土壤污染與修復(fù)

土壤污染與修復(fù)第1頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四內(nèi)容設(shè)置

1土壤中污染物的來源與危害2土壤中污染物的生物降解與轉(zhuǎn)化3污染土壤修復(fù)的現(xiàn)場調(diào)查與評價4污染土壤修復(fù)的可處理性研究5污染土壤典型修復(fù)技術(shù)及原理6石油污染土壤修復(fù)專題第2頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四1土壤中污染物的來源與危害1.1污染土壤的定義1.2土壤污染的特點1.3土壤中污染物的來源1.4土壤污染的類型1.5土壤污染的危害第3頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四1.1

污染土壤的定義“絕對性”定義:由人類的活動向土壤添加有害化臺物，此時土壤即受到了污染。這個定義的關(guān)鍵是存在有可鑒別的人為添加污染物?！跋鄬π浴倍x：以特定的參照數(shù)據(jù)來加以判斷，如以背景值加兩倍標準差為臨界值，若超過這一數(shù)值，即認為該土壤為某元素所污染?！熬C合性”定義：不但要看含量的增加，還要看后果，即加入土壤的物質(zhì)給生態(tài)系統(tǒng)造成了危害。第4頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四1.1

污染土壤的定義三種定義的出發(fā)點雖然不同，但有一點是共同的，即認為土壤中某種成分的含量明顯高于原有含量時即構(gòu)成了污染。綜上所述，土壤污染就是指人為因素有意或無意地將對人類或其他生命體有害的物質(zhì)施加到土壤中，使其某種成分的含量明顯高于原有含量、并引起土壤環(huán)境質(zhì)量惡化的現(xiàn)象。第5頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四1.2

土壤污染的特點（1）隱蔽性或潛伏性:水體和大氣的污染比較直觀，嚴重時通過人的感官即能發(fā)現(xiàn)：而土壤污染則往往要通過農(nóng)作物包括糧食、蔬菜、水果或牧草以及攝食的人或動物的健康狀況才能反映出來，從遭受污染到產(chǎn)生惡果有一個相當長的逐步積累過程，具有隱蔽性或潛伏性。日本的第二公害病——痛痛病60年代發(fā)生于富山縣神通川流域，直至70年代才基本證實是鎘污染土壤所生產(chǎn)的“鎘米”所致。第6頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四（2）不可逆性和長期性:土壤一旦遭到污染后極難恢復(fù)，重金屬元素對土壤的污染是一個不可逆過程，而許多有機化學(xué)物質(zhì)的污染也需要一個比較長的降解時間，例如1966年冬至1977年春，沈陽—撫順污水灌區(qū)發(fā)生的石油、酚類以及后來張土灌區(qū)的鎘污染，造成大面積的土壤毒化、水稻矮化、稻米異味、含鎘量超過食品衛(wèi)生標準。經(jīng)過十余年的艱苦努力，包括施用改良劑、深翻、清灌、客土、選擇品種等各種措施，才逐步恢復(fù)其部分生產(chǎn)力，付出了大量的勞力和代價。1.2

土壤污染的特點第7頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四（3）后果的嚴重性:由于土壤污染的隱蔽性或潛伏性、以及它的不可逆性或長期性，因而往往通過食物鏈危害動物和人體的健康。研究表明，土壤和糧食的污染與一些地區(qū)居民肝腫大之間有著明顯的劑量—反應(yīng)關(guān)系，污灌引起的污染越嚴重，人群的肝腫大串越高。一些土壤污染事故嚴重威脅著糧食生產(chǎn)，三氯乙醛的污染是一個比較典型的事例，它是由于施用含三氯乙醛的廢硫酸生產(chǎn)的普通過磷酸鈣肥料所引起。其中萬畝以上的污染事故在山東、河南、河北、遼子、蘇北、皖北等地曾多次發(fā)生，輕則減產(chǎn)，重則絕收，損失十分慘重。1.2

土壤污染的特點第8頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四土壤污染源可分為天然污染源和人為污染源。天然污染源是指自然界自行向環(huán)境排放有害物質(zhì)或造成有害影響的場所，如正在活動的火山；人為污染源是指人類活動所形成的污染源。后者是土壤污染研究和污染土壤修復(fù)的主要對象，而在這些污染源中，化學(xué)物質(zhì)對土壤的污染是人們最為關(guān)注的。污染物進入土壤的途徑按照所劃分的土壤污染源可分為污水灌溉、固體廢棄物的利用、農(nóng)藥和化肥、大氣沉降物等。1.3

