論土壤重金屬污染修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展

陸建生

摘 要：本文主要簡述重金屬在土壤中的存在形態(tài)以及對動(dòng)植物和人的危害機(jī)理，分別從植物修復(fù)，微生物修復(fù)，化學(xué)修復(fù)和物理修復(fù)幾方面介紹進(jìn)年來重金屬污染土壤的修復(fù)技術(shù)和最新研究進(jìn)展，對這些修復(fù)技術(shù)的原理，實(shí)例和優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行闡述和對比，以求為重金屬污染土壤修復(fù)工作的實(shí)施提供一些理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：土壤 重金屬污染 修復(fù) 研究進(jìn)展

中圖分類號：X5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1672-3791（2014）05（b）-0121-02

隨著世界人口不斷增加，工業(yè)化進(jìn)程不斷推進(jìn)，能源開發(fā)和城鎮(zhèn)建設(shè)飛速發(fā)展。人類改造自然的活動(dòng)不斷擴(kuò)大，愈來愈多潛在性有毒物質(zhì)排放到生物圈，其中大部分進(jìn)入土壤圈，對土壤環(huán)境和人的健康構(gòu)成威脅，其中包括重金屬。在化學(xué)中，重金屬一般指密度在4.5 g/cm3以上的金屬，而在環(huán)境污染研究中所說的重金屬實(shí)際上主要是指汞、鎘、鉛、鉻以及類金屬砷等生物毒性顯著的重金屬，其次是指有一定毒性的一般重金屬，如鋅、銅、鎳、鈷、錫等。目前最引起人們關(guān)注的是汞、鎘、鉛、鉻、砷，被合稱為重金屬污染中的“五毒”。通過食物鏈，排放到土壤中的重金屬直接對生長于被污染土壤上的植物造成傷害以及通過食物鏈直接或間接地對人體健康造成傷害。重金屬污染土壤的修復(fù)技術(shù)按學(xué)科分主要分為三大類：生物修復(fù)、化學(xué)修復(fù)和物理修復(fù)，按修復(fù)場地分為兩種：就地修復(fù)和離地修復(fù)。本文主要是以第一種分類方法進(jìn)行有關(guān)論述。

1 重金屬在土壤中的存在形態(tài)

重金屬的生物毒性不僅取決于其總量，更多的是受存在形態(tài)的影響。重金屬在土壤中的存在形態(tài)決定了重金屬的遷移和生物利用，從而影響其生物活性與毒性重金屬在土壤中主要以以下幾種形態(tài)存在（1）水溶態(tài)；（2）可交換態(tài)；（3）碳酸鹽結(jié)合態(tài)；（4）鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)；（5）有機(jī)結(jié)合態(tài)；（6）殘留態(tài)。隨環(huán)境條件的改變，各形態(tài)之間可以發(fā)生相互轉(zhuǎn)化，從而改變重金屬在土壤中的生物有效性和毒性。水溶態(tài)、離子交換態(tài)的重金屬在土壤環(huán)境中最為活躍，活性大，毒性也最強(qiáng)，易被植物吸收，也容易被吸附、淋失或發(fā)生反應(yīng)轉(zhuǎn)為其它形態(tài)。殘留態(tài)的重金屬與土壤結(jié)合最牢固，用普通的方法不能從土壤中提取出來，它的活性也最小，幾乎不能被植物吸收，毒性也最小。

2 重金屬的危害

大多數(shù)重金屬元素都是生物代謝非必須元素，當(dāng)其在環(huán)境中的存在量和在生物體中的量超過一定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)便會(huì)對環(huán)境和生物體造成傷害。

2.1 對環(huán)境的傷害

土壤被重金屬污染，很難清除，含重金屬濃度較高的污染表土容易在風(fēng)力和水力的作用下會(huì)進(jìn)入到大氣和水體中，導(dǎo)致大氣污染、地表水污染、地下水污染和生態(tài)系統(tǒng)退化等其它次生生態(tài)環(huán)境問題。

