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1、,第五章土壤污染修复技术,内容提要,1.工程措施2.生物修复技术3.农业措施4.改良剂实施,1 工程措施,工程措施是指用物理(机械)、物理化学原理治理污染土壤，且工程量比较大的一类方法。,1 工程措施,1.1 客土、换土、去表土、翻土 客土法就是向污染土壤加入大量的干净土壤，覆盖在表层或混匀，使污染物浓度降低到临界危害浓度以下或减少污染物与植物根系的接触，从而达成减轻危害的目的。,1 工程措施,1.1 客土、换土、去表土、翻土 换土法就是把污染土壤取走，换入新的干净的土壤。该方法对小面积严重污染且污染物具放射性或易扩散难分解的土壤是必需的，以防止扩大污染范围，危害人畜健康。对换出的土壤应妥善处
2、理，以防止二次污染。,1 工程措施,1.1 客土、换土、去表土、翻土 去表土法 就是去除表层土壤。1530cm可使米镉下降50左右。翻土法就是深翻土壤，使聚积在表层的污染物分散到更深的层次，达到稀释的目的。该法适用于土层较深厚的土壤，且要配合增加施肥量，以弥补耕层养分的减少。,1 工程措施,1.1 客土、换土、去表土、翻土 该法的特点：治理效果显著，不受土壤条件限制。但需大量人力、物力，投资大，且肥力会有所降低，应多施肥料以补充肥力。,1 工程措施,1.2隔离法 隔离法就是用各种防渗材料，如水泥、粘土、石板、塑料板等，把污染土壤就地与未污染土壤或水体分开，以减少或阻止污染物扩散到其它土壤或水体
3、的做法。该法应用于污染严重、易于扩散且污染物又可在一段时间后分解的情况下，如较大规模事故性农药污染的土壤。,1 工程措施,1.3 清洗法 清洗法就是用清水或含有能增加重金属水溶性的某些化学物质的水把污染物冲至根外层，再用含有一定配位体的化合物或阴离子与重金属形成较稳定的络合物或生成沉淀，以防止污染地下水。,1 工程措施,1.3 清洗法 EDTA可提高金属离子的移动性，使之从表层淋洗到下层。日本用稀盐酸或EDTA淹水清洗土壤重金属效果较好。将EDTA(30kga)撤在稻田或旱地(土壤含镉分别为10.4，27.9mgkg)，淹水或小雨淋洗，清洗12次，水量以能达到根层以外而未到达地下水为宜。试验表
4、明，清洗一次可使耕层土壤镉降低50，二次使米镉减少81，Fe、Zn效果最好，Mn、Ni效果较差，而先用氯化物(Ni用硫破盐)，后用EDTA淋洗效果更好。,1 工程措施,1.3 清洗法 清洗法对于烃、硝破盐等污染，较经济。该法较适合于轻质土壤，如砂土、砂壤土等，对重污染效果较好，但易造成地下水污染及土壤养分流失，土壤变性。,1 工程措施,1.4 热处理 热处理就是把已经隔离成末隔离的污染土壤加热，使污染物产生热分解的方法。该法多用于能够热分解的有机污染，如石油污染。产生热的方法有多种，主要从经济实用方面考虑，例如红外线辐射，微波和射频方式加热，管道输入水蒸汽，或打井通气使污染物挥发去除。,1 工
5、程措施,1.5 电化法 近年来国外采用电化学方法净化土壤中的重金属及部分有机污染物，该类方法特别适用于其他方法难以处理的透水性差的粘土类土壤。美国路易斯安那州立大学研制出的方法是：在水饱和的土壤中插入些电极(最好用石墨电极，电极间距和深度根据需要而定)，通过低强度宜流电(15mA)。通电后，阴极附近产生的H+便向土壤毛孔移动，并把污染物释放到毛管溶液中。水溶液以电渗透的方式移到阳极附近，并被吸到土壤表层，再清除。,1 工程措施,小结 工程措施治理效果最为彻底，稳定，是一种治本措施，适用于大多数污染物和土壤条件。但投资大，易引起土壤肥力减弱，适于小面积的重度污染区。近年来，把其它工业领域，特别是
