环境科学导论-第6章.ppt
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第6章土壤污染及其防治技术Soilpollutionandpreventionandcontroltechnology3/12/20203:
11PM环境科学导论1第六章土壤污染及其防治技术环境科学导论3/12/20203:
11PM第2页导读:
土壤是重要的自然资源,它是农业发展的物质基础。
“民以食为天,农以土为本”道出了土壤对国民经济的重大作用。
由于人口不断增加,人类对食物的需求量越来越大,土壤在人类生活中的作用也越来越大。
人们必须要更深入的了解土壤,进而利用和保护土壤。
但随着城乡工业不断发展,“三废”污染越来越严重,加之农药、化肥、除草剂、农膜等生产物质的大量使用,土壤难免会受到一定程度的污染。
污染可以影响农产品的产量和质量,通过食物链影响人体健康,通过生态系统的能量流动和物质循环影响整个生态系统安全。
世界各国已经把治理土壤污染问题摆在与大气污染和水污染问题同等重要的位置,而且已从政府角度制定了相关的修复工程计划。
日前,土壤科学研究已经从传统的农林土壤学发展为环境土壤学,污染土壤修复的研究已成为土壤科学的学科前沿。
紧紧把握住污染土壤修复技术创新的方向,直接关系到国家的农业污染与生态安全。
因此土壤污染修复技术日益受到人们的青睐,已开发出多种有效的土壤污染修复技术。
提要:
本章在介绍了土壤的基本知识和土壤环境污染及其危害基础上、重点介绍了土壤污染预防措施和污染土壤环境修复技术。
要求:
通过本章的学习可以了解土壤环境的污染源、土壤污染的危害及土壤的自净作用,了解重金属和农药在土壤中的积累、迁移、转化和生物效应,了解土壤污染的防治措施,熟悉各类污染土壤修复技术。
第六章土壤污染及其防治技术环境科学导论3/12/20203:
11PM第3页6.1土壤概述6.1.1土壤的组成土壤(Soil)是由固态岩石经风化而成,由固、液、气三相物质组成的多相疏松多孔体系。
土壤矿物质土壤矿物质(Mineral)主要是由地壳岩石(母岩)和母质继承和演变而来,其成分和物质对土壤的形成过程和理化性质都有极大的影响。
1原生矿物质(Primarymineral)各种岩石受到程度不同的物理风化而未经化学风化的碎屑物,其原来的化学组成和结晶构造未改变,原生矿物是土壤中各种化学元素的最初来源。
2次生矿物(Secondaryminerals)大多数是由原生矿物经化学风化后重新形成的新矿物,其化学组成和晶体结构都有所改变。
第六章土壤污染及其防治技术环境科学导论3/12/20203:
11PM第4页土壤有机质土壤有机质(Soilorganicmatter)是土壤中有机化合物的总称,包括腐殖质、生物残体和土壤生物。
土壤水分土壤水分主要来自大气降水和灌溉。
在地下水位接近地面的情况下,地下水也是上层土壤水分的重要来源。
土壤空气土壤空隙中存在的各种气体混合物称为土壤空气。
第六章土壤污染及其防治技术6.1.2土壤剖面形态图6-1自然土壤的综合剖面图环境科学导论3/12/20203:
11PM第5页典型的土壤随深度呈现不同的层次(图6-1)。
这些层次统称为发生层。
土壤发生层的形成是土壤形成过程中物质迁移、转化和积聚的结果,整个土层称为土壤发生剖面。
第六章土壤污染及其防治技术环境科学导论3/12/20203:
11PM第6页6.1.3土壤的机械组成与质地分组土壤中的矿物质由岩石风化和成土过程形成的不同大小的矿物颗粒组成。
矿物颗粒的化学组成和物理化学性质有很大区别,大颗粒常由岩石、矿物碎屑或原生矿物组成,细颗粒主要由次生矿物组成。
为研究方便,根据矿物颗粒直径大小,将大小相近、性质相似的加以归类称之为粒级分级,一般可分为砾石、砂粒、粉砂粒和粘粒四级。
土壤中各粒级所占的相对百分比或重量百分数叫做土壤矿物质的机械组成或土壤质地。
一般可分为三或四大类,即砂土、壤土、粘壤土和粘土。
