农产品安全生产--污染土壤修复.ppt

1、1 土壤污染的基本特性31 土壤污染及治理技术简介3 污染场地修复基本问题3 主要内容主要内容 2 土壤环境保护政策研究2 土壤政策研究背景 肯定 中国的土壤环境保护工作在资金投入、管理监督及技术支持等方面 取得了积极的进展 不足 现有的土壤污染防治法律法规、标准体系及 修复技术等 无法满足土壤环境保护的需求 中国土壤污染防治面临的形势严峻，当前 污染防治工作的 基础比较薄弱 3 俄罗斯 日本 中国 欧洲 土地和土壤环境的 现状不容乐观 中国的土壤问题：中国的土壤问题： 荒漠化和污染荒漠化和污染 中国土壤成土母质图 中国土壤类型图 中国土壤状况 4 中国土壤环境保护现状 土壤环境保护工作取得的

2、成效 土壤环境污染现状 开始关注 土壤质量和 土壤污染 问题 重点关注 土壤肥力 土壤环境保护理念 1949 重点关注土 壤污染防治 ，近年来尤 其关注风险 管理和风险 控制 第一阶段 1978 1992 至今1949 土壤环境保护理念 农业土壤 点源污染与面源污染 共存 生活 污染和工业污染 叠加 各种 新旧污染相互 交织 工业 及城市污染向农村 转移 城区及工业土壤 大量企业原址场地 被再开发为 人居环境 ，可能 成为土壤和地 下水的高污染和高风险区。 存在的问题 n 缺乏专项法律法规 n 土壤环境监管能力薄弱 n 土壤环境标准体系不健全 n 污染土壤修复治理资金缺乏有效保障 5 发达国家

3、 中国 立法 有专门土壤环境保护与污染控制法律法 规，如美国 超级基金法 和 棕色地 块法 、荷兰 土壤保护法案 、日本 土壤污染对策法 没有专门的土壤污染防 治法律 监管 采用基于风险的管理模式 未贯彻基于风险的管理模式 标准体系 具有完善的土壤环保标准体系；加拿大 和美国均制定了国家和地方土壤质量指 导标准。 土壤环保标准体系不完 善；全国采用统一的 土壤环境质量标准 资金保障 多渠道的资金筹措方式 资金来源有限且无保障 责任 LIABILITY 标准 STANDARD 资金 FUNDING 6 制定实施土 壤保护政策 的有利条件 快速的经济发展 广泛的国际贸易 不断提升的公众意识 政府的

4、高度重视 7 政策建议 开展土壤环境保护和污染控制的立法 在关注农业污染土壤的同时，高度重视工业活动引起的土 地污染问题 借鉴和强化国际上较普遍采用的基于风险的土壤环境管理 模式 逐步推动土壤环境标准体系建设，鼓励以省市为单位，制 定区域性土壤环境质量标准和污染土壤修复标准 开展污染土壤（场地）修复技术的可适用性评价，研究解 决污染土壤修复治理的资金机制 加强科技支撑，突破影响中国土壤环境监管工作有效推进 的科学和技术障碍 8 1.1 污染土壤的定义污染土壤的定义 “ 绝对性 ” 定义 :由人类的活动向土壤添加有害化台 物，此时土壤即受到了污染 。 这个定义的关键是存 在有可鉴别的人为添加污染

5、物。 “ 相对性 ” 定义： 以特定的参照数据来加以判断， 如以背景值加两倍标准差为临界值，若超过这一数 值，即认为该土壤为某元素所污染。 “ 综合性 ” 定义： 不但要看含量的增加，还要看后 果，即加入土壤的物质给生态系统造成了危害。 1.2 土壤污染的特点土壤污染的特点 （ 1）隐蔽性或潜伏性 :水体和大气的污染比较直观 ，严重时通过人的感官即能发现：而土壤污染则往 往要通过农作物包括粮食、蔬菜、水果或牧草以及 摄食的人或动物的健康状况才能反映出来，具有隐 蔽性或潜伏性。 日本的第二公害病 痛痛病 60年代发生于富山县神通川流 域，直至 70年代才基本证实是镉污染土壤所生产的 “ 镉米 ”