6、污水、大气污染治理技术引入土壤污染治理过程中，为土壤污染治理研究开辟了新途径，如磁分离技术、阴阳离子膜代换法等。虽然多还处于试验探索阶段，但积极吸收、转化新技术、新材料，在保证治理效果的基础上，降低治理成本，提高工程实用性，有着重要的实际意义。,2 生物修复技术,生物措施是利用某些特定的动、植物和微生物较快地吸走或降解土壤中的污染物质，而达到净化土壤的目的。,生物修复(Bioremediation)是指利用生物的生命代谢活动减少土壤环境中有毒有害物的浓度或使其完全无害化，从而使污染了的土壤环境能够部分地或完全地恢复到原初状态的过程。,2.1 生物修复的概念,相同的表达有生物恢复(Biorest
7、oration)生物清除(Bioelimination)生物再生(Bioreclamation)。相近的概念是生物净化(biopurification),2.1 生物修复的概念,根据生物类型动物修复植物修复微生物修复植物微生物联合修复,2.2 生物修复的类型,根据修复的位置 原位修复技术(In-Situ)原位修复是指不移动受污染土壤，通过直接加营养物、供氧或使受污染地下水与降解菌充分接触，加快污染物分解的技术。美国犹他州针对航空发动机油污染的土壤，采用原位生物降解，在污染区打竖井，通过竖井抽风，经过13个月后土壤中平均油含量由410mg/kg降至38mg/kg。,2.2 生物修复的类型,根据修
8、复的位置 异位修复技术(EX-Situ)异位修复是指将受污染土壤、沉积物移离原地，集中起来进行生物降解。主要方法包括土地耕作法(land farming)、堆肥法(Composting)、生物浆床反应法(Bioslurry treatment)和厌氧处理法。,2.2 生物修复的类型,现场处理(on-situ)现场修复技术 在原地翻动土壤使之与降解菌接种物、营养物及支撑材料混合。,2.2 生物修复的类型,2.3 动物修复技术,利用某些特定的动物吸走或降解土壤中的污染物质，而达到净化土壤的技术。蚯蚓及某些鼠类能降解土壤中的一些农药，吸走土壤或污泥中的重金属。,2.4 植物修复技术,利用某些特定的植
9、物吸走或降解土壤中的污染物质，而达到净化土壤的技术。一些野生植物能吸收累积大量的重金属，通过人工栽培可用于重金属污染土壤的治理。比如，羊齿类铁角蕨属植物及富镉苋科植物等，对土壤镉的吸收能力根强，香蒲植物对铅锌具有强的忍耐和吸收能力，可以用于净化铅锌矿废水污染的土壤。,利用特殊植物治理是利用有些植物能忍耐(基因突变而产生的植物特定的生理机制)和超量累积某种或某些重金属的特性来清除污染土壤中的污染物（重金属），另一个方面是利用植物及其共存微生物体系来共同清除环境中污染物的环境治理技术，具体如图所示。,2.4 植物修复技术,植物修复是一种很有希望的、可有效和廉价处理某些有害物质(特别是重金属)的新方
10、法，在美国等发达国家己开展了大规模的实验，并被证明是有效的。目前已发现400多种植物能够超积累各种重金属，如茵草科的九节本属(Psychoha dourrei)有明显超积累作用，其地上部分的Ni含量可达47500mg/kg，山龙眼科的粗脉叶澳洲坚果(Macadamia neurophylla)对Mn有明显累积作用，其地上部分的Mn含量达51800mg/kg。还有一些超积累植物能同时积累多种重金属。,2.4 植物修复技术,植物提取技术(Phytoextraction)：种植对重金属富集能力较高的植物通过吸收和转运过程，将重金属富集在可收割的部位。植物转化技术(Phytotransformatio
