土壤汞污染及其治理措施的研究综述

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DOM 的形成也是影响土壤对 Hg2+吸附量的主要因 素之 一。许多研究表明土壤中无机胶体吸附有机汞, 而有机质则 吸无机汞化合物。Andersson[5]认 为 在 酸 性 土 壤 中 ( pH<4.5) , 吸附无机汞离子的有效物质是有机质, 而在中性土壤中铁氧 化物和粘土矿物的作用则更显著。到达一定的 pH 以后, 如 果继续提高土 壤的 pH 值, 将导致土壤 对 Hg2+的吸附量少, 但 是 减 少 的 程 度 要 小 于 未 去 除 有 机 质 处 理 的 变 化 量 。pH=4 ̄ 10 时, Hg2+的吸附量随着 pH 的上 升而减少, 这很好的 证 明 了有机质能减少 Hg2+的吸附, 并且随着 pH 升 高, 作用减弱。 DOM 对吸附量的影响也依赖于土壤中 Hg 的含量, 在较低的 Hg 浓度下, 大量的 Hg 可能被 DOM 结合, 呈有机态。Hg 含量 提高会导致土壤固体吸附土壤中无机态 Hg2+的有效性提高, 由 DOM 引起的吸附量则相应减少。
土壤对重金属离子的吸附除了决定于土壤的本身性质 外, 还受环境因素的影响。罗志刚等[9]在研究红壤吸附汞的特 征时考察了温度对吸 附量的影响作用, 认 为温度低于 25℃ 时, 吸附量随温度升高而减少, 说明土壤对汞的吸附是一个 放 热 过 程 , 因 而 升 高 温 度 对 解 吸 有 利 ; 当 温 度 高 于 25℃时 , 升高温度而吸附量不再减少, 这是因为土壤对汞的吸附℃还有 进一步的研究。
一般具 有 强 亲 和 力 的 基 团 能 与 Hg2+形 成 高 溶 解 度 的 化 合物, 从而提高汞化合物的溶解度。有研究表明, Hg2+对 Cl- 、 OH- 、NH3、F- 、SO42- 、NO3- 有较高的稳定常数, 但 F- 、SO42- 、NO3 在自然状况下浓度较低, 虽然 Cl- 、OH- 在多数自然体系有较 高的浓度和稳定常数, 但 只 有 在 土 壤 中 Hg2+>107μg·g- 1 时 , 才 会 形 成 Hg(OH)2, 而 Cl- 对 Hg 而言是最易移动和最常见的 结合试剂, Cl- 对 Hg2+有很强的亲和力 , 因此, Cl- 也是影响土 壤 Hg2+吸附的一个重要因子。 2.4 土壤 Eh 的影响
研究与探讨
能源与环境
IS S N1672- 9064 CN35- 1272/TK
土壤汞污染及其治理措施的研究综述
杨燕娜 温小乐 ( 福州大学环境资源学院 福建福州 350002)
摘要: 影响汞在土壤环境中存在形态与迁移转化的因素主要有 pH 值、有机质、氧化还原电位、温度等, 对当前土壤汞污染的
治理措施进行总结。
土壤氧化还原电位 Eh 也是影响重金属元素行为的关键
因 子[7]。土 壤 中 重 金 属 的 形 态 、化 合 价 和 离 子 浓 度 都 会 随 土 壤 氧化还原状况的变化而变化。进入土壤环境中的重金属, 开 始可能以可溶态存在于土壤溶液中, 在还原条件下, S2- 可使 重金属以难溶硫化物的形式沉积, 或者使难溶的重金属氢氧 化物转化为更难溶的硫化物; 相反, 在氧化条件下, 铁离子和 锰离子则以氧化难溶物的形式沉积。
作者简介: 杨燕娜( 1982 ̄) , 女, 硕士研究生, 研究方向为环境污染生物修复研究。
2006.NO.3. 9
能源与环境
IS S N1672- 9064 CN35- 1272/TK
研究与探讨
2.2 有机质的影响 最近的研究表明, 土壤可溶性的有机质( DOM) 比固相有
机质具有更多的活性点位, 是土壤生态系统中一种重要的活 性 组分, 能够充当污染 物的“配位体”和“迁移载 体 ”, 使 有 机 和无机污 染物的水溶性和迁移 性提高[4]。土壤 DOM 含有大 量的功能基因, 可以与土壤中的重金属通过络合和螯合作 用, 形成有机- 金属配合物, 提高重金属的可溶性, 同时, DOM 可以 通 过 与 土 壤 、水 体 和 沉 积 物 中 金 属 离 子 、氧 化 物 、 矿物和有机物之间的离子交换、吸附、氧化还原等反应, 改变 重金属活性, 迁移规律、生物毒性及空间分布。
