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[关键词]地质;土壤;重金属;污染;污染治理
中图分类号:X53 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2015)22-0286-01
土壤重金属污染是指土壤中重金属过量累积引起的污染[1]。过量重金属将对植物生理功能产生不良影响,使其营养失调。重金属难以在生态系统中转化、处理,并通过食物链层层传递最终在人体内积累,严重危害人类健康[2-3]。
1.土壤重金属污染的来源
土壤重金属污染存在大气、污水、固体废物、农药化肥等多种来源,不同来源的污染治理方法也存在明显差异。我国土壤重金属污染来源主要有以下几种:
1)大气沉降。冶金、重化工等工业过程会产生含有重金属的粉尘或气体排放到空气中,通过自然沉降和降水污染土壤。
2)污水污染。工业、生活污水如果未经处理就进行排放,将携带铅、铜等重金属元素进入河流或地下水中,影响人类、牲畜、农作物安全用水。
3)固体废弃物。生活、医疗、工业产生的固体废弃物在堆放或处理过程中,由于日晒、雨淋、水洗,重金属极易移动,以辐射状、漏斗状向周围土壤、水体扩散。
4)农用物资。农药、化肥和地膜长期不合理施用,导致土壤重金属污染。高毒农药含有铜和锌等重金属元素,一旦喷洒到农作物上难以转化、处理,造成粮食、水果重金属超标,造成食品不安全。
2.土壤重金属污染的地质因素分析
我国的南北方地理区域气候、经济发展差异,土壤地形、地质差异,将导致土壤重金属污染呈现地质因素特性。具体分析如下:
1)南北方差异
从污染分布情况看,南方土壤污染重于北方。我国南方地区经济较发达,尤其是有色金属产业、外贸加工业较为集中,导致土壤重金属超标严重。镉、汞、砷、铅4种无机污染物含量分布呈现从西北到东南、从东北到西南方向逐渐升高的态势。
2)耕地土壤污染特点
耕地土壤污染主要由于含有重金属的农资使用、工矿企业重金属排放物迁移污染,并且前者具有全国普遍性,这主要因为我国农药、地膜安全标准较低所致。根据统计,我国耕地土壤重金属超标率超过1/5,主要污染物为砷、铜、汞、铅、铬等,并且呈现污染程度逐渐加剧的趋势。
3)酸碱地质差异
我国热带、亚热带地区,广泛分布着各种红色或黄色土壤的酸性土壤。南方土壤受到气高温高、强降雨量影响,pH一般低于6,较强的酸性土壤对铜、锌等金属元素具有天然的吸附能力。而我国北方地区多呈现盐碱地质。不同酸碱度土壤对重金属元素的吸附能力也不相同。
4)矿山矿区差异
我国中南地区分布较多的金属矿山,由于采矿长流程、大滞后、多变量耦合工艺的影响,导致矿山不同区域土壤具有差异的重金属污染特性,因此需要针对不同矿区进行有针对性的分析,以标定重金属污染元素以及量级程度。不同矿区的污染程度、重金属元素具有明显差异。
3.基于地质因素考虑的土壤重金属污染治理方案
1)农药污染土壤的治理
对于农药、化肥、地膜等农资污染的耕地土壤可以采用热脱附技术进行治理以提高土壤的自我更新能力,保持土壤的活性。在采用该技术时需要控制两个参数指标即加热温度和保持时间以控制污染物在不同相之间的迁移转变,尤其是将重金属通过蒸发、排放、冷凝、剔除等处理至达标后进行无危害转移与安全排放,以避免土壤的二次污染。
2)盐碱土壤污染治理
在盐碱地的耕作过程中,利用粉垄螺旋钻头设置底层粉垄暗沟系统,利用天然降水的下渗运动,使土壤中的盐分下沉,并借助粉垄土壤疏松在氧气、微生物等作用下,使土壤中的部分盐分下移,增加了微生物对重金属、有机污染物等的吸着和转化。
3)土壤污染的固化稳定处理
土壤污染的固化稳定处理其原理为削弱土壤金属元素的迁移扩散能力,避免重金属污染的传递与二次污染以降低其危害,消除其对生态环境的进一步影响。需要指出的是该技术并不是消除重金属,而是隔绝其对其它环境的影响。图1显示固化稳定化处理在土壤修复治理方案中使用率达到22.2%。