11、n)：在植物的根部成其他部位通过新陈代谢作用将重金属转化为无害形态；如高效率铁离子植物拟南芥利用还原机理从土壤中抽提铁，在根的表面，Fe(III)被螯合物还原酶还原为少毒的亚离子铁Fe(II)。,2.4 植物修复技术,植物挥发技术(Phytovo1atilization)：利用一些植物的生理活动来促使重金属转变为可挥发的形态，继而从土壤和植物表面逸出。Ruch CL等研究表明，将来源于细菌中的汞抗性基因转入到植物，可以使其具有在通常生物中毒的汞浓度条件下生长的能力，而且还能将土壤中吸收的汞还原成挥发性的单质汞。许多植物可以从污染土壤中吸收硒，并将其转化为可挥发态的二甲基硒，从而降低了硒对土壤生
12、态系统的毒性。,2.4 植物修复技术,植物固定技术(Phytostabilization)：利用植物活动来降低重金属的活动性，使其不能为生物所利用，如植物枝叶分解物、根系分泌物对重金属的固定作用、腐殖质对金属离子的整合作用等过程；如增施有机肥可以固定土壤中多种重金属以降低其污染。,2.4 植物修复技术,植物促进技术(Phytostimulation)：植物本身不能吸收重金属，但植物的根系分泌物如氨基酸、糖、酶等物质可促进根系周围的土壤的微生物的活性和生化反应，有利于重金属的释放和微生物的吸收。,2.4 植物修复技术,寻找更多能降解污染物的植物种类。优化植物修复方法的过程。比如优质植物种类的筛选
13、和转基因技术研究。深入研究植物根系区域对修复作用影响的机理。,植物修复技术研究前沿领域：,2.4 植物修复技术,微生物修复技术是在人为优化的条件下，利用自然环境中生息的微生物或人为投加特效微生物的生命代谢活动，来分解土壤中的污染物，以修复受污染的环境。,概述,2.5 微生物修复技术,土壤中细菌的形状,形状多为棒状或杆状,常见的真菌,酵母菌,蘑菇,霉菌,菌根,微生物对物质进行各种转化作用的生理学基础是其新陈代谢活动，即分解代谢(Catabolism)和合成代谢(Anablism)。在新陈代谢过程中，微生物使各种物质经历了种种复杂的转化。对于土壤中农药残留的代谢，土著土壤微生物群系起着很重要的作用
14、。农药可以在土壤微生物的作用下直接分解或通过共代谢作用分解为低毒或无毒代谢产物，也可以是微生物分泌的酶系(胞内酶和胞外酶)对农药的代谢作用等。,概述,2.5 微生物修复技术,为了强化对某种特定农药的降解作用，运用分子生物学、遗传学和基因工程等新理论、新技术分离和选育高效降解菌种及酶系，并增强它们对污染物的降解能力，是提高土壤微生物修复效果的研究热点。,概述,2.5 微生物修复技术,微生物的修复技术还包括微生物植物系统的联合修复技术。如前所述，高等植物可提供微生物生长的碳源和能源，根系周围微生物数量多，活性强，对污染农药的降解活性更强。,概述,2.5 微生物修复技术,影响农药污染土壤生物修复技术
15、的因子很多，主要取决于污染物自身特性、土壤微生物生态结构以及土壤中的环境因子等。,微生物修复的影响因子,2.5 微生物修复技术,污染物结构不同、理化性质不同，其生物可降解性也不同。研究表明，微生物对烷烃的氧化是从低碳到高碳，从烷烃到芳烃逐级进行的，有机氯在环境中稳定，不易被微生物分解，是由于其结构中含有氯原子，且氯原子数越多，微生物的可降解性越差。低水溶性物质形成独立的非水相，极易吸附到土壤固相中，降低了其生物可利用性。利用表面活性剂来提高污染物的生物可利用性，已被广泛研究。污染物在土壤中的分布特性和初始浓度等因素均影响其生物降解性。,微生物修复的影响因子,2.5 微生物修复技术,微生物的种类