土壤中存在的无机化合态汞有 HgS、HgCI2、HgCI42- 、Hg- CO3、HgHCO3- 、HgNO3+、Hg (NO3)2、HgSO4、HgO 和 HgHPO4 等, 它们因土壤类型不同而各有所差异。盐碱土中, 无机化合态 汞主要 以 HgCI2、HgDI42- 等 形 式 为 主 ; 在 含 有 硫 酸 盐 的 土 壤 中 , 则 以 HgS、HgSO4 等 形 式 为 主 ; 在 肥 沃 的 水 稻 土 中 , 以 HgNO3+、Hg(NO3)2、HgHPO4 等形态为主。在无机化合态汞中, 并不是所有赋存形态对生物体都有效。例如: HgCI2、HgCI42- 是植物易吸收利用 的汞化合物, 但是 HgS 则 是一种难以被 植物吸收利用的无机化合物。盐碱土一旦受到汞污染, 危害
调节土壤酸碱度、增施 有机肥 、加 入 硫 化 钠 等 都 可 以 使 土壤中的汞以难被作物吸收的形态存在, 从而减轻汞对作物 的危害, 这些方法可称为固汞法[10]。土壤中可给态汞可 以被 作物吸收利用, 而固定态汞则不能被作物吸收, 但两者在一 定条件下可互相转化, 因此可以对土壤中可给态汞含量进行 调节和控制, 使其转化成难溶性的汞化合物, 固定于土壤中 而不易被作物吸收。通常的调节方法是增加抑制剂, 如有机 肥料、过 磷 酸 钙 和 碳 酸 钙[11、12]。Meng 等[13]报 道 了 用 旧 轮 胎 橡
性比酸性土壤更大, 因 为其中的 HgCI2、HgCI42- 对生物具 有 高度的有效性。
土 壤 中 存 在 的 有 机 化 合 态 汞 包 括 CH3HgS- 、CH3HgCN、 CH3HgSO3、CH3HgNH3+和腐殖 质结合汞等, 其中以腐 殖质结 合汞最为重要。土壤中有机化合态汞通常只占总汞的 2%。在 各种有机化合态汞中, 以甲基形式存在的汞的生物有效性较 高, 毒性较大, 易被植物吸收并通过食物链在生物体内逐级 富集, 易对生物和人体健康造成危害; 而腐殖质结合汞的生 物有效性较低, 不易被作物吸收, 而且毒性也较低。
土壤中汞的存在形态 分为 3 大 类 : 金 属 汞 、无 机 化 合 态 汞和有机化合态汞, 其生物有效性差异很大。
土壤中的金属汞一部分是由化合态汞经过氧化还原反 应转化而来的, 一部分是直接来自金属汞挥发的大气沉降。 金属汞仅占不到土壤总汞的 1%, 但是它对生物体是高度有 效的。不仅能被植物叶片吸收, 而且能被植物根系直接吸收 利用。
关键词: 土壤 汞污染 修复
中图分类号: X53
文献标识码: A
文章编号: 1672- 9064( 2006) 03- 0009- 03
汞是常温下唯一呈液态的重金属元素, 同时具有较高的 蒸汽压, 对环境及人体健康极具危害, 它被各国政府以及 UNEP、WHO 和 FAO 等 国 际 组 织 列 为 优 先控制的环 境污染 物, 一直受到人们的关注和重视[1]。因 此, 研究汞及其化合 物 在环境中的行为、效应及其控制是当今环境化学的重要课 题。本文综合介绍了汞在土壤环境中的吸咐转化行为, 以及 汞污染土壤的修复技术。
3 土壤汞污染的治理措施
目前, 治理土壤重金属汞污染的途径主要有两种: 一种 是改变重金属在土壤中的存在形态, 使其固定, 降低其在环 境中的迁移性和生物可利用性; 另一种是从土壤中去除重金 属 。常 用 方 法 有 客 土 法 、施 用 改 良 剂 法 、水 洗 法 、热 解 析 法 、生 物修复法。 3.1 客土法
