重金屬鎘污染土壤修復(fù)技術(shù)綜述與展望

文_曹晨昊 安慶師范大學(xué)

1 土壤鎘污染的來源

鎘污染的來源主要有工業(yè)廢氣、廢水以及農(nóng)藥化肥污染。如電鍍、油漆著色劑、塑料穩(wěn)定劑、光敏元件的制備等工業(yè)廢氣中存在一定量的鎘，它們會和粉塵一起隨風(fēng)擴散到工廠周圍，通過降雨或沉降進(jìn)入土壤。鍍鋅廠以及與塑料穩(wěn)定劑、染料及油漆等生產(chǎn)有關(guān)的工廠產(chǎn)生的工業(yè)污水中含有大量的鎘，這些廢水如不經(jīng)處理或者處理不達(dá)標(biāo)，廢水中的鎘就會隨著污灌進(jìn)入土壤。另外，長期使用的含有鎘的農(nóng)藥化肥、塑料薄膜也是土壤鎘污染的重要來源。

2 鎘對生態(tài)的危害

土壤和水體中鎘的可溶部分，一般稱可溶態(tài)或可交換態(tài)，它能被植物吸收，且可通過食物鏈進(jìn)入人體。

2.1 對植物的危害

當(dāng)鎘進(jìn)入植物并積累到一定程度，就會影響其生長發(fā)育、產(chǎn)量以及品質(zhì)。據(jù)研究，當(dāng)土壤中可溶態(tài)鎘為0.43mg/kg時，水稻減產(chǎn)10%；為8.10mg/kg時，水稻減產(chǎn)達(dá)25%；稻米鎘和土壤可溶態(tài)鎘的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.997,影響稻米的氨基酸及淀粉中的支鏈淀粉和直鏈淀粉比例改變，使其品質(zhì)變差。

2.2 對人體及動物的危害

鎘是人類和實驗動物肺癌的肯定致癌物，已被國際癌癥研究機構(gòu)歸類為第一致癌物。

3 土壤中鎘的存在形態(tài)

土壤中的鎘多是以化合物的形式存在，以二價簡單離子或簡單配位離子存在土壤溶液中。鎘在旱地土壤中以CdCO3為主，在水淹土壤中則以CdS形式存在。不同母質(zhì)的土壤，其Cd的化學(xué)形態(tài)不同，大多數(shù)石灰性土壤中Cd的形態(tài)占主導(dǎo)地位的是碳酸鹽結(jié)合態(tài)的, 且碳酸鹽結(jié)合態(tài)＞殘渣態(tài)＞有機結(jié)合態(tài)＞交換態(tài)＞吸附態(tài)；紅壤、棕壤中占絕對優(yōu)勢的是可交換態(tài)，鐵錳氧化態(tài)和有機態(tài)含量很少,碳酸鹽態(tài)和殘留態(tài)含量居中。土壤中有機結(jié)合態(tài)的鎘較少。

研究表明，國外土壤中鎘的含量一般在0.01～0.2mg/kg,且多數(shù)存在于土壤表層，我國土壤中鎘的含量平均為0.163mg/kg。

4 鎘污染在土壤中熱質(zhì)遷移機制

鎘進(jìn)入土壤后，將會發(fā)生吸附、轉(zhuǎn)化、遷移等過程。土壤膠體表面吸附鎘離子主要通過專性吸附和電性吸附這2個途徑，在可變電荷土壤中又以專性吸附為主。對鎘離子的吸附主要受土壤的礦物特性、有機組成、土壤溶液的組成和pH等影響。有研究證明，土壤吸附鎘離子受到土壤溶液pH的強烈影響，一般來說，pH升高會提高土壤對鎘的吸附量，反之則下降。采用不同的土壤礦物和土壤膠體，pH對鎘吸附的影響程度不一樣，且這種影響也會隨金屬的種類和其本身的特性而異。陰離子通過與陽離子形成離子對和以絡(luò)合物的形式影響陽離子的吸附；一些有機酸陰離子可與鎘陽離子形成穩(wěn)定絡(luò)合物，從而影響鎘離子在固—液相間的分布。

