重金屬污染土壤修復(fù)技術(shù)及其修復(fù)實踐探討

劉瑞凡

（陜西煤業(yè)新型能源科技股份有限公司，陜西 西安 710065）

土壤重金屬物污染的修復(fù)技術(shù)在不斷的發(fā)展和進步，常規(guī)的處理方法基于物理、化學(xué)以及生物等原理，但為了提高土壤修復(fù)的效果，單一的技術(shù)原理已經(jīng)難以滿足污染治理的效果，因而現(xiàn)階段通常聯(lián)合運用多種污染治理技術(shù)。研究重金屬污染土壤修復(fù)技術(shù)對環(huán)境保護、生態(tài)系統(tǒng)保護以及人類健康等意義重大，研究的重點是提高污染治理效率和效果，同時減低成本。

1 土壤重金屬污染的危害

1.1 長期危害環(huán)境

各種類型的重金屬沉積到土壤中之后會長期滯留下來，有些重金屬離子在雨水以及地表徑流的作用下進入到周邊的河流、水塘、水庫之中，對地面上的水源形成了污染。沉積在土壤中的重金屬離子可隨著雨水的滲透作用、動物及微生物的活動等進入到地下水中，當(dāng)然，這一過程相對漫長，但并非全無可能。事實上重金屬污染對土壤和水本身并不會產(chǎn)生直接的危害，但是動物、植物以及微生物等對這些環(huán)境資源具有高度的依賴性，如果植被受影響而退化，那么相關(guān)地區(qū)的土壤環(huán)境也無法形成可持續(xù)的發(fā)展。

1.2 影響動植物及微生物的生存

植物的根系在吸收水分和各類微量元素的過程中也會將重金屬離子吸收進去，然而植物并不需要大量的重金屬，無法對其實現(xiàn)新陳代謝，這些重金屬元素就會積累在植物體內(nèi)，嚴重時可引發(fā)植物卷曲、泛黃、植株矮小等。對于動物而言，重金屬元素具備一定的毒性作用，可引發(fā)動物致病，甚至死亡。典型的例子是河流中的魚蝦受重金屬廢水的污染而大量死亡。對于微生物而言，重金屬有可能會抑制其種群的繁殖作用，在自然界中，Hg2+、Ag+對微生物的危害最為顯著。

1.3 危害人體健康

自然界形成了完整的生態(tài)系統(tǒng)，植物和動物從土壤、水源中吸收的重金屬元素最終都可通過食物鏈進入到人體之內(nèi)，經(jīng)過長期的積累之后，這些重金屬元素將會對人體產(chǎn)生極為嚴重的危害，并且大部分呈現(xiàn)出慢性特點。主要的危害表現(xiàn)為影響生殖功能、誘發(fā)基因突變以及影響人體正常的機能，蔬菜、水果、谷物以及肉類產(chǎn)品等都可能成為重金屬元素進入人體的方式。

2 常見土壤重金屬污染及其主要來源

根據(jù)國內(nèi)的調(diào)查情況，土壤重金屬污染類型主要包括了鉻、鉛、汞、砷、鎘、銅等，這些重金屬污染的來源主要包括兩個方面。

第一，自然來源。火山噴發(fā)活動、礦山巖石風(fēng)化等常常造成自然界的重金屬元素伴隨風(fēng)力進入到土壤環(huán)境中，國內(nèi)火山噴發(fā)的情況非常少，但巖石風(fēng)化是一種長期性的事件，同時也不可控。

第二，人為活動。人類的各種活動成為當(dāng)前引發(fā)土壤重金屬污染最主要的形式，典型的污染源如下：①礦山開采。人類社會發(fā)展所需的各種金屬礦產(chǎn)開采活動、化石燃料的開采活動都會引發(fā)大量的重金屬污染，典型的如露天礦山的采空區(qū)，巨大的礦坑中污染極為嚴重；②工業(yè)生產(chǎn)。金屬冶煉、電池生產(chǎn)、化工生產(chǎn)、電鍍等產(chǎn)業(yè)中總是伴隨著重金屬廢渣和廢水，有些企業(yè)為了降低運營成本，直接將受到污染的廢水偷偷排放到自然河道中，工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的廢渣也不可直接堆放在自然環(huán)境中，否則重金屬元素會進入土壤；③電子產(chǎn)品垃圾。廢舊電池、廢舊手機以及其他類型的電子產(chǎn)品垃圾是主流的重金屬污染源之一，顯然，全社會每年都有大量的電子產(chǎn)品報廢，其在丟棄、運輸、堆積和處理的過程中都會產(chǎn)生重金屬元素的泄露，最終會進入到土壤環(huán)境中；④農(nóng)藥和化肥的廣泛使用。農(nóng)藥和化肥中含有一定量的重金屬元素，例如，在砷酸鉛殺蟲劑中就含有鉛和砷這兩種污染性突出的元素，制造肥料時使用的原料礦石中經(jīng)常含有重金屬元素。

3 重金屬污染土壤修復(fù)技術(shù)

3.1 常規(guī)物理化學(xué)修復(fù)技術(shù)

