土壤中镉污染现状与防治

专业 应用化学专业 应用化学 年级 年级 2009 级级 选题类别 镉污染选题类别 镉污染 学号学号 2009071916 姓名 张涛姓名 张涛 成绩成绩 题 目 土壤中镉污染现状与防治 摘 要 本文文章阐明了镉污染的来源与现状 同时对镉污染治理的方法 做了系统的 综述 并提醒人们要提高土壤质量意识 保护生态环境 关键词 土壤 镉污染 防治方法 目前 我国受镉 砷 铅等重金属污染的耕地面积 2 0 107hm2 约占总耕地面积的 1 5 其 中工业 三废 污染耕地 1 0 107hm2 污水灌溉的农田面积 3 3 106hm2 我国每年因重 金属 污染而减产粮食超过 1 0 107t 另外被重金属污染的粮食每年也多达 1 2 107t 由此 造成的 经济损失合计至少为 200 亿元 在所有重金属污染 以镉污染最为严重 尤其是 近年来 伴随着采矿 冶金以及镉处理等工业的发展 我国农业土壤受镉污染也日趋严重 镉是毒性 最强的重金属元素之一 危害极其严重 土壤中过量的镉会抑制植物的正常生长 在可食部 分的残留还会通过食物链影响到人体的健康 因此对镉污染土壤的治理已经引起 国内外的 广泛重视 一 土壤中镉的来源一 土壤中镉的来源 人体积累的镉的最主要的来源是通过食物即农产品的摄取 而食物中的镉主要来源于土 壤 土壤环境中的镉的来源包括自然和人为来源 1 自然的镉主要来源于岩石和矿物中的本底值 镉与铅锌矿 煤矿 磷矿有最密切的正相 关关系 能在铅锌矿 含煤岩系 含磷地层周围形成镉元素高值区 2 人为来源的镉丰要来源于工业 三废 和含镉肥料大量施用 工业废气是造成空气镉污 染的主要来源 在偏远地区的空气中镉的含量一般低于1 Opg mL 但在工业区周围的大气 中镉的含量较高 较高含量的镉通过降雨或沉降进入土壤 在土壤中积累 工业废水灌溉 镉在电镀 颜料 镍镉电池工业 电视显像管制造中的应用非常广泛 随着采矿 冶炼和电 镀工业的不断发展 大量的含镉废水排入河流中 用于灌溉必污染土壤 大量的工业固体废 弃物的堆积 农田施用污染的污泥 长期施用一些含镉的农用化肥也必然会造成镉在土壤中 的大量沉积 造成土壤中镉的总帚增加 二 镉污染的危害二 镉污染的危害 由于镉不能被土壤中微生物降解 半衰期超过20年 其污染为不可逆的积累过程 镉又 是生物迁移性很强的重金属 极易被植物吸收并累积 超过一定限度不仅严重影响作物的产 量 品质 而且可食部分极易通过食物链在人体内积累并危害人体健康 镉是植物生长的非 必需元素 当镉进入植物体内并积累达到一定程度时 植物就会表现出毒害症状 通常会出 现生长迟缓 植株矮小 退绿 产量下降 质量下降等 对人类而言 镉对人体健康的危害 主要是污染土壤中的镉可以通过食物链进入人体造成严重的危害 镉被人体吸收后主要分布 在肝与肾中 与低分子蛋白质结合成金属蛋白 镉中毒主要表现为肾脏功能的损害和肺部的 损伤 导致肾皮质坏死 肾小管损害 肺气肿 肺水肿 还可以引起心脏扩张和高血压 长 期摄入镉将会导致骨质疏松 脆化 腰病 脊柱畸形 三 土壤中镉的赋存形态及迁移转化三 土壤中镉的赋存形态及迁移转化 1 1 Cd有两种常见价态 0价和 2价 镉在土壤中只能以二价简单离子或简单配位离子的形 式存在于土壤溶液中 如Cd2 CdOH Cd OH