重金屬鎘污染土壤修復(fù)技術(shù)綜述與展望

文_曹晨昊 安慶師范大學(xué)

1 土壤鎘污染的來(lái)源

鎘污染的來(lái)源主要有工業(yè)廢氣、廢水以及農(nóng)藥化肥污染。如電鍍、油漆著色劑、塑料穩(wěn)定劑、光敏元件的制備等工業(yè)廢氣中存在一定量的鎘，它們會(huì)和粉塵一起隨風(fēng)擴(kuò)散到工廠周?chē)?，通過(guò)降雨或沉降進(jìn)入土壤。鍍鋅廠以及與塑料穩(wěn)定劑、染料及油漆等生產(chǎn)有關(guān)的工廠產(chǎn)生的工業(yè)污水中含有大量的鎘，這些廢水如不經(jīng)處理或者處理不達(dá)標(biāo)，廢水中的鎘就會(huì)隨著污灌進(jìn)入土壤。另外，長(zhǎng)期使用的含有鎘的農(nóng)藥化肥、塑料薄膜也是土壤鎘污染的重要來(lái)源。

2 鎘對(duì)生態(tài)的危害

土壤和水體中鎘的可溶部分，一般稱可溶態(tài)或可交換態(tài)，它能被植物吸收，且可通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體。

2.1 對(duì)植物的危害

當(dāng)鎘進(jìn)入植物并積累到一定程度，就會(huì)影響其生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量以及品質(zhì)。據(jù)研究，當(dāng)土壤中可溶態(tài)鎘為0.43mg/kg時(shí)，水稻減產(chǎn)10%；為8.10mg/kg時(shí)，水稻減產(chǎn)達(dá)25%；稻米鎘和土壤可溶態(tài)鎘的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.997,影響稻米的氨基酸及淀粉中的支鏈淀粉和直鏈淀粉比例改變，使其品質(zhì)變差。

2.2 對(duì)人體及動(dòng)物的危害

鎘是人類(lèi)和實(shí)驗(yàn)動(dòng)物肺癌的肯定致癌物，已被國(guó)際癌癥研究機(jī)構(gòu)歸類(lèi)為第一致癌物。

3 土壤中鎘的存在形態(tài)

土壤中的鎘多是以化合物的形式存在，以二價(jià)簡(jiǎn)單離子或簡(jiǎn)單配位離子存在土壤溶液中。鎘在旱地土壤中以CdCO3為主，在水淹土壤中則以CdS形式存在。不同母質(zhì)的土壤，其Cd的化學(xué)形態(tài)不同，大多數(shù)石灰性土壤中Cd的形態(tài)占主導(dǎo)地位的是碳酸鹽結(jié)合態(tài)的, 且碳酸鹽結(jié)合態(tài)＞殘?jiān)鼞B(tài)＞有機(jī)結(jié)合態(tài)＞交換態(tài)＞吸附態(tài)；紅壤、棕壤中占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的是可交換態(tài)，鐵錳氧化態(tài)和有機(jī)態(tài)含量很少,碳酸鹽態(tài)和殘留態(tài)含量居中。土壤中有機(jī)結(jié)合態(tài)的鎘較少。

研究表明，國(guó)外土壤中鎘的含量一般在0.01～0.2mg/kg,且多數(shù)存在于土壤表層，我國(guó)土壤中鎘的含量平均為0.163mg/kg。

4 鎘污染在土壤中熱質(zhì)遷移機(jī)制

鎘進(jìn)入土壤后，將會(huì)發(fā)生吸附、轉(zhuǎn)化、遷移等過(guò)程。土壤膠體表面吸附鎘離子主要通過(guò)專(zhuān)性吸附和電性吸附這2個(gè)途徑，在可變電荷土壤中又以專(zhuān)性吸附為主。對(duì)鎘離子的吸附主要受土壤的礦物特性、有機(jī)組成、土壤溶液的組成和pH等影響。有研究證明，土壤吸附鎘離子受到土壤溶液pH的強(qiáng)烈影響，一般來(lái)說(shuō)，pH升高會(huì)提高土壤對(duì)鎘的吸附量，反之則下降。采用不同的土壤礦物和土壤膠體，pH對(duì)鎘吸附的影響程度不一樣，且這種影響也會(huì)隨金屬的種類(lèi)和其本身的特性而異。陰離子通過(guò)與陽(yáng)離子形成離子對(duì)和以絡(luò)合物的形式影響陽(yáng)離子的吸附；一些有機(jī)酸陰離子可與鎘陽(yáng)離子形成穩(wěn)定絡(luò)合物，從而影響鎘離子在固—液相間的分布。