土壤中污染物的來源第9頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四1.3

土壤中污染物的來源大氣沉降(土壤酸化、多環(huán)芳烴和二惡英等)污水排灌（重金屬、多環(huán)芳烴等）化肥農(nóng)藥施用（硝酸鹽、PCB、DDT等）固體廢物堆放處置（各種污染物）工業(yè)生產(chǎn)(石油、多環(huán)芳烴和重金屬污染等)交通運輸（TCE等）全球物質(zhì)循環(huán)第10頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四土壤污染物的來源第11頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四土壤污染的類型目前并無嚴格的劃分，如從污染物的屬性來考慮，一般可分為有機物污染、無機物污染、生物污染和放射性物質(zhì)的污染。（1）有機物污染:石油、有機農(nóng)藥等；（2）無機物污染：重金屬污染等；（3）生物污染：細菌、真菌等；（4）放射性污染：放射性核素等。1.4

土壤污染的類型第12頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四（1）影響人體和生物健康:土壤可以通過食物鏈影響人體健康；（2）影響農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量：植物可從污染土壤中吸收污染物，從而引起代謝失調(diào)，生長發(fā)育受阻或?qū)е逻z傳變異。（3）影響生態(tài)系統(tǒng)安去：通過生態(tài)系統(tǒng)的能量流動和物質(zhì)循環(huán)影響整個生態(tài)系統(tǒng)。1.5

土壤污染的危害第13頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四（1）影響人體和生物健康:土壤可以通過食物鏈影響人體健康；（2）影響農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量：植物可從污染土壤中吸收污染物，從而引起代謝失調(diào)，生長發(fā)育受阻或?qū)е逻z傳變異。（3）影響生態(tài)系統(tǒng)安去：通過生態(tài)系統(tǒng)的能量流動和物質(zhì)循環(huán)影響整個生態(tài)系統(tǒng)。1.5

土壤污染的危害第14頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四2土壤中污染物的生物降解與轉(zhuǎn)化2.1污染物生物降解和轉(zhuǎn)化的特點2.2典型有機污染物的降解2.3重金屬的微生物轉(zhuǎn)化2.5影響微生物降解和轉(zhuǎn)化的因素第15頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四自然環(huán)境中的有機化合物，受到光化學(xué)的、化學(xué)的和生物的作用而降解轉(zhuǎn)化，有時轉(zhuǎn)化很快，如葡萄糖之類易代謝的化合物被加到含大量微生物和豐富O2的環(huán)境中時；有時降解過程非常緩慢，如貯于黑暗、干燥的埃及法老墳?zāi)怪械墓攘?，埋在龐?意大利古城，因附近火山爆發(fā)而被埋)壁畫中的有機色素，以及我國的馬王塔古尸、“樓蘭美女”，都經(jīng)過幾千年而不腐變，是因環(huán)境條件不適合降解之故。研究證明，在土壤中，生物降解是主要的機制，而微生物又在生物降解中占首要地位。2土壤中污染物的生物降解與轉(zhuǎn)化第16頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四2.1

污染物生物降解和轉(zhuǎn)化的特點2.1.1有關(guān)術(shù)語(1)合成化學(xué)品(2)異生素:也稱作外來化合物、生物異源物質(zhì)，指由人工合成，異于生物合成的有機物，一般指農(nóng)藥、醫(yī)藥和化工原料，以及石油烴;(3)抗生物降解物質(zhì):也就是難降解有機物,包括許多異源物質(zhì)和一些天然高分子聚合物,如腐殖質(zhì)和木質(zhì)素等;(4)可生物降解性物質(zhì):糖類、蛋白質(zhì)、脂肪和有機酸等；第17頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四2.1

污染物生物降解和轉(zhuǎn)化的特點(5)持久性物質(zhì):化學(xué)未定性強，難于轉(zhuǎn)化或降解，長期滯留在環(huán)境和生物體內(nèi)，如重金屬、PAHs等；(6)生物轉(zhuǎn)化:在生物酶的作用下,使污染物的形態(tài)、結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，因而使污染物的毒性加強或減弱；(7)生物降解:有機物在生物酶的作用下，經(jīng)過一系列的生物化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為簡單化合物的現(xiàn)象；(8)礦化:也稱終極生物降解,指有機物生物降解為二氧化碳和水的過程;(9)共代謝:不與微生物生長相關(guān)聯(lián)的有機物降解代謝,即微生物只能使有機物發(fā)生轉(zhuǎn)化,而不能利用它們作為碳源和能量維持生長,必須補充其它的基質(zhì)；第18頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四2.1

