生物復育整治技術(1) 張簡水紋 朝陽科技大學 環境工程與管理系

內容大綱 重金屬污染土壤復育技術介紹 植生復育技術介紹 植生復育技術的演進及改良 植生復育相關案例 結論

重金屬污染土壤之復育技術 類別 處理方法 處理技術說明 化學技術 萃取法 現地(或離場)安定法 安定化/固化法 現地(或離場)安定法、現地固化法   還原法 六價鉻之還原 工程技術 現地排土客土法 移除污染土再覆蓋乾淨土壤 現地覆土法 覆蓋乾淨土壤 土壤淋洗法 現地(或離場)以水、酸/鹼、螯合劑淋洗 現地電熔法 現地通電 現地混合稀釋法 上層污染土壤與下層乾淨土壤混合稀釋 生物技術 現地植生攝取法 利用植物移除重金屬 現地植生綠化美化 百慕達草

復育技術所需經費 1500 900 600 300 1200 土壤清洗 現地土壤淋洗 試劑玻璃化 熱玻璃化 熱脫附 熱處理 電動力學 焚化 植生穩定 植生萃取 (US$/ton)

植生萃取技術 (phytoextraction) 植物特性 高生質量 累積高濃度污染物 生長迅速 由根部往地上部傳輸 土壤改良劑 增加重金屬有效性 增加植物吸收量

植生穩定技術 (phytostabilization) 植物特性 忍受重金屬毒害 穩定土壤重金屬 降低土壤沖蝕及淋洗 根部及地上部吸收濃度低 土壤改良劑 降低重金屬有效性 降低植物吸收 vetiver grass

復育技術的比較 復育技術考量 傳統復育技術 植生復育技術 污染濃度 視技術而定 中低濃度 土壤質地 壤土 地下水位高低 不限 整治經費 較高 較低 整治時間 較短 長 民眾接受度 高

Species of Hyperaccumulator (超級吸收累積植物) 重金屬 濃度標準 (% Dry Wet) 分類數目 (1994) (2000) Cd ＞0.01 1 Co ＞0.1 26 28 Cu 24 37 Pb 5 14 Ni 277 317 Mn ＞1.0 8 9 Zn 18 11

Hyperaccumulator忍受及累積重金屬的可能機制 釋出根圈分泌物 釋出根圈分泌物萃取有效性較低的重金屬 降低根圈土壤pH，增加重金屬的有效性 重金屬傳輸蛋白 增加重金屬的吸收及由根部往地上部的傳輸 隔離重金屬 儲存於液泡或是細胞璧降低重金屬的毒害

利用TEM觀察鉛在細胞壁的累積 (Jarvis and Leung, 2002)

植生復育技術的改良 添加螯合劑或土壤改良劑 基因工程技術 EDTA (目前發現最有效) HEDTA, DTPA, EGTA, EDDHA 土壤改良劑Gro-Power, NTA 檸檬酸 基因工程技術 基因轉殖

添加化學試劑對於促進植物吸收重金屬的效果 檸檬酸 增加土壤溶液中重金屬濃度 增加重金屬由根部往地上部的傳輸 短期間便會被分解，效果並不理想 硫酸銨 增加土壤中重金屬的有效性 植物累積濃度不一定會增加

添加螯合劑對於促進植物吸收重金屬的效果 EGTA HEDTA EDTA 促進植物對鎘的吸收有良好的效果 土壤溶液及植物體中的鉛濃度均迅速增加 對鉛的吸收效果最佳 可將土壤中的鉛轉變成為有效性型態 有效增加植物體中累積的重金屬濃度 分解時間大約需要數個月(是否污染地下水?)