2.2 對植物的傷害

通常情況下，植物體內(nèi)的重金屬含量隨著其著生土壤重金屬含量的增加而增加，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定量后，就會(huì)影響植物的生長發(fā)育，抑制植物的光合作用過程、抑制植物的呼吸作用過程、抑制新陳代謝，導(dǎo)致植物生物量、產(chǎn)量和品質(zhì)下降。

2.3 對動(dòng)物及人體的傷害

重金屬通過空氣、水、食物等渠道進(jìn)入動(dòng)物和體內(nèi)，產(chǎn)生遺傳毒性、生殖毒性等，極大地影響了人群的健康和可持續(xù)發(fā)展。土壤重金屬污染在植物中積累后，并通過食物鏈富集到動(dòng)物和人體中，危害人畜健康，達(dá)到一定量后便引發(fā)癌癥和其它疾病等。某些重金屬如銅、釩、可引起人和的生殖障礙；銅、汞可影響影響胚胎的正常發(fā)育；銅可對兒童中樞神經(jīng)系統(tǒng)造成影響，可導(dǎo)致其行為功能改變?nèi)鐚W(xué)習(xí)困難、空間綜合能力下降、運(yùn)動(dòng)失調(diào)、多動(dòng)、易沖動(dòng)、注意力下降、侵襲性增加、智商下降等；鎘可影響兒童的正常發(fā)育等；錳會(huì)引起肺炎和其它疾病。

3 重金屬污染土壤修復(fù)技術(shù)

3.1 重金屬污染土壤生物修復(fù)技術(shù)

3.1.1 植物修復(fù)技術(shù)

植物修復(fù)（Phytoremediation）指將某種特定植物種植在重金屬污染的土壤上，而該種植物對土壤中的污染元素具有特殊的吸收富集能力，將植物收獲并進(jìn)行妥善處理后即可將該種重金屬移出土體，達(dá)到污染治理與生態(tài)修復(fù)的目的。植物修復(fù)通常包括：植物提取作用、植物揮發(fā)作用、根際濾除作用。植物修復(fù)技術(shù)因其廉價(jià)、就地、綠色、生態(tài)、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)而廣受關(guān)注和期待，但目前植物修復(fù)技術(shù)也具有自身的局限性，主要表現(xiàn)是：多數(shù)超積累植物，只能積累一種或者兩種重金屬元素，而實(shí)際情況大多為幾種重金屬的復(fù)合污染；其次是超富集植物個(gè)體矮小，生長緩慢，生長周期長，修復(fù)重金屬污染土地效率低，經(jīng)濟(jì)上并不一定合理。因此，能否找到超積累植物是植物修復(fù)技術(shù)是否能夠推廣和業(yè)化的關(guān)鍵。到目前為止，在美國、澳大利亞、新西蘭等國已發(fā)現(xiàn)能富集重金屬的超積累植物 500多種，其中有360多種是富集Ni的植物。我國開展這方面的工作較晚，到目前為止，已陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了錳超積累植物商陸（Phytolaccaceae），As超富集植物蜈蚣草（Pteris vittata），大葉井口邊草（P.cretica），Cd超富集植物寶山堇菜（Viola baoshanensis）和龍葵，Zn超富集植物東南景天（Sedumalf redii）以及Cu超富集植物海州香薷（Ellsholtziasplendens）和鴨跖草（Commelina communis）。

3.1.2 重金屬污染土壤微生物修復(fù)技術(shù)

重金屬污染土壤微生物修復(fù)是利用微生物的生物活性對重金屬的親和吸附或轉(zhuǎn)化為低毒產(chǎn)物，從而降低重金屬的污染程度，或通過微生物來促進(jìn)植物對重金屬的吸收等其他修復(fù)過程。重金屬污染的微生物修復(fù)包含兩個(gè)方面的技術(shù)，即生物吸附和生物氧化、還原。前者是重金屬被活的或死的生物體所吸附的過程；后者則是利用微生物改變重金屬離子的氧化、還原狀態(tài)來降低環(huán)境和水體中的重金屬水平。

