1、環境工程設計題目： 砷污染土地的植物修復設計姓名： 張廈 班級： 環境0902學號： 200948270201 指導教師： 李立平2012年12月9日1背景1.1 砷污染現狀 砷是自然界普遍存在的元素。在正常情況下,砷處于自然循環的平衡之中,由于人類普遍利用砷,造成了砷在環境中的積累,從而危害動植物,甚至威脅到人類的健康,這種狀況就是通常所說的砷污染。在廣西、云南、湖南等一些受到重金屬污染區的土地上，原本正常生長的農作物會被超標的重金屬毒死，人們難覓蔬菜和糧食的蹤影。因礦產資源采掘不當而使廢棄采礦地大量裸露，并通過水流等途徑污染農田，造成土壤中的重金屬含量嚴重超標，直接影響到農作物的產量和品質

2、，威脅人類健康。1.2 土壤砷污染治理現狀世界上曾發生多次砷中毒事件,因此含砷化合物污染和防治已日益引起人們的普遍關注近20年來,隨著植物修復技術不斷發展,植物修復技術已被廣泛地應用于重金屬污染土壤的修復。植物修復方法主要有植物穩定，植物提取，植物揮發。植物揮發其機理是利用植物根系吸收金屬，將其轉化為氣態物質揮發到大氣中，以降低土壤污染。植物固定利用耐重金屬植物或超累積植物降低重金屬的活性，從而減少重金屬被淋洗到地下水或通過空氣擴散進一步污染環境的可能性。植物提取 (Phytoextraction)是目前研究最多，最有發展前景的方法。通過利用超富集植物根系吸收污染土壤中的砷并運移至植物地上部，

3、通過收割地上部物質帶走土壤中砷，降低其土壤砷的含量，達到對土壤砷污染的治理目的。1.3 土壤砷污染治理所遇到的問題對于砷污染來說，已有的植物修復的技術主要是植物提取，但是利用植物提取需要選擇出或誘導出超富集植物，再者，如何利用富集植物使砷污染修復效率以及經濟效率綜合最高，操作的便宜程度等都需要精心設計。本設計旨在解決以下問題：通過選擇最佳的超富集植物，利用影響修復效率的因素使達到修復效率、經濟效率綜合最優，對刈割后的植物后處理 等給出實際的可行的治理方案。2項目區現狀項目區位于湖南郴州市新額橋砷礦區附近廢棄耕田（旱地），該地屬中亞熱帶濕潤季風氣候。氣候特點，氣候受季風交替影響，春早多變，夏熱期

4、長，秋短溫涼，冬無嚴寒，熱量豐富，雨水不勻。年平均氣溫18.3，1月平均氣溫7.1，7月平均氣溫28.1。年平均日照數為1603.1小時。年平均降水量1600毫米。無霜期292天。郴州土壤略偏堿;有機質總體上較豐富,平均為42.30 g/kg,高于湖南省平均值;土壤全氮和堿解氮含量較高;全磷含量平均為0.93 g/kg,速效磷在土壤中的分布極不均衡,適宜范圍1020 mg/kg的土壤樣品只占20.84%;土壤全鉀及速效鉀含量偏低,由南到北, 由西到東呈逐漸增加的趨勢。土壤普遍缺硼,有91.28%的土壤樣品低于缺硼臨界值0.30 mg/kg，項目區面積100×100見圖1。平均砷含量3

5、00mg/kg。 圖1新額橋礦區簡圖3設計原則本設計主要通過以下原則進行設計：3.1 選擇最優的超積累植物 根據土壤與超級類植物的相互適應，應選用積累量大又適宜在該土壤生長的植物。3.2 采用蜈蚣草的最佳種植密度 合理的耕作，種植密度的安排影響植物的生長，因此科學的種植密度將有利于植物的生長，提高其生物量，加快污染物的去除。3.3 化肥的最佳選擇和使用量最佳及方法簡便 根據土壤化學原理，化學肥料能顯著的影響重金屬元素的遷移轉化。在連續種植的土壤上容易缺乏養分，因此適當的施用肥料不僅能使植物正常生長還能促進超積累植物對重金屬的吸收。3.4 采用對蜈蚣草的最佳刈割次數以提高修復效率 若不及時收割，

6、則落葉枯枝等重新進入土壤，使修復變成無效功。若收割次數過頻繁于則影響超積累植物的正常生長以及其修復效率。等進行設計，旨在達到砷污染治理的效率、經濟最優化。4設計目標及方法總述：經過蜈蚣草的植物提取、對蜈蚣草的刈割、帶走，最終土壤砷含量應達到二級標準30mg/kg。第一年之后土壤砷含量應達到：300*(1-8%)=276 mg/kg方法：利用超富集植物蜈蚣草的植物提取作用，從土壤中吸收砷元素，并不斷的對蜈蚣草進行刈割、帶走，從而達到治理目的。4.1 植物選擇陳同斌、韋朝陽1 3等在湖南省發現了兩種能超富集砷植物,蜈蚣草(Pterisvittata)和大葉井口邊草(PteriscreticaL.)