4)酸性土壤的治理特点
酸性土壤对重金属元素的易污染程度由高到低依次为As Ni Pb Cu Cd Zn Cr Hg,空间分布不均匀程度由大到小依次为Cd As Pb Zn Cu Cr Ni Hg。Cd的含量与pH值呈正相,As的含量与F的含量呈正相关性,Cr、Hg的含量与F的含量呈负相关性,Cr、Cd的含量与海拔高度呈正相关性,Cu与As、Cu与Ni、Hg与Cr呈正相关性,Zn与Pb、As与Ni呈负相关性。
5)矿区污染土壤的治理特点
针对金属矿区土壤污染特性,有针对性的对其Zn、Pb、Cd、Cu和As等金属元素进行吸收、转化与格力处理。并且,根据矿山不同区位的污染程度设定不同等级的重金属处理标准,在有限污染处理成本的前提下实现矿山土壤综合治理的最优化效果。可见,针对矿区污染土壤的特点需要设计有针对性的处理方案。
4.结论
土壤重金属污染严重危害人类健康,且其污染治理受到污染源多样化、异质性影响存在较大难度,因此该课题受到国内外广泛关注。针对不同地质因素重金属污染的形式存在差异这一特点,提出基于地质因素考虑的土壤重金属污染治理方案。所提方案对开展土壤重金属治理工作具有借鉴意义。
参考文献
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问题
据统计,目前我国有2000万公顷耕地受到重金属污染,约占耕地总面积的1/5。其中,受矿区污染耕地200万公顷,石油污染耕地约500万公顷,固体废弃物堆放污染约5万公顷,“工业三废”污染近1000万公顷,污灌农田达330多万公顷。重金属土壤污染的严重程度以及可能造成的危害,使启动全国范围内土壤修复工作迫在眉睫。
重金属土壤污染修复领域在我国才刚刚起步,重金属污染事件的频发将催化该市场的启动。作为一家专业从事环境污染治理的企业,如何研发出先进的技术,强化自身在行业内的竞争力,同时延伸公司的产业链,增加经济与社会多方面效益,是永清环保面临的问题。
解决方案
作为一家环境污染处理公司,永清环保一直关注土壤修复领域,同时开展重金属土壤药剂的研发和生产销售,为湘江流域历史遗留重金属污染的治理提供技术支撑。永清环保土壤修复药剂使用的是自主研发的离子矿化稳定化技术。该项土壤修复技术具备原料易取得、制备方法简单、使用方法简便、治理效果好等优点。
离子矿化稳定化药剂能够与污染土壤中活性态重金属离子发生矿化反应生成原生态矿物类化合物,降低其生物吸收有效性和土壤浸出液毒性,防止重金属离子随地下水迁移,避免重金属离子对环境和人体健康造成威胁,具有对土壤和地下水中重金属离子长期稳定化功效。可应用的领域主要包括:重金属污染场地及底泥治理;重金属污染农田治理;垃圾焚烧发电厂飞灰稳定化处理等。
此项技术基于不同的重金属污染特性分析,选择并优化不同的稳定化药剂组合,各种药剂起到互补的作用,适用于复合型重金属污染土壤。离子矿化稳定化技术通过沉淀、化学吸附、氧化还原等方式与污染土壤中重金属离子发生反应生成稳定的矿石晶体,这种矿石晶体能在自然界中稳定存在,受环境因素影响小,稳定在矿石晶体中的重金属即使长时间处于在酸性环境下也不会重新析出,解决了稳定化重金属不能长期稳定存在的难题。
离子矿化稳定化药剂的投加比例相对较低,不会出现稳定化处理后废物体积大增,增加修复成本的现象。其主要成分为粘土类矿物、硫基化合物等,不含对环境产生污染的物质,与重金属作用也不产生新的二次污染物质,属环境友好型产品。目前永清环保掌握并工程化应用的土壤修复技术包括:挖掘填埋技术、固化/稳定化技术、气相抽提技术、热脱附技术、植物修复技术、微生物修复技术、土壤淋洗技术及氧化还原技术。
成效
经济效益
