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2012届毕业生
毕业设计
题目:
用难溶性磷酸盐稳定铅和镉污染土地的设计
目次
中文摘要
铅和镉都是土壤中常见的污染重金属，镉常伴随铅产生，铅冶炼可形成较严重的土壤铅、镉污染。
污染土壤中的铅和镉可对作物和人体造成危害，因此必须采用适当的修复方法对铅、镉污染土壤进行修复。
本设计针对河南省济源市附近的面积为8000m2的铅、镉污染土地进行修复设计。
项目区根据土壤中的MgCl2-Pb和MgCl2-Cd含量可分为3个区域，区域AMgCl2-Pb和MgCl2-Cd的平均含量分别为600mg/kg和5mg/kg，区域BMgCl2-Pb和MgCl2-Cd的平均含量分别为200mg/kg和3mg/kg，区域CMgCl2-Pb和MgCl2-Cd的平均含量分别为60mg/kg和1mg/kg。
根据试验研究，本设计采用难溶性磷酸盐稳定土壤中的铅和镉，降低其有效性，所用的难溶性磷酸盐为磷矿粉，总用量为10.61t，磷矿粉施入土壤后进行翻耕、灌水，经过60d后可使区域A、区域B和区域C土壤MgCl2-Pb和MgCl2-Cd含量降低到10mg/kg和0.5mg/kg以下，土壤铅和镉的有效性大幅降低，达到可以种植作物的标准。
英文摘要
Leadandcadmiumarecommoninsoilwithheavymetalpollution.Cadmiumisassociatedwithaleadgeneration,Leadsmeltingcanformaseriouslead,cadmiumpollution.Pollutionofsoilleadandcadmiumcancauseharmtocropsandthehumanbody,thereforewemustuseappropriaterepairmethodstorepairlead,cadmiumpollutioninsoil.ThisdesignaccordingtotheareaofHenanprovincenearJiyuancityis8000m2oflead,cadmiumpollutionlandforrepairdesign.AccordingtothecontentofMgCl2-PbandMgCl2-Cdinsoil,theareacanbedividedintothreeregions.ThecontentsofMgCl2-PbandMgCl2-CdinregionalAare600mg/kgand5mg/kg,respectively.ThecontentsofMgCl2-PbandMgCl2-CdinregionalBare200mg/kgand3mg/kg,respectively.ThecontentsofMgCl2-PbandMgCl2-CdinregionalCare60mg/kgand1mg/kg,respectively.Accordingtothetestresearch,thisdesignusestheharddissolvedphosphatetoimprovethestabilityofleadandcadmiuminthesoil,reduceitseffectiveness.Theharddissolvedphosphateisgroundphosphaterock,andthetotalamountofgroundphosphaterockis10.61t.Putgroundphosphaterockintothesoil;then,weneedhavetillageandirrigationinthedesignarea.After60d,thecontentsofMgCl2-PbandMgCl2-Cdcanbereducedto10mg/kgand0.5mg/kg,andtheeffectivenessofleadandcadmiuminSoilcanbesharplylowered,sothisareawillreachthestandardofgrowingcrops.