土壤质地是影响土壤环境中物质与能量交换、迁移与转化的重要因素。
第六章土壤污染及其防治技术环境科学导论3/12/20203:
11PM第7页4.土壤性质1.土壤的吸附性质土壤的吸附性质(Adsorbability)与土壤中胶体有关。
土壤胶体(Soilcolloid)是指土壤中颗粒直径小于1m,具有胶体性质的微粒。
土壤胶体可按成分及来源分为:
(1)有机胶体(Organiccolloid)主要是生物活动的产物,是高分子有机化合物,呈球形、三维空间网状结构,胶体直径在2040nm之间。
(2)无机胶体(Inorganiccolloid)主要包括土壤矿物和各种水合氧化物,如粘土矿物中的高岭石、伊利石、蒙脱石等,以及铁、铝、锰的水合氧化物。
(3)有机无机复合体(Organic-inorganiccolloid)由土壤中一部分矿物胶体和腐殖质胶体结合在一起所形成。
第六章土壤污染及其防治技术环境科学导论3/12/20203:
11PM第8页土壤胶体具有巨大的比表面和表面能,从而使土壤具有吸附性。
土壤胶体微粒具有双电层(Doubleelectrodelayer),微粒的内部称微粒核(Particlesnuclear),一般带负电荷,形成一个负离子层,其外部由于电性吸引而形成一个正离子层,合称为双电层。
也有的土壤胶体带正电,其外部则为负离子层。
土壤胶体表面吸附的离子可以和溶液中相同电荷的离子以离子价为依据作等价交换,称为离子交换吸附(Ionexchangeadsorption)。
鉴于胶体所带电荷性质不同,离子交换作用包括阳离子交换吸附和阴离子交换吸附两类作用。
土壤中常见阳离子交换能力顺序如下:
Fe3+Al3+H+Ba2+Sr2+Ca2+Mg2+Pb+K+NH4+Na+土壤中阴离子交换吸附顺序如下:
F-草酸根柠檬酸根PO43-AsO43-硅酸根HCO3-H2BO3醋酸根SCN-SO42Cl-NO3-土壤胶体还具有凝聚性(Flocculation)和分散性(Dispersity)。
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11PM第9页2.土壤的酸碱性土壤的酸碱性(Soilacidityandbasicity)是土壤的重要理化性质之一,主要决定于土壤中含盐基的情况。
土壤的酸碱度一般以pH值表示。
我国土壤pH值大多在4.58.5之间,呈“东南酸,西北碱”的规律。
(1)土壤酸度(Soilacidity)土壤中的H+存在于土壤孔隙中,易被带负电的土壤颗粒吸附,具有置换被土粒吸附的金属离子的能力。
酸雨、化肥和土壤微生物都会给土壤带来酸性。
土壤酸度分为:
1)活性酸度(Activeacidity)又称有效酸度,是土壤溶液中游离H+浓度直接反映出的酸度,通常用pH表示。
2)潜性酸度(PotentialAcidity)土壤中活性酸度和潜性酸度是一个平衡体系中的两种酸度。
有活性酸度的土壤必然会导致潜性酸度的生成,有潜性酸度存在的土壤也必然会产生活性酸度。
2土壤碱度(Soilbasicity)当土壤溶液中OH浓度超过H+浓度时就显示碱性。
3土壤的缓冲性能(Soilbuffercapacity)土壤具有缓和酸碱度激烈变化的能力。
第六章土壤污染及其防治技术环境科学导论3/12/20203:
11PM第10页3.土壤的氧化-还原性能土壤中有许多有机和无机的氧化性和还原性物质,而使土壤具有氧化-还原特性。
这对土壤中物质的迁移转化具有重要影响。
土壤中主要的氧化剂有:
土壤中氧气、NO3-离子和高价金属离子,如Fe3+、Mn4+、Ti6+等。
土壤中主要的还原剂有有机质和低价金属离子(如Fe2+、Mn2+等)。
此外,植物根系和土壤生物也是土壤中氧化还原反应的重要参与者。
土壤氧化还原能力(Soiloxido-reductionability)的大小常用土壤的氧化还原电位(Eh)衡量,其值是以氧化态物质与还原态物质的相对浓度比为依据的。