16、、数量、活性对于农药的代谢至关重要，降解农药的微生物一般对农药有一定的适应期，产生诱导酶(或降解质粒)，进而形成降解功能，利用该农药为碳源和能源进行生长繁殖，形成新的生态结构。为缩短驯化期和提高降解率，在微生物修复技术中所用的微生物一般从连续施用该农药的污染场地自身分离出来。,微生物修复的影响因子,2.5 微生物修复技术,Grosser研究用经过培养并重复使用的土壤进行生物降解时，污染物降解速度最快。除草剂阿特拉津(Atrazine)在土壤中的矿化作用主要由微生物完成，但在没有施用过阿特拉津的土壤中降解进行得十分缓慢。生物工程菌应用的研究也有报道，这些施用的微生物能较快地降解土壤中的农药污染，
17、但对于它们在环境中的归宿及其对环境的其他影响还不是很明确，应严格控制使用状态。,微生物修复的影响因子,2.5 微生物修复技术,影响微生物修复的环境条件包括土壤水分、pH、有机质含量、质地、孔隙度、氧化还原电位、可溶性氧等因素。选择最佳环境条件是决定微生物修复技术的重要部分，也是人们在农药污染土壤微生物修复研究中必须解决的关键问题。在现场治理中，影响微生物活性的诸多因子往往较难控制，生物活性因此难以达到最大值。,微生物修复的影响因子,2.5 微生物修复技术,制约生物降解性的主要限制因子为电子受体和营养，如氮和磷。常用的补充供氧方法有：土壤耕耘、直接充氧或注入H2O2以释放游离氧，作为土壤中微生物
18、氧化的电子受体。但H2O2对那些不具有H2O2酶的微生物来讲，具有毒害作用，如果将H2O2作为氧源，应测试具有生物降解能力的微生物种群的H2O2酶活性。在缺氧的条件下，可以投加硝酸盐和碳酸盐作为替代的电子受体，比氧更有效地提高降解菌的生物活性。也有研究者用一种缓释胶囊固体产氧剂来提供游离氧，使微生物的数量和活性均有很大增强。,微生物修复的影响因子,2.5 微生物修复技术,原位生物修复技术是污染土壤不经搅动或移动，在原位和易残留部位进行的处理方法，包括以下六种方法。,原位(In-Situ)微生物修复技术,2.5 微生物修复技术,(1)投菌法(Bioaugmentation)：直接向遭受污染的土壤
19、接入外源的污染物降解菌，同时提供这些微生物生长所需的营养，包括常量营养元素和微量营养元素。常量营养元素包括氮、磷、硫、钾、钙、镁、铁、锰等，其中氮和磷是土壤生物治理系统中最主要的营养元素，微生物生长所需的碳、氮、磷质量比大约为120：10：1。Sciliano等投加假单胞菌菌株R75和CB35，可大大提高土壤中2-氯苯酸的降解速度。,原位(In-Situ)微生物修复技术,2.5 微生物修复技术,(2)生物培养法(Bioculture)：定期向受污染土壤中加入营养和氧或H2O2作为微生物氧化的电子受体，以满足污染环境中已经存在的降解菌的需要，提高土著微生物的代谢活性，将污染物彻底地矿化为CO2和
20、H2O。研究认为，通过提高受污染土壤中土著微生物的活力比采用外源微生物的方法更可取，因为土著微生物已经适应了污染物的存在，外源微生物不能有效地与土著微生物竞争，只有在现存微生物不能降解污染物时，才考虑引入外源微生物。无论选择何种微生物，应首先确定有利于污染物降解茵生长的营养元素的添加率。,原位(In-Situ)微生物修复技术,2.5 微生物修复技术,(3)生物通气法(Bioventing)：是一种强迫氧化的生物降解方法。在污染的土壤上打至少两口井，安装鼓风机和抽真空机，将空气强排入土壤中，然后抽出，土壤中挥发性的有毒有机物也随之去除。在通人空气时，加入适量的氨气，可以为土壤中的降解菌提供氮素营