現(xiàn)有描述鎘土壤吸附—解吸的機理模型采用吸附等溫線法來研究，土壤中的背景鎘元素占據(jù)了一部分吸附點位，但結(jié)合強度不一致，當(dāng)外源重金屬鎘添加時，原來被吸附的重金屬鎘被解吸下來，被解吸的離子會與外源添加離子競爭吸附點位，在土壤液相和固相之間進(jìn)行分配。鎘污染物遷移的主要形式是其在土壤中的擴散和可溶性鎘污染物隨土壤水分的遷移。

5 土壤鎘污染的治理與修復(fù)措施

5.1 物理措施

傳統(tǒng)的鎘污染土壤修復(fù)方法主要有排土、客土和深耕翻土等物理方法，就是去表層土并向污染土壤中加入大量干凈的土壤，覆蓋在表層或混勻，使污染物濃度下降到臨界危害濃度以下，或減少污染物與根系的接觸，這種物理措施被認(rèn)為是改良土壤的根本措施。吳燕玉等在張士灌區(qū)調(diào)查土壤中鎘的含量發(fā)現(xiàn)，77%～86.6%土壤鎘積累在30cm以上的土層，去表層土可使稻米中鎘含量降低50%。但是這種方法耗費大量資金、人力和物力，排出的污染土壤又很容易引起污染，而且土壤肥力會有所下降，目前國內(nèi)很少有工程實施的報道。

5.2 化學(xué)措施

化學(xué)措施有兩種策略，一是降低土壤鎘的溶解性，減少其生物毒性和在植物體內(nèi)的積累；二是利用酸性化學(xué)物質(zhì)或某些螯合劑增加土壤鎘的移動性，通過灌溉或降水將表土層的鎘淋洗到底土層，使耕作土壤得到凈化。目前研究較多且在實際中得到應(yīng)用的是第一種策略，廣泛應(yīng)用的方法是向土壤添加改良劑、表面活性劑、金屬拮抗劑等，而磷酸鹽、石灰、硅酸鹽被認(rèn)為是處理土壤鎘污染的常用物質(zhì)。楊景輝研究表明，施用磷酸鹽類物質(zhì)可使重金屬鎘形成難溶性的磷酸鹽。李明德等通過人工模擬污染、盆栽試驗的方法，研究了海泡石對鎘污染土壤的改良效果，結(jié)果表明海泡石能顯著促進(jìn)空心菜的生長，抑制空心菜對鎘的吸收，降低空心菜植株內(nèi)鎘的濃度，同時由于海泡石具有很大的表面積和較大的吸附量，可降低土壤鎘的有效性，海泡石可作為鎘污染土壤的改良劑。Gworek用膨潤土合成沸石等硅鋁酸鹽作為添加劑鈍化土壤中重金屬鎘，顯著降低了受鎘污染土壤中鎘的作用濃度。化學(xué)措施操作簡便,但在比較嚴(yán)重的污染地區(qū)，則很難將作物可食部分的鎘含量降低到可以接受的水平。

5.3 生物措施

利用某些特定的動植物和微生物可以較快地吸走或降解土壤中的污染物達(dá)到凈化土壤的目的。成杰民等研究表明，在鎘污染的土壤上，引進(jìn)蚯蚓顯著增加了黑麥草地上部的生物量，接種菌根不僅能促進(jìn)黑麥草對鎘的吸收，而且還能促進(jìn)鎘從植物根部向地上部轉(zhuǎn)移，由于接種蚯蚓可以提高菌根的侵染率，所以二者具有促進(jìn)鎘向地上部轉(zhuǎn)移的協(xié)同作用，這對于重金屬鎘污染土壤的生物修復(fù)具有十分重要的意義。蘇德純等認(rèn)為油菜溪口花籽有較強的耐鎘特性和吸收鎘的能力，是一種可用于修復(fù)鎘污染土壤的超積累種質(zhì)資源。劉云國等研究表明，月季花等花卉植物對重金屬鎘具有很強的富集作用，在試驗觀測期間，植物平均每天吸收鎘1.7576mg/L，且生長發(fā)育良好，也可以作為鎘污染生物整治的植物，而且不進(jìn)入食物鏈，不會對人體產(chǎn)生危害。有試驗表明，龍葵對鎘的富集特性符合鎘超積累植物的基本特征，是鎘污染土壤植物修復(fù)的一種新材料，在鎘污染環(huán)境的修復(fù)方面具有良好的應(yīng)用前景。

