鎘污染土壤修復技術的研究進展

路潤峰馮娟魚甜甜王亞嬌楊春黃嘉瑞

(1.陜西省地質調查實驗中心，陜西 西安 710054；2.陜西省地質調查院，陜西 西安 710054；3.陜西眾晟建設投資管理有限公司，陜西 西安 710054)

引言

鎘是被公眾所熟知的“五毒”元素之一，具有移動性大、分解周期長(半衰期超過20a)、毒性高等特點。并且鎘在日常生產生活中極易被周圍作物吸收及富集，可以通過食物鏈進行積累，不僅嚴重影響作物的品質和產量，而且嚴重危害人體的健康。鎘的主要污染途徑是干濕沉降、農用產品及化學產品的使用、污水的灌溉以及污泥的使用等。鎘一旦進入人體會產生一定的毒性作用，對人體的腎臟、骨骼、免疫系統、肝臟等造成損傷，誘發多種癌癥；造成人體肌肉酸痛、肺損害、全身疲乏、腸胃刺激等一系列反應[1，3]。因此，對鎘污染土壤的修復已經成為多數研究者迫切需要解決的問題。為了對鎘污染土壤進行有效修復，近年來，研究者嘗試并提出了多種鎘污染土壤的修復技術與修復方法。這些方法可以通過對鎘污染物的擴散進行一定程度的遏制，通過對鎘污染物生物利用度的降低、總濃度的降低、轉移等方式，來達到對鎘污染土壤環境的有效改善。但是在實際應用過程中，這些修復技術的適用范圍、修復成本等各有差距。本文旨在通過對鎘污染土壤的修復技術進行綜合比較，并對其原理、適用條件、優缺點、發展前景等作出合理的評估，以期對研究者選擇合適的修復技術，對傳統修復技術進行改進，聯合使用不同種類的修復技術等方面提供一定的幫助。

1 物理修復技術

物理修復技術主要是通過物理學特性的差異，通過物理性的方法將環境中的污染物去除或者分離。該技術的優點在于大部分修復所需要的費用都較低，所需要的設備一般都比較簡單，且具有可持續的高產出。而在具體應用這項技術時往往存在其修復技術的可行性問題，還需綜合考慮各種因素的影響。

1.1 客土法

客土法作為鎘污染土壤的一種修復技術，通常采用向受到鎘污染的土壤中添加潔凈的土壤，從而達到減少鎘與農作物植物根系的接觸、降低或減少土壤中鎘污染物的濃度這樣的目的。20世紀60年代，日本采用客土法對神通川地區的受鎘污染農田展開修復，將表層污染土壤剝離地面，對田地進行挖溝，從其他地方運來干凈的土壤覆蓋地表，同時配合使用土地改良劑等，經過30多年的時間，約有接近1/2的受污染土壤得到了徹底恢復正常。

客土法的優點是見效快，效果好。但這種修復技術也存在一定的缺陷，如工程投資費用普遍較高，工程實施量普遍較大，工程在實施過程中有可能破壞土體的內部結構，從而引起土壤肥力下降等問題。

1.2 換土法

換土法修復技術就是通過工程措施方法將受到鎘污染的土壤移走，換入新的干凈的土壤。換土法通常適用于污染嚴重的小面積的土壤鎘污染的場地，特別是運用于污染物具易擴散、有放射性或污染物難以分解的嚴重污染土壤。換土法最為關注的點是對換出的污染土壤進行妥善處理，以避免發生二次污染。Douay等[4]對一片鎘污染菜地進行換土修復的研究，通過分析菜地換土前后蘿卜葉片中的鎘含量，研究結果顯示，鎘含量降低了23.23mg·kg-1。

換土法可以有效地把污染土壤隔離起來，從而有效減少了鎘對環境的影響。換土法土壤修復技術的工程量比較大，修復成本也較高，并且該修復技術要對土壤進行較大程度的擾動，破壞土壤原有結構，從而影響到土壤的生產力。

1.3 電動修復技術法

土壤電動修復技術是通過對污染土壤外加直流電場，外加電場的作用會使得重金屬污染元素通過電遷移、電泳或電滲流等方式向一邊電極處聚集，經后續處理以去除重金屬污染元素。

Gavrilescu等[5]研究發現，電動修復技術在低滲透性土壤(如粘土)中具有高效、快速的重金屬去除效果，同時提出了電動修復技術是最有希望的一種土壤修復技術。胡宏韜等[6]在土壤重金屬污染的電動力學修復實驗中的研究表明，當外加試驗電壓為0.5W·cm-1時，鎘的去除效率可達到71.5%。儲陸平等[7]提出，一般影響電動修復效果的主要因素包括土壤性質、電壓、電流等。Li等[8]通過在電極和被處理的污染土壤之間設置了導電溶液槽，使得從污染土壤中遷移出來的重金屬離子沉淀在導電溶液槽中，研究結果表明，鎘的去除效率可達到90%以上。

