第八章 环境修复材料

第八章 环境修复材料
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环境修复是指对已污染或破坏的环境进行包括
生态方面的多种技术处理与治理，以恢复被污染
和破坏的生态环境。 常见的修复材料与技术包括：用不同种类的 植物、不同种类的非金属矿物等材料进行修复及 其有关的技术等。
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8.1
8.1.1
植物对环境的修复作用
类型、特点与机理 植物修复就是把某些对污染物具有承耐力和高
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转基因植物修复 利用生物工程的方法将某种基因转移到一种植物体中, 使该植物具有植入基因所带的所有性质, 如此便得到转基 因植物。 例如，将细菌有机汞裂解酶基因B转移到一种植物体 中，可使植物能吸收甲基汞（神经毒性）。
化学式，X 是任何形式的离子
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（4）植物挥发 植物将污染物吸收到体内后并将 其转化为气态物质从植物表面组织空 隙中释放到大气中的一种植物修复方 法。如桉树降解三氯乙烯(TCE)、甲基 叔丁基醚(MTBE)，印度芥菜降解硒化 合物；烟草挥发甲基汞。
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非金属矿物在环境科学中的应用主要表现在： 去除污水中、土壤中重金属离子等无机阳离子；
去除污水中苯类、胺类、酚类等有机物；
作为一种屏障材料铺设在储库底部(如垃圾场或排 污渠底部)，防止污染物质进一步污染地下水； 用于处理核废料； 制成粒状物作为过滤器的主要物质，以清除水体中
不同细菌或减少COD，或用于制作除硫剂、宠物垫土等。
固体物质含量（SS）: 水中固体物质包括悬浮固体和溶解性固体两大类。悬浮固
体也称悬浮物质或悬浮物，是指悬浮于水中的固体物质，是反映水中固体物质含量 的一个常用的重要水质指标，常用SS表示，单位：mg/L。
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表示水质污染度的重要指标:COD和BOD
COD:化学需氧量又称化学耗氧量(chemical oxygen demand），简称COD。是利用化学氧化剂（如高锰酸钾）将 水中可氧化物质（如有机物、亚硝酸盐、亚铁盐、硫化物等） 氧化分解，然后根据残留的氧化剂的量计算出氧的消耗量。 COD的单位为ppm或毫克／升，其值越小，说明水质污染程 度越轻。 BOD:（Biochemical Oxygen Demand的简写）生化需氧量或 生化耗氧量(五日化学需氧量)，表示水中有机物等需氧污染 物质含量的一个综合指示。说明水中有机物由于微生物的生 化作用进行氧化分解，使之无机化或气体化时所消耗水中溶 解氧的总数量。
白杨
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(6) 植物-微生物复合作用 这主要是由两者相互影响、共 同作用来降解或转化吸收污染物质。 植物中超过20%的营养成分如糖分、氨基酸、有机酸等 都聚集在根部, 因此会生长很多微生物。 植物的根系分泌物与分解物是微生物的营养源，同时微 生物的活动也促进了根系分泌物的释放，进而影响到污染物 质的修复。 一些微生物可以同植物相结合促进重金属的降解, 也可 以矿化某些有机污染物如多环芳烃(PAHs)和多氯联苯(PCBs)。
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8.2.2
主要吸附机理
(1) 离子交换吸附机理 (2) 配合作用机理 硅酸盐颗粒表面羟基基团(SiOH), 以及像磷灰石 这样的矿物，其表面常合大量(POH)和(CaOH)键，从
而对Pb、Zn、Cd、Hg等重金属离子同样有配合作用。
26百度文库
(3) 改性作用机理 天然粘土矿物存在亲水性无机阳离子，使 粘土矿物表面常存在着一层薄的水膜，因而不能 有效去除诸如酚、苯、胺类等有机物质。
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(3) 植物转化与吸收
通过植物的根系作用和自身的新陈代谢来转化或降解 污染物，使其无毒化的过程。如具有毒性的Cr(Ⅵ)被凤眼 蓝侧根吸收后转化为无毒的Cr(Ⅲ), 之后缓慢地转移到植 物的其他部位。 植物的根、茎、叶吸收或降解污染物主要是： 有机污染物如多环芳烃（PAHs）、多氯化联二苯（PCBs）, 无机污染物如氮氧化物、硫氧化物。 判断这些污染物能否进入植物体内的指标是该物质在 辛醇—水中的分配系数( logK )。logK 在1～3.5 之间的 物质可以被植物吸收降解。
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8.1.2 植物在水、土壤环境污染中的应用
