1、华中科技大学研究生课程论文华中科技大学研究生课程论文地球化学在土壤修复中的应用姓名 ： 宋健学号 ： M201373206学科专业 ： 环境工程任课老师 ： 胡辉 教授华中科技大学研究生课程论文I摘 要我国目前面临着严重的土壤污染问题，采取有力措施对污染土壤进行合理修复已经迫在眉睫。地球化学作为研究地球的化学组成、化学作用和化学演化的科学，它与环境科学相结合发展成了环境地球化学。地球化学在土壤修复中污染调查、技术选择、修复设计等环节都发挥着重要的作用。土壤污染调查是为掌握土壤污染状况而进行的调查活动。通过调查可以掌握土壤、农作物所含有害物质的种类和数量，为强化环境管理、制定防治措施提供科学依据
2、。在对土壤修复过程进行监控，尤其是对修复过程中重金属等有毒有害元素在土壤中的迁移与转化过程进行监控和研究时，必须具备相应的地球化学知识做基础。关键词：地球化学；土壤修复；污染调查；技术选择华中科技大学研究生课程论文IIABSTRACTChina is facing a serious problem of soil pollution currently. It is imminent to take effective measures to make reasonable repair contaminated now. Geochemical studies the earth incl
3、uding chemical composition, chemistry and chemical evolution of the science, and it developed into Environmental Geochemistry when combinated with environmental sciences. Geochemical play an important role in surveys pollution in soil remediation, technology selection, repair, design and other aspec
4、ts. Soil pollution survey is to master the soil pollution condition investigation activities. Through the investigation, we can grasp the soil, crop type and quantity of hazardous substances contained, and it can also provide scientific basis for strengthening environmental management, the developme
5、nt of control measures. In the process of soil remediation monitoring, especially poisonous heavy metals and other elements of the repair process migration and transformation processes in the soil monitoring and research, you must have the appropriate knowledge to do geochemical basis.Key Words: geo
6、chemistry; soil remediation; pollution investigation; technology options 华中科技大学研究生课程论文11 绪论1.1我国土壤污染现状1.1.1 土壤污染的定义土壤是指陆地表面具有肥力、能够生长植物的疏松表层，其厚度一般在 2 m 左右。土壤不但为植物生长提供机械支撑能力，并能为植物生长发育提供所需要的水、肥、气、热等肥力要素。近年来，由于人口急剧增长，工业迅猛发展，固体废物不断向土壤表面堆放和倾倒，有害废水不断向土壤中渗透，汽车排放的废气，大气中的有害气体及飘尘不断随雨水降落在土壤中。农业化学水平的提高，使大量化学肥料及农
7、药散落到环境中，导致土壤遭受非点源污染的机会越来越多，其程度也越来越严重，在水土流失和风蚀作用等的影响下，污染面积不断扩大。因此，凡是妨碍土壤正常功能，降低农作物产量和质量，通过粮食、蔬菜、水果等间接影响人体健康的物质都叫做土壤污染物。当土壤中有害物质过多，超过土壤的自净能力，引起土壤的组成、结构和功能发生变化，微生物活动受到抑制，有害物质或其分解产物在土壤中逐渐积累，通过“土壤植物人体” ，或通过“土壤水人体”间接被人体吸收，达到危害人体健康的程度，就是土壤污染。1.1.2 我国土壤污染的类型土壤污染物的种类繁多，按污染物的性质一般可分为 4 类，即有机污染物、重金属、放射性元素和病原微生物