3.1.3 重金屬污染土壤低等動(dòng)物修復(fù)技術(shù)

低等動(dòng)物修復(fù)是利用土壤中的某些低等動(dòng)物的活動(dòng)改變重金屬在土壤中的存在形態(tài)、或者直接吸收土壤中的重金屬，以達(dá)到修復(fù)效果。如張冬明等通過用中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物與環(huán)境保護(hù)研究所提供的赤子愛勝蚓（Eisenia foetida）和海南省典型的磚紅壤為研究材料對磚紅壤中Pb的形態(tài)研究表明蚯蚓活動(dòng)降低了殘?jiān)鼞B(tài)Pb含量，顯著提高了土壤交換態(tài)、無定形氧化鐵結(jié)合態(tài)含量，蚯蚓活動(dòng)可以顯著提高Pb污染土壤的修復(fù)效率[13]。由此表明蚯蚓能夠改變土壤中Pb的形態(tài)分配和能直接吸收Zn和Cd，對重金屬污染土壤修復(fù)有開發(fā)前景。endprint

3.1.4 重金屬污染土壤物理修復(fù)技術(shù)

物理修復(fù)技術(shù)通過物理手段用清潔土壤更換被污染土壤或部分更換被污染土壤，使污染物濃度降低到臨界危害濃度以下或阻礙污染物與植物根系接觸，從而阻礙重金屬在食物鏈中的傳遞。物理修復(fù)過程中常用的方法是客土法。日本神通川地區(qū)的鎘污染土壤，截至1997年共有646 hm2土地用物理修復(fù)方法進(jìn)行了修復(fù)。客土法修復(fù)重金屬污染土壤效果好、直接、完全徹底，但也存在實(shí)施費(fèi)用高、客土來源和污染土壤去向難以解決等困難，經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)地區(qū)難以承受，難以大面積開展修復(fù)。

3.1.5 重金屬污染土壤化學(xué)修復(fù)技術(shù)

化學(xué)修復(fù)方法通過向土壤中添加一定的化學(xué)修復(fù)劑或用電化學(xué)的方法改變重金屬元素在土壤中的存在形態(tài)、分布特征及遷移性。一方面通過向土壤中加入一些表面活性劑或螯合劑，增加重金屬的生物有效性，結(jié)合植物修復(fù)技術(shù)或直接清除的方式達(dá)到對土壤的清潔作用；另外可以向土壤中加入化學(xué)固定劑和穩(wěn)定劑，減少其向植物體累運(yùn)輸，直接阻斷重金屬在食物鏈中的傳遞，從而減輕其給人類帶來的傷害；再次利用電化學(xué)原理和方法，通過電流作用誘導(dǎo)重金屬粒子向電極一端聚集，再將其清除。與其它修復(fù)方法相比，化學(xué)修復(fù)方法具有操手段多，效率高，見效快，方便大規(guī)模開展修復(fù)等優(yōu)點(diǎn)而在很多污染土壤修復(fù)工程中應(yīng)用。常用的化學(xué)修復(fù)方法有：淋洗一提取法、固定穩(wěn)定法、電動(dòng)法。各種具體修復(fù)方法都有其具體的實(shí)施條件和過程，下面分別給予介紹。

