重金属污染防治技术及政策研究

中国环境科学研究院重金属污染防治技术及政策研究报告人：何小松汇报时间：2016年8月18日E-mail:[e-mail]电话：158104412702016贵州重金属污染防治培训中国环境科学研究院目录重金属污染现状及危害重金属污染修复技术及应用案例重金属污染堆肥修复原理及应用实例重金属污染防治政策及制度建设2中国环境科学研究院3重金属污染现状及危害中国环境科学研究院重金属污染来源4矿山开采污水灌溉有机肥施用大气沉降土壤母质含量高中国环境科学研究院农田土壤金属元素的空间分布(Niuetal.,2013)重金属污染水平中国环境科学研究院(Niuetal.,2013)中国农田土壤重金属污染指数(PI)的空间分布重金属污染水平中国环境科学研究院重金属来源解析主成分1可解释总方差的44%，负荷Zn、Pb、Cr、Cu、Hg、Cd，与人为污染源相关主成分2可解释总方差的29%，负荷As、Mn，与自然成土过程相关污灌区土壤重金属含量总方差分解污灌区土壤重金属含量主成分载荷矩阵主成分载荷散点图重金属源解析中国环境科学研究院土壤重金属生态风险Hg、Cd表现为中等生态危害As、Pb、Cu、Cr、Zn表现为轻微生态危害7种重金属整体表现为中等生态危害潜在生态风险主要贡献因子为Hg和CdHakanson潜在生态危害分级标准土壤重金属潜在生态危害指数重金属生态危害中国环境科学研究院重金属在小麦植株中的污染水平重金属在小麦根部的含量较高Zn在小麦籽粒中含量较高重金属在小麦不同器官中的含量分布比例(%)重金属植物富集特征中国环境科学研究院重金属在小麦籽粒中的污染水平Pb、Zn含量部分超标Cd、Cu未超标小麦籽粒对Zn的富集系数最大，BCF值达到0.49重金属植物富集特征中国环境科学研究院重金属人体危害路径中国环境科学研究院土壤-小麦体系重金属潜在健康风险Cd、Pd、Cu、Zn对成人和儿童的风险系数HQ均14种重金属复合污染的风险指数HI1该地区小麦籽粒中重金属含量已具有一定的健康风险，且对儿童的风险大于成人土壤-小麦体系重金属潜在健康风险指数重金属人体危害特征中国环境科学研究院重金属污染后果严重中国环境科学研究院2007年2月1日实施的《食用农产品产地环境质量评价标准》土壤重金属质量指数：铜、镍、汞、铬、砷、镉、锌、钴、铅有机物质量指数：六六六、滴滴涕、有机磷其他无机盐质量指数：全盐量灌溉水重金属质量指数：汞、铬、铜、砷、镉、铅、锌有机物质量指数：三氯乙醛、生化需氧量、石油类、挥发酚、苯、丙烯醛其他无机物质量指数：全盐量、氯化物、氟化物、硫化物、氰化物、总硼大气污染物质量指数：二氧化硫、二氧化氮、臭氧、铅、氟化物、总悬浮颗粒物、苯并芘特征重金属污染中国环境科学研究院汞矿分布及污染我国汞矿资源总保有储量8.14万吨，居世界第3位。我国汞矿的资源分布比较集中，分布在贵州、重庆、湖南、甘肃、广西5省（市）。我国目前是世界上用汞量最大的国家，2000年世界汞产量约2000吨，而我国的汞使用量900多吨，进口占70%左右。我国是全球范围大气汞污染最为严重的区域之一，大气中汞的年均沉降值大于70μg/m3。20世纪70年代，中国东北第二松花江和河北省蓟运河流域曾发生过严重的汞污染事件，现今，汞矿和冶炼区附近地区的水体、土壤和大米中仍可检测到较高浓度的汞。15中国环境科学研究院汞的形态分布16汞在环境中主要以无机汞（Hg0、Hg+、Hg2+）与有机汞（甲基汞MgHg+、乙基汞EtHg+、苯基汞PhHg+、烷氧基汞）形态存在。元素汞易挥发，在空气中达到一定含量，具有毒性；Hg+、Hg2+形态汞易与环境中OH-、CN-、S2-、Cl-等无机配体形成稳定络合物，降低毒性。但在相关微生物参与下，无机汞发生甲基化反应，将大大提高其生物毒性，在生物富集作用下，严重影响人体健康。