环境学概论第7章土壤污染与防治课件

第七章 土壤环境污染及其防治本章内容土壤的物质组成土壤污染类型土壤污染特点土壤中的主要污染物土壤重金属污染（迁移转化途径及影响因素）土壤净化及污染修复一、土壤定义一、土壤定义土壤是指位于地球陆地表面，浅水层地区具有一定肥力且能生长植物的疏松层土壤剖面二 土壤的物质组成土壤组成很复杂，总体来说是由 矿物物质、动植物植物残体腐解体腐解产生的有机生的有机质、水分、水分和空和空气等固、液、等固、液、气三相三相组成成 有机质：有机质：普通有机物、腐殖酸普通有机物、腐殖酸 有机物有机物 活性有机体：活性有机体：土壤微生物、土壤动土壤微生物、土壤动固态固态 无机物无机物液态液态(水水)气态气态455 土壤有机质土壤有机质土壤有机质含量含量土土壤壤有有机机质质绝绝大大部部分分集集中中于于土土壤壤表表层层(0(01515或或0 020cm),20cm),我国土壤有机质含量在我国土壤有机质含量在1 15%5%之间之间来源来源植植物物的的根根茬茬、茎茎秆秆、落落叶叶、土土壤壤中中的的动动物物残残骸骸以以及及施入土壤的有机肥料等施入土壤的有机肥料等作用作用土土壤壤有有机机质质主主要要以以腐腐殖殖质质为为主主,它它作作为为土土壤壤有有机机胶胶体体来来说说，具具有有吸吸收收性性能能、土土壤壤缓缓冲冲性性能能以以及及与与土土壤壤重重金金属属的的络络合合性性能能等等,这这些些性性能能对对土土壤壤的的结结构构、性性质质、质质量量都都有有重重大大影影响响。对对金金属属元元素素和和人人为为释释放放的的污污染染物物在在地表的迁移和富集有重要意义地表的迁移和富集有重要意义土壤矿物质的化学组成很复杂，几乎包括地壳中所有的元素。其中氧、硅、铝、铁、钙、镁、钠、钾、钛、碳等10种元素占土壤矿物质总量的99%以上。氧（氧（48.6%）硅（硅（26.30%）铝（铝（7.73%）铁（铁（4.75%）原生矿物质原生矿物质它是各种岩石经受不同的物理风化，它是各种岩石经受不同的物理风化，仍遗留在土壤中的一类矿物，其原来的仍遗留在土壤中的一类矿物，其原来的化学组成没有改变。化学组成没有改变。硅酸盐类：橄榄石硅酸盐类：橄榄石/辉石辉石/角闪石角闪石/云母云母/长石长石 氧化物类：石英氧化物类：石英/赤铁矿赤铁矿 磷酸岩类：磷灰石磷酸岩类：磷灰石次生矿物质次生矿物质它大多是由原生矿物质经过化学变化，它大多是由原生矿物质经过化学变化，或由分解产物重新结合形成的新矿物。或由分解产物重新结合形成的新矿物。次生层状硅酸盐：高岭石、蒙脱石、伊利石、蛭石、绿泥石氧化物及其水化物：氧化铁、氧化铝、氧 化硅、氧化锰；碳酸盐：方解石（CaCO3）土壤水土壤水是含有复杂溶质的稀溶液，因此常将土壤水及其土壤水是含有复杂溶质的稀溶液，因此常将土壤水及其所含溶质称为所含溶质称为土壤溶液土壤溶液。土壤中各种形态水分土壤中各种形态水分,对土壤中物质的转化过程和土壤对土壤中物质的转化过程和土壤的形成过程起着决定性作用。的形成过程起着决定性作用。土壤溶液是植物生长所需要的水分和养分的主要供给源土壤溶液是植物生长所需要的水分和养分的主要供给源土壤空气是存在于土壤中的气体的总称。土壤空气是存在于土壤中的气体的总称。土壤空气土壤空气组成：土壤空气组成：u 氧气氧气10.3520.03%、二氧化碳二氧化碳0.150.65%、氮气、氮气78.880.2%u 相对湿度相对湿度100%近地大气组成：近地大气组成：p 氧气氧气20.94%、二氧化碳、二氧化碳0.03%、氮气氮气78.08%、其他气体其他气体0.95%p 相对湿度相对湿度6090%三 土壤环境元素背景值和土壤环境容量（一）土壤环境元素背景值指未受或尽少受人类活动，特别是人为污染影响的土壤化学元素的自然含量。