Cd污染土壤修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展

摘要：隨著工業(yè)化和城市化的加快，我國(guó)面臨的重金屬污染尤其是Cd污染問題日益嚴(yán)峻。本文在分析了中國(guó)當(dāng)前土壤Cd污染現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，回顧了關(guān)于鎘污染控制及其防治研究的現(xiàn)狀，重點(diǎn)介紹了鎘污染治理途徑包括物理法、化學(xué)法、生物法等多種修復(fù)技術(shù)及其原理、優(yōu)缺點(diǎn)與可行性，并對(duì)Cd污染土壤修復(fù)技術(shù)的未來發(fā)展進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：Cd；土壤污染；修復(fù)技術(shù)

中圖分類號(hào)：X53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-672X（2018）05-0095-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2018.05.056

Abstract： With the acceleration of industrialization and urbanization， the problem of heavy metal pollution， especially Cd pollution， is increasingly serious in China. Based on the analysis of current status of soil Cd pollution in China， this article reviews the current status of studies on cadmium pollution control and its prevention and control， and highlights the ways in which cadmium pollution can be treated， including physical， chemical， biological， and other remediation technologies. ， advantages and disadvantages and feasibility， as well as prospects for the future development of Cd-contaminated soil remediation technology.

Keywords： Cd； Soil pollution； Repair technology

土壤是人類活動(dòng)的重要載體，但隨著工業(yè)的發(fā)展，土壤已經(jīng)被重金屬污染越來越嚴(yán)重。土壤中的重金屬元素通過物質(zhì)轉(zhuǎn)化、植物吸收，最后通過食物鏈富集到人體中，給人類健康帶來極大危害。

在所有重金屬污染中，以Cd污染最為嚴(yán)重，土壤中的Cd污染主要是指Cd2+及其化合物的污染[1]。Xu等人[2]在長(zhǎng)三角地區(qū)采集的157個(gè)土壤樣品中，檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)Cr、Zn、Pb、Cd、Cu對(duì)土壤造成不同程度的污染，其中Cd污染最為嚴(yán)重；同時(shí)在劉春早等人[3]采集72個(gè)沿湘江流域土壤樣品中，發(fā)現(xiàn)Cd的污染超標(biāo)率更是高達(dá)26.45%。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)Cd污染的耕地面積已達(dá)130萬畝，涉及11個(gè)省25個(gè)地區(qū)[4]。土壤中的Cd會(huì)隨著食物鏈進(jìn)入人體中，長(zhǎng)期食用Cd超標(biāo)食物將會(huì)造成“痛痛病”。我國(guó)如此大面積的土壤被Cd污染，給我國(guó)人民健康帶來的危害將會(huì)是巨大的。因此，我國(guó)的Cd土壤污染問題已經(jīng)迫在眉睫，必須得到有效修復(fù)。Cd污染土壤的修復(fù)原理基本可以總結(jié)為兩類：一種是將Cd從被污染的土壤中清除，使其殘留在土壤中的濃度達(dá)到或低于背景值；一種是改變Cd在土壤中的存在形態(tài)，降低其在環(huán)境中的遷移能力和生物利用能力。Cd污染土壤修復(fù)技術(shù)種類繁多，本文根據(jù)這兩種修復(fù)原理將通過物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)、生物修復(fù)三個(gè)方面來闡述近年來Cd污染土壤修復(fù)技術(shù)的研究進(jìn)展，并對(duì)其進(jìn)行了展望。

1 修復(fù)技術(shù)

1.1 物理法

物理法是通過不改變金屬化學(xué)形態(tài)的手段來完成土壤修復(fù)的方法。物理法主要包含換土法、電動(dòng)修復(fù)法以及玻璃化修復(fù)法等。