永清环保是国内唯一一家以自有技术生产重金属土壤修复药剂的环保上市公司,不仅为土壤修复提供上游原料,同时延伸了公司产业链,为公司提供新的利润增长点。2012年公司实现营业收入5.7亿元,同比增长65%。其中土壤修复业务收入同比增长266%,永清环保年报显示,2012年公司重金属土壤修复收入达7311.09万元,较上期大幅增加5311.09万元,已经成为公司的第二大业务,占比由2011年的5.8%提高到13%。
社会效益
2012年7月,永清环保“重金属污染土壤离子矿化稳定化修复技术研究与应用”通过湖南省科技厅组织的科技成果鉴定,并已申报两项国家发明专利。2012年10月投资3000万元成立全资子公司——永清环保药剂(湖南)有限公司,用于药剂生产。2013年6月3日,湖南省内首条重金属土壤修复药剂生产线正式投产运行并完成首批订单交货。这标志着永清环保填补了国内以自有技术生产重金属土壤修复药剂的空白,为土壤修复提供上游原料。
永清环保预计年产离子矿化稳定化药剂8万吨,可治理重金属污染土壤约140-260万吨,按污染土壤重重为1.8吨/立方米估算,可以修复污染土壤工程量为80-145万立方米,为生态文明建设提供强大助力。永清环保目前已实施或正在实施的重金属污染等环境修复项目有十余个。
展望
摘 要:随着我国工业现代化的发展,很多工厂在生产过程中会产生很多重金属,在排水污水、废物时没有达到环保标准,导致土壤重金属污染非常严重。为了解决这一问题,保护周围土壤,提高农产品质量,在处理中应用了化学固化方法,该方法价格成本低,处理方便,应用范围广。下面就对这些方面进行分析,希望给有关人士一些借鉴。
关键词:重金属污染;治理;化学固化
中图分类号:X53 文献标识码:A DOI:10.11974/nyyjs.20170230222
1 土壤重金属污染危害
1.1 重金属污染导致的危害分析
重金属对土壤和水生态环境会造成严重的危害,在自然环境中,重金属是不能被降解的,植物在生长过程中,会吸收到植物内部,这样对植物的生长发育带来很大影响[1],不仅如此,人和自然是一个统一的整体,形成一个完整的食物链,如果人类误食了这些植物,就会对人体造成伤害,重金属危害性非常大,人体的微量元素含量都是有限的,如果超标,对人体是致命的伤害,人体中的蛋白质,核酸会和重金属发生作用,进而导致人体酶活性的下降,严重的情况还会消失,最终导致核酸结构发生很大变化,甚至会出现基因突变的问题[2]。
1.2 分析当前土壤中的污染情况
通过调查研究得知,农业、工业、以及城市事故污染是重金属主要的污染来源。比如在农业生产过程中,如果使用含有重金属的水体进行农作物的灌溉,或者使用含有重金属的化肥农药,对周围的土壤都会造成严重的重金属污染。而在工业方面,比如选矿采矿,还有冶炼和锻造过程中,其操作的每一个过程都会产生重金属,在排放的废水废气以及废渣中,如果不能很好的过滤消毒处理,那么水体进入土壤中,也会有严重的重金属污染[3]。在这种重金属浓度严重超标的情况下,会对周围的空气,水体,以及土壤造成严重的危害。而在城市当中,污水处理厂是重金属污染的主要来源,有关部门监管不力,导致污水没有达到国家标准就进行了排放,大量的污水引入生活用水中造成污染。
2 土壤重金属污染治理的化学固化分析
2.1 分析重金属固化的原理
为了避免重金属对土壤、地下水造成持续的污染,在应用化学固化方法中,先要向被污染的土壤中添加固化剂,土壤中的活性就会被改变,这样重金属和土壤中的移釉素会相互结合,在外在形式下出现一定的固化现象,为了保证土壤有记性,迁移性等,必须进行化学处理,恢复土壤的活性。化学固化作用后,土壤中的元素都有很大的改变,最终做到对污染土壤的修复。
2.2 沉淀在化学固化中的作用分析
