学反应，从而发生沉淀、中和、络合、分解等。,4 生物净化作用,依靠土壤中的有机物生活的为微生
9、物的氧化分解有机物的巨大能力，进行生物降解的过程。土壤的生物降解作用是土壤环境自净作用的主要途径。土壤中天然有机物的矿质化作用就是生物净化过程。例如，淀粉、纤维素等糖类物质最终转变为CO2和H2O；蛋白质、多肽、氨基酸等含氮化合物转变为NH3、CO2和H2O；有机磷化合物释放出无极磷酸等。但是微生物不能净化重金属，甚至能使重金属在土体中富集（重金属成为土壤的最危险污染物的根本原因）。,第四节 污染土壤修复技术,污染土壤修复的目的在于降低土壤中污染物的浓度、固定土壤污染物、将土壤污染物转化成毒性较低或无毒的物质、阻断土壤污染物在生态系统中的转移途径，从而减小土壤污染物对环境、人体或其他生物体的危
10、害。污染土壤修复技术根据其位置变化与否可分为原位修复技术和异位修复技术。按操作原理污染土壤修复技术技术可分为物理修复技术、化学修复技术、微生物修复技术和植物修复技术四大类。,物理修复技术,土壤蒸气提取技术,原位土壤蒸气提取技术,异位土壤蒸气提取技术,固化/稳定化技术,原位固化/稳定化技术,异位固化/稳定化技术,玻璃化技术,原位玻璃化技术,异位玻璃化技术,热处理技术,热解吸技术,焚烧技术,电动力学修复技术,稀释和覆土,一、物理修复技术,1 土壤蒸汽提取技术,该方法适用于去除不饱和土壤中高挥发性有机组分污染的土壤，如汽油、苯和四氯乙烯污染的土壤。原位土壤蒸气提取技术主要用于挥发性有机卤代物的处理修
11、复，通常是亨利系数大于0.01或者蒸汽压大于66.66Pa的挥发性有机化合物。通常，采取原位土壤蒸气提取技术的土壤应具有质地均一、渗透力强、孔隙度大、湿度小、地下水位较深的特点。异位土壤蒸气提取技术主要用于处理挥发性的有机卤代物和非有机卤代物污染土壤的修复。,1 土壤蒸汽提取技术,2 固化/稳定化技术,固化/稳定化是指通过物理或化学的作用以固定土壤污染的一组技术。黏结剂主要是水泥、石灰。固化技术是指向土壤添加粘结剂而引起石块固体形成的过程。稳定化技术是通过化学物质与污染物之间的化学反应使污染物转化成为不溶态的过程。优点：可同时处理被多种污染物污染的土壤，设备简单，费用较低。缺点：该技术不破坏、
12、不减少土壤中的污染物，仅仅限制污染物对环境的有效性。,3 玻璃化技术,玻璃化技术是指高温熔融的污染土壤形成玻璃体或固结成团的技术。既适合于原位处理，也适合于异位处理。土壤熔融后，污染物被固结于稳定的玻璃体中，不再对其他环境产生污染，但是土壤也完全丧失生产力。玻璃化作用对砷、铅、硒和氯化物的固定效率比其他无机污染物低，且处理费用较高。,4 热处理技术,热处理技术是利用高温所产生的一些 物理或化学作用，如挥发、燃烧、热解，将土壤中的有毒物质去除或破坏的过程。最常用于处理有机污染的土壤，也适用于部分重金属污染的土壤。常用的热源主要有：加热的空气、明火，可以直接或间接与土壤接触的热传导液体。热解吸技术
13、适用的污染物有挥发和半挥发的有机污染物、卤化或非卤化有机污染物、多环芳烃、重金属、氰化物、炸药等。焚烧技术适用的污染物包括挥发和半挥发有机污染物、卤化或非卤化有机污染物、多环芳烃、多氯联苯、二噁英等,5 电动力学修复技术,电动力学修复技术是指向土壤两侧施加直流电压形成电场梯度，土壤中的污染物在电解、电迁移、扩散、点渗透、电泳等作用的共同作用下，使土壤溶液中的离子向电极附近富集从而被去除的技术。电动力学修复技术可以处理的污染物包括：重金属、放射性核素、有毒阴离子、氰化物、石油烃、炸药、有机/离子混合污染物、卤代烃、非卤化污染物、多花芳烃。电动力学修复技术主要是针对低渗透性、黏质的土壤。一般水力传