8、。土壤的有机污染作为影响土壤环境的主要污染物已成为国际上关注的热点。有毒、有害的有机化合物在环境中不断积累，到一定时问或在一定条件下有可能给整个生态系统带来灾难性的后果，即所谓的“化学定时炸弹” 。目前我国土壤的有机污染十分严重且对农产品和人体健康的影响已开始显现。我国从1959 年起在长江中下游地区用五氯酚钠防治血吸虫病，其中的杂质二噁英已造成区域性二噁英类污染。洞庭湖、潘阳湖底泥中的二噁英含量很高。有机氯农药已禁用了近 20 年，土壤中的残留量已大大降低，但检出率仍很高。华中科技大学研究生课程论文2随着工业、城市污染的加剧和农用化学物质种类、数量的增加，土壤重金属污染日益严重，污染程度在加
9、剧，面积在逐年扩大。重金属污染物在土壤中移动性差、滞留时间长、不能被微生物降解并可经水、植物等介质最终影响人类健康。据我国农业部进行的全国污灌区调查，在约 140 万 hm2 的污水灌区中，遭受重金属污染的土地面积占污水灌区面积的 64.8%，其中轻度污染的占46.7%，中度污染的占 9.7%，严重污染的占 8.4%。我国每年因重金属污染而减产粮食 1000 多万 t，被重金属污染的粮食每年多达 1200 万 t，合计经济损失至少 200 亿元。从目前开展重金属污染调查情况来看，我国大多数城市近郊土壤都遭受不同程度的污染 1。近年来，随着核技术在工农业、医疗、地质、科研等各领域的广泛应用，越来
10、越多的放射性污染物进入到土壤中，放射性元素主要来源于大气层核实验的沉降物，以及原子能和平利用过程中所排放的各种废气、废水和废渣。含有放射性元素的物质不可避免地随自然沉降、雨水冲刷和废弃物堆放而污染土壤。这些放射性污染物除可直接危害人体外，还可以通过生物链和食物链进入人体，在人体内产生内照射，损伤人体组织细胞，引起肿瘤、白血病和遗传障碍等疾病。土壤中的病原微生物，主要包括病原菌和病毒等。来源于人畜的粪便及用于灌溉的污水（未经处理的生活污水，特别是医院污水） 。人类若直接接触含有病原微生物的土壤，可能会对健康带来影响；若食用被土壤污染的蔬菜、水果等则间接受到污染。1.2地球化学科学的研究内容1.2
11、.1 地球化学学科的介绍地球化学是研究地球的化学组成、化学作用和化学演化的科学，它是地质学与化学、物理学相结合而产生和发展起来的边缘学科。自 20 世纪 70 年代中期以来，地球化学和地质学、地球物理学已成为固体地球科学的三大支柱。地球化学的理论和方法，对矿产的寻找、评价和开发，农业发展和环境科学等有华中科技大学研究生课程论文3重要意义。地球科学基础理论的一些重大研究成果，如界限事件、洋底扩张、岩石圈演化等均与地球化学的研究有关。地球化学主要研究地球和地质体中元素及其同位素的组成，定量地测定元素及其同位素在地球各个部分（如水圈、气圈、生物圈、岩石圈）和地质体中的分布；研究地球表面和内部及某些天
12、体中进行的化学作用，揭示元素及其同位素的迁移、富集和分散规律；研究地球乃至天体的化学演化，即研究地球各个部分，如大气圈、水圈、地壳、地幔、地核中和各种岩类以及各种地质体中化学元素的平衡、旋回，在时间和空间上的变化规律 2。1.2.2 地球化学在环境领域中的应用环境地球化学是 20 世纪 70 年代发展起来的，它的基础是地球化学。地球化学是研究地球物质化学运动规律的学科。近代地球化学着重研究化学元素在地壳中的迁移、转化、分散和富集问题。各种金属和非金属元素、各种天然的无机和有机化合物在自然界的运动受地球化学规律的支配。随着社会生产的发展，出现了环境问题。人为释放的各种金属和非金属元素、各种无机和
13、有机化合物也加入自然界原有物质循环之中，它们在自然界的运动同样受地球化学规律的支配。因此，地球化学的许多原理和方法可以应用于环境问题的研究，这样就促进了环境科学与地球化学的结合，导致了环境地球化学这门新兴的边缘学科的诞生 3。华中科技大学研究生课程论文42 地球化学在土壤修复中的应用2.1土壤修复的概念2.1.1 土壤修复的定义土壤修复是指利用物理、化学和生物的方法转移、吸收、降解和转化土壤中的污染物，使其浓度降低到可接受水平，或将有毒有害的污染物转化为无害的物质。土壤本来是各类废弃物的天然收容所和净化处理场所，土壤接纳污染物，并不表示土壤即受到污染，只有当土壤中收容的各类污染物过多，影响和超
14、过了土壤的自净能力，从而在卫生学上和流行病学上产生了有害的影响，才表明土壤受到了污染。从根本上说，污染土壤修复的技术原理可包括为：（1）改变污染物在土壤中的存在形态或同土壤的结合方式，降低其在环境中的可迁移性与生物可利用性；（2）降低土壤中有害物质的浓度 4。2.1.2 土壤修复技术的分类近年来在政府财政支持下 我国开展了多个类型场地的修复技术设备研发。尽管可以罗列的土壤及地下水污染的修复技术很多，但实际上，经济实用的修复技术很少。 土壤修复技术归纳起来常用的有以下几种：1、热解吸修复技术，以加热方式将受有机物污染的土壤加热至有机物沸点以上，使吸附土壤中的有机物挥发成气态后再分离处理。2、土地
