重金屬污染農田土壤的穩定化修復技術及其修復實踐研究

黃 迪，黃志紅，孔 輝，易 浩，龍 翔，楊燕群，肖惠寧

（1圣清環保股份有限公司，昆明650100；2南京林業大學輕工科學與工程學院，南京210037）

0 引言

根據2014年發布的《全國土壤污染狀況調查公報》[1]，中國全國土壤點位超標率為16.1%，耕地土壤點位超標率為19.4%；全部超標點位中的82.8%屬無機污染物超標，重金屬如Cd、Pb、As、Hg、Cr、Cu、Zn、Ni污染是其污染的主要類型。中國土壤污染總體形勢不容樂觀，部分地區污染嚴重，農田土壤污染形勢嚴峻[2]。中國農田土壤重金屬污染呈現區域性污染嚴重的特點，以西南（云南、貴州等地）、華中、長江三角洲及珠江三角洲等地的污染尤為嚴重[3-4]。農田土壤重金屬污染直接影響到農產品、農田生態系統及人居環境的健康安全，農田土壤重金屬污染受到廣泛關注[5-7]。

目前對農田土壤重金屬污染修復的報道多是實驗規模關于修復技術、修復藥劑等內容的研究，相關修復技術、修復藥劑的大田修復實踐較為缺乏[8]。筆者通過對已實施的云南省某農田土壤重金屬污染修復工程進行報道，介紹其項目概況、修復工藝選擇、藥劑篩選、工程實施等內容，研究重金屬污染農田土壤的穩定化修復技術，為重金屬污染農田土壤的安全利用提供科學依據。

1 項目概況

項目所在地會澤縣是中國重要的有色金屬礦區之一，已探明的鉛鋅礦儲量約152.8萬t，區域內共有30余家冶煉企業。由于礦產開采、冶煉加工導致地表水、地下水受到嚴重的重金屬污染，而長期污水灌溉農田導致重金屬在土壤內積累，造成土壤的Cd、Pb、Zn等多種重金屬污染。該區域已被列為全國138個重金屬污染重點防控區。

項目區土壤類型為紅壤，主要農作物為玉米，采用重金屬穩定化技術修復的面積為40.50 hm2，工期為2018年2月—2019年12月。

1.1 土壤及作物污染情況

1.1.1 監測點位布設 項目土壤采樣點位布設參照《土壤環境監測技術規范》(HJ/T 166—2004)要求，在水平方向（表層土，0～20 cm）按0.33 hm2/樣品采用梅花布點進行取樣檢測，共取122個土樣檢測；在垂直方向（土壤剖面）按2.67 hm2/樣品采用梅花布點分別對0～20、20～60、60～100 cm土層取樣檢測，每層取15個土樣檢測；玉米采樣點位與表層土采樣點位一致。

1.1.2 污染情況 土壤污染為Cd、Pb、Zn重度污染，Cd污染尤為嚴重，詳見表1；土壤剖面隨深度增加污染程度有所降低，詳見表2；由于土壤污染導致玉米籽粒重金屬超標，詳見表3。

表1 水平方向（土壤表面）土壤污染情況表

表2 垂直方向土壤污染情況表（平均值）

表3 玉米籽粒污染情況表

1.2 修復目標確定

按照“安全利用—修復治理”相結合的原則，項目實施是為實現項目區農產品（玉米）的達標生產，并為西南地區同類型土壤修復提供經濟高效、環境友好的實用技術示范參考，根據項目區的污染程度、污染特點，將其劃分為A(6.67 hm2)、B(33.83 hm2)2個修復區域，具體修復目標為：

（1）A區，耕作層土壤中Cd、Pb、Zn重金屬有效態含量均降低40%以上、總量均降低30%以上。

（2）B區，耕作層土壤中Cd、Pb、Zn重金屬有效態含量均降低40%以上。

（3）實現項目區農田土壤的安全利用，即所種植玉米可食部分Cd、Pb、Zn含量95%以上符合國家標準[17]，且不減產。

2 修復工藝確定

2.1 修復技術選擇

農田土壤重金屬污染的修復可從降低重金屬總量、降低重金屬有效態以使得重金屬在土壤中遷移性與生物可利用性降低、改變種植制度等方面著手[19]。其修復技術包括物理修復技術、化學修復技術、生物修復技術、農業生態修復技術、聯合修復技術等，修復技術的選擇應根據污染物種類、污染程度、氣候特點、土地利用方式、修復經費、修復周期等因素并結合技術特點確定。表4對當前主要修復技術進行對比，由于穩定化修復技術作為常用的修復技術具有技術成熟、成本低、見效快、效果好等優點[20-23]，結合本項目修復面積、項目地經濟水平及所選技術后續在類似土壤環境中的推廣應用，本項目以穩定化修復技術降低重金屬有效態為基礎，聯合采用深耕翻土技術降低耕作層土壤中重金屬總量、選育低累積玉米的植物修復技術及農業生態修復技術實現農產品安全生產，分別對A區6.67 hm2采用重金屬穩定化+深耕翻土+生土熟化+低累積玉米種植技術、對B區33.83 hm2采用重金屬穩定化+低累積玉米種植技術。

