土壤重金屬污染修復(fù)技術(shù)及展望

丁禺喬 柳曉光

（中國(guó)煤炭地質(zhì)總局地球物理勘探研究院 河北保定 072750）

引言

伴隨著我國(guó)飛速發(fā)展的農(nóng)業(yè)工業(yè)水平，環(huán)境污染與生態(tài)破壞現(xiàn)象難以避免，產(chǎn)生的不良影響已危害到身體健康。以土壤污染為例，各種污染物伴隨著地表徑流以及地下水遷移，導(dǎo)致污染范圍不斷擴(kuò)大，與此同時(shí)土壤污染所造成的環(huán)境影響又有一定的滯后性，往往通過(guò)耕地農(nóng)作物，在食物鏈富集，最終影響到人類。據(jù)調(diào)查我國(guó)直接由重金屬導(dǎo)致的農(nóng)用耕地污染面積近超過(guò)2000 萬(wàn)平方公里[1]。相比于自然活動(dòng)，例如地殼運(yùn)動(dòng)，人為活動(dòng)所造成的土壤污染較為嚴(yán)重，上世紀(jì)中期，伴隨著化學(xué)農(nóng)藥以及無(wú)機(jī)化肥的生產(chǎn)使用，不計(jì)后果的使用有農(nóng)藥化肥對(duì)土壤產(chǎn)生了一系列不可逆的危害。以土壤重金屬污染為例，工業(yè)生產(chǎn)是其主要來(lái)源，過(guò)于快速的發(fā)展，使得工業(yè)生產(chǎn)與環(huán)境問(wèn)題嚴(yán)重失衡，過(guò)快的經(jīng)濟(jì)發(fā)展掩蓋了環(huán)境污染問(wèn)題，部分工業(yè)廢水未經(jīng)處理沉入地下水進(jìn)而遷移，剩余廢水匯入地表徑流，污染農(nóng)田灌溉用水，進(jìn)而危害人類生活。農(nóng)作物生長(zhǎng)受土壤肥力以及土壤成分的影響，長(zhǎng)期的土壤重金屬污染會(huì)導(dǎo)致土壤肥力逐漸下降，另外，重金屬可能直接影響農(nóng)作物種子發(fā)芽、生根，從而直接或間接導(dǎo)致作物減產(chǎn)，引發(fā)糧食問(wèn)題。

1 土壤重金屬污染來(lái)源及危害

我國(guó)土壤重金屬污染地區(qū)主要分布在工業(yè)核心區(qū)域，包括長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)區(qū)、珠江經(jīng)濟(jì)區(qū)，總體來(lái)看，南方污染情況較北方嚴(yán)重。重金屬來(lái)源主要分為兩方面：人為因素和自然因素。自然因素較人為因素產(chǎn)生的影響較輕，伴隨地殼運(yùn)動(dòng)，地質(zhì)發(fā)生變化，礦物風(fēng)化，地表徑流以及大氣遷移產(chǎn)生，此類因素產(chǎn)生影響較小。人為因素是土壤重金屬污染的主要來(lái)源，近現(xiàn)代我國(guó)工礦業(yè)發(fā)展迅速，各類礦石、煤炭原材料開(kāi)發(fā)量巨大，廢棄尾渣露天無(wú)序堆放，經(jīng)過(guò)雨水沉降作用進(jìn)入地表徑流；研究表明在礦場(chǎng)、鋼制廠、火力發(fā)電廠及重工業(yè)區(qū)周邊的土壤重金屬檢測(cè)值明顯高于非工業(yè)區(qū)域。重金屬元素大多為人體非必須元素且多數(shù)為有害元素，人類長(zhǎng)期食用重金超標(biāo)食物，或是飲用超標(biāo)飲用水，均會(huì)損害人體健康。

2 土壤重金屬污染修復(fù)技術(shù)

