土壤重金屬污染修復技術綜述

史作然 單廣波 楊麗

摘 ? ? ?要： 隨著社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展，土壤污染日趨嚴重，由此引發(fā)的一系列問題引起了人們對土壤污染的關注，尤其是土壤重金屬的污染。首先對土壤重金屬污染的現(xiàn)狀及危害進行了概述，然后對相關的修復技術進行了綜述。物理修復技術、化學修復技術和生物修復技術是修復土壤重金屬污染的主要技術，分別對這幾項技術進行了闡述、對比，供相關人員參考。

關 ?鍵 ?詞：土壤;重金屬污染;修復技術

中圖分類號：X 53 ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ?文章編號： 1671-0460（2020）08-1812-04

Abstract： With the rapid development of social economy， soil pollution is becoming more and more serious. A series of problems caused by this have aroused people's attention to soil pollution， especially the pollution of heavy metals in soil. In this paper， the status and harms of heavy metal pollution in soil were summarized as well as the remediation techniques of heavy metal contaminated soil. The main remediation techniques of heavy metal contaminated soil include physical remediation， chemical remediation and bioremediation. These technologies were expounded and compared to provide the reference for relevant people.

Key words： Soil; Heavy metal pollution; Remediation techniques

土壤是環(huán)境的重要組成部分，是人類生活和經(jīng)濟活動的載體，土壤質量的好壞影響人類的生活質量和發(fā)展狀態(tài)[1]。隨著我國社會的迅速發(fā)展，土壤重金屬污染的問題也凸顯出來。對土壤產(chǎn)生嚴重影響的重金屬主要包括汞（Hg）、鉛（Pb）、鎘（Cd）、鉻（Cr）、砷（As）、鋅（Zn）、銅（Cu）、鎳（Ni）等元素，其中汞（Hg）、鎘（Cd）、鉛（Pb）、鉻（Cr）、砷（As）等元素具有顯著的生物毒性 [2]?！版k米危機”的出現(xiàn)，再次敲響了土壤污染的警鐘，也引起了人們對土壤重金屬污染的重視。

土壤重金屬污染的成因有自然原因和人為原因，人為原因是主要原因。重金屬污染的途徑主要包括：含有重金屬粉塵的大氣的沉降、被污染的河水進行農田灌溉以及固體廢棄物的排放，其中含有重金屬粉塵的大氣的沉降是重金屬污染的主要途徑[3]。土壤中重金屬污染的主要來源包括工業(yè)生產(chǎn)、農業(yè)生產(chǎn)、交通運輸和城市生活。農業(yè)生產(chǎn)過程中農藥、化肥、薄膜等的不合理使用及污水的灌溉都會造成土壤重金屬污染。礦產(chǎn)冶煉加工、電鍍、電池、塑料、化工、制革等行業(yè)在生產(chǎn)的過程中產(chǎn)生廢水、廢氣和廢渣如果未進行合理的處理就排放到環(huán)境中也會造成土壤重金屬污染。在交通運輸過程中所產(chǎn)生的廢氣、輪胎的磨損物及攜帶的粉塵，通過大氣沉降進入到土壤，從而對土壤造成污染。城市生活過程中所產(chǎn)生的廢舊電器、電池等電子垃圾不能無害化處理回收，生活垃圾的焚燒等產(chǎn)生的煙氣及廢渣等也是重金屬污染的來源。重金屬進入到土壤中后，在運移過程中會受到重金屬本身的影響以及土壤的物料、化學、微生物性質的影響[4]。

1 ?土壤重金屬污染現(xiàn)狀及危害

改革開放以來，我國經(jīng)歷了經(jīng)濟的快速發(fā)展，但也忽視了環(huán)境的保護，土壤重金屬污染具有隱蔽性，不容易被人重視，直到2014年《全國土地污染狀況調查公報》的公布才發(fā)現(xiàn)土壤重金屬污染的嚴重性。公報顯示我國土壤超標率16.1%，其中82.8%屬于無機污染物超標[5]。我國有20%的農業(yè)耕地，約有1.5億畝受到重金屬污染，污染了1 000多萬噸糧食，造成了200多億元的直接經(jīng)濟損失[6-7]。

