重金属污染及环境效应研究

中国矿业大学（北京）硕士学位研究生开题报告中国矿业大学(北京)硕士研究生学位论文选题情况表论文题目：巴家咀水库周边土壤重金属污染及环境效应研究 学院 (系) ： 化学与环境工程学院 学生姓名： 芮艺文 学 号： DSG150302014C 专业学位类别： 在职研究生 专业领域名称： 环境工程 研究方向： 土壤重金属污染 校内导师： 徐东耀 校外导师： 填表日期： 2016-04-08 研究生院学位办制中国矿业大学（北京）硕士学位研究生开题报告目录1.选题的背景及意 义 .11.1 课题的来源 .11.2 选题的背景及意义 .12. 重金属的来源、影响与危害 .32.1 重金属的来源 .32.2 重金属的影响与危害 .32.2.1 汞 .42.2.2 镉 .42.2.3 铅 .52.2.4 铬 .52.2.5 砷 .53. 国内外研究现状 .63.1 分析测试及评价现状 .73.2 赋存形态分析现状 .83.3 重金属迁移转化及影响因素 .93.3.1 重金属迁移转化 .93.3.2 土壤理化性质对重金属迁移转化的影响 .123.4 重金属生物有效性研究现状 .133.5 矿山重金属污染研究 .144. 研究内容与方法 .154.1 技术路线 .154.2 区域概况 .164.3 样品分析测试方法 .174.3.1 土壤不同粒径组分的提取 .174.3.2 土壤 pH 值的测定 .174.3.3 TOC 的测定 .184.3.4 重金属总量的测定 .184.3.5 土壤矿物学成分测定 .184.3.6 重金属化学形态的测定 .18参考文献 .21 中国矿业大学（北京）硕士学位研究生开题报告1巴家咀水库周边土壤重金属污染及环境效应研究 1 、选题的背景及意义1.1 课题的来源本研究来源于：“ 中科院百人计划 ”项目、国家自然基金项目 (41173113)1.2 选题的背景及意义众所周知，土壤是人类赖以生存的自然资源之一，也是环境各要素剧烈作用的场所。重金属是具有潜在危害的重要污染物之一，与其他污染物不同，重金属污染威胁在于其不能被微生物所降解，在地表环境中具有累积性，可被农作物吸收、富集，从而引起代谢失调，生长发育受阻或导致遗传变异，并通过食物链直接威胁人们的健康与安全。土壤重金属污染是人类活动中产生的，致使土壤中重金属含量明显高于国家标准，造成生态环境恶化的现象。随着工业发展和城市化进程的加剧，通过交通运输、工业排放、市政建设和大气沉降等造成城市土壤重金属的污染越来越严重。随着城市化、工业化的迅速发展和人类环境意识的增强，欧、美、大洋等洲的发达国家对其城市土壤的重金属污染问题研究兴趣不断增加。资源与环境是人类赖以生存、繁衍和发展的基本条件。随着人口急剧的增长、工农业生产和科学技术的飞速发展，人类对各种资源的需求量不断增加，人类正以前所未有的规模和强度开发资源。人类在对矿产资源进行开发与利用时，不可避免地带来许多环境和灾害问题，其中重金属污染是矿产资源开发引起的主要环境问题之一 1,2。重金属作为矿业活动主要污染物之一，随着矿产资源开发规模的不断扩大也日益严重。在进行矿产资源开采、运输和选冶过程中，都会产生一定的含有重金属元素的固体、液体和气体废弃物，而这些重金属元素又不断向周边环境释放迁移，进入到周围的大气、水和土壤环境中，通过直接呼吸及植物、水生生物等食物链长期危害人体健康 3。伴随着矿业开发的重金属污染问题的研究是资源环境科学研究的重要领域，对矿产资源开发过程中中国矿业大学（北京）硕士学位研究生开题报告2产生的重金属污染途径及机理进行探讨，既对已经产生污染的矿山进行治理有重要的指导意义，也对即将开发的矿产资源在开采过程中进行污染防治有重要的参考价值。