土壤重金屬污染修復技術比較研究

賈 倩 胡亞偉 靳曉輝 宋靜茹 張銘琪 王輝輝 楊 蕾

（1.黃河水利委員會黃河水利科學研究院，河南 鄭州 453000 2.河南省農村水環境治理工程技術研究中心，河南 鄭州 453000）

土壤是人類以及其他生物賴以生存的基礎，但是伴隨著人類的生產生活活動，排放進入土壤的重金屬含量超過土壤環境容量，從而造成土壤重金屬污染。由于土壤重金屬污染存在的隱蔽性、滯后性、不可逆性和后果嚴重性等特點，破壞了土壤正常結構，擾亂了土壤正常功能，并且通過作物產品間接影響人類以及其他生物的健康。隨著人口的快速增長，農業生產現代化的不斷推進和現代工業的快速發展，越來越多的重金屬進入土壤，使得土壤重金屬污染越來越嚴重。土壤重金屬污染已成為世界范圍內亟待解決的問題。根據生物化學性質的不同，土壤中的重金屬元素可分為兩類：一類是維持生物體正常生理活動所必需的，但如果其濃度超過一定閾值，就會導致生物體中毒。

1.土壤重金屬污染現狀

目前，農業土壤中的重金屬通常具有污染濃度增加和污染頻率增加的特點。到2011年底，土壤使用面積接近2000萬畝，受鎘、砷、鉻和鉛等污染，約占總面積的五分之一，每年有1200多萬噸谷物受到重金屬污染。在金屬污染物發生變化并長期保持安靜的農業土壤中，農業土壤是人類活動的主要負擔，人類健康直接依賴于人類活動，土壤重金屬污染現象需要進行緊急防治和治理。

土壤重金屬污染首先影響作物的生長，從而影響所用作物的產量和質量。例如氨基酸和蛋白質的結合，會導致蛋白質的損失，并可能導致植物死亡。例如，鎘抑制植物體內抗氧化酶的活性，引起細胞膜系統蛋白質和核苷酸的破壞，并阻止葉綠素的合成和植物生長。土壤污染對經濟來說已經付出了一個高昂的代價。通過重金屬污染每年糧食減少1000多萬噸，每年被污染的糧食也達到了1200萬噸，造成至少200億元的經濟損失。此外，富含重金屬的植物可以在人和動物身上富集，危及人和動物的生命安全。

2.土壤重金屬來源

關于重金屬的轉移傳播，我國農業中有三個主要的環境污染源：大氣沉降、污水灌溉、固體廢棄物。應提及大氣中的土壤沉積物，特別是當人類活動產生的重金屬粉塵進入大氣時，通過自然匯集或降雨進入土壤。這幾年來，隨著工業化速度的加快，許多建筑公司的廢水以及家庭廢水已導致農業土壤的巨大污染。

2.1 交通污染土壤

道路上的污染物主要為鉛、鋅、鎘、氯、銅。50 57344g/L通常沿著長距離道路的強度條紋，結果表明，在每50米的道路上，高速公路上的可溶污染物含量從每平方米4克到40克不等。到達環境的順序為：銅、鉛、碳、鐵和鋅。在人口密度較高的公路，土壤兩側的失重率高。重金屬在雨天對土壤的污染與重工業、城市人口密度、土地利用和道路運輸的工業化程度直接相關，距離城市的距離太近和道路運輸的工業化程度導致了更嚴重的污染。

2.2 工業污染

由于重金屬主要用于工業，在生產中產生更高濃度的重金屬。工業廢氣還通過自然沉降和雨淋沉降進入干凈的土壤中，使淤泥也就含有了重金屬。當工業廢物以噴射狀、水滴狀的形式儲存或通過陽光、電源和重型重化處理時，會擴散得非常迅速。

據統計，我國約有700萬公頃的土壤污染，農作物庫存已降至每年100億公斤。在灌渠土壤中，經過近20年的土壤污染，鎘超標面積占污染總面積的45.5%。據消息來源稱，在我國的一些城市，50%的農田受到鉻、砷、汞等有毒金屬的污染。

2.3 農業污染

化肥、殺蟲劑是重要的農用物資，這有助于農業生產的發展。如果在使用過程中沒有合理地利用這些物資，也會讓土壤受到嚴重的污染。近年來，土壤已被過度擴展的農業物資所污染，這些物資溶解了土壤，并產生了重金屬，如鎘和鉛，從而產生有缺陷的土壤。

2.4 污染源上呈現多樣化

近年來，隨著城市工業化的不斷加快，城市建設用地占據了絕大多數，但是隨之產生的土壤污染問題也接踵而至。對于一些地下水污染、土質污染、水資源污染等等問題，都沒有得到有效地解決。雖然城市經濟發展在目前階段來講，走的是大型粗放型經濟之路，但是在對于土壤的有效管理，有關部門還是要進行相關的監督。關于土壤污染問題會越來越突出，對于土壤的監督和防治，缺少有效措施。