14、导率较低、污染物水溶性较高、水中的离子化物质浓度相对较低。,5 电动力学修复技术,在电动力学过程中最重要的发生在电极的电子迁移作用是水的电解作用：H2O 2H+1/2O2（g）+2e-阴极反应2H2O+2e-2OH-+H2（g）阳极反应电解产生的H+在电迁移和扩散的作用下向阳极移动，降低了阳极附近的PH。与此同时，电解产生的OH-向阴极移动，提高了阴极附近的PH。,6 稀释和覆土,稀释作用：将污染物含量低的清洁土壤混合于污染土壤以降低污染土壤污染物的含量。可以降低土壤污染物的浓度，在田间，可通过翻耕、客土清洁土壤来实现稀释。覆土：客土的一种方式，即在污染土壤上覆盖一层清洁土壤，以避免污染土层物
15、进入食物链。优点：技术性比较简单，操作容易。缺点：不能去除土壤污染物，没有彻底排除土壤污染物的潜在危害；只能抑制土壤污染物对食物链的影响，并不能减少土壤污染物对地下水等其他环境部分的危害。,化学修复技术,化学淋洗技术,原位化学淋洗技术,异位化学淋洗技术,溶剂浸提技术,原位化学氧化修复技术,土壤改良修复技术,施用改良剂,调节土壤氧化还原电位,石灰性物质,有机物质,离子拮抗剂,化学沉淀剂,二、化学修复技术,1 化学淋洗技术,化学淋洗技术是指借助能促进土壤环境中污染物溶解或迁移作用的溶剂，通过水力压头推动清洗液，将其注入被污染土层中，然后再把包含污染物的液体从土层中抽取出来，进行分离和污水处理的技术
16、。化学淋洗技术适用范围较广，可用来处理有机、无机污染物，目前，化学淋洗技术主要围绕着用表面活性剂处理有机污染物，用螯合剂或酸处理重金属来修复被污染的土壤。,（1）原位化学淋洗技术,是指在污染现场直接向土壤中施加淋洗剂，使其向下渗透，穿过污染土壤通过解吸、螯合、溶解或络合等物理、化学作用，最终使污染物形成可迁移态化合物。优点：长效性、易操作性、高渗透性、费用合理性，并且适合治理的污染物范围很广。缺点：在去除污染物的同时，也去除了部分土壤养分离子，还可以破坏土壤结构，影响土壤微生物的活性，从而影响土壤整体的质量，如操作不慎，可造成对地下水的二次污染。,（2）异位化学淋洗技术,把污染土壤挖掘出来，用
17、水或其他化学试剂来清洗、去除污染物，再处理含有污染物的废水和废液，洁净的土壤还可以回填或运到其他地点。,2 溶剂浸洗技术,例如，在美国加利福尼亚北部的一个岛上，利用溶剂浸洗法对PCBs浓度高达17-640mg/kg的污染土壤进行处理后，PCBs浓度从170mg/kg降到2mg/kg。,也称化学浸提技术，是一种利用溶剂将有害化学物质从污染土壤中提取出来进入有机溶剂中，而后分离溶剂和污染物的技术。,3 原位化学氧化修复技术,主要是通过掺进土壤中的化学氧化剂与污染物所产生的氧化反应，使污染物氧化成无毒物质的一项污染土壤修复技术。优点：可以原位治理污染。在土壤的修复工作完成后，一般只在原污染区留下水、
18、二氧化碳等无害的化学反应产物。常用的氧化剂：H2O2、K2MnO4、O3，以液体的形式泵入地下污染区。应用：修复油类、有机溶剂、多环芳烃、PCP、农药以及非水溶液氯化物等污染物污染的土壤。,4 土壤改良修复技术,1）施用改良剂：是为了降低重金属的活性（水溶性、扩散性和生物有效性），从而降低他们进入植物体、微生物和水体的能力，减轻他们对生态环境的危害。改良剂主要有：石灰性物质，有机物质，离子拮抗剂，化学沉淀剂 2）调节土壤氧化还原电位：土壤中重金属的活性受土壤氧化还原状况的影响，因而可通过调节土壤氧化还原电位的方法来控制重金属的迁移。,三 植物修复技术,指利用植物及其根际微生物对土壤污染物的吸收