21、养，促进微生物降解活力的提高。生物通气法生物修复系统的主要制约因素是土壤结构，不合适的土壤结构会使氧气和营养元素在到达污染区域之前就被消耗，具有多孔结构的土壤污染可以采用生物通气法来处理。,原位(In-Situ)微生物修复技术,2.5 微生物修复技术,(4)生物注射法(Biosparging)：亦称空气注射法(Airsparging)，即将空气加压后注射到污染地下水的下部，气流可加速地下水和土壤中有机物的挥发和降解。它是在传统气提技术的基础上加以改进后形成的新技术，抽提和通气并用，为微生物的降解作用补充溶解氧，并通过增加及延长停留时间促进生物降解，提高修复效率。当然，这项技术的使用也受到场地的
22、限制，受到岩相学和土层学的影响，一般在处理砂土层土壤污染的效果较好，在处理粘土层的污染物时效果不理想。,原位(In-Situ)微生物修复技术,2.5 微生物修复技术,(5)农耕法(Land farming)：对污染土壤进行耕犁处理，在处理过程中结合施肥、灌溉等农业措施，尽可能地为微生物提供一个良好的生存环境，使其有充分的营养、适宜的水分和pH值，从而使微生物的代谢活性增强，保证污染物的降解在土壤的各个层次上都能发生。该方法结合农业措施，经济易行，对于土壤通透性较差、土壤污染较轻、污染物较易降解时可以选用。,原位(In-Situ)微生物修复技术,2.5 微生物修复技术,(6)有机粘土法：这是近年
23、发展起来的一种新的原位处理污染地下水和土壤的方法，是一种化学和生物相结合的方法。利用人工合成的有机粘土可有效地去除污染物。带正电荷的有机修饰物、阳离子表面活性剂通过化学键键合到带负电荷的粘土表面上，合成有机粘土，有机粘土可以扩大土壤和含水层的吸附容量，粘土上的表面活性剂可以将有毒有机物吸附到粘土上富集，有利于微生物对污染物的原依降解。,原位(In-Situ)微生物修复技术,2.5 微生物修复技术,(1)预制床法(Prepared bed)：在不泄漏的平台上，铺上石子和砂子，将受到污染的土壤以1530cm的厚度平铺其上，并加入营养物和水，必要时也可加一些表面活性剂，定期翻动土壤补充氧气，以满足土
24、壤中微生物生长的需要。处理过程中流出的渗滤液，回灌于该土层上，以便彻底清除污染物。预制床处理是农耕法的延续，但它可以使污染物的迁移量减至最低。,2.5.4 异位微生物修复技术,2.5 微生物修复技术,(2)堆肥式处理(Composting)：在土壤中直接渗入能提高通气保水能力的支撑材料，如树枝、稻草、粪肥、泥炭等易堆腐物质，以提供微生物丰富的营养物质，并使用机械翻动或压力系统充氧，同时加石灰来调节最适pH，使微生物的降解活性大大提高。经过一段时间的发酵处理，可以使大部分污染物降解。经堆肥处理消除污染后的土壤又可返回原地或用于农业生产。Lin Jianer等研究了在堆肥式处理装置中投加菌种和其他
25、营养物质的方法，将降解菌和菌体所需营养包埋于PVA胶囊中或用聚氨基甲酸乙酯固定，稠化刘和吸附剂也可同时被包埋或固定。这些菌体和添加剂掺入所处理的土壤中，明显提高了微生物的降解速率。,2.5.4 异位微生物修复技术,2.5 微生物修复技术,(3)生物反应器(Bioreactor)：生物反应器是一种特殊的反应器，通常为卧式鼓状、气提式，可分批或连续培养，可建在污染现场或异地处理。处理时将污染土壤转移至生物反应器中，加入39倍的水混合使其呈泥浆状，同时加入营养物质，并在充氧的条件下剧烈搅拌，使微生物与底物充分接触，完成处理过程。处理后的土壤又可通过渗灌系统回灌到土壤中，在回灌过程中加入营养和已经驯化