表4 重金屬污染農田土壤修復技術應用及優缺點[24-30]

2.2 修復技術路線

根據選定的修復技術方案，修復技術路線包括修復前對項目區污染情況的復測及邊界的界定；穩定化藥劑種類及施用工藝參數的小試、中試實驗研究，低累積玉米品種篩選小區實驗研究；對A區域耕作層翻耕破碎并施撒穩定化藥劑后養護、深翻混勻、耕作層施撒生土熟化劑及有機肥，對B區域耕作層翻耕破碎并施撒穩定化藥劑后養護；分別在A、B區域種植玉米；最后對土壤、農產品取樣檢測評價修復效果。修復技術路線詳見圖1。

圖1 修復技術路線

2.3 修復藥劑篩選

2.3.1 穩定化藥劑篩選小試實驗 穩定化修復技術是向污染土壤中加入穩定化藥劑，通過與重金屬發生吸附、沉淀（共沉淀）、絡合等作用降低重金屬在土壤中的遷移性和生物有效性。根據土壤理化性質、污染元素特征、污染程度、種植作物等因素選擇合適的穩定化藥劑是穩定化技術的關鍵。表5列出了對Cd、Pb、Zn有穩定化作用的主要藥劑，項目選取了生物碳、鐵改性生物炭、鐵改性纖維素、活性炭、堿性鈣渣、石灰、粉煤灰、海泡石、沸石、高嶺土、磷酸二氫鈣、磷礦粉、有機硅肥、純羊糞有機肥共14種穩定化藥劑開展試驗，每種藥劑按試驗土壤質量比設置0.10%、0.25%、0.50%的藥劑投加梯度，通過比較分析不同藥劑類型及投加比對土壤中重金屬Cd、Pb、Zn的穩定化效果，優選出鐵改性纖維素、堿性鈣渣、生物碳、海泡石、石灰5種穩定化藥劑開展中試篩選試驗。

表5 主要修復藥劑

2.3.2 穩定化藥劑篩選中試試驗 對優選出的5種穩定化藥劑，在項目區選定1.067 hm2土壤重金屬污染情況基本一致的試驗區域，分別按照3750、7500、15000 kg/hm2的投加量開展中試試驗，最終優選出鐵改性纖維素、堿性鈣渣、海泡石作為工程實施的穩定化藥劑。圖2為穩定化藥劑施用量為7500 kg/hm2時對重金屬的穩定化效果。

圖2 穩定化藥劑篩選中試試驗效果圖

2.4 低累積玉米品種篩選小區試驗

項目區主要農作物為玉米，低累積玉米品種篩選在于篩選出適宜項目區土壤種植且不易吸收土壤中重金屬的玉米品種，配合穩定化修復技術，種植出符合國家標準的玉米，實現對重金屬污染農田土壤的安全利用。在項目區選定1.13 hm2土壤重金屬污染情況基本一致試驗區域，對‘宣會7號’、‘宣禾玉1號’、‘地沃2號’、‘先玉696’、‘宣會6號’、‘勝玉6號’、‘秋碩玉8號’、‘西抗18’、‘慧玉6511’、‘會單888’、‘云黃3號’、‘玉都95’、‘保玉7號’、‘大天1號’、‘金玉2號’、‘新昭6號’、‘羅單566’共17個玉米品種開展篩選試驗，根據不同品種玉米籽粒重金屬含量，結合各品種玉米產量、耐澇、抗旱能力等因素，最終優選出‘宣會7號’、‘地沃2號’、‘羅單566’共3個玉米品種用于工程實施。

3 工程實施

3.1 土壤重金屬穩定化

3.1.1 土壤翻耕 根據項目修復目標對項目地進行復測及修復邊界劃分后，對A、B區域各地塊進行清除雜草，破碎翻耕，平整等預處理。土壤翻耕作業采用3臺旋耕機翻耕破碎3遍，保證土壤破碎完全，翻耕深度約20 cm。