1背景
1.1铅和镉污染简介
铅是环境中最为常见且最受关注的污染重金属，铅矿开采和铅冶炼可形成比较严重的土壤铅污染（LiandThornton,2001;尹仁湛等，2008;王陆军和朱恩平，2008;Borgnaetal.,2009）。
镉（Cd）是对人体有害的元素，在自然界中多以化合态存在含量很低，大气中含镉量一般不超过0.003μg/m3，水中不超过10μg/L，土壤中不超过0.5mg/kg。
这样低的浓度，不会影响人体健康。
环境受到镉污染后，镉可在生物体内富集，通过食物链进入人体，引起慢性中毒，镉常与锌、铅等共生。
铅蓄电池的生产，有色重金属矿（含伴生矿）的采选、有色重金属冶炼（铅锌冶炼、铜冶炼）、化学原料及化学制品的制造（硫铁矿制硫酸、铅氧化法生产氧化铅、铅铬黄），产生的废水、废气、废渣，都可能造成铅污染，其中有色金属冶炼特别是火法熔炼铅锌是环境铅污染最主要的来源。
从全国来看，血铅超标事件2010年有9起，2009年有6起。
这些事件的元凶，有的是铅酸电池企业，有的是有色金属冶炼和废金属回收企业。
研究结果表明，中国城市土壤重金属的含量均超过了中国土壤中重金属的背景值，Cd和Pb的污染尤其严重，其含量分别是中国土壤背景值的91.37倍和41.91倍（陈秀端2011）。
铅和其他有色金属的冶炼，是一个关系国计民生的基础行业。
我国的铅产量已连续8年居世界第一，消费量也居世界第一。
这几年，我国铅冶炼产能一直在不断扩大，但有的冶炼企业环保管理跟不上，有的生产技术落后，导致血铅悲剧频繁发生。
2009年，陕西凤翔的血铅超标事件，主要污染源是当地大型涉铅企业东岭冶炼公司。
河南济源的血铅超标，责任者是全国最大的铅冶炼企业豫光金铅。
2010年，湖南嘉禾、桂阳的血铅超标事件，肇事者是当地从事废铅回收和冶炼的3家企业。
云南鹤庆的血铅超标事件，是由当地的土法炼金污染所致。
湖南益阳、邵阳、武冈的血铅超标事件，都与当地冶炼企业直接相关。
河南的济源，湖南的郴州是血铅超标事件的事故多发区。
环保部提供的一份材料显示，近10年来，随着乡镇个体企业的发展，土法冶炼点多面广，引起的环境污染问题十分突出。
原生铅冶炼的污染是我国铅污染的重点，落后的铅冶炼工艺产生大量铅尘，铅冶炼废水不经处理直接排放。
冶炼厂周边环境中铅含量严重超标，大型冶炼厂的铅污染范围达几十公里。
1.2铅污染危害
1.2.1土壤铅污染对作物品质和产量的影响
低浓度的铅对某些植物表现出促进生长的作用，而高浓度的铅除了在植物的食用部位积累残毒外，还可以使幼苗萎缩、生长缓慢、产量下降甚至绝收。
Pb并不是植物生长发育的必需元素，当Pb被动的进入植物根、皮或叶片后，积累在根、茎和叶片中，影响植物的生长发育，使植物受害。
李荣春（2000）用Cd、Pb处理烤烟叶片，发现可使叶绿体结构发生明显改变，破坏了叶绿体的膜系统，使细胞膜的透性增加。
Pb能显著影响植物根系的生长，Pb能减少根细胞的有丝分裂速度，这也是造成植物生长缓慢的原因。
Pb毒害草坪植物时表现出的主要中毒症状为根量减少，根冠膨大变黑、腐烂，植物地上部分的生物量也随之下降，叶片失绿明显，严重时逐渐枯萎，甚至引起植株死亡。
Pb的积累也直接影响细胞的代谢作用，其效应是引起活性氧代谢酶系统的破坏，在受Pb和Cd复合污染的条件下，烟叶硝酸还原酶、过氧化氢酶的量显著下降，李君等（2004）研究了Pb、Cd复合污染对马蹄金叶片细胞膜和细胞保护系统的影响，发现叶绿素含量下降，可能是由于某些酶的构象被破坏所引起的，并且对POD、SOD抗氧化酶都产生了影响。