上世紀(jì)以來(lái)，土壤重金屬污染治理始終作為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[2]。但其最有效的治理方法為源頭防控，而對(duì)于已造成的土壤污染問(wèn)題，優(yōu)先選擇綠色修復(fù)技術(shù)，而目前主要的土壤重金屬修復(fù)技術(shù)有以下三種方法：物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)、生物修復(fù)。

2.1 土壤重金屬污染物理修復(fù)技術(shù)

重金屬污染物理修復(fù)技術(shù)是指根據(jù)重金屬的物理特性，將重金屬與土壤完全分離[3]。淋洗是目前應(yīng)用最為廣泛的物理修復(fù)技術(shù)，根據(jù)不同重金屬種類，選擇相應(yīng)淋洗劑，使重金屬溶解其中，但淋洗劑處理是與之俱來(lái)的二次污染，而且處理過(guò)程中，土壤質(zhì)地、污染物形態(tài)、淋洗劑選擇均能影響修復(fù)效率。該方法適用大面積且土壤污染程度高的土壤背景。對(duì)于小面積淺層污染土壤，客土、換土法更為適用，客土法是指將純凈土壤摻入污染土壤，通過(guò)降低重金屬在整體土壤中的濃度，進(jìn)而降低脅迫值；換土法則是將污染土壤全部轉(zhuǎn)移，如土壤污染面積較大，污染較深，利用客土、換土法需要較大的經(jīng)濟(jì)投入，且會(huì)嚴(yán)重破壞當(dāng)?shù)赝寥佬再|(zhì)，改變?cè)猩鷳B(tài)系統(tǒng)。熱解吸法是利用土壤中重金屬的汽化點(diǎn)，通過(guò)外加熱源，例如土壤中重金屬Hg，人體吸收Hg 元素會(huì)影響骨骼發(fā)育，肝臟、腎臟代謝，通過(guò)加熱土壤使Hg 汽化，外加裝置收集Hg 蒸汽，達(dá)到去除重金屬的目的，熱解吸法可作為小范圍原位修復(fù)的主要處理手段。

2.2 重金屬污染化學(xué)修復(fù)技術(shù)

化學(xué)修復(fù)技術(shù)是指通過(guò)化學(xué)反應(yīng)，向土壤中混入化學(xué)添加劑，從而去除土壤重金屬或是降低土壤重金屬含量[4]。固化/穩(wěn)定化技術(shù)是目前應(yīng)用較廣的化學(xué)修復(fù)技術(shù)，該技術(shù)利用向土壤中添加固定劑或穩(wěn)定劑的方法，固定劑可將土壤中重金屬固定為穩(wěn)定形態(tài)，使其不會(huì)向周邊環(huán)境擴(kuò)散，并不會(huì)被植物所吸收，而穩(wěn)定劑的作用可以有效降低土壤中重金屬有效態(tài)含量。固化/穩(wěn)定化后土壤中的重金屬不會(huì)遷移，避免重金屬通過(guò)食物鏈影響人類活動(dòng)。但固化/穩(wěn)定劑可能會(huì)隨著時(shí)間推移或土壤性質(zhì)改變而失效，重金屬重新暴露于土壤中，再次造成污染。該技術(shù)關(guān)鍵在于如何擇優(yōu)選取固定穩(wěn)定劑，要求化學(xué)材料本身不會(huì)對(duì)土壤、耕地作物造成危害，并化學(xué)藥劑成本低，易獲取，狀態(tài)穩(wěn)定。工程上一般采用工業(yè)副產(chǎn)物，如石灰、硅酸鹽副產(chǎn)物等作為化學(xué)藥劑，成本較低，但重金屬雖然改變形態(tài)，但未真正脫離土壤，后續(xù)需長(zhǎng)時(shí)間跟蹤監(jiān)測(cè)土壤。

2.3 電化學(xué)修復(fù)技術(shù)