EDTA施用後之問題 施用的濃度 植物根部及地上部的生長會停止，且生質量會降低 濃度過低無效果，濃度過高造成必要元素缺乏 植物呼吸速率或是地上部水分含量會降低 植物根部及地上部的生長會停止，且生質量會降低 施用於多種重金屬污染土壤，造成其他重金屬濃度上升，植物產生毒害現象 多次少量施用效果較佳，而且可降低污染地下水的風險

基因工程技術 農藝技術 利用土壤管理，使植物生質量增加 灌水、施肥、種植及收割時間、土壤改良劑的施用 轉殖PCs、MTs、傳輸蛋白或是其他基因，雖可增加對於重金屬的忍受力，但對於增加污染土壤重金屬移除量效果有限 農藝技術 利用土壤管理，使植物生質量增加 灌水、施肥、種植及收割時間、土壤改良劑的施用

美國地區植生復育案例 污染地區 污染場址 植物 復育成效 參考文獻 Trenton, NJ 植生萃取污染區(200×300 ft2) Brassica juncea 進行一季，到達預期目標 USEPA, 2002a USEPA, 2002b Pennsylvia 植生萃取礦區廢棄物 Thlaspi spp. Zn及Cd吸收迅速，但難以去除污染物 Brown, 1995

歐洲地區植生復育案例 污染地區 處理機關或單位 植物 污染物 Czechowice原油精煉廠(波蘭) Phytotech, Florida State University, Institute for Ecology of Industrial Areas Brassica juncea Pb, Cd 早期掩埋場 (瑞士) Swiss Federal Institute of Technology Salix viminalis (willow) Zn, Cd 污泥棄置區 (英國) University of Glasgow Salix species (willow) Ni, Cu, Zn, Cd 鋅棄置掩埋場 (捷克) International Graduate School Zittau H. annuus, C. sativa, Z. mays, C. halleri Zn 鋅銅污染區 數個單位共同進行 改良的菸草 Cu, Cd, Zn 鋅鎘污染區,鋅精鍊廠(比利時) Limburgs University 草本植物(phytostabilization) Zn, Cd, Pb, Cu 鋅鎘污染土壤 (比利時) Brassica napus (phytoextraction) Zn, Cd, Pb

植生復育案例分析 國外案例分析 中國大陸、日本及台灣地區案例分析 Magic Marker Small Arms Firing Range (SAFR) 24 Twin Cities Army Ammunition Plant Residential污染區 Ensign-Bickford Company污染區 中國大陸、日本及台灣地區案例分析

Magic Marker 處理單位 Edenspace Systems Corporation 處理期間 May 1997-Nov 1998 目的 植生技術處理鉛污染土壤(田間證明, in-situ) 污染物 鉛最高污染濃度57,114 mg/kg 處理過程 描述 處理區域77×50 ft2，對照區4×30 ft2，深度6吋，1997種植兩次印度芥菜(Brassica juncea)，1998種植一次向日葵(Helianthus annus) 整治目標 植物體地上部濃度大於200 mg/kg (乾重)，對於原始濃度大於400 mg/kg的土壤濃度降低15% 結果 原始濃度高於400 mg/kg的土壤鉛濃度降低17% ，植物體地上部濃度:第一期印度芥菜830 mg/kg，第二期印度芥菜2,300 mg/kg，向日葵400 mg/kg 費用 估計費用約為 $24-$127/ton

Magic Marker污染區植生 復育前後鉛濃度變化圖

Magic Marker污染區植生 復育前後之鉛濃度變化 佔處理區的百分比(%) 土壤鉛濃度(mg/kg) 處理前 處理後 >400 40 28 >500 30 15 >600 22 6 >800 12 >1,000 7

Small Arms Firing Range (SAFR) 24 處理單位 Edenspace Systems Corporation 處理期間 Apr 2000-Oct 2000 目的 評估土壤清洗後再以植生技術處理的效果(ex-situ) 污染物 鉛平均污染濃度516 mg/kg (面積1.25英畝，深度12吋) 處理過程 描述 種植印度芥菜(Brassica juncea)、向日葵(Helianthus annus)、黑麥(Secale cereale)及大麥(Hordeum vulgare)混種 整治目標 達到NJDEP工業總鉛標準600 mg/kg或是住宅區標準400 mg/kg，減低到TCLP溶出試驗為5 mg/L 結果 表土鉛平均濃度182 mg/kg，底土鉛平均濃度398 mg/kg，印度芥菜1,437 mg/kg，向日葵1,675 mg/kg，黑麥及大麥4,395 mg/kg 費用 無相關資料