在土壤中放入固化原料后,在不断溶解中产生一定的阴离子,这些阴离子和重金属相互结合,之后就开始出现重金属沉淀,生物有效性等都开始降低。最为常用的固化剂有石灰石,作用机理是将土壤中的pH提高,这样在其中重金属元素发生沉淀,重金属在土壤中其毒性会随时浸出,石灰石可以减少浸出量,这样重金属就会被固定,不会将污染范围继续扩大,控制污染的进一步恶化。
2.3 吸附在化学固化中的作用分析
通过应用化学固化方式,使用的化学元素作用在土壤层中后,这些固化材料对重金属有一定的吸附作用,原理是吸附剂对吸附质的质点有很强的吸引作用,但是处理中分为化学吸附和物理吸附,其中的沸石是主要的添加剂,经过科学人员的研究,沸石具有特殊的Si-O四面体结构,该结构吸附性非常好,在物理吸附作用下可以将 Pb 、Cd等重金属吸附到表面上,这样重金属就被固定减少土壤中的重金属污染。
2.4 分析配位在其中的作用
在固化过程中,会出现配位问题,不同配位表现的情况也不同,黏土矿物中层和层利用分子之间的作用相结合,这样在实际应用中,被重金属污染的土壤中,其金属离子可以进入到这些化学元素的内部,和层间元素结合,之后会和SiO元素发生晶间的配合,黏土矿物添加到污染土壤中后,就可以有效降低重金属生物性和迁移性,这样就对这些污染土壤进行了一定程度的化学修复。除此之外,这些改良剂还能和重金属离子发生很好的配位作用,将 Pb,Cd等重金属吸收,控制其对土壤的污染。
3 总结
通过以上对土壤重金属污染治理的化学固化研究,发现化学固化的作用非常大,其对重金属污染的处理非常强,效果非常好,在以后的发展中,要深入研究这一技术,进一步完善和提高,推动我国对处理重金属污染的技术和水平,为以后的发展奠定基础。
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关键词:土壤;重金属;修复措施
重金属污染是当今面积最广、危害最大的环境问题之一。土壤中重金属污染不仅降低土壤肥力和作物的产量与品质,而且恶化环境,并通过食物链危及人类的生命和健康。由于重金属污染毒性机制和生物效应的复杂性,重金属污染一直是当前研究的热点。因此,土壤重金属污染的治理对于环境质量的改善十分重要,土壤重金属污染的修复也是环境可持续发展的必然要求。
1. 土壤重金属污染概述
土壤重金属污染是指由于人类活动将重金属引入到土壤中,致使土壤中重金属含量明显高于原有含量,并造成生态环境恶化的现象。例如在废蓄电池加工回收处理场地,土壤Pb 的浓度高达12 000mg/kg,而Cu 和Zn 也严重超标(1 800~2 200mg/kg);在一些工矿区或污灌区的土壤也常受Cd、Pb、Cu 的复合污染。土壤中多重金属元素或化合物之间以及重金属与土壤界面之间存在相互作用,使其污染土壤修复技术具有挑战性。
据统计,1980 年我国工业“三废”污染耕地面积266.7万公顷,1988 年增加到666.7 万公顷,1992 年增加到1 000万公顷。目前,全国遭受不同程度污染的耕地面积已接近2 000 万公顷,约占耕地面积的1/5。全国目前约有1.3 万公顷耕地受到Cd 的污染,涉及11 个省市的25 个地区;约有3.2 万公顷的耕地受到Hg 的污染,涉及15 个省市的21 个地区。部分地区的重金属污染已相当严重,如广州郊区老污灌区,土壤中Cd 的含量竟高达228mg/kg,平均含量为6.68mg/kg;沈阳张士灌区有2 533hm2土地遭受Cd 的污染,其中严重污染的占13%。据报道,目前我国污灌区有11 处生产的大米中Cd 含量严重超标。
2. 土壤重金属迁移规律的影响因素
重金属在土壤—农作物系统中的迁移规律与元素本身的化学特性、土壤理化性质、农作物种类等有关,并且会因各种污染元素数量和迁移速度的差异,在不同类型土壤剖面中的积累状况不同。
2.1 重金属元素自身理化性质对迁移规律的影响