重金屬污染能夠引起土壤理化性質、功能和生態(tài)結構的變化，有些重金屬對植物有一定毒害作用，引起植物的生理特征改變，造成植物營養(yǎng)不良，致使農作物減產(chǎn)，從而造成極大的經(jīng)濟損失。另外土壤表面層的重金屬極易進入人體，引起人體器官的病變和疾病，對人體健康造成威脅。有些重金屬能夠在植物中富集，通過食物鏈進入到人體中，影響人類的身體健康。

2 ?土壤重金屬污染的治理方法

土壤重金屬污染的修復治理技術不只和重金屬在土壤中的遷移特點有關，還和重金屬的轉化特點有關。有些重金屬污染土壤的修復技術能夠去除土壤中的重金屬，還有一些修復技術通過加入一些特殊的物質轉化土壤中重金屬的形態(tài)，降低其生物有效性和遷移性，消減重金屬對環(huán)境和人類造成的危害[7]。

物理修復法、化學修復法和生物修復法是進行土壤重金屬污染修復的主要方法。

2.1 ?物理修復

2.1.1 ?物理工程技術

物理工程修復主要包括客土、換土和深耕翻土法，是最常見的修復方法。工程法原理主要是通過把表面受重金屬污染的土壤用干凈的土壤覆蓋、剝離換土或翻入深層，具有操作簡單，實施迅速，但工程量較大，投入較高，治標不治本，易造成土體結構的破壞，影響土地肥力，容易造成二次污染。

2.1.2 ?熱脫附技術

熱脫附修復法是利用電力產(chǎn)生熱能，利用紅外線加熱或者蒸汽加熱等方式，對易揮發(fā)性重金屬污染的土壤進行加熱，使重金屬從土壤中解析、脫離，收集重金屬集中處理的方法。該方法主要針對易揮發(fā)性重金屬如汞、砷和硒等污染的土壤。研究結果表明，熱解過程對土壤肥力造成影響較小，使土壤有機結合態(tài)汞降低73.17%，殘渣態(tài)汞降低57.80%[8]，該方法使用范圍比較窄，需要消耗大量能量，不適合大規(guī)模修復，且如果重金屬收集不當容易造成二次污染，破壞了土壤的水分和有機質，需要結合植被修復方法進行土壤修復。

2.1.3 ?電動修復技術

該技術是20世紀90年代美國路易斯安娜州立大學研究出的土壤原位修復技術。電動修復的原理是施加直流電場到受污染的土壤形成電場梯度，在電遷移、電滲流、電泳的作用下，污染物移動到電極的兩端，從而實現(xiàn)污染土壤的修復[9]。

該方法適用于其他方法不適用的低滲透的黏土和淤泥，依靠電動修復的過程把污染物從現(xiàn)場清除，不需要把污染的土壤固相或液相介質從現(xiàn)場挖出或抽取出去，從而顯著減少費用，處理效率高[10]。該方法應用前景廣闊，但目前主要停留在實驗室研究階段，在現(xiàn)場應用案例較少，處理效果受土壤pH的影響較大，必須是酸性土壤，在調節(jié)土壤酸性時會導致土壤理化性質的改變。

2.1.4 ?玻璃化技術

玻璃化技術是利用熱能在高溫下把重金屬污染的土壤熔化成玻璃狀，利用玻璃體致密的結構，使重金屬牢牢地束縛于玻璃體中，也稱為熔融固化技術[11]。玻璃化技術最早用于核廢料的處理，從根本上消除了土壤中重金屬的污染，且速度快，但工程量大，費用高，常用于搶救性修復重金屬污染比較重的土壤。

2.1.5 ?冰凍土壤技術

冰凍土壤修復技術是對已知的污染源在地下等距離垂直布置管道，然后通入無害的冰凍溶劑，凍結土壤中的水分，這樣就形成了地下凍土屏障，從而可以防止土壤或地下水中的污染物擴散[12]。

2.2 ?化學修復技術

2.2.1 ?化學固化技術

化學固化技術的原理就是通過向土壤中加入一些固化劑，通過固化劑和土壤的反應改變重金屬的形態(tài)，降低土壤的生物有效性和遷移性[13]，從而達到降低重金屬對土壤的污染的目的。固化劑主要是通過和土壤發(fā)生沉淀作用、吸附作用、配位作用、有機絡合作用和氧化還原作用來達到減輕重金屬對土壤污染的作用[14]。