高 低 Hg：页岩（沉积岩0.4）花岗岩(火成岩、0.01)Cd:沉积岩 火成岩Cr:蛇纹岩(变质岩 3000mg/kg)Pb:沉积岩 基性岩（火成岩 SiO24552%)（二）土壤环境容量 在人类生存和自然生态不致受害的前提下，土壤环境所能容纳的污染物的最大负荷量。四、土壤污染概念人类活动产生的污染物，通过不同的途径输入土壤环境中，其数量和速度超过了土壤的净化能力，从而使土壤污染物的累积过程逐渐占居优势，土壤的生态平衡受到破坏，导致土壤环境质量下降，影响作物的正常生长发育，作物产品的产量和质量随之下降，并产生一定的环境效应，最终将危及人体健康，以至人类生存和发展的现象广东省生态环境与土壤研究所土壤污染课题组在珠三角和粤东（汕头）、粤西（湛江）的调查显示，至目前为止，珠三角的土壤40%存在重金属污染，其中10%为重污染，而西江流域的重金属污染更达到60%70%。国内外有人形象地将土壤污染称之为“化学定时炸弹”。五、土壤污染特点隐蔽性和潜伏性不可逆性和长期性六、土壤污染的类型水质污染型（污灌）大气污染型（大气沉降、交通）固体废物污染型（垃圾堆放）农业污染型（施肥）综合污染型污灌型锌污染污灌型锌污染土壤：0.629.38mg/kg糙米：0.023.70 mg/kg土壤污染的类型水质污染型（污灌）大气污染型（大气沉降、交通）固体废物污染型（垃圾堆放）农业污染型（施肥）综合污染型交通污染 欧洲和亚洲的大城市中，土壤表层含铅量为欧洲和亚洲的大城市中，土壤表层含铅量为200200一一2000PPm2000PPm 美国艾森豪威尔快车道美国艾森豪威尔快车道1515米的土壤中合铅量高达米的土壤中合铅量高达7600ppm7600ppm 美国中、西部城市住宅区平均含铅美国中、西部城市住宅区平均含铅1636ppm1636ppm，商业区土，商业区土壤含铅壤含铅2413ppm2413ppm 华盛顿一个繁华的商业区交叉路口街道尘土含铅量达华盛顿一个繁华的商业区交叉路口街道尘土含铅量达12820ppm12820ppm土壤污染的类型水质污染型（污灌）大气污染型（大气沉降、交通）固体废物污染型（垃圾堆放）农业污染型（施肥）综合污染型固体废物污染型固体废物污染型农业污染七、主要污染物有机污染物无机污染物病原菌污染放射性污染无机污染物重金属 生物毒性显著的重金属元素：汞、镉、铅、铬、砷汞、镉、铅、铬、砷汞、镉、铅、铬、砷汞、镉、铅、铬、砷 一定毒性的一般重金属元素：锌、铜、镍等锌、铜、镍等锌、铜、镍等锌、铜、镍等八、土壤中重金属来源1 原生岩石（土壤母质）2 陨石、火山气体、土壤潜水 3 人类活动来源来源污染物污染物矿产开采、冶炼、加工排放的废气、废水、废渣矿产开采、冶炼、加工排放的废气、废水、废渣Cr、Hg、As、Pb、Ni、Mo煤和石油燃烧过程中排放的飘尘煤和石油燃烧过程中排放的飘尘Cr、Hg、As、Pb 等等电镀工业废水电镀工业废水Cr、Cd、Ni、Pb、Cu、Zn 等等塑料、电池、电子工业排放的废水塑料、电池、电子工业排放的废水Hg、Cd、Pb、Ni、Zn燃料、化工制革工业排放的废水燃料、化工制革工业排放的废水Cr、Cd汽车尾气汽车尾气Pb农药、化肥农药、化肥As、Cu、Cd土壤重金属污染的人为污染源土壤重金属污染的人为污染源 镉标准值(mg/kg)二级土壤：0.30无公害大米0.2绿色大米 0.10 温州市部分蔬菜基地蔬菜重金属污染情况调查（王亮等，2000年，内部资料）九、重金属形态1 1 赋存状态赋存状态赋存状态赋存状态 水溶态水溶态（以去离子水提取）（以去离子水提取）交换态或吸附交换态交换态或吸附交换态（以（以MgClMgCl2 