土壤重金屬污染及修復(fù)技術(shù)綜述

文_董家麟 吉林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院

隨著世界經(jīng)濟的發(fā)展，生活水平的提高，人們開始注意到經(jīng)濟發(fā)展給社會、環(huán)境帶來的破壞。如今，人們不僅僅關(guān)注于空氣、水污染，同時還關(guān)注了土壤污染，而土壤中的重金屬污染是其中一個比較普遍的問題。

重金屬污染是指由于重金屬或其化合物過量排放入環(huán)境，超過了環(huán)境的最大容量，環(huán)境自身無法自凈，對環(huán)境產(chǎn)生了影響，并可能會危害人類或其他生物的生存的環(huán)境污染。工業(yè)活動所產(chǎn)生排放的廢水、廢氣、廢渣是重金屬污染的主要來源；農(nóng)業(yè)活動的過度施肥、污水灌溉等也會導(dǎo)致土壤污染。重金屬排入環(huán)境后，由于其具有不可逆性、復(fù)雜性和長期性，在生物體內(nèi)會有明顯的累積效應(yīng)，并通過地球化學(xué)鏈、食物鏈進入生物體危及人類健康和生命安全。當(dāng)排入環(huán)境中重金屬的量超過環(huán)境所能承受、轉(zhuǎn)化吸收的最大限度，其將會直接危害人體健康，同時可能會導(dǎo)致環(huán)境受到影響。

世界上的發(fā)達國家，較早地開始了環(huán)境污染問題的研究，對于土壤的修復(fù)已經(jīng)有了較為成熟的修復(fù)技術(shù)。本文分析了國內(nèi)外土壤污染現(xiàn)狀以及污染的來源，綜述了土壤的修復(fù)技術(shù)，對減緩及解決我國土壤的污染態(tài)勢提出幾點看法，并做出防控發(fā)展形勢的初步判斷，希望能對重金屬污染治理工作有所貢獻。

1 國內(nèi)外土壤重金屬污染現(xiàn)狀

目前，世界各國土壤都有不同程度的重金屬污染，通過參照大量采樣統(tǒng)計數(shù)據(jù)以及調(diào)查研究的文獻，土壤重金屬污染主要有鋅、砷、錳、鎳、銅、汞、鈷等金屬元素污染。歐洲一些地區(qū)土壤中鎘、鋅、鉛、錳、砷等重金屬的含量也超出了正常范圍。美國一些地區(qū)也受到了不同程度的重金屬污染，污染的重金屬種類也較多，有鎘、砷、砷、鉛等，如今得到了較好的處理。

中國作為發(fā)展中國家以及工業(yè)、農(nóng)業(yè)大國，重金屬污染的問題比較復(fù)雜，其中包括鎘、鋅、鉛、錳、砷等重金屬的污染。由于我國在發(fā)展前期階段沒有重視環(huán)境問題，多數(shù)地區(qū)采用了污水灌溉而無人管理，我國農(nóng)耕地大多出現(xiàn)了重金屬污染的問題，導(dǎo)致很多耕地?zé)o法使用。據(jù)統(tǒng)計，到2016年為止，我國受到重金屬污染的土壤面積已經(jīng)達到上萬公頃，占全國總耕地面積的1/6。遭受重金屬污染后的土壤需要經(jīng)過一段時間的修復(fù)，并且對修復(fù)后的土壤進行檢測，直至土壤作物的各項重金屬含量達標(biāo)后才可繼續(xù)使用。土壤污染至少導(dǎo)致糧食每年減產(chǎn)多達1000萬噸，造成經(jīng)濟損失200多億元。

1.1 土壤重金屬污染來源

世界上多數(shù)國家的土壤重金屬污染來源主要為工業(yè)排放。其中Pb、Zn、Ni、Cu、Fe的污染較為普遍，在大多數(shù)工廠的排放物中這些元素都含有較高的含量以及比例，Mn、Zn主要來源于紡織工業(yè)，Cr主要來源于皮革工業(yè)。

