土壤环境污染与修复

土壤环境污染与修复一、土壤环境与污染土壤污染与修复研究是当今环境科学新的生长点之一，倍受国内外环境科技工作者的重视。与大气、水体相比，土壤是一个复杂的物理、化学与生物的复合环境介质，是一个重要的生态剖面，许多环境化学、环境生物、环境毒理的规律与机制，可以通过土壤生态剖面加以观察、研究。污染土壤污染底泥土壤污染的控制与治理成为重要的科学问题。成为主要污染源成为二次污染库科学问题•我国农药、化肥和重金属污染农产品的问题是限制我国农产品出口的主要瓶颈。•减少与消除高毒农药的危害，已成为我国农业环境亟待解决的重要问题。•污灌、污泥等造成的土壤污染，还将长时期影响农作物的生长和农产品的品质。国家需求土壤污染与修复研究是中国进入WTO、保证农产品安全、推动农村生态环境保护和全面建设小康社会的国家战略需求。●生态系统的基本单元，具有SWP系统的整体性●人类活动的主要资源，具有质量、数量的双重性土壤具有三个基本特征肥力质量环境质量健康质量内涵安全生产土壤质量保证最大生产力最佳生物学质量不引发二次环境污染●自然体、环境介质，具有多功能性承接污染物的载体净化污染物的活体负荷容量功能强度1、系统之间2、研究过程3、污染效应4、干扰因素与大气环境、水环境不同理论体系、化学形态、迁移转化、恢复治理机制不同同一作物,对不同污染物的生物效应、吸收累积、释放机制不同土壤肥力、养分含量、土壤质地、机械组成,对污染物毒性影响程度不同2-1土壤污染基本特征发生的隐蔽性形成的复杂性恢复的长期性毒性的缓效性诊断的特殊性土壤污染的特点环境土壤学研究的目的认识利用调控土壤肥力的培育土壤污染的防治土壤净化功能的利用污染土壤的清洁农林土壤学环境土壤学以提高农业生物生产力为目的的土壤肥力和资源研究以提高土壤三质量为目的(肥力、健康、环境)土壤生态过程研究污染发生机制研究土壤功能、容量研究2-2环境土壤学的发展历程50年代:土地资源开发利用提高生产研究60年代:水土保持，盐碱地改良土地环境资源保护研究污水灌田，施用农药土地环境污染研究70年代:区域性土壤环境评价及污染综合防治研究80年代:土壤环境背景容量及基准土壤--植物系统净化功能及其应用研究90年代:土地植物系统污染生物地球化学长期定位研究无公害农业及绿色食品生产技术应用技术研究流域及湖泊水污染治理关键技术3、土壤环境与土壤污染研究回顾2000：土壤污染生态过程与生态安全资源调查质量评价污染防治规律研究机制研究实用技术研究3-1土壤环境与土壤污染--学科发展历程58年污水灌溉在主要城市郊区兴起推动灌溉事业，促进北方水稻农作发展N肥过剩，贪青倒伏，作物受害，土壤毒化土壤毒化诊断指标确立N肥定额防止徒长倒伏增施矿质肥料调整作物Si/N营养比3-2土壤环境与土壤污染研究事例污灌污染物在土壤--植物系统迁移--分布土壤---地下水污染污水灌溉研究作物污染及残留与毒性研究灌区人体健康调查污水灌溉研究成果污水灌溉地区水质、粮食和地下水评价矿物油、苯并（a）芘、重金属在土壤—植物系统迁移分布主要污染物生物学质量评价重金属、矿物油等土壤环境容量污灌区综合治理与防治规则土壤环境质量评价评价方法及其指标体系区域性土壤环境重点污灌区石油化工区工矿开发区污染起始值污染标准单项指标综合指标3-3区域土壤环境研究意义土壤环境质量与污染评价制定土壤环境容量与土壤环境质量标准土壤污染清洁技术土地利用与土地管理成果1973-1977年北京、南京、广东等重点地区土壤、水体及生物背景值试点研究实验1979年13个省市主要农业土壤和主要作物9种元素背景值调查1986年29省市土壤背景值调查3-4土壤环境背景意义制定土壤环境标准污染物排放、污泥和污水的农业利用区域污染物管理与控制成果敏感作物盆栽生物试验土壤微生物生态及土壤酶活性同位素示踪技术田间物质平衡土壤净化功能3-5土壤环境容量污染地点：沈阳市张士灌区污染原因：含镉工业污水灌田污染面积：2800ha污染状态：