汞金屬污染土壤修復技術及應用實踐

李穎斯，孔靜怡，彭志鐸，游承富，李勝強

(廣東省廣建設計集團有限公司，廣東 廣州 510630)

1 引言

長期以來，廣東省水田后備資源十分匱乏[1]，尤其是進入中后期階段，墾造水田項目可選址范圍逐漸縮小，多個市縣受地形條件差、水源條件差、土壤重金屬污染等因素限制，出現無地可改造、無地可開墾的情況，墾造水田工作進入停滯期。為了打破墾造水田工作停滯的局面，必須解決墾造水田土壤重金屬汞超標問題。由于墾造水田項目存在建設期短、土方平衡挖填量大、投資金額高等特點，且建設后對土壤資源可持續循環利用要求高。因此，在廣東省地區關于汞污染土壤治理修復技術研究備受關注。

目前，國內外有關汞金屬污染修復治理的常規方案主要有以下3種：其一，客土物理混合與化學改良方式相結合，黃益宗[2]介紹通過物理與化學技術相結合固定或分離土壤中的重金屬可廣泛用于多種重金屬處理；其二，淋濾法修復技術，如林凱[3]通過淋濾法實驗發現在土壤污染最為嚴重的地區，汞金屬元素的淋濾效果最好；其三，植物修復技術，如楊啟良[4]采用水肥調控技術，提高了植物的生物量以及植物生長速度。但是上述技術在實際工程中也存在一些問題未能解決，如物理化學相結合技術有運輸量過大、成本較高的問題；淋濾法修復技術則有淋濾液處理難以及破壞土壤結構等問題；而植物修復技術的修復時間較長不適用于墾造水田項目。

根據上述的問題，本文從經濟性和生態性兩方面出發考慮，針對墾造水田、高標準基本農田建設等土地整治項目，提出一種新型汞重金屬污染土壤的治理修復方法。并且成功應用于廣東省普寧市南溪鎮墾造水田項目汞重金屬污染土壤修復施工中，優先考慮場內平衡修復，避免汞污染遷移，根據汞污染程度的不同采取不同的修復技術。既縮短了工程的周期，又降低了成本，同時還保障了生態安全，取得了社會、經濟、生態三重效益。

2 現有汞污染土壤修復技術

2.1 客土物理混合與化學改良方式相結合

客土物理混合[5]即采用未污染土壤與汞污染土壤進行物理混合的方法降低土壤中汞元素含量，使其達到土壤環境質量標準；化學改良方法主要是通過改良土壤pH值[6]，提高汞的農用地土壤污染風險篩選值和作物安全生產閾值來減少汞污染影響。此技術需要大量干凈的客土與污染土物理混合，運輸量大，耗資大，且可能造成客土源生態環境的破壞。

2.2 淋濾法修復技術

利用淋洗液中化學藥劑與土壤中的重金屬離子作用，將土壤中的重金屬轉移到淋洗液中，再回收淋濾液中重金屬的修復方法[7]。使用碘化鉀(KI)與鹽酸(HCl)混合液可以去除土壤中70%以上的汞。淋濾法的優點在于能夠永久性的治理土壤重金屬污染，可以在一定程度實現對重金屬的回收，并且相對于其他提取重金屬的治理方法而言花費時間較少；缺點在于淋濾液必須進行后續處理才能安全排放，同時淋濾可能會對土壤理化性質造成破壞。另外淋濾法的工程成本較高，一般用于汞重度污染區域。

2.3 植物修復技術

植物修復技術指利用某種特定植物及其根部微生物對土壤中特定污染物通過吸收、固定、轉化、揮發、降解等作用，去除土壤中污染物的一種新型修復技術[8]。植物提取技術研究最為廣泛，也最具發展前景。在汞污染區域種植汞富集植物苧麻、小葉黃楊等，通過反復種植、收割，降低土壤環境中的汞含量。植物修復技術是一種原位修復技術，在修復土壤污染的同時起到美化周圍環境的功能。植物修復技術成本較高，修復所需時間也較長，通常需要7～10年左右才可完成土壤修復，不適用于墾造水田及高標準基本農田建設等建設期短的項目。

