哈尔滨师范大学生物科学系本科生论文（设计）

哈尔滨师范大学本科生论文（设计）题目：土壤重金属污染修复研究学生姓名学号生物科学系 专业班级指导教师学部生命科学与技术学院交稿日期2013年5月19日 土壤重金属污染修复研究设计摘要楼在实验室内采用人工土柱淋洗试验方法，研究了五种物质对重金属铅和镉混合污染土壤的络合-淋洗修复作用。这五种物质包括生物有机肥、半腐熟有机质（枯枝落叶）、半腐熟松针、化学试剂EDTA(乙二胺四乙酸)和DTPA(二乙烯三胺五乙酸)。结果表明：化学试剂EDTA、DTPA对重金属污染的土壤络合-淋洗修复效果最好，其次为生物有机肥，半腐熟的有机质和半腐熟松针相对较差。对铅的络合-淋洗修复作用从大到小顺序依次为：EDTA>DTPA>100g生物有机肥/kg土>半腐熟的有机质>半腐熟松针>100mg生物有机肥/kg土；对镉的络合-淋洗修复作用从大到小顺序依次为：EDTA>DTPA>100g生物有机肥/kg土>半腐熟的有机质>半腐熟的松针>100mg生物有机肥/kg土。关键词：土壤，重金属污染，修复，淋洗 HEAVY-METALCONTAMINATIONOFLEADANDCADMIUMINSOILRESTORATIONRESEARCHABSTRACTInthispaper,artificialsoilcolumnwashingtestmethodwasappliedinthelaboratorytostudythecomplexationandwashingremediationeffectoffivekindsofmaterialsontheheavymetalcontaminatedsoilsthatpollutedbyheavymetalsleadandcadmium.Thefivekindsofmaterialsincludedthebiologicalorganicfertilizer,halfwell-rottedcompostdeadwoodfallenleaf,halfwell-rottedcompostpineneedle,chemicalreagentsEDTAandDTPA.Theresultsshowedthat:thecomplexationandwashingremediationeffectofchemicalreagentsEDTAandDTPAontheheavymetalcontaminatedsoilsisSignificant,bio-organicfertilizerisnexttothem,andhalfwell-rottedcompostdeadwoodfallenleafandhalfwell-rottedcompostpineneedleistheworst,relatively.TheorderofthecomplexationandwashingremediationeffectontheleadcontaminatedsoilsisEDTA>DTPA>100gbio-organicfertilizer/kgsoil>halfwell-rottedcompostdeadwoodfallenleaf>halfwell-rottedcompostpineneedle>100mgbio-organicfertilizer/kgsoil;theorderofcomplexationandwashingremediationeffectonthecadmiumpollutedsoilsisEDTA>DTPA>100gbio-organicfertilizer/kgsoil>halfwell-rottedcompostdeadwoodfallenleaf>halfwell-rottedcompostpineneedle>100mgbio-organicfertilizer/kgsoil.Keywords:Soil,Leadpollution,Cadmiumpollution,Remediation,Leaching 哈尔滨师范大学论文（设计）土壤重金属污染修复研究1重金属对土壤的危害1.1研究概况土壤是人类不可或缺的生产资料，重金属污染是破坏土壤生态环境的主要因素。