研究区域是地处蒲河中段的巴家咀水库。巴家咀水库位于镇原、西峰交界处，地处黄土高原地区，东经1073638，北纬353743。坝高74米，长539米，底宽404米，顶宽7米，库容4936亿立方米，控制流域面积3522km 。水库由一座黄土均质大坝、一条输水发电洞、两条泄洪洞、两级发电站和电力提灌站组成。是一座集防洪保坝、供水、灌溉及发电于一体的水利枢纽工程。属全国12座重点拦泥水库之一。土壤是由多种成分和不同大小颗粒组成的非均质体，不同地区的土壤，其粒子大小的组成不同，因此粒径及粒级分布是土壤的一个基本性质参数。土壤不同粒级组分的理化性质存在差异，对重金属元素的吸附能力也具有很大差异。重金属等污染物的迁移、转化与土壤颗粒物的大小密切相关。由于风力或交通运输的作用，土壤中的微细颗粒物( PM 10 )被吹浮到大气中，成为大气悬浮颗粒物的主要组成之一，是多数大型、特大型城市面临的几个主要环境问题之一。欧盟法律明文规定，大气悬浮颗粒物( PM10 )的日最高浓度应控制在50g /m 3，且1年中累计不能超过 35d。大气悬浮颗粒物一旦被人体吸入，其中较大的颗粒物( PM10 )会沉积在上呼吸道，而细颗粒物( PM2.5 )则会进入肺泡中，诱发肺及心血管等方面的疾病。由于肺吸附重金属的效率高达60% 80%，若土壤颗粒物中富含重金属，则会影响肺的生理功能。与重金属污染物结合的土壤微细颗粒物还能在雨水的作用下，渗透到地下水中，进而可能引起地下水的重金属污染等问题。不难看出，重金属污染物通过与土壤微细颗粒物作用，能以不同方式给环境和人体健康带来潜在的风险。研究评价不同粒级组分中重金属的活性和潜在环境风险，有助于认识和掌握重金属迁移转化特点和规律，进而为修复和治理此类污染提供策略。中国矿业大学（北京）硕士学位研究生开题报告32 、重金属的来源、影响与危害2.1 重金属的来源工业来源：工业能源大都以煤、石油类为主，它们是环境中汞、铅、镉、铬、砷等重金属污染的主要来源。在采矿、选矿、冶炼、锻造、加工、运输等工业生产过程中会产生大量的重金属污染。排放的废水、废渣等直接进入水体及土壤中，废气中的重金属经沉降也进入土壤等环境中，从而使得环境中重金属浓度严重超标。农业来源：在农业生产中，污水灌溉、农药、劣质化肥等的不合理使用是重金属污染的重要途径。以磷肥为例，生产磷肥的磷矿石成分复杂，含有较多的重金属如锌、铬、镍、铜、镉、铅等，因此如不合理的使用，劣质化肥中的重金属杂质会直接导致土壤污染。城市来源：城市日益变成重金属污染的重要来源之一，污染过程主要包括污水处理中产生污泥的堆放、垃圾渗滤液的泄漏、含铅汽油的使用以及汽车交通等。污水处理厂产生的污泥中含有大量的重金属，如不经处理直接排放或者灌溉，会对土壤环境造成二次污染。城市垃圾在焚烧过程中产生的飞灰及堆放填埋过程中产生的渗滤液中的重金属通常也会严重超标。含铅汽油的燃烧是城市铅污染的一个重要来源，汽车轮胎添加剂中使用的锌也导致城市土壤的锌污染。环境事故污染：近年来突发性的环境污染事件骤增，其中重金属污染的案例占很大比例。突发性的环境事件会导致重金属在短时间内高浓度地进入环境，从而产生严重的污染 10。2.2 重金属的影响与危害由于重金属不能为土壤微生物所分解，而易于积累，转化为毒性更大的甲基化合物，甚至有的通过食物链以有害浓度在人体内蓄积，严重危害人体健康。土壤重金属污染物主要有汞、锡、铅、铜、铬、砷、镍、铁、锰、锌等，中国矿业大学（北京）硕士学位研究生开题报告4砷虽不属于重金属，但因其行为与来源以及危害都与重金属相似，故通常列入重金属类进行讨论。