農(nóng)田重金屬污染防治技術(shù)探討

鄒 照，劉勝?gòu)?qiáng)，任雪菲，尹 濤，葉明強(qiáng)

（1.凱天環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?，長(zhǎng)沙 410100；2.南方稻田重金屬污染防治湖南省工程研究中心，長(zhǎng)沙 41010）

農(nóng)田重金屬污染防治技術(shù)探討

鄒 照1,2，劉勝?gòu)?qiáng)1,2，任雪菲1,2，尹 濤1,2，葉明強(qiáng)1,2

（1.凱天環(huán)?？萍脊煞萦邢薰荆L(zhǎng)沙 410100；2.南方稻田重金屬污染防治湖南省工程研究中心，長(zhǎng)沙 41010）

農(nóng)田重金屬污染防治關(guān)乎人民群眾的切身利益，構(gòu)建農(nóng)田重金屬污染綜合防治技術(shù)和實(shí)用模式具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。介紹了國(guó)內(nèi)外農(nóng)田重金屬污染治理現(xiàn)狀及國(guó)內(nèi)重金屬污染治理存在的不足，并對(duì)農(nóng)田重金屬污染防治技術(shù)進(jìn)行了探討和展望。

農(nóng)田；重金屬污染；植物修復(fù)；聯(lián)合修復(fù)

1 前言

隨著我國(guó)城市化、工業(yè)化進(jìn)程的加快，重金屬污染對(duì)農(nóng)業(yè)構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。根據(jù)2014年《全國(guó)土壤重金屬污染狀況調(diào)查公報(bào)》，我國(guó)約有3億畝耕地受到了重金屬污染，其中5000萬(wàn)畝的耕地污染程度達(dá)到了中度和重度污染程度，而且大多分布在南方經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)及魚(yú)米之鄉(xiāng)。

農(nóng)田重金屬污染帶來(lái)的直接后果是農(nóng)田質(zhì)量下降，導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量下降，出口受限，同時(shí)給人體健康帶來(lái)危害。據(jù)環(huán)保部門估算，耕地重金屬污染導(dǎo)致每年糧食減產(chǎn)1000多萬(wàn)噸，受污染糧食多達(dá)1200多萬(wàn)噸，經(jīng)濟(jì)損失至少有200億元。我國(guó)土壤污染日益加劇的趨勢(shì)可能還要持續(xù)30年，而且還在轉(zhuǎn)移擴(kuò)散，修復(fù)資金需求超過(guò)數(shù)萬(wàn)億元[1、2]。

目前，農(nóng)田重金屬污染出現(xiàn)了由礦區(qū)向農(nóng)區(qū)轉(zhuǎn)移、由城郊向鄉(xiāng)村伸延、由上游向下游轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)，同時(shí)出現(xiàn)了重金屬污染從水土鏈向食物鏈延伸的現(xiàn)象。這意味著農(nóng)田重金屬污染正由逐步積累的過(guò)程開(kāi)始進(jìn)入突發(fā)性、連鎖性、區(qū)域性爆發(fā)的階段，應(yīng)引起高度重視，農(nóng)田重金屬污染防治迫在眉睫[3]。

2 國(guó)內(nèi)外土壤修復(fù)技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r

農(nóng)田土壤修復(fù)技術(shù)在發(fā)達(dá)國(guó)家已有幾十年歷史，這也是所有經(jīng)歷過(guò)工業(yè)化過(guò)程的國(guó)家都必須面對(duì)的問(wèn)題。鑒于土壤重金屬累積效應(yīng)會(huì)大大增加修復(fù)難度，因此對(duì)土壤污染關(guān)注得越早越有利[4]。

英國(guó)作為工業(yè)革命的發(fā)源地，從20世紀(jì)中期就開(kāi)始制定土壤污染控制和管理的法規(guī)，并開(kāi)展了土壤的改良和修復(fù)研究。作為最早提出利用超富集植物清除土壤重金屬污染的國(guó)家之一，目前英國(guó)已開(kāi)發(fā)出多種耐重金屬污染的草本植物用于土壤修復(fù)，并通過(guò)材料庫(kù)的形式逐步開(kāi)始了商業(yè)化進(jìn)程。

在日本，土壤修復(fù)已是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要組成部分，1970年頒布的《農(nóng)用地土壤污染防治法》就將銅、鎘等金屬指定為特定有害物質(zhì)。僅神通川流域污染農(nóng)地修復(fù)工程，40年來(lái)的花費(fèi)就達(dá)到420億日元，這一工程目前仍在繼續(xù)。