土壤中的有毒重金属能通过食物链直接危害人体健康。目前许多土壤重金属污染评价主要是通过重金属在土壤中的含量，去评价土壤的大致污染情况，而重金属对生态环境的污染不仅受它在土壤中的含量制约还会受地球化学赋存状态、迁移、扩散和富集规律等多个因素综合控制。因此我们从土壤重金属的生物地球化学角度，提出了土壤重金属污染的环境影响评价思路，认为可以为土壤生态环境的保护、恢复治理及管理提供一种有效的方法。重金属污染是当今土壤污染中影响面最广、危害最大的环境问题之一，由于重金属污染毒理机制和生物效应的复杂性及其在土壤中的稳定性，对重金属污染的研究一直是当今学术界的热点。土壤是相对不可再生的自然资源，也是不可替代的自然资源，是人类赖以生产、生活和生存的物质基础。土壤中重金属污染主要是因为人类的资源开发和工业生产活动而造成的。重金属污染的主要来源有农业上的化肥施用、污水灌溉，矿山尾矿矿山废物的淋滤、工业废渣及废气的排放。化肥的大量使用是近代农业生产的重要标志，1990年全世界矿物肥料的消耗量达到了170Mt。化肥中常含有多种重金属，如镉、铅等。这些金属随着化肥的使用进入到土壤中，并残留在其中，之后通过食物链在农产品和畜产品中积蓄。重金属可以直接从大气、水体中迁移到土壤，并且很难被微生物降解，只能发生各种形态之间的相互转化。因此，重金属污染的消除很难，对生物引起的影响和危害是到人关注的。土壤重金属污染造成的环境危害有两种：一是直接影响农作物生长发育的，受这些元素污染的植物在重金属积累尚未增高到对人畜有害时候就已经受到显著危害或者枯死。二是不易直接危害作物生长，但会产生有害食物和饲料，这些元素对人体危害较大。据统计，中国重金属污染的土壤面积达2000万hm2，占总耕地面积的1/6；因工业“三废-15- 哈尔滨师范大学论文（设计）”污染的农田近700万hm2，致使粮食每年减产100亿kg。土壤中的重金属主要通过食物链进入生物体内，当这些重金属在生物体内积累到一定程度时，就会直接影响动物的发育和生理生化机能，直至引起机体病变而死亡。研究表明，当土壤受重金属污染时，动物常见类群和稀有类群会减少或消失，甚至连重金属耐性很强的蚯蚓也不能幸免。重金属对人体的毒害性也非常大。可见，土壤重金属污染不仅会造成巨大的经济损失，对人们健康的影响更是不容忽视。从生态保护角度来看，土壤重金属污染是资源开发和工业项目生产环境影响评价的一个重要生态因子。1.2重金属元素铅和镉对生态的危害重金属污染指由重金属合物造成的环境污染。主要由采矿、废气排放、污水灌溉和使用重金属制品等人为因素所致。如日本的水俣病病分别由汞污染和镉污染所引起。其危害程度取决于重金属在环境、食品和生物体中存在的浓度和化学形态。重金属污染主要表现在水污染中，还有一部分是在大气和固体废物中。重金属指比重(密度)大于4或5的金属，约有45种，如镉、铅、锌、汞、铁、钴、镍、钒、铌、钽、钛、锰、铜、钨、钼、金、银等。尽管锰、铜、锌等重金属是生命活动所需要的微量元素，但是大部分重金属如铅、镉等并非生命活动所必须，而且所有重金属超过一定浓度都对人体有毒。重金属一般以天然浓度广泛存在于自然界中，但由于人类对重金属的开采、冶炼、加工及商业制造活动日益增多，造成不少重金属如铅、汞、镉、钴等进入大气、水、土壤中，引起严重的环境污染。以各种化学状态或化学形态存在的重金属，在进入环境或生态系统后就会存留、积累和迁移，造成危害。如汽车排放尾汽，施用污水污泥，污水灌溉，施用工矿废弃物，农药化肥的不合理使用，都会导致土壤重金属浓度提高。