2.5 土壤重金屬處理困難又復雜

在工業化和城市化加速的經濟發展中，國家在大氣、水、噪聲污染等方面都加大了管理，但是在土壤的治理中不夠積極。國家應該積極地去發展規劃，特別是新城發展規劃和土壤使用。由于重金屬很難被微生物分解，它們可以在被富含膠原蛋白的金屬污染的土壤中富集，環境污染遲早會變得更嚴重。此外，重金屬主要是具有高化學活性的瞬態元素，在不同的反應中具有活性，并且以不同的變體出現。這些形式在穩定性和毒性方面不同，特別復雜，重金屬不僅有毒，還會抑制土壤酶活性，并長期泄漏到地下。

3.土壤修復技術概述

十多年來，土壤修復技術在全球范圍內開展了研究和應用，目前流行的土壤治療技術包括生物、物理和化學修復以及聯合修復技術。與環境化學修復領域的其他技術不同，這些技術包括相對成熟的綠色技術，尤其包括穩定技術、化學清洗、氧化和還原、催化降解和機電修復。與此相比，穩定性過程是一種快速、積極的技術，是對污染物類型和濃度不太敏感的修復方式。穩定性技術是將其轉化為化學惰性較小的樣子，以盡量減少環境中污染物的毒性地溶解和轉化，并確保輸出產品的機械穩定性。

該技術適用于異位修復，也可以應用于原位修復。發生異位這種情況時，應先挖掘出受污染的土壤，對顆粒物進行分類和均質，把大的顆粒篩選出區。讓它成為一個均勻的整體，再把混合物填充到其中，就完成了最終的處置。在原位的情況下，使用異位穩定劑后，充分混合，發生化學反應，其轉化為化學惰性較小的樣子，以盡量減少環境中土壤的污染。

4.土壤重金屬污染修復技術分類與比較

4.1 土壤重金屬污染修復技術分類

4.1.1 工程修復

這三種方法包括客土、換土和翻土。客土法是在受污染的土壤中加入大量清潔的土壤，混合均勻，以降低污染物濃度或減少污染物與植物根系的連接。換土就是清除受污染的土壤，并用新的、干凈的土壤進行更換。翻土就是將土壤翻深，使收集在表層的污染物分散到深層土壤中，達到稀釋和自我處理的目的。通過將客土、換土、翻土與污土混合，使農產品生產達到食品衛生標準。工程修復是土壤重金屬污染控制措施里比較經典的手段，但需要部署技術能力，造成高投資成本、環境破壞和土壤肥力降低，還需要對臟土進行堆放或處理。

4.1.2 物理化學修復

4.1.2.1 電修復

土壤電修復是一項新的土壤技術，自20世紀90年代以來才得到重視和發展。研究發現，pH酸堿度、緩沖性能、土壤成分和金屬類型的雜質都會影響修復效果。

4.1.2.2 熱修復

污染物被熱蒸發，因為高頻波產生電磁波，產生熱量并加熱土壤。可以修復含汞和硒污染土壤的技術。同時，受重金屬污染的區域可以在高溫下轉化為玻璃塊。

4.1.2.3 土壤沖洗

土壤沖洗是一個過程，土壤沖洗中重金屬從固體轉移到液體，然后循環。這項技術的關鍵是選擇活性物質重金屬，這些活性物質是在提取劑的情況下獲得的，但實際上很難找到。此外，如果出現不合規情況，提取劑被污染的風險很高。

4.1.2.4 化學修復

化學修復包括使用低壓清洗土壤中的污染物：例如，土壤中含有的表面活性劑或有機溶劑清洗在土壤中的重金屬，化學修復是在土壤現場進行的，非常簡單。然而，這并不是一種永久性的恢復，因為只改變了土壤中重金屬的形態，重金屬還存在土壤之中，還能再次繁殖，危害了植物。

4.1.3 生物修復

生物修復是一種利用生物技術防治污染土壤的新方法，通過使用生物制劑對抗重金屬清潔土壤。由于其良好且容易獲得的方法，科學家正日益受到重視，對受污染土壤的研究正在進行調查，已經成為了土壤修復的熱點。

4.1.3.1 植物修復

植物修復是指在植物種植者或基因療法的幫助下修復重金屬污染的技術。

根據過程和機理，穩定性有三種不同的模型，即植物穩定、植物提取和植物揮發。從土壤中收集金屬污染物，然后在土壤中進行處理，同時不斷種植植物以減少或消除金屬污染。中國科學院的科學家也對植物提取物進行了研究，例如在中國南方發現了一組植物提取物。