1.1.1 換土法

顧名思義，換土法主要是利用無污染土壤全部或者部分替換污染土壤，稀釋污染物溶度，增加土壤環(huán)境容量從而修復(fù)土壤的方法。

換土法又分為換土、翻土和客土等3種方法。1）換土法是指用新的清潔土壤替換污染土壤的方法。因?yàn)樵摲椒ū旧淼木窒扌?，只適用于小面積污染土壤的修復(fù)，一般會(huì)產(chǎn)生二次污染。2）翻土法就是深翻土壤，使得表面的污染物分散到深處，從而稀釋和自然降解污染物的方法。我國(guó)曾利用此方法對(duì)桃圓縣中福地區(qū)Cd污染土壤進(jìn)行修復(fù)，利用地下層30-150cm的土壤與表面30cm的污染土壤混合處理，達(dá)到修復(fù)土壤的目的。經(jīng)過修復(fù)，原來污染土壤中的Cd濃度由超標(biāo)的1～5mg/kg稀釋到了標(biāo)準(zhǔn)溶度以下（Cd<1 mg/kg）。經(jīng)過連續(xù)4期的水稻試種試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)稻米中Cd的含量均符合衛(wèi)生安全標(biāo)準(zhǔn)。此方法最大的缺點(diǎn)是對(duì)高溶度污染的土壤難以處理，且處理完的土壤會(huì)到地下水有一定的危害。3）客土法是在污染土壤中加入大量清潔土壤，通過覆蓋或者混勻等方法使得污染物溶度降低的方法。據(jù)報(bào)道，日本大約有87.2%污染土壤利用此方法得到了有效處理，恢復(fù)了農(nóng)業(yè)用途。換土法雖然能有效地將污染土壤與生態(tài)系統(tǒng)隔離，減少環(huán)境污染，但該方法一般工程量較大、費(fèi)用較高，且會(huì)造成二次污染，相對(duì)而言更適合小面積、污染較嚴(yán)重土壤。

1.1.2 電動(dòng)修復(fù)法

電動(dòng)修復(fù)法是指在污染土壤兩邊施加電壓形成電場(chǎng)梯度，帶電污染物可通過電遷移、電滲流或電泳等途徑遷移到兩極處理室中，再通過進(jìn)一步處理實(shí)現(xiàn)污染土壤的修復(fù)。周東美等人研究結(jié)果表明，在土壤中具有低滲透性的Cd通過電動(dòng)修復(fù)法會(huì)有比較好的處理效果。

1.1.3 玻璃化法

玻璃化法是指將污染土壤在高溫高壓下退火，使得污染物與土壤一同被煉化，形成玻璃態(tài)的無定型物質(zhì)。形成的物質(zhì)非常穩(wěn)定，一般條件下難以被改變。該方法常用于放射性重金屬污染土壤的修復(fù)，或重污染土壤的應(yīng)急修復(fù)。但是玻璃化法修復(fù)后的土壤已失去土壤基本功能、難以進(jìn)行耕種、且煉化所需成本偏高導(dǎo)致難以推廣使用等缺點(diǎn)。

1.2 化學(xué)法

化學(xué)修復(fù)法利用化學(xué)處理手段修復(fù)污染土壤的方法，主要方法有添加改性劑、抑制劑等化學(xué)物質(zhì)，來改變土壤的化學(xué)行為，降低土壤污染物的水溶性、生物有效性和擴(kuò)散性，達(dá)到降低土壤重金屬毒性，減少土污染壤對(duì)生態(tài)和環(huán)境的污染。可分為化學(xué)淋洗、化學(xué)穩(wěn)定等。

1.2.1 化學(xué)淋洗

化學(xué)淋洗是指使用清水、化學(xué)試劑、氣體或者其他流體沖洗土壤，通過離子交換、沉淀、吸附或螯合等一系列協(xié)同作用將土壤中的重金屬轉(zhuǎn)移至液相，然后再對(duì)淋洗液作進(jìn)一步處理使重金屬和淋洗液被回收的方法。通過化學(xué)淋洗技術(shù)處理Cd污染土壤研究中，劉云國(guó)等[5]的研究結(jié)果表明，EDTA對(duì)Cd螯合作用的萃取率最高可達(dá)59.62%；Hong等[6]利用有機(jī)的皂角苷溶液清洗Cd污染土壤中，發(fā)現(xiàn)其對(duì) Cd的去除率可達(dá)90%～100%。