第一，工程修復(fù)。土壤重金屬污染實際上是針對生物和人而言的，重金屬沉積在土壤中并不會對泥土、巖石和水體產(chǎn)生破壞，但是依賴這些環(huán)境要素的各種生物會成為最直接的受害者。鑒于此，工程修復(fù)的主要思路是通過工程活動改變這些土壤重金屬污染元素的分布，降低或者大幅消除其進入生物系統(tǒng)的概率。常用的方法為深耕翻土、換土以及客土等。例如，客土是將其他地方的優(yōu)質(zhì)土壤覆蓋在受重金屬污染的土壤之上，并且要達到一定的厚度。由于重金屬元素的移動方向主要為從表層土向深層土，這是重力作用所引起的，深層的污染元素難以上升到表層，因而客土是有效的處理方法。深耕翻土的基本原理是通過機械翻土的方式將深層的潔凈土壤翻出來，用以置換表層的受污染土壤，這樣就改變了土壤重金屬污染元素的物理分布，減少其提供植物根系轉(zhuǎn)移到動植物的可能。換土也是常用的手段，直接將受污染的土壤鏟除，做集中處理。

第二，電動力學(xué)修復(fù)。這種技術(shù)的基本原理是將帶有直流電源的陰極和陽極插入到受污染的土壤中，開啟電源之后就會在土壤中形成電場，根據(jù)物理學(xué)中的電泳原理，土壤中的金屬陽離子都會向陰極匯集，實際上重金屬污染元素主要以陽離子的形式存在于土壤中。當(dāng)重金屬陽離子匯集在陰性電極之后再通過特定的方法將其去除，如沉淀、離子交換等。目前成熟的工藝方法是Lasagna工藝，在這種工藝原理中，會使用催化劑、吸附劑等物質(zhì)形成一種具備滲透功能的斷面區(qū)域，還可將Lasagna工藝與其他的修復(fù)技術(shù)配合使用，如植物修復(fù)技術(shù)。

第三，熱解吸法。土壤中的部分重金屬污染元素具備較強的揮發(fā)性，典型的如Hg、As等，對土壤進行加熱后可將這些重金屬元素轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，此時再通過特定的吸附法將其去除。但熱解吸法存在一定的局限性，主要問題是適用范圍較窄，并且能耗水平高，如果污染類型集中時，如主要為Hg污染，可采用這種方式來修復(fù)。

第四，化學(xué)淋洗技術(shù)。重金屬污染物常常固定在土壤顆粒中，在處理時要采取有效的技術(shù)措施將其與土壤顆粒分離開，淋洗技術(shù)是專門的淋洗劑加入到水體中，然后使用淋洗液噴灑受污染的土壤，原本吸附在土壤顆粒上的金屬陽離子在這種情況下就會溶解，形成一種由淋洗液—金屬絡(luò)合物，并且經(jīng)由淋洗的廢水從受污染的土壤中排出，經(jīng)過這種處理方式可顯著降低土壤中重金屬離子的含量。

3.2 基于生物學(xué)原理的修復(fù)技術(shù)

第一，植物修復(fù)技術(shù)。①通過植物提取土壤中的重金屬元素。有些植物對特定類型的重金屬具有顯著的富集作用，植物通過其根系吸收重金屬并利用水分的循環(huán)將其轉(zhuǎn)移到地上的葉子以及果實等部位，大面積種植此類植物可有效地將土壤中的重金屬元素提取出來，最終收割地上部分，這樣便將土壤重金屬去除；②利用植物穩(wěn)定土壤中的重金屬元素。植物根系在吸收土壤重金屬元素之后也可能發(fā)生一系列的化學(xué)和生物作用，最終將原本游離的可對其他動植物產(chǎn)生危害的重金屬離子轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的化合物，從而大幅降低此類重金屬污染的危害性；③根基過濾。有些植物可將土壤重金屬轉(zhuǎn)移到地面上的枝葉中，還有些植物會將重金屬富集在其根系部位，不會向上部轉(zhuǎn)移，這種作用可稱之為根基過濾，同樣可以起到降低重金屬污染的作用。例如，蜈蚣草用于富集土壤中的砷元素，土壤中的鎘污染可利用國內(nèi)常見的油菜來進行富集，Pb、Cd、As這幾種重金屬可富集在東方香蒲的根部位置。植物修復(fù)技術(shù)環(huán)保性能優(yōu)異，在能耗和成本方面也具備突出的優(yōu)勢，但缺點在于修復(fù)速度較為緩慢。

第二，微生物修復(fù)技術(shù)。微生物對重金屬污染的治理和修復(fù)形成了多種技術(shù)原理，有些微生物和吸收重金屬元素并將其沉淀在體內(nèi)，有些微生物可通過氧化還原反應(yīng)固定重金屬元素，降低其對動植物的危害性。例如，青霉屬、木霉菌屬的絲狀真菌可通過細胞壁來大量吸附和沉積重金屬元素，土壤中的重金屬和正常的土壤成分結(jié)合在一起，這種情況對治理重金屬污染造成了很大的難度，將重金屬從土壤中浸出是治理污染的重要技術(shù)手段，除了利用傳統(tǒng)的物理化學(xué)方式來實現(xiàn)重金屬的瀝浸外，微生物也能起到相同的作用，具有這種功能的菌種包括氧化亞鐵硫桿菌、氧化硫硫桿菌等。自然界中本身存在的菌種可用于治理土壤重金屬污染，通過人類基因工程改造的菌種往往具備更強的修復(fù)效果，這種技術(shù)前景廣闊，值得大力推廣和應(yīng)用。

