土壤重金属化学行为与污染治理

关于土壤重金属化学行为与污染治理问题引入全球性环境问题第2页,共71页，2024年2月25日，星期天全球气候变化第3页,共71页，2024年2月25日，星期天

在过去的一个世纪里，全球表面平均温度上升了0.3至0.6摄氏度，海平面上升了10至25厘米。目前地球大气中的二氧化碳浓度已由工业革命（1750年）之前的280ppm增加了10%。如果世界能源消费的格局不发生根本性变化，到21世纪中叶，大气中的二氧化碳浓度将达到560ppm，全球平均温度可能上升1.5至4摄氏度，将给全球人类带来灾难性后果。第4页,共71页，2024年2月25日，星期天臭氧层破坏和损耗自1985年南极上空出现臭氧层空洞以来，地球上空臭氧层被损耗的现象一直有增无减。到1994年，南极上空的臭氧层破坏面积已达2400万平方公里。现在在美国、加拿大、西欧、前苏联、中国、日本等国的上空，臭氧层都开始变薄。全世界向大气排放的消耗臭氧层物质（ODS）已达到了2000万吨。由于ODS相当稳定，可在大气层中存在50-100年，会不断与臭氧发生反应，即使全世界完全停止排放ODS，也要再过20年，人类才能看到臭氧层恢复的迹象。第5页,共71页，2024年2月25日，星期天1979~1992年南极臭氧空洞图197919801981198219831984第6页,共71页，2024年2月25日，星期天199019891988198519861987第7页,共71页，2024年2月25日，星期天19921991第8页,共71页，2024年2月25日，星期天臭氧层对地球的保护示意图臭氧层主要吸收紫外线保护地球生物，同时也是温室气体，吸收热量，维持地球热量的动态平衡第9页,共71页，2024年2月25日，星期天酸雨污染“酸雨”泛指酸性物质以湿沉降（雨、雪）或干沉降（酸性颗粒物）的形式从大气转移到地面上。酸雨中绝大部分是硫酸和硝酸，主要来源于人类广泛使用化石燃料，向大气排放了大量的二氧化硫和氮氧化物。第10页,共71页，2024年2月25日，星期天酸雨的形成第11页,共71页，2024年2月25日，星期天酸雨危害酸雨破坏建筑，更使使全球30%的林区因酸雨的影响而退化。有些湖泊因酸化改变水生生态，导致鱼类灭绝。土壤酸化会使土壤贫瘠化，导致陆地生态系统的退化。第12页,共71页，2024年2月25日，星期天酸雨污染的危害第13页,共71页，2024年2月25日，星期天水资源危机目前世界上约有20个国家严重缺水，全球有10亿多人口无法得到安全的饮用水。第14页,共71页，2024年2月25日，星期天森林植被破坏地球森林面积约为30-60亿公顷，约占陆地面积的20%-40%，但在工业化过程中，森林大面积被毁引起了多种环境后果，主要有：降雨分布变化，二氧化碳排放量增加，气候异常，水土流失，洪涝频发，生物多样性减少等。第15页,共71页，2024年2月25日，星期天海洋资源破坏和污染近几十年来，全球范围内的海洋生产力和海洋环境质量出现明显退化。2/3以上的海洋鱼类已被最大限度或过度捕捞，已经灭绝或濒临灭绝，另有44%的鱼类的捕捞已达到生物极限。而另一方面，人类活动产生的大部分废物和污染物最终都进入了海洋。第16页,共71页，2024年2月25日，星期天难以处理的有毒化学废物第17页,共71页，2024年2月25日，星期天现在全球每年产生的有毒有害化学废物3亿到4亿吨，其中对生态危害最大、扩散最广的是持久性有机污染物（POPs），如多氯联苯和滴滴涕。使男性精子数目锐减，男性不育症增加。男婴出生率下降。动物雌性化现象严重。以及畸形个体增加。第18页,共71页，2024年2月25日，星期天生物多样性锐减地球上约有1400万种物种，但当前地球上的生物多样性损失的速度比历史上任何时候都快，鸟类和哺乳动物现在的灭绝速度是它们在未受干扰的自然界中的100倍至1000倍。第19页,共71页，2024年2月25日，星期天民以食为天——土壤荒漠化和污染土壤土壤荒漠化土壤污染第20页,共71页，2024年2月25日，星期天民以食为天——土壤荒漠化和污染土壤污染土壤有机物污染土壤无机物污染（重金属）第21页,共71页，2024年2月25日，星期天PbCdCrHgAs第22页,共71页，2024年2月25日，星期天危害

