土壤重金屬污染修復(fù)技術(shù)比較研究

向捷　陳永華　向敏　廖佳

摘要在概述土壤重金屬污染的來(lái)源、特點(diǎn)、危害的基礎(chǔ)上，較系統(tǒng)地介紹了我國(guó)土壤重金屬污染現(xiàn)狀，闡述了重金屬污染土壤各類(lèi)修復(fù)技術(shù)的概念、原理，并且對(duì)比研究了物理修復(fù)技術(shù)、化學(xué)修復(fù)技術(shù)和生物修復(fù)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，最后展望了我國(guó)土壤重金屬污染修復(fù)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)、研究方向，以期為我國(guó)土壤重金屬污染土壤的修復(fù)以及該領(lǐng)域的深層次研究提供參考。

關(guān)鍵詞重金屬污染；土壤；修復(fù)技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)S156文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2014）22-07367-03

26密度大于4.0 kg/m3或大于5.0 kg/m3的金屬元素被稱(chēng)為重金屬，前者約60種，后者約45種，如銅、鐵、錳、鋅、汞、鉛、鎘、鎳、鉻、鈷等。生態(tài)環(huán)境污染方面所指的重金屬是指對(duì)生物毒性顯著的元素，如汞、鎘、鉛、鉻以及類(lèi)金屬砷等。從毒性角度出發(fā)，通常把鋰、鈹、硼、鋁、鋅、銅、鈷、鎳、錫等也歸為重金屬范疇[1-2]。隨著人口數(shù)量的快速增長(zhǎng)以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化的不斷推進(jìn)和現(xiàn)代化工業(yè)的高速發(fā)展，越來(lái)越多的重金屬進(jìn)入土壤，使得土壤重金屬污染愈發(fā)嚴(yán)重。土壤重金屬污染已成為亟待解決的世界性問(wèn)題和難題。按照生化性質(zhì)的差異，土壤中的重金屬元素可分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是生物體維持正常生理活動(dòng)所必需的元素，但若其濃度超過(guò)一定閥值，則會(huì)導(dǎo)致生物體中毒，如銅、鋅等；另一類(lèi)是生物體正常生理活動(dòng)非必需的元素，即有害元素，如鎘、汞、鉛等。

不同于水體污染、大氣污染、固體廢棄物污染，土壤重金屬污染危害具有隱蔽性、滯后性、長(zhǎng)期性、不可逆性等特點(diǎn)。重金屬元素在土壤中不斷積累，導(dǎo)致土壤退化、農(nóng)作物減產(chǎn)，并且通過(guò)大氣、水體或食物鏈直接或間接地進(jìn)入并蓄積在生物體內(nèi)，造成機(jī)體生理代謝活動(dòng)紊亂，進(jìn)而嚴(yán)重危害人類(lèi)健康和生命安全。日本發(fā)生的骨痛病和水俁病等公害病震驚世界，就是分別由重金屬鎘、汞污染引起的。因此，關(guān)注土壤重金屬污染的來(lái)源、危害，采取有效的防治手段，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1土壤重金屬污染現(xiàn)狀

1.1 土壤重金屬污染的來(lái)源土壤重金屬的來(lái)源可分為自然來(lái)源和人為來(lái)源。自然來(lái)源主要指成土母質(zhì)，因其中含有一定量重金屬，所以成土過(guò)程會(huì)影響土壤中重金屬含量及分布[3]。人類(lèi)活動(dòng)是土壤中重金屬的主要來(lái)源，主要包括工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和城市生活，如煤和石油的使用、工業(yè)“三廢”的排放、污水農(nóng)用灌溉以及農(nóng)藥化肥的使用、機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣排放、區(qū)域內(nèi)垃圾堆放、大氣干濕沉降等。

1.2 土壤重金屬污染的特點(diǎn)土壤污染不同于大氣和水體污染，其帶來(lái)的危害性更大。土壤重金屬污染不僅無(wú)法通過(guò)土壤本身固有的生化作用得到減輕，而且這些重金屬甚至能較長(zhǎng)時(shí)間地蓄積于土壤環(huán)境中，污染面積大，難以消除，時(shí)滯效應(yīng)長(zhǎng)，危害大，經(jīng)作物吸收后進(jìn)入食物鏈，進(jìn)而危害人類(lèi)健康。

相關(guān)資料顯示，我國(guó)約1/5的耕地受重金屬污染，總面積接近0.1億hm2，明顯或重度污染的農(nóng)田面積已達(dá)22.67萬(wàn)hm2[4]。我國(guó)每年被重金屬污染的糧食達(dá)1 200萬(wàn)t，由土壤重金屬污染導(dǎo)致的糧食減產(chǎn)超過(guò)1 000萬(wàn)t，合計(jì)經(jīng)濟(jì)損失至少200億元[5]。農(nóng)業(yè)部調(diào)查資料顯示，我國(guó)污灌區(qū)面積約140萬(wàn)hm2，遭受重金屬污染的土地面積占污染總面積的64.8%，其中嚴(yán)重污染面積占8.4%，中度污染面積占9.7%，輕度污染面積占46.7%，同時(shí)Hg、Cd污染面積最大。全國(guó)目前約有11個(gè)省市的25個(gè)地區(qū)的耕地遭受Cd污染，約1.3萬(wàn)hm2；約15個(gè)省市的21個(gè)地區(qū)的耕地遭受Hg的污染，約3.2萬(wàn)hm2[6]。由于土壤環(huán)境的復(fù)雜性、多樣性，土壤一旦受到污染，其治理將會(huì)受到多種因素的制約，治理周期長(zhǎng)且費(fèi)用高昂。