現(xiàn)有描述鎘土壤吸附—解吸的機(jī)理模型采用吸附等溫線法來(lái)研究，土壤中的背景鎘元素占據(jù)了一部分吸附點(diǎn)位，但結(jié)合強(qiáng)度不一致，當(dāng)外源重金屬鎘添加時(shí)，原來(lái)被吸附的重金屬鎘被解吸下來(lái)，被解吸的離子會(huì)與外源添加離子競(jìng)爭(zhēng)吸附點(diǎn)位，在土壤液相和固相之間進(jìn)行分配。鎘污染物遷移的主要形式是其在土壤中的擴(kuò)散和可溶性鎘污染物隨土壤水分的遷移。

5 土壤鎘污染的治理與修復(fù)措施

5.1 物理措施

傳統(tǒng)的鎘污染土壤修復(fù)方法主要有排土、客土和深耕翻土等物理方法，就是去表層土并向污染土壤中加入大量干凈的土壤，覆蓋在表層或混勻，使污染物濃度下降到臨界危害濃度以下，或減少污染物與根系的接觸，這種物理措施被認(rèn)為是改良土壤的根本措施。吳燕玉等在張士灌區(qū)調(diào)查土壤中鎘的含量發(fā)現(xiàn)，77%～86.6%土壤鎘積累在30cm以上的土層，去表層土可使稻米中鎘含量降低50%。但是這種方法耗費(fèi)大量資金、人力和物力，排出的污染土壤又很容易引起污染，而且土壤肥力會(huì)有所下降，目前國(guó)內(nèi)很少有工程實(shí)施的報(bào)道。

5.2 化學(xué)措施

化學(xué)措施有兩種策略，一是降低土壤鎘的溶解性，減少其生物毒性和在植物體內(nèi)的積累；二是利用酸性化學(xué)物質(zhì)或某些螯合劑增加土壤鎘的移動(dòng)性，通過(guò)灌溉或降水將表土層的鎘淋洗到底土層，使耕作土壤得到凈化。目前研究較多且在實(shí)際中得到應(yīng)用的是第一種策略，廣泛應(yīng)用的方法是向土壤添加改良劑、表面活性劑、金屬拮抗劑等，而磷酸鹽、石灰、硅酸鹽被認(rèn)為是處理土壤鎘污染的常用物質(zhì)。楊景輝研究表明，施用磷酸鹽類(lèi)物質(zhì)可使重金屬鎘形成難溶性的磷酸鹽。李明德等通過(guò)人工模擬污染、盆栽試驗(yàn)的方法，研究了海泡石對(duì)鎘污染土壤的改良效果，結(jié)果表明海泡石能顯著促進(jìn)空心菜的生長(zhǎng)，抑制空心菜對(duì)鎘的吸收，降低空心菜植株內(nèi)鎘的濃度，同時(shí)由于海泡石具有很大的表面積和較大的吸附量，可降低土壤鎘的有效性，海泡石可作為鎘污染土壤的改良劑。Gworek用膨潤(rùn)土合成沸石等硅鋁酸鹽作為添加劑鈍化土壤中重金屬鎘，顯著降低了受鎘污染土壤中鎘的作用濃度?；瘜W(xué)措施操作簡(jiǎn)便,但在比較嚴(yán)重的污染地區(qū)，則很難將作物可食部分的鎘含量降低到可以接受的水平。

5.3 生物措施

利用某些特定的動(dòng)植物和微生物可以較快地吸走或降解土壤中的污染物達(dá)到凈化土壤的目的。成杰民等研究表明，在鎘污染的土壤上，引進(jìn)蚯蚓顯著增加了黑麥草地上部的生物量，接種菌根不僅能促進(jìn)黑麥草對(duì)鎘的吸收，而且還能促進(jìn)鎘從植物根部向地上部轉(zhuǎn)移，由于接種蚯蚓可以提高菌根的侵染率，所以二者具有促進(jìn)鎘向地上部轉(zhuǎn)移的協(xié)同作用，這對(duì)于重金屬鎘污染土壤的生物修復(fù)具有十分重要的意義。蘇德純等認(rèn)為油菜溪口花籽有較強(qiáng)的耐鎘特性和吸收鎘的能力，是一種可用于修復(fù)鎘污染土壤的超積累種質(zhì)資源。劉云國(guó)等研究表明，月季花等花卉植物對(duì)重金屬鎘具有很強(qiáng)的富集作用，在試驗(yàn)觀測(cè)期間，植物平均每天吸收鎘1.7576mg/L，且生長(zhǎng)發(fā)育良好，也可以作為鎘污染生物整治的植物，而且不進(jìn)入食物鏈，不會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生危害。有試驗(yàn)表明，龍葵對(duì)鎘的富集特性符合鎘超積累植物的基本特征，是鎘污染土壤植物修復(fù)的一種新材料，在鎘污染環(huán)境的修復(fù)方面具有良好的應(yīng)用前景。