電化學(xué)修復(fù)技術(shù)是指利用電化學(xué)電解原理，在土壤中插入外加電極，外加電極在土壤中可形成電場(chǎng)，由于土壤中金屬陽(yáng)離子會(huì)在外加直流電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生規(guī)律性遷移，最終富集在電極附近[6]。該種修復(fù)技術(shù)需要土壤中重金屬存于導(dǎo)電介質(zhì)中，且土壤性質(zhì)良好，對(duì)于大面積且土壤性質(zhì)較差的環(huán)境并不適用，目前該方法大多停留于小型實(shí)驗(yàn)階段，可作為今后研究熱點(diǎn)。

2.4 重金屬污染生物修復(fù)技術(shù)

生物修復(fù)技術(shù)作為一種環(huán)境友好型修復(fù)技術(shù)，是指通過(guò)生物的正常代謝，吸收或是改變重金屬在土壤中的存在形態(tài)，從而降低土壤中重金屬的含量。生物修復(fù)作為一種原位修復(fù)技術(shù)具有投入少、修復(fù)效果好、無(wú)二次污染、環(huán)境友好的特點(diǎn)，但生物修復(fù)易受到外界環(huán)境的影響，如溫度、pH、光照等。生物修復(fù)的多樣性一直是目前研究的熱點(diǎn)。動(dòng)物作為土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，由于其生命活動(dòng)所需環(huán)境苛刻，不適于作為修復(fù)載體，因此生物修復(fù)技術(shù)主要是指植物修復(fù)以及微生物修復(fù)技術(shù)。

（1）植物修復(fù)技術(shù)。植物修復(fù)技術(shù)是指在植物正常生長(zhǎng)代謝過(guò)程中，利用植物本身的呼吸，光合作用，或是細(xì)胞代謝，吸收、固化重金屬。研究表明，一些特殊植物可明顯改善土壤重金屬污染狀況，積累、轉(zhuǎn)運(yùn)重金屬到地上部分，稱為超富集植物，超富集植物不同于一般植物，在重金屬含量超標(biāo)的土壤中仍可正常生長(zhǎng)，不同植物去除重金屬原理不同，一些植物通過(guò)根部吸收作用，并在植物體內(nèi)轉(zhuǎn)移，達(dá)到地下吸收，地上富集的效果，再刈收植物地上部分從而達(dá)到去除重金屬的目的。一些植物通過(guò)根部固定作用，將重金屬吸附或固定于根部，使得土壤中重金屬含量下降，此類植物修復(fù)技術(shù)并類似于固化穩(wěn)定技術(shù)，只是阻止重金屬在水環(huán)境內(nèi)的遷移以及食物鏈中富集，并非真正去除重金屬污染物。

（2）微生物修復(fù)技術(shù)。土壤微生物代謝為土壤提供大量有機(jī)質(zhì)，而在代謝過(guò)程中，特殊微生物會(huì)將土壤中重金屬氧化還原、吸收、固化，使土壤中重金屬含量降低，降低土壤污染風(fēng)險(xiǎn)[6]。有些微生物通過(guò)細(xì)胞壁的吸附作用，可大面積吸附金屬陽(yáng)離子，有些通過(guò)生物代謝，產(chǎn)生生物酶，溶解吸收重金屬。不同微生物對(duì)于重金屬的耐受力不同，修復(fù)產(chǎn)物也不盡相同，部分微生物修復(fù)效果明顯，并且修復(fù)產(chǎn)物能提高土壤肥力。與植物修復(fù)相同，微生物修復(fù)技術(shù)基于生物正常代謝活動(dòng)，一旦代謝過(guò)程受到影響，修復(fù)效果也會(huì)產(chǎn)生差異，故微生物修復(fù)技術(shù)也要保持較好的生物生長(zhǎng)環(huán)境。目前該種方法已廣泛應(yīng)用于各類污染物處理技術(shù)中，尋找耐受力強(qiáng)、適用范圍廣的微生物類型依舊是研究熱點(diǎn)。

