土壤重金屬污染及修復(fù)技術(shù)

衛(wèi)柯予

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)，長沙 410128）

土壤重金屬污染及修復(fù)技術(shù)

衛(wèi)柯予

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)，長沙 410128）

重金屬因具有毒性強(qiáng)、易積累、難降解的特性，使得土壤重金屬污染成為目前全球主要的環(huán)境問題之一。我國目前土壤污染問題形勢嚴(yán)峻，影響到國民的身體健康，社會的和諧發(fā)展，開發(fā)并應(yīng)用高效修復(fù)技術(shù)迫在眉睫。文章選擇鎘、鉛、汞等3種重金屬進(jìn)行介紹，并簡述其污染的主要來源、毒害作用及當(dāng)今土壤重金屬污染修復(fù)技術(shù)的情況與進(jìn)展。

重金屬污染 土壤修復(fù)技術(shù) 環(huán)境保護(hù)

1 土壤中重金屬污染源及其危害

1.1 鎘

1.1.1 土壤中鎘污染的主要來源

土壤及自然環(huán)境中的鎘污染主要來自人為活動的排放，可分為3個(gè)方面。（1）在金屬冶煉、電子工業(yè)、礦山開采等重工業(yè)生產(chǎn)中，廢氣中的鎘自然沉降進(jìn)入土壤、河流[1]。（2）化工、采礦影響城市生活產(chǎn)生的污水，用以農(nóng)業(yè)灌溉，造成污染。（3）磷肥生產(chǎn)過程中，不溶態(tài)的鎘轉(zhuǎn)化為水溶態(tài)，有效性與毒性大大的提高，造成土壤鎘的積累[2]。

1.1.2 鎘的作用機(jī)理及毒性

鎘在土壤中發(fā)生溶解、凝聚、螯合等反應(yīng)生成不同形態(tài)的鎘。其中，以水溶交換態(tài)的有效性最強(qiáng)，最易被植物吸收[3]，進(jìn)而經(jīng)食物鏈被人體吸收。鎘中毒對肺功能和腎臟功能造成嚴(yán)重?fù)p害。長期生活在鎘污染區(qū)將會導(dǎo)致骨頭脆化、骨質(zhì)疏松、腰椎、脊柱畸形[4]。

1.2 鉛

1.2.1 土壤中鉛污染的主要來源

土壤中鉛的來源是母質(zhì)和礦物，在風(fēng)化沉積過程中釋放鉛元素。人為的來源主要有3個(gè)方面。（1）含鉛廢氣和顆粒物隨著雨水沉降進(jìn)入土壤，造成污染。（2）廢棄鉛產(chǎn)品。比如，鉛酸電池、電纜包皮和建筑垃圾等處理不當(dāng)，造成污染。（3）含鉛污水用于農(nóng)業(yè)灌溉，造成耕層土壤鉛積累量顯著增加。

1.2.2 鉛的毒性

土壤中的鉛被植物吸收后，通過食物鏈最終影響人體。除直接攝入鉛污染食品外，鉛還可以通過皮膚接觸，呼吸道途徑進(jìn)入人體。鉛污染對人體健康的危害程度比較顯著。它的污染物中毒性很大，且以神經(jīng)毒性為主的一種重金屬元素[5]。重金屬鉛對人體的骨髓造血系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)和消化系統(tǒng)等均有不同程度的損害。研究表明，長期受鉛污染的孕婦血鉛含量明顯高于正常孕婦，而胎兒成活率和健康程度明顯低于正常胎兒[6]。

1.3 汞

1.3.1 土壤汞污染的來源

土壤汞的最基本來源是母質(zhì)風(fēng)化。其汞元素的含量直接決定著土壤的汞含量。進(jìn)入土壤的外源汞主要來自工業(yè)生產(chǎn)和城市生活的“三廢”排放。其中，含汞廢氣通過大氣沉降進(jìn)入土壤。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，使用的含汞肥料、農(nóng)藥也是重要來源。

1.3.2 汞的毒性

元素汞不能被人體消化系統(tǒng)吸收，即使誤服也可很快排出。汞的氧化物會造成輕微腹瀉，大多數(shù)人無臨床癥狀。

2 重金屬污染土壤的修復(fù)技術(shù)

2.1 概述

目前，重金屬污染土壤修復(fù)技術(shù)基于2種思路：（1）把重金屬污染物活化，并從土壤中移除。（2）盡可能將重金屬污染物穩(wěn)定在土壤中，減少遷移。

