土壤重金屬污染修復技術比較研究

向捷　陳永華　向敏　廖佳

摘要在概述土壤重金屬污染的來源、特點、危害的基礎上，較系統(tǒng)地介紹了我國土壤重金屬污染現(xiàn)狀，闡述了重金屬污染土壤各類修復技術的概念、原理，并且對比研究了物理修復技術、化學修復技術和生物修復技術的優(yōu)缺點，最后展望了我國土壤重金屬污染修復技術的發(fā)展趨勢、研究方向，以期為我國土壤重金屬污染土壤的修復以及該領域的深層次研究提供參考。

關鍵詞重金屬污染；土壤；修復技術

中圖分類號S156文獻標識碼A文章編號0517-6611（2014）22-07367-03

26密度大于4.0 kg/m3或大于5.0 kg/m3的金屬元素被稱為重金屬，前者約60種，后者約45種，如銅、鐵、錳、鋅、汞、鉛、鎘、鎳、鉻、鈷等。生態(tài)環(huán)境污染方面所指的重金屬是指對生物毒性顯著的元素，如汞、鎘、鉛、鉻以及類金屬砷等。從毒性角度出發(fā)，通常把鋰、鈹、硼、鋁、鋅、銅、鈷、鎳、錫等也歸為重金屬范疇[1-2]。隨著人口數(shù)量的快速增長以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化的不斷推進和現(xiàn)代化工業(yè)的高速發(fā)展，越來越多的重金屬進入土壤，使得土壤重金屬污染愈發(fā)嚴重。土壤重金屬污染已成為亟待解決的世界性問題和難題。按照生化性質的差異，土壤中的重金屬元素可分為兩大類：一類是生物體維持正常生理活動所必需的元素，但若其濃度超過一定閥值，則會導致生物體中毒，如銅、鋅等；另一類是生物體正常生理活動非必需的元素，即有害元素，如鎘、汞、鉛等。

不同于水體污染、大氣污染、固體廢棄物污染，土壤重金屬污染危害具有隱蔽性、滯后性、長期性、不可逆性等特點。重金屬元素在土壤中不斷積累，導致土壤退化、農(nóng)作物減產(chǎn)，并且通過大氣、水體或食物鏈直接或間接地進入并蓄積在生物體內，造成機體生理代謝活動紊亂，進而嚴重危害人類健康和生命安全。日本發(fā)生的骨痛病和水俁病等公害病震驚世界，就是分別由重金屬鎘、汞污染引起的。因此，關注土壤重金屬污染的來源、危害，采取有效的防治手段，具有重要的現(xiàn)實意義。

1土壤重金屬污染現(xiàn)狀

1.1 土壤重金屬污染的來源土壤重金屬的來源可分為自然來源和人為來源。自然來源主要指成土母質，因其中含有一定量重金屬，所以成土過程會影響土壤中重金屬含量及分布[3]。人類活動是土壤中重金屬的主要來源，主要包括工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和城市生活，如煤和石油的使用、工業(yè)“三廢”的排放、污水農(nóng)用灌溉以及農(nóng)藥化肥的使用、機動車尾氣排放、區(qū)域內垃圾堆放、大氣干濕沉降等。

1.2 土壤重金屬污染的特點土壤污染不同于大氣和水體污染，其帶來的危害性更大。土壤重金屬污染不僅無法通過土壤本身固有的生化作用得到減輕，而且這些重金屬甚至能較長時間地蓄積于土壤環(huán)境中，污染面積大，難以消除，時滯效應長，危害大，經(jīng)作物吸收后進入食物鏈，進而危害人類健康。

相關資料顯示，我國約1/5的耕地受重金屬污染，總面積接近0.1億hm2，明顯或重度污染的農(nóng)田面積已達22.67萬hm2[4]。我國每年被重金屬污染的糧食達1 200萬t，由土壤重金屬污染導致的糧食減產(chǎn)超過1 000萬t，合計經(jīng)濟損失至少200億元[5]。農(nóng)業(yè)部調查資料顯示，我國污灌區(qū)面積約140萬hm2，遭受重金屬污染的土地面積占污染總面積的64.8%，其中嚴重污染面積占8.4%，中度污染面積占9.7%，輕度污染面積占46.7%，同時Hg、Cd污染面積最大。全國目前約有11個省市的25個地區(qū)的耕地遭受Cd污染，約1.3萬hm2；約15個省市的21個地區(qū)的耕地遭受Hg的污染，約3.2萬hm2[6]。由于土壤環(huán)境的復雜性、多樣性，土壤一旦受到污染，其治理將會受到多種因素的制約，治理周期長且費用高昂。

