砷污染土地的植物修复设计

1、环境工程设计题目： 砷污染土地的植物修复设计姓名： 张厦 班级： 环境0902学号： 200948270201 指导教师： 李立平2012年12月9日1背景1.1 砷污染现状 砷是自然界普遍存在的元素。在正常情况下,砷处于自然循环的平衡之中,由于人类普遍利用砷,造成了砷在环境中的积累,从而危害动植物,甚至威胁到人类的健康,这种状况就是通常所说的砷污染。在广西、云南、湖南等一些受到重金属污染区的土地上，原本正常生长的农作物会被超标的重金属毒死，人们难觅蔬菜和粮食的踪影。因矿产资源采掘不当而使废弃采矿地大量裸露，并通过水流等途径污染农田，造成土壤中的重金属含量严重超标，直接影响到农作物的产量和品质

2、，威胁人类健康。1.2 土壤砷污染治理现状世界上曾发生多次砷中毒事件,因此含砷化合物污染和防治已日益引起人们的普遍关注近20年来,随着植物修复技术不断发展,植物修复技术已被广泛地应用于重金属污染土壤的修复。植物修复方法主要有植物稳定，植物提取，植物挥发。植物挥发其机理是利用植物根系吸收金属，将其转化为气态物质挥发到大气中，以降低土壤污染。植物固定利用耐重金属植物或超累积植物降低重金属的活性，从而减少重金属被淋洗到地下水或通过空气扩散进一步污染环境的可能性。植物提取 (Phytoextraction)是目前研究最多，最有发展前景的方法。通过利用超富集植物根系吸收污染土壤中的砷并运移至植物地上部，

3、通过收割地上部物质带走土壤中砷，降低其土壤砷的含量，达到对土壤砷污染的治理目的。1.3 土壤砷污染治理所遇到的问题对于砷污染来说，已有的植物修复的技术主要是植物提取，但是利用植物提取需要选择出或诱导出超富集植物，再者，如何利用富集植物使砷污染修复效率以及经济效率综合最高，操作的便宜程度等都需要精心设计。本设计旨在解决以下问题：通过选择最佳的超富集植物，利用影响修复效率的因素使达到修复效率、经济效率综合最优，对刈割后的植物后处理 等给出实际的可行的治理方案。2项目区现状项目区位于湖南郴州市新额桥砷矿区附近废弃耕田（旱地），该地属中亚热带湿润季风气候。气候特点，气候受季风交替影响，春早多变，夏热期

4、长，秋短温凉，冬无严寒，热量丰富，雨水不匀。年平均气温18.3，1月平均气温7.1，7月平均气温28.1。年平均日照数为1603.1小时。年平均降水量1600毫米。无霜期292天。郴州土壤略偏碱;有机质总体上较丰富,平均为42.30 g/kg,高于湖南省平均值;土壤全氮和碱解氮含量较高;全磷含量平均为0.93 g/kg,速效磷在土壤中的分布极不均衡,适宜范围1020 mg/kg的土壤样品只占20.84%;土壤全钾及速效钾含量偏低,由南到北, 由西到东呈逐渐增加的趋势。土壤普遍缺硼,有91.28%的土壤样品低于缺硼临界值0.30 mg/kg，项目区面积100×100见图1。平均砷含量3

5、00mg/kg。 图1新额桥矿区简图3设计原则本设计主要通过以下原则进行设计：3.1 选择最优的超积累植物 根据土壤与超级类植物的相互适应，应选用积累量大又适宜在该土壤生长的植物。3.2 采用蜈蚣草的最佳种植密度 合理的耕作，种植密度的安排影响植物的生长，因此科学的种植密度将有利于植物的生长，提高其生物量，加快污染物的去除。3.3 化肥的最佳选择和使用量最佳及方法简便 根据土壤化学原理，化学肥料能显著的影响重金属元素的迁移转化。在连续种植的土壤上容易缺乏养分，因此适当的施用肥料不仅能使植物正常生长还能促进超积累植物对重金属的吸收。3.4 采用对蜈蚣草的最佳刈割次数以提高修复效率 若不及时收割，

6、则落叶枯枝等重新进入土壤，使修复变成无效功。若收割次数过频繁于则影响超积累植物的正常生长以及其修复效率。等进行设计，旨在达到砷污染治理的效率、经济最优化。4设计目标及方法总述：经过蜈蚣草的植物提取、对蜈蚣草的刈割、带走，最终土壤砷含量应达到二级标准30mg/kg。第一年之后土壤砷含量应达到：300*(1-8%)=276 mg/kg方法：利用超富集植物蜈蚣草的植物提取作用，从土壤中吸收砷元素，并不断的对蜈蚣草进行刈割、带走，从而达到治理目的。4.1 植物选择陈同斌、韦朝阳1 3等在湖南省发现了两种能超富集砷植物,蜈蚣草(Pterisvittata)和大叶井口边草(PteriscreticaL.)