26、的微生物，并通入氧气，使土壤中的生物降解过程更快。生物反应器的降解条件比较容易控制，可以满足微生物降解所需的最适条件，获得最佳处理效果。近年来，生物反应器的种类得到了较大的发展，连泵式生物反应器、连续循环升流床反应器、泥浆生物反应器等，在修复污染土壤、地下水方面已初见成效。,2.5.4 异位微生物修复技术,2.5 微生物修复技术,营养物质的添加及量的配比选择适当的电子受体同生菌群的强化作用基因工程菌(GEM)的开发污染物生物可降解性研究表面活性剂对生物降解的强化作用,2.5.5 微生物修复技术前沿研究领域,2.5 微生物修复技术,基因工程菌(genetic engineering microo
27、rganism，GEM)A.MCharkrabarty经过研究发现：能降解芳烃、萜烃、多环芳烃的细菌的降解基因位于质粒上。基于这一发现，他根据质粒容易传递的特性，利用基因工程的手段将多种质粒嫁接到一种菌体内，构成一菌多基因,即“超级细菌”，其修复方法叫“超级细菌法”。这一新型菌能同时降解四种石油组分，能把石油中约23的烃类消耗。它的突出优点是比自然菌降解速度快。因此，构建含有目的基因，具有较强竞争力的基因工程菌(CEM)是现代环境生物技术的主要目标之一。,2.5.5 微生物修复技术前沿研究领域,2.5 微生物修复技术,3 农业措施,（1）增施有机肥提高土壤的环境容量 施用堆肥、厩肥、植物秸秆等
28、有机肥，增加土壤有机质，可增加土壤胶体对重金属和农药的吸险能力。有机质又是还原剂，可促进土壤中的镉形成硫化镉沉淀，促进高价铬(Cr6+)变成毒性较低的低价格(Cr3+)。施用有机肥，还能促进微生物和酶系的活性，加速有机污染物的降解。,3 农业措施,（2）控制土壤水分 土壤的还原状况影响到污染物的存在状态，通过控制土壤水分，调节土壤氧化还原状况以及硫离子含量，可达到降低污染物危害的作用。据研究，在水稻抽穗到成熟期，减少落干，保持淹水可明显减少水稻籽实中镉、锌、铜、铅的含量。,3 农业措施,（3）选择合适形态的化肥 由于不同形态的氮、磷、钾化肥对土壤理化性质和根际环境具有不同的影响，某些形态的化肥
29、更有利于降低植物体内污染物的浓度。,3 农业措施,（4）选种抗污染农作物品种 研究表明，菠菜、小麦、大豆吸镉量多，不宜种植，而玉米、水稻较低。在中、轻度重金属污染的土壤上，不种叶莱、块根类蔬菜而改种瓜果类蔬菜或果树等，能有效地降低农产品的重金属浓度。,4 改良剂实施,施用改良剂、抑制剂等的作用是降低土壤污染物的溶性、扩散性和生物有效性，而达到净化土壤的技术。,4 改良剂实施,（1）沉淀作用 在污染土中加入化学物质，使污染物形成沉淀净化土壤的技术。在某些重金属污染土中加入石灰性物质，能提高土壤pH值，使重金属生成氢氧化物沉淀，施加有机物等促还原物质，降低土壤氧化还原状态，使重金属生成硫化物沉淀。,4 改良剂实施,（2）施用抑制或吸附剂 Barbara Gworck用膨润土、合成沸石等硅铝酸盐作添加剂钝化土壤中镉等重金属，显著降低了受镉污染土壤中作物的镉浓度。,4 改良剂实施,（3）拮抗作用 通过离子间拮抗作用来降低植物对污染物的吸收在某些情况下也是经济有“效的。研究表明，Ca2+能减轻水稻、番茄对Cu，Pb，Cd，Zn，Ni等重金属的毒害。,谢谢！,