6、 所致。 （ 2）不可逆性和长期性 : 土壤一旦遭到污染后极难恢复 ，重金属元素对土壤的污染是一个不可逆过程，而许多有机 化学物质的污染也需要一个比较长的降解时间。 1966年冬至 1977年春，沈阳 抚顺污水灌区发生的石油、酚 类以及后来张土灌区的镉污染，造成大面积的土壤毒化、水 稻矮化、稻米异味、含镉量超过食品卫生标准。经过十余年 的艰苦努力，包括施用改良剂、深翻、清灌、客土、选择品 种等各种措施，才逐步恢复其部分生产力，付出了大量的劳 力和代价。 1.2 土壤污染的特点土壤污染的特点 （ 3）后果的严重性 :由于土壤污染的隐蔽性或潜伏性、 以及它的不可逆性或长期性，因而往往通过食物链危害

7、动 物和人体的健康。研究表明，土壤和粮食的污染与一些地 区居民肝肿大之间有着明显的剂量 反应关系，污灌引起 的污染越严重，人群的肝肿大串越高。一些土壤污染事故 严重威胁着粮食生产轻则减产，重则绝收，损失十分惨重 。 1.2 土壤污染的特点土壤污染的特点 污染源 地下水 非饱和带 饱 和 带 地下水位线 流 向 土 壤 污 染 机 理 土壤污染与地下水污染存在密切关系。 13 14 1.3 主主 要污染源及污染物要污染源及污染物 主要污 染源及污 染物空气 污 染影响 气被污染后通常通过 干、湿沉降作用对土 壤环境产生进一步的 影响 污 水灌 溉 有机无机等混合型 污 水主 要来自石油化工和制

8、药 ， 有三 氯 乙 醛 、多 环 芳 烃 ， 导 致土壤板 结盐渍 化，影 响作物生 长 农业 生 产过 程 化肥、农药和覆盖塑 料薄膜等技术措施使 土壤营养物质积累 . 固 废 的 农 用 工业废渣、城市垃圾 、剩余污泥以及畜禽 粪便、农业秸秆等 土壤污染 -化工、冶金等 -排污、渗坑及污水灌溉 -垃圾、废渣等 -污染大气降水 -农药、化肥等农业活动 污染来源及种类 化学污染物 物理污染物 生物污染物 放射性污染物 15 土壤环境保护政策研究31 土壤污染及治理技术简介3 污染场地修复基本问题及应用发展3 主要内容主要内容 19 土壤污染的基本特性2 20 环境治理技术 化学修复技术 物理

9、修复技术 生物修复技术 微生物修复技术 植物修复技术 21 按处置地点 按暴露情景 植物修复技术 微生物修复技术 原位修复技术 异位修复技术 化学修复技术 物理修复技术 修复机理 影响因素 固化 去除 22 土 壤 修 复 技 术 换土 置换 冰冻修复 稳定 固化 电动修复 气提 /解吸热处理 淋洗 化学氧化还原 物理化学修复 23 几种修复技术工艺流程图 阻隔技术 固化技术 氧化还原技术 气提技术 24 土壤淋洗法 対象： 重金属、 农药、 油等 车载式 固定式 淋洗机械 分离装置 30m3/h处理能力淋洗修复工程 热处理： 直接加入使污染物挥发或分解，间接加热使污染物挥发； 针对高浓度土壤