重金屬進入到土壤的主要方式有如下幾種：①大氣沉降：電廠、黑色冶金、石油開采和加工、運輸、有色冶金以及建筑材料開采和生產(chǎn)等工業(yè)產(chǎn)生的廢氣被排入大氣，其中的重金屬隨著廢氣的排放進入大氣，再通過干、濕沉降進入到土壤和水體中。②污染灌溉：一些不法的商家使用城市下水道污水、工業(yè)廢水、排污河污水以及超標(biāo)的地下水等進行灌溉，從而使重金屬元素隨著灌溉直接進入地下環(huán)境中，對土壤、地下水環(huán)境造成嚴(yán)重的危害。③農(nóng)藥、化肥和塑料薄膜的使用：用含有Pb、Cd、Hg、As等元素的農(nóng)藥和不合理地施用化肥會使重金屬直接進入土壤，并且在土壤中遷移轉(zhuǎn)化成其較為穩(wěn)定的形態(tài)。

1.2 土壤重金屬污染特點

土壤中的重金屬污染存在以下特點：①普遍性特點：工廠成為重金屬污染的主要來源，隨著工業(yè)的發(fā)展，大多數(shù)國家都面臨著不同程度的工業(yè)重金屬污染的問題。②隱蔽性特點：土壤中的重金屬大多數(shù)以化合物、聚合物等形式存在，肉眼難以將其辨別出來，必須要通過一定的技術(shù)方法才能測定其存在。③表聚性特點：土壤中重金屬具有表聚性,進入地下環(huán)境后，土壤中的重金屬與土壤中原有的離子發(fā)生離子交換，或被土壤吸附，或形成較為穩(wěn)定的聚合物、化合物存在于土壤中，只有少部分重金屬元素能進到下層土壤中。④不可逆性特點：由于重金屬在進入土壤之后會發(fā)生一系列的物理、化學(xué)、生物變化，一旦重金屬進入土壤，其會轉(zhuǎn)變?yōu)檩^穩(wěn)定的形態(tài)，隨后便不利于修復(fù)處理；并且當(dāng)過多的重金屬進入土壤，超過土壤的自凈能力的時候，會改變土壤的結(jié)構(gòu)與功能，且重金屬難以降解，所以土壤的重金屬污染具有不可逆性，污染的土壤難以恢復(fù)。⑤長期性特點：由于土壤相對于大氣、水流來說流動性很小，受到污染物污染后擴散速度較慢，若不進行治理，則會長期存在于這一部分的土壤中。

2 重金屬污染土壤修復(fù)技術(shù)

2.1 物理修復(fù)

2.1.1 換土法

換土法指挖出地基中一定范圍內(nèi)的土后,換以砂、石等材料，即替換干凈的土壤，并分層夯實,從而使原污染土壤中污染物濃度降低，增強土壤的自凈能力，最終達到土壤修復(fù)的目的。換土法又有換土、翻土和客土法3種。

換土法能有效地使環(huán)境中重金屬污染物去除，或使環(huán)境高濃度區(qū)污染物的濃度降低，提高污染土壤的環(huán)境容量以及自凈能力，最終達到凈化污染物的目的。其優(yōu)點是能有效地降低污染物含量，治理污染土壤見效快，能使土壤盡快再次投入使用，土壤修復(fù)后對周圍環(huán)境產(chǎn)生的負(fù)面影響較小。但是該法也有一些缺點：首先是對于不同的土地必須使用不同的替換材料組合，施工比較復(fù)雜，成本費用比較高；其次對于挖出的污染土壤需要進行處理，增加了二次處理的費用。所以換土法較適用于面積較小、污染比較嚴(yán)重的土壤。

2.1.2 解吸脫附法

解吸脫附技術(shù)包括常溫解吸和熱解吸。解吸脫附技術(shù)原理是通過一定的技術(shù)手段，直接或間接地加熱被污染的土壤，使土壤中的揮發(fā)性污染物或半揮發(fā)性污染物從土壤中揮發(fā)出來，同時通過氣體收集裝置對揮發(fā)出來的氣體進行收集，從而使土壤中易揮發(fā)的重金屬含量減少，達到土壤修復(fù)的效果。