一般旱地土壤Eh值为+400+700mV,水田Eh值为-200+300mV。
根据土壤Eh值可确定土壤中有机质和无机物可能发生的氧化还原反应和环境行为。
第六章土壤污染及其防治技术环境科学导论3/12/20203:
11PM第11页4.土壤的生物活性土壤中的生物成分使土壤具有生物活性(Biologicalactivity),这对于土壤形成中物质和能量的迁移转化起着重要的作用,影响着土壤环境的物理化学和生物化学过程、特征和结果。
土壤的生物体系由微生物区系、动物区系和微动物区系组成,其中尤以微生物最为活跃。
土壤环境为微生物的生命活动提供了矿物质营养元素、有机和无机碳源、空气和水分等,是微生物的重要聚集地。
土壤微生物(Soilmicroorganisms)是土壤肥力发展的决定性因素。
自养型微生物(Autotrophicmicroorganism)可以从阳光或通过氧化无机物摄取能源,通过同化CO2取得碳源,构成有机体,从而为土壤提供有机质。
异养微生物(Heterotrophicmicroorganism)通过对有机体的腐生、寄生、共生和吞食等方式获取食物和能源,成为土壤有机质分解和合成的主宰者。
土壤动物种类繁多,包括原生动物、蠕虫动物、节肢动物、腹足动物及一些哺乳动物,对土壤性质的影响和污染物迁移转化也起着重要作用。
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11PM第12页6.2土壤环境污染6.2.1土壤环境背景值土壤环境背景值(Backgroundvalueofsoilenvironment)是指未受或少受人类活动(特别是人为污染)影响的土壤本身的化学元素组成及其含量。
土壤环境背景值是一个相对的概念,是代表土壤环境发展的一个历史阶段的相对数值。
土壤环境背景值是一个范围值,而不是确定值。
土壤环境背景值是环境科学的基础数据,广泛应用于环境质量评价、国土规划、土地资源评价、土地利用、环境监测与区划、作物灌溉与施肥,以及环境医学和食品卫生等领域。
第六章土壤污染及其防治技术环境科学导论3/12/20203:
11PM第13页6.2.2土壤环境容量土壤环境容量(Soilenvironmentcapacity)是指土壤环境单元所容许承纳的污染物质的最大负荷量,等于污染起始值和最大负荷值之差,若以土壤环境标准作为土壤环境容量最大允许值,则土壤环境标准值减去背景值就应该是土壤环境容量计算值。
考虑土壤的自净作用和缓冲性能时,将土壤环境容量进一步定义为:
“一定土壤环境单元,在一定范围内遵循环境质量标准,既维持土壤生态系统的正常结构与功能,保证农产品的生物学产量与质量,也不使环境系统污染的土壤环境所能容纳污染物的最大负荷值。
”通过对土壤环境容量的研究,有助于我们控制进入土壤污染物的数量。
在土壤质量评价、制定“三废”排放标准、灌溉水质标准、污泥使用标准、微量元素累积施用量等方面均发挥着重要的作用。
土壤环境容量充分体现了区域环境特征,是实现污染物总量控制的重要基础。
有利于人们经济合理地制定污染物总量控制规划,也可充分利用土壤环境的容纳能力。
第六章土壤污染及其防治技术环境科学导论3/12/20203:
11PM第14页6.2.3土壤污染土壤污染(Soilpollution)是指人类活动产生的污染物质通过各种途径输入土壤,其数量和速度超过了土壤净化作用的速度,破坏了自然动态平衡,使污染物质的积累逐渐占据优势,导致土壤正常功能失调,土壤质量下降,从而影响土壤动物、植物、微生物的生长发育及农副产品的产量和质量的现象。
从定义可以看出,土壤污染不但要看含量的增加,还要看后果,即进入土壤的污染物是否对生态系统平衡构成危害。
因此,判定土壤污染时,不仅要考虑土壤背景值,更要考虑土壤生态的变异,包括土壤微生物区系(种类、数量、活性)的变化,土壤酶活性的变化,土壤动植物体内有害物质含量生物反应和人体健康的影响等。