10、污染。 対象： VOCs、 水银、 农药、 油等； 优点：可使 VOCs完全实现无害化； 日处理能力可达 200t。 实际工程 污染土壤 外热装置 修复土壤 焚烧装置 烟囱 热交换 填埋 热 解 气 体 化 学 试 剂 热处理典型流程： 电渗析： 土壤处理槽 电极槽 点源 絮凝 沉淀 回收给水 给水泵 给水塔 抽水泵 处理墙： 油污染土壤 高浓度 污染土壤 低浓度 污染土壤 无污染土壤回填 清洁土壤 土壤淋洗 表面活性剂污染土壤 洗净土壤 洗净水 油水分离 油层 吸附处理或回收 材料 废弃材料 水层 排水处理排水处理 处理水 达标排放 原位或异位生物修复 营养盐 加热系统 污染土壤 Air 石

11、油污染修复一般流程 土 壤 修 复 技 术 微生物修复 植物修复 地耕处理 生物修复 1.改变污染物 存在形态，降 低其毒性 2.利用许多微 生物与污染物 的亲和性，富 集重金属 在污染土壤上耕耘，施 肥，灌溉，保证微生物 的正常代谢，使污染物 减少甚至消除 34 生物修复技术的分类 异位生物修复 (Ex-situ bioremediation) 原位生物修复 (In situ bioremediation) 36 分类 原位微生物修复技术 异位微生物修复技术 生物强化法 生物通风法 土地耕作法 化学活性栅修复法 制床法 堆制法 泥浆生物反应器法 原位生物修复的基本条件 碳源及能源 能高效降解

12、污染物的微生物种群 提供微生物代谢所需的无机营养物 环境介质中合适可利用的水量 适宜的温度 适宜的 pH值 植物修复技术 定义： 利用植物及其根际圈微生物体系的吸 收、挥发和转化、降解等作用来清除 污染环境中的污染物质的技术。 植物提取作用 根系过滤作用 植物固定作用 植物挥发作用 植物降解作用 植物修复的方式 原理 植物对有机污染物的吸收途径 对气态污染物的粘附和吸收 对水溶态污染物的吸收 p植物粘附污染物的数量 , 主要决定于植物表 面积的大小和粗糙程度 , 某些植物还可分泌 油脂、黏液 , 如去杉、油松等 ; p气孔是叶片吸收污染物的主要部位 , 但高浓 度污染物可对叶片造成损害 , 如

13、二氧化硫可 导致植物气孔张开和关闭的机能瘫痪 , 臭氧 可损害叶片的栅栏组织 . 气态污染物 水溶态污染物 主要通过根吸收 叶片也能吸收水溶态物质 F水溶态的污染物到达根表面，主要有两 条途径： 一条是质体流途径 (massflow)，即污染物 随蒸腾拉力，在植物吸收水分时与水一 起到达植物根部； 另一条是扩散途径 (diffusion)，即通过扩 散到达根表面。 F叶片对农药通过气孔吸收与角质层吸收。 附着性能是影响药效的重要因素。表面活性 剂能显著降低表面张力，改善药液在叶面的 附着性 , 从而提高吸收。 如 : 刘支前等发现不加任何表面活性剂时， 草甘膦药液不能直接经蚕豆叶面气孔吸收；

14、添加 0.5的有机硅表面活性剂后，气孔吸 收率可达 85.4。 污染土壤中有机污染物的清除 植物体 内分解 成为植物体的组成成分 转化成二氧化碳和水 转化成为无毒性的中间 代谢物（木质素）储存 在植物细胞中 有机污 染物 木质 化作 用 挥发、代谢 矿化 植物转化作用 污染土壤中有机污染物的清除 根际分泌物激活微生物降解行为 根分泌酶和有机酸 微生物 土壤界面 促进根区微生物的生 长和繁殖 ,以利于降解 有毒化学物质。 适用污染因子广泛 不改变土壤性质 成本低，适合大面 积修复推广 不会引起二次污染 修复时间很长 ，一般需要十几 甚至二十几年缺点优点 生物强化法 是基于改变生物降解中微生物的活