該技術(shù)的優(yōu)勢有：土壤修復(fù)過程快、對于揮發(fā)性、半揮發(fā)性的重金屬元素去除效果好，效率高；且通過氣體收集裝置對金屬進行收集，可以對收集的金屬重新利用。該技術(shù)也有一定的局限性：裝置的能耗較高，且該方法只適用于濃度較高的污染土壤，當(dāng)土壤污染物濃度低時效率較低；其次在對土壤進行加熱的過程中，改變了土壤的溫度、水分等理化性質(zhì)；最后該技術(shù)需要從國外引進設(shè)備，會使成本大大提高。

雖然國內(nèi)對于此技術(shù)的研究與應(yīng)用較少，但是國外已經(jīng)有了一定的應(yīng)用?，F(xiàn)在國內(nèi)外有應(yīng)用的熱脫附技術(shù)有：滾筒式熱脫附、微波熱脫附、流化床式熱脫附和遠(yuǎn)紅外線熱脫附技術(shù)。并且Kunkel和Navarro等學(xué)者相繼提出了在此技術(shù)中使用太陽能代替高能耗不可再生能源的想法。

2.2 化學(xué)修復(fù)

2.2.1 固化／穩(wěn)定化技術(shù)

固化／穩(wěn)定化技術(shù)指通過向土壤中加入一些化學(xué)藥劑，從而改變污染土壤的性質(zhì)，使之成為不活潑的形態(tài)，或使之隔離在固化體中，從而使污染物在環(huán)境中穩(wěn)定下來，不再遷移擴散，減小其對周邊環(huán)境的影響。其中較為常用的固化／穩(wěn)定化試劑為水泥、石灰等無機試劑。

固化／穩(wěn)定化技術(shù)的優(yōu)勢有：修復(fù)時間短、操作簡單；藥劑較為普遍，設(shè)備簡單，經(jīng)濟投入小；穩(wěn)定化處理后的土壤形態(tài)變化不大，利于回收利用。其局限性有：需要向土壤中加入固化劑，會破壞土壤的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)；固化后的污染土壤存放不當(dāng)可能會導(dǎo)致二次污染；如今還缺乏實驗證明此技術(shù)能長期地穩(wěn)定污染體中有害物質(zhì)不再泄露。此技術(shù)適用于污染濃度較高、污染范圍較小的土壤。但由于此技術(shù)操作方便，經(jīng)濟效率高，所以在國內(nèi)應(yīng)用較為普遍。

2.2.2 淋洗技術(shù)

土壤淋洗技術(shù)指利用清水或化學(xué)溶劑等對土壤進行淋洗，淋洗過程中會發(fā)生過離子交換、沉淀、吸附和螯合等作用，把土壤中的重金屬元素轉(zhuǎn)移到淋洗液中，再對淋洗液進一步處理，從而將重金屬從土壤中去除。土壤淋洗技術(shù)可分為原位淋洗修復(fù)技術(shù)和異位淋洗修復(fù)技術(shù)。

淋洗技術(shù)的優(yōu)點主要有：工藝設(shè)備簡單，容易操作；淋洗能使土壤中大多數(shù)的重金屬溶出，修復(fù)效果好；淋洗反應(yīng)快，處理時間短，修復(fù)過程快。其缺點有：廢水需要進行二次處理，加大修復(fù)成本；原位淋洗會使土壤的理化性質(zhì)改變，導(dǎo)致一些礦物質(zhì)的流失，或者導(dǎo)致污染范圍擴大；異位淋洗修復(fù)技術(shù)，需要開挖，此技術(shù)適用于污染濃度高、范圍小的污染土壤。目前，原位淋洗修復(fù)技術(shù)在國外已有一些應(yīng)用，而我國在該技術(shù)的應(yīng)用中還處于初級階段。英國在倫敦成功使用異位淋洗修復(fù)技術(shù)處理了廢棄的垃圾場；美國新澤西州和馬薩諸塞州使用該技術(shù)處理了多種重金屬污染的土壤。