電動修復技術具有設備易于安裝和操作，后處理方便，所帶來的二次污染少，可以從土壤中去除污染物的優點。但電動修復技術修復的土壤類型有限，施加的電場可能引起土壤局部環境的顯著變化，且存在修復成本高、化學活化劑殘留等問題。

2 化學修復技術

化學修復技術，主要是向重金屬污染土壤中添加一些化學改良劑以改變重金屬元素鎘在土壤中的存在形態、改變土壤電位、土壤酸堿性等。再通過化學吸附、離子交換、表面絡合等一系列的化學反應來降低土壤中重金屬元素(鎘)的生物有效性，從而減少其危害性。目前，化學淋洗技術和原位鈍化技術的應用較為廣泛[9]。

2.1 化學淋洗技術

化學淋洗技術是將化學淋洗劑注入受污染的土壤，使土壤中污染物發生溶解或遷移而隨淋洗液流出，并對帶有污染物的淋洗液進行分離處理[21]。其作用機制是注入的化學淋洗液與土壤中重金屬污染物發生一系列的結合，并通過淋洗液的溶解、解吸、鰲合等一系列的作用，達到修復污染土壤的目的。

徐小遜等[10]用4種不同植物種類材料的水浸提液作為淋洗劑，探討不同淋洗劑濃度、淋洗時間以及不同pH條件下對去除土壤中鎘的影響，研究結果表明，淋洗劑濃度越高，其對土壤中鎘的淋洗效率越高；淋洗劑pH越大，淋洗效率總體呈降低趨勢。姚萍[11]研究了芋葉及牛膝廢渣對淋洗廢水中的Cd2+的吸附效果，研究結果表明，2種植物材料對土壤中的鎘有很好的吸附效果，能達到有效去除污染土壤中鎘的目的。

化學淋洗技術修復時間短、修復效率高，可修復重金屬嚴重污染的土壤場地，且化學淋洗技術原位與異位修復均適用。化學淋洗修復過程中使用的一系列化學試劑往往會對土壤產生一定的影響，如破壞土壤微生物菌群等，因此，通常在土壤淋洗修復后需要采取一些農藝措施對修復土壤質量進行恢復[12]。

2.2 原位鈍化技術

原位鈍化修復技術，是通過添加外源修復劑與重金屬發生系列反應，從而改變重金屬在土壤中的存在形式，達到降低其在土壤中的生物有效性和阻隔其進一步進行遷移目的的一種化學修復技術。

李明等[13]通過研究施用石灰類鈍化劑來研究菜地土壤鎘的有效性，研究結果表明，施加CaCO34500kg·hm-1，使得土壤中有效態鎘降低了87.8%。王林等[14]研究了海泡石等對鎘污染土壤的鈍化修復作用，結果表明，海泡石處理過的土壤，鎘含量降低27.88%。Gao等[15]采用生物炭、鐵酸鎂和鐵酸鎂生物炭組合體，研究其對鎘的鈍化的影響。結果表明，鐵酸鎂生物炭組合體對鎘的吸附性能更好。

原位鈍化修復技術在重金屬污染土壤修復過程中具有修復費用低、使用效果快、穩定性好、操作簡單且可以實現不影響農業生產的特點，受到廣泛關注。但是該修復技術修復的長期穩定性還有待考證，同時，其修復后的土壤環境質量也需要長期的監控評估。

3 生物修復技術

生物修復技術通常是指利用各種生物(包括植物、動物和微生物)的特性，吸收、降解、轉化環境中的污染物，使受污染的環境得到改善的治理技術。該技術具有適用性廣、成本低，操作工藝較為簡單，且不會造成二次污染，符合生態發展規律等優點。

3.1 植物修復技術

植物修復通常是在受污染土壤中種植植物，通過植物各結構部件分解、吸收、固定或轉運土壤中有毒有害污染物的一項修復技術[16]。主要包括植物降解、植物萃取、植物揮發以及植物根部降解4種形式。重金屬超累積植物是植物修復技術的核心部分，常見的超富集植物包括商陸、三葉草、黑麥草、菠菜、印度芥菜、小白菜、油菜等。