（3）植物-微生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)。研究發(fā)現(xiàn)一些特定的微生物可以明顯提高植物對(duì)于土壤中重金屬污染物的去除效率，原因在于，一些根系微生物可以促進(jìn)植物生長(zhǎng)，另外微生物本身也可以改變土壤中重金屬的形態(tài)，從而影響植物對(duì)于重金屬的吸收。研究表明[7]，巨大芽孢桿菌能夠降解土壤中的有機(jī)磷，而膠凍樣芽孢桿菌可分解土壤中礦物質(zhì)供植物吸收。多樣性的植物-微生物組合方式一直是近年的研究熱點(diǎn)，傳統(tǒng)的物理/化學(xué)修復(fù)技術(shù)，不適合大面積耕田、礦山土地治理，且經(jīng)過(guò)治理后，會(huì)產(chǎn)生二次污染，或極大地改變土壤肥力。生物原位修復(fù)投資少、無(wú)二次污染、適用處理面積大，且后期處理土壤肥力增強(qiáng)。

3 研究意義及展望

土壤是一切地表生物得以生存的基礎(chǔ)，在環(huán)境保護(hù)和維持生物圈平衡中發(fā)揮重要作用。隨著近現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)快速發(fā)展，土壤重金屬污染問(wèn)題難以避免。據(jù)估計(jì)我國(guó)約有百分之十五的耕地受到污染，為了實(shí)現(xiàn)土壤的可持續(xù)利用，保障人類食物安全，研究開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)、高效、可行的污染土壤修復(fù)技術(shù)迫在眉睫。相較于水污染及大氣污染治理，我國(guó)土地污染治理工作起步較晚，且采用環(huán)保技術(shù)較為滯后，存在相關(guān)政策及標(biāo)準(zhǔn)欠完善，資金投入低等問(wèn)題，土壤重金屬問(wèn)題主要以“誰(shuí)污染誰(shuí)治理”為主，農(nóng)田耕地重金屬污染主要靠政府資金，據(jù)中國(guó)科學(xué)院調(diào)查結(jié)果顯示，土壤修復(fù)可為我國(guó)直接增加幾億畝耕地。同時(shí)我國(guó)大部分土壤重金屬修復(fù)技術(shù)采用物理化學(xué)法，使用大量化學(xué)藥劑或大規(guī)模采用物理方法，不可避免會(huì)帶來(lái)二次污染，且資源消耗巨大，重復(fù)率低下，環(huán)保效益大打折扣，因此開(kāi)發(fā)環(huán)境友好型修復(fù)技術(shù)，如生物修復(fù)技術(shù)等更為迫切。我國(guó)土壤重金屬污染問(wèn)題相對(duì)嚴(yán)重，土壤重金屬問(wèn)題可謂是“舌尖上的危害”，現(xiàn)如今正行的重金屬污染修復(fù)技術(shù)已略顯滯后，各種修復(fù)技術(shù)日新月異，但其工程應(yīng)用有待開(kāi)發(fā)。更契合環(huán)保可持續(xù)理念的控制技術(shù)目前只停留在實(shí)驗(yàn)室階段，尚未進(jìn)入大田實(shí)驗(yàn)，先進(jìn)的修復(fù)技術(shù)是否適用于我國(guó)耕地環(huán)境，尚待考察。在經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的時(shí)代，如何保障最基本的口糧安全，如何守住人民的綠水青山，如何保持國(guó)民經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，開(kāi)發(fā)綠色、高效、適應(yīng)性強(qiáng)的土壤重金屬修復(fù)技術(shù)迫在眉睫。

結(jié)語(yǔ)

土壤重金屬所呈現(xiàn)的多樣性、持續(xù)性以及多源性，總之，土壤重金屬危害形勢(shì)日趨嚴(yán)峻，既要保證土壤重金屬去除效果良好，又要兼顧投入成本以及二次污染問(wèn)題，因此未來(lái)土壤重金屬修復(fù)技術(shù)應(yīng)從綠色、科學(xué)可持續(xù)的角度出發(fā)，從根本上解決土壤重金屬污染問(wèn)題，維持土壤生物系統(tǒng)穩(wěn)定。