(1)影响植物根和叶的发育(2)破坏人体神经系统、免疫系统、骨骼系统等植物病例人类病例二、重金属危害和污染特点第23页,共71页，2024年2月25日，星期天土壤重金属污染特点(1)重金属不能被微生物降解，是环境长期、潜在的污染物；(2)因土壤胶体和颗粒物的吸附作用，长期存在于土壤中，浓度多成垂直递减分布；

(3)与土壤中的配位体(氯离子、硫酸离子、氢氧离子、腐蚀质等)作用，生成络合物或螯合物，导致重金属在土壤中有更大的溶解度和迁移活性；(4)土壤重金属可以通过食物链被生物富集，产生生物放大作用；(5)重金属的形态不同，其活性与毒性不同，土壤pH、Eh、颗粒物以及有机质含量等条件深刻影响它在土壤中的迁移和转化；第24页,共71页，2024年2月25日，星期天三、土壤重金属污染来源自然来源（1）成土母质的风化过程对土壤重金属本底含量的影响（2）风力和水力搬运的自然物理和化学迁移过程人为干扰输入（1）不同工矿企业工业生产对土壤重金属的额外输入（2）农业生产活动影响下的土壤重金属输入（3）交通运输对土壤重金属污染的影响第25页,共71页，2024年2月25日，星期天四、土壤重金属环境化学行为迁移过程（1）机械迁移（2）物理—化学迁移(溶解-沉淀；氧化-还原等)（3）生物迁移

转化过程（1）物理—化学转化（2）生物转化第26页,共71页，2024年2月25日，星期天五、影响土壤重金属环境化学行为的因素土壤颗粒物粒径土壤有机质含量土壤PH值和酸碱度土壤生物和植被

第27页,共71页，2024年2月25日，星期天六、土壤重金属污染的来源定量解析

重金属的形态分布

重金属的形态：可交换态、碳酸盐态、铁锰氧化物结合态、有机硫化物态和残渣态。元素剖面分布

由于土壤对重金属的固定，外源重金属大都富集在土壤表层而比较难向下迁移

同位素示踪研究各种元素的同位素成分来区分各种地质体的物质来源空间分析应用GIS技术分析异常空间分布与污染源的关系有可能直观地判断出异常的成因

第28页,共71页，2024年2月25日，星期天七、土壤重金属污染治理土壤重金属污染物的检测分析土壤重金属的治理方法

第29页,共71页，2024年2月25日，星期天土壤重金属污染的治理方法农业生态修复：主要换土、客土和深耕翻土等（图）植物修复技术（图）(1)植物提取和富集（图）(2)植物挥发（图）(3)植物稳定（图）常见修复植物物理化学修复a.电动修复