15、填埋法，将废物作为一种泥浆，将污泥施入土壤。通过施肥、灌溉、添加石灰等方式调节土壤的营养、湿度和 pH 值，保持污染物在土壤上层的好氧降解。3、化学淋洗，借助能促进土壤环境中污染物溶解或迁移的化学/生物化学溶剂，在重力作用下或通过水头压力推动淋洗液注入到被污染的土层中，然后再把含有污染物的溶液从土壤中抽提出来，进行分离和污水处理的技术。4、堆肥法，利用传统的堆肥方法，堆积污染土壤，将污染物与有机物，稻草、麦秸、碎木片和树皮等、粪便等混合起来，依靠堆肥过程中的微生物作用来降解土壤中难降解的有机污染物。华中科技大学研究生课程论文55、植物修复，运用农业技术改善土壤对植物生长不利的化学和物理方面的限
16、制条件，使之适于种植，并通过种植优选的植物及其根际微生物直接或间接吸收、挥发、分离、降解污染物，恢复重建自然生态环境和植被景观。6、生物修复，利用生物，特别是微生物催化降解有机污染物，从而修复被污染环境或消除环境中污染物的一个受控或自发进行的过程。 其中微生物修复技术是利用微生物，土著菌、外来菌、基因工程菌，对污染物的代谢作用而转化、降解污染物，主要用于土壤中有机污染物的降解。通过改变各种环境条件如，营养、氧化还原电位、共代谢基质，强化微生物降解作用以达到治理目的。2.2 地球化学在土壤修复中的应用土壤修复是系统性工程。土壤修复一般包括污染调查、技术选择、修复设计、修复施工、验收监理以及修复后
17、评估六个步骤。2.2.1 地球化学在土壤污染调查中的应用污染调查中包括采样、分析、风险评估和环评等工作，是土壤修复的第一步，非常关键。调查过程类似于中医把脉，如果在调查过程中，不能够准确的分析到土壤的污染物种类及含量，将直接影响后面的风险评估以及修复工作。土壤污染调查是为掌握土壤污染状况而进行的调查活动。通过调查可以掌握土壤、农作物所含有害物质的种类和数量，为强化环境管理、制定防治措施提供科学依据。中国地质大学的高宇运用地球化学调查数据研究了银川盆地土壤环境污染程度。重金属元素及其他元素在土壤圈中长期积累到一定程度后会对环境造成影响并对食物链产生危害，对土壤进行元素的污染程度划分有助于及时掌握
18、土壤环境现状。高宇博士运用多目标区域地球化学调查数据，将Hg、Cd 、As、Pb 、Cu、 Zn、Ni、Cr 等 8 项重金属元素按照土壤环境质量一级标准值、F 元素一级推荐值，分别采用尼梅罗公式计算其污染指数，绘制污染程度图。将银川盆地划分为清洁区、基本清洁区、初始污染区、轻度污染区、中度污染区和重度污染区，并分析总结了污染来源 5。华中科技大学研究生课程论文6该论文运用银川盆地多目标区域地球化学调查所取得的海量地球化学数据，计算出银川盆地土壤被污染程度和污染区范围，并初步调查分析其污染原因。在求取各元素背景值和基准值的基础上，综合分析各元素的分配特征，选取变异系数较大，对当地环境影响贡献较
19、大的 9 项元素和指标参与污染程度计算。2.2.2 地球化学在土壤修复技术使用中的应用土壤修复技术主要包括用物理、化学和生物的方法转移、吸收、降解和转化土壤中的污染物，使其浓度降低到可接受水平。以微生物修复技术为例，微生物对有机污染土壤的修复是以其对污染物的降解和转化为基础的，主要包括好氧和厌氧两个过程。完全的好氧过程可使土壤中的有机污染物通过微生物的降解和转化而成为 CO2 和 H2O，厌氧过程的主要产物为有机酸与其它产物（CH4 或 H2 ） 。然而, 有机污染物的降解是一个涉及许多酶和微生物种类的分步过程，一些污染物不可能被彻底降解，只是转化成毒性和移动性较弱或更强的中间产物，因此这就需
20、要对微生物修复土壤的过程进行监控，尤其是对修复过程中重金属等有毒有害元素在土壤中的迁移与转化过程进行监控和研究是非常有必要的。所以从事这些研究必须具备相应的地球化学知识做基础。辽宁大学环境与生命科学学院的李法云教授研究了运用微生物技术修复受污染土壤中的相关影响因子，作者指出重金属污染物在土壤中常以多种形态贮存，不同的化学形态对植物的有效性不同。某种生物可能对某种单一重金属具有较强的修复作用。此外，重金属污染的方式（单一污染或复合污染） 、污染物浓度的高低也是影响修复效果的重要因素。有机污染物的结构不同, 其在土壤中的降解差异也较大 6。北京航空航天大学环境科学与工程系的范文宏副教授对硫酸盐还原
21、菌修复污染土壤过程中镉的地球化学形态分布变化进行了研究。作者利用 Tessier 五步连续提取法作为分析手段，研究了硫酸盐还原菌对不同污染程度土壤中镉的地球化学形态分布的影响。研究结果表明，在受镉污染的土壤中，可交换态是镉存在的主要形态.。土壤中的镉在硫酸盐还原菌的作用下，总量没有发生变化，但地球化学形态发生显著变化，从不稳定的可交换态转化为更加稳定的铁锰氧化物结合态，可交换态的去除率可达 60% 80%。镉形态的变化使土壤中镉的生物可利用性发生了明显的变化，易利用态的比例明显下降，达到了修复效果。华中科技大学研究生课程论文7在修复过程中，镉对硫酸盐还原菌活性的抑制作用不同.，利用硫酸盐还原菌修复重金属污染的土壤，具有修复效率相对较高、技术简便的优点，是一种有广阔应用前景的修复方法 7。
