专业设计报告-张颖

天津理工大学专业设计报告题目：膨润土修复镉污染土壤的初探专业：环境科学班级：09环科2班姓名：张颖学号：20094664指导教师：岳俊杰2012年12月02日成绩评定与评语指导教师：（手写）日期：（手写）专业设计的主动性与平时表现（20%）独立思考能力与解决问题能力（40%）专业设计完成情况（40%）专业设计成绩目录1.研究现状..........................................................31.1我国土壤镉污染主要来源........................................31.2土壤镉污染对我国农业生产的影响[17-18].............................31.3土壤镉污染对人体健康的潜在影响................................41.4镉活化机理及施肥对其影响......................................41.5土壤中镉的形态及生物有效性....................................51.6土壤镉污染的治理与修复措施....................................51.6.1物理措施................................................51.6.2化学措施................................................61.6.3生物措施................................................61.6.4生态措施................................................62.目前存在的主要问题................................................63.问题的解决方法....................................................73.1膨润土的性质..................................................73.2膨润土处理重金属镉污染土壤的实验研究..........................73.2.1实验材料................................................73.2.2土壤和植物Cd2+含量测定.................................73.2.3统计分析................................................83.2.4添加膨润土对土壤的影响..................................84结论、建议及体会..................................................9参考文献............................................................9研究现状1.1我国土壤镉污染主要来源随着工业发展和大城市的兴起,废水、废气、废渣的排放量急剧增加,加之农业生产上大量施用化肥、农药和除草剂等化学物质,最终致使土壤遭到了不同程度的污染，这些有害物质在土壤中的积累量,有时达到对土壤生物和农作物产生危害的程度,从而破坏了土壤内部以及土壤与生态系统达成的生态平衡,其影响是极为广泛和深远的，而镉是重金属污染物中危害最大的元素之一。镉肥料的大量施用是造成土壤镉污染的又一重要原因。含镉的肥料主要是磷肥和一些含镉生活垃圾,生活垃圾中镉污染物可以通过人为控制加以解决,而磷肥的生产以磷矿石为原料,磷矿石除含有营养元素磷、钾、钙、锰、锌和硼等以外同时也含有砷、镉、铬和氟等元素,其中又以镉含量最高。我国磷矿石中镉元素的含量在世界上属于较低水平,但由于我国磷矿石普遍含磷量不高,品位较低,因此每年要从国外大量进口磷肥。据西方国家估计,人类活动对土壤的贡献中磷肥占54%～58%,全球磷肥平均含镉量7mg/kg,给全球土壤带来66000kg的镉[1],可见长期施用含镉磷肥会给土壤带来极为严重的污染问题。1.2土壤镉污染对我国农业生产的影响[17-18]土壤中镉的形态有离子态、可交换态、吸附态、化学沉淀态和难溶络合态等,它们随环境条件的变动而互相转化,对作物起危害作用的主要是水溶性和交换态镉。当镉进入作物体内并积累达到一定程度时,作物就会表现出毒害症状,通常会出现生长缓慢、植株矮小、褪绿、产量下降、质量下降等。据研究,在镉污染土壤中生长的水稻光合强度降低[19],叶绿素含量下降导致失绿,返青分蘖推迟,根系短少。试验结果表明,当土壤中可溶态镉含量为0143mg/kg时,水稻减产10%;当含量为811mg/kg时水稻减产达25%。作物中镉含量与土壤可溶态镉含量呈极显著正相关,如稻米镉和土壤可溶态镉的相关系数达01997,土壤中镉含量的增高不仅使稻米的有害成分增加成为“镉米”,而且还引起稻米的氨基酸及淀粉中的支链淀粉和直链淀粉比例改变,使其品质变差。人工模拟污染试验表明,大麦受镉污染后,种子的萌芽率、根生长率下降,且随处理浓度的增加和时间的延长而加剧,当镉的浓度为0101mol/L时,种子的萌芽率小于45%[2],根部停止生长。1.3土壤镉污染对人体健康的潜在影响联合国环境规划署在1984年提出的具有全球意义的12种危害物质中镉被列为首位,相对于人体的毒害而言,则仅次于汞居第二位（考虑改成：仅次于汞位居第二）。土壤中可溶性镉通过食物链进入人体,危害健康,少量的镉持续进入体内可因长期积累对组织器官造成损伤,在肾脏、肝脏、肺脏、骨骼、生殖系统、心血管系统、胃肠系统、胰脏表现出明显病变。最典型的例子是发生在20世纪60年代,被称为世界历史上“八大公害事件”之一的日本通川镉慢性中毒引起的“痛痛病”,该病以骨痛为主要特点,严重时发生骨折至死亡。