3.2 淋洗-提取法

土壤淋洗技術(shù)是通過離子交換、吸附與螯合作用將土壤固相中的重金屬轉(zhuǎn)移到土壤液相中，然后處理其廢水，回收重金屬和提取劑，或者結(jié)合植物修復(fù)技術(shù)將重金屬從土壤中分離出來。淋洗法具有方法簡便、處理量大、見效快等優(yōu)點(diǎn)，適用于大面積、重度污染的治理。特別適用于輕質(zhì)土和砂質(zhì)土，但對滲透系數(shù)很低的土壤效果不好。但是有些提取劑在使用過程中也存在負(fù)面因素：無機(jī)酸沖洗污染土壤時(shí)，會(huì)破壞土壤的理化性質(zhì)，大量土壤養(yǎng)分淋失，破壞土壤微團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)；人工螯合劑又比較昂貴，修復(fù)成本高，（如EDTA）含有重金屬螯合劑的回收上也還存在很多未解決的問題，易對土壤造成二次污染。沖洗劑最好選擇自然來源的，如酒石酸、檸檬酸等，天然有機(jī)酸除對重金屬有一定的清除能力外，其生物降解性也好，對環(huán)境無污染。

3.3 固定穩(wěn)定法

固定穩(wěn)定法是向土壤中添加一些化學(xué)固定穩(wěn)定劑，改變重金屬的形態(tài)， 降低土壤污染物的水溶性、擴(kuò)散性和生物有效性，從而降低它們進(jìn)入植物體、微生物體和水體的能力，減輕對生態(tài)系統(tǒng)的危害。常用的固定穩(wěn)定劑有磷酸鹽類化合物、石灰、高爐渣、礦渣、粉煤灰、腐殖酸類肥料、有機(jī)肥料、氧化劑、還原劑等。受重金屬污染的酸性土壤，施用石灰、高爐渣、礦渣、粉煤灰等堿性物質(zhì)，或配施鈣鎂磷肥、硅肥等堿性肥料，能降低重金屬的溶解度，從而可有效地減少重金屬對土壤的不良影響，降低植物體的重金屬濃度。同時(shí)也可以向土壤中施用腐殖酸類肥料、有機(jī)肥料、氧化劑、還原劑等，都可以降低污染物的毒性。固定穩(wěn)定修復(fù)法修復(fù)過程中土壤結(jié)構(gòu)不受擾動(dòng)，大部分添加劑便宜易得、種類多可適當(dāng)選擇，適于大面積地區(qū)操作。

3.4 電動(dòng)修復(fù)法

電動(dòng)修復(fù)法主要是根據(jù)電化學(xué)原理及電解池原理，具有類似性質(zhì)的重金屬離子通過電遷移、電滲流或電泳的途徑向電極的一端集聚。并通過進(jìn)一步的處理從而實(shí)現(xiàn)污染土壤樣品的減污或清潔。這種修復(fù)方法具有處理成本低、修復(fù)效率高、后處理方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，有非常好的應(yīng)用前景。但電動(dòng)修復(fù)技術(shù)在重金屬污染土壤修復(fù)的研究起步晚，有關(guān)這方面的報(bào)道少。同時(shí)該方法必須在酸性土壤條件下進(jìn)行，在調(diào)節(jié)土壤酸性時(shí)會(huì)同時(shí)帶來對土壤理化性質(zhì)的破壞。

4 結(jié)語

重金屬土壤污染的普遍性決定了土壤重金屬污染修復(fù)的緊迫性和必要性，隱蔽性、滯后性、累積性、地域性、不可逆轉(zhuǎn)性和治理難而且周期長等特性又決定修復(fù)工作面臨重大挑戰(zhàn)。上文中介紹的各種修復(fù)手段都有自身的優(yōu)缺點(diǎn)，如能將各種修復(fù)方法很好地實(shí)現(xiàn)整合，特別是植物修復(fù)、微生物修復(fù)和化學(xué)修復(fù)方法的整合必然能更有效更經(jīng)濟(jì)地對污染土壤進(jìn)行修復(fù)。同時(shí)尋找和培育大生物量超積累植物，尋找和培育比傳統(tǒng)修復(fù)微生物修復(fù)效果好的微生物，開發(fā)新型廉價(jià)化學(xué)修復(fù)劑，為重金屬污染土壤修復(fù)工程提供更多物質(zhì)和技術(shù)保障，人類修復(fù)重金屬污染土壤必將成為一件容易的事。

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