中国环境科学研究院汞的形态转化与迁移17图1汞循环示意图汞的各种形态可以在环境中发生转化；汞在土壤/水体/沉积物/大气环境中的循环包括在各自小环境中的内循环与不同介质间的外循环中国环境科学研究院中国汞污染来源18图22010年中国主要行业大气汞排放分布情况图32010年中国主要用汞行业汞使用量比例图聚氯乙烯行业汞的使用涉及众多产业和部门，主要集中在燃煤电厂、水泥、化工、轻工、冶金、医疗器械，其中聚氯乙烯(PVC)行业氯化汞触媒约7000-8000吨，占我国用汞量的70%-75%。中国环境科学研究院中国汞污染来源19聚氯乙烯行业食品汞摄入是人体接触汞的最主要途径。海产品是人体接触甲基汞的主要来源。中国环境科学研究院汞的危害有机形态的甲基汞毒性最强，人体对汞暴露会引起大脑、神经、肾脏和肝脏损伤，甚至会引起昏迷和死亡，同时即使低浓度的甲基汞也会对人类和哺乳类动物的神经发育带来不利影响。汞用一般生化方法难以降解，因此它们在自然环境中能长期存在，出现生物富集作用。震惊全世界的日本水俣病就是汞的富集化引起的，人们由于长期食用含高浓度汞的鱼类和贝类导致汞在体内大量积累从而引起中枢神经的破坏。鱼等体内的含汞量达到10-20mg/kg，比原污染水中汞浓度高出1-10万倍，比正常鱼体的含汞量高900倍。汞是农作物生产的非必需元素，易被农作物所吸收，土壤中汞的含量稍有增加，就会影响农作物的生长和发育，从而影响到农作物的产量和质量，进而可能影响人类健康。20中国环境科学研究院21重金属污染修复技术及应用实例中国环境科学研究院重金属污染修复技术（土壤）洗脱法土壤洗脱是一种重金属的物理去除方法，该方法的依据是重金属主要与细颗粒土壤结合在，通过工业上常用的水力分级、重力分选、浮选等方法在水洗条件下分选出不同粒径的受污染土壤，细颗粒的土壤集中起来做进一步处理，而粗颗粒的土壤基本处理完毕。该方法的优势有可以原位处理，需要深度处理的土壤体积明显减少，处理方法设备是矿业企业的常用的方法设备，处理成本相对低。方法劣势是土壤中含有大量的腐殖酸以及黏土矿物或者土壤中粉土粘土含量超过30%-50%时，重金属被强力吸附不易去除。22中国环境科学研究院重金属污染修复技术（土壤）化学提取法利用酸液、碱液将土壤中吸附重金属的矿物组分溶解或者采用螯合剂与重金属结合转化成易溶性物质，在通过加入沉淀剂将提取液中的重金属沉淀。该方法对于土壤中汞的去除率最高可达99%，但化学药剂的使用使得成本大量增加，也为提取液的后续处理增加了难度，处理后的土壤可能不适合种植，土壤中有机质含量高时影响提取效率。23中国环境科学研究院重金属污染修复技术（土壤）稳定固化技术稳定固化技术包括向污染土壤中加入固定剂将污染物封固或者通过加入稳定剂与含金属化合物发生沉淀、吸附等作用降低金属的毒性和移动性。该技术可以应用于原位或者异位修复。一般使用的稳定剂有硅酸盐水泥、硫磺聚合物水泥、硫化物、磷酸盐交联剂、水泥窑灰、聚酯树脂、聚硅氧烷化合物、活性炭粉末和改性巯基沸石等。稳定固化技术处理汞污染土壤的优点在于技术经济性较好，成本较低；其缺点包括没有将重金属从土壤中去除，稳定固化后土壤增容量较大，固化后土壤失去使用功能，同时安全性有待考察。24中国环境科学研究院重金属污染修复技术（土壤）热处理法热处理法是通过加热或者向污染土壤中通入热蒸气，将土壤中的污染物质移出土壤，集中收集处理的技术，该法主要适应于汞污染土壤。通过高温及创造低气压将土壤中的汞以蒸汽形式挥发出去再使蒸汽冷凝为固态汞。处理温度一般在320到700℃之间。这种方法对于处理高浓度的汞污染土壤(260mg/kg)非常有效，汞的去除率可达99%，缺点是耗能大成本高，现已经开展利用太阳能技术开展汞热处理技术的研究。25中国环境科学研究院重金属污染修复技术（土壤）玻璃化法玻璃化法可以用于原位异位处理重金属污染土壤。该方法通过电流产生的高温熔化土壤，使土壤熔融玻璃化，从而使其中的重金属被高度稳定固定。处理过程中土壤的温度可达1600到2000℃，一次处理土壤能达到1000吨，深度可达6m。