b.电热修复

c.土壤淋溶化学修复

第30页,共71页，2024年2月25日，星期天八、土壤重金属修复展望超累积植物筛选与培育分子生物学和基因工程技术的应用生物修复综合技术的研究第31页,共71页，2024年2月25日，星期天九：土壤重金属污染治理研究项目2010年高等学校省级优秀青年人才基金项目——无机-有机体协同原位化学固定修复土壤重金属污染（基金号：2010SQRL147）2010年高校省级自然科学项目——高效土壤重金属修复与重金属毒理和生物有效性研究（基金号：KJ2010B437）第32页,共71页，2024年2月25日，星期天第33页,共71页，2024年2月25日，星期天谢谢第34页,共71页，2024年2月25日，星期天第35页,共71页，2024年2月25日，星期天第36页,共71页，2024年2月25日，星期天第37页,共71页，2024年2月25日，星期天第38页,共71页，2024年2月25日，星期天Hg中毒第39页,共71页，2024年2月25日，星期天慢性As中毒第40页,共71页，2024年2月25日，星期天Pb中毒第41页,共71页，2024年2月25日，星期天电子产品造成的铅污染，已经成为铅污染的主要途径之一第42页,共71页，2024年2月25日，星期天Cd中毒第43页,共71页，2024年2月25日，星期天Cr中毒第44页,共71页，2024年2月25日，星期天修复土壤重金属污染的植物小花南芥：修复Pb、Zn复合污染蜈蚣草：修复As污染

东南景天：修复Cd、Pb、Zn、Cu复合污染龙葵：修复Cd污染油菜:修复Cd污染第45页,共71页，2024年2月25日，星期天在电场的作用下，通过电流的作用，土壤中的重金属离子(如Pb、Cd、Cr、Zn等)和无机离子以电透渗和电迁移的方式向电极运输，然后进行集中收集处理。第46页,共71页，2024年2月25日，星期天利用高频电压产生电磁波，产生热能，对土壤进行加热，使污染物从土壤颗粒内解吸出来，加快一些易挥发性重金属从土壤中分离，从而达到修复的目的。该技术主要修复被Hg和Se等重金属污染的土壤。第47页,共71页，2024年2月25日，星期天土壤淋洗：利用淋洗液把土壤固相中的重金属转移到土壤液相中去，再把富含重金属的废水进一步回收处理的土壤修复方法。常采用柱淋洗或堆积淋洗，该方法的技术关键是寻找一种既能提取各种形态的重金属，又不破坏土壤结构的淋洗液。目前主要使用的淋洗剂为柠檬酸、苹果酸、乙酸和EDTA。第48页,共71页，2024年2月25日，星期天化学修复：向土壤投入改良剂，通过对重金属的吸附、氧化还原、拮抗或沉淀作用，以降低重金属的生物有效性。该方法在土壤原位上进行的，简单易行。但金属元素仍保留在土壤中，一旦重金属在土壤中的形态改变，会再次危害生物，并不是一种永久的修复措施。常用的改良剂有石灰、沸石、碳酸钙、磷酸盐、硅酸盐和促进还原作用的有机物质，不同改良剂对重金属的作用机理不同。第49页,共71页，2024年2月25日，星期天植物修复

第50页,共71页，2024年2月25日，星期天植物富集第51页,共71页，2024年2月25日，星期天A：采集后压制植物的一般照片（有黄斑）B：X-射线放射自显影照片（能看出金属元素所在的部位）C：计算机重构的放射第52页,共71页，2024年2月25日，星期天富集重金属植物利用第53页,共71页，2024年2月25日，星期天植物挥发第54页,共71页，2024年2月25日，星期天植物稳定土壤重金属第55页,共71页，2024年2月25日，星期天农业生态修复第56页,共71页，2024年2月25日，星期天土壤重金属污染物的检测分析检测分析步骤采样预处理消解和提取仪器分析分析结果的质量保证

第57页,共71页，2024年2月25日，星期天第58页,共71页，2024年2月25日，星期天第59页,共71页，2024年2月25日，星期天第60页,共71页，2024年2月25日，星期天土壤：发育于地球陆地表面具有生物活性和孔隙结构的介质，含固液气三相系统。第61页,共71页，2024年2月25日，星期天土地荒漠贫瘠化荒漠化是当今世界最严重的环境与社会经济问题。全球荒漠化面积已近36亿公顷，约占全球陆地面积的1/4，已影响到全世界1/6