污染物生物降解和轉(zhuǎn)化的特點2.1.2生物降解和轉(zhuǎn)化的特點(1)反應(yīng)迅速；(2)微生物是主要作用者；(3)生物降解與微生物的生長直接相關(guān)；(4)受環(huán)境因素影響大；(5)生物降解和轉(zhuǎn)化的產(chǎn)物變化大。第19頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四2.2

典型有機污染物的生物降解2.2.1脂烴類的降解特點微生物對脂烴類的降解特點：①很多微生物可以降解脂烴類；②脂烴的生物降解一般都需要氧；③長鏈脂肪烴（C10-C24）比短鏈脂肪烴(<C10)易于降解，小于C10的脂肪烴大部分只能通過共代謝作用降解，大于C24則不容易降解；④鏈烴比環(huán)烴容易降解，直鏈烷烴比直鏈烷烴容易降解；⑤不飽和脂肪烴比飽和脂肪烴容易降解⑥水分低于50％，或pH高于8.5時會抑制生物降解作用。第20頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四2.2

典型有機化合物的生物降解2.2.2脂烴類的降解特點(1)鏈烴的降解：單末端氧化、雙末端氧化、次末端氧化和直接脫氫；(2)環(huán)烷烴的生物降解：第21頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四2.2

典型有機化合物的生物降解(2)單環(huán)芳烴的好氧降解由加氧酶氧化為兒條酚，二羥基化的芳香環(huán)再氧化，鄰位或間位開環(huán)。鄰位開環(huán)生成已二烯二酸，再氧化為β—酮已二酸，后者再氧化為三羧酸循環(huán)的中間產(chǎn)物琥珀酸和CoA。間位開環(huán)生成2—羥已二烯半醛酸，近一步代解生成甲酸、乙酸和丙酮酸。2.2.2芳香烴的降解特點第22頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四2.2

典型有機化合物的生物降解(2)多環(huán)芳烴的降解由雙加氧酶催化，生成順-萘二氫二醇,然后脫氫形成1,2-二羥基萘,再環(huán)氧化裂解,接著去除側(cè)鏈,形成水楊酸;水楊酸進一步轉(zhuǎn)化為兒茶酚或龍膽酸后開環(huán)。2.2.2芳香烴的降解特點第23頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四2.2

典型有機化合物的生物降解多氯聯(lián)苯是人工合成的有機氯化物，作為穩(wěn)定劑，用途很廣(潤滑油、絕緣泊油、增塑劑、熱載體、油漆、油墨等都含有)。PCBs有毒，對皮膚、肝臟、神經(jīng)、骨骼等都有不良影響，且是一種致癌因子。美國環(huán)境保護局(EPA)把它定為環(huán)境污染元兇。1968年日本的“米糠油事件”即是由于食用了污染PCBs的米糠油而引起的。PCBs性質(zhì)極穩(wěn)定，在環(huán)境中很難分解。但是，目前也已經(jīng)發(fā)現(xiàn)很多微生物可以降解PCBs。2.2.3多氯聯(lián)苯的降解特點第24頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四富集外源性化合物降解菌的一般方法第25頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四2.2

典型有機化合物的生物降解2.2.4典型農(nóng)藥的降解特點DDT的共代謝DDT第26頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四2.3

重金屬的微生物轉(zhuǎn)化當今人們主要關(guān)心的是：汞、砷、鉛、錫、銻、銅、鎘、鉻、鎳和釩。它們以空氣、水和土壤的污染物以及食品殘渣之類各種各樣的化學(xué)形態(tài)存在于環(huán)境中。

金屬在一定濃度時對微生物有毒害作用。重金屬在很低濃度時，對大多數(shù)微生物即有明顯毒性。金屬對微生物的毒性強度固然與其濃度有關(guān)，但更取決于其存在狀態(tài)。例如，六價鉻比三價鉻毒得多；在各種汞化物中，甲基汞的毒性最強；有機錫比無機錫毒，烷基錫比芳基錫毒，三烷基錫比四烷基錫更毒。第27頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四汞的生物循環(huán)第28頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四砷的生物循環(huán)第29頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四2.4

影響微生物降解和轉(zhuǎn)化的因素（1）微生物活性：這是最重要的影響因素，包括微生物的種類和生長速率等方面。不同種類微生物對同一有機底物或有毒金屬反應(yīng)不同。第30頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四2.4