3.3 土壤重金屬污染聯(lián)合修復(fù)技術(shù)

單純依靠某一種技術(shù)通常難以取得良好的土壤重金屬污染治理效果，在工程實踐中往往是將多種不同的技術(shù)路徑綜合在一起，形成聯(lián)合修復(fù)技術(shù)，以下介紹幾種典型的聯(lián)合修復(fù)技術(shù)路徑。

第一，電動力學(xué)輔助植物修復(fù)技術(shù)。電動力學(xué)可將分散在土壤中的重金屬離子快速地富集在電極處，從而為治理土壤重金屬創(chuàng)造出有利的條件，但基于電動力學(xué)的土壤重金屬污染修復(fù)技術(shù)也存在一定的局限性，主要問題在于重金屬清除率不夠高。植物修復(fù)技術(shù)在理論上可達到很高的處理程度，但問題是修復(fù)土壤需花費大量的時間。因此，電動力學(xué)輔助植物修復(fù)技術(shù)是將這兩種技術(shù)路線的優(yōu)勢綜合在一起，首先利用電動力學(xué)快速富集并清除大部分重金屬元素，然后再利用植物修復(fù)的技術(shù)集中處理電極附近的區(qū)域，這樣就能全面提高重金屬治理的程度。

第二，植物—微生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)。植物和微生物都是自然界中廣泛存在的生物類型，并且相互之間通常不存在沖突，而這兩種生物又同時具備修復(fù)土壤中金所屬污染的能力，將其聯(lián)合起來可形成更加突出的修復(fù)效果。例如，在土壤鎘污染的治理中可使用微紫青霉（一種真菌）吸附土壤中的各元素，同時這種真菌可分泌出一種激素，促進了一些植物的生長，如狗牙根（可將土壤中鎘元素轉(zhuǎn)移到地上部分）。如果沒有微紫青霉分泌的激素，狗牙根會受到高濃度鎘污染的影響，因此，這兩種生物聯(lián)合在一起，形成了更為強大的治理效果，需說明的一點是，微生物—植物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)并不是兩種修復(fù)方式的單純疊加，而是利用生物作用提高和促進至少一種修復(fù)技術(shù)的效果。

4 重金屬污染土壤修復(fù)實踐案例

4.1 土壤重金屬污染情況

國內(nèi)某企業(yè)廠房于2009年徹底停產(chǎn)，其運行時間超過60年，主要用于機械產(chǎn)品制造，生產(chǎn)工藝中包括電泳、車削等。停產(chǎn)后續(xù)對原有場地重新開發(fā)利用，檢查發(fā)現(xiàn)場地中重金屬污染嚴重超標(biāo)，該企業(yè)生產(chǎn)場地中的主要重金屬污染調(diào)查結(jié)果是每1 000 g土壤中含有的鉛為1 020 mg、鎘為35.6 mg、鎳為3 600 mg、鉻為2 655 mg、銅901 mg。這些污染物遠遠超過了正常的范圍。

4.2 修復(fù)措施

經(jīng)過研究之后，該企業(yè)決定采用固化穩(wěn)定的技術(shù)來修復(fù)這些受污染的土壤，具體的處理措施如下：①利用機械車輛將受污染的土壤轉(zhuǎn)移到專門的處理場地，并且將土壤均勻攤鋪開，厚度控制在50 cm上下；②根據(jù)每一批土壤的重量，合理施加穩(wěn)定劑，方式為人工噴灑，穩(wěn)定劑需兌水，藥劑含量為5%；③撒完穩(wěn)定劑之后，使用挖掘機將土壤充分地攪拌，使其和穩(wěn)定劑融合均勻；④添加穩(wěn)定劑的土壤會逐漸產(chǎn)生浸出液，其中富含以上待治理的重金屬元素，檢測浸出液中各類重金屬元素的含量，確定治理的實際效果。設(shè)定的技術(shù)指標(biāo)是浸出液中鉛、鎘、鉻、鎳的含量分別需達到0.25 mg/L、0.15 mg/L、4.5 mg/L、0.5 mg/L。

5 結(jié)束語

重金屬污染土壤修復(fù)技術(shù)的關(guān)鍵是降低或者清除土壤中的重金屬元素含量，亦可通過轉(zhuǎn)化的方式將其轉(zhuǎn)變?yōu)闊o污染的化合物，在技術(shù)原理方面呈現(xiàn)出多樣化的特點，物理方法、生物方法、化學(xué)方法等都能發(fā)揮出較好的效果，聯(lián)合修復(fù)技術(shù)將多種重金屬污染治理方式綜合在一起，形成更加突出的治理效果。