7、 ，不但富集砷，耐砷毒能力也极强。由于蜈蚣草已经较大范围的的应用到实际，故这里选用蜈蚣草进行砷污染治理。具有生物量大、生长快和抗病虫害能力强的特点。蜈蚣草是侏罗纪时代的一种古老的多年生蕨类植物，根系非常发达，一年内可刈割多次，治理成本非常低。蜈蚣草叶片富集砷达0.5%，为普通植物的数十万倍；能够生长在0.15-3%的污染土壤和矿渣上，具有极强的耐砷毒能力；其地上部与根的含砷比率为5：1，显示其具有超常的从土壤中吸收富集砷的能力1 3。蜈蚣草生物量大，富集砷能力强，每年去除土壤砷的效率为8%左右1 3。4.2蜈蚣草的种植密度已有研究表明：蜈蚣草是一种适宜于密植的草本植物，具有通过提高栽培密度来提

8、高其地上部生物产量的潜力；同时蜈蚣草密植有利于促使其吸收的砷向地上部富集，从而有利于进一步提高其对砷污染土壤的修复能力；综合考虑修复过程中的收获方式、经济成本与可操作性，选择种植密度20cm×20cm为蜈蚣草的最佳栽培密度4。43化肥的最佳选择和使用量与水稻和小麦相比,蜈蚣草对氮、磷和钾的吸收量都较低,但如果在连续种植过程中不施肥,蜈蚣草则可能会出现养分亏缺问题。地上部带走的总氮、总磷和总钾量分别为2389、4.413.0和2169kg.hm-2.a-1 5 。通过田间试验研究施用磷肥对砷超富集植物蜈蚣草(PterisvittataL.)生长和砷污染土壤修复效率的影响，结果表明,适量

9、施用磷肥促进蜈蚣草的生长,显著提高其生物量,但过量施用磷肥对植物产量无贡献.随着磷肥施用量的增加,蜈蚣草地上部砷含量呈先增加后减少的趋势,理论上在施磷量为340kg·hm-2时,砷含量可达最高(1622mg·kg-1).磷的含量与施磷量呈极显著的正相关关系。理论上达到最大土壤修复效率所需施磷量为369kg·hm-26。施用磷肥可以维持土壤有效态砷含量在蜈蚣草种植前后变化不大,保证蜈蚣草下个生育期对砷的吸收。这些结果说明施用磷肥是蜈蚣草等砷超富集植物在现场修复中的必要手段,优化施磷技术可大大提高砷污染土壤的修复效率.已有研究表明磷肥能一定程度上提高砷超富集植物的修复

10、能力，但不同的磷肥对其砷的去除效率的影响可达数倍之差，磷酸二氢钙是首选磷肥类型7。以矿区土壤实际试验一年蜈蚣草的砷综合去除效率达到8%84.4 确定蜈蚣草的刈割次数以提高修复效率以野生苗移栽的蜈蚣草为试材, 通过盆栽试验结果表明:在3 次收获中, 随着收获次数的增加, 不同砷浓度处理之间蜈蚣草生物量的差异逐步缩小; 不加砷的对照处理中, 每次收获后的砷吸收速率下降趋势, 而在3 个加砷处理中, 第2 次收获和第3 次收获的蜈蚣草的吸砷速率为63 75g (p lant·d)、44 55g (p lant·d) , 均显著高于第1 次收获时的吸收速率。表明多次收获并没有降低砷

11、的积累速度。由此可见, 通过适当增加蜈蚣草的收获次数是提高砷修复效率的一种策略。根据试验，一个生长周期刈割三次为宜9。5 物料计算5.1 项目区面积100×1005.2 全磷含量平均为0.93 g/kg，通过田间试验研究施用磷肥对砷超富集植物蜈蚣草(PterisvittataL.)生长和砷污染土壤修复效率的影响，结果表明,适量施用磷肥促进蜈蚣草的生长,显著提高其生物量,但过量施用磷肥对植物产量无贡献.随着磷肥施用量的增加,蜈蚣草地上部砷含量呈先增加后减少的趋势,理论上在施磷量为340kg·hm-2时,砷含量可达最高(1622mg·kg-1).磷的含量与施磷量呈极显