土壤含镉5-10mg/kg土稻米耔实镉0.4-1.0mg/kg米3-6镉土污染及防治镉土污染治理客土法深耕换土农作法排水晒田淹水厌氧化学法改良施用石灰磷肥及其它改良剂生物法改良作物吸收富集木本净化3-7镉土污染治理研究成果利用土壤-植物系统生物、化学、物理的净化功能通过科学设计和有效地进行管理对污水中N、P资源加以利用对可降解污染物加以净化实现无害化、资源化的生态工程技术适合国情投资少，运行费用低可回收再生水资源3-8污水生态工程土地处理●土壤环境污染现状的描述●污染危害的调查和污染点的评价及风险分析●土壤污染生态过程及其微观机理研究●土壤生态毒理学诊断污染土壤生态过程4、污染物的生态过程研究◆复合污染条件下，常用农药与石油及其化工产品等有机污染物在土壤中的迁移动态研究，探讨污染物的最适降解条件◆污染物在土壤中的降解过程及其影响因素，确立其微生物降解的最佳条件◆污染物在土壤中的固定-再释放机制及预测◆耐污植物对污染物的吸收能力◆污染胁迫条件下，土著微生物群落的变化规律◆农作物连作条件下，土壤生物污染的发生过程◆重点有机、无机污染物的土壤生态过程区域比较研究研究内容平衡研究迁移降解吸附与解析植物吸收积累挥发过程供试化学品多环芳烃类有机氯类与农药杂环化合物离子型有机化合物菲荧蒽苯并芘1,2,4-三氯苯邻苯二甲酸二丁酯邻苯二甲酸二异辛酯多效唑西玛津直链烷基苯磺酸钠效应研究对宏观系统的影响对微观系统的影响生物量生物多样性生物学质量对植物形态学上的影响对土壤微生物土壤酶的影响转化研究有机污染物本体（A）在陆地生态系统中向其代谢及合成物（B,C,D...）的转化过程物理、化学、生物过程及其动力学过程。转化过程中的发生条件及其影响因素。典型污染土壤的成因分析与生态风险预测土壤生态毒理学标准实验方法土壤生态毒理学指标体系测生物毒性指标体系土壤生物污染的诊断与评价指标体系污染土壤清洁标准土壤环境标准土壤生态毒理学诊断与安全预警系统的建立及其验证土壤生态毒理学诊断污染生态化学过程土壤污染发生机制土壤污染早期诊断土壤污染过程调控土壤污染系统监测污染生态毒理过程生态过程研究5、需要加强的重要研究方向6、土壤污染生态学研究展望土壤环境标准与生物质量综合指标体系土壤-植物系统生态剖面分析土壤-植物系统生态风险评价方法论及技术支撑系统土壤-植物系统净化功能研究土壤圈及其边界污染物迁移转化规律土壤环境质量监测网络污染卫生学生态毒理学生物生产力综合分析作用机理确立环境参数实验手段测试技术环境容量土壤-水反应动力学土壤-环境长期定位观测土壤-大气建立网络系统第二部分：污染土壤与修复1990’s–德国，英国，荷兰等开展土壤污染修复研究水生生态系统问题---1960’-1970’陆地生态系统问题---1980’s始1990’s-加拿大，美国等开展土壤污染修复研究与工程1995–中国开展土壤污染生物修复项目1、污染土壤修复研究的历史回顾80年代，荷兰投资15亿美元进行土壤修复试验研究1976-1990年，联邦德国科技部资助的项目306个1990-1996年，联邦德国废物管理与土壤修复项目投资75亿美元美国政府近期投资100亿美元进行土壤修复技术开发1995，国家基金委，科学院等资助土壤污染生物修复项目项目资助2000-2003年国内土壤修复研究（根据发表论文统计）重金属13%其他6%有机污染15%土壤修复综合技术66%原位修复（接菌法,生物培养法,生物通风法,土耕法）异位修复（生物泥浆，堆腐，制备床，厌氧处理）化学修复物理修复化学清洗,超临界萃取，光化学降解，化学氧化，化学栅（沉淀栅，吸附栅，联合栅）清洗法，蒸发法，电修复法，热修复法挖掘添埋法，通风去污法，焚烧法植物提取，植物富集，植物稳定生物修复植物修复联合修复2、土壤修复技术污染土壤生物降解处理技术污染物生物降解最适条件的建立，包括土壤中大量和微量元素的适当比例，游离酶的选择与浓度确立及土壤温度、湿度、pH和有机质等常规条件土著微