影響微生物降解和轉(zhuǎn)化的因素（2）化合物的結(jié)構(gòu)：通常，結(jié)構(gòu)簡單的較復(fù)雜的易降解，分子量小的較分子量大的易降解，聚合物和復(fù)合物抗生物降解。碳原子上的氫都被烷基或芳基取代時，會形成生物阻抗物質(zhì)。第31頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四2.4

影響微生物降解和轉(zhuǎn)化的因素（3）溫度；（4）營養(yǎng)；（5）酸堿度；（6）氧；（7）底物濃度；（8）適應(yīng)馴化。第32頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四3污染土壤修復(fù)現(xiàn)場的調(diào)查與評價開展生物修復(fù)之前需要對修復(fù)現(xiàn)場進行調(diào)查評價，確定生物修復(fù)的適應(yīng)性。主要指標包括：污染物的性質(zhì)；污染物的濃度和分布；現(xiàn)場的微生物活性；現(xiàn)場的水力條件；現(xiàn)場的氧化還原電位；土壤和水的特性；養(yǎng)分的有效性等?，F(xiàn)場評估必須回答這些問題，獲得足夠的數(shù)據(jù)，便于工程設(shè)計。3.1現(xiàn)場調(diào)查3.2生物過程評價1.3原位生物修復(fù)評價1.4過程控制評價第33頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四3.1

現(xiàn)場調(diào)查（1）污染物的性質(zhì)；（2）污染物的濃度與分布；（3）地下水的水文概況；（4）地質(zhì)概況。

了解現(xiàn)場特性的目的一是收集使土壤修復(fù)過程最優(yōu)化的信息，二是收集控制環(huán)境條件使之維持最佳條件的信息。因此，第一階段是收集有關(guān)修復(fù)原理的數(shù)據(jù)，第二階段是收集有關(guān)工程設(shè)計和過程控制等數(shù)據(jù)。第34頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四3.2

生物過程評價（1）微生物可利用的碳源和能源；（2）可利用的受體和氧化還原條件；（3）現(xiàn)有的微生物活性和可能的毒性；（4）營養(yǎng)物的有效性；（5）現(xiàn)場環(huán)境條件。第35頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四3.3

原位修復(fù)評價（1）了解污染物的類型和所在位置；（2）了解亞表層的地質(zhì)和水文條件；（3）污染區(qū)的水文隔離；（4）最低傳質(zhì)可能的位置；（5）設(shè)計亞表層注入或抽取的系統(tǒng)；（6）預(yù)測化學(xué)品注入后的土壤化學(xué)反應(yīng)；（7）建立過程控制的亞表層監(jiān)測系統(tǒng)。第36頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四3.4

過程控制評價（1）流體的流向；（2）流速；（3）污染物遷移時間；（4）養(yǎng)分遷移；（5）捕獲百分率；（6）評價含水層導(dǎo)水率變化；（7）確定運行中注入或回收速率。第37頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四4污染土壤修復(fù)的可處理性研究所謂污染土壤修復(fù)的可處理性研究，是指在實際工程建設(shè)之前，進行的小試和中試實驗研究，通過可處理性研究為土壤修復(fù)工程設(shè)計提出標準、費用和運行方案等。目的是節(jié)省修復(fù)項目建設(shè)工程的投資，一個造價千萬美元的土壤修復(fù)工程一般可處理性研究費用為5－20萬美元，可以節(jié)省100萬美元的工程建設(shè)費用。4.1可處理性研究的目標4.2實驗設(shè)計與實施第38頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四準備調(diào)查

現(xiàn)場調(diào)查

詳細調(diào)查

分析評價

方法選定

施工管理

計劃完成第39頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四4.1

可處理性研究的目標（1）評價整個過程的可行性；（2）確定修復(fù)可以達到的濃度；（3）確定處理過程的設(shè)計標準；（4）估算處理過程的設(shè)備和運行費用；（5）決定控制參數(shù)和最優(yōu)化實施的限制條件；（6）評價物料供應(yīng)處理技術(shù)與設(shè)備；（7）證實現(xiàn)場運行情況和污染物的最終歸趨；（8）評價處理過程中存在的問題；（9）提供修復(fù)工程連續(xù)運行的最優(yōu)化方法。第40頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四4.2