高浓度Pb还使种子萌发率、胚根长度和上胚轴长度降低，甚至出现胚根组织坏死。
植物生长在受Pb污染的土壤环境中，超过一定限度就会对不同植物产生不同程度的危害，轻则使植物体的代谢过程发生紊乱，生长发育不良，重则会导致植物死亡。
土壤受到铅污染后会导致农作物的生长受阻，产量降低、品质下降。
并且通过食物链影响人体多个系统和器官，特别是对儿童神经系统的危害性更大。
1.2.2铅污染对人体健康的影响
铅属于持久性污染物，在自然环境中不能被生物代谢所分解。
据介绍，长期接触微量铅的人，积蓄的铅能阻碍血细胞的形成，导致人的智力受损，学习、工作成绩下降，情绪低落；蓄积到一定程度时会使人出现精神障碍、噩梦、失眠、头痛等慢性中毒症状；严重者会产生乏力、食欲不振、恶心、腹胀、腹痛或腹泻等症状。
铅还可通过血液进入脑组织，损害小脑及大脑皮层，干扰代谢活动，使营养物质与氧气供应不足，引起脑小毛细血管内皮层细胞肿胀，进而发展为弥漫性脑损伤。
最近，台湾学者研究发现，长期铅暴露会使人的受孕率降低。
铅毒对儿童的影响更甚，儿童对铅的吸收量比成年人要高几倍。
当儿童的血铅浓度每100ml达到60ug时，就会因智力障碍造成行为异常。
铅对于人体内的大多数系统均有危害，特别是会损伤骨髓造血系统、神经系统和肾脏。
人体的血液中铅含量达到较高水平时可以引起痉挛、昏迷甚至死亡。
低含量的铅也会对人体的中枢神经系统、肾脏和血细胞有损害作用。
慢性铅中毒还可引起高血压和肾脏的损伤，铅对神经行为的影响最大。
（承勇，1999）儿童对铅引起的贫血作用，比成人更加敏感。
血铅浓度大约是40μg/100ml时，有些儿童就可能发生血红蛋白的减少，重症患者可出现面色苍白，心悸、气短、乏力等。
中国预防医学科学院副院长、我国儿童铅问题专家吴宜群称，铅对儿童的伤害是直接的，且有些伤害是不可逆转的。
2项目区现状
2.1位置
本设计的对象为是一块受铅和镉污染的土地（图1），该区位于济源市以南9km左右，项目区西边为产生污染的铅冶炼厂，北边是公路，南边是小河流。
该区东西方向长100m，南北方向宽为80m，竖直方向0-20cm的土壤都受到了不同程度的污染。
图1项目区俯视图
图2项目区侧视图A
图3项目区侧视图B
2.2气候和地形
该项目区属暖热带季风气候，四季冷热分明，春季多风少雨，夏季炎热降雨集中，秋季气温降幅较大雨量减少，冬季寒冷雨雪稀少。
干旱或半干旱气候明显，受季风影响显著，雨量时空分布不均，年平均气温14.6℃，极端最高气温40.2℃，出现于1992年7月2日，极端最低气温-18.5℃，年平均降水量大约为549.3mm，且大部分均集中在夏季。
2.3污染过程及土壤性状
铅冶炼能够污染临近这些生产场所的土地，该区铅和镉污染土地是由该区旁边的铅冶炼厂造成的，主要原因有以下几点：
1.冶炼厂排出的废气中含有一定数量的铅，这些铅主要为粒径在0.01~1μm的铅单质及其氧化物和硫酸盐粒子，如PbO、PbSO4、PbO·PbSO4等。
2.铅在冶炼过程中会释放出铅矿粉尘，同时还会排放出含硫酸性废气导致土壤重金属的溶解性增加。
3.冶炼废渣和矿渣的堆放，可以被酸溶出含重金属离子的酸性矿山废水，随着矿山排水和降雨直接进入土壤中，造成土壤铅、镉等重金属的含量明显高于背景值，引起了严重的污染。
该铅冶炼企业多年来含重金属粉尘的排放，特别是上世纪90年代以来采用烧结锅工艺时的大量铅烟排放，以及生产原料和废渣在运输过程中扬散流失，造成铅、镉等重金属及其氧化物在周边环境中的沉积，对人体和自然环境产生影响，使附近的土地受到了严重的污染。
项目区土壤pH：
7.9，有机碳含量：
45g/kg，粘粒含量：