2为提取剂）为提取剂）碳酸盐结合态碳酸盐结合态（以（以NaAc-HAcNaAc-HAc为提取剂）为提取剂）铁锰氧化态铁锰氧化态（以（以NHNH4 4OH-HCl)OH-HCl)为浸提剂）为浸提剂）有机结合态有机结合态（以（以H H2 2OO2 2为浸提剂为浸提剂)残留态残留态(HClO(HClO4 4-HF-HF消化，消化，1:1 HCl1:1 HCl浸提）浸提）2 毒性大小 水溶态、交换态：水溶态、交换态：最大最大 残留态：残留态：最小最小 其余态：介于其间其余态：介于其间3、有效度有效度十、土壤中重金属的迁移转化作用胶体吸附重金属的络合与螯合（一）土壤胶体概念：土壤中颗粒粒径小于1m或2m，具有 胶体 性质的微粒有机胶体：主要是腐殖质和生物活动的产物，为高分子有机物，主要是腐殖质和生物活动的产物，为高分子有机物，具有球形三维空间结构，直径具有球形三维空间结构，直径20-40nm20-40nm具有极大的比表面积，交换容量平均具有极大的比表面积，交换容量平均2000 2000 mol/100g mol/100g 腐殖质腐殖质无机胶体：颗粒细小的粘土微粒，包括黏土矿物高岭石、蒙脱颗粒细小的粘土微粒，包括黏土矿物高岭石、蒙脱石（石（100 mol/100g 100 mol/100g）、伊利石、铁）、伊利石、铁/锰锰/铝水合氧化铝水合氧化物等物等（二）胶体吸附土壤中含有丰富的有机和无机胶体，对进入土壤中的重金属有明显的固定作用。胶体的吸附和解吸作用使得重金属在土壤中迁移转化胶体吸附作用是重金属在土壤中积累而被污染的重要方式（二）胶体吸附（较高浓度时）土壤胶粒 Zn2+Pb2+土壤胶粒Pb2+Zn2+吸附吸附解吸解吸（三）重金属的络合与螯合1 络合与螯合影响土壤中存在各种有机或无机的配位体，重金属可以土壤中存在各种有机或无机的配位体，重金属可以通过络合、螯合作用而溶解迁移通过络合、螯合作用而溶解迁移（较低浓度）（较低浓度）无机的配位体无机的配位体 ：羟基羟基 、氯离子、氯离子 有机配位体：腐殖质（胡敏酸、富里酸）有机配位体：腐殖质（胡敏酸、富里酸）2 络合作用：氯络阴离子对重金属络合，可大大氯络阴离子对重金属络合，可大大提高重金属的溶解度重金属的溶解度 羟基与重金属的络合作用可羟基与重金属的络合作用可提高金属氢氧化物的溶解度金属氢氧化物的溶解度3 螯合作用：胡敏酸：难溶螯合物胡敏酸：难溶螯合物 富里酸：可溶性螯合物富里酸：可溶性螯合物（三）影响重金属迁移转化的因素pHEh有机质（1）pH土壤pH变化在48.5,但极端时为2、10.5 潮湿地区为57、干旱地区为79、对作物 而言,最适pH为6.5 pH与重金属元素迁移 土壤溶液中土壤溶液中CuCu、ZnZn、PbPb、CdCd等离子浓度随土壤的等离子浓度随土壤的pHpH值值上升而下降上升而下降 pHpH小于小于6 6时，可溶解迁移元素：时，可溶解迁移元素：CuCu、Zn Zn、NiNi、MnMn、Cr Cr、CdCd pHpH大于大于7 7时，可溶解迁移元素：时，可溶解迁移元素：AsAs、MoMo（2）Eh影响重金属价态影响迁移能力土壤中的 Eh一般土壤一般土壤EhEh变化范围：变化范围：200200700mv700mv 700mv700mv则为完全的氧化条件则为完全的氧化条件 300mV300mV的，以氧化反应占优势的，以氧化反应占优势 300mv300mv则以还原作用为主则以还原作用为主 200mv200mv便开始进行强烈的还原过程便开始进行强烈的还原过程 举例：举例：举例：举例：水滞土壤，如水稻土和沼泽土水滞土壤，如水稻土和沼泽土EhEh可低到可低到-200-200-300mv-300mv。