1）沉淀作用：能夠和土壤發(fā)生沉淀作用的固化劑主要是一些堿性物質，其中最具有代表性的固化劑是石灰石。石灰石治理重金屬污染土壤的機理是石灰石的加入提高了土壤的pH值，使得土壤中的一些金屬離子在堿性環(huán)境中形成沉淀[15]，從而降低了土壤中金屬離子的遷移，達到了降低污染的目的。

2）吸附配位作用：黏土礦物治理土壤中重金屬污染的原理是通過吸附、配位和共沉淀反應等作用，鈍化重金屬，降低重金屬的生物可利用性[16]。由于沸石獨特的空間結構，在這方面的研究比較多。沸石對土壤中的重金屬的鈍化效果和土壤的類型、酸度、溫度、作用時間以及金屬的類型有關[17]。同一種沸石能夠對不同類型的重金屬產(chǎn)生不同的效果。胡克偉[18]等研究了銨飽和沸石對重金屬離子鎘離子、鋅離子、銅離子、鉛離子的吸附及解吸特性。結果表明銨飽和沸石對鉛離子的吸附量最大，對鎘離子的吸附量最小，這主要和金屬離子的水合離子半徑及水合能有關。但是由于天然黏土礦物存在種類復雜、雜質含量高的缺點，研究人員需要通過對沸石進行改性來改善其對土壤中重金屬的吸附效果，在這方面的研究也很廣泛[19-21]。除了將這些黏土礦物作為吸附劑鈍化土壤中的重金屬外，在一定的土壤環(huán)境中，鐵錳氧化物也能夠吸附、沉淀、固定重金屬[17]，但是這方面的研究和應用較少。

3）有機絡合作用：有機質主要是通過和土壤發(fā)生有機絡合作用生成不溶性復合物減輕重金屬對土壤的污染。有研究表明，長期施用有機肥可以增加土壤中的礦物類官能團的數(shù)量，使得土壤中更多的金屬離子被絡合，減少土壤中重金屬的遷移，從而改變土壤中的重金屬含量[22]。這種土壤的修復方法盡管能夠降低金屬的生物利用率，但是金屬在土壤中的總濃度有發(fā)生改變，隨著風化、分解等一系列自然過程的發(fā)生，土壤中的重金屬將再次被活化[23]。

4）還原作用：利用還原性物質來進行土壤重金屬污染修復，主要針對的是土壤中的六價鉻。硫酸亞鐵、鐵屑、偏亞硫酸鹽等還原劑可以把六價鉻還原成三價鉻。和六價鉻相比，三價鉻毒性較低，也更容易沉淀，這樣就降低了鉻在環(huán)境中的遷移性和生物可利用性，減輕鉻對土壤的危害[24]。還原劑可以直接加入到土壤中或者采用“可滲透氧化還原反應墻”的形式。這種方法成本比較低，但是向土壤中加入的還原劑可能會有毒副作用，對土壤造成二次污染。

2.2.2 ?化學萃取技術

化學萃取技術的原理是通過加入化學萃取劑、水溶液，將重金屬從土壤中分離出來，然后將其去除。最常用的化學萃取技術有螯合劑萃取和酸萃取，這些物質價格比較低，也不容易對土壤造成污染[25]。常用的螯合劑有EDTA，淋洗液中螯合劑的濃度越高重金屬的去除率就越高，但是這種情況會導致EDTA的利用率降低，這樣也會對土壤造成損害，所以需要在進行利弊權衡的情況下選擇合適的螯合劑的濃度。在進行酸萃取時，常用的酸有檸檬酸和醋酸，可以有效去除土壤中的重金屬，但是在萃取的過程中要控制好土壤的pH值，因為如果土壤的pH值太高，土壤中的重金屬不能夠以離子狀態(tài)存在，但是如果土壤的pH值太低，又會損壞土壤的理化性質，導致養(yǎng)分的流失[26]。

利用化學技術治理土壤重金屬污染成本低、效果好，有廣闊的發(fā)展空間。但是，對重金屬化學修復技術的機理研究不夠透徹，不能夠保證修復效果的穩(wěn)定性，還有很多問題需要進行深入研究。