该方法的缺点是耗能大且要进一步处理过程中产生的尾气。26中国环境科学研究院除上述5种较为成熟的处理技术，正在研究的方法还有纳米修复技术，植物修复技术等。纳米修复技术纳米粒子的特点在于其有很大比表面积，可以极大增加吸附效率，吸附重金属。植物修复技术植物修复技术主要是指利用植物来固定或去除土壤中的污染物。植物提取的原理是利用植物对重金属的超强富集能力，将土壤中的重金属富集在植物体内，再通过收割以达到修复土壤的目的。植物固定的优点是价格低廉，应用于原位修复；而缺点是仅可修复植物可生长的表层土壤，而无法修复植物无法达到的深层土壤。27重金属污染修复技术（土壤）中国环境科学研究院沉淀法/共沉淀法最常用的重金属污染水的处理方法，主要用于大规模的污染水体处理。该方法可以通过调节pH或者添加沉淀剂来实现重金属的沉淀。常用的沉淀剂有FeCl3、Fe2(SO4)3、Ca(OH)2及明矾等。可应用于处理地下水和废水，可将污染水体中重金属浓度降低至2µg/L以下。吸附法常用于重金属是唯一污染物的情况且多应用在其他处理技术后对污染水体作进一步处理的情况。常用的吸附剂有颗粒活性炭、硫磺浸染活性炭、兰西膜等。可应用于处理地下水、饮用水和废水，可将污染水体中汞浓度降低至2µg/L以下。28重金属污染修复技术（水体）中国环境科学研究院膜过滤法该方法将污染水体通过半渗透性的多微孔膜使得重金属集中在少量的水体中，达到去除目的。处理成本高，水中悬浮物、胶体、有机质等可能对膜产生污染。可应用于处理饮用水、地下水、地表水和工业废水，可将污染水体中的汞浓度降低至2µg/L以下。生物修复该技术的原理是将水中重金属保留在微生物体内或者将重金属转化为易于沉淀或者吸附的形态，常采用的微生物为耐重金属的假单胞杆菌，可用于处理废水。29重金属污染修复技术（水体）中国环境科学研究院修复技术土壤a固体废物b水地下水地表水c废水d稳定固化法◆◆土壤洗脱法/化学提取法◆◆热解技术◆◆玻璃化技术◆◆沉淀/共沉淀技术◆◆吸附技术◆◆膜过滤技术◆◆生物修复技术◆30◆表示该技术适用此项环境介质a土壤包含土壤，碎屑物，沉积物以及其他固态的环境介质b废物包含有毒以及无毒的工业固态废弃物c地下水和地表水同时也包含矿业废水d废水包含有毒以及无毒的工业废水及淋滤液重金属污染修复技术的适应性重金属修复处理技术的适用环境介质中国环境科学研究院3118883稳定固定法土壤洗脱法热解技术玻璃化技术11612沉淀/共沉淀技术吸附技术膜过滤技术生物修复技术美国37个汞污染土壤不同修复技术应用案例个数美国20个汞污染水体不同修复技术应用案例个数美国国家环保署统计的37个汞污染修复场地中，采用稳定固化技术修复的18个、土壤洗脱法/化学提取法8个、热处理法8个、玻璃化方法3个；20个汞污染水体处理案例中，采用沉淀法/共沉淀法处理的11个、吸附法6个、膜过滤法1个、生物修复法2个。汞污染修复技术应用案例中国环境科学研究院32土壤汞污染修复技术应用实例及成本统计土壤汞污染修复技术应用案例中国环境科学研究院33水体汞污染修复技术应用实例及成本统计水体汞污染修复技术应用案例中国环境科学研究院34重金属污染堆肥修复原理及应用案例中国环境科学研究院(Naiduetal.,1997)leaching(mobility)uptake(availability)化学形态决定移动性和生物有效性中国环境科学研究院固体废物中重金属含量高定等，2007；李晓勇等，2013王瑞和魏源送，2013；中国环境科学研究院37堆肥处理重金属形态的变化高定等，2007；蒋强勇等，2008；王玉军等，2009中国环境科学研究院38有机物对重金属还原作用中国环境科学研究院39堆肥过程Fe价态的变化C0C7C14C21C28C510.00.51.01.52.0Content[g(gsample)-1]SampleFe2+F