不同類型礦物材料修復重金屬污染土壤的研究進展

張寶強 孫嬰嬰

0 引言

重金屬大概有 45 種，其中較為典型且毒性較強的有 5 種，分別為 Cd、Pb、Cr、Hg、As。重金屬主要來源于農業污染、工礦業污染、生活污染、自然源[1]。土壤農業重金屬主要由于化肥和塑料膜的使用、污水的灌溉等產生。工業排出的廢水占污水總量的60%～80%，其基本都含有不同含量的重金屬。生活污泥中重金屬的含量較高，長期的使用會導致區域性的土壤重金屬含量過高[2]。采礦、冶煉、等工礦企業將未經處理的廢氣、廢水等排放到環境中會對區域土壤產生重金屬污染，使得重金屬的含量遠超過當地土壤環境的背景含量[1]。自然源主要是由成土母質中化學元素的最初含量所決定，不同種類的母巖所形成的土壤中重金屬的含量和形態也存在著不同[3]。

1 土壤重金屬污染的危害

土壤重金屬的污染有著持久性、不可逆性、隱蔽性、潛伏性等特點。當重金屬進入生態系統后會在土壤、水體以及有機體中富集，土壤遭受重金屬污染后會對農副產品的質量及產量產生影響，最終通過食物鏈進入人體嚴重危害人類的身體健康。農用地中重金屬含量過高會影響土壤微生物的活性，進而影響植物的光合作用及正常生長，導致農作物的減產和質量下降并提高了重金屬在食物鏈中的污染風險[4]。有研究表明，農作物體內重金屬含量過高時會影響其對鐵、鎂、鈣等營養物質的吸收[5]。同時，土壤重金屬含量過高也會影響土壤中的脊椎類動物種類和數目，導致土壤生物群落性降低，進而影響土壤的透氣性等[6]。

2 礦物材料對重金屬修復的進展

目前國內外學者就重金屬污染土壤修復問題，使用的礦物材料類鈍化劑主要有：天然礦物鈍化劑，如：蒙脫石、沸石、凹凸棒石、褐煤等[7-8]；固體廢棄物，如：粉煤灰、煤矸石、城市污泥、磷礦粉等[9-10]；該類礦物材料作為重金屬鈍化劑施入土壤后，不僅改善了土壤的理化性質，補充了養分，還通過礦物材料的吸附、沉淀、離子交換等途徑使得重金屬由原來的游離態轉變為有機結合態和殘渣態等穩定形態，使得重金屬的移動性和生物可給性得到降低。

2.1 天然礦物材料對重金屬的修復

施用含鈣鎂等化合物的天然礦物材料可以提高土壤的pH 值，增強土壤粘粒、鐵錳氧化物、有機質等所帶有的負電荷，提高了土壤與重金屬離子之間的親和力，加強了土壤對重金屬的吸附能力，使得土壤中的重金屬與 CO3-或 OH-離子產生沉淀[11-12]。將礦物材料作為鈍化劑不僅增加了土壤中Ca2+和Mg2+的含量，同時還使得Ca2+和Mg2+與土壤中的重金屬產生拮抗作用，從而減少了植物體對重金屬的吸收。有機類礦物褐煤、泥炭、風化煤等所含有的羥基、氨基、羧基等配體，能夠與重金屬形成絡合物，使得重金屬的生物有效性得到降低。粘土礦物作為土壤膠體的重要組成部分，其比表面積和離子交換量相對較大，且穩定性高，對重金屬具有極強的吸附性[13]。

2.2 固體廢棄物對重金屬的修復

燒鍋爐時產生的固體廢物粉煤灰含有大量的硅、鋁、鐵等氧化物，，根據粉煤灰表面孔隙多、比表面積大等的性質，進行物理化學吸附、離子交換、產生沉淀等可修復水中的重金屬。煤矸石是與煤伴生的一種固體廢棄物，主要礦物含量為粘土巖、碳酸鹽巖類等，煤矸石的無機礦物成分是鐵、鎂、鋁等的氧化物；煤矸石含有的粘土礦物、碳酸鹽、鐵鎂氧化物等，與重金屬離子進行離子交換、化學沉淀等，從而達到對重金屬的吸附效果。磷灰石與鉛反應后能夠形成穩定的氟磷鉛礦，是其修復鉛污染物的主要機理，因此多應用于重金屬鉛污染土壤的修復；粉煤灰等固體廢棄物形成的活性硅溶膠體易于土壤重金屬發生吸持或共沉淀作用，從而降低重金屬的活性，減少其對生物的可給性。

3 展望

礦物材料和固體廢棄物在修復重金屬污染土壤的應用中，具有材料成本低、操作簡便、原位修復、環境友好不會產生二次污染等優點。因此，在利用礦物材料和固體廢棄物修復重金屬污染土壤中具有一定的發展潛力和良好的應用前景。目前國內外對于礦物材料和固體廢棄物修復重金屬的研究多處于實驗室試驗階段和田間試驗階段，缺乏修復效果的長期性和實際應用方面的研究。因此，在未來的研究中應從實際應用出發，進行修復效果的長期性研究，將最終的研究結果盡早的應用到實際生產生活中去，對修復效果及環境效應進行長期的追蹤，獲取長期有效和可行的修復材料，為未來重金屬污染土壤的修復提供可靠依據。