7、 ，不但富集砷，耐砷毒能力也極強。由于蜈蚣草已經較大范圍的的應用到實際，故這里選用蜈蚣草進行砷污染治理。具有生物量大、生長快和抗病蟲害能力強的特點。蜈蚣草是侏羅紀時代的一種古老的多年生蕨類植物，根系非常發達，一年內可刈割多次，治理成本非常低。蜈蚣草葉片富集砷達0.5%，為普通植物的數十萬倍；能夠生長在0.15-3%的污染土壤和礦渣上，具有極強的耐砷毒能力；其地上部與根的含砷比率為5：1，顯示其具有超常的從土壤中吸收富集砷的能力1 3。蜈蚣草生物量大，富集砷能力強，每年去除土壤砷的效率為8%左右1 3。4.2蜈蚣草的種植密度已有研究表明：蜈蚣草是一種適宜于密植的草本植物，具有通過提高栽培密度來提

8、高其地上部生物產量的潛力；同時蜈蚣草密植有利于促使其吸收的砷向地上部富集，從而有利于進一步提高其對砷污染土壤的修復能力；綜合考慮修復過程中的收獲方式、經濟成本與可操作性，選擇種植密度20cm×20cm為蜈蚣草的最佳栽培密度4。43化肥的最佳選擇和使用量與水稻和小麥相比,蜈蚣草對氮、磷和鉀的吸收量都較低,但如果在連續種植過程中不施肥,蜈蚣草則可能會出現養分虧缺問題。地上部帶走的總氮、總磷和總鉀量分別為2389、4.413.0和2169kg.hm-2.a-1 5 。通過田間試驗研究施用磷肥對砷超富集植物蜈蚣草(PterisvittataL.)生長和砷污染土壤修復效率的影響，結果表明,適量

9、施用磷肥促進蜈蚣草的生長,顯著提高其生物量,但過量施用磷肥對植物產量無貢獻.隨著磷肥施用量的增加,蜈蚣草地上部砷含量呈先增加后減少的趨勢,理論上在施磷量為340kg·hm-2時,砷含量可達最高(1622mg·kg-1).磷的含量與施磷量呈極顯著的正相關關系。理論上達到最大土壤修復效率所需施磷量為369kg·hm-26。施用磷肥可以維持土壤有效態砷含量在蜈蚣草種植前后變化不大,保證蜈蚣草下個生育期對砷的吸收。這些結果說明施用磷肥是蜈蚣草等砷超富集植物在現場修復中的必要手段,優化施磷技術可大大提高砷污染土壤的修復效率.已有研究表明磷肥能一定程度上提高砷超富集植物的修復

10、能力，但不同的磷肥對其砷的去除效率的影響可達數倍之差，磷酸二氫鈣是首選磷肥類型7。以礦區土壤實際試驗一年蜈蚣草的砷綜合去除效率達到8%84.4 確定蜈蚣草的刈割次數以提高修復效率以野生苗移栽的蜈蚣草為試材, 通過盆栽試驗結果表明:在3 次收獲中, 隨著收獲次數的增加, 不同砷濃度處理之間蜈蚣草生物量的差異逐步縮小; 不加砷的對照處理中, 每次收獲后的砷吸收速率下降趨勢, 而在3 個加砷處理中, 第2 次收獲和第3 次收獲的蜈蚣草的吸砷速率為63 75g (p lant·d)、44 55g (p lant·d) , 均顯著高于第1 次收獲時的吸收速率。表明多次收獲并沒有降低砷

11、的積累速度。由此可見, 通過適當增加蜈蚣草的收獲次數是提高砷修復效率的一種策略。根據試驗，一個生長周期刈割三次為宜9。5 物料計算5.1 項目區面積100×1005.2 全磷含量平均為0.93 g/kg，通過田間試驗研究施用磷肥對砷超富集植物蜈蚣草(PterisvittataL.)生長和砷污染土壤修復效率的影響，結果表明,適量施用磷肥促進蜈蚣草的生長,顯著提高其生物量,但過量施用磷肥對植物產量無貢獻.隨著磷肥施用量的增加,蜈蚣草地上部砷含量呈先增加后減少的趨勢,理論上在施磷量為340kg·hm-2時,砷含量可達最高(1622mg·kg-1).磷的含量與施磷量呈極顯

