電動(dòng)聯(lián)合修復(fù)技術(shù)在重金屬污染土壤中的研究進(jìn)展

摘" 要：隨著人們對(duì)礦產(chǎn)資源的不斷認(rèn)識(shí)，對(duì)其需求日益增加，在開采、利用資源的同時(shí)，也伴隨著礦山環(huán)境的破環(huán)。與傳統(tǒng)單一的修復(fù)技術(shù)相比，電動(dòng)聯(lián)合修復(fù)技術(shù)更具優(yōu)勢(shì)。本文通過對(duì)土壤修復(fù)技術(shù)進(jìn)行分析，聯(lián)合不同修復(fù)技術(shù)，分析電動(dòng)聯(lián)合修復(fù)技術(shù)在礦山方面的研究現(xiàn)狀和應(yīng)用進(jìn)展，期望通過這方面的分析，對(duì)修復(fù)礦山重金屬污染的土壤提供參考依據(jù)，并為實(shí)現(xiàn)礦山良好的生態(tài)環(huán)境做出貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：重金屬；土壤；電動(dòng)聯(lián)合修復(fù)技術(shù)

礦產(chǎn)資源的開發(fā)與利用既對(duì)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到重要的推動(dòng)作用，也帶來了比較嚴(yán)峻的環(huán)境問題。我國金屬礦產(chǎn)資源十分豐富，這些礦產(chǎn)資源開采利用的同時(shí)也引起了礦區(qū)及周邊嚴(yán)重的土壤重金屬污染問題，這也是我國土壤重金屬污染的主要來源之一。礦山開采利用中產(chǎn)生的廢石、尾礦以及廢渣會(huì)受到風(fēng)化淋濾等作用的影響，使有害元素轉(zhuǎn)移到土壤中，不僅會(huì)造成土壤質(zhì)量下降，污染農(nóng)作物和地下水等，還會(huì)通過食物鏈進(jìn)入人體，危害人類的健康[1]。張浩等研究了西南部某鉛鋅尾礦庫表層土壤的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)與健康風(fēng)險(xiǎn)[2]。結(jié)果表明，尾礦庫周邊土壤及蔬菜重金屬污染對(duì)周邊生態(tài)環(huán)境及當(dāng)?shù)鼐用窠】瞪顦?gòu)成了嚴(yán)重的威脅。因此，對(duì)金屬礦區(qū)及周邊土壤重金屬污染的研究與修復(fù)治理受到越來越多的關(guān)注。

本文對(duì)國內(nèi)外最新的修復(fù)技術(shù)進(jìn)展進(jìn)行了歸納，并對(duì)各修復(fù)技術(shù)進(jìn)行了對(duì)比和總結(jié)，以期為礦山重金屬污染土壤修復(fù)的應(yīng)用帶來實(shí)質(zhì)性幫助。

1" 土壤修復(fù)技術(shù)

土壤修復(fù)是采用一定的技術(shù)方法將受污染的土壤恢復(fù)到正常狀態(tài)的措施。目前常見的土壤修復(fù)技術(shù)有物理、化學(xué)、生物、農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)及聯(lián)合其他修復(fù)技術(shù)在內(nèi)的污染土壤修復(fù)技術(shù)體系[3]。