19、、挥发、转化、降解、固定作用而去除土壤中污染物的修复技术。其类型可分为：植物提取修复（研究最多且最有发展前途）植物挥发修复（主要集中在易挥发性的重金属，Hg）植物稳定修复（偏重于重金属污染土壤的稳定修复）植物降解修复（对结构简单的有机污染物去除效率高）根际圈生物降解修复（效率高）,植物修复技术的作用机理,（1）植物提取作用：指通过植物根系吸收污染物并将污染物富集于植物体内，而后将植物体（超累积植物）收获、集中处置的过程。针对于金属、放射性核素、非金属。（2）根际降解作用：指土壤中的有机污染物通过根际微生物的活动而被降解的过程。主要包括好氧代谢、厌氧代谢和腐殖质化作用。该过程可以作为其他修复措施
20、之后的修饰手段或在最后处理步骤进行。（3）植物降解过程：指被吸收的污染物通过植物体内代谢过程而降解的过程，或污染物在植物产生的化合物在植物体外降解的过程，主要是植物吸收和代谢。,植物修复技术的作用机理,（4）植物稳定化作用：指通过根系的吸收和富集、根系表面的吸附或植物根圈的沉淀作用而产生的稳定化作用；或利用植物或植物根系保护污染物，使其不因风蚀、水蚀、淋溶以及土壤分散而迁移的稳定化作用。优点：不需要移动土壤，费用低，对土壤破坏性小，植被恢复还可以促进生态系统的重建，不要求对有害物质或生物体进行处置。缺点：污染物依然留在原处，可能要长期保护植被和土壤以防止污染物的再释放和淋洗。（5）植物挥发作用
21、：指污染物被植物吸收后，在植物体内代谢和运转，然后以污染物或改变了的污染物形态向大气释放的过程，如汞和硒。,植物修复技术的优点,（1）用植物提取、植物降解、根际降解、植物挥发等作用，可以将污染物从土壤中去除，永远解决土壤污染问题。（2）修复植物的稳定作用可以固土，防止污染土壤因风蚀或水土流失而产生的污染扩散问题。（3）修复植物的蒸腾作用可以防止污染物质对地下水的二次污染。（4）植物修复不仅对修复场地的破坏小，对环境的扰动小，而且还具有绿化环境的作用，可减少来自公众的关注和担心（5）植物修复一般会提高土壤的肥力。（6）重金属超富集植物所积累的重金属在技术成熟时可回收（7）植物修复依靠修复植物的新
22、陈代谢活动来治理污染土壤，技术操作简单。（8）植物修复以太阳能为驱动力，能耗低，成本低，可以在大面积污染土壤上使用。,植物修复技术的局限,（1）一种植物往往只吸收一种或两种重金属。对土壤中浓度高的重金属则表现出中毒症状。（2）植物对土壤肥力、气候、水分、盐度、酸碱度、排水与灌溉等自然和人为条件有一定的要求。（3）多数植物具有光周期反应，引种修复植物可能比较困难。（4）用于清洁重金属污染土壤的超累积植物通常矮小、生物量低、生长缓慢、生长周期长，因而修复效率低，不易于机械化作业。（5）用于清洁重金属的植物器官往往会通过腐烂、落叶等途径使重金属重返土壤。（6）缺乏有效的用于筛选修复植物的手段。（7）
23、植物的修复周期相对较长，不利的气候或不良的土壤环境都会间接影响修复效果。,污染土壤的微生物修复是指利用天然存在的或特别培养的微生物在可调控的环境条件下将土壤中有毒污染物转化为无毒物质的处理技术。微生物的修复机理：污染点的细菌经过一段时间驯化后，才能产生降解代谢污染物的能力，使代谢污染物的细菌总数增加，或者个体细菌遗传性或生理特性发生改变。这一过程包括3种机制：特定酶的产生；基因突变产生新的代谢群体；能够降解有机物烃的微生物富集。,四 微生物修复技术,根据修复过程中人工的干预程度，可分为:自然微生物修复技术：指完全在自然条件下进行的微生物修复过程，在修复过程中不进行任何工程辅助措施，也不对生态系
24、统进行调控，靠土著微生物发挥作用。人工微生物修复技术：在自然条件下，微生物降解速率很低或不能发生时，可以通过补充营养盐、电子受体、改善其他限制因子或微生物菌体等方式，促进微生物修复。可分为原位微生物修复技术和异位微生物修复技术。,1 微生物修复技术分述,（1）泥浆相生物降解技术：在泥浆反应器中进行。主要步骤是：土壤的预处理 原料与水混合制成泥浆 机械搅拌 补充无机和有机养分和氧，并调节PH 多次添加微生物 泥浆脱水，处理残余的液态废物。应用：用于挥发和半挥发有机污染物、卤化和非卤化有机污染物、多环芳烃、二噁英、呋喃、除草剂等。泥浆反应器的优点：促进有机污染物的溶解、增加微生物与污染物的接触、加