腐殖质是土壤中常见的有机质, 它通过非生物作用 ( Hg2+和 Hg0) 的非生物 还原和 Hg2+的非生物甲 基化) 和与 Hg 形成的大量稳定化合物而影响 Hg 在环境中的化学行为。土 壤中 1/3 的腐殖质用于离子交换, 2/3 形成金属化合物, 土壤 中汞的形态也依赖于腐殖质的特性。Hg 和腐殖酸有很强的 结合力, 可能是腐殖酸中含的硫蛋白与汞结合牢固, 不能被 其它金属离子移动。有机态汞与腐殖酸有很好的相关关系, 而残渣态的 Hg 含量随腐殖酸含量提高而下降。经过 Y 射线 照射处理的土壤中残 渣态 Hg 比未经照射的 多, 在腐殖酸的 低处理中的残留 Hg 多于腐殖 酸的高处理, 这个结果 表明微 生物通过影响腐殖酸的活性从而影响土壤 Hg 的吸附[6]。 2.3 氯离子的影响
例如, 在富氧状态下, 会出现 Hg0 被氧化成 Hg2+的过 程。 Hg2+与 S2- 相遇, 便迅速结合成 HgS。由于土壤中硫酸盐还原 菌的存在, 这样就促进了 Hg2+形成 HgS 能力。有时, Hg2+甚至 可以夺取 FeS 或者 CaS 中的 S2- 生 成 HgS。但是 HgS 也可以 和过 量的 S2- 发生作用, 生成 可 溶 性 的 HgS22- , 也 可 以 缓 慢 氧 化成 HgSO3 和进一步氧化成 HgSO4, 使 HgS 也能转化迁移[8]。 总之, 由于氧化还原作用的结果, 使得重金属在土壤中以不 同的价态存在, 而价态不同, 其活性与毒性也不同。 2.5 温度的影响
1 土壤中汞的主要来源及危害
我国土壤中汞的几何平均值为 0.04mg/kg, 含量范围为 0.001 ̄45.9mg/kg, 高于世界土壤中汞的自然含量的平均值。 汞的天然释放是土壤中汞的重要来源, 而人为污染主要来自 工业和农业污染。其中农业污染大部分是有机汞农药所致; 工 业污染是由于含汞废 水、废气、废渣的排放 而污 染 土 壤 所 致。用含汞废水灌溉农田, 含汞废气沉降到土壤, 含汞废渣淋 溶, 都会使土壤含汞量增加而造成土壤的汞污染。
客土法是指在被污染的土壤表面覆盖上大量的未被污染 的干净土壤, 使汞浓度降低到临界限度以下。这种方法是治理 土壤重金属严重污染的切实有效的方法。在一般情况下, 覆盖 土厚度越大, 降低作物中重金属含量的效果越显著。不足之处 是需花费大量的人力与财力, 因此, 只适用小面积严重污染土 壤的治理。 3.2 固汞法
2 影响土壤中汞存在形态的主要因素
2.1 pH 值的影响 pH 值是影响重金属汞有效性的最重要因素, 因为它不
仅影响重金属汞在土壤溶液中的形态, 而且通过影响土壤颗 粒表面交换性能而影响其有效性。在酸性条件下, 土壤对 Hg2+的吸附量较大。在 pH=3 ̄5 时, 随着 pH 的升高, Hg 的氢 氧化物形式的浓度也呈指数提高, 同时, 由于汞的氢氧化物 形式比 Hg- CI 形式更易被吸附, 因 此, 土壤中 Hg2+的 吸 附 量 提高。但 pH 值超过 5 继续升高时, Hg2+的吸附量却会降低, 这是因为当达到 一 定 的 pH 以 后 , pH 继 续 升 高 , OH 浓 度 也 增加, 使得 Hg(OH)CI 的活性比 Hg(OH)2 活性更高, 同时土壤 中的矿物高岭石、斑脱石、含水铁氧化物、二氧化硅吸附 Hg2+ 的量也降低, 因此, 土壤中 Hg2+的吸付量也随之降低。然而, 由 于 土 壤 的 组 成 不 同 , 在 较 高 的 pH 条 件 下 , 对 土 壤 吸 附 Hg2+起重要作用的因子可能是可溶性的有机质( DOM) 。当除 去 DOM 时, 出现土壤 Hg2+的最大 吸附量的 pH 不同, 如粘 土 矿物、含水铁氧化物、高岭石等, 粘土矿物对 Hg2+的吸附量在 pH=8 ̄9 时, 随着 pH 的上升而上升, 因此粘土矿物含量高的 土 壤 对 Hg2+的 最 大 吸 附 量 可 能 发 生 在 较 高 范 围 的 pH; 而 Fe2O3·nH2O 对 Hg2+的 吸 附 量 在 pH=6.2 ̄8.5 范 围 内 也 随 着 pH 的升高而增大, 由此可能导致一些含铁氧化物的土壤对 Hg2+的最大吸附量的 pH 值较高[3]。
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