聶發輝[17]在超累積植物篩選工作中發現，植物商陸對污染土壤中的鎘污染具有一定的忍耐與積累能力。通過進一步的對照研究表明，在受重金屬污染土壤中檢測到商陸的莖、葉的鎘的含量均超過了鎘超積累植物應達到的臨界含量標準，說明商陸可以作為一種植物修復技術潛在的修復資源。蘇德純等[18]通過實驗課題篩選出2種芥菜型油菜溪口花籽和朱蒼花籽，均具有修復鎘污染土壤的潛力，且有較強的耐鎘毒能力。

植物修復技術具有投資小、容易操作、環境友好等優點。但植物修復往往所需時間較長，且通常僅適用于低污染的土壤中。

3.2 動物修復技術

動物修復技術是通過利用土壤中動物的一系列生長、穿插、繁殖等活動對重金屬污染物進行一定的分解、破碎、消化等作用，從而達到使重金屬污染物消除或降低的一種生物修復技術。

成杰民等[19]通過對照實驗研究了土壤動物蚯蚓在植物修復鎘污染土壤中的作用，研究結果表明，在鎘污染土壤中引入土壤動物蚯蚓可以顯著增加植物地上部分的生物量，蚯蚓的活動顯著促進了植物根部對鎘的吸收。田偉莉等[20]通過大田試驗方法，綜合研究了動植物聯合修復技術在重金屬污染土壤中的應用狀況，研究結果表明，經過18個月的修復，土壤鎘含量降低了92.3%。

土壤動物修復技術未來的發展重點是加深對動物土壤修復能力的理論與修復技術的研究，加強對強修復能力的動物的篩選工作，加強與其他修復技術的聯合應用。

3.3 微生物修復技術

微生物修復技術通常是在一定的條件下通過利用土壤中的微生物(人工訓化的具有特定功能的微生物、真菌、藻類或細菌)自身的代謝作用，對重金屬進行生物富集或生物轉化，從而降低污染土壤中重金屬鎘的活性及含量的一種修復技術。

Suleman等[21]通過對一種纖毛蟲原生動物的大腸桿菌基因中加入一個鎘誘導金屬硫蛋白基因，并通過對照實驗監測其對Cd2+的積累量，研究結果表明，基因重組大腸桿菌對Cd2+的積累量比未進行基因重組的多19倍。Hao等[22]通過盆栽實驗研究了4種菌對菠菜對土壤中鎘的吸收性能，研究結果表明，混合嗜酸菌使得菠菜組織中鎘的濃度增加了78%，該實驗組在發展微生物輔助植物提取過程中，引入的微生物不僅能從污染土壤中去除重金屬，而且還能提高土壤植物組織對重金屬鎘的吸收。

微生物土壤修復技術具有對環境影響小、成本低等優點。但也存在一定的局限性，對修復土壤的環境要求較高，只有在適宜微生物生長環境下，微生物修復才是有效可行的。對于微生物修復技術，還需在復合修復技術、篩選、改良微生物菌株等方面進行加強。

4 展望

鎘污染是最嚴重的重金屬污染物之一，嚴重威脅著人們的食品安全與生命健康。我國鎘污染修復治理技術的起步時間雖然短，但已經取得了很多研究進展，但仍有以下幾方面需進一步優化。

4.1 生物修復的機理需要進一步深入探討

生物修復技術是一種被公認的環境友好、低成本的具有光明前景的修復技術，植物修復用來修復低污染、大面積的淺層污染濃度低的土壤，但鎘超富集植物的探索需更進一步；土壤動物修復技術是運用天然方法轉化重金屬富集與形態，在一定程度上還可以提高土壤肥力；未來，將土壤動物作為一種“催化劑”放入受污染土壤中將是一個研究方向；微生物修復面臨著菌種選擇與大規模試驗挑戰。

4.2 加強選育和篩選低累積鎘的農作物品種

水、空氣與土壤存在于一個生物圈內，由于生物圈內的物質之間的不斷循環，加之土壤鎘污染情況的愈加嚴重，土壤中必定存在或多或少的鎘含量。所以，在今后的工作中，應當加強選育和篩選低累積農作物品種，減少農作物對鎘的積累，將鎘對人體的影響降到最低。

4.3 聯合使用不同種類的修復技術

將基因工程技術同步應用于土壤鎘污染修復中，提高修復技術的環保性以及經濟性，擴大修復面，提高修復效率。建議可采用生命周期方法評價鎘的開采、排放、使用和處置，對鎘污染的狀況進行有效的預測與評判。