重金屬污染土壤原位修復(fù)技術(shù)進(jìn)展

盧利清+葉常茂

摘 要：土壤重金屬污染嚴(yán)重影響農(nóng)作物產(chǎn)品的安全，重金屬污染土壤修復(fù)一直是人們關(guān)注的重點(diǎn)。重金屬污染土壤原位修復(fù)技術(shù)是指不經(jīng)挖掘轉(zhuǎn)移土壤，直接在污染場(chǎng)地就地進(jìn)行修復(fù)的土壤修復(fù)技術(shù)，其具有處理成本低、對(duì)周邊環(huán)境影響小的特點(diǎn)，是土壤修復(fù)的熱點(diǎn)。該文對(duì)重金屬污染土壤原位修復(fù)技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，并針對(duì)重金屬污染土壤原位修復(fù)一些新技術(shù)進(jìn)行了介紹。

關(guān)鍵詞：土壤；重金屬污染；原位修復(fù)

中圖分類號(hào) X53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2017）21-0069-03

Current Progress on in Situ Remediation of Heavy Metal Contaminated Soil

Lu Liqing et al.

（Patent Examination Cooperation Center of the Patent Office，Sipo，Guangdong，Guangzhou510530）

Abstract：Heavy metal contamination in soil is seriously threating the grain production and food safety and remediation of heavy metal in soil is of great concern. Soil in situ remediation treats the contaminated soil without excavation and transformation. It has the advantages of low investment and has small impact on the surrounding. In this paper，some new technologies of in situ soil remediation are introduced.

Key words：Soil；Heave metal contamination；Situ remediation

由于工業(yè)“三廢”的排放和不合理的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)，導(dǎo)致我國(guó)土壤環(huán)境中的重金屬污染日趨嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)受鎘、砷、鉛等重金屬污染的耕地面積近2000萬(wàn)hm2，約占總耕地面積的1/5；重金屬污染對(duì)我國(guó)糧食生產(chǎn)造成了巨大經(jīng)濟(jì)損失。重金屬污染物一般具有較強(qiáng)的生物毒性，一旦進(jìn)入土壤環(huán)境就長(zhǎng)期累積，難以清除，不僅影響周圍環(huán)境的生態(tài)安全，還可以通過(guò)直接接觸和食物鏈等途徑，嚴(yán)重威脅人體健康和食品安全。因此，治理土壤重金屬污染已成為一個(gè)亟待解決的環(huán)境問(wèn)題。原位修復(fù)因其操作和成本上的優(yōu)越性，在面源重金屬污染治理中是首要選擇。

重金屬污染土壤原位修復(fù)技術(shù)包括物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)、植物修復(fù)、微生物修復(fù)、聯(lián)合修復(fù)等。

1 物理修復(fù)

物理原位修復(fù)重金屬污染土壤方法包括客土法、深耕翻土法等?？屯练ㄊ侵笇⒏蓛舻耐寥琅c污染土壤混合，以降低污染土壤中重金屬濃度。深耕翻土法，通過(guò)深翻污染土壤使重金屬分散到底層從而降低了重金屬的濃度[1]。

2 化學(xué)修復(fù)

化學(xué)修復(fù)技術(shù)包括化學(xué)鈍化修復(fù)、化學(xué)清洗修復(fù)和電動(dòng)修復(fù)等。原位化學(xué)鈍化修復(fù)技術(shù)是以化學(xué)物質(zhì)作為反應(yīng)劑，將土壤中的有害物質(zhì)變?yōu)榈投净蛳鄬?duì)穩(wěn)定的物質(zhì)，降低其對(duì)環(huán)境的危害。該技術(shù)的機(jī)理主要是通過(guò)化學(xué)試劑與重金屬污染土壤發(fā)生沉淀、吸附、離子交換、腐殖化以及氧化還原等一系列反應(yīng)，進(jìn)而改變重金屬的賦存形態(tài)，顯著降低其生物有效性和可遷移性。該方法具有簡(jiǎn)便、效果好和經(jīng)濟(jì)實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)而受到人們 的普遍重視，尤其適用于修復(fù)大面積污染土壤。常用的化學(xué)鈍化劑包括有：水泥、石灰、礦渣等無(wú)機(jī)粘結(jié)劑，瀝青等有機(jī)粘結(jié)劑，酚醛和環(huán)氧等熱硬化有機(jī)聚合物，玻璃質(zhì)物質(zhì)，磷灰石、蒙脫石等粘土礦物等。有較多的研究報(bào)道水泥、石灰、粉煤灰、磷灰石、 沸石、蒙脫石、凹凸棒土、高嶺土、蛭石、海泡石、鐵錳氧化物、硅酸鹽、鋼渣、堆肥、赤泥、納米吸附材料（如納米羥基磷灰石、改性納米炭黑、納米零價(jià)鐵等）等通過(guò)吸附、氧化還原、結(jié)晶等物理化學(xué)作用固定重金屬污染物，降低其活性[2-4]。