3.1.2 穩定化藥劑施撒及混勻 對A區域施撒穩定化藥劑，用旋耕機將耕作層土壤與藥劑混勻；再對土壤進行深翻混勻，深翻深度約80 cm；最后在耕作層土壤施撒生土熟化劑和有機肥，對深翻上來的生土進行熟化，生土熟化劑主要成分為泥炭、微生物菌劑、營養啟動劑、濕潤劑等，有機肥為純羊糞有機肥。

對B區域施撒固化穩定化藥劑，用旋耕機將耕作層土壤與藥劑混勻。

3.1.3 穩定化藥劑養護 施撒穩定化藥劑并混勻后，需進行養護，養護時間為5～7天，養護期間采取灑水、覆膜等措施保持土壤含水率約30%，使藥劑與污染土壤充分反應。

3.2 玉米種植及管理

將篩選得到的玉米品種在項目地最佳種植節令種植。玉米種植步驟為打塘、施肥、插籽、覆膜等。玉米種植后的田間管理包括間苗（補苗）、中耕追肥、除草、病蟲害防治等。

3.3 二次污染防治

項目的二次污染防治主要包括：（1）施工前，對擬投入使用的穩定化藥劑進行嚴格檢測，防止通過藥劑引入重金屬污染；（2）施工中，對產生的揚塵污染進行灑水降塵，施工機械、運輸車輛出場之前，經過草墊簾或淺水坑清洗輪胎，避免攜帶污染物出場；（3）施工后，對種植的玉米嚴格管理，達到國家標準的合理利用，未達國家標準的超標作物及農田廢棄物進行安全處置。

3.4 修復效果評價

3.4.1 評價方法 由第三方監測單位對修復前、后的樣品進行取樣檢測，對于土壤重金屬總量、有效態效果評價采用各污染區整體求平均值的方法，對于玉米效果評價采用所取樣中的樣品95%達標。

3.4.2 修復效果 經修復，A、B區耕作層土壤中Cd、Pb、Zn重金屬有效態含量均降低40%以上，A區耕作層土壤中Cd、Pb、Zn重金屬總量均降低30%以上，A、B區所種植玉米可食部分Cd、Pb、Zn含量95%以上達標且均有增產，詳見圖3。修復效果達到既定目標。

圖3 項目修復效果

4 結論與展望

4.1 結論

通過項目的實施，主要有如下結論。

（1）采取控源—減量—降活—低吸—農產品安全達標生產的修復模式，通過小試—中試—工程實施系統的工藝研究、技術應用，保證了修復效果并降低了修復成本，實現了污染農田土壤的安全利用。

（2）應用重金屬Cd、Pb、Zn復合污染土壤分類治理技術（穩定化和深耕翻土），集成物理—化學—生物—農業生態聯合修復技術，構建具有針對性的穩定化—植物—農藝調控的聯合修復技術體系，實現了重金屬污染農田土壤修復、生態建設、經濟效益的有機結合。

（3）根據土壤污染類別、污染程度、修復目標等因素篩選出的修復技術、穩定化藥劑、低累積玉米品種，在西南地區類似農田土壤環境條件下具有較好的推廣應用價值，建立了中國西南地區農田土壤重金屬Cd、Pb、Zn復合污染修復治理示范基地。

4.2 展望

農田土壤安全與人類健康息息相關，近年來重金屬污染農田土壤的治理修復越發受到社會各界關注，其研究已經越來越得到國內外學術界的關注[8]，但有以下問題待解決：

（1）完善相關的行業標準、規范。《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準（試行）》(GB 15618—2018)是中國當前唯一的農田土壤修復相關標準，該標準只給出土壤重金屬總量的篩選值和管制值，未涉及用于評價穩定化修復效果的基于土壤關鍵參數的重金屬有效態含量指標及評價方法；沒有確定農田土壤修復目標值的方法和標準，工程上采用有效態含量降低10%～50%的評價指標過于寬泛，忽視了實際修復效果及對農作物的影響。

（2）豐富投資機制，拓寬資金來源。目前中國農田土壤修復資金主要來源于國家財政，每年撥付的專項資金主要用于試點、示范工程的建設，不足以支持全國性的污染農田土壤治理修復。因此在農田土壤修復的投融資機制上應進行積極探索，如鼓勵綠色信貸、建立地方政府修復基金、積極引入民間資本等。

（3）加強技術和裝備研發。當前農田土壤（尤其是旱地）污染修復技術大多處于試驗及試點階段，大田修復實踐缺乏；常用的穩定化修復技術配合植物修復技術、農藝調控措施雖能達到農田的安全生產，但存在持續施藥、未根本改善土壤環境等問題，該技術未取得突破性進展；大田修復中與修復技術相配套的專業裝備缺乏，如施藥裝備、專業的土壤深翻裝備等，裝備的缺失進一步阻礙了相關修復技術的應用與發展。