實驗設(shè)計與實施在確的研究目的之前，需要促使可處理性研究開展的外部因素。這些因素包括：（1）管理部門的目的；（2）客戶的要求；（3）污染物的危害程度；（4）污染地點的敏感性；（5）污染地點的政治敏感性；（6）時間計劃的靈活程度；（7）項目預(yù)算的靈活程度。第41頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四4.2

實驗設(shè)計與實施4.2.1設(shè)計的基礎(chǔ)（1）如何完成、量化和記錄可處理性研究；（2）確定使用標準方案還是專門方案；（3）確定開展室內(nèi)研究還是進行室外模擬；（4）確定實驗方案和數(shù)據(jù)分析的質(zhì)量控制水平；（5）確定使用的分析方法。第42頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四4.2

實驗設(shè)計與實施4.2.2方案制定與實施可處理性研究分為三個階段，第一個階段是修復(fù)方法的篩選；第二個階段是修復(fù)方法的挑選；第三個階段是修復(fù)方法調(diào)查和可行性研究計劃進行（中試）。一個可處理研究計劃可以看作是一套分別進行的單項組合，這些項目是：（1）土著微生物對靶標污染物的降解轉(zhuǎn)化能力；（2）接種微生物的強化降解能力；（3）環(huán)境參數(shù)的最佳適宜范圍；（4）添加基質(zhì)和電子受體的需求效果；（5）添加基質(zhì)的充足和缺乏的循環(huán)過程；（6）是否需要補充電子供體;第43頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四4.2

實驗設(shè)計與實施4.2.2方案制定與實施（7）修復(fù)項目的預(yù)期時間;（8）不同條件下污染物的降解速率；（9）處理可達到的水平；（10）土水系統(tǒng)可能發(fā)生的反應(yīng)和阻塞；（11）由于混合、表面活性劑和中間產(chǎn)物的積累而造成的毒性變化；（12）污染物的揮發(fā)程度;（13）不同優(yōu)化措施下的費用-效益;（14）控制過程的監(jiān)測頻率；（15）運行限制條件。第44頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四5污染土壤修復(fù)技術(shù)及原理1.1污染土壤修復(fù)技術(shù)體系1.2典型修復(fù)技術(shù)及原理第45頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四5.1

污染土壤修復(fù)技術(shù)體系5.1.1按修復(fù)場地分類（1）原位（insitu）修復(fù)：污染土壤氣體提取法(SVE)；井中汽提法（In-wellVaporStripping）；生物通氣；空氣攪動法（AirSparging）原位沖洗、淋洗；加熱方法；處理墻方法；原位穩(wěn)定—固化方法；電動力學(xué)方法；原位微生物修復(fù)方法；植物－微生物聯(lián)合修復(fù)方法等。第46頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四5.1

污染土壤修復(fù)技術(shù)體系5.1.1按修復(fù)場地分類（2）異位（exsitu）修復(fù)：氣提法；泥漿反應(yīng)器修復(fù)；土壤耕作法；土壤堆腐；焚燒法；客土法；預(yù)制床；淋洗/萃?。涣芟矗锓磻?yīng)器聯(lián)合修復(fù)；第47頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四5.1

污染土壤修復(fù)技術(shù)體系5.1.2按照技術(shù)類別分類（1）物理化學(xué)修復(fù)：加熱方法；穩(wěn)定固化法；淋洗；萃取；電動力學(xué)等（2）生物修復(fù)：微生物修復(fù)；生物通氣、泥漿反應(yīng)器、預(yù)制床等植物修復(fù)；濕地修復(fù)；菌根修復(fù)等；植物－微生物聯(lián)合修復(fù)；菌根菌劑聯(lián)合修復(fù)等；（3）物理化學(xué)－生物聯(lián)合修復(fù)：淋洗－反應(yīng)器聯(lián)合修復(fù)等。第48頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四污染土壤修復(fù)工作流程可處理計劃系統(tǒng)分析應(yīng)急對策長期對策凈化處理穩(wěn)定處理原位修復(fù)異位修復(fù)原位分解原位提取分離分解凈化原位穩(wěn)定異位穩(wěn)定5.2

典型修復(fù)技術(shù)的流程及原理第49頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四修復(fù)技術(shù)類第50頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四5.2

典型修復(fù)技術(shù)的流程及原理5.2.1原位修復(fù)技術(shù)（1）原位生物修復(fù)一般流程：生物修復(fù)原位處理方式示意圖第51頁，共65頁，2023年，2月20日，星期四5.2

典型修復(fù)技術(shù)的流程及原理5.2.1原位修復(fù)技術(shù)（2）生物通風(fēng)技術(shù)一般流程：