就对植物的需要而言, 可分为两类: 一类是植物生长发育不需要的元素，而对人体健康危害比较明显，如Ca、 Hg、Pb等；另一类是植物正常生长发育所需元素，且对人体又有一定生理功能, 如Cu、Zn 等, 但过多会发生污染，妨碍植物生长发育 11,12。2.2.1 汞金属汞常以蒸气的形式污染大气，可以通过呼吸道进入人体。金属汞易溶于脂质，容易通过生物膜进行转运和分布，也容易通过血脑屏障进入脑组织。金属汞在脑组织被氧化形成二价汞离子后，脂溶性降低，水溶性增强，难于逆向通过血脑屏障，返回血流，从而在脑组织中蓄积，引起损害作用。金属汞在细胞和其他组织中也可氧化成二价汞离子，再转运至肾脏，经肾由尿排出体外，一般对肾不易造成损害。所以，汞对脑的损伤先于肾，慢性汞中毒首先出现的是神经系统症状。无机汞化合物包括汞的硫化物、氯化物、氧化物及其他汞盐，只有离子态的汞才能被吸收（通过呼吸道和胃肠道）。汞离子进入血液后迅速分布全身，随之转运聚积于肝脏和肾脏，并经肾脏由尿排出体外。二价汞离子不易通过血脑屏障进入脑，故对脑的危害性较小。由于无机汞不易被吸收，一般不易造成肝、肾的损害。有机汞化合物在体内易降解为汞离子，毒理作用类似无机汞化合物。甲基汞属于高神经毒物质。能引起成人急性、亚急性中毒的甲基汞剂量是20mg/kg，对于胎儿是5mg/kg。甲基汞、乙基汞和丙基汞均为短链烷基汞，均属脂溶性，易以简单扩散的方式通过生物膜，也易随血流通过血脑屏障进入脑组织。脑细胞富含类脂质，与甲基汞、乙基汞的亲和力很强。2.2.2 镉土壤中镉的存在形态也很多，大致可分为水溶性镉和非水溶性镉两大类。离子态和络合态的水溶性镉CdCl 2、Cd(WO 3)2 等能为作物吸收，对生物危害大，而非水溶性锡CdS、CdCO 3 等不易迁移，不易被作物吸收，但随环境条件的改中国矿业大学（北京）硕士学位研究生开题报告5变二者可互相转化。如土壤偏酸性时，镉溶解度增高，在土壤中易于迁移；土壤处于氧化条件下(稻田排水期及旱田)镉也易变成可溶性，被植物吸收也多。除土壤的pH、Eh外，镉的吸附迁移还受相伴离子如Zn 2+、pb 2+、Cu 2+、Fe 2+ 、Ca 2+等的影响。如锌的存在可抑制植物对镉的吸收。镉对农业最大的威胁是产生“镉米” 、 “镉菜”进入人体后使人得骨痛病。另外，镉会损伤肾小管，出现糖尿病，还有镉引起血压升高，出现心血管病，甚至还有致癌、致畸的报道。2.2.3 铅一般进入土壤中的铅在土壤中易与有机物结合，极不易溶解，土壤铅大多发现在表土层，表土铅在土壤中几乎不向下移动。铅对植物的危害表现为叶绿素下降，阻碍植物的呼吸及光合作用。谷类作物吸铅量较大，但多数集中在根部，茎杆次之，籽实中较少。因此铅污染的土壤所生产的禾谷类稿秆不宜作饲料。铅对动物的危害则是累积中毒。人体中铅能与多种酶结合从而干扰有机体多方面的生理活动, 导致对全身器官产生危害。2.2.4 铬Cr3+主要存在于土壤与沉积物中,Cr 6+主要存在于水中,但易被Fe 2+和有机物等还原。植物吸收铬约95%留在根部。据研究，低浓度的Cr 6+才能提高植物体内酶活性与葡萄糖含量, 高浓度时则阻碍水分和营养向上部输送, 并破坏代谢作用。铬对人体与动物也是有利有弊。人体中含铬过低会产生食欲减退症状。但饮水中超标40倍时, 会发生口角糜烂、腹泻、消化紊乱等症状。2.2.5 砷土壤中砷大部分为胶体吸收或和有机物络合螯合或和磷一样与土壤中铁、铝、钙离子相结合形成难溶化合物, 或与铁、铝等氢氧化物发生共沉淀。pH和Eh值影响土壤对砷的吸附。