物理修復(fù)技術(shù)包括表土覆蓋技術(shù)、深翻客土技術(shù)、熱處理技術(shù)和電動(dòng)修復(fù)技術(shù)。表土覆蓋技術(shù)是對(duì)表層污染土壤，鋪上瀝青覆蓋，防止?jié)B透引起的核素遷移[4]。深翻客土技術(shù)是將原有受污染土壤挖出，并用潔凈土進(jìn)行替換，挖出的高污染土壤轉(zhuǎn)移至固廢填埋場所進(jìn)行穩(wěn)定化處理并填埋。熱處理技術(shù)是向土壤中通入熱蒸汽或用微波、紅外輻射等加熱的方式使污染重金屬揮發(fā)出土壤。在高溫作用下，某些放射性重金屬將由土壤表面吸附轉(zhuǎn)向土壤內(nèi)部晶格擴(kuò)散，從而降低了生物有效性及對(duì)環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)[5]。化學(xué)修復(fù)技術(shù)包括固定化、穩(wěn)定化修復(fù)技術(shù)、化學(xué)還原修復(fù)技術(shù)和化學(xué)淋洗修復(fù)技術(shù)[6]。固定化、穩(wěn)定化修復(fù)技術(shù)是將某一特定化學(xué)試劑添加至土壤中，使土壤中重金屬與化學(xué)藥劑發(fā)生吸附沉淀、共沉淀或離子交換等反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)楦€(wěn)定狀態(tài)，降低重金屬在土壤中的遷移性和溶解性，最終使重金屬的浸出毒性和生物有效性降低，減少土壤中重金屬的存在帶來的潛在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)?；瘜W(xué)還原修復(fù)技術(shù)是將一些還原性能強(qiáng)的化學(xué)試劑施入重金屬污染土壤中，通過化學(xué)還原作用將土壤中毒性和遷移性較高的重金屬還原為低價(jià)態(tài)，減少其遷移性和毒性。化學(xué)淋洗修復(fù)技術(shù)是將酸堿試劑或人工螯合劑注入到土壤中，對(duì)土壤中的污染物進(jìn)行淋洗，然后通過一定方式將含有污染物的淋洗液與土壤顆粒分離。經(jīng)過該過程，污染物從土壤轉(zhuǎn)移到淋洗液中，完成對(duì)土壤污染物的修復(fù)[7]。生物修復(fù)技術(shù)包括動(dòng)物修復(fù)技術(shù)、植物修復(fù)技術(shù)和微生物修復(fù)技術(shù)。動(dòng)物修復(fù)技術(shù)是利用環(huán)境中一些對(duì)重金屬具有吸收作用和轉(zhuǎn)化能力的低等動(dòng)物來減小環(huán)境中重金屬污染[8]。植物修復(fù)技術(shù)是依靠特定植物超量積累某一單一核素或者多種核素的生物特性來提取土壤中污染物的一種修復(fù)技術(shù)[9]。主要修復(fù)方式為：植物提取、植物揮發(fā)和植物固定，其中以植物提取技術(shù)的應(yīng)用范圍最廣[10]。各類土壤修復(fù)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)見表1。

2" 電動(dòng)聯(lián)合修復(fù)技術(shù)

土壤修復(fù)技術(shù)存在各自的優(yōu)缺點(diǎn)，而技術(shù)聯(lián)合不僅可實(shí)現(xiàn)修復(fù)效率的最大化，還能夠互相彌補(bǔ)各技術(shù)本身所存在的局限性。將電動(dòng)修復(fù)技術(shù)與其他修復(fù)技術(shù)進(jìn)行聯(lián)合后，可以獲得比單一修復(fù)技術(shù)更為經(jīng)濟(jì)有效的處理效果（表2）。

2.1" 電動(dòng)-淋洗聯(lián)合修復(fù)技術(shù)

電動(dòng)-化學(xué)淋洗聯(lián)合修復(fù)技術(shù)是指土壤中的污染物先經(jīng)過淋洗預(yù)處理，再經(jīng)過電動(dòng)處理，以達(dá)到修復(fù)污染土壤的目的。這種聯(lián)合修復(fù)技術(shù)可以在短時(shí)間內(nèi)去除土壤中的重金屬污染物，且不受土壤滲透性的限制[22，23]。王水等公開了一種重金屬污染土壤的電動(dòng)-淋洗聯(lián)合修復(fù)的裝置與方法[24]。對(duì)重金屬污染土壤先進(jìn)行pH優(yōu)化和淋洗，再進(jìn)行電動(dòng)修復(fù)，使電動(dòng)修復(fù)效果不受土壤pH值改變的影響，可用于大范圍的土壤修復(fù)。王艷等公開了一種溫控電動(dòng)聯(lián)合淋洗法修復(fù)重污染土壤的裝置[25]。通過調(diào)節(jié)修復(fù)過程中裝置的溫度，破壞土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤滲透性，促進(jìn)重金屬元素的解吸，以達(dá)到更好的修復(fù)效果。Kim等在電動(dòng)的基礎(chǔ)上[15]，自制了淋洗-電動(dòng)分離設(shè)備來凈化鈾污染的土壤。通過預(yù)先洗滌將部分的鈾從土壤中除去，再進(jìn)行電動(dòng)分離。為了減少陰極中大量金屬氧化物的產(chǎn)生，采用pH控制器將電解質(zhì)溶液pH控制在0.5～1.0以形成UO22+，提高修復(fù)效果。

2.2" 電動(dòng)-滲透反應(yīng)墻（EK-PRB）聯(lián)合修復(fù)技術(shù)