有时,土壤污染物超过土壤背景值,却未对土壤生态功能造成明显影响;有时土壤污染物虽未超过土壤背景值,但由于某些动植物的富集作用,却对生态系统构成明显影响。
因此,判断土壤污染的指标应包括两方面,一是土壤自净能力,二是动植物直接或间接吸收污染物而受害的情况(以临界浓度表示)。
第六章土壤污染及其防治技术3/12/20203:
11PM环境科学导论第15页1.土壤污染物
(1)有机污染物(Organicpollutants)主要有合成的有机农药、酚类化合物、腈、石油、稠环芳烃、洗涤剂以及高浓度的可生化性有机物等。
(2)无机污染物(Inorganicpollutants)土壤中无机物有的是随地壳变迁、火山爆发、岩石风化等天然过程进入土壤,有的则是随人类生产和生活活动进入土壤。
(3)生物污染物(Biologicalpollutants)各类病原菌、寄生虫卵等有害的生物从外界环境进入土壤后,大量繁殖,从而破坏原有的土壤生态平衡,并可对人畜健康造成不良影响。
(4)放射性污染物(Radioactivepollutants)各种放射性核素通过各种途径进入土壤,使土壤的放射性水平高于本底值。
第六章土壤污染及其防治技术环境科学导论3/12/20203:
11PM第16页2.土壤污染源土壤污染源有天然污染源,也有人为污染源。
天然污染源是指自然界的自然活动(如火山爆发向环境排放的有害物质)。
人为污染源是指人类排放的污染物的活动。
(1)污水灌溉(Sewageirrigation)
(2)固体废弃物的土地利用(Landutilizationofsolidwaste)(3)农药和化肥等农用化学品的施用(Useofagriculturalchemicalssuchaspesticidesandfertilizers)(4)大气沉降(Atmosphericsedimentation)第六章土壤污染及其防治技术环境科学导论3/12/20203:
11PM第17页6.2.4土壤自净作用土壤环境的自净作用(Soilself-purification)是指在自然因素作用下,通过土壤自身的作用,使污染物在土壤环境中的数量、浓度或毒性、活性降低的过程。
(1)物理净化作用(Physicalpurification)土壤是一个多相疏松的多孔体系,进入土壤中的难溶性固体污染物可被土壤机械阻留;可溶性污染物可被土壤水分稀释减少毒性,也可被土壤固相表面吸附,也可随水迁移至地表水或地下水层;某些污染物可挥发或转化成气态物质通过土壤空隙迁移到大气中。
这些过程均属于物理过程,相对于该地区则统称为物理净化作用。
第六章土壤污染及其防治技术环境科学导论3/12/20203:
11PM第18页物理化学净化作用(Physico-chemicalpurification)污染物的阴、阳离子与土壤胶体表面原来吸附的阴、阳离子通过离子交换吸附得到浓度降低的作用。
化学净化作用(Chemicalpurification)污染物进入土壤环境后可能发生诸如凝聚、沉淀、氧化-还原、络合-螯合、酸碱中和、水解、分解-化合等一系列化学反应,或经太阳能、紫外线辐射引起光化学降解反应等。
生物净化作用(Biologicalpurification)土壤中的微生物、真菌、放线菌等)分解有机污染物并最终转化为对生物无毒的物质的净化作用。
土壤动植物也有吸收,降解某些污染物的功能。
以上四中自净作用过程是相互交错的,其强度共同构成了土壤环境容量基础。
尽管土壤环境具有多种自净功能,但净化能力是有限的。
人类还要通过多种措施来提高其净化能力。
第六章土壤污染及其防治技术6.2.5土壤环境的缓冲性能土壤污染物缓冲性(bufferingeffectofsoil)指的是土壤因水分、温度、时间等外界因素变化抵御污染物浓(活)度变化的性质。
主要是通过土壤吸附-解吸,沉淀-溶解等过程实现的。