pH值高土壤砷吸附量减少而水溶性砷增加；土壤在中国矿业大学（北京）硕士学位研究生开题报告6氧化条件下, 大部是砷酸，砷酸易被胶体吸附，而增加土壤固砷量。随Eh降低，砷酸转化为亚砷酸，可促进砷的可溶性, 增加砷害。砷对植物危害的最初症状是叶片卷曲枯萎，进一步是根系发育受阻，最后是植物根、茎、叶全部枯死。砷对人体危害很大，它能使红血球溶解，破坏正常生理功能，甚至致癌等。3 、国内外研究现状近50年来，在重金属污染研究方面，国内外主要取得了一下成果：（1）确定了世界和区域范围内的土壤主要重金属元素的背景值以及相应的环境质量标准、食品卫生标准和排放标准；（2）建立了较完善的各种主要重金属元素分析测定方法及规范；（3）发现了一批可用于重金属污染生物检测的敏感植物，适于重金属污染区种植的抗性植物以及可望用于重金属污染土壤植物修复的超量积累重金属植物；（4）对重金属在底泥水体生物系统、土壤植物系统以及沿生产者消费者分解者食物链的迁移、转化和循环规律进行了深入系统的研究；（5）对重金属污染的治理相继发展了物理、化学和生物方法，植物修复技术和微生物修复技术引起了广泛关注。国外对土壤重金属污染的报道最早追溯到十九世纪发生在日本的足尾铜山公害事件。在上世纪50年代前后，日本出现了“水俣病” 和“骨痛病”，并且查明这是由于Hg和Cd污染所引起的公害之后，重金属的污染才开始备受关注。国外许多学者在城市土壤重金属污染方面进行了大量探索研究，如Bilos等人 16研究认为，城市中污染源较多，可释放大量重金属进入大气和土壤。有研究显示，在特定地物（如建筑物等）周围，土壤重金属污染程度与该地物的建成时间和位置有关；另外，人类活动越密集的地区重金属污染越严重，工业化程度与城市土壤中重金属的含量（例如Cd、Cu、Pb 、Zn ）密切相关。Madrid 等人 17对西班牙塞维利亚市主要公园和绿地土壤重金属含量的调查显示，位于居住。休闲地区的土壤样点的Pb 、Zn 和Cu（尤其是Cu）的含量超出人们可接受的范围，其中国矿业大学（北京）硕士学位研究生开题报告7中机动车辆排放的尾气是土壤中重金属含量增加的一个重要原因。Albasel等人18的研究发现，土壤Cu、Pb、Zn的含量在逐渐远离公路时迅速降低，这不仅是因为汽车尾气会释放重金属进入周围环境，而且车辆的轮胎磨损同样可以造成土壤中重金属的积累，汽车尾气对重金属增加的贡献主要是Pb，同时也会影响到Zn和Cu。土壤中Zn、Cu、Cd含量，特别是Pb的含量，与机动车辆有密切的关系。S.O.Fakayodetal研究得出，尼日利亚osogbo市交通流量较大的公路旁土壤中重金属含量要比相应的中等流量和低流量公路旁土壤中重金属含量要高得多。随着距公路距离的加大重金属含量迅速下降，在距离公路50m 的地方重金属含量几乎达到控制点金属的自然背景值。Blakel等人 19的研究还表明，大气沉降会导致土壤以及农作物中的重金属增加，包括通过大气降水以及气液悬浮物进入土壤。据Bandhu等人的研究，大气中的重金属与土壤中的重金属之间有密切的相关性。目前国内土壤重金属污染研究在总体上与国外存在一定的差距。国内土壤重金属污染研究主要起始于20世纪80年代，90年代以来这方面研究得到迅速发展。从地域研究上看，目前的研究主要集中在经济比较发达的珠江三角洲和香港地区、长江三角洲的南京、上海等地、京津地区、东北工业区等，另外一些研究集中在西北和西南的个别工业城市周围以及个别的工矿区周围。3.1 分析测试及评价现状目前，土壤重金属研究中对于重金属元素含量的测定采用较多的方法是将土壤加酸消解之后，采用原子吸收分光光度法(AAS) 、等离子体发射光谱法( ICP - AES)