1.3 土壤重金屬污染的危害當有害重金屬在土壤中的含量積累到一定程度時，會對土壤生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生毒害作用，導致土壤退化、農(nóng)作物減產(chǎn)降質。另外，由于地表徑流、淋洗等作用，重金屬會遷移至地下，造成地下水污染，并通過接觸和食物鏈等途徑危及人類生命安全[7]。

從目前重金屬污染調查情況來看，我國土壤重金屬污染形勢不容樂觀。有調查資料顯示，近年來華南地區(qū)部分城市有50%的農(nóng)田遭受Cd、As、Hg等有毒重金屬污染[8]；西江流域遭受重金屬污染的土地面積達0.55 km2/km2，污染率超過50%，其中，Hg的污染面積達1 257 km2，污染深入地下40 cm土層；在東南部的某些地方，Cu、Zn、As、Hg等重金屬含量超標的土壤面積占總污染面積的45.5%。江蘇省某丘陵地區(qū)在14 000 km2的范圍內Cu、Pb、Hg和Cd等的污染面積達35.9%，南京城市土壤也受到不同程度的Pb、Zn、Mn、Cu、Cr污染，其中Pb污染尤為嚴重[9]；西南、西北、華中等地區(qū)也存在較大面積的Hg、As等重金屬污染土壤。在全國范圍內，一些涉重金屬的企業(yè)及周圍的耕地早已不適合繼續(xù)耕種。

2土壤重金屬污染修復技術分類與比較

常用的土壤重金屬污染修復技術按照學科分類，可分為物理修復技術、化學修復技術和生物修復技術。其治理途徑主要體現(xiàn)在以下3個方面：①降低土壤中重金屬濃度，如稀釋法；②降低重金屬在土壤中的遷移性，如重金屬固化/穩(wěn)定化技術；③清除土壤中重金屬[10]，如植物修復。

2.1物理修復技術早期的治理土壤重金屬污染的方法主要是物理法，比如翻土法、換土法。隨著科學技術的進步，又產(chǎn)生了電修復法、熱處理法。

翻土法是指通過深翻土壤，上下層土壤混合，從而使得表層土壤中重金屬污染物分散到更深的土層，達到降低耕作層中重金屬含量的目的。換土法是指對于面積較小的重度污染區(qū)，用干凈土壤替換受重金屬污染的土壤。該法需妥善處理換出的污染土壤，以防二次污染。翻土法、換土法和隔離法雖能有效降低表層土壤中重金屬含量，但只是使污染物發(fā)生了轉移，治標不治本。電修復法是一種原位修復技術，指將若干電極直接插入污染土壤中，然后通以微弱直流電，形成直流電場，在電場作用下土壤中的金屬離子（如Cu、Cr、Pb、Cd、Ni、Zn、Mn等）發(fā)生定向遷移，并且富集在電極附近，最后對其進行集中處理或分離。在整個過程中，主要的物質遷移有自由擴散、電泳運動、電滲析和電遷移等。鄭喜坤等[11]沙土試驗表明，該法能去除土壤中90%以上的Pb2+、Cr3+等重金屬離子。實驗證明，對被鉛、銅污染的泥炭土每天通電10 h，43 d后鉛、銅去除率分別可達70%、80%[12]。夏星輝等[13]研究發(fā)現(xiàn)，運用電修復法去除土壤中的Cr6+效果良好，并且當電修復法與水力淋濾法聯(lián)合使用時，去除土壤中Cr的速度比運用其他單一方法均要快。熱處理法是指通過高頻電壓釋放電磁波產(chǎn)生的熱能加熱土壤，將重金屬從土壤中解析出來，并且進行收集處理[14]。但，該法只適用于收集易揮發(fā)的重金屬污染物，如Hg、As。有研究表明，應用熱處理法可使砂性土中Hg含量15 000 mg/kg下降至0.07 mg/kg，黏土中Hg含量從900 mg/kg下降至0.12 mg/kg，壤土中Hg含量從225 mg/kg下降至0.15 mg/kg，而且回收的汞蒸汽純度可達99%。主要的物理處理方法的優(yōu)缺點見表1。

2.2化學修復技術化學修復是通過對土壤中的重金屬進行吸附、溶解、沉淀、氧化還原、絡合螯合等來降低土壤中重金屬遷移性或生物有效性的方法。常用的重金屬污染土壤化學修復技術主要包括固化法、穩(wěn)定化法、淋洗法、改良法。