2.2.3 電動修復(fù)技術(shù)

電動修復(fù)技術(shù)指將電極插入受污染土壤，通過施加電流形成電場，使得在土壤內(nèi)有電性的污染物向不同的電極方向運動，從而將污染物富集至電極區(qū)進行集中處理或分離。

電動修復(fù)技術(shù)的優(yōu)點有：原位修復(fù)，操作簡單、經(jīng)濟效率高，投資費用少；可有效降低土壤中的重金屬，適合于低滲透性的土壤，對其環(huán)境有積極的改良作用；對環(huán)境破壞較小，應(yīng)用范圍廣。局限性有：修復(fù)過程需要有離子運動的條件，且污染土壤下方存在防滲層，否則會增大污染范圍；在修復(fù)過程中，兩極上會有一定的沉淀物產(chǎn)生，影響修復(fù)效果。此技術(shù)在國內(nèi)的研究比較少，尚未有應(yīng)用于修復(fù)的實例中，在國外有一些應(yīng)用。

2.2.4 玻璃化技術(shù)

玻璃化技術(shù)指將污染土壤在高溫下熔化，在熔融過程中有機物揮發(fā)或被分解，熔化物冷卻后形成堅硬的玻璃化物體，從而使重金屬固化，防止其遷移轉(zhuǎn)化。玻璃化技術(shù)可以分為原位處理技術(shù)和異位處理技術(shù)。

玻璃化技術(shù)的優(yōu)點有：快速、有效地去除土壤中的重金屬元素；污染物玻璃化后部分被去除，含量降低，穩(wěn)定性較好。但其有一定的局限性：只能針對于污染面積小的土地；能耗較大，工藝要求高，需要二次處理熔融物，成本較高。所以其應(yīng)用得不到推廣。

2.3 植物修復(fù)

2.3.1 植物提取

植物提取指通過植物根系對土壤中水分、營養(yǎng)物質(zhì)的吸收作用，將污染物吸收、富集在植物體內(nèi)，達到最大吸收量后，再對其進行收割，以此降低土壤中污染物的含量的方法。通過多次種植、收割植物，最終能達到將污染物從土壤中去除的效果。

此方法的優(yōu)點有：原位修復(fù)技術(shù)，方法簡單，操作容易；對周圍的環(huán)境影響小。但此技術(shù)相對不成熟，國內(nèi)外都處于進一步研究的狀況，所以還有較多的缺點需要進一步完善：需要研究、開發(fā)超富集植物，此種植物生長較慢，且生物量較?。恍迯?fù)所需周期長；需要二次處理，成本較高；由于植物根系的長度有限，只能應(yīng)用于修復(fù)淺層土壤；有導(dǎo)致土壤發(fā)生二次污染的可能。目前國外已有較多對于不同植物對重金屬吸收效果的研究，但是由于研究不完全，局限性較多，此技術(shù)投入到實際修復(fù)中的較少。

2.3.2 植物揮發(fā)

植物揮發(fā)是指植物通過自身的吸收作用、蒸騰作用將土壤中的重金屬從土壤中揮發(fā)出來，或吸收進入植物體內(nèi)后，通過葉子，隨著水分蒸發(fā)出來，從而減少重金屬在土壤中的含量。

目前，國內(nèi)外關(guān)于使用植物揮發(fā)進行土壤修復(fù)的研究較少，是因為此技術(shù)有較多的局限性：不好操作、實施困難；可能會污染大氣環(huán)境；且只能應(yīng)用于修復(fù)淺層土壤。

2.3.3 植物穩(wěn)定

植物穩(wěn)定是利用具有相當(dāng)程度重金屬耐性的植物，通過根系吸收、沉淀、絡(luò)合等過程將植物根系周圍的重金屬固定，從而降低重金屬在土壤中的含量，減小重金屬的遷移能力。