15、性和 强度而设计的， 可分为 土著菌培养法 和 投 菌法。 土著菌培养法：利用培养土著菌将污染物 充分矿化成 CO2 和 H2O 投菌法：直接向污染土壤中接入高效降解 菌 生物通风法 又称土壤曝气，是基于改变生物降解环境 条件 ( 如通气状况等 ) 而设计的，是一种强 迫氧化的生物降解方法。 加入一定量的 氧气和营养液 污染的土壤 鼓 风 机 抽 风 机 土地耕作法 土地耕作法也称农耕法，是以就地污染土 壤作为接种物的好氧生物过程。土地耕作 法相比其他处理方法，如填埋、焚烧、 洗 脱等， 有对土壤结构体破坏较小、实用有 效等特点， 应用范围较广 。 施肥，灌溉耕耙 撒石灰 经过以上过程从而促进

16、微生物生长 。 化学活性栅修复法 化学活性栅修复法是依靠掺入污染土壤的化学修 复剂与污染物发生氧化、还原、沉淀、聚合等化 学反应，从而使污染物得以降解或转化为低毒性 或移动性较低的化学形态的方法。较为典型的化 学活性栅系统修复过程是 注 入 井 粉状胶体物质 污 染 水 流 抽 取 污 染 水 处理 预制床法 预制床修复 是农耕法的延续，它可以使污 染物的迁移量减至最低。 其简要操作规程为： 定期翻动供氧 营养液和水 污染土壤 铺上沙石的不泄露平台 堆制法 污染土壤 有机废弃物混合 堆肥 石灰石 压气系统充氧 微生物充分降解 包括 风道式 、 好气静态式 和 机械式 等 3 种，其中机 械式

17、(在密封容器中进行 ) 易于控制，可以间歇或连续 进行。近年来，国内外学者均在积极研究堆制修复的 原理、工艺、条件、影响因素、降解效果等，并已将 此工艺应用到污染土壤的修复 。 泥浆生物反应器法 生物反应器 营养物质 表面活性剂 污 染 土 壤 空气 水 这种方法处理效果好、速度快，但仅仅适宜于小 范围的污染治理。生物反应器一般设置在现场或 特定的处理区，通常为卧鼓型和升降机型，有间 隙式和连续式两种，但多为间隙式。 原理 异位生物修复 异位生物修复是指将被污染介质 (土壤、水体 ) 搬动或输送到它处进行的生物修复处理，但这 里的搬动和输送是低限底的、而且更强调人为 控制和创造更加优化的降解环

18、境 此方法有更多的人为调控和优化处理 Tanks at Hanford Biopile with vacuum Manifold 细菌 真菌 藻类 微生物 真细菌 蓝细菌 古菌 酵母 霉菌 大型真菌 菌根 生物修复可能利用到的微生物 微生物对污染物的简单代谢的生理过程 向基质接近 对固体基质的吸附 分泌胞外酶 污染物质的吸收 胞内代谢 微生物激活作用 有毒物质 结构变化 彻底分解为 CO2 H2O 毒性增加 毒性不变 毒性降低 激活作用 去毒作用 无毒化合物 致癌物 致畸物 致突变物 急性毒物 毒植物素 抗菌素 激活作用及其特点 迅速矿化 缓慢矿化 持久性 活化 激活作用可以发生在微生物活跃的

19、土壤、水和其他 任何环境。产生的产物可能是短暂的，是矿化过程 的中间产物，也可能持续时间很长，甚至引起环境 问题 激活作用的结果是生物合成致癌物、致畸物、致突 变物、神经毒物、毒植物素、抗菌素等 激活反应 硫醚的氧化 涕灭威 甲拌磷 乙拌磷 激活反应 酯的水解 一些除草剂被植物吸收后进入植物体内，在水解酶的作用下，生成游 离酸，才能发挥作用。如禾草灵和新燕灵等。 激活反应 甲基化 一些无机物能在微生物的作用下发生甲基化，其脂溶性增加，引起毒 性增加，而且更易于在生物体内积累。如 Hg、 As、 Sn等。 激活反应 去甲基化 一些真菌能使双苯酰草胺 （ N， N 二甲基 2， 2 二苯 基乙酰胺