2.2 物理修復(fù)技術(shù)

物理技術(shù)包括排土、客土、深耕、淋洗、電解和熱處理法等措施[7]。排土、換土、去表土、客土等一般被認(rèn)為是治理土壤重金屬污染的根本途徑。但是，工程量較大。深耕是通過上下翻動土壤，使得表土中的重金屬含量降低。（1）淋洗法是把土壤中的重金屬提取到淋洗劑中，進(jìn)而移除土壤中的重金屬。（2）電解法是在污染土壤中插入電極，調(diào)節(jié)土壤的pH。重金屬通過土壤溶液向兩級富集，進(jìn)而去除重金屬離子。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在粘土內(nèi)鉛離子、鉻離子等的去除率可以達(dá)到90%以上[8]。（3）熱處理法是通過人工升溫或降壓，使得重金屬元素及其化合物揮發(fā)而得以去除。在何姍姍等[9]的汞污染修復(fù)研究中，熱處理去除汞的效率一般在50%以上，有時(shí)也可達(dá)到90%。

2.3 化學(xué)修復(fù)技術(shù)

化學(xué)修復(fù)技術(shù)主要使用改良劑和化學(xué)淋洗法等。改良劑的機(jī)理是穩(wěn)定固化重金屬。通過向污染土壤中投入改良劑，調(diào)節(jié)土壤pH，使土壤重金屬發(fā)生吸附、螯合、沉淀及其他氧化還原反應(yīng)，從而降低重金屬元素的有效性或使之以毒性較低的價(jià)態(tài)存在，實(shí)現(xiàn)固化、穩(wěn)定化。現(xiàn)在生產(chǎn)實(shí)踐中常用的改良劑有石灰、磷酸鹽、碳酸鈣、硅酸鹽等。其中，以磷酸鹽為改良劑是目前減少汞有效性和溶解性研究最徹底的方法[10]。席歡等[11]的研究，是向鉛污染潮土中加入蜂窩煤灰渣，并分析土壤性質(zhì)的變化，發(fā)現(xiàn)土壤有效磷含量上升，有效鉛含量降低，pH值升高，這可能是由于蜂窩煤灰渣本身的pH值較高。化學(xué)淋洗法采用生物或化學(xué)溶劑作為淋洗劑，將污染土壤的重金屬溶解后再分離，即達(dá)到修復(fù)土壤的目的。唐敏等[12]在砷污染土壤研究中，采用檸檬酸作為砷淋洗劑。結(jié)果顯示，土壤砷的去除率最高可達(dá)70%以上。

2.4 生物修復(fù)技術(shù)

生物修復(fù)技術(shù)包含植物修復(fù)、動物修復(fù)、微生物修復(fù)。

2.4.1 植物修復(fù)

植物修復(fù)是將特定的重金屬耐受性的植物種植在被污染的土壤上，污染重金屬被吸收到植物中富集，收獲后達(dá)到修復(fù)土壤的目的。植物修復(fù)技術(shù)根據(jù)作用機(jī)理不同，還可進(jìn)一步分為植物穩(wěn)定、植物提取和植物揮發(fā)。（1）植物穩(wěn)定是起植物根系的吸附和根系分泌物的沉淀作用，可有效降低污染土壤中重金屬的有效性，并阻止其通過地下水和食物鏈途徑危害人體。（2）植物提取能夠吸收有毒金屬污染物，運(yùn)輸?shù)街参锏那o葉中儲存起來，收獲后即達(dá)到修復(fù)土壤的目的。目前世界上發(fā)現(xiàn)的超積累植物接近500種，研究較多的有蜈蚣草對砷的富集，景天對鋅的富集，苜蓿對銅的富集，向日葵對鎘的富集等。邢維芹等[13]的研究中，在鉛污染貧磷潮土上種植黑麥草并補(bǔ)施磷肥進(jìn)行土壤修復(fù)，結(jié)果顯示，種植黑麥草增加了土壤的鉛有效性；施加磷肥促進(jìn)植物生長，降低土壤鉛含量。（3）植物揮發(fā)是通過種植一些植物，促進(jìn)土壤中的重金屬污染物轉(zhuǎn)化為可揮發(fā)的狀態(tài)。一般是通過植物根系分泌物、根際微生物與重金屬反應(yīng)實(shí)現(xiàn)的。