原位淋洗技術(shù)利用化學(xué)溶劑淋洗去除土壤污染物，通過(guò)淋洗劑與土壤污染物結(jié)合，并通過(guò)溶解、解吸或螯合等作用，使重金屬形成可遷移態(tài)化合物，再處理含污染物的廢水和廢液。淋洗劑主要有以下幾種：酸類（包括鹽酸等無(wú)機(jī)酸和檸檬酸等有機(jī)酸）、堿類（如NaOH）、鹽類（如磷酸二氫鉀等）、螯合劑（如EDTA等）、表面活性劑類等[5]。

電動(dòng)修復(fù)是將電極插入污染主壤并接入直流電，電解產(chǎn)生大量H+，使附著于土壤顆粒上的重金屬離子被替換下來(lái)，然后游離狀態(tài)的重金屬離子在電場(chǎng)作用下定向移動(dòng)并在電極附近積聚，最后將重金屬離子抽出處理，進(jìn)而修復(fù)污染土壤[6]。電動(dòng)修復(fù)法具有高效、無(wú)二次污染、節(jié)能、原位修復(fù)特點(diǎn)，故被稱為“綠色修復(fù)技術(shù)”。

3 植物修復(fù)

植物修復(fù)是指利用植物根系對(duì)重金屬離子進(jìn)行活化、吸收，然后轉(zhuǎn)移到植物的地上部分，進(jìn)而進(jìn)行集中回收并處理，植物修復(fù)技術(shù)雖然因其操作簡(jiǎn)便和環(huán)境友好而受到廣泛關(guān)注。重金屬污染土壤的植物修復(fù)技術(shù)根據(jù)其機(jī)理可分為植物穩(wěn)定、植物揮發(fā)、植物提取3種類型。植物穩(wěn)定是利用耐重金屬植物降低土壤中有毒金屬的移動(dòng)性，例如，印度芥菜（B.juncea）的根能使有毒的生物有效的Cr6+還原為低毒的、無(wú)生物有效性的Cr3+[7]；植物揮發(fā)是利用植物的吸收、積累和揮發(fā)而減少土壤中一些揮發(fā)性污染物，將污染物吸收到體內(nèi)后將其轉(zhuǎn)化為氣態(tài)物質(zhì)，釋放到大氣中[8]；植物提取是指利用重金屬超積累植物從土壤中吸取一種或幾種重金屬，并且將其轉(zhuǎn)移、貯存到地上部分，隨后收割地上部分集中處理，屬于這類重金屬超累積的植物研究已有很多。已發(fā)現(xiàn)的典型超積累植物有Streptanthus polygaloides，Alyssum pintodasilvae和Alyssum mark-graffii富集鎳，Brassica napus富集鋅，Arabidopsis halleri富集鋅和鎘等。我國(guó)也陸續(xù)找到了一些重金屬超富集植物包括蜈蚣草、寶山堇菜、蜀葵、龍葵、圓錐南芥、天胡荽等[9-10]，多數(shù)重金屬超富集植物只能積累1～2種重金屬，而實(shí)際情況大多為重金屬?gòu)?fù)合污染，因而尋找多種重金屬超富集植物是進(jìn)一步研究的方向。endprint

4 微生物修復(fù)

污染土壤的微生物修復(fù)技術(shù)是利用天然馴化或者人工構(gòu)建的微生物群落或其產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物使土壤中的污染物進(jìn)行降解和轉(zhuǎn)化，微生物修復(fù)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)環(huán)境凈化、生態(tài)效應(yīng)恢復(fù) 的生物措施，是重金屬污染土壤的環(huán)境友好型治理技術(shù)。微生物修復(fù)土壤重金屬污染的機(jī)理主要包括表面生物大分子吸收轉(zhuǎn)運(yùn)、生物吸附、細(xì)胞代謝、空泡吞飲、沉淀和氧化還原反應(yīng)。微生物修復(fù)技術(shù)中較常使用的微生物主要有細(xì)菌、真菌、放射菌、藻類等[11]。由于微生物對(duì)生存環(huán)境條件要求較嚴(yán)格，對(duì)于環(huán)境變化的耐受力不強(qiáng)，因而馴化篩選或通過(guò)基因重組等獲得耐重金屬濃度的菌種，提高菌群穩(wěn)定并具有高的毒物負(fù)荷是微生物修復(fù)的研究方向，很多研究也集中在采用復(fù)合的菌群對(duì)重金屬污染土壤進(jìn)行修復(fù)。如，劉學(xué)端等[12]提出將包括隱性嗜酸桿菌、皺褶假絲酵母菌、固氮醋酸桿菌、粘紅酵母菌和銅綠假單胞菌的微生物富集物菌液噴灑至鎘污染耕地中進(jìn)行修復(fù)。