美國(guó)1930年頒布《土壤保護(hù)法》，1990年頒布《棕色地塊法》，并對(duì)工廠搬遷后遺留的受污染土地的治理進(jìn)行了規(guī)范。

與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)對(duì)土壤污染和修復(fù)的關(guān)注起步較晚，目前已到了必須加速的階段。國(guó)內(nèi)在1983年對(duì)主要類型的土壤環(huán)境容量作過(guò)初步研究，提出研究土壤重金屬的生態(tài)效應(yīng)、臨界含量地帶性分布規(guī)律和分區(qū)等。目前，重金屬污染土壤修復(fù)技術(shù)的基本原理主要有固化作用和活化作用，圍繞這兩個(gè)方面，已相應(yīng)地提出了物理、化學(xué)和生物修復(fù)技術(shù)。主要用于農(nóng)田重金屬污染治理的技術(shù)包括植物修復(fù)技術(shù)、微生物修復(fù)技術(shù)、生態(tài)修復(fù)技術(shù)等。

3 我國(guó)土壤重金屬污染防治產(chǎn)業(yè)的困境

由于我國(guó)重金屬污染土壤修復(fù)歷史不長(zhǎng)，也存在一些問(wèn)題：污染程度和范圍調(diào)查精度不夠；污染暴露途徑判斷不準(zhǔn)確；修復(fù)技術(shù)和方案脫離污染實(shí)際；缺乏修復(fù)驗(yàn)收和修復(fù)完成后的環(huán)境監(jiān)管；具體修復(fù)技術(shù)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)不足，評(píng)估體系不完善等。我國(guó)治理土壤污染的成本高、周期長(zhǎng)、難度大。在具體修復(fù)技術(shù)應(yīng)用層面上，由于經(jīng)驗(yàn)不足和評(píng)估技術(shù)不完善等問(wèn)題，可能會(huì)出現(xiàn)修復(fù)過(guò)度、修復(fù)風(fēng)險(xiǎn)大、修復(fù)費(fèi)效比低等問(wèn)題。從全國(guó)的總體情況來(lái)看，現(xiàn)階段我國(guó)的技術(shù)儲(chǔ)備和技術(shù)人才都不夠充足，修復(fù)技術(shù)不成熟而導(dǎo)致受污染的土地難以修復(fù)。有些土壤修復(fù)項(xiàng)目加大投入但沒(méi)有取得相應(yīng)的效果，問(wèn)題在于當(dāng)前的修復(fù)技術(shù)不能夠滿足土壤修復(fù)工程和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的要求。

由于土壤重金屬污染的復(fù)雜性，有時(shí)靠單一方法難以修復(fù)土壤污染，需要采用多種技術(shù)進(jìn)行實(shí)際操作，特別是需要大量的資金和較長(zhǎng)的時(shí)間。采用一些物理、化學(xué)或生物的修復(fù)方法降低被污染土壤的風(fēng)險(xiǎn)或危害從而恢復(fù)其功能，降低其環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，總之具體采用何種技術(shù)進(jìn)行土壤修復(fù)，還需要各地因地制宜，根據(jù)實(shí)際情況制定適宜的解決方案。

我國(guó)已對(duì)重金屬污染土壤修復(fù)技術(shù)進(jìn)行了大量研究，并且已經(jīng)開(kāi)始實(shí)施相關(guān)的土壤重金屬污染修復(fù)工程，主要技術(shù)包括阻隔填埋、固化／穩(wěn)定化、植物修復(fù)、土壤淋洗、熱解吸、原位鈍化修復(fù)、農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)。其中前三種技術(shù)在國(guó)內(nèi)已有成功的工程案例，土壤淋洗和汞污染土壤熱解吸已進(jìn)行工程示范。在選擇重金屬污染土壤修復(fù)技術(shù)時(shí)，應(yīng)根據(jù)受重金屬污染土壤的理化性質(zhì)、污染程度、修復(fù)目標(biāo)、治理經(jīng)費(fèi)、治理期限以及技術(shù)方法的適用范圍等因素進(jìn)行綜合考慮，以選擇最佳的技術(shù)方法或綜合修復(fù)方式。

現(xiàn)有的污染修復(fù)技術(shù)大多還處于實(shí)驗(yàn)階段，有些只適用于實(shí)驗(yàn)室的小規(guī)模實(shí)驗(yàn)以及田間試驗(yàn)，或有的修復(fù)技術(shù)未結(jié)合農(nóng)田土壤污染實(shí)際，成本高，操作復(fù)雜，未與水稻育種、種植結(jié)合，造成修復(fù)后的農(nóng)田種植水稻出現(xiàn)問(wèn)題，與工程的實(shí)際推廣尚有一定的差距。