5.0%，CEC24.7cmol/kg。
整个区域竖直方向0-20cm土壤的重金属分布不均匀，从东向西方向，MgCl2-Pb的平均含量依次为：
0-30m为600mg/kg，40-60m为200mg/kg，60-100m为60mg/kg；MgCl2-Cd的平均含量依次为：
0-30m为5mg/kg，0-30m为3mg/kg，60-100m为1mg/kg。
表1设计污染土壤中的MgCl2-Pb和MgCl2-Cd含量
0-30m
30-60m
60-100m
MgCl2-Pb
600
200
60
MgCl2-Cd
5
3
1
表2设计污染土壤的性状
pH
有机碳含量（g/kg）
粘粒含量
CEC（cmol/kg）
7.9
45
5.0%
24.7
3设计原则
3.1降低土壤Pb和Cd的有效性和毒性
土壤重金属总量是指土壤本身所固有的重金属的组成和含量，是用来确定土壤重金属污染水平及环境容量的重要指标，但总量却不能很好地提供重金属的生物有效性和移动性方面的信息（LiandThornton,2001;Bermond,2001）。
对环境能产生潜在影响并能被生物所吸收利用的，一般认为是有效态重金属，因此对土壤中重金属有效性的研究更具有科研价值和实际意义。
冶炼厂周围土壤中重金属有较高的有效性，土壤中铅的有效性主要取决于其化学形态。
磷酸盐加入受污染的土壤后，促使重金属向残渣态转化，可以显著降低重金属有效态的浓度，尤其是对降低土壤中有效铅的含量最为明显。
据调查通常情况下铅冶炼厂周围的土壤都会受到严重的重金属污染，其中Pb和Cd的含量远高于当地土壤中的背景值。
陕西省凤县铅锌冶炼厂周围土壤中的污染重金属主要是Zn、Pb和Cd，绝大部分区域的重金属含量已超过对照点测定值和国家土壤环境质量二级标准，铅含量最高可达2285mg/kg（王陆军和朱恩平，2008）。
目前受重金属污染土壤的修复方法有很多，其中向土壤中施加改良剂（如：
磷酸盐），可在较短时间内显著降低土壤中重金属的有效性，修复效果较好，且磷酸盐中的磷矿粉、磷灰石价格便宜、来源广泛，修复大面积受污染的土壤所用的试剂费用较低，此外关于这方面的研究也较多，技术相对成熟，可行性很大。
降低土壤中重金属有效性比降低土壤中重金属的含量，更节省时间，且方便简单。
本项目区的面积较大，且污染严重，土地闲置荒废，因此本次修复Pb、Cd污染采用磷矿粉。
3.2种植植物进行绿化
根据该地区的气候特点和土壤类型及养分条件，种植适合在当地生长的绿色植物。
种植植物可进一步降低土壤中Pb和Cd的总量，还能有效利用修复后的荒地，增加该地区土地的植被覆盖，净化空气、减少污染、保持水土、降低噪音，具有一定的经济价值，并能获得良好的环境效益。
且经修复后的土壤也适合植绿色植物生长，植物可利用土壤中的养分，还可富集土壤中的重金属。
因此，在修复后的土地上种植植物是个不错的选择。
4设计目标及方法
4.1降低该地区土壤中Pb和Cd的有效性
4.1.1设计目标
MgCl2-Pb和MgCl2-Cd的含量分别降低到10mg/kg以下和0.5mg/kg以下。
4.1.2方法
向土壤中施加磷矿粉。
4.1.3依据
目前，在用磷固定铅的研究方面，实验室控制条件下大多数利用的含磷物质是羟基磷灰石、磷矿粉及磷酸，它们占所使用磷修复剂种类的70%；在铅污染土壤修复的实际应用中，则主要使用廉价的磷矿粉和磷肥。
不同形态磷对重金属污染土壤的修复作用有很大的差异，这主要与不同磷来源物质中磷酸盐类矿物的结晶程度差异导致的比表面积及矿物的溶解性差异有关（ZhangP,RyanJA.1998，ZhangP,RyanJA.1999）。