1.2.2 化學(xué)穩(wěn)定法

與化學(xué)淋洗的原理相反，化學(xué)穩(wěn)定法是指向污染土壤中加入化學(xué)試劑或材料，利用其與重金屬形成低溶解度或移動(dòng)性差、毒性小的物質(zhì)來降低土壤中重金屬的污染性，實(shí)現(xiàn)重金屬污染土壤的修復(fù)。在一系列化學(xué)穩(wěn)定土壤中Cd的研究報(bào)告中，周衛(wèi)等[7]的玉米盆栽實(shí)驗(yàn)研究表明，添加污染土壤質(zhì)量含量0.05%～0.2%的碳酸鈣，能使土壤中重金屬Cd的含量下降19.4%～54.2%，玉米的根、莖、葉中Cd的含量分別下降16.9%～44.8%、18.4%～48.7%、17.6%～49.3%；Basta N T 和Mc Gowen S L等使用化學(xué)穩(wěn)定法處理某礦山的污染土壤。當(dāng)添加的DAP溶度為10g/kg土壤時(shí)，Cd的固定能力最佳，可達(dá)到94.6%，顯著降低了Cd遷移污染風(fēng)險(xiǎn)[8]。化學(xué)穩(wěn)定為低濃度Cd污染土壤修復(fù)提供了可能，但穩(wěn)定在土壤中的Cd沒有實(shí)現(xiàn)本質(zhì)的去除，可能會(huì)隨環(huán)境條件的改變，生物有效性也可能發(fā)生變化。

1.3 生物法

生物法可分為植物修復(fù)法、動(dòng)物修復(fù)法、微生物修復(fù)法。

1.3.1 植物修復(fù)

植物修復(fù)法是指利用植物對(duì)土壤中的Cd進(jìn)行固化和吸收，以清除土壤中Cd或使其有害性得以降低或消除的方法。

Murakami M等[9]用耐Cd的秈稻進(jìn)行Cd的污染水稻田的田間試種表明，收獲后可回收883gCd /ha，分析發(fā)現(xiàn)水稻田里的Cd含量降低了38%，治理后田間試種試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)的稻谷沒有減產(chǎn)的現(xiàn)象，且稻谷里Cd含量降低了47%；Julie K J等[10]把柳枝植種在哥本哈根回收中心的一塊Cd中度污染土地上。一個(gè)周期內(nèi)（1a），從收集的柳枝中提取了0.13%的Cd，雖然提取的重金屬總量較低，但研究發(fā)現(xiàn)，柳枝提取的都是Cd污染土壤中對(duì)環(huán)境危害最大的水溶性Cd。

1.3.2 微生物修復(fù)法

微生物主要是通過改變土壤中Cd物化特性進(jìn)而影響其在環(huán)境中的遷移與轉(zhuǎn)化。Jones等[11]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在土壤中加入1mg/kg、10mg/kg、100mg/kg Cd時(shí)，菌根化植物吸收Cd的量比非菌根化植物分別提高了90%、127%和131%。該研究說明，微生物可以促進(jìn)植物對(duì)Cd的吸收。

1.3.3 動(dòng)物修復(fù)法

動(dòng)物修復(fù)法是指利用土壤環(huán)境中的某些低等動(dòng)物能吸收重金屬的特性，通過投放習(xí)居的或高富集動(dòng)物以對(duì)土壤重金屬進(jìn)行吸收、降解或轉(zhuǎn)移，以去除重金屬或增加生物有效性。

2 展望

物理和化學(xué)方法均為傳統(tǒng)的Cd污染土壤修復(fù)技術(shù)方法，物理方法適用于處理Cd濃度比較高的污染土壤修復(fù)上，但其費(fèi)用較高，不適合大面積土壤修復(fù)上；化學(xué)方法往往會(huì)改變土壤原來特性，以及會(huì)產(chǎn)生二次污染，而且隨著時(shí)間推移和環(huán)境的變化，被穩(wěn)定的Cd會(huì)再次恢復(fù)遷移性和生物有效性。生物方法具有植物修復(fù)存在修復(fù)周期長(zhǎng)、微生物針對(duì)環(huán)境的要求高等等問題。