其影响因素应包括土壤质量、粘粒矿物、铁铝氧化物、CaCO3、有机质、土壤pH和Eh、土壤水分和温度等。
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11PM第19页第六章土壤污染及其防治技术环境科学导论3/12/20203:
11PM第20页6.3土壤环境污染的危害6.3.1重金属污染及其特点重金属(Heavymetal)是比重等于或大于5.0的金属,如Fe、Mn、Cr、Pb、Cu、Zn、Cd、Hg、Ni、Co等,As是一种准金属,但由于其化学行为与重金属多有相似之处,故往往也将其归为重金属。
由于土壤中Fe、Mn含量较高,一般认为他们不是土壤的污染元素,而对Cd、Hg、Cr、Pb、Ni、Zn、Cu等对土壤的污染则应特别关注重金属元素通过重金属的采掘、冶炼、矿物燃烧、污水灌溉、农药、化肥及人工饲料等农用化学品的使用而进入农田土壤。
重金属元素在土壤或生物体内富集,而且有些重金属还能在土壤中转化为毒性更大的甲基化合物(如无机汞在厌氧微生物作用下转化为甲基汞)。
一旦重金属进入土壤,便会通过吸附、沉淀、络合、氧化-还原、酸-碱反应等过程产生价态与形态的变化,不同价态和形态的重金属的活性、迁移性和生物毒性均不同。
重金属进入环境的初期,不易表现出毒害效应,当积累到一定程度后毒害效应就表现出来,且难以整治与恢复。
第六章土壤污染及其防治技术环境科学导论3/12/20203:
11PM第21页2.重金属的土壤化学与生物化学行为重金属在土壤环境中的迁移转化(Distributionandconversion)决定了其在土壤中的存在形态、累积状况、污染程度和毒性效应。
1.物理迁移物理迁移(Physicalmigration)指重金属的机械搬运。
土壤溶液中的重金属离子或络合物随径流作用向侧向和地下运动,从而导致重金属元素水平与垂直分布特征;水土流失和风蚀作用引起的重金属随土壤颗粒发生机械搬运;有的随土壤空气发生运动,如汞蒸气;还有的因其比重大而发生沉淀或闭蓄于其他有机和无机物沉积之中。
2.物理化学与化学迁移与转化物理化学与化学迁移转化(Physico-chemicalmigration)指重金属在土壤中通过吸附、解吸、沉淀、溶解、氧化、还原、络合、螯合和水解等一系列物理化学与化学过程而发生的迁移转化,这是重金属在土壤中的主要运动形式。
第六章土壤污染及其防治技术环境科学导论3/12/20203:
11PM第22页
(1)被无机胶体吸附固定1)交换吸附(Exchangeadsorption)主要是通过电荷符号不同引起的静电吸附作用,土壤胶体表面一般带有负电荷,因此在其表面吸附了很多阳离子,如H+、Al+、Ca2+、Mg2+等,这些阳离子,易被竞争性大的重金属离子替换出来。
如二价重金属Cd2+、Pb2+、Cu2+、Zn2+等吸附竞争性均大于土壤中通常存在的Ca2+、Mg2+、NH4+等离子,因此可以发生交换吸附,方式可由下式表示:
粘粒Ca2+M2+=粘粒M2+Ca2+(6-2)但是,在酸性土壤中由于对吸附位较强的阳离子(H+、Fe3+、Fe2+、Al3+等)浓度高,使外源性重金属阳离子趋于游离,而使之活性增强。
此外,带正电荷的水合氧化铁胶体离子可以吸附PO43-、VO43-、AsO43-等。
第六章土壤污染及其防治技术环境科学导论3/12/20203:
11PM第23页2)专性吸附(Specificadsorption)重金属离子被水合氧化物牢固吸附,因为这些离子能进入氧化物的金属原子配位荷中,发生内海姆荷兹层的键合,与OH配位基重新配位,通过共价键或配位键结合在胶体颗粒表面,这种结合称为专性吸附。
被专性吸附的重金属离子是不可交换态的,即不能被NaOH或CaAc等盐置换,只能被亲和力更强和性质更相似的元素解吸,或在较低pH下水解。
因此,专性吸附能减少重金属的生物有效性。
在重金属浓度很低时,专性吸附的量所占比例较大。
第六章土壤污染及其防治技术环境科学导论3/12/20203:
11PM第24页3)与无机络合剂(Inorganiccomplexingagent)作用土壤中还存在许多无机配位体,如Cl-、SO42-、NH4+、CO32-等,能与部分重金属发生络合反应。
对带负电荷的吸附表面,络合作用降低了吸附表面对重金属的吸附强度,甚至可以产生负吸附,使重金属的吸附量下降。
但对带正电的吸附表面,如铁铝氧化物,络合作用会降低重金属离子的正电性而增加吸附。
第六章土壤污染及其防治技术环境科学导论3/12/20203:
11PM第25页
(2)与有机胶体吸附固定(Organiccolloidadsorptionfixed)有机胶体主要是指分子量大小不同的有机酸、氨基酸和腐殖质物质等,这些物质含有许多能与重金属发生络合或螯合的官能团,如羧基、醇羟基、烯醇羟基以及不同类型的羰基结构。
有机胶体与重金属发生离子吸附、络合或螯合作用。
从吸附作用看,有机胶体对重金属的吸附能力最强,可达1570mg(当量)kg-1土,平均为3040mg(当量)kg-1土。
有机胶体对重金属的吸附顺序是:
Pb2+Cu2+Cd2+Zn2+Hg2+。
有机胶体对重金属的络合物稳定性顺序为:
Fe2+Pb2+Ni2+Co2+Mn2+Zn2+。
在重金属浓度低或污染初期,主要以与有机质络合和螯合作用为主,而在重金属浓度进一步加大或污染时间进一步延长时,交换吸附开始占主导地位。
第六章土壤污染及其防治技术环境科学导论3/12/20203:
11PM第26页(3)沉淀-沉积(Precipitation-deposition)重金属进入土壤后能与土壤中多种化学成分发生溶解和沉淀作用,与重金属发生沉淀作用的阴离子主要有OH-、CO32-、S2-等。
这种作用控制着土壤中重金属的迁移转化,而这种过程却受土壤pH、CO2分压、Eh和络合离子的制约。
从Eh的影响来看,有的重金属如Cd、Zn、Cu等随Eh的降低,其随水迁移性和对作物造成的危害可能随之减少,有的如As等则具有相反的趋势。
土壤中存在着各种各样的带有配位基的物质,如羟基、氯离子和腐殖酸物质等,各配位基的性质和浓度及金属离子与络合离子的亲和力决定了络合形式,进而决定了金属化合物的溶解度,如Cl可与重金属络合成:
MCl+、MCl20、MCl3-、MCl42-,且Cl浓度决定了以其中那种络合态存在,且其与重金属的络合顺序为:
Hg2+Cd2+Zn2+Pb2+,氯离子与重金属形成络离子可大大提高重金属的溶解度,进而使其活性增大,迁移能力提高。
第六章土壤污染及其防治技术环境科学导论3/12/20203:
11PM第27页3.生物固定与活化生物体可从土壤中吸收重金属,并在体内积累(Accumulation)起来。
植物可以通过根系从土壤中吸收有效态重金属(Availableheavymetals),有效态主要指可溶态和可交换态重金属,难溶态一般不易被植物吸收利用。
土壤微生物和土壤动物也可以吸收并富集某些重金属。
某些陆生动物啃食重金属含量较高的表土也是重金属发生生物迁移的一种途径。
第六章土壤污染及其防治技术3.化学农药污染危害农药(Pesticide)是土壤环境中毒性最大、影响面最广、与人类生活关系最为密切的面源“污染物”。
农药对环境的污染是多方面的,而且危害后果严重。
农药对大气、水体和土壤的污染,可导致综合环境质量下降,特别是对地下水污染问题引起了人们广泛的重视;农药污染对生态效应的影响十分深远,在有效去除病、虫、草等对农作物的危害的同时,还可能对农作物本身及土壤动物、土壤微生物、昆虫、鸟类甚至鱼类带来潜在的危害,影响生物多样性,使生态系统功能下降;农药还将通过食物链给人体健康带来损害,特别是“三致”效应和对人体生殖性能的影响,如导致男子不孕症,使人类健康和生存繁衍面临着挑战与威胁。
图6-2农药对环境的危害环境科学
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