4 農(nóng)田重金屬污染防治技術(shù)探討和展望

為防治我國(guó)農(nóng)田重金屬污染，解決稻米Cd超標(biāo)等問(wèn)題，開(kāi)展農(nóng)田重金屬污染防治技術(shù)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用勢(shì)在必行。

4.1 農(nóng)田灌溉水源頭防控技術(shù)

針對(duì)農(nóng)田灌溉水污染情況，通過(guò)對(duì)農(nóng)田灌溉水源頭的監(jiān)測(cè)，對(duì)其源頭的灌溉水、尾礦庫(kù)區(qū)水源等進(jìn)行相應(yīng)的治理，從而達(dá)到從源頭上控制農(nóng)田重金屬污染。

為防止污染水灌溉造成農(nóng)田土壤污染，采用“高效重金屬凈化劑”凈化重金屬污染灌溉水，利用高效重金屬凈化劑與重金屬離子進(jìn)行配合反應(yīng)，通過(guò)調(diào)節(jié)pH值，使重金屬離子通過(guò)高效沉淀得以深度凈化，水處理效果顯著[6]。該技術(shù)具有抗重金屬?zèng)_擊負(fù)荷強(qiáng)，可同時(shí)高效、穩(wěn)定、深度脫除多種重金屬離子；不受污水酸度和溫度的影響，處理高效；鈣、氟離子脫除高效，凈化水中鈣離子濃度可控；出水濃度遠(yuǎn)低于行業(yè)排放限值；處理成本低等優(yōu)點(diǎn)。該技術(shù)的應(yīng)用，能有效治理灌溉水中重金屬污染，從源頭防控農(nóng)田重金屬污染。

4.2 土壤洗脫技術(shù)

土壤淋洗是土壤修復(fù)技術(shù)之一，有廣闊的應(yīng)用前景。土壤洗脫技術(shù)工藝流程簡(jiǎn)單，可適用于農(nóng)田土壤Cd、Pb等重金屬污染治理。

該技術(shù)采取減量濃縮工藝，利用洗脫劑將土壤中的重金屬洗出來(lái)，然后將洗出液回收，通過(guò)淋洗裝置回收洗出液中的重金屬使洗脫劑可以再生利用。該技術(shù)的關(guān)鍵在于洗脫劑的選取和洗脫劑再生的淋洗裝置[7]。該裝備處理后可使土壤中的重金屬污染物去除率不低于60%，而且洗脫劑可再生利用，可大大降低應(yīng)用成本。

4.3 原位鈍化修復(fù)技術(shù)

原位鈍化修復(fù)技術(shù)是一種經(jīng)濟(jì)高效的面源污染治理技術(shù)，符合我國(guó)可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展的需要。尤其對(duì)于中輕度重金屬污染的農(nóng)田，可實(shí)現(xiàn)“邊生產(chǎn)邊修復(fù)”，在保證農(nóng)產(chǎn)品安全的前提下實(shí)現(xiàn)正常的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，大大降低了修復(fù)成本，具有較好的應(yīng)用前景。

該技術(shù)根據(jù)農(nóng)田土壤中重金屬的種類、含量、形態(tài)等因素，配置重金屬穩(wěn)定化藥劑，通過(guò)添加穩(wěn)定化藥劑，與土壤中重金屬發(fā)生氧化還原反應(yīng)、共沉淀反應(yīng)、分子鍵合反應(yīng)和礦化作用，將土壤中的離子態(tài)、碳酸鹽和鐵錳氧化態(tài)的重金屬轉(zhuǎn)化為殘?jiān)鼞B(tài)的重金屬，包括重金屬的單質(zhì)形態(tài)、多金屬羥基共沉淀物形態(tài)、硅酸鹽和硅鋁酸鹽形態(tài)等。通過(guò)鈍化技術(shù)顯著降低土壤中重金屬的生物有效性，阻止重金屬向農(nóng)作物地上部遷移，降低農(nóng)作物中重金屬的含量，保障糧食作物的安全生產(chǎn)[8、9]。

4.4 “離子反應(yīng)+生物降解”復(fù)合治理技術(shù)

“離子反應(yīng)”主要是利用藥劑與重金屬充分地快速反應(yīng)，形成無(wú)害化物質(zhì)；“生物降解”是利用特定的土壤微生物菌種在土壤中快速繁殖，通過(guò)微生物的酶等讓重金屬污染離子與藥劑進(jìn)一步充分反應(yīng)，還可以改善土壤條件、增強(qiáng)土壤肥力等[10]。將兩種技術(shù)優(yōu)化，復(fù)合用于農(nóng)田土壤重金屬污染治理，具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。該技術(shù)施工簡(jiǎn)單、反應(yīng)均勻、效果顯著且環(huán)境友好，是農(nóng)田土壤重金屬污染治理的一項(xiàng)實(shí)用技術(shù)。