電動(dòng)-滲透反應(yīng)墻（EK-PRB）聯(lián)合修復(fù)技術(shù)是指在電場的作用下，使毒性較高的金屬離子在電場作用下向兩端遷移。重金屬污染物與滲透性反應(yīng)墻內(nèi)的填充物發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，使重金屬離子變?yōu)榉€(wěn)定、低毒性狀態(tài)，且可富集處理[26]。它結(jié)合了2種技術(shù)，能夠起到較好的修復(fù)效果，且較為環(huán)保，受環(huán)境影響因素較小，修復(fù)較為徹底。它在重金屬修復(fù)方面可對(duì)銅[27]、鉛、鉻、鎘、砷等重金屬污染起到很好的修復(fù)效果[28-34]。在處理鈾污染土壤應(yīng)用方面，周書葵等應(yīng)用電動(dòng)-滲透性反應(yīng)墻（EK-PRB）聯(lián)合修復(fù)技術(shù)對(duì)鈾污染土壤進(jìn)行了修復(fù)試驗(yàn)[35]。研究表明，經(jīng)過168 h的修復(fù)后，EK-PRB聯(lián)合修復(fù)技術(shù)對(duì)鈾的去除率要比EK修復(fù)技術(shù)提高46.5%。肖江等以零價(jià)鐵、活性炭（ZVI/AC）顆粒作為滲透性反應(yīng)屏障[36]，通過對(duì)EK-PRB系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化后，經(jīng)過120 h的修復(fù)實(shí)驗(yàn)，U（VI）的最大去除率達(dá)80.58%。

2.3" 電動(dòng)-植物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)

電動(dòng)-植物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)是指將低強(qiáng)度電場施加到植物生長附近的污染土壤中，促進(jìn)植物對(duì)重金屬的吸收與積累[37，38]。Li等[39]研究了在電動(dòng)處理下，不同鈾源土壤中向日葵和印度芥菜對(duì)鈾的吸收和生物積累的影響。結(jié)果顯示，電動(dòng)處理提高了向日葵和印度芥菜對(duì)鈾的吸收。胡南等[40]研究了電場強(qiáng)化博落回修復(fù)鈾鎘復(fù)合污染土壤。結(jié)果表明，施加直流電場后，博落回對(duì)U和Cd的富集系數(shù)提高了90.84%和93.33%，同時(shí)電場刺激了微生物的酶活性，增強(qiáng)了博落回對(duì)U、Cd的耐受性和富集作用。

2.4" 電動(dòng)-微生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)

電動(dòng)-微生物修復(fù)技術(shù)是在電場的作用下，提高微生物的活性，加速污染物的去除及生物傳質(zhì)過程，從而提高污染物的去除率[41]。電動(dòng)-微生物聯(lián)合技術(shù)修復(fù)土壤的研究可分為電動(dòng)-微生物浸濾技術(shù)聯(lián)合、電動(dòng)注入降解菌或營養(yǎng)底物、電動(dòng)技術(shù)刺激降解菌代謝[42]。電動(dòng)-生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)目前較多用于有機(jī)污染物，石油污染和Zn，Pb，As，Cu，Cd，Cr等重金屬離子的去除[43-50]。

將電動(dòng)修復(fù)技術(shù)與微生物修復(fù)技術(shù)進(jìn)行聯(lián)合，可獲得比使用單一修復(fù)技術(shù)更為經(jīng)濟(jì)有效的處理效果[52]。Sivasankar等通過淀粉增強(qiáng)電動(dòng)力學(xué)和生物刺激過程來降解污染物，提高農(nóng)業(yè)土壤的肥力[53]。以淀粉溶液為電解質(zhì)，電壓梯度約為0.5 V/cm。通過中試實(shí)驗(yàn)研究，評(píng)價(jià)了細(xì)菌介導(dǎo)過程對(duì)土壤污染的影響。經(jīng)處理過的土壤中磷含量的增加證實(shí)了電場會(huì)刺激微生物的生長。針對(duì)土壤中的孔隙度對(duì)電化學(xué)實(shí)驗(yàn)的影響問題，Claudia等使用氧化石墨烯增加模型多孔含水層的導(dǎo)電性[54]。結(jié)果表明，氧化石墨烯對(duì)多孔土壤的改性提高了電化學(xué)過程的延伸，使微生物細(xì)胞可以在土壤的遠(yuǎn)端位置生長。Maini等運(yùn)用硫氧化細(xì)菌，對(duì)銅污染土壤進(jìn)行初步酸化處理[55]。然后用電動(dòng)修復(fù)技術(shù)處理該土壤，在16 d內(nèi)銅的去除率達(dá)到86%。硫氧化細(xì)菌的預(yù)酸化處理使電能消耗減少了66%，提高了電動(dòng)處理的成本效益。但這一聯(lián)合修復(fù)過程中還有許多有待解決的問題，如微生物的適應(yīng)性，實(shí)際應(yīng)用的可操作性等都需要深入研究。Lee等接種嗜酸性氧化硫硫桿菌進(jìn)行預(yù)處理，將生物浸出與電動(dòng)修復(fù)土壤技術(shù)相結(jié)合[56]，去除含有Cd，Cu，Pb，Zn，Co，As等重金屬污染嚴(yán)重的尾礦土壤。從實(shí)驗(yàn)的總體結(jié)果來看，硫氧化菌的生物浸出工藝可能是一個(gè)很好的尾礦土壤重金屬富集的預(yù)處理步驟。此外，電動(dòng)-微生物聯(lián)合修復(fù)是一種有效的尾礦土壤修復(fù)技術(shù)。