当土壤中重金属含量超过一定界限时，就会对作物产生不良影响，影响到作物的产量和质量从而影响到人体的健康。土壤被重金属污染后，对人群健康的影响大都是间接的，即主要通过土壤——农作——人，或土壤——植物——动物——人，或土壤——水——人等食物链形式对人体产生影响，但土壤的这污染具有比较隐蔽，污染后难以恢复和后果较严重的特点。如1955年日本发生了“镉米”事件。这是由于富县的农民长期用神通川上游铅锌冶炼厂的废水灌溉农田，致使土壤和稻米中含镉量增加，久而久之体内积累大量的镉毒，引起全身神经痛，骨痛，关节痛，骨骼软化萎缩，乃致死亡。在中国，土壤的重金属污染也呈日趋重的趋势。江西省有些地方随着金属矿山的开采和金属冶炼工业的发展，重金属污染正成为该省环境的突出题之一。其钨矿附近农田钼和镉的严重污染，铜矿和铜冶炼厂附近农田和饲料被铜和镉污染，对人和家禽健很大威胁。湖南省株洲市清水塘地区重金属污染现状也十分严重，其附近土壤耕层的重金属含量汞、镉、铅等超标，尤其是镉的污染，在冶炼厂和化工厂附近常年种植蔬菜的农田里，镉含量高达40mg/kg，超标135倍。-15- 哈尔滨师范大学论文（设计）2试验的设计、方法、原理、测定原理以及试验步骤2.1试验设计与方法：人工制备重金属污染土壤：试验土样采自河南科技学院新乡试验田耕层土壤，土壤为壤质潮土，有机质14g/kg,pH值8.1～８.2之间，把镉、铅的化合物溶解在盐酸中喷洒在土壤上拌匀，制成超过环境质量标准限定值的混合重金属污染土壤，自然风干备用。在人工制备重金属铅和镉混合污染土壤中加入5种修复物质（生物有机肥、半腐熟枯枝落叶、半腐熟松针、化学试剂EDTA和DTPA）后备修复用。半腐熟有机质采自太行山上的山地棕壤上的枯枝落叶层，松针采自太行山松林下的枯枝落叶层，把采集的枯枝落叶进行风干、磨细、过筛。取四个盆，盆1：取15kg重金属污染土掺1.5kg松针，盆2：取15kg重金属污染土掺半腐熟有机质，盆3：取15kg重金属污染土掺1.5kg绿源生物有机肥注1，盆4：剩余的重金属污染土。称取1kg的混合重金属土壤加入10mg的EDTA，如此同样称取并分别加入10mg/kg的DTPA,100mg/kg的生物物有机肥，分别作三个重复。注1．绿源生物有机肥：河南新乡市隆鑫肥业该产品有机质含量丰富，无机养分合理，含有固氮菌、解磷菌、解钾菌和其它有益微生物及其代谢物。施用该肥料能够培肥地力，提高土壤微生物活性，改善土壤微生态环境，促进营养物质在土壤中有效转化和作物根系生长，提高肥料利用率和作物产量。同时能有效改善农产品品质，是生产绿色食品的最佳用肥。有效成份：有效活菌数≥0.1亿/克，氮磷钾≥4%，有机质≥30%。含中量元素及适量的氨基酸和微量元素等。-15- 哈尔滨师范大学论文（设计）把2.5升的可乐瓶剪去底部，瓶口用三层纱布缠紧，倒立放置，用蒸馏水洗净后先放入少量石子，再加入些粗沙，加到瓶颈处，最后将上述处理过的土样各取1kg装入可乐瓶中,以混合重金属土壤作为对照，每个处理土样做三次重复。每天加入一定量的水淋洗，并记录数据,直至每瓶淋洗水量达10升.倒掉淋洗液，把淋洗过的土壤从瓶中倒出做自然风干处理，然后按照试验要求进行磨细、过筛（60号和100号）保存备用。2.2试验原理：淋洗法就是利用淋洗剂淋洗污染土壤，使土壤固相中的重金属转移到土壤液相中，把污染物淋洗至根外层来降低污染物毒性，以达到污染修复的目的.ICP测定原理：仪器以场致电离的方法形成大体积的ICP火焰，其温度可达10000K，试样溶液以气溶胶态进入ICP火焰中，待测元素原子或离子即与等离子体中的高能电子、离子发生碰撞吸收能量处于激发态，激发态的原子或离子返回基态时放射出相应的原子谱线或离子谱线，通过对某元素原子谱线或离子谱线的测定，可以对元素进行定性或定量分析。将仪器测定结果按照公式计算，确定土壤样品中被测元素铅和镉的浓度。