12、著的正相关关系。理论上达到最大土壤修复效率所需施磷量为369kg·hm-210。故所需施磷量为369kg·hm-2每年所需袋数n=369÷25=14.76,按15袋计算5.3根据实验蜈蚣草的神去除效率达到最大10%，综合年修复效率8%11故蜈蚣草的砷去除效率按8%/每年计算5.4保证钾肥基本不变，按一个生长周期收割的生物量所带走的钾施用2169kg.hm-2.a-112，钾肥使用量按(21+69)/2 =45 kg.hm-2.a-15.5 肥料的有效深度按20cm计算，保证土壤硼的含量在0.5mg/kg, 用它和土壤容重的数据可以计算出土壤总孔隙度，计算时通常采用

13、平均密度值2.65Mg/m3 13 。1hm土壤所需硼肥：(0.5-0.3)×10-6×20×10-2 m×（100×100）m2×2.65 Mg/m3×1000 =1.06kg5.6 平均砷含量300mg/kg，二级标准30mg/kg去除年限的的计算：300 ×（1 8%）n = 30得到n = 12年5.7 蜈蚣草植株育苗量（100÷0.2）2=250000株5.8 表2 物料表*均按一年计算所需序号物料名称规格单位数量1磷酸二氢钙10 25Kg/袋15 2腐植酸钾（KHm）11 25kg/袋2 3&

14、#160;都乐硼12 15g×300包/桶 2.334*1012 均来自武汉立美生物科技有限公司磷酸二氢钙：有效成分含量:52% |，总养分含量:52 ， 总氮含量:12 ，有效磷含量:10施用方法：全年腐植酸钾（KHm）：主要成分:腐植酸 ，含量:45，黑色。施用方法：全年都乐硼：硼含量：（%） 形状：粉末 施用方法：全年6实施步骤6.1 5月6月份前土地翻耕并种前施用肥料，施用方法：每年施用三次，每次按三分之一的量。6.2 进行蜈蚣草的分株繁殖：全年均可进行，以56月为好，也可以直接购买目标量幼苗，进行栽种。6.3 根据实际情况进行除草、肥水管理、防病等6.4 于十月份

15、进行第一次刈割，收割的蜈蚣草通过砷的固定剂安全焚烧（交由相关人员负责）并进行植物样品中砷的测定。6.5 冬季进行盖膜防冻措施。6.6 根据蜈蚣草的长势进行第二次刈割并做安全燃烧，并进行植物样品中砷的测定。6.7 第二年5月6月间进行第三次刈割并进行安全燃烧，并进行植物样品中砷的测定。6.8 参照第一年治理，进行以后11年的治理，最终达到预期目标7流程图流程图见图2 图2修复流程8实施效果经过第一年的治理，植物样品中砷的测定根据陈同斌等介绍的方法: 样品总砷采用HNO32HClO 4 消解, 氢化物发生2原子荧光光谱仪(海光A FS22202) 测定。分析中所用试剂均为优级纯, 同时采用国家标准

16、参比物质(GBW 208501) 进行分析的质量控制, 分析误差均控制在允许的误差范围。得到砷去除率在9.1%，完全达到并超过预期。9结语 修复后：有效解决了当地严重的土壤及农产品重金属污染超标问题，提高了矿区复垦土地的利用率，保障了人民的安全健康。土壤重金属的污染不容忽视，但也不能夸大，一定要实事求是，因为有些地方的污染土壤是可以修复的。尽管超量积累植物在治理重金属污染土壤方面具有很大的潜力，但在实际中存在一些问题：如自然界中的超量积累植物不仅种属稀少，而且往往有地域分布的局限性。此外，多数超累积植物往往存在生物量小、生长缓慢、气候环境适应性差等问题。因而，寻找筛选和栽培驯化自然界中存在的超

17、累积植物，使其能适用于实际应用，仍然是当前植物修复研究的一项重要任务。参考文献 1 廖晓勇, 陈同斌, 肖细元, 等. 污染农田土壤中砷含量的空间变异特征. 地理研究, 2003, 22(5): 635643. 2 廖晓勇, 陈同斌, 谢华, 等. 磷肥对砷污染土壤的植物修复效率的影响: 田间实例研究. 环境科学学报, 2004, 24(3): 455462. 3 Chen T B, W ei C Y. A method to remediate arsenic contam inated so ils. Ch ina Patent No. CN 01120519. 9. 2001. 4 Ch

18、en T B, Fan Z L , L eiM , et al. Effect of pho spho rus on arsenic accumulation in A s2hyperaccumulato r P teris v ittata L. and itsimp lication. Ch inese S cience B u lletin, 2002, 47 (22) : 1876 1879. 3 M a L Q , Komar KM M , Tu C, et al. A fern that hyperaccumulates arsenic. N atu re, 2001, 409: 579. 4 L iao X Y, Chen T B, L eiM , et al. Roo t distributions and elemental accumulations of Ch