范瑞娟等對(duì)有機(jī)污染土壤的電動(dòng)-微生物修復(fù)過程的影響因素及優(yōu)化措施進(jìn)行了綜述[57]。文章認(rèn)為，影響電動(dòng)-微生物修復(fù)效率的因素主要有電場強(qiáng)度、污染物的生物可利用性、污染物結(jié)構(gòu)和性質(zhì)、微生物種群以及環(huán)境因素（如土壤pH值、土壤類型、營養(yǎng)物質(zhì)和含水量等）。馬永松等在（陽離子和陰離子）離子交換膜的應(yīng)用下[58]，通過刺激生物的方式來修復(fù)石油烴和重金屬混合污染的土壤。結(jié)果表明，在修復(fù)30 d后，石油烴的降解率達(dá)到77.4%，Ni的去除率達(dá)到58.5%。在微生物-電動(dòng)修復(fù)實(shí)驗(yàn)中，使用陰、陽離子交換膜可以促進(jìn)微生物生長和生物降解，原生細(xì)菌可以有效降低金屬毒性。尹靜玄等從Cd污染土壤中分離篩選出大腸桿菌（Escherichia）[59]、芽胞桿菌（Bacillus sp.）和蠟樣芽胞桿菌（Bacillus cereus）3株耐鎘細(xì)菌，將其分別接種至含Cd土壤后，在電壓梯度1 V/cm、通電時(shí)長10 d的條件下，進(jìn)行電動(dòng)-耐鎘細(xì)菌聯(lián)合修復(fù)Cd污染土壤的實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)電動(dòng)修復(fù)相比，電動(dòng)-耐鎘細(xì)菌聯(lián)合修復(fù)技術(shù)能顯著提高總Cd去除率并降低修復(fù)所用的能耗。何等[60]運(yùn)用生物-電動(dòng)聯(lián)合修復(fù)Cr污染土壤。結(jié)果表明，添加還原菌微細(xì)菌sp. Y2，修復(fù)8 d后Cr（VI）處理效率提高到90.67%。

3" 結(jié)論與展望

綜上所述，單一的修復(fù)方案，不能很好地滿足修復(fù)土壤的需求。因此，技術(shù)人員應(yīng)根據(jù)自身需求及土壤狀況選擇合適的修復(fù)方案，同時(shí)要促進(jìn)不同方法技術(shù)的綜合應(yīng)用，取長補(bǔ)短，以實(shí)現(xiàn)更好的修復(fù)效果。針對(duì)不同重金屬污染類型、程度、環(huán)境條件及修復(fù)可以加強(qiáng)智能決策系統(tǒng)建設(shè)。相關(guān)部門和企業(yè)需對(duì)這方面多加關(guān)注，共同努力，確保這種技術(shù)能夠在實(shí)際土壤修復(fù)中得到良好應(yīng)用，修復(fù)生態(tài)環(huán)境的同時(shí)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益，且避免重金屬進(jìn)入人體。

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Research Progress of Electrokinetic Combined Remediation Technology in Heavy Metal Contaminated Soil

Dong Xue

（Aksu Xindi Mineral Resources Development Co.， Ltd.， Aksu，Xinjiang，843000，China）

Abstract： With the continuous understanding of mineral resources and the increasing demand for them， the mining and utilization of resources are accompanied by the destruction of the mining environment. Compared with traditional single repair technology， electric combined repair technology has more advantages. Through the analysis of soil remediation technology， combined with different remediation technologies， this paper analyzes the research status and application progress of electric combined remediation technology in mines. It is expected that through this analysis， it will provide a reference basis for the remediation of heavy metal contaminated soil in mines and make contributions to the realization of a good ecological environment in mines.

Key words： Heavy metals; Soil; Electric combined repair technology