5 聯(lián)合修復(fù)新技術(shù)

傳統(tǒng)修復(fù)技術(shù)都有不同程度的局限性?？屯练?、翻土法治標(biāo)不治本，且二次污染風(fēng)險(xiǎn)大，電動(dòng)修復(fù)技術(shù)只適用小面積污染，現(xiàn)場(chǎng)操作難度大并且不適用于滲透性較高、傳導(dǎo)性較差的土壤；化學(xué)修復(fù)技術(shù)易破壞土壤、有的需要廢液處理，成本高；植物修復(fù)技術(shù)耗時(shí)較長(zhǎng)、高濃度污染水平不利于植物生長(zhǎng)；微生物處理要考慮菌株的篩選，環(huán)境對(duì)微生物的變異作用等。同時(shí)，王壤污染并非只有單一重金屬污染物，大多含有多種重金屬污染，處理難度大。為解決這一問(wèn)題，發(fā)揮不同修復(fù)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展聯(lián)合的土壤修復(fù)技術(shù)就成為當(dāng)前土壤污染修復(fù)的熱點(diǎn)研究方向，以下介紹幾種原位修復(fù)的新技術(shù)。

郭紅巖[13]提出種原位淋洗-深層固定-植物修復(fù)聯(lián)合修復(fù)重金屬污染土壤修復(fù)方法，深耕土壤加入固定劑石灰，然后施加三氯化鐵淋洗劑，石灰與三氯化鐵反應(yīng)生成具有絮凝作用的氫氧化鐵使重金屬在深層固定，最后種植柳樹收割，完成對(duì)金屬污染土壤的修復(fù)。

曹平[14]提出構(gòu)建植物菌根蚯蚓微生態(tài)系統(tǒng)，在污染區(qū)域在中選擇菌根易侵染的植物，接種地表球囊霉，待菌根真菌侵染植物根系后，接種蚯蚓，通過(guò)對(duì)植物—菌根—蚯蚓微生態(tài)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與原位“栽植”、建立土壤重金屬原位鈍化和定點(diǎn)修復(fù)的技術(shù)，最終達(dá)到修復(fù)農(nóng)田土壤重金屬污染的目的。

魏俊富等[15]提出一種種鎘污染稻田原位快速修復(fù)的方法。向鎘污染稻田水中噴灑絡(luò)合劑水溶液，進(jìn)行旋耕混合，鎘離子從污染土壤中原位絡(luò)合溶出到稻田水中，迅速在稻田中投入具有更強(qiáng)螯合作用的螯合功能非織造布并不斷移動(dòng)使其充分競(jìng)爭(zhēng)吸附，重金屬鎘從液相水溶液中轉(zhuǎn)移到非織造布上，之后將非織造布取出，絡(luò)合劑同時(shí)得到釋放再生操作簡(jiǎn)單、成本低、修復(fù)效果高、修復(fù)周期短等。

Lingua等[16]等通過(guò)在重金屬污染土壤定植有叢枝菌根真菌AMF的成熟楊樹樹（Populus alba L.），AMF與宿主植物檢疫良好共生關(guān)系，AMF能夠?qū)⒅亟饘匐x子轉(zhuǎn)移至葉片中并改變植物細(xì)胞內(nèi)的代謝過(guò)程，從而提高植物對(duì)重金屬的耐受性。植物與微生物的聯(lián)合修復(fù)環(huán)境友好、不會(huì)造成土壤二次污染且修復(fù)效率高等特點(diǎn)，在重金屬污染土壤的治理方面展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景。

LIU XUEMEI等[17]提出生態(tài)堆修復(fù)有機(jī)物和/或重金屬污染土壤的方法，結(jié)合添加固定化微生物菌群的強(qiáng)化修復(fù)、種植植物的植物修復(fù)、生物堆修復(fù)三者進(jìn)行環(huán)境修復(fù)，包括以下步驟：（1）環(huán)境特異的微生物菌群組合，由污染基質(zhì)中的土著污染物降解菌、植物促生菌和/或能產(chǎn)生生物表面活性劑的微生物組成；（2）基質(zhì)預(yù)處理；（3）生態(tài)堆的建設(shè)；（4）在生態(tài)堆頂部播種修復(fù)植物。（下轉(zhuǎn)87頁(yè)）（上接70頁(yè)）該方法實(shí)現(xiàn)了目前國(guó)際上主導(dǎo)的綠色可持續(xù)性的修復(fù)。