生物的驯化与接种菌的筛选和培养特异性降解微生物的构建提高污染物生物可利用性技术等有机污染土壤堆腐清洁技术污染区人工生态系统的营造、管理及其持续高效无害化农业利用技术土壤生物改良剂发研制与开发2-1生物清洁技术污染物的固定/稳定化处理技术污染土壤固定-覆盖技术电渗析技术树脂/活性炭浮选技术污染土壤蒸汽萃取技术污染土壤泥浆反应器处理技术污染土壤冲洗技术针对特定的顽固性污染物的溶剂萃取技术重金属或其它类型无机污染土壤石油或其它有机污染土壤2-2物理化学清洁技术针对石油、多环芳烃为目标的污染物生物修复优势菌种的筛选与功能实验生物修复技术：泥浆反应器、土壤堆腐、超富集植物筛选2-3土壤清洁技术研究进展1，外源微生物引入---（关键）条件和原则2，微生物的适应性---（重点）机制与影响因素3，生物修复过程中污染物的降解-限制因素-浓度）4，有机污染物次生代谢过程-问题-毒性代谢产物生成5，生物修复的现场放大技术-技术的应用6，污染物的淋溶过程–可溶性组分的地下迁移-二次污染7，污染土壤修复的生态安全性评价3、土壤修复研究的现存问题3-1外源微生物引入条件及原则：(1)当现存的土著微生物不能降解土壤中的污染物,如有机污染物降解过程中的中间产物不能为土著微生物降解，考虑引入外来微生物(2)土壤中污染物浓度过高,对土著微生物有毒害作用而不能有效降解污染物，考虑引入外来微生物(3)土壤被污染后需要立即处理，考虑引入外来微生物(1)是否能够降解大部分目标污染物;(2)遗传稳定性如何;(3)在环境中是否能快速生长并具有较高酶活性;(4)是否具有较强的与土著微生物生存生长竞争能力；(5)是否无致病性且不产生有毒代谢产物等。3-2外源微生物引入—需要考虑的因素预先暴露于污染环境中的微生物决定生物降解速率。有些微生物对有机污染物的氧化能力较强,这种现象被称为适应性。适应性的可能机制有以下3种：●特定酶的诱导和抑制；●基因突变产生新的代谢群体；●有机体的选择性富集。机制研究的成功是生物修复技术成功的关键要素3-3微生物的适应性---机制与影响因素污染物的降解因其性质、浓度，对微生物暴露方式不同而异解决高浓度污染对生物降解影响的方式通常是进行稀释，以满足微生物降解的浓度要求。当污染物浓度过低（但尚未达到环境质量安全标准）时，生物修复的速率开始下降，有时甚至难于进行。解决低浓度污染物降解是生物修复过程中面临的重要问题。3-4生物修复过程中的污染物的降解（浓度限制因素）很多情况下污染物并不能很快的被微生物完全降解，其结果是母体污染物浓度减少，次生代谢产物浓度增加。修复介质的整体污染状况没有得到根本的治理。次生代谢产物的产生主要在两个方面一、是产生所谓空端产物。即污染物的附加代谢过程中产生的一种使细菌酶无法进行转化的产物。二、即使污染物被完全降解也伴随中间产物的生成。而以细菌为媒介的反应对这类中间产物的降解速度缓慢次生污染及毒性代谢问题为生物修复中最重要课题之一。3-5有机污染物的次生代谢过程-毒性代谢产物的生成土壤安全性评价应以污染物由固态转化为溶解状态的滤出物为依据。淋溶是个关键性问题。有关污染释放机制与淋溶控制因素,如溶解有机碳(DOC)与胶体的相互作用等问题尚未得到充分研究。在土壤修复过程中，淋溶实验为一个指标评价生物修复效果非常重要，但目前的工作仍处于研究阶段3-6污染物的淋溶过程–可溶性组分的地下迁移生物修复技术的现场放大涉及一系列问题：●微生物的降解效率问题，●干扰因素的影响评估问题，●环境工程、水利学、环境化学及土壤学等多种学科知识的支持与融合问题，●生物修复场地异质性目前生物修复在我国尚处于研究发展时期，实际运作上缺少实例。解决生物修复技术的现场放大问题将有利于污染土壤生物修复在我国的早日应用与开发。3-7生物修复的现场放大1994–2004-加拿大支持4个土壤污染生态项目1994-评价方法选择阶段1995–1998-方法研发阶段1999–2002-方法的验证阶段20