此外，即使是相同的含磷修复剂,在实验室和田间的使用效果也会有很大的差异（LapercheV,LoganTJ,GaddamP,etal.1997；ChenSB,ZhuYG,MaYB,etal.2006；MaLQ,ChoateAL,RaoGN.1997），导致这些差异的主要原因可能与土壤溶液的pH状况、Pb的结合形态等因素有关。
由于磷矿粉对土壤中的铅有较强的吸附作用，能使土壤溶液中铅的生物有效性降低，从而降低土壤中铅的毒性。
大量研究表明，磷矿粉可降低土壤溶液中水溶态和交换态铅的含量、增加残留态铅的含量，从而降低铅的生物有效性，减少植物对铅的吸收.。
Hettiarachchi通过研究发现，HA、PR等难溶性磷酸盐可以通过增强表面吸附或络合等作用来降低植株对铅的吸收（Laperche,1998 Maetal.1994）。
4.2种植植物进行绿化
4.2.1设计目标
使该设计区的总体植被覆盖率达到90%以上，其中草本覆盖率在80%以上，木本的覆盖率达到10%以上，工程实施第一年末草本植物的高度在5cm以上，藤类植物的覆盖率在15%-30%之间，木本植物的高度在150cm以上，胸径在5cm以上。
5年后项目区植被覆盖度在95%以上，藤类植物的覆盖度在15%-30%之间，木本植物的高度在200cm以上，胸径在10cm以上。
4.2.2方法
植物种类选配，采取以水土保持和植物景观、以长期植物和先锋植物相结合的现代技术手段，依据植物生理学进行合理配置。
植物构成：
灌木—沙棘、紫穗槐；花草种—高羊茅；乔木—杨树、松树
栽种方法：
乔灌木大都采用穴种法，穴坑一般为1m×1m×1m，保证根系苗木的舒张，每穴填土量不少于20kg。
栽植时特别应注意根的舒展，应采用“三埋两踩一提苗”的方法，即在栽植时，把苗放在坑正中，先填进黄土越20kg，然后填进表层的风化碎粒，填到一半时，把苗轻轻提一下，以便苗根舒展，再用脚轻轻踏实，使苗根和土壤充分结合，最后把其余的表层风化矸石填进坑内，用脚踏实，还采用“深坑浅栽”方法。
栽植完毕后最好在树坑上面覆盖一层疏松土，以防苗木坑中的水分蒸发过快。
绿化造林所栽种的树苗采用根系发达、根茎比大，成活率较高的1.5年生的移植苗，选择在多雨的7、8月造林，且要在傍晚时分栽种，可以减少植物的水分蒸发。
栽植过程中要保持苗根湿润，根系舒展，覆土后踏实，对于受伤的和过长的侧根栽前可适当修剪同时采取各种削弱地表蒸发的措施。
苗木的配置，为每个栽植点栽1株，松树造林密度以每公顷采用2500株（株行距2×2m）的。
松树纯林容易发生病虫害和火灾,生产力也低,因此本项目区为松树与杨树混交林。
土壤瘠薄，生长不良的林分常发生病虫害，要注意防治，必要时可使用乐果、敌敌畏等农药杀灭害虫。
5主要参数的确定
5.1磷矿粉用量的确定
A区土壤中磷矿粉的用量为2596.15g/m2，B区土壤中磷矿粉的用量为1442.31g/m2，C区土壤中磷矿粉的用量为288.46g/m2
5.2依据
下表为在铅和镉污染土壤（铅含量为16362mg/kg，镉含量5.61mg/kg）中施用磷矿粉（0-20cm），用量为50g/m2，培养6个月后，对照土壤1mol/LMgCl2可提取态Pb和Cd含量分别为666mg/kg和1.69mg/kg，处理土壤为514和1.17mg/kg。
表3处理效果
处理
Pb含量
（mg/kg）
减少量%
Cd含量
（mg/kg）
减少量%
CK
666
0
1.69
0
PR1
451
32.3
1.66
1.5
PR2
514
22.8
1.17
30.7