4.1.3.2 微生物修復

微生物在一定程度上修復了被重金屬污染的土壤。在這方面，土著微生物主要用于沙漠或污染環境，高效微生物加速污染物的降解，并在最佳條件下修復腐爛的土壤。

4.2 土壤重金屬污染修復技術比較

4.2.1 化學修復技術比較

優點：穩定/修復方法不會破壞土壤結構，淋洗周期短，成本低，治理快速有效，易于清洗和提取，特別是針對輕重金屬。改進的技術：快速降低水溶性和重金屬重定向的效果。

不足：土壤的清潔必須增加清潔手段，修復手段的成本也加高了。在淋洗/萃取技術方面投入成本高，存在地下水污染和土壤變化等風險。改進的技術：它有可能破壞新的土壤遺傳系統和二次污染。

適用性：穩定/固定技術主要依賴于小型、嚴重污染的土地。淋洗/萃取技術適用于較小污染較小的地塊。這項翻新工程特別適用于污染嚴重、表面較小的土壤。

4.2.2 物理修復技術比較

優點：植物修復的經濟性高，土壤擾動小，生態變化也能帶來自然改善。微生物物修復技術：簡單、干凈、經濟。微生物修復工藝簡單、成本效益高，具有綜合成本效益和環境友好性。

不足：需要在許多其他化學物質的粉末之間進行，這些化學物質是由重金屬制成的。微生物物治療技術：由于多樣性范圍需要修復，對環境的適應能力較差。微生物修復技術，顯微鏡下的小型技術不太穩定，也不能降解重金屬。

適用性：大、中型土壤破壞的植物修復工程。微生物修復技術首先適用于污染較少較輕的土地。微生物修復也適用于黏土含量的污染場地。

不同的土壤污染修復技術各有優缺點。植物修復和微生物修復作為一種環境友好的方法在國外引起了廣泛關注。專家們對基于植物的單微生物修復技術進行了大量研究，表明這種組合可以帶來短期的改善，提高重金屬污染的修復效率和突顯真正的生態效益。同時，為微生物的聯合應用提供了廣泛的應用。

5.污染場地土壤修復制度對策

5.1 落實污染調查

土壤污染有時即使是某一土壤污染點位較為嚴重，但往往距離一定的土壤深層是很難被檢測出來的。還有較為復雜的土壤表層現無污染，但是如果進行一定的縱向監察，則會發現在土壤的地表以下污染嚴重。土壤修復工作的實質是必須要找到土壤污染的源頭所在，才能進行徹底地根治，但是目前的情況是很多土壤污染源在污染狀況深度與廣度方面都極其的復雜，并且與其他領域的檢測有著明顯的不同，由于基礎調查數據的缺失，無法進行有效地土地污染整改，從而極大地阻礙了土壤修復工作的有效進行。因此，需要有效落實污染調查，通過適當的物理、化學技術，調查土壤污染情況、污染源，從而提出針對性的防治策略。

5.2 加強對于污染場地的監管工作

相關監管部門要根據不同的污染區域建立不同的監管措施與制度，并提前準備好對于土地污染的對策方法，這樣在土壤污染發生時，才能第一時間給予一定的壓制，并且強烈要求對于在相關管理范圍內的污染企業要定期進行上報，包括自身的污染種類、污染的覆蓋范圍、污染的高峰期，并且要做好治理污染的措施，要有詳細的報告書來闡述。

5.3 明確土壤污染的修復主體

對于已經污染的土壤來講，不僅僅是要找到土壤污染的源頭所在，相關的監察部門還要明確具體的責任所在。對于場地污染的調查本就復雜，有些還牽扯到企業的“歷史”性責任，也有可能污染是由于當地的多家企業所造成的。而企業在發現土壤污染過后，便將工廠遷離了該地，或者將污染企業整改成無污染企業，這樣在具體調查過程中，便很難確定污染的“主體”，也很難遏制住相關的污染企業對于土壤的破壞。對此，對于已經污染的土壤企業需要在一定的時間內進行治理和修復，并且通過環保部門的檢查與通力合作，而對于一些已經轉移的企業要進行責任追究，并要求從自身的建設費用當中抽出一些作為土壤管理的土壤修復費用，并且在對于土壤污染的問責上必須要明確主體，做到誰污染，誰負責。

6.結語

隨著國務院發布的《土壤污染防治行動計劃》的實施，農田重金屬的修復工作越來越重要。事實證明，單一技術的替代方案很難滿足當前的實際需求，而且針對重金屬、復雜形態和當地海洋以及其他問題造成的各種污染源，越來越多地采用了共同的修復方法。這些技術的結合使土壤重金屬在土壤動物植物修復微生物方面發揮了重要作用。總之，未來的重金屬修復應該是生態修復，綠色和經濟修復方法相結合是大勢所趨。