不同种类重金属因其自身理化行为与生物有效性的差异,在土壤-农作物系统中的迁移化规律明显不同。研究表明同一土壤剖面中的Pb和Cr容易被土壤吸附而难以迁移,Cd的迁移率明显高于其他元素,Cd、As、Zn、Cu较易在农产品中积累,而Cr难以被吸收。重金属存在形态可分为可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机物结合态和残渣态。作物对重金属元素的吸收与重金属元素在土壤中的存在形态密切相关,一般认为可交换态含量与蔬菜中重金属元素含量间有较好的相关性,在土壤中迁移能力也强。
2.2 土壤理化性质对重金属在土壤中迁移规律的影响
土壤的理化性质是影响重金属在土壤中的存在形态以及重金属生物有效性的主要因素,土壤的理化性质主要包括pH值、土壤质地、土壤氧化还原电位(Eh 值)、有机质含量等。土壤pH值主要通过影响土壤重金属的存在形态和土壤对重金属的吸附量,从而影响重金属的迁移和淀积行为。有机质对土壤重金属的影响极其复杂,小分子量有机质与重金属络合或螯合增加其移动性,大分子有机质通过提高土壤CEC而使重金属元素有效性降低,随着土壤有机质含量的上升,大部分重金属元素浓度降低,生物有效性降低。
3. 修复措施
3.1 生物修复
(1)植物修复技术对土壤性质和周围生态环境的影响小,是真正意义上的“绿色修复技术”。植物修复技术的效果与重金属在土壤中的生物可利用性密切相关。重金属元素主要富集在根部,茎叶含量相对较少。植物各部位对重金属的吸收与土壤中可交换态和碳酸盐结合态含量具有一定的相关性,尤其是茎叶相关性更强。由于土壤中残余态不能被植物吸收,植物主要吸收土壤中可交换态的含量,而土壤中铁锰氧化物结合态和有机结合态与土壤中可交换态的含量互相转换,因此,即使在没有新污染源的情况下,土壤中重金属并不能完全被植物吸收达到安全值。
(2)微生物修复。微生物对金属元素有浸出作用,主要包括胞内和胞外累积作用、胞外络合作用、氧化还原作用、甲基化和脱甲基化作用以及微生物在新陈代谢过程中改变介质的物理化学环境而促使金属元素溶出等作用。微生物通过向胞外周围环境释放无机和有机酸可以扰乱金属元素的地球化学形态。细胞外有机化合物中含有具多功能团分子结构的低分子量有机物,其可以改变可溶性金属离子的形态,使它们沉淀下来。
3.2 化学修复
在一定条件下施用碳酸盐、磷酸盐、氧化物质促进沉淀形成,减少重金属对土壤的副作用和进入土壤的数量。土壤改良剂的选择必须根据生态系统的特征、土壤类型、作物种类、污染物的性质等来确定。但通过投加改良剂来治理重金属污染的土壤,需防止重金属的再度活化。淋洗法,通过淋洗使重金属移出根层,一般有以下2种方式:① 含有某种配位体的溶液淋洗土壤,配位体倾向于与重金属形成具有一定稳定常数的络合物。② 对轻壤质土壤消除重金属污染物时,应选用能与已知污染阳离子形成络合物的配位体的溶液冲洗土壤,用含有能与污染阳离子产生难溶性沉淀物的阴离子溶液继续冲洗土壤,调节冲洗液的组成与用量,使重金属在土壤一定深度形成难溶的间层。
4. 结束语
土壤重金属污染是当前面临的重大难题之一,迫切需要解决。而今植物修复技术的发展和广泛应用,为解决土壤重金属污染提供了一条绿色通道。同时,作为微生物最大的聚居场所的土壤系统,不可忽视微生物的强大作用,应该积极开展研究,使其发挥更大的作用。单一化学手段治理土壤重金属污染,虽然有一定的成效,但是不可避免二次污染;而化学手段也不可摒弃,化学手段可以改良土壤,在一定程度上是其他手段所不可替代的。因此,建议可以继续推进生物修复技术的发展,同时,将物理、生物、化学修复手段结合起来,更好地治理土壤重金属的污染。
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