3 汞污染土壤修復技術

3.1 物理摻混法

若檢測區域內僅部分區域表層土污染，且汞含量在0.5～1.0 mg/kg之間，則采用物理摻混的方法，即污染表層土與無污染表層土按比例進行物理摻混。將場內汞污染區域土方與未受汞污染區域土方(汞含量<0.5 mg/kg)按比例進行物理摻混，確保耕作層土壤汞含量降至風險篩選值以下后，合理施加有機肥及酸堿調理劑，提高土壤肥力。

摻混比例x計算公式為：

(1)

式(1)中：v1為汞污染土壤的體積；v2為未受污染土壤的體積；r1為汞污染土壤的容重；r2為未受污染土壤的容重；c1為汞污染土壤中汞元素含量；c2為未受污染土壤中汞元素含量；0.5為汞元素的農用地土壤污染風險篩選值。x為汞污染土方與未受污染土方的最大摻混比例。

計算得摻混比例后，應適當減小該比例，使未受污染土壤比重增大，摻混后汞元素含量隨之降低，確保汞元素含量降至風險篩選值以下。

利用未受污染區域表層土與汞污染區域表層土按比例進行摻混，降低土壤中汞元素含量，使其達到土壤環境質量標準。摻混后汞元素含量計算公式為：

(2)

式(2)中，c為摻混后表層土汞含量；c1為汞污染土壤中汞含量；c2為未受污染土壤中汞含量；h1為摻混的汞污染土壤的土層厚度；h2為摻混的未受污染土壤的土層厚度；

s為土壤改良工程的實際面積；r1為汞污染土壤的土壤容重；r2為未受污染土壤的土壤容重。

3.2 置換與摻混相結合法

若檢測區域內所有區域表層土均被污染，且汞含量在0.5～1.0 mg/kg之間，則采用深翻置換與物理摻混相結合的方法。即，按照從上到下的順序剝離受污染的耕作層土壤和未受污染的犁底層土壤，將剝離的犁底層土壤集中堆放管護，再將受污染耕作層土壤和底土層土壤摻混，使摻混后的土壤中汞含量降至風險篩選值以下，利用摻混后的土壤形成新的犁底層和底土層，接著回填剝離原犁底層土壤形成新的耕作層。確保耕作層土壤汞含量降至風險篩選值以下后，合理施加有機肥及酸堿調理劑，提高土壤肥力。

4 應用實例

4.1 項目概況

2019年度揭陽市普寧市南溪鎮下尾張村、下尾王村墾造水田項目地位于揭陽市普寧市南溪鎮下尾張村、下尾王村，建設規模為869.84畝。項目地范圍屬于南溪鎮并且已納入全省墾造水田后備資源庫范圍，根據本文所述土壤調查結果，項目區位于汞輕微污染區域。

4.2 項目土壤樣品采集及檢測結果

在項目區范圍內采集混合土壤樣品，為避免采樣誤差，所有樣點均用梅花形布點法布點，并用手持GPS進行定位。每個采樣單元的混合樣品由5個以上樣點的土壤混合而成，充分混合后用四分法反復取舍，保留1 kg左右。本項目先后采集了兩次表層土壤樣品，第一次采集表土樣6個：PN40～PN44、PN49，第二次采集表土樣5個：XX01～XX05，共采集11個表層土壤樣品。表土采樣點位置如圖1所示，各采樣點土壤檢測結果如表1所示。