25、快微生物降解速率。泥浆反应器的缺点：能耗较大、过程较复杂，成本高；处理过程彻底破坏土壤结构，对土壤肥力有显著的影响。,1 微生物修复技术分述,（2）生物堆制法：是一种基于处理床技术的异位生物处理过程，通过使土堆内的条件最优化而促进污染物的微生物降解。应用：适用于挥发性和半挥发性的、非卤化的有机污染物和多环芳烃污染土壤的修复。优点：对土壤结构和肥力有力，可以限制污染物的扩散，减小污染范围。缺点：费用高，处理过程中的挥发性气体可能对环境产生不利影响。,1 微生物修复技术分述,（3）土地耕作法：主要包括原位和异位两种类型。原位土地耕作法：通过耕翻污染土壤，补充氧和营养物质以提高土壤微生物活性，促进污
26、染物的生物降解.异位土地耕作法：将污染土壤挖掘搬运到另一个地点，将污染土壤均匀撒到土地表面，通过耕作方式使污染土壤与表层土壤混合，从而促进污染物生物降解。优点：设计和设施相对简单、处理时间短、费用不高、对微生物降解速率小的有机组分有效。缺点：很难达到95%以上的降解率，很难降解到0.1mL/L以下。,1 微生物修复技术分述,（4）翻动条垛法：指将污染土壤与膨松剂混合以改善土壤结构和通气状况，堆成条垛。（5）生物通气法：是一种利用微生物以降解吸附在不饱和土层的土壤上的有机污染物的原位修复技术。将氧气导入不饱和土层中，增强了土著细菌的活性，促进了土壤中有机污染物的自然降解。适用于中等相对分子质量的
27、石油污染物，如柴油和喷气燃料的微生物降解。（6）生物注气法：适合于被挥发性有机污染物和燃油污染土壤的处理。,1 微生物修复技术分述,可使有机污染物分解为H2O和CO2，永久清除污染物，二次风险小。处理形式多样，可以就地处理。原位微生物修对土壤性质的破坏小，甚至不破坏或可以提高土壤肥力。降解过程迅速，费用较低。微生物修复技术可与其他处理技术结合使用，处理复合污染。,2 微生物修复技术优点,只能对可以发生微生物降解的污染物进行修复，对不能发生微生物降解的污染物无能为力。有些污染物的微生物降解产物的毒性和移动性比母体化合物更强，因此可能导致新的环境风险。其他污染物（重金属）可能对微生物修复过程产生抑
28、制作用。微生物修复过程的技术含量较高，它的运作必须符合污染场地的特殊条件。项目执行时的监测指标除了化学监测项目外还要进行微生物项目的监测。,3 微生物修复技术缺点,投加高效复合菌群常能加速生物修复的进城，能激活具有净化功能的微生物，从而形成复杂而稳定的微生态系统，通过微生物的综合作用达到对土壤净化的目的。目前对复合菌群与土著微生物之间的相容性以及复合菌群在环境中的变迁性以及复合菌株之间的协同或拮抗关系缺乏研究。缺乏对降解菌的大规模培养技术及施用技术的研究。缺乏对外援菌种进入环境的自然驯化选择过程的研究及降解菌对污染物降解的动力学研究。微生物修复应与植物修复结合。,微生物修复技术尚需解决的问题,在选择污染土壤修复技术时，必须考虑修复目的、社会经济状况、修复技术的可行性等方面。因此在选择修复技术和制定修复方案时必须考虑如下原则：耕地资源保护原则：在进行修复技术的选择时，应尽可能地选用对土壤肥力负面影响小的技术。可行性原则：主要体现在两方面，一是经济方面的可行性，二是效应方面的可行性。因地制宜原则：在确定修复方案前，必须对污染土壤做详细的调查研究，明确污染物种类、污染程度、污染范围、土壤性质、地下水位、气候条件等，在此基础上制定初步方案。,4 污染土壤修复技术选择的原则,