2.3 ?生物修復技術

生物修復就是通過植物、動物及微生物的生命代謝活動減少土壤中重金屬的含量或降低重金屬的毒性[27]。除了植物修復、動物修復、微生物修復外，還有這幾種技術的聯(lián)合修復技術。

2.3.1 ?植物修復技術

植物修復技術就是通過種植植物來達到降低土壤中重金屬含量的目的。植物修復技術包括植物提取技術、植物揮發(fā)技術和植物穩(wěn)定技術。

植物提取技術是通過重金屬超積累植物的生長將重金屬吸取出來，并通過收獲植物的地上部分來達到減少土壤中重金屬含量的目的[28]。這種技術實施的關鍵是超積累植物，也就是能夠超量吸收和積累重金屬并將其轉移到地上部的植物。

植物揮發(fā)技術的原理是有些植物的根系能夠分泌一些特殊物質，這種物質能夠促進重金屬轉變?yōu)榭蓳]發(fā)的形態(tài)，從而從土壤和植物表面揮發(fā)出來。這項技術主要用于金屬硒、砷和汞等，這些重金屬可以通過生物甲基化過程形成可揮發(fā)的分子。但是在這種修復技術進行的過程中，重金屬會揮發(fā)到環(huán)境中，可能造成大氣污染[29]。

植物穩(wěn)定技術和化學穩(wěn)定技術類似，這項技術主要是通過植物根系分泌的一些物質與重金屬離子結合形成絡合物[30]，如氨基酸、多肽、有機酸、蛋白質等。

2.3.2 ?微生物修復技術

根據(jù)微生物種類的不同，微生物對土壤中重金屬的作用主要有：生物吸附和富集作用、氧化還原作用以及沉淀和溶解作用。

能夠和土壤中的重金屬發(fā)生吸附作用的主要是微生物中的陰離子型基團，通過和帶正電的重金屬離子進行離子交換、螯合、絡合、靜電吸附以及共價吸附等作用進行結合，從而吸附土壤中的重金屬[31]。

土壤中的一些重金屬有多種化合價，不同價態(tài)的重金屬生態(tài)毒性也不同。 土壤中的微生物能夠將高價金屬離子還原成低價態(tài)，一些重金屬在這個過程中毒性降低甚至消失[29]。

2.3.3 ?動物修復技術

動物修復技術是指通過土壤動物的食物鏈等吸收、轉移或降解重金屬，在這方面的研究比較少，較常見的動物修復技術中以對蚯蚓的研究最多。蚯蚓對重金屬污染土壤的修復作用主要有兩個方面：一是蚯蚓的活動能夠改變土壤的結構、通透性，促進土壤中有機質和微生物的轉化;二是蚯蚓的代謝產(chǎn)物還能夠起到改善土壤肥力的作用[32]。從這個角度來看，動物修復的本質實際上是微生物修復，能夠起到修復作用的實際上是土壤中的微生物，不過這種微生物包括土壤中原有的微生物和蚯蚓代謝的產(chǎn)物中的微生物。

植物修復作用和動物修復作用雖然是綠色環(huán)保的修復技術，不會給環(huán)境帶來其他的污染，但是這種修復技術，重金屬容易通過動植物的生命活動重新釋放到土壤或環(huán)境中。

土壤重金屬污染比較復雜，治理起來難度也比較大，每種修復方法都有局限性，使用單一修復方法很難達到修復目標和要求，而聯(lián)合運用兩種或兩種以上不同工藝的修復技術方法就成為土壤污染修復的重要研究方向。

3 ?結 論

綜上所述，土壤重金屬污染治理的方法雖然能夠暫時降低土壤中重金屬的活性或者將土壤中的重金屬轉移到植物或者動物中，但是在生命循環(huán)的過程中，這些被絡合或沉淀的重金屬離子有可能又重新恢復活性，而且被轉移到植物或者動物中的重金屬也會隨著新陳代謝再次回到環(huán)境中。所以，土壤重金屬污染的治理固然重要，但是還要從源頭減少重金屬的使用和排放才能夠切實維護好生態(tài)環(huán)境。

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