PR3
433
35.0
1.25
26.2
研究表明，当磷矿粉用量为300g/m2时，土壤MgCl2提取Pb含量从666mg/kg降低到514mg/kg，MgCl2提取Cd含量从1.69降低到1.17mg/kg（Wangetal,2008）。
假设该土壤容重为1200kg/m3，则每m20-20cm深的土壤干重为
0.2×1×1200=240kg，
（1）其中的1mol/LMgCl2提取态Pb的降低量为
（666-514）mg/kg×240kg=152×240mg=36480mg
则单位质量的磷矿粉降低1mol/LMgCl2提取态Pb的数量为
36480mg/300g=121.6mg/g。
（2）其中的1mol/LMgCl2提取态Cd的降低量为
（1.69-1.17）mg/kg×240kg=152×240mg=124.8mg
则单位质量的磷矿粉降低1mol/LMgCl2提取态Cd的数量为
124.8mg/300g=0.416mg/g。
6物料计算
6.1磷矿粉
数量计算依据：
根据5.1，本设计的作用对象为0-20cm土壤，0-30m区域内的土地，磷矿粉用量为50g/1000g土壤；40-60m区域内的土地，磷矿粉用量为20g/1000g土壤；60-100m区域内的土地，磷矿粉用量为5g/1000g土壤。
6.1.1修复A区土地的计算
（1）项目设计范围内0-30m土壤重量为：
30m×0.2m×80m×1200kg/m3=576000kg
（2）其中的1mol/LMgCl2提取态Pb的降低量为
（600-10）mg/kg×576000kg=590×576000mg=33984×104mg
设计范围内0-30m土壤需要的磷矿粉总量为：
33984×104mg/（121.6mg/g）=2.8t
（3）其中的1mol/LMgCl2提取态Cd的降低量为
（5-0.5）mg/kg×576000kg=4.5×576000mg=2592×103mg
设计范围内0-30m土壤需要的磷矿粉总量为：
2592×103mg/（0.416mg/g）=6.23t
由以上计算结果可知，要想达到同时降低土壤中的MgCl2-Pb和MgCl2-Cd的修复效果，A区土壤中需加入的磷矿粉的总量为：
6.23t
6.1.2修复B区土地的计算
（1）项目设计范围内40-60m土壤重量为：
30m×0.2m×80m×1200kg/m3=576000kg
（2）其中的1mol/LMgCl2提取态Pb的降低量为
（200-10）mg/kg×576000kg=190×576000mg=10944×104mg
设计范围内0-30m土壤需要的磷矿粉总量为：
10944×104mg/（121.6mg/g）=900kg
（3）其中的1mol/LMgCl2提取态Cd的降低量为
（3-0.5）mg/kg×576000kg=2.5×576000mg=1440×103mg
设计范围内0-30m土壤需要的磷矿粉总量为：
1440×103mg/（0.416mg/g）=3.46t
由以上计算结果可知，要想达到同时降低土壤中的MgCl2-Pb和MgCl2-Cd的修复效果，B区土壤中需加入的磷矿粉的总量为：
3.46t
6.1.3修复C区土地的计算
（1）项目设计范围内70-100m土壤重量为：
40m×0.2m×80m×1200kg/m3=768000kg
（2）其中的1mol/LMgCl2提取态降Pb的低量为
（60-10）mg/kg×768000
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