2.3测定方法：土壤样品中铅和镉全量测定，用王水—高氯酸消解，用电感耦合等离子发射光谱仪ICP-AES测定；pH值测定——电位法,水土比为2.5：1;有机质测定——K2Cr2O7-H2SO4消化（外加热）。2.4试验步骤2.4.1样品处理将试验用的土壤，按照试验设计作土壤重金属污染土处理，并分类过筛储存，消解时称取一定量的样品，用水润湿。2.4.2样品消解加入随用即配的王水20毫升，轻轻摇匀置于电热板上，使其在140-1600C的条件下消煮。待三角瓶中的棕色氮氧化物基本赶完后，取下冷却。再沿壁加入10毫升高氯酸，继续消煮，待三角瓶中的高氯酸全部挥发，三角瓶中的土壤样品呈现灰白色糊状时，取下冷却。-15- 哈尔滨师范大学论文（设计）用水约20毫升洗涤三角瓶内壁，摇匀，用中速定量滤纸过滤到100毫升容量瓶中，再用热水洗涤3～4次，冷却后用纯水定容。同时做空白对照。2.4.3仪器测定采用电感耦合等离子体发射光谱仪ICP-AES测定仪测定土样中重金属铅(Pb)和镉（Cd）含量。测定时先取已配好铅或镉的标准液分别输入仪器测定并绘制出镉的标准曲线及相关方程。然后将定容好的样品溶液放在电感耦合等离子体发射光谱仪下进行测定，每个样品均按照一定次序依次测出铅和镉的含量值，此过程重复三次的平均值为最终测定结果。3结果与分析3.1试验结果表1不同处理土壤样品中铅和镉的全含量,pH以及有机质含量处理pH值有机质（g/kg）土壤中全铅含量（mg/kg）土壤中全镉含量（mg/kg）重金属土+半腐熟有机质7.9140.61391.811.189重金属土+半腐熟有机质(淋洗)8.3431.99258.550.8647重金属土+半腐熟松针7.8540.24398.881.255重金属土+半腐熟松针(淋洗)8.2733.38268.840.9125重金属土+生物有机肥7.540.82416.981.216重金属土+生物有机肥(淋洗)8.1819.42216.470.674重金属土+100g/kg生物生物有机肥(淋洗)8.317.23285.450.777重金属土+EDTA(淋洗)8.3915.11138.260.4704重金属土+DTPA(淋洗)8.3513.03141.180.5345未淋洗的重金属土壤7.816.88413.071.312-15- 哈尔滨师范大学论文（设计）淋洗后的重金属土(淋洗)8.3615.9352.931.2133.2结果分析3.2.1不同处理土壤样品中的铅和镉的淋洗效果图1※注解：1.重金属土+半腐熟有机质；2.重金属土+半腐熟松针；3.重金属土+生物有机肥；4.重金属土+100g/kg生物有机肥；5.重金属土+EDTA；6.重金属土+DTPA；7.混合重金属污染土壤,下同.表2不同重金属土壤处理样品中全镉含量处理未淋洗（mg/kg）淋洗（mg/kg）重金属土+半腐熟有机质1.1890.8647重金属土+半腐熟松针1.2550.9125重金属土+生物有机肥1.2160.674重金属土+100g/kg生物有机肥0.777重金属土+EDTA0.4704-15- 哈尔滨师范大学论文（设计）重金属土+DTPA0.5345混合重金属重金属土壤1.3121.213表3不同重金属土壤处理样品中全铅含量处理未淋洗（mg/kg）淋洗（mg/kg）重金属土+半腐熟有机质391.81258.55重金属土+半腐熟松针398.88268.84重金属土+生物有机肥416.98216.47重金属土+100g/kg生物有机肥285.45重金属土+EDTA138.26重金属土+DTPA141.18混合重金属重金属土壤413.07352.07从图1，图2，表2，表3中可以看出络合-淋洗修复对于重金属污染的土壤效果明显，作为络合效果最好的化学试剂的EDTA和DTPA对铅和镉的淋洗效果达到了60%以上，生物有机肥对铅和镉的淋洗效果为50%以上，半腐熟有机质对铅和镉的淋洗效果为30%左右，半腐熟松针对铅和镉的淋洗效果为30%左右，淋洗后的土壤均低于-15- 哈尔滨师范大学论文（设计）国家《土壤环境质量标准》（BG15618-1995）明确规定在二级土壤中，镉在pH>7.5时，土壤镉含量标准值为<1.0mg/kg，铅在pH>7.5时，土壤铅含量标准值为<350mg/kg，EDTA和DTPA的淋洗效果明显好于生物有机肥和半腐熟的有机质，是因为EDTA、DTPA的络合重金属能力高于生物有机肥和半腐熟有机质，是强络合剂。