表1 項目表層土壤檢測結果 mg/kg

圖1 表土采樣點分布

對照《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB 15618-2018)中“農用地土壤污染風險篩選值”的水田限值，兩次土壤檢測結果存在較大差異，第一次檢測結果(PN40～PN44、PN49)顯示項目區均存在汞污染，采樣點PN42存在鉛污染，第二次檢測結果(XX01～XX05)顯示采樣點XX03存在汞污染，采樣點XX01存在銅污染。為保證項目區建設完成后土壤無污染，并以安全性為前提，綜合兩次土壤檢測結果得：項目區均存在汞污染，采樣點PN42存在鉛污染，采樣點XX01存在銅污染。項目共采中層土樣5個，深層土樣4個，并送相關檢測單位檢測，檢測結果如表2所示。

根據土壤檢測結果，項目區深層土(40～70 cm)均無污染，采樣點1與采樣點4的中層土(20～40 cm)存在汞污染，根據土壤采樣點分布及區內地形地貌特征劃分中層土汞污染區域，如圖2所示。

圖2 中層土采樣點分布及中層土汞污染區域劃分

4.3 土壤改良工程

土壤改良工程主要是針對土壤的有機質含量、pH值及重金屬含量等進行改良。本項目位于平原低地區，項目區有效土層厚度90 cm，土壤質地為中壤土、輕壤土，土壤容重介于1.0～1.4，達到建設標準。項目區土壤pH值為4.57～5.29，土壤有機質含量為1.36～2.21%，需要進行土壤改良。項目區存在土壤重金屬污染問題，均為輕微污染，需通過改良措施降低土壤重金屬危害。

以下是土壤改良工程的具體做法：

對于中層土無汞污染區域，剝離表層土20 cm，再剝離中層土20 cm，再將表層土10 cm與中層土10 cm摻和回填壓實構筑犁底層，最后將中層土10 cm與剩余表層土10 cm均勻混合回填作為耕作層(見圖3)。

圖3 中層土無汞污染區域改良示意

對于中層土汞污染區域，剝離表層土與中層土40 cm，再剝離深層土40 cm，再將10 cm表層土、20 cm中層土與30 cm深層土摻和回填壓實，最后將深層土10 cm與剩余表層土10 cm混合均勻回填作為20 cm耕作層(圖4)。

圖4 中層土汞污染區域改良示意

土層摻混及置換、耕作層回填完成后，需要嚴格按《土壤環境監測技術規范》(HJ/T166)進行土壤采樣及送檢，以田塊耕作層回填[9]平整后的土壤檢測數據作為土壤改良的實際依據，據此細化各田塊區的有機肥施加量。

項目區土壤pH平均值4.84，項目區中層土、深層土土壤pH值較表層土高，預計汞污染調配土壤混合后表層土pH值約為5.0。按照建設標準，土壤酸堿度在水浸時需保持在5.5～8.0。目前本項目pH值低于標準值，因此需進行適當改良提升。

5 土壤修復改良結果

改良工程實施后，按照隨機均勻的原則，對項目區土壤進行采樣。土壤采樣檢測結果表明，項目土壤改良工程實施后，項目區耕作層有機質含量不低于1.5%，pH值不低于5.5，土壤質地介于砂壤土至粘土之間，項目區土壤重金屬元素含量均低于《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB 15618-2018)農用地土壤污染風險篩選值。改良前后項目區土壤中汞含量對比如表3所示。

表3 改良后項目區土壤汞含量對比 mg/kg

6 結論

(1)汞金屬污染修復技術在本文項目中實現區域內部土方平衡，無需外部輸入無污染客土，能夠減少客土和大規模運輸對工程的不利影響，提高了工程的可控性。

(2)本文完整提出汞污染土壤修復治理的工藝和工序，提出了工藝實施過程中的操作步驟和標準，完善設計成果與施工技術的銜接轉化。

(3)本文研究的汞污染土壤修復技術實用性強，在廣東省墾造水田等土地整治項目中具有較大的應用前景[10]，能夠擴大該類項目的可選址范圍以及有效緩解廣東省水田占補平衡壓力。本技術的廣泛應用可以兼顧發展與保護，促進經濟建設與生態文明之間的平衡，社會效益、經濟效益和生態效益顯著。