CdCl CdOHCl CdS04 CdHC03 等 以难 溶态Cd OH 2 CdC03 Cd3 PO4 2 CdS等存在于土壤中 Cd与有机配体形成配合物的能力很 弱 故土壤中有机结合态的镉较少 2 2 土壤中镉的分布集中于土壤表层 一般在0 15 cm 15 cm以下含量明显减少 各剖面 不同深度上 元素含量随土壤质地不同而有明显不同 一般重金属元素随土壤粘性增大其含 量升高 Cd元素在水稻土中迁移能力最强 Cd迁出率随土壤质地变而增大 随pH值和土壤有 机质含量增大而降低 水溶性有机质 DOM 对土壤中Cd的吸附行为具有明显的抑制作用 这 种抑制作用与土壤类型和DOM种类有关 四 土壤中镉污染治理方法四 土壤中镉污染治理方法 关于土壤镉污染的治理 世界各国都在研究 总的来说 目前大致有以下六种治理措施 1 农业生态修复法农业生态修复法 农业生态法是通过改变耕作制度 调整作物品种以及改变土壤的水肥条件等方法来解决 土壤污染的问题 1 控制土壤水分 控制土壤水分 控制土壤的 Eh 及土壤的水分状况 使土壤作物有一个较为稳定的滞水期 可以减少 镉 进入植物体内的含量 即减少进入果实和茎实中的含量 据研究 在水稻抽穗期到成熟期 减少落干 保持淹水 可明显减少稻籽实中的镉 锌等金属的含量 2 施用有机肥 施用有机肥 通过施用有机肥 堆肥 厩肥 植物秸杆等有机肥 增加土壤有机质有利于改良土壤 结 构 可增加土壤胶体对重金属的吸附能力 为土壤提供络合 螯合剂 而且有机质也是良 好的还 原剂 可以促进土壤中镉形成硫化镉 张亚丽等研究表明 有机肥的施用可以明 显地降低土壤 中有效性镉的含量 其中猪粪的效果优于秸杆类 与此同时还应控制常用化肥 的施用 因为化 肥中的 Cl SO42 H 可以活化土壤中的镉 提高土壤中的交换态镉的含量 3 选用抗污染的作物 选用抗污染的作物 由于作物种间和种内对镉吸收的差异 在土壤镉污染地区选种一些抗镉污染性强的植 物 以 降低镉污染的危害 研究表明 菠菜 小麦 大豆对镉的吸收量较高 不宜种植 而 玉米 水稻 等较低 可以种植 云南农业大学与法国卡赛里克大学里尔高级农学院合作 经 过多年的共同努 力 在云南筛选出对镉吸收能力较强的超累积植物种类 如小花南芥 续断 菊 岩生紫堇 中华 山蓼 红叶芨芨草等 这些植物的根系能直接把污染元素从土壤中吸走 从而修复被污染的土 壤 在含镉 100mg kg 的土壤上种植蓖麻 五年后 土壤镉平均降低27 6 柳 Salix 属的某些 植物能大量富集镉 瑞典的 Tommy Landberg 等对不同土壤 中不同无性系的 Salix 富集镉 的情况进行了研究 发现 Salix 的不同 clones 对镉的吸收情况 不同 而且土壤的物理化学 性质 pH 有机质含量 CEC 等 对富集也有重要的因素 东南景天是我国镜内新发现的 一种镉超积累植物这种植物不仅生物量较大 对镉超积累 而且具有多年生 无性繁殖和适 于刈割的特点 是实施植物修复和研究超积累机制的良好材料 另外 在污染区公路两侧尽 可能种树 种花 种草 不但可以美化环境 还可净化 土壤 4 改变耕作制度改变耕作制度 为了尽可能的减少镉污染 尽可量减少受镉污染的产品进入食物链 可以在中 重度污 染地区改种非食用植物 改种一些观赏性作物或经济作物 如 花卉 