4.5 植物修復(fù)技術(shù)

植物修復(fù)技術(shù)是一種用于清除環(huán)境中有毒有害污染物的綠色修復(fù)技術(shù)，擁有原位性、成本低、環(huán)境友好、不破壞土壤結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，還可以改善土壤生態(tài)環(huán)境，適合于重金屬中輕度污染土壤的修復(fù)，也可實(shí)現(xiàn)“邊生產(chǎn)邊修復(fù)”[11]。目前我國(guó)重金屬污染土壤植物修復(fù)仍處于研究和小規(guī)模的示范階段，但集眾多優(yōu)點(diǎn)的植物修復(fù)技術(shù)在農(nóng)田土壤修復(fù)方面將有廣闊的應(yīng)用前景。

4.6 低累積水稻品種篩選聯(lián)合原位鈍化修復(fù)

利用水稻吸收和累積重金屬的種類或品種間的差異，采用對(duì)重金屬具有低累積的品種，在重金屬輕中度污染的土壤上進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，以得到重金屬含量達(dá)標(biāo)的農(nóng)產(chǎn)品，是輕中度重金屬污染土壤上持續(xù)生產(chǎn)安全農(nóng)產(chǎn)品的一條經(jīng)濟(jì)、有效的途徑，是國(guó)際上新的研究方向[12]。

通過(guò)培養(yǎng)選育重金屬低累積型作物品種，結(jié)合作物對(duì)重金屬的吸收規(guī)律和機(jī)理，原位添加鈍化劑降低土壤重金屬的活性，利用重金屬低量累積型的農(nóng)作物在重金屬輕中度污染的土壤上進(jìn)行農(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)。

4.7 穩(wěn)定化修復(fù)與農(nóng)藝調(diào)控復(fù)合修復(fù)技術(shù)

利用固化穩(wěn)定化藥劑與土壤通過(guò)物理或化學(xué)的方法，將土壤中的有毒重金屬固定起來(lái)，或者將重金屬轉(zhuǎn)化成化學(xué)性質(zhì)不活潑的形態(tài)，阻止其在環(huán)境中遷移擴(kuò)散。

高效的固化穩(wěn)定化劑可降低土壤中重金屬的活性，固化劑可通過(guò)物理化學(xué)方法包裹固定土壤中的重金屬。固化穩(wěn)定化技術(shù)在重金屬污染廢渣治理和重金屬污染場(chǎng)地修復(fù)上的應(yīng)用效果非常顯著。在農(nóng)田土壤重金屬污染修復(fù)上，采用穩(wěn)定化劑降低土壤中重金屬的活性，將重金屬的活化態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉腔罨瘧B(tài)，降低其在土壤中的遷移能力，再結(jié)合農(nóng)藝生態(tài)調(diào)控技術(shù)，通過(guò)合理的水分管理、肥料管理及耕作制度調(diào)整等措施來(lái)降低作物對(duì)重金屬的吸收和累積，可實(shí)現(xiàn)作物中重金屬含量達(dá)標(biāo)生產(chǎn)，有效降低重金屬進(jìn)入食物鏈的風(fēng)險(xiǎn)[13]。

5 結(jié)論

土壤污染尤其是農(nóng)田重金屬污染嚴(yán)重威脅人類健康和農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。農(nóng)田重金屬污染不僅增加了環(huán)境保護(hù)治理成本，也使社會(huì)穩(wěn)定成本大增，而農(nóng)田重金屬污染修復(fù)所需的費(fèi)用更是天價(jià)，再加上我國(guó)目前土壤重金屬污染底數(shù)不清、土壤修復(fù)相關(guān)法律和標(biāo)準(zhǔn)缺失，土壤重金屬污染治理尤其是農(nóng)田的重金屬污染防治任重道遠(yuǎn)[14]。

重金屬污染防治是一個(gè)全球性的難題，而農(nóng)田重金屬污染防治更是難上加難。農(nóng)田重金屬污染治理是關(guān)乎廣大人民群眾切身利益的大事，構(gòu)建土壤重金屬尤其是農(nóng)田重金屬污染控制技術(shù)方法和實(shí)用模式，對(duì)確保糧食安全、維護(hù)社會(huì)穩(wěn)定、指導(dǎo)和推進(jìn)南方乃至全國(guó)稻米鎘污染防控等均有重要意義。

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Review on Prevention and Control Technology of Heavy Metal Pollution in Farmland

ZOU Zhao, LIU Sheng-qiang, REN Xue-fei, YIN Tao, YE Ming-qiang

X53

A

1006-5377（2017）01-0066-03