20、）脱去甲基生成无甲基的二苯基乙酰胺，是一种植 物毒素。 激活反应的类型 缓解： 有时一种化合物 A会有两种前途，它可以转化为更 有毒化合物 B，即激活；也可以转化为无毒化合物 C，由于 A向 C转化，避免了 A向 B的激活，因此成为缓解。 典型激活： 主要是前面提到的一些激活反应，也是严格意 义上的激活，其产物往往毒性更强，而且持久性和迁移性也 往往会加强，引起的环境毒性更大。 生物毒性谱的变化： 对一类生物有毒的化合物，在分子结 构改变以后会对完全不同的另一类生物有害，这就是毒性谱 发生了改变。 它不是严格意义上的激活，而是对另一类生物 为激活。 共代谢途径 一般是指原本不能被代谢的物质在外

21、界提供碳源和能源的情 况下被代谢的现象。其中外界提供的碳源称为一级基质，用 于微生物细胞增长并为微生物细胞活动提供能量。被共代谢 的物质称为二级基质，不用于微生物细胞增长，也不能为微 生物细胞活动提供能量。 也就是说，有些不能作为唯一碳源与能源被微生物降解的有 机物。当提供给其它有机物作为碳源或能源时，这一有机物 就有可能因共代谢而被降解。 微生物的共代谢作用可能存在以下几种情况： 靠降解其它有机物提供能源或碳源 通过与其它微生物的协同作用，发生共代谢，降解污 染物 由其它物质的诱导产生相应的酶系，发生共代谢作用 牝牛分枝杆菌（ Mycobacterium vaccea）在丙烷上生长的同时，有

22、能力 共代谢环己烷，将环己烷氧化成能被假单胞菌种群利用的环己酮，而这些假单 胞菌没有能力直接利用环己烷。 环己烷的共代谢分解 缺少进一步降解的酶系 中间产物的抑制作用 需要另外的基质，或必须和其它微生物联合作用 共代谢的原因 共代谢微生物生长缓慢，物质转化效率低 容易引起一些有毒物质的积累 共代谢机制的存在，大大拓展了微生物对难降解有机污染物的作用范围 环境修复或筛选高效微生物的过程中要考虑共代谢的影响 有些不易降解的农药，它们并不能支持微生物的生长，但它们有可能通过几 种微生物的共代谢作用而得到部分的或全部的降解。例如，通过产气气杆菌（ Aerobacter aerogenes）和氢单胞菌（

23、 Hydrogenomonas sp.）的共代谢作用，可 将 DDT转变成对氯苯乙酸，后者可由其他微生物进一步分解。可见微生物的共代 谢作用在自然界难降解物质的分解中具有极其重要的意义。 共代谢的环境意义 生物修 复技术的局限性 目 前生物修 复技术主要应用在 治理土壤中 重金属 污染，在修 复 大气和水体 污染中应用的相 对较少。 生物修 复土壤中重金属污染存在的问题 受到待治理土壤地理条件的影响。 对不同污染状况的土壤要选用不同的生态型植物 。一种植物往往只吸收一种或两种重金属元素，限 制了其在多种重金属污染土壤中的治理。 超积累植物通常矮小、生物量低、生长缓慢、生 长周期长，因而修复效率

24、低，不易于机械化作业 。 发展 前景 通过基因工程法，获取具有高修复能 力的基因工程植物，是获得环境污染 治理新突破的关键。 Hg2+(有毒） 转入汞还原酶的植物 Hg（ 无毒） 土壤结合态 挥发态 当前，植物修复技术有待研究的前沿问题为： 1)筛选更多适用 (富集能力强、生长快、适应性 强 )的超积累植物； 2)利用生物技术手段对植物进行定向改良 (提高 生物量或富集能力 )； 3)重金属耐性和富集的机理与调控； 4)植物修复的工程试验与商业应用。 魏树和 周星启等 (2004)从 20科 54种杂草中筛选出镉 (Cd)超 积累植物 -龙葵 (Solanum nigrum)。 城市生活垃圾生