苗木 棉花 桑麻 等 王凯荣等研究表明 污染农田种桑树后土壤镉的含量普遍下降 下降幅度在 8 1 83 9 平均为 37 1 同时通过农田桑蚕生产模式取得了良好的经济 生态 和社 会效益 此外 还可以在镉污染区作为良种繁育基地 张士灌区污染严重地块改做水稻 玉 米良种基地 收 获的稻米不作为直接食用的商品粮 做种子 秋后糙米中含镉量小于 0 1mg kg 每公顷产 量达 5000kg 以上 效益显著 2 2 生物修复方法生物修复方法 生物修复是利用某些特定的动 植物和微生物较快的吸走或降解土壤中的污染物质以 达 到净化土壤的目的 对于土壤镉污染 也同样可以应用动植物和微生物体系进行生物修 复治 理 经研究蚯蚓及某些鼠类可以降解土壤中的一些农药 吸收走土壤或污染物中的重金 属 KU MAR 等发现不同的土壤中某些柳属的无性系客隆对镉离子具有较强的吸收能力 目前的生物修复的研究中以植物修复研究的较为广泛 比如 羊齿类铁角蕨属植物及富镉苋 科植物 特别是野生苋 等对土壤镉的吸收能力很强 苏德纯在油菜对土壤镉污染的修复能力 的研究得油菜溪口花籽有较强的耐镉特性和吸收镉的能力 是可以用于修复镉污染土壤的超 积累物种资源 此外 刘云国 研究表明 象月季等花卉作物对重金属镉具有很强的富集作 用 在试验观测期间 植物平均每天吸收 1 7576mg L 且生长发育良好 也可以作为镉污染 生物整治的植物 而且不进入食物链不会对人体产生危害 对土壤镉污染进行生物修复具 有良好的生态和经济价值 结合现代分子生物学 分子遗传学和基因工程等新兴理论 培育 对污染土壤镉具有很强吸收能力的动物 植物和微生物是目前研究土壤镉污染治理的一个重 要方向 3 化学治理方法化学治理方法 化学治理就是向污染土壤中投入改良剂 抑制剂 增加土壤有机质 阳离子代换量和粘 粒的含量 改变 pH 和电导等理化性质 使土壤中镉发生氧化 还原 沉淀 吸附 抑制和 拮抗等作用 以降低镉的生物有效性 对于土壤镉污染 目前用的比较广泛的方法是向土壤添加改良剂 表面活性剂 金属拮 抗剂等 如磷酸盐 石灰 硅酸盐被认为是处理土壤镉污染的常用试剂 沈阳张士污灌区进 行的大面积石灰改良实验表明 每公顷施石灰 1500 1875kg 镉含量下降 50 杨景辉 研究表明 施用磷酸盐类物质可使重金属形成难溶性的磷酸盐 BARBAM GWOREK 用膨润土合成沸石等硅铝酸盐作为添加剂钝化土壤中重金属 显著的降低了受镉污染土壤中 的镉的作用浓度 土壤镉浓度 49 5mg kg 时 加入量为土重的 1 2 中 莴苣叶中镉的浓 度降低量达 60 80 通过离子之间的拮抗作用来降低植物对镉污染土壤中镉的吸收 根 据法国农科院波尔多试验站的研究结果表明在污染土壤上施加铁丰富的物资 铁渣 废铁矿 等 能明显降低植物中镉 锌的含量 4 物理方法物理方法 现在常用的物理方法有电化法 提取法 玻璃化法 电化法是美国路易斯安那州立大学 研究的一种净化土壤环境污染的方法 该法是在饱和的粘土中插入石磨电极 通过低强度直 流电 1 5mA 后 使金属阳离子流向阴极 然后采取措施回收 该技术已经被应用于清 除土壤中镉的污染 提取法分为冲洗法 洗土法和浸滤法等 这几种方法的原理相同 都是利用试剂和土壤中的镉作用 形成溶解性的镉离子 试剂络合物 最后从提取液中回 