• 植物在水环境污染中的应用
(1)无机营养元素如氮,磷等去除
种植莲藕,水稻既可以去除氮,磷, 又有很好的经济价
值; 被制成浮床的大椿草,水芹,水荣草,多花黑麦草等对 去除水体中的氮,磷和抑制藻类滋生均有明显的作用.这些 植物发达的根系及与根系共生或混生的微生物往往共同对
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黑麦草
(3)重金属去除 植物种苗对水中重金属的去除作用比植 物根的去除作用更强,利用植物种苗去除水 中重金属被称为种苗过滤,是修复含重金属 废水发展的新方向.渠荣遴等人研究了玉米, 豌豆,蓖麻和向日葵等作物对水体中 Zn,Pb,Cu的去除作用,结果表明:蓖麻种苗 对Zn的积累高达30.0m g/g; 向日葵种苗对 Pb的积累高91.6mg/g
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8.2
非金属矿物对环境的修复作用
8.2.1 非金属矿物的类型与应用 大多数的金属元素进入环境，都会对环境造成危害。人 们在解决环境污染问题时, 另一个途径就是，试图寻找非金 属矿物来去除环境的污染元素、以达到净化环境的目的。
粘土矿物
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粘土结构：层间有平衡负电荷的水合阳离子，具有良好 的离子交换性能和分子吸附特征。
积累特性的植物种植于污染区，利用植物自身的生 长代谢或与其根系微生物共同作用，将环境中的污
染物质吸收固定或消除，并在适当的时间对植物进
行收割处理，使污染的环境恢复达到原初状态的一 种原位污染治理技术。
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水葫芦对富营养化水体的吸附作用： 水葫芦也称风眼莲，是治理水体富营养化
常用的材料。由于水葫芦对水中N、P有很 强的吸附作用，能够去除水中多余的N、P， 净化水体，因此是人类普遍采用的经济有 效的净化材料。不仅能去除水中的N、P， 水葫芦与人工湿地系统相结合，可以去除 工业废水中大量污染物，使BOD、COD及SS 的含量降低。去除效果极好
栎树
松,檀木及栎属植物都能有效地降解除草剂灭草松.
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(2)植物修复土壤中重金属污染 植物修复主要是选用超富集植物通过根系吸收固定这些 重金属, 并转移到地面部分, 可采用收割的方式去除土壤 中重金属. 宝山堇菜是一种Cd超富集植物, 它不仅可以超量吸收
Cd,而且可以从地下向地上部位有效输送.
蜈蚣草不仅有较强的耐受和富集Sn的 能力, 同时也具有较强的耐Pb,Zn的能力,
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豌豆种苗
植物在土壤污染中的应用:
(1)植物修复有机污染物 植物修复有机污染物的方式主要以植物固定,植物降解
为主.
• 紫花苜蓿, 黑麦草, 小蓝茎草已成功地用于土壤中PAHs 的修复,在6个月内可以将PAHs总量降低57%;
银合欢
•
• •
银合欢可以吸收和代谢二溴甲烷,三氯乙烯;
转基因胡萝卜根须中聚集的苯酚浓度可达1000mmol/L, 氯酚50mmol/L,在120h内可降解90% 以上的苯酚类化合物; 植物还能降解杀虫剂和除草剂,桑科植物及蔷薇科植物 的根系分泌物能促进PCB降解菌的生长. 柳树,鹅掌揪,落羽
红树林湿地在水体净化中
的作用 红树林是我国南方 常见的树种，也是一种常见的 水体净化生物。其根部生长在 水中，对水中的N、P有很强的
吸附作用。红树林湿地N、P含
量低, 长期以来被当作处理污 水和工业废水的方便场所。
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植物在利用辅助条件或自身因素固定或去除污染物的同时， 也保护和美化着生态环境。 从高梁和芥菜的根分泌物中鉴定出有草酸和酒石酸存在， 此外，在芥菜根分泌物中还检出苹果酸和柠檬酸。由此可将这 些植物生长在碱性环境的土壤中，如高梁和芥菜能在碱性土壤 中生长良好，是由于根系的分泌酸作用而使根区微环境土壤pH
均具有净化效果。 植物在去除土壤污染物时, 也带来了丰富的有机质和根的 分泌物，从而刺激根区微生物的繁殖生长，改变土壤结构， 提高土壤肥力，为修复其他植物的生存创造了条件。 这些植物在提供食品、纤维原料，建筑材料等的同时还可 起到防风固沙，保持水土，美化环境的作用。
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植物修复虽有诸多的优点，但也存在着不足:
堇菜
具有生长速度快和生物量大的特点, 通
过改善植物生长条件等措施可以大幅度 提高其富集能力, 是有潜力的Zn,Cd污染 土壤的修复植物.
