重金屬污染土壤修復(fù)技術(shù)及其研究進(jìn)展

龐小平，梁宏宇，敖伊敏

（內(nèi)蒙古藍(lán)際環(huán)保技術(shù)有限公司，呼和浩特 010011）

重金屬是指密度大于4.5 g/cm3的金屬，包括銅、鐵、鉻、鎳、鉛、汞和鋅等元素。這些重金屬具有極強(qiáng)的生物毒性，一旦進(jìn)入土壤不容易被降解，會(huì)直接影響農(nóng)產(chǎn)品安全和人們的生命健康。

1 重金屬污染土壤概述

1.1 重金屬污染土壤的來(lái)源

重金屬污染土壤主要有兩種來(lái)源，即自然來(lái)源和人為來(lái)源。自然來(lái)源有火山噴發(fā)、森林火災(zāi)、巖石風(fēng)化等，其間均可能向土壤中釋放重金屬污染元素，但是自然來(lái)源在土壤重金屬污染中只占據(jù)一小部分。

人為來(lái)源主要包括四方面。一是大氣沉降，如工業(yè)金屬的冶煉、化石燃料的燃燒以及汽車尾氣的排放等。這些大氣中的重金屬會(huì)通過(guò)自然沉降和降水沉降進(jìn)入土壤中，進(jìn)而造成土壤重金屬污染；二是污水灌溉，如工業(yè)廢水、商業(yè)污水以及生活污水，尤其是工業(yè)廢水排放，導(dǎo)致土壤中砷、鎘、銅等重金屬含量增加；三是固定廢棄物，固定廢棄物的隨意處理也是導(dǎo)致重金屬污染土壤的重要原因，例如一些固定廢棄物被直接加工為肥料，用于土壤中，造成農(nóng)田污染；四是農(nóng)用物資，例如，農(nóng)藥、化學(xué)肥料、塑料大棚等農(nóng)用物資的不合理使用也會(huì)導(dǎo)致土壤重金屬污染。

1.2 重金屬污染土壤的現(xiàn)狀

近年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平不斷提高，生態(tài)環(huán)境卻依然面臨嚴(yán)峻的形勢(shì)。我國(guó)面臨嚴(yán)重的土壤環(huán)境問(wèn)題，尤其是重金屬污染十分嚴(yán)重，土壤污染面積較大。需要注意的是，東中部地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展快，工業(yè)比較發(fā)達(dá)，土壤重金屬污染更嚴(yán)重。作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，截至2017年底，我國(guó)約有1.7億畝農(nóng)田受到砷、鎘等重金屬的污染，這不但給我國(guó)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)帶來(lái)嚴(yán)重的損失，而且對(duì)食品安全造成極大的威脅。

2 重金屬污染土壤修復(fù)技術(shù)

2.1 物理修復(fù)技術(shù)

物理修復(fù)技術(shù)是指采用物理措施對(duì)土壤中的重金屬進(jìn)行固化、穩(wěn)定和降低，進(jìn)而起到修復(fù)土壤的作用。常用的物理修復(fù)技術(shù)主要有三種。

2.1.1 工程措施

工程措施主要包括客土、換土、深耕翻耕三種方式，如表1所示。由表1不難看出，工程措施修復(fù)技術(shù)具有穩(wěn)定性好、修復(fù)徹底、不會(huì)造成二次污染的特點(diǎn)，但是該技術(shù)以破壞土壤結(jié)構(gòu)為代價(jià)，會(huì)造成土壤肥力下降，而且其工程量較大，容易造成處理成本的上升。

表1 重金屬污染工程措施修復(fù)技術(shù)方式分析

2.1.2 電動(dòng)技術(shù)

電動(dòng)修復(fù)技術(shù)主要利用直流電場(chǎng)的作用，對(duì)土壤中的重金屬離子及其他游離離子進(jìn)行分離和收集。該方法的優(yōu)點(diǎn)是在不對(duì)土壤結(jié)構(gòu)造成破壞的前提下，可以有效地控制污染物的流向，特別適合于低滲透的黏土和淤泥，可以有效地對(duì)土壤中的鉻、鉛等重金屬污染進(jìn)行控制，使其污染殘留率低于10%。

2.1.3 電熱技術(shù)

電熱修復(fù)技術(shù)利用高頻電壓釋放的電磁波產(chǎn)生的熱量，對(duì)受污染的土壤進(jìn)行加熱，進(jìn)而分理土壤中具有揮發(fā)性的重金屬。例如，重金屬元素汞、硒具有揮發(fā)性，分離時(shí)可以采用該方法。此外，該技術(shù)還可以通過(guò)高溫高壓降低重金屬污染土壤的生物可利用性，進(jìn)而阻止土壤重金屬污染的遷移。