收镉 并循环利用提取液 玻璃化技术是利用电极加热将污染的土壤溶化 冷却后形成 比较稳定的玻璃物质 玻璃化技术比较复杂 实地应用中会以达到统一的溶化以及地下水的 渗透等问题 此外 熔化过程需要消耗大量的电能 这使得玻璃化技术成本很高 限制了它 的使用 5 工程治理方法工程治理方法 工程治理是指用物理或物理化学的原理来治理镉污染 对于镉污染土壤常用排土客地 法 清洗法 电泳法等 1 排土客地法排土客地法 排土客地法也称客土法 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 污染物浓度下降到临界危害浓度以下或减少污染物与根系的接触从而达到减轻危害的目的 这种方法被认为是改良土壤的根本措施 吴燕玉 等在张士灌区调查土壤中镉的含量 发现 77 86 6 土壤镉累积在 30cm 以上的土层 尤其在 0 5cm 5 10cm 内含量很高 去表层土 15 30cm 可使米镉下降 50 左右 但是这种方法耗费大量的资金 人力 物力 排出的污染土壤又很容易引起污染 而且土壤肥力会有所下降 所以对换出的土壤应妥善处 理同时还应对土壤多施肥以补充土壤肥力 2 清洗法清洗法 清洗法就是用清水或含有能增加金属水溶性的某些化学物质的水把污染物冲至根部外 层 再用含有一定配位体化合物或阴离子与金属形成比较稳定的络合物或生成沉淀以防止污 染地下水 日本用稀盐酸或 EDTA 450kg hm 撒在稻田或旱地 土壤含镉量分别为 10 4 27 98mg kg 淹水或小雨淋洗 清洗 1 2 次 水量以能到达根层以外而未达到地下水为宜 试验表明清洗 次可使耕层镉降低 50 2 次使米镉减少 80 但蒋先军等 研究得 EDTA 加入土壤仅 1 周 水溶态的镉增加数百倍 交换态的镉增加了数十倍 可能由于 EDTA 提高了土壤镉的移动 性 增加了对植物的毒害 而且还会由于水溶态和交换态镉剧增带来了地下水污染的风险 因此 使用 EDTA 或其它络合剂时要慎重 3 电泳法电泳法 电泳法是目前新兴的重金属处理方法 即在土壤中插入两个石墨电极 在稳定的电流作 用下 金属离子在电压的驱动下向两极移动积聚 然后再进行处理 6 微波辐照技术 微波辐照技术 微波辐照技术是通过加热土壤 使其中的镉得以收集破坏或固定 从而达到治理的目的 该项技术目前仅处于实验室研究阶段 ABRAMOVITCH 等 对质量浓度为 11 40mg kg 的 镉污染土壤进行了间歇式的微波照射 配制好的土壤样品在经微波辐照前先将一小段铅笔芯 插入其中 但勿插至土壤底部 并保证约有 0 5cm 的铅笔芯露出土壤表面 然后铺置一层 松 散的玻璃丝 在微波间歇辐照过程中发现土壤变红并偶尔发出火花 照射结束后 测其质量 浓度为 4 59mg kg 五 总结五 总结 综上所述 国内外对于土壤镉的污染现状与治理 取得了一定成绩 也存在一些理论上 和技术上的问题 如土壤中镉与土壤中矿物之间的吸附与解吸 固定与释放的平衡关系的研 究 土壤中镉的形态特征 转化与迁移规律的系统研究 土壤中二次污染的及时处理等 总 而言之 土壤中镉的污染问题 应从源头抓起 控制污染源 对于我国这样一个人多地少的 农业大国 开展综合治理措施 显得更为必要和迫切 参考文献参考文献 1 崔德杰 张玉龙 土壤重金属污染现状与修复技术研