从加有生物有机肥,半腐熟有机质的重金属污染土壤中铅和镉的含量明显低于混合重金属污染土可知，生物有机肥和半腐熟的有机质、半腐熟松针的修复效果也良好，生物有机肥,半腐熟有机质淋洗效果也很好，具体原因是因为微生物的含量高低影响了修复效果还是有机物的含量多少影响了修复效果，需要下一步的试验论证，从本试验可以知道，EDTA、DTPA的络合修复能力最高，其次为生物有机肥，半腐熟的有机质和半腐熟松针相对较低。3.2.2有机质与铅和镉淋洗效果的关系表4混合重金属铅和镉污染土淋洗前后有机质的含量处理未淋洗（g/kg）淋洗后的（g/kg）重金属土+半腐熟有机质40.5131.99重金属土+半腐熟松针40.2433.38重金属土+生物有机肥40.8219.42重金属土+100g/kg生物有机肥17.23-15- 哈尔滨师范大学论文（设计）重金属土+EDTA15.11重金属土+DTPA13.03混合重金属重金属土壤16.8815.9从图3，表4上可以看出，淋洗前后有机质的含量都有不同程度的减少，半腐熟有机质的有机物损失率为21.03%，半腐熟的松针中有机质的损失率为17.04%，生物有机肥中有机质的损失率为52.42%，损失率的大小顺序为：生物有机肥>半腐熟有机质>半腐熟松针，从上面数据分析可知半腐熟有机质、生物有机肥、在修复重金属土壤的过程中损失的有机质比较大，由于(1)生物有机肥，半腐熟有机质，半腐熟松针里面的有机质和腐殖酸对铅、镉有明显的吸附作用。(2)微生物的作用,生物有机肥里的微生物比半腐熟的有机质含量要高的多,具体微生物与重金属的修复效应需要下一步的试验研究,由本次试验可知有机质含量以及腐熟程度是影响淋洗络合修复重金属土壤重要指标之一，有机质含量最高，腐熟程度也最好的有机肥在修复重金属污染的土壤效果是三种有机质中最好。4.结论与讨论4.1结论经过本次试验的初步结果证明，通过使用化学络合剂或有机物络合重金属污染土中的重金属再经过淋洗修复的方法是可行的，重金属污染土壤的修复与土壤中有机质的含量，以及是否使用淋洗处理等多方面因素有关，通过本次试验可以得到以下结论：(1）随着重金属土壤中有机质含量的增加，淋洗程度的增加都有助于提高土壤中重金属的分离率，在重金属污染比较严重，污染面积比较广的地区，生物有机肥的使用，经常灌溉淋洗土壤同样可以降低重金属的污染。(2）EDTA、DTPA在淋洗试验中，对重金属的络合-淋洗修复中表现出了良好的效果，可以作为一种高效的重金属络合—淋洗剂，在大田的适用上还有待提高。4.2讨论土壤重金属污染具有污染物在土壤中移动性差、滞留时间长、并可经水、植物等介质最终影响人类健康。本次试验为室内试验，有一定的局限性。通过本实验，可以证明大田的络合—淋洗修复是可行的，在大田修复时应根据当地的条件选择合适的修复方法，要防患于未然，从重金属污染的来源治理，有以下四个方面：-15- 哈尔滨师范大学论文（设计）1)随着大气沉降进入土壤的重金属，2)随污水进入土壤的重金属，3)随固体废弃物进入土壤的重金属，4)随农用物资进入土壤的重金属。现如今的治理措施也有以下几个：1)工程措施，主要包括客土、换土和深耕翻土等措施。通过客土、换土和深耕翻土与污土混合可以降低土壤中重金属的含量减少重金属对土壤-植物系统产生的毒害，从而使农产品达到食品卫生标。