5.4 生態(tài)措施

生態(tài)措施是充分利用生物(植物）的抗逆基因，使生物最大限度地適應(yīng)污染環(huán)境，以降低環(huán)境對生物的脅迫作用，在協(xié)調(diào)生物與環(huán)境的相互關(guān)系中獲取符合需求的產(chǎn)品和生產(chǎn)效益。生態(tài)措施的最終目標(biāo)是實現(xiàn)污染土地的安全與高效的農(nóng)業(yè)利用。例如通過控制土壤水分狀況，使土壤作物有一個較為穩(wěn)定的滯水期，可以減少鎘進(jìn)入植物體內(nèi)的含量；使用有機肥，增加土壤有機質(zhì)有利于改良土壤結(jié)構(gòu)，可以促進(jìn)土壤中鎘形成硫化物；在鎘污染土壤區(qū)選擇種植耐鎘污染的作物，以降低鎘污染的危害，或改變耕作制度，在重度鎘污染區(qū)種植非食用植物；而在治理比較困難的情況下，改變土地的使用類型，將其改為建筑用地，綠化用地等非農(nóng)用地。

5.5 電動修復(fù)

電動修復(fù)是一個多學(xué)科的研究領(lǐng)域，原理是通過向污染土壤的兩側(cè)施加直流電壓，使得土壤中的孔隙水和污染物帶電，土壤中的帶電污染物在電場的作用下向電極兩端聚集。該技術(shù)已用于鎘污染土壤的修復(fù)。Apostlols G等探討了添加十二烷基硫酸鈉和天然表面活性劑腐殖酸對電動修復(fù)土壤中鎘污染的影響。結(jié)果表明，2種物質(zhì)可以促進(jìn)修復(fù)過程中鎘的去除。該技術(shù)具有采用化學(xué)試劑少、能耗低、修復(fù)完善等優(yōu)點，是具有良好發(fā)展前景的綠色修復(fù)技術(shù)。但是該技術(shù)受影響的因素較多，例如電極材料和結(jié)構(gòu)、土壤的類型、電流的大小等，會在一定程度上影響修復(fù)的效果。

6 結(jié)語

土壤鎘污染的治理修復(fù)是當(dāng)前環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點和難點之一。國內(nèi)外雖研發(fā)出多種鎘污染修復(fù)措施，也取得一些進(jìn)展，但這些修復(fù)措施在應(yīng)用中仍存在一定的局限性。

首先，應(yīng)嚴(yán)格控制污染源，預(yù)防或減少帶來鎘污染的工業(yè)生產(chǎn)，禁用污水灌溉，減少農(nóng)田使用污泥等固體垃圾，控制和降低磷肥中的鎘含量。其次，應(yīng)采取合理有效的措施進(jìn)行治理，減少土壤鎘污染給人類健康帶來的危害。生物修復(fù)土壤鎘污染一直以來被認(rèn)為是最具有應(yīng)用前景的修復(fù)措施。迄今為止，已發(fā)現(xiàn)的超富集植物種類不少，尋找生物量大且富集量高的鎘超富集植物應(yīng)是努力的方向，實際應(yīng)用中則還應(yīng)考慮各種植物的搭配，植物修復(fù)局限性的克服，有關(guān)土壤及微生物資料的收集等。另外，可在土壤鎘污染地區(qū)選種一些抗鎘污染強的作物，以降低含鎘農(nóng)作物進(jìn)入食物鏈從而避免對人類造成的危害，同時還可以篩選出在可食用部分累積污染物少的品種，以用于進(jìn)一步選育抗鎘污染的新品種。