通過進一步的研究，該技術(shù)有望成為綠色修復(fù)技術(shù)，并將在未來應(yīng)用于工程實例中。

該技術(shù)的優(yōu)點有：能有效地將重金屬穩(wěn)定在植物根系及周圍，降低了重金屬的遷移、擴散能力；有較多的植物有此種性質(zhì)，具有有效性。該技術(shù)的局限性有：需要二次處理，投資成本較高；重金屬遷移轉(zhuǎn)化機理不確定，可能導(dǎo)致再次污染；只適用于修復(fù)淺層土壤。

2.3.4 植物過濾

植物過濾修復(fù)指利用植物根系的吸收作用，在一定的水環(huán)境介質(zhì)中，將流過植物根系的溶質(zhì)中重金屬吸附、固定在植物體中，從而達到凈化溶液的目的。此技術(shù)比較適用于有水環(huán)境的污染場地，且利用植物根系的過濾能力，能有效并且長久地對水環(huán)境中的污染物進行過濾?，F(xiàn)已經(jīng)運用于一些實驗研究中，并有一些生活中利用植物根系過濾水體的實例，適用于濃度較低、較為干凈的水體，此技術(shù)具有較大的應(yīng)用前景。

2.4 微生物修復(fù)

2.4.1 原位生物修復(fù)

原位微生物修復(fù)不需將污染土壤搬離現(xiàn)場，直接向污染土壤投放N、P等營養(yǎng)物質(zhì)和供氧，促進土壤中土著微生物或特異功能微生物的代謝活性，降解污染物。原位微生物修復(fù)技術(shù)主要有：生物通風(fēng)法、生物強化法、土地耕作法和化學(xué)活性柵修復(fù)法等。

2.4.2 異位生物修復(fù)

異位微生物修復(fù)是把污染土壤挖出，進行集中生物降解的方法。主要包括預(yù)制床發(fā)、堆制法及泥漿生物反應(yīng)器法等。

微生物修復(fù)的優(yōu)點有：原位修復(fù)，投資費用較少，對環(huán)境影響??；微生物能高效地分解、轉(zhuǎn)化污染物，造成二次污染的可能性小；可同時處理地下水及土壤，所受時間、空間上的局限小。但是也存在一定的局限性：受環(huán)境的限制，修復(fù)時間較長；特定的微生物一般只能對一定的污染物進行處理；異位修復(fù)時，只能適用于污染范圍小的場地。

2.5 動物修復(fù)

動物修復(fù)指利用土壤中的一些能對重金屬進行吸收的動物，如蚯蚓等，將它們引入到重金屬污染的土壤中，對土壤中的重金屬進行吸收、轉(zhuǎn)化，以去除重金屬或抑制其毒性。

此技術(shù)的優(yōu)點有：對于農(nóng)牧業(yè)造成的污染，其污染物正是土壤動物的食物，對農(nóng)業(yè)廢物可以高效、快速地處理；對周邊環(huán)境的影響小，不會造成二次污染；經(jīng)過處理的土地，可被再次利用，作為有機肥料使用。但也存在一些缺點：處理的污染類型、適用范圍、處理能力有限；缺乏理論和技術(shù)支持；引入外來物種會對的土壤環(huán)境有影響；在對污染場地修復(fù)時，可將動物、植物、微生物修復(fù)技術(shù)結(jié)合起來。

2.6 生物強化修復(fù)

目前，國內(nèi)外的學(xué)者致力于開發(fā)效率高、經(jīng)濟效益好、綠色環(huán)保的土壤修復(fù)技術(shù)，其中主要包括基因工程技術(shù)、微生物聯(lián)合植物修復(fù)技術(shù)及篩選培育優(yōu)良的超富集植物。

2.6.1 基因工程技術(shù)