2)物理化学修复，电动修复，适合于低渗透的粘土和淤泥土；电热修复，是利用高频电压产生电磁波，产生热能，对土壤进行加热，使污染物从土壤颗粒内解吸出来，加快一些易挥发性重金属从土壤中分离，从而达到修复的目的；土壤淋洗，土壤固持金属的机制可分为两大类：一是以离子态吸附在土壤组分的表面；二是形成金属化合物的沉淀；化学修复就是向土壤投入改良剂，通过对重金属的吸附、氧化还原、拮抗或沉淀作用，以降低重金属的生物有效性；3)植物修复技术是一种利用自然生长或遗传培育植物修复重金属污染土壤的技术。根据其作用过程和机理，重金属污染土壤的植物修复技术可分为植物提取、植物挥发和植物稳定三种类型；4)农业生态修复主要包括两个方面：一是农艺修复措施。包括改变耕作制度，调整作物品种，种植不进入食物链的植物，选择能降低土壤重金属污染的化肥，或增施能够固定重金属的生物有机肥等措施，来降低土壤重金属污染。二是生态修复，通过调节诸如土壤水分、土壤养分、土壤pH值和土壤氧化还原状况及气温、湿度等生态因子，实现对污染物所处环境介质的调控。随着目前重金属污染呈复合污染的趋势，下一步的治理修复研究工作的重点应放在以下几个方面：(1)通过生物有机肥的推广应用和研究化学淋洗修复与植物富集修复以及微生物修复联用的重金属污染土壤修复技术，应用多种修复技术的联合修复技术。从生产的角度上，EDTA、DTPA只能作为小块重金属污染试验田修复，重金属污染的大田从经济学和环保学上考虑用生物有机肥的效果最好，生物有机肥不单能修复污染土壤，还能为土壤提供肥力，改良土壤环境,不影响农民种植农作物，能一边治理一边继续使用农田。从本试验与未淋洗作的重金属污染土比较我们可以知道，淋洗是修复重金属污染的有效可行方法，在条件允许的地区可以先作大田试验，然后推广。(2)分子生物学和基因工程技术的应用，随着分子生物技术迅猛发展，将筛选、培育出的超累积植物和微生物基因导入生物量大、生长速度快、适应性强的植物中去已成为现实，因此，利用分子生物技术提高植物修复的实用性方面将取得突破性进展。(3)-15- 哈尔滨师范大学论文（设计）生物修复综合技术的研究，重金属污染土壤的修复是一个系统工程，单一的修复技术很难达到预期效果，必须以植物修复为主，辅以化学、微生物及农业生态措施，增加重金属的生物有效性，促进植物的生长和吸收，从而提高植物修复的综合效率。因此，生物修复综合技术将是今后重金属污染土壤修复技术的主要研究方向。参考文献[1].国家环境保护局.中国环境保护21世纪议程[M].北京:中国环境科学出版社,1995.[2].王先进.中国权威人士论中国怎样养活养好中国人[M].北京:中国财经出版社,1997.[3].朱荫湄,周启星.土壤污染与我国农业环境保护的现状、理论和展望[J].土壤通报,1999,30(3):132-135.[4].杨秀丽,王学杰.重金属污染土壤的化学治理与修复[J].浙江教育学报,2004,3(2):56-57.[5].中国科学院南京土壤研究所.土壤理化分析[M].上海:上海科技出版社,1978.[6]《环境污染分析方法》科研协作组.环境污染分析方法[M].北京:科学出版社,1987.[7].陈玉娟,符海文,温琰茂.淋洗法去除土壤重金属研究[J].中山大学学报(自然科学版),2005,9(40):111-112.[8].X·L·Qiao,Y·M·Luo,P.Christie,etal.Chemicalspe2[4]曹仁林,霍文瑞,贾晓葵,等.园林绿地施用污泥堆肥对环境影响研究[J].环境科学研究,1997,10(3):46-50.[9].李香真.污泥中几种重金属元素在砂土中的运移[J].中国农业大学学报,1997,2(3):113-118.[10].奚旦立,孙裕生,刘秀英.环境监测[M].第3版.北京:高等教育出版社,2004,78.-15- 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