5.4 生態(tài)措施

生態(tài)措施是充分利用生物(植物）的抗逆基因，使生物最大限度地適應(yīng)污染環(huán)境，以降低環(huán)境對(duì)生物的脅迫作用，在協(xié)調(diào)生物與環(huán)境的相互關(guān)系中獲取符合需求的產(chǎn)品和生產(chǎn)效益。生態(tài)措施的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)污染土地的安全與高效的農(nóng)業(yè)利用。例如通過(guò)控制土壤水分狀況，使土壤作物有一個(gè)較為穩(wěn)定的滯水期，可以減少鎘進(jìn)入植物體內(nèi)的含量；使用有機(jī)肥，增加土壤有機(jī)質(zhì)有利于改良土壤結(jié)構(gòu)，可以促進(jìn)土壤中鎘形成硫化物；在鎘污染土壤區(qū)選擇種植耐鎘污染的作物，以降低鎘污染的危害，或改變耕作制度，在重度鎘污染區(qū)種植非食用植物；而在治理比較困難的情況下，改變土地的使用類(lèi)型，將其改為建筑用地，綠化用地等非農(nóng)用地。

5.5 電動(dòng)修復(fù)

電動(dòng)修復(fù)是一個(gè)多學(xué)科的研究領(lǐng)域，原理是通過(guò)向污染土壤的兩側(cè)施加直流電壓，使得土壤中的孔隙水和污染物帶電，土壤中的帶電污染物在電場(chǎng)的作用下向電極兩端聚集。該技術(shù)已用于鎘污染土壤的修復(fù)。Apostlols G等探討了添加十二烷基硫酸鈉和天然表面活性劑腐殖酸對(duì)電動(dòng)修復(fù)土壤中鎘污染的影響。結(jié)果表明，2種物質(zhì)可以促進(jìn)修復(fù)過(guò)程中鎘的去除。該技術(shù)具有采用化學(xué)試劑少、能耗低、修復(fù)完善等優(yōu)點(diǎn)，是具有良好發(fā)展前景的綠色修復(fù)技術(shù)。但是該技術(shù)受影響的因素較多，例如電極材料和結(jié)構(gòu)、土壤的類(lèi)型、電流的大小等，會(huì)在一定程度上影響修復(fù)的效果。

6 結(jié)語(yǔ)

土壤鎘污染的治理修復(fù)是當(dāng)前環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)之一。國(guó)內(nèi)外雖研發(fā)出多種鎘污染修復(fù)措施，也取得一些進(jìn)展，但這些修復(fù)措施在應(yīng)用中仍存在一定的局限性。

首先，應(yīng)嚴(yán)格控制污染源，預(yù)防或減少帶來(lái)鎘污染的工業(yè)生產(chǎn)，禁用污水灌溉，減少農(nóng)田使用污泥等固體垃圾，控制和降低磷肥中的鎘含量。其次，應(yīng)采取合理有效的措施進(jìn)行治理，減少土壤鎘污染給人類(lèi)健康帶來(lái)的危害。生物修復(fù)土壤鎘污染一直以來(lái)被認(rèn)為是最具有應(yīng)用前景的修復(fù)措施。迄今為止，已發(fā)現(xiàn)的超富集植物種類(lèi)不少，尋找生物量大且富集量高的鎘超富集植物應(yīng)是努力的方向，實(shí)際應(yīng)用中則還應(yīng)考慮各種植物的搭配，植物修復(fù)局限性的克服，有關(guān)土壤及微生物資料的收集等。另外，可在土壤鎘污染地區(qū)選種一些抗鎘污染強(qiáng)的作物，以降低含鎘農(nóng)作物進(jìn)入食物鏈從而避免對(duì)人類(lèi)造成的危害，同時(shí)還可以篩選出在可食用部分累積污染物少的品種，以用于進(jìn)一步選育抗鎘污染的新品種。