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蜈蚣草
8.1.3 植物修复的优缺点
植物修复相对于其他物理的、化学的、生物的原地或易 地污染治理方法具有明显的优点： 它投资少，简单易行，基本上无二次污染，且对整个环境
水环境起着净化作用.
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(2)有机污染物如农药,杀虫剂,多环芳烃PAHs,炸药等去除
利用某些植物降解,矿化污染物为毒性弱的小分子,具有无 机物的特性, 修复受污染的水体.
水葫芦可以去除水体中的有机磷农药,染料,酚,多环芳烃等
有机污染物; 浮萍,伊乐藻对杀虫剂DDT降解有明显的作用, 金鱼藻,伊乐藻 或浮萍可以显著降低地表水中异丙甲草胺浓度 ; 长春花可用于修复受炸药TNT 污染的地表水;龙葵能有效地降 解PCBs.
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（2）植物提取 即某些植物直接从环境中吸收污染物质（重金属或 有机污染物）并贮存于各组织中。 大多数的污染物质均是由根部吸收的，这些植物一 般指那些能累积超过叶子干重1.0%的Mn，或者0.1%的Co、 Cu、Pb、Ni、Zn，或者0.01%的Cd的植物。 而对于大气中的气态污染物或粉尘污染物，则可以 通过植物叶面的气孔吸收，经细胞间隙抵达导管，而后 运输到其他部位。
长春花
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龙葵
(3)重金属去除 植物通过根系吸收,浓缩和沉 淀水体中有毒有害重金属是非常具 有吸引力的一种含重金属废水的处 理方法, 是目前研究的热点问题. 用于修复水体污染物的植物大 多是沉水和水面漂浮植物。 如绿藻对Cd,Hg,Cu,Pb 的去除率 可达80%-90%; 黑麦草对黄金废水不仅有很强的 净化能力, 而且也具有很高的富集 功能, 其根部的含金量最高可达 784 g/t (干重).
桉树
从植物茎叶挥发出的物质可能被空 气中的活性羟基分解。如有毒的Hg2+ 经植物挥发后变成了低毒的Hg，高毒 的硒变成了低毒的硒化物气体等。
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（5）挥发转移 植物通过叶表孔隙挥发水分的形式转移在水系 中的污染物.如白杨,桉树,河香柏等树木具有很深 的根系, 每天可以蒸腾大量的水, 将水中某些污 染物转移至植物体内.
为了去除环境中的有机物，通过一定的改
性方法，使有机阳离子进入非金属矿物中，置换 出其中的阳离子而形成有机粘土矿物。 有机粘土矿物也可以吸附无机阳离子，但由 于有机粘土矿物表面的憎水性，一般认为，其主
要用途是去除水、土壤中有机物质.
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Journal of Colloid and Interface Science Volume 354, Issue 1, 1 February 2011, Pages 292–305
1 特定的植物只能生长在一定的气候、土壤条件下,且植物对 污染物的吸收具有选择性。 2 植物只能生活在污染物浓度在其耐受能力以下的环境中， 超过耐受能力，就会受到毒害，影响修复效果。为了达到良好 的修复效果，一般要选择生物量大，生长周期短，对重金属等 污染物质累积的部位易于收割处理的植物。这些均使超积累植 物的选择受到限制。 3 植物修复一般需要较长的时间, 且需多次修复才能达到最 佳效果。在污染物的最终处理上，一般是对植物进行焚烧处理， 污染物的灰化成分中, 含量高的组分可回收利用，低的填埋处 理，但是如果处理不当，也会造成二次污染。
值降低，并形成缓冲系而避免了碱对植物的危害。 种植积聚钠、钾的植物，在它们生长的晚期，将它们从种 植的土地上移走，这样就可降低种植区盐碱化土壤中含盐量。
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植物修复可广泛应用于土壤、大气和水污染的治理。根据其 作用机理，可将其分为以下几个类型。 (1) 植物固化 在植物的根区, 存在着能促进氧化、还原和固定金属的生 化物质，同时根结构中亦存在着束缚膜蛋白质，这将在根系统 中吸附并稳定重金属，从而减少土壤中重金属的流动性，阻止 其向深层土壤或地下水中扩散, 但并不为植物利用, 即根系对 污染物起固定作用。
The classic model of arrangement of alkylammonium ions
Variation of basal spacings of alkylammonium montmorillonites as a function of chain length