在我国,有些镉污染区已出现了镉污染所致慢性早期健康危害的个体,甚至出现了疑似“痛痛病”的患者。经调查铅锌矿所在地“污染区”和“对照区”的健康状况,发现污染区居民健康状况比非污染区差,镉污染对女性生殖健康有显著影响。我国沿海地区部分市售鱼类镉检出率已超过20%,检出率较高。其它海产品、猪肾、茶叶等受镉污染也比较严重[3]。如果人们长时间食用镉含量超标的食品,势必造成镉在体内的积蓄,对人体健康造成潜在危害。1.4镉活化机理及施肥对其影响镉进入土壤后，被植物吸收过程是十分复杂的。它必须经过活化作用变成离子形式进入土壤溶液中才能被植物吸收。根据重金属元素在土壤中的活性大小可分为：可交换态、铁锰水合氧化物结合态、有机结合态、碳酸盐结合态和残留态[4]。残留态的重金属含量可以代表重金属元素在土壤中的背景值，除了它之外，其他形态都可以直接或者间接的被植物吸收。而吸收的部位则是植物的根际，所以根际环境直接影响着重金属固定，活化和吸收。例如根际的pH值、Eh值、根分泌物和根际微生物。大量试验也表明根系分泌物可以酸化，螯合还原重金属，从而使重金属成为植物可吸收的状态。植物体选择性的吸收土壤中的营养物质，也被迫的吸收着过量的重金属。通常pH值的降低，将促使碳酸盐态镉溶解，释放转化为可交换态镉[5]，无疑要加重污染。所以植物被重金属毒害一般发生在酸性条件下。施用的肥料对重金属也有很大的影响。大量实验证明：氮肥能改变土壤中重金属镉的活性，加强对镉的吸收。而对于磷肥而言，有促进对重金属镉吸收的，也有抑制其吸收的。如磷酸盐能促进土壤镉的吸收，钙镁磷肥却能抑制植物吸收镉[6]。1.5土壤中镉的形态及生物有效性金属元素的形态分为可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机物结合态和残渣态5种形态[7]。（1）可交换态是指吸附在粘土、腐殖质及其它成分上,对环境变化敏感,易于迁移转化,能被植物吸收。（2)碳酸盐结合态是指土壤中重金属元素在碳酸盐矿物上形成的共沉淀结合态。对土壤环境条件特别是pH值最敏感,当pH值下降时易重新释放出来而进入环境中，相反,pH值升高有利于碳酸盐的生成。(3)铁锰氧化物结合态一般是以矿物的外囊物和细粉散颗粒存在,活性的铁锰氧化物比表面积大,吸附或共沉淀阴离子而成，土壤中pH值和氧化还原条件变化对铁锰氧化物结合态有重要影响,pH值和氧化还原电位较高时,有利于铁锰氧化物的形成。(4)有机结合态是土壤中各种有机物如动植物残体、腐殖质及矿物颗粒的包裹层等与土壤中重金属鳌合而成。(5)残渣态重金属一般存在于硅酸盐、原生和次生矿物等土壤晶格中,是自然地质风化过程的结果,在自然界正常条件下不易释放,能长期稳定在沉积物中,不易为植物吸收。由于土壤中的镉以不同的形式存在,它们对生物的有效性也不同，根据不同形态镉对生物的有效性,可以分为3类:易利用态、中等可利用态和惰性态。易利用态主要包括水容态和阳离子可交换态;中等可利用态主要包括碳酸盐结合态、铁锰水合氧化物结合态及有机硫化物结合态,它们要在比较强的酸性介质及适当的环境条件下才能释放出来,成为生物可利用态;惰性态主要是残渣态的金属,不能被生物利用。1.6土壤镉污染的治理与修复措施目前关于镉污染土壤的治理和修复措施,主要有以下四种。1.6.1物理措施同治理土壤其它重金属污染一样,传统的镉污染土壤修复方法主要有排土、客土和深耕翻土等物理方法。就是去表层土并向污染土壤中加入大量干净的土壤,覆盖在表层或混匀,使污染物浓度下降到临界危害浓度以下或减少污染物与根系的接触,从而达到减轻危害的目的,这种物理措施被认为是改良土壤的根本措施。但是这种方法耗费大量资金、人力和物力,排出的污染土壤又很容易引起污染,而且土壤肥力会有所下降,目前国内很少有工程实施的报道。1.6.2化学措施化学措施有两种策略[8],一是降低土壤镉的溶解性,减少其生物毒性和在植物体内的积累;二是利用酸性化学物质或某些螯合剂增加土壤镉的移动性,通过灌溉或降水将表土层的镉淋洗到底土层,使耕作土壤得到净化。膨润土则是一种很好的钝化修复材料。1.6.3生物措施利用某些特定的动植物和微生物可以较快地吸走或降解土壤中的污染物达到净化土壤的目的。在镉污染的土壤上,引进蚯蚓显著增加了黑麦草地上部的生物量,接种菌根不仅能促进黑麦草对镉的吸收,而且还能促进镉从植物根部向地上部转移,由于接种蚯蚓可以提高菌根的侵染率,所以二者具有促进镉向地上部转移的协同作用,这对于重金属污染土壤的生物修复具有十分重要的意义。总之，采用生物措施必须要注意不能造成可食部分能富集镉的植物。1.6.4生态措施生态措施不刻意追求对环境作根本性改造或改良,而是充分利用生物(植物)的抗逆基因,使生物最大限度地适应污染环境,以降低环境对生物的胁迫作用,在协调生物与环境的相互关系中获取符合需求的产品和生产效益。生态措施的最终目标是实现污染土地的安全与高效的农业利用。1.目前存在的主要问题(1)当处置被镉污染的表层土壤时，如果处理不好，就会造成二次污染；(2)镉在土壤中的存在形态很多，它们可以在土壤中进行迁移和转化，而对植物起危害作用的主要是水溶性和可交换态镉[9-13]。镉一旦经活化就会以离子形式进入土壤，进而被植物吸收。降低金属镉的含量，减少其迁移和转化，是解决问题的关键；(3)受镉污染的土壤面积大，处理过程中要消耗大量的资金、人力和物力。3.问题的解决方法改良材料的添加可降低土壤重金属活性，抑制作物对土壤重金属的吸收，从而达到控制土壤重金属通过食物链对人畜产生毒害的目标，是重金属污染土壤修复和持续利用的重要途径之一[11]。3.1膨润土的性质由于膨润土具有良好的粘结性、分散性、吸附性、离子交换等性能,和自身含有多种植物所需的营养元素,对改良土壤具有良好的效果。施加膨润土后镉由交换态、碳酸盐结合态向铁、锰氧化物结合态、有机物结合态和参与态转化,对土壤中的镉都起到了钝化作用,有效地缓解了土壤中的镉污染