2.2 化學(xué)修復(fù)技術(shù)

現(xiàn)階段，針對(duì)土壤重金屬污染，常采用的化學(xué)修復(fù)技術(shù)主要有土壤淋洗技術(shù)和化學(xué)固定技術(shù)兩種，如表2所示。

表2 重金屬污染土壤化學(xué)修復(fù)技術(shù)分析

從表2不難看出，土壤淋洗修復(fù)技術(shù)的關(guān)鍵就是尋找有針對(duì)性的淋洗液，在不破壞土體結(jié)構(gòu)的前提下，提取各種重金屬。在實(shí)際的修復(fù)過(guò)程中，經(jīng)常使用到的淋洗液有草酸、鹽酸和乙二胺四乙酸等，其中，乙二胺四乙酸對(duì)銅、鉛等重金屬離子的提取效果最好。但是，相對(duì)于其他淋洗液，乙二胺四乙酸的成本較高，其提取效果還會(huì)受到土壤pH值/重金屬形態(tài)等眾多因素的影響。從總體看，土壤淋洗技術(shù)操作簡(jiǎn)單，耗用成本低，但是一些滲透系數(shù)小的黏質(zhì)土壤不適合采用，不僅修復(fù)效果差，還容易造成化學(xué)試劑的殘留，進(jìn)而引發(fā)土壤的二次污染。

化學(xué)固定修復(fù)技術(shù)通過(guò)改變重金屬在土壤中的形態(tài)對(duì)其進(jìn)行控制，操作相對(duì)簡(jiǎn)單。該技術(shù)的關(guān)鍵在于選擇一種經(jīng)濟(jì)有效的改良劑，經(jīng)常使用的改良劑主要是碳酸鈣，它可以有效地和重金屬離子結(jié)合，進(jìn)而生成沉淀物，從而有效提高土壤中的pH值。雖然該修復(fù)技術(shù)成本適中，治理效果較好，但是其本質(zhì)是改變重金屬在土壤中的形態(tài)，未真正實(shí)現(xiàn)重金屬的去除，這樣就很容易導(dǎo)致重金屬活化后再次進(jìn)入植物體內(nèi)，從而引發(fā)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 生物修復(fù)技術(shù)

生物修復(fù)技術(shù)是一種自然修復(fù)技術(shù)，其利用各種自然生物的新陳代謝過(guò)程，降低土壤環(huán)境中的重金屬污染，是一種比較理想的無(wú)公害修復(fù)技術(shù)。常用的生物修復(fù)技術(shù)主要有植物修復(fù)技術(shù)和微生物修復(fù)技術(shù)兩種，如表3所示。

表3 重金屬污染土壤生物修復(fù)技術(shù)分析

從表3不難看出，植物修復(fù)技術(shù)主要是利用某些植物的特性來(lái)修復(fù)污染土壤。根據(jù)植物特性和修復(fù)機(jī)理，植物修復(fù)技術(shù)可以分為植物提取、植物揮發(fā)和植物穩(wěn)定三種類型。植物提取修復(fù)技術(shù)主要利用那些對(duì)某些重金屬元素具有很強(qiáng)吸收力或積累力的植物，從土壤中吸取重金屬元素，從而降低土壤重金屬污染。例如，芥菜對(duì)鎘具有超強(qiáng)的吸附力，遏藍(lán)菜對(duì)銅具有較強(qiáng)的吸收能力，而對(duì)鋅具有較高的積累能力。

植物揮發(fā)技術(shù)利用植物自身的根系吸收重金屬元素，并將其轉(zhuǎn)化為可揮發(fā)的氣態(tài)物質(zhì)，進(jìn)而降低土壤污染，該技術(shù)多被應(yīng)用于土壤中重金屬污染物汞和硒的修復(fù)。植物穩(wěn)定修復(fù)技術(shù)是利用植物對(duì)重金屬的耐受度和超積累度，實(shí)現(xiàn)重金屬形態(tài)的轉(zhuǎn)變，進(jìn)而起到土壤污染修復(fù)的作用。總體上看，植物修復(fù)技術(shù)對(duì)環(huán)境的破壞較小，而且成本較低，但是其修復(fù)周期較長(zhǎng)，對(duì)土壤環(huán)境要求較為苛刻，因此在實(shí)施過(guò)程中也存在一定的局限性。