Twin Cities Army Ammunition Plant 處理期間 1998年春天及夏天 目的 評估植生萃取技術處理鉛污染的可行性 污染物 (1)污染區C：銻、砷、鈹、鉛及鉈，表土鉛平均濃度2,610 mg/kg (2)污染區129-3：銻、鋇、鉻及鉛，表土鉛平均濃度358 mg/kg 整治目標 無明確的整治目標 結果 (1)第一年生質量及鉛吸收量不如預期，原因可能為土壤肥力低及土壤中有重金屬的存在 (2)兩污染區種植玉米所累積的鉛分別為0.65及0.13%，而溫室研究為0.85% (3)兩污染區種植白芥末的鉛累積濃度分別為830 mg/kg及340 mg/kg，而溫室研究為15,000 mg/kg 費用 預計費用為 $30/ton/yr

Residential污染區 植生復育前後之鉛濃度變化 佔處理面積之百分比 (%) 土壤中鉛濃度 (mg/kg) 原始濃度 (mg/kg) 種植3耕作期後 >50 100 >60 >800 68 >1,000 25

Residential污染區 植生復育前後土壤中鉛濃度變化圖

Ensign-Bickford Company 污染區植生處理過程說明 污染區域及復育動作 種植期間 污染區1-4: high conc. (phytoextraction) 污染區5: low conc. (phytostabilization) (1) 1998年4月底 種植印度芥菜(B. juncea) 種植印度芥菜 1998年6月 添加改良劑 添加葉片改良劑 1998年6月中 收割 (2) 1998年6月底 種植向日葵 (Helianthus annus) 添加穩定劑，種植向日葵 1998年7月 1998年7月底 (3) 1998年8月 混合種植印度芥菜及向日葵 添加穩定劑，混合種植印度芥菜及向日葵 1998年9月 1998年10月

Ensign-Bickford Company 污染區鉛之濃度分佈圖 1-4: high conc. 5: low conc.

Ensign-Bickford Company污染區植生復育 (a)處理前及(b)處理後鉛的濃度分佈變化圖 >2000 <1000 >1000 <500

國外地區植生復育成效 污染區名稱 植生復育處理成效 達到整治目標，土壤鉛濃度降低 土壤鉛濃度降低 Magic Marker Small Arms Firing Range (SAFR) 24 Twin Cities Army Ammunition Plant 土壤鉛濃度降低 Residential污染區 Ensign-Bickford Company污染區

中國大陸對植生復育之相關研究 蔣先軍等(2000) 蔣先軍等(2001) 吳龍華等(2000) 印度芥菜適合用於受Cu、Pb或Zn單一重金屬污染土壤的植生復育 蔣先軍等(2001) 印度芥菜對於鎘有很強的忍受力 (EDTA) 根部及地上部可分別累積300及160 mg Cd/kg 吳龍華等(2000) EDTA可增加水溶態Cu濃度達125倍 EDTA可增加交換態Cu濃度達11倍

中國大陸對植生復育之相關研究 蔣先軍等(2001) 吳龍華和駱永明(2002) EDTA可使水溶態鎘濃度上升400倍以上 EDTA可使土壤溶液中Cu的濃度增加745倍 EDTA可使交換態Cu濃度增加30倍 植物吸收Cu濃度由18.1上升到52.7 mg/kg 總吸收量由189.9 上升到415.7 μg/pot 草酸、檸檬酸或蘋果酸無顯著效果

日本對植生復育之相關研究 松尾與江頭(2002) 生長在鉛污染土壤中的B. juncea可以累積高濃度的鉛 EDTA可促進植物地上部對於鉛的累積 植物地上部累積的鉛會隨著所添加EDTA的濃度增加而增加

台灣對植生復育之相關研究 大潭及中福兩污染區種植花卉及苗木 種植五彩石竹於多種重金屬污染土壤中 添加EDTA的效果 經過五週後，部份花卉植物可以吸收高濃度的鎘 種植五彩石竹於多種重金屬污染土壤中 對於鎘及鋅的累積能力較佳 地上部平均的累積濃度為75 mg Cd/kg及3,400 mg Zn/kg 添加EDTA的效果 顯著增加五彩石竹地上部累積的鎘、鉛濃度 顯著增加五彩石竹對鉛的總移除量 培地茅可以在高重金屬濃度的土壤中生長，不受重金屬毒害的影響

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