基因工程技術(shù)可以改良生物的基因，從而加強生物對污染物的耐受性，加強生物對污染物的吸收和轉(zhuǎn)化作用，從而達到加強生物對污染環(huán)境的修復(fù)能力。國內(nèi)外對此技術(shù)都有一定的研究，其優(yōu)點主要是通過基因工程提高修復(fù)的效率，但其應(yīng)用推廣比較謹(jǐn)慎，因為一些基因改造后的生物投入環(huán)境中對環(huán)境的影響是一個不確定因素。

2.6.2 微生物聯(lián)合植物修復(fù)技術(shù)

微生物聯(lián)合植物修復(fù)指植物及根系周圍的細(xì)菌或者真菌有互利互惠的作用，使植物以及微生物對重金屬的降解作用增強，從而對重金屬污染的土壤進行修復(fù)。目前，此技術(shù)在實驗條件下已有許多研究，但應(yīng)用于野外環(huán)境的較少，因為室外的環(huán)境對微生物和植物的影響因素很多，比較難控制，仍需進一步研究。

此方法的優(yōu)點有：原位修復(fù)，且修復(fù)效率高；實驗的選擇可以保證植物、微生物的適應(yīng)力強。但是也有如下缺點：篩選、搭配生物的實驗耗時長，投資成本高。

2.6.3 篩選培育優(yōu)良的超富集植物

超富集植物指的是對土壤中金屬的吸收、富集量超過一般植物的植物，并且能將植物吸收的大多數(shù)污染物轉(zhuǎn)移到植物的上部。篩選和培育生物量大、適應(yīng)性強、富集能力強、易栽培且具經(jīng)濟效益的超富集植物將是國內(nèi)學(xué)者研究的重點。

超富集植物的優(yōu)點有：修復(fù)效率較高，對污染物有較好的穩(wěn)定、除去效果；原位修復(fù)，工程量小，費用較低；有一定的理論、實驗基礎(chǔ)。但是其仍存在一定的局限：修復(fù)時間較長；需要對植物進行二次處理，增加了投入費用；難以回收利用金屬，且無法處理深層的土壤。

3 結(jié)論與展望

近年來，人們對土壤污染的關(guān)注日益增多，國家對于環(huán)境污染問題也越來越重視，黨的十九大報告做出重大決策“我國經(jīng)濟已由高速增長階段轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展階段”，進一步明確了新時代我國經(jīng)濟發(fā)展的基本特征。中央對未來三年經(jīng)濟工作的部署，就是打好防控重大風(fēng)險、精準(zhǔn)脫貧、污染防治三大攻堅戰(zhàn)，實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展。

雖然我國對于土壤問題的研究起步較晚，對于污染的治理研究，應(yīng)發(fā)展物理、化學(xué)以及生物聯(lián)合修復(fù)的方法，加強修復(fù)的效率，并且能減少修復(fù)過程對環(huán)境的影響。通過分析我國的污染狀況以及上的治理方法，建議從以下幾個方面推進我國土壤重金屬污染治理：

（1）從污染源入手，減少污染物的排放，推廣無毒無害的工藝。

（2）對工業(yè)排放的污染物進行回收再利用。

（3）從污染途徑入手，完善法律，加強監(jiān)管，防止工廠出現(xiàn)偷排偷放的行為；對于潛在的污染源，對其進行移除、封閉處理。嚴(yán)格監(jiān)控管理農(nóng)業(yè)的施肥、灌溉，在保證經(jīng)濟效益的同時，也要保證食品安全，對環(huán)境的影響最小化。

（4）在各個地區(qū)建立相應(yīng)的檢查網(wǎng)絡(luò)，提高土壤檢測的效率，學(xué)習(xí)、合理借鑒國外先進的技術(shù)，根據(jù)國情完善我國的土壤修復(fù)方案。

（5）研究推廣高效的、綠色的土壤修復(fù)技術(shù)，對污染的土壤進行有效的處理，保證修復(fù)土壤的穩(wěn)定性、安全性。

（6）對消費風(fēng)向進行正確的引導(dǎo)，減少對環(huán)境污染嚴(yán)重的產(chǎn)品的購買，支持購買綠色環(huán)保型工藝的產(chǎn)品。