現(xiàn)階段對(duì)微生物修復(fù)技術(shù)的利用主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是對(duì)微生物積累特性的利用，由于微生物與重金屬的親和性，它能夠?qū)ν寥乐械闹亟饘匐x子進(jìn)行吸附，實(shí)現(xiàn)胞外絡(luò)合、胞外沉淀和胞內(nèi)積累，如產(chǎn)堿桿菌對(duì)鈷、鎳、鋅的吸附，丁香假單胞菌對(duì)銅的吸附。二是利用微生物的生理及化學(xué)特性，對(duì)重金屬污染物進(jìn)行轉(zhuǎn)化。例如，利用微生物與污染重金屬發(fā)生氧化還原反應(yīng)，使汞、鎘等重金屬發(fā)生絡(luò)合作用，進(jìn)而降低這些重金屬污染的毒性。研究表明，活體菌對(duì)重金屬污染修復(fù)附能力要比死體菌強(qiáng)很多，但是微生物生長(zhǎng)容易受到環(huán)境影響，因此該技術(shù)使用的關(guān)鍵是選擇適應(yīng)所需環(huán)境的微生物品種?？傮w來(lái)看，微生物修復(fù)技術(shù)成本費(fèi)用低，效率高，而且可以在不停耕的基礎(chǔ)上進(jìn)行原位修復(fù)，是修復(fù)土壤重金屬污染的一種有效途徑。

3 重金屬污染土壤修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展

我國(guó)土壤重金屬污染面積較廣，污染元素種類也較復(fù)雜，上文所提到的各種修復(fù)技術(shù)既有優(yōu)勢(shì)，又存在一定不足，單一采用某種重金屬污染修復(fù)技術(shù)難以達(dá)到完全治理修復(fù)的效果。因此，多種修復(fù)技術(shù)相結(jié)合的聯(lián)合修復(fù)技術(shù)成為重金屬污染土壤修復(fù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和發(fā)展方向。

3.1 微生物-植物提取聯(lián)合修復(fù)技術(shù)

微生物活動(dòng)和新陳代謝過(guò)程可以提高植物對(duì)重金屬的抗性，加強(qiáng)植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收，進(jìn)而增加其生物量。同時(shí)，還可以改變土壤中重金屬的形態(tài)，進(jìn)而提高植物對(duì)重金屬的提取效果。在對(duì)鎘、鉛污染土壤進(jìn)行研究時(shí)，徐奕等人構(gòu)建了“雙耐”菌株與重金屬超富集植物-香根草聯(lián)合修復(fù)體系，發(fā)現(xiàn)該微生物可以改善土壤pH值，促進(jìn)香草根的生長(zhǎng)，同時(shí)對(duì)于鎘/鉛的形態(tài)改變也起到促進(jìn)作用，該聯(lián)合修復(fù)體系的構(gòu)建大大提高了修復(fù)效果[1]。

3.2 化學(xué)淋洗-植物提取聯(lián)合修復(fù)技術(shù)

化學(xué)淋洗-植物提取聯(lián)合修復(fù)技術(shù)也是一種常用的聯(lián)合修復(fù)技術(shù)。陳衛(wèi)平等對(duì)一塊被鉛、鋅、鎘等多種重金屬污染的農(nóng)田進(jìn)行研究，構(gòu)建了乙二胺四乙酸-大豆聯(lián)合修復(fù)體系。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，乙二胺四乙酸對(duì)鉛具有較高的去除率，而大豆對(duì)鋅、鎘的去除率較高，兩者的結(jié)合將有利于解決多種重金屬元素復(fù)合污染的土壤問(wèn)題[2]。

3.3 EKR-PRB耦合修復(fù)技術(shù)

EKR-PRB耦合修復(fù)技術(shù)結(jié)合了EKR和PRB兩者的優(yōu)點(diǎn)，在電場(chǎng)力的作用下，金屬離子在向陰極遷移的過(guò)程中與滲透反應(yīng)墻內(nèi)的填充物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，使重金屬離子穩(wěn)定化，最終集中處理。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著重金屬污染土壤修復(fù)技術(shù)的不斷完善和發(fā)展，聯(lián)合修復(fù)技術(shù)勢(shì)必會(huì)成為未來(lái)修復(fù)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，而實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的關(guān)鍵就在于聯(lián)合修復(fù)模型的科學(xué)構(gòu)建[3]。為了提高聯(lián)合修復(fù)效率，聯(lián)合修復(fù)模型的構(gòu)建要做到以下兩點(diǎn)。一是堅(jiān)持不造成二次污染的原則，可以有機(jī)結(jié)合各種修復(fù)技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。二是大力尋找超積累植物。超積累植物作為聯(lián)合修復(fù)體系構(gòu)建的關(guān)鍵，是提高重金屬污染土壤修復(fù)效率的核心因素。