旱地旱地土壤耕作层处于氧化状态土壤耕作层处于氧化状态土壤耕作层处于氧化状态土壤耕作层处于氧化状态，EhEh值约在值约在500500500500700700700700mvmv （多数变价元素）低价离子比高价离子更容易迁移低价离子比高价离子更容易迁移土壤中一些变价元素，而低价离子化合物溶解度相对高价化合物迁移能力较大，更容易迁移。如：Fe、Mn、S、Ni、Pb、As、Hg（少数（少数变价元素）高价离子比低价离子更容易迁移高价离子比低价离子更容易迁移有些元素(如U、V、Mo、Cr)在高价态时可以形成络合络合螯合离子的螯合离子的配位离子配位离子，在土壤溶液中增强了活性，在还原条件下，被还原为低价离子，并进一步水解沉淀 Cr的低价化合物较易水解沉淀，所以高价形式如(CrO4)2-等，则比低价形式更易迁移。(3)有机质腐殖酸一种特殊的有机物，其约占有机质总量的50一65组成：胡敏酸（只溶于碱）富里酸（溶于酸碱）胡敏素（不溶于酸碱）胡敏酸结构富里酸结构十一、土壤污染的危害1 土壤污染导致土壤酸碱度变化2 土壤中的有毒物质直接影响植物的生长3 土壤污染危害人体健康铝毒症状铝毒症状植物的铝植物的铝毒症状首先体毒症状首先体现在现在根系根系：根：根主轴伸长受抑，主轴伸长受抑，根粗短而脆，根粗短而脆，褐色，畸形弯褐色，畸形弯曲，抑制植物曲，抑制植物根系生长根系生长 不同铝浓度对绣不同铝浓度对绣球花颜色的影响球花颜色的影响土壤污染危害人体健康十二 土壤净化及污染土壤的修复 土壤净化污染土壤的修复（一）土壤净化土壤本身通过吸附分解、迁移转化，而使得土壤污染物的浓度降低而消失的过程。土壤中生物微生物和土壤动物对土壤中的污染物土壤中生物微生物和土壤动物对土壤中的污染物进行分解转化进行分解转化土壤中的存在的胶体通过吸附、解吸、代换等过土壤中的存在的胶体通过吸附、解吸、代换等过程，对进入土壤中的污染物骑着程，对进入土壤中的污染物骑着“蓄积蓄积”作用，作用，是污染物形态发生变化是污染物形态发生变化在植物的吸收作用下，转化和转移土壤中污染物在植物的吸收作用下，转化和转移土壤中污染物其他作用途径：如挥发、光解等其他作用途径：如挥发、光解等（二）污染土壤的修复1 排土、客土改良（物理改良）2 施加抑制剂（化学改良）3 生物改良常州外国语学校493名学生因学校附近工地施工引发中毒，学生出现了甲状腺结节、皮炎、血液指标异常等症状。客土修复学校附近的污染土壤（三家化工厂常隆、华达、常宇），施工过程中出现了有毒物质的扩散。2011年，常州常隆地块完成拆迁平地，用于商业开发的环境风险不可接受。2014年3月，开始了一轮修复，但因为刺激性异味太大，被迫暂停。生物法超耐受性植物筛选的研究超耐受性植物筛选的研究 超富集植物筛选的研究超富集植物筛选的研究 超耐受性植物超耐受性植物超耐受性植物可以利用其根系的吸收和积累作用，将重金属固定在植物根系或根际土壤中，从而降低土壤中重金属的迁移能力，使重金属得生物可利用性下降、重金属的生物毒性降低。超富集植物研究能承受高浓度的重金属，对重金属有相当的富集能力（能较普通植物累积10500 倍以上的某种重金属），生长快、生物产量较大，同时具有发达的根系。已有 400 余种植物被证明对重金属具有吸收超富集作用加拿大发布了750多种陆生和水生、野生和培植的潜在超富集植物目录 阿拉伯芥能在茎内富集30 000mg/kg的Zn 宝山堇菜、商陆都是Cd的超富集植物海州香薷已经达到Cu超量积累植物的标准蜈蚣草是修复中度As污染土壤的理想植物思考题1、掌握土壤的物质组成。2、土壤的环境元素背景值如何定义？什么是土壤污染，土壤中污染物的有哪些来源？3、土壤重金属污染有何特点？重金属的赋存状态如何影响其毒性？4、土壤中重金属迁移转化的主要途径有哪些？影响土壤重金属迁移转化的主要因素有哪些？5、概要了解土壤净化和土壤污染修复技术。