25、态填埋示范基地 土壤环境保护政策研究31 土壤污染及治理技术简介3 污染场地修复基本问题及应用发展3 报告提纲 93 土壤污染的基本特性2 污染场地（ Contaminated sites） 因堆积、储存、处理、处置或其他方式（ 如迁移）承载了有害物质的，对人体健康 和环境产生危害或具有潜在风险的空间区 域（含土壤、地下水等）。 94 污染场地（ Contaminated sites） 简易垃圾堆放场地简易垃圾堆放场地 大量铬渣堆放场地大量铬渣堆放场地 石油及石油化工污染场地 电子废弃物污染场地 95 Love 运河事件 During the summer of 1978, United St

26、ates President Jimmy Carter declared a federal emergency at the Love Canal, a former chemical landfill which became a 15-acre neighborhood of the City of Niagara Falls, New York. 96 技术瓶颈问题 1. 场地风险评价参数的本土化问题； 2. 关于风险水平（风险基准）的问题； 3. 场地采样密度的合理性问题； 4. 关于评价和修复标准的取值问题； 5. 场地三维空间修复边界确定问题； 6. 关于污染场地修复技术优化筛选

27、问题 ； 7. 污染场地修复中的美学 /景观学问题 97 场地风险评价参数本土化 风险 污染物 受体 暴露途径 有机污染物，无机污染物，微生物污染物等 小孩，妇女，成年男性等 1 、摄入土壤 2 、摄入室内灰尘 3 、摄入被污染的蔬菜 4、 摄入黏附在蔬菜上的土壤 5 、皮肤与土壤接触 6 、皮肤与室内灰尘接触 7 、吸入室外灰尘 8 、吸入室内灰尘 9 、吸入室外蒸气 10 、吸入室内蒸气 * Risk-Based Corrective Action 皮肤暴露面积； 人体体重； 日均饮水量； 底层建筑物高度； 构筑物地基面积 上述参数的取值直接影响 场地风险评价结果 98 风险水平（风险基准

28、）的问题 美国 EPA在国家风险计划中建立了污染导致增加致癌风 险为 10-6（即污染导致每百万人中增加一个癌症患者） 作为土壤治理的基准。从国际上来说，专家认为致癌风 险在 10-4-10-6均为可以接受的范围。 10- 610- 510- 4 相对来说适合于发展中国家 美国等西方发达国家 （较小概率） 环境经济学问题 过保护和欠保护问题 99 场地采样密度的合理性问题 单位场地中采样量 偏少，会导致后续 场地修复工作量的 不准确估算。 此外，在不同区域 采用不同密度采样 也需要切实思考。 100 场地评价和修复标准取值的问题 A B C D 土壤质地和有机质等 因素对污染物活性、迁移 转化

29、规律影响很大，直接 影响土壤标准的定值。 我国幅员辽阔，气候特征、地理和地质条件 差别很大，土壤类型众多，土壤性质十分复杂多 样，标准制订更应该充分考虑这一影响因素。 101 场地三维空间修复边界确定问题 - 六六六致癌风险分布 六氯苯致癌风险分布 DDT致癌风险分布 102 污染场地修复技术优化筛选问题 我国土壤污染修复技术成熟度不高 焚烧 稳定 /固化 挖掘 /填埋 生物堆 热处理 生物通风 化学淋洗 溶剂浸提 电动力学修复 推广使用 试点研究 实验室研究 技术评估体系 不健全 103 污染场地修复中的美学 /景观学问题 污染土地更需要赋予其美学内涵； 修复和整治方案制定的美学介入； 修复过程的美学管理； 治理后场地的景观增值 104 105