5 結(jié)語(yǔ)

土壤重金屬原位修復(fù)涉及具體的污染情況、土壤環(huán)境，地質(zhì)條件等，處理復(fù)雜，沒用毫無(wú)缺陷的通用方法。土壤重金屬污染的防治和解決將是一個(gè)長(zhǎng)期性的艱巨問(wèn)題。從環(huán)境預(yù)防的角度出發(fā)，各國(guó)政府應(yīng)該不僅制定嚴(yán)格的環(huán)境保護(hù)法規(guī)，而且要落到實(shí)處，切實(shí)杜絕新的環(huán)境污染問(wèn)題發(fā)生。從環(huán)境治理的角度，新型的高效經(jīng)濟(jì)的土壤修復(fù)技術(shù)有待進(jìn)一步研究開發(fā)。

參考文獻(xiàn)

[1]黃益宗，郝曉偉，雷鳴，等.重金屬污染土壤修復(fù)技術(shù)及其修復(fù)實(shí)踐[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2013，32（3）：409-417.

[2]陳夢(mèng)舫.我國(guó)工業(yè)污染場(chǎng)地土壤與地下水重金屬修復(fù)技術(shù)綜述[J].中國(guó)科學(xué)院院刊， 2014，29（3）：327-335.

[3]Chen Q Y，Tyrer M， Hills C D，et al.Immobilisation of heavy metal in cement-based solidification/stabilization：A review[J].Waste Managet，2009，29（1）：390-403.

[4]成杰民.改性納米黑碳應(yīng)用于鈍化修復(fù)重金屬污染土壤中的問(wèn)題探討[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2011，30（1）：7-13.

[5]Dermont G，Bergeron M，Mercier G，et al.Soil washing for metal removal：A review of physical/chemical technologies and field applications[J].Journal of Hazardous Materials，2008，152（1）：1-31.

[6]李社鋒，李先旺，朱文淵，等.污染場(chǎng)地土壤修復(fù)技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)經(jīng)營(yíng)模式分析[J].環(huán)境工程，2013，31（6）：96-99.

[7]Salt DE，Blaylock M，Kumar NP，et al.Phytoremediation：A noval strategy for the removal of toxic metals from the environment using plants[J].Nature Biotechnology，1995，13：468-474endprint

[8]Watanabe ME.Phytoremediation on the brink of commercialization[J].Environment Science & Technology，1997，31（4）：182-186.

[9]湯葉濤，仇榮亮，曾曉雯，等.一種新的多金屬超富集植物：圓錐南芥（Arabis paniculata L.）[J].中山大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2005，44（4）：135-136.

[10]彭克儉，陳燦，姜蘋紅，等.多年生草本植物天胡荽在富集提取污染土壤中的鎘及其他重金屬中的應(yīng)用.CN：104759455[P].2015-07-08.

[11]徐良將，張明禮，楊浩.土壤重金屬鎘污染的生物修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展[J].南京師大學(xué)報(bào)（ 自然科學(xué)版），2011，34（1）：102-106.

[12]劉學(xué)端，柏連陽(yáng)，劉宏偉等.一種基于微生物轉(zhuǎn)化的鎘污染耕地原位快速修復(fù)方法.CN：107020295[P].2017-08-08.

[13]郭紅巖，王國(guó)兵，艾弗遜等.一種聯(lián)合修復(fù)重金屬污染土壤的方法.CN：107138511[P].2017-09-08.

[14]曹平.一種蚯蚓微宇宙系統(tǒng)修復(fù)重金屬的方法.CN：106391683[P].2017-02-15.

[15]魏俊富，崔莉，孔志云，等.一種基于競(jìng)爭(zhēng)吸附的鎘污染稻田的原位快速修復(fù)方法.CN：104874601[P]. 2015-09-02.

[16]Lingua G，Bona E，Todeschini V，et al. Effects of heavy metals and arbuscular mycorrhiza on the leaf proteome of a selected poplar clone：a time course analysis[J].PloS one，2012，7（ 6）：e38662.

[17]XUMMEI LIU，KIERAN GERMAINE，DAVID RYAN，et al. A process for the remediation of hydrocarbons and/or heavy metal contaminated soil/sludge sediment.IES：20140311[P].2016-02-24. （責(zé)編：張宏民）endprint