1.3 土壤重金屬污染的危害當(dāng)有害重金屬在土壤中的含量積累到一定程度時(shí)，會(huì)對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生毒害作用，導(dǎo)致土壤退化、農(nóng)作物減產(chǎn)降質(zhì)。另外，由于地表徑流、淋洗等作用，重金屬會(huì)遷移至地下，造成地下水污染，并通過(guò)接觸和食物鏈等途徑危及人類(lèi)生命安全[7]。

從目前重金屬污染調(diào)查情況來(lái)看，我國(guó)土壤重金屬污染形勢(shì)不容樂(lè)觀。有調(diào)查資料顯示，近年來(lái)華南地區(qū)部分城市有50%的農(nóng)田遭受Cd、As、Hg等有毒重金屬污染[8]；西江流域遭受重金屬污染的土地面積達(dá)0.55 km2/km2，污染率超過(guò)50%，其中，Hg的污染面積達(dá)1 257 km2，污染深入地下40 cm土層；在東南部的某些地方，Cu、Zn、As、Hg等重金屬含量超標(biāo)的土壤面積占總污染面積的45.5%。江蘇省某丘陵地區(qū)在14 000 km2的范圍內(nèi)Cu、Pb、Hg和Cd等的污染面積達(dá)35.9%，南京城市土壤也受到不同程度的Pb、Zn、Mn、Cu、Cr污染，其中Pb污染尤為嚴(yán)重[9]；西南、西北、華中等地區(qū)也存在較大面積的Hg、As等重金屬污染土壤。在全國(guó)范圍內(nèi)，一些涉重金屬的企業(yè)及周?chē)母卦缫巡贿m合繼續(xù)耕種。

2土壤重金屬污染修復(fù)技術(shù)分類(lèi)與比較

常用的土壤重金屬污染修復(fù)技術(shù)按照學(xué)科分類(lèi)，可分為物理修復(fù)技術(shù)、化學(xué)修復(fù)技術(shù)和生物修復(fù)技術(shù)。其治理途徑主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：①降低土壤中重金屬濃度，如稀釋法；②降低重金屬在土壤中的遷移性，如重金屬固化/穩(wěn)定化技術(shù)；③清除土壤中重金屬[10]，如植物修復(fù)。

2.1物理修復(fù)技術(shù)早期的治理土壤重金屬污染的方法主要是物理法，比如翻土法、換土法。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，又產(chǎn)生了電修復(fù)法、熱處理法。

翻土法是指通過(guò)深翻土壤，上下層土壤混合，從而使得表層土壤中重金屬污染物分散到更深的土層，達(dá)到降低耕作層中重金屬含量的目的。換土法是指對(duì)于面積較小的重度污染區(qū)，用干凈土壤替換受重金屬污染的土壤。該法需妥善處理?yè)Q出的污染土壤，以防二次污染。翻土法、換土法和隔離法雖能有效降低表層土壤中重金屬含量，但只是使污染物發(fā)生了轉(zhuǎn)移，治標(biāo)不治本。電修復(fù)法是一種原位修復(fù)技術(shù)，指將若干電極直接插入污染土壤中，然后通以微弱直流電，形成直流電場(chǎng)，在電場(chǎng)作用下土壤中的金屬離子（如Cu、Cr、Pb、Cd、Ni、Zn、Mn等）發(fā)生定向遷移，并且富集在電極附近，最后對(duì)其進(jìn)行集中處理或分離。在整個(gè)過(guò)程中，主要的物質(zhì)遷移有自由擴(kuò)散、電泳運(yùn)動(dòng)、電滲析和電遷移等。鄭喜坤等[11]沙土試驗(yàn)表明，該法能去除土壤中90%以上的Pb2+、Cr3+等重金屬離子。實(shí)驗(yàn)證明，對(duì)被鉛、銅污染的泥炭土每天通電10 h，43 d后鉛、銅去除率分別可達(dá)70%、80%[12]。夏星輝等[13]研究發(fā)現(xiàn)，運(yùn)用電修復(fù)法去除土壤中的Cr6+效果良好，并且當(dāng)電修復(fù)法與水力淋濾法聯(lián)合使用時(shí)，去除土壤中Cr的速度比運(yùn)用其他單一方法均要快。熱處理法是指通過(guò)高頻電壓釋放電磁波產(chǎn)生的熱能加熱土壤，將重金屬?gòu)耐寥乐薪馕龀鰜?lái)，并且進(jìn)行收集處理[14]。但，該法只適用于收集易揮發(fā)的重金屬污染物，如Hg、As。有研究表明，應(yīng)用熱處理法可使砂性土中Hg含量15 000 mg/kg下降至0.07 mg/kg，黏土中Hg含量從900 mg/kg下降至0.12 mg/kg，壤土中Hg含量從225 mg/kg下降至0.15 mg/kg，而且回收的汞蒸汽純度可達(dá)99%。主要的物理處理方法的優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表1。

2.2化學(xué)修復(fù)技術(shù)化學(xué)修復(fù)是通過(guò)對(duì)土壤中的重金屬進(jìn)行吸附、溶解、沉淀、氧化還原、絡(luò)合螯合等來(lái)降低土壤中重金屬遷移性或生物有效性的方法。常用的重金屬污染土壤化學(xué)修復(fù)技術(shù)主要包括固化法、穩(wěn)定化法、淋洗法、改良法。