12、著的正相關關系。理論上達到最大土壤修復效率所需施磷量為369kg·hm-210。故所需施磷量為369kg·hm-2每年所需袋數n=369÷25=14.76,按15袋計算5.3根據實驗蜈蚣草的神去除效率達到最大10%，綜合年修復效率8%11故蜈蚣草的砷去除效率按8%/每年計算5.4保證鉀肥基本不變，按一個生長周期收割的生物量所帶走的鉀施用2169kg.hm-2.a-112，鉀肥使用量按(21+69)/2 =45 kg.hm-2.a-15.5 肥料的有效深度按20cm計算，保證土壤硼的含量在0.5mg/kg, 用它和土壤容重的數據可以計算出土壤總孔隙度，計算時通常采用

13、平均密度值2.65Mg/m3 13 。1hm土壤所需硼肥：(0.5-0.3)×10-6×20×10-2 m×（100×100）m2×2.65 Mg/m3×1000 =1.06kg5.6 平均砷含量300mg/kg，二級標準30mg/kg去除年限的的計算：300 ×（1 8%）n = 30得到n = 12年5.7 蜈蚣草植株育苗量（100÷0.2）2=250000株5.8 表2 物料表*均按一年計算所需序號物料名稱規格單位數量1磷酸二氫鈣10 25Kg/袋15 2腐植酸鉀（KHm）11 25kg/袋2 3&

14、#160;都樂硼12 15g×300包/桶 2.334*1012 均來自武漢立美生物科技有限公司磷酸二氫鈣：有效成分含量:52% |，總養分含量:52 ， 總氮含量:12 ，有效磷含量:10施用方法：全年腐植酸鉀（KHm）：主要成分:腐植酸 ，含量:45，黑色。施用方法：全年都樂硼：硼含量：（%） 形狀：粉末 施用方法：全年6實施步驟6.1 5月6月份前土地翻耕并種前施用肥料，施用方法：每年施用三次，每次按三分之一的量。6.2 進行蜈蚣草的分株繁殖：全年均可進行，以56月為好，也可以直接購買目標量幼苗，進行栽種。6.3 根據實際情況進行除草、肥水管理、防病等6.4 于十月份

15、進行第一次刈割，收割的蜈蚣草通過砷的固定劑安全焚燒（交由相關人員負責）并進行植物樣品中砷的測定。6.5 冬季進行蓋膜防凍措施。6.6 根據蜈蚣草的長勢進行第二次刈割并做安全燃燒，并進行植物樣品中砷的測定。6.7 第二年5月6月間進行第三次刈割并進行安全燃燒，并進行植物樣品中砷的測定。6.8 參照第一年治理，進行以后11年的治理，最終達到預期目標7流程圖流程圖見圖2 圖2修復流程8實施效果經過第一年的治理，植物樣品中砷的測定根據陳同斌等介紹的方法: 樣品總砷采用HNO32HClO 4 消解, 氫化物發生2原子熒光光譜儀(海光A FS22202) 測定。分析中所用試劑均為優級純, 同時采用國家標準

16、參比物質(GBW 208501) 進行分析的質量控制, 分析誤差均控制在允許的誤差范圍。得到砷去除率在9.1%，完全達到并超過預期。9結語 修復后：有效解決了當地嚴重的土壤及農產品重金屬污染超標問題，提高了礦區復墾土地的利用率，保障了人民的安全健康。土壤重金屬的污染不容忽視，但也不能夸大，一定要實事求是，因為有些地方的污染土壤是可以修復的。盡管超量積累植物在治理重金屬污染土壤方面具有很大的潛力，但在實際中存在一些問題：如自然界中的超量積累植物不僅種屬稀少，而且往往有地域分布的局限性。此外，多數超累積植物往往存在生物量小、生長緩慢、氣候環境適應性差等問題。因而，尋找篩選和栽培馴化自然界中存在的超

17、累積植物，使其能適用于實際應用，仍然是當前植物修復研究的一項重要任務。參考文獻 1 廖曉勇, 陳同斌, 肖細元, 等. 污染農田土壤中砷含量的空間變異特征. 地理研究, 2003, 22(5): 635643. 2 廖曉勇, 陳同斌, 謝華, 等. 磷肥對砷污染土壤的植物修復效率的影響: 田間實例研究. 環境科學學報, 2004, 24(3): 455462. 3 Chen T B, W ei C Y. A method to remediate arsenic contam inated so ils. Ch ina Patent No. CN 01120519. 9. 2001. 4 Ch

18、en T B, Fan Z L , L eiM , et al. Effect of pho spho rus on arsenic accumulation in A s2hyperaccumulato r P teris v ittata L. and itsimp lication. Ch inese S cience B u lletin, 2002, 47 (22) : 1876 1879. 3 M a L Q , Komar KM M , Tu C, et al. A fern that hyperaccumulates arsenic. N atu re, 2001, 409: 579. 4 L iao X Y, Chen T B, L eiM , et al. Roo t distributions and elemental accumulations of Ch