對(duì)于以上這些問題，現(xiàn)今的研究人員開始研究多種技術(shù)聯(lián)用來處理Cd污染土壤問題。朱桂芬等人聯(lián)合使用種植油葵，并通過檸檬酸、醋酸、EDTA、鹽酸等單一淋洗劑，以及 EDTA+鹽酸、EDTA+檸檬酸、檸檬酸+鹽酸等3 種復(fù)合淋洗劑淋，聯(lián)合修復(fù)土壤中的Cd，取得良好的效果[11]；成杰民等研究表明，在Cu2+、Cd2+污染的高砂土中黑麥草地上添加蚯蚓可以顯著提高部分生物量，增幅可達(dá)33%～96%，可見，蚯蚓活動(dòng)能提高植物生物量和土壤中重金屬生物有效性[13]。

以上的研究表明，現(xiàn)在以及將來將會(huì)有越來越多的聯(lián)合修復(fù)技術(shù)用在處理Cd污染土壤問題上。

參考文獻(xiàn)

[1]劉育紅.土壤鎘污染的產(chǎn)生及治理方法[J].青海大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，24（2）：75-79.

[2]Xu D.Y.， Zhao y.， Sun K.， Gao B.， Wang Z.Y.， Jin J.， Zhang Z Y.， Wang S F.， Yan Y.， Liu X T.， Wu F.C. 2014. Cadmium adsorption on plant- and manure-derived biochar and biochar-amended sandy soils： impact of bulk and surface properties. Chemosphere， 111：320-326.

[3]劉春早，黃益宗，雷鳴，郝曉偉，李希，鐵柏清，謝建治. 湘江流域土壤重金屬污染及其生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J].環(huán)境科學(xué)，2012，（33）：260-265.

[4]吳瑞萍.多羥基磷酸鐵的制備及其在鉛鎘污染土壤修復(fù)中的應(yīng)用[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2014.

[5]劉云國(guó)，黃寶榮，練湘津等.重金屬污染土壤化學(xué)萃取修復(fù)技術(shù)影響因素分析[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2005，32（1）：95-98.

[6]Hong K J， Tokunaga S， Kajiuchi T. Evaluation of remediation process with plant-derived biosurfactant for recovery of heavymetals from contaminated soils[J].Chemosphere，2002， 49（4）：379-387.

[7]周衛(wèi)，汪洪，李春花等.添加碳酸鈣對(duì)土壤中Cd形態(tài)轉(zhuǎn)化與玉米葉片Cd組分的影響[J].土壤學(xué)報(bào)，2001，38（2）：219-225.

[8]Basta N T，Mc Gowen S L.Evaluation of chemical immobilizationtreatments for reducing heavy metal transport in a smelter-contam-inated soil[J].Environmental Pollution.2004.127（1）：73-82.

[9]Murakami M，Nakagawa F，Ae N，et al. Phytoextraction by rice ca-pable of accumulating Cd at high level： reduction of Cd content ofrice grain[J].Environmental Science and Technology，2009，43（15 ：5878-5883.

[10]Julie K J，Peter E H，Jens N，et al. The potential of willow for re-mediation of heavy metal polluted calcareous urban soils[J]. En-vironmental Polution，2009，157（3）：931-937.

[11]Jones E J， Leyval C. Uptake of 109 Cd by roots and hyphae of aGlomus with high and low concentration of cadmium[J]. NewPhytol， 1997， 135（2）： 353-360.

[12]朱桂芬，王莉，田野.化學(xué)淋洗聯(lián)合油葵植物修復(fù)土壤中 Cd[J].河南師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016，44（1）：100-104.

[13]成杰民，俞協(xié)治.蚯蚓在植物修復(fù)銅、鎘污染土壤中的作用[J].應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報(bào)，2006，12（3）：352-355.

收稿日期：2018-03-11

作者簡(jiǎn)介：李虬，現(xiàn)就職于寶武集團(tuán)環(huán)境資源科技有限公司。