2.4.2 動物修復(fù)

某些低等動物特別是土壤小動物，對重金屬具有耐受性，利用動物的這個(gè)特性吸收土壤中的重金屬，達(dá)到土壤修復(fù)的目的。根據(jù)高巖等[14]的研究，對于砷污染土壤，蚯蚓具有一定的吸收修復(fù)能力。

2.4.3 微生物修復(fù)

微生物憑借自身生化反應(yīng)被用以重金屬污染土壤的修復(fù)，具體通過吸附、沉淀、甲基化等反應(yīng)進(jìn)行。目前，可用于重金屬吸附的微生物有細(xì)菌、絲狀真菌、酵母和藻類等[15]。生物沉淀、甲基化反應(yīng)作用于重金屬離子，使之轉(zhuǎn)化為低毒或無毒價(jià)態(tài)。微生物的分泌物也可以與重金屬離子結(jié)合反應(yīng)，產(chǎn)物為穩(wěn)定的沉淀或絡(luò)合物，有效減弱了重金屬毒性。微生物影響植物根際環(huán)境，增強(qiáng)植物根系對重金屬的吸附、轉(zhuǎn)化和積累，也可達(dá)到修復(fù)土壤的目的。相比于其他修復(fù)技術(shù)，微生物修復(fù)的優(yōu)點(diǎn)在于：不破壞土壤環(huán)境、操作簡易、成本低等。但微生物的活性易受土壤的環(huán)境影響，且不同微生物的修復(fù)效果存在差異，都限制了微生物修復(fù)技術(shù)的推廣應(yīng)用。

[1] 冉永亮，邢維芹，梁夾，等．華北平原地區(qū)某鉛冶煉廠附近土壤重金屬有效性研究．生態(tài)毒理學(xué)報(bào)，2010，5（4）：592～595[2] 韓曉日，王穎，楊勁峰，等．長期定位施肥對土壤中鍋含量的影響及其時(shí)空變異研究．水土保持學(xué)報(bào)，2009，23（1）：107～110

[3] 趙晶，馮文強(qiáng)，秦魚生，等．不同氮磷鉀肥對土壤pH和鎘有效性的影響．安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，47（5）：953～961

[4] 易建春，汪模輝，李錫坤．土壤中鎘的污染及治理．廣東微量元素科學(xué)，2006，13（9）：11～15

[5] 張英，周長民．重金屬鉛污染對人體的危害．遼寧化工，2007，36（6）：395～397

[6] 楊宵霖，鄭舜瓊，劉廷筑，等．環(huán)境鉛污染對婦女生育功能危害的調(diào)查．環(huán)境與健康雜志，1998，（4）：154～156

[7] 黃益宗，郝曉偉，雷鳴，等．重金屬污染土壤修復(fù)技術(shù)及其修復(fù)實(shí)踐．農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2013，（3）：409～417

[8] Aear Y B．，Alshawabkeh A．N．Principles of electrokinetic remediation．Environment Sci Technology，1993，27（13）：2638～2647

[9] 何姍姍，李薇，盧晗．土壤汞污染及其修復(fù)技術(shù)．科技通報(bào)，2016，32（10）：234～239

[10] Xu J Y，Bravo A G，Lagerkvist A，et al．Sources and remediation techniques for mercury contaminated soil．Environment International，2015，74：42～53

[11] 席歡，李麗萍，邢維芹，等．蜂窩煤灰渣和磷肥結(jié)合修復(fù)鉛污染貧磷潮土的研究．生態(tài)毒理學(xué)報(bào)，2010，（6）：868～875

[12] 唐敏，張煥禎，李亮．砷污染土壤檸檬酸萃取修復(fù)技術(shù)研究．環(huán)境污染與防治，2010，32（12）：31～34，58

[13] 邢維芹，李立平，王琳，等．磷肥和黑麥草結(jié)合修復(fù)鉛污染貧磷潮土的研究．生態(tài)毒理學(xué)報(bào)，2009，4（5）：718～725

[14] 高巖，駱永明．蚯蚓對土壤的只是作用及其強(qiáng)化修的潛力．土壤學(xué)報(bào)，2005，42（1）：140～147

[15] 黃化剛，李廷軒，楊肖娥，等．植物對鉛脅迫的耐性及其解毒機(jī)制研究進(jìn)展．應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2009，20（3）：696～704