重金屬污染農(nóng)田土壤的穩(wěn)定化修復(fù)技術(shù)及其修復(fù)實(shí)踐研究

黃 迪，黃志紅，孔 輝，易 浩，龍 翔，楊燕群，肖惠寧

（1圣清環(huán)保股份有限公司，昆明650100；2南京林業(yè)大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院，南京210037）

0 引言

根據(jù)2014年發(fā)布的《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》[1]，中國(guó)全國(guó)土壤點(diǎn)位超標(biāo)率為16.1%，耕地土壤點(diǎn)位超標(biāo)率為19.4%；全部超標(biāo)點(diǎn)位中的82.8%屬無機(jī)污染物超標(biāo)，重金屬如Cd、Pb、As、Hg、Cr、Cu、Zn、Ni污染是其污染的主要類型。中國(guó)土壤污染總體形勢(shì)不容樂觀，部分地區(qū)污染嚴(yán)重，農(nóng)田土壤污染形勢(shì)嚴(yán)峻[2]。中國(guó)農(nóng)田土壤重金屬污染呈現(xiàn)區(qū)域性污染嚴(yán)重的特點(diǎn)，以西南（云南、貴州等地）、華中、長(zhǎng)江三角洲及珠江三角洲等地的污染尤為嚴(yán)重[3-4]。農(nóng)田土壤重金屬污染直接影響到農(nóng)產(chǎn)品、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)及人居環(huán)境的健康安全，農(nóng)田土壤重金屬污染受到廣泛關(guān)注[5-7]。

目前對(duì)農(nóng)田土壤重金屬污染修復(fù)的報(bào)道多是實(shí)驗(yàn)規(guī)模關(guān)于修復(fù)技術(shù)、修復(fù)藥劑等內(nèi)容的研究，相關(guān)修復(fù)技術(shù)、修復(fù)藥劑的大田修復(fù)實(shí)踐較為缺乏[8]。筆者通過對(duì)已實(shí)施的云南省某農(nóng)田土壤重金屬污染修復(fù)工程進(jìn)行報(bào)道，介紹其項(xiàng)目概況、修復(fù)工藝選擇、藥劑篩選、工程實(shí)施等內(nèi)容，研究重金屬污染農(nóng)田土壤的穩(wěn)定化修復(fù)技術(shù)，為重金屬污染農(nóng)田土壤的安全利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 項(xiàng)目概況

項(xiàng)目所在地會(huì)澤縣是中國(guó)重要的有色金屬礦區(qū)之一，已探明的鉛鋅礦儲(chǔ)量約152.8萬t，區(qū)域內(nèi)共有30余家冶煉企業(yè)。由于礦產(chǎn)開采、冶煉加工導(dǎo)致地表水、地下水受到嚴(yán)重的重金屬污染，而長(zhǎng)期污水灌溉農(nóng)田導(dǎo)致重金屬在土壤內(nèi)積累，造成土壤的Cd、Pb、Zn等多種重金屬污染。該區(qū)域已被列為全國(guó)138個(gè)重金屬污染重點(diǎn)防控區(qū)。

項(xiàng)目區(qū)土壤類型為紅壤，主要農(nóng)作物為玉米，采用重金屬穩(wěn)定化技術(shù)修復(fù)的面積為40.50 hm2，工期為2018年2月—2019年12月。

1.1 土壤及作物污染情況

1.1.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè) 項(xiàng)目土壤采樣點(diǎn)位布設(shè)參照《土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 166—2004)要求，在水平方向（表層土，0～20 cm）按0.33 hm2/樣品采用梅花布點(diǎn)進(jìn)行取樣檢測(cè)，共取122個(gè)土樣檢測(cè)；在垂直方向（土壤剖面）按2.67 hm2/樣品采用梅花布點(diǎn)分別對(duì)0～20、20～60、60～100 cm土層取樣檢測(cè)，每層取15個(gè)土樣檢測(cè)；玉米采樣點(diǎn)位與表層土采樣點(diǎn)位一致。

1.1.2 污染情況 土壤污染為Cd、Pb、Zn重度污染，Cd污染尤為嚴(yán)重，詳見表1；土壤剖面隨深度增加污染程度有所降低，詳見表2；由于土壤污染導(dǎo)致玉米籽粒重金屬超標(biāo)，詳見表3。

表1 水平方向（土壤表面）土壤污染情況表

表2 垂直方向土壤污染情況表（平均值）

表3 玉米籽粒污染情況表

1.2 修復(fù)目標(biāo)確定

按照“安全利用—修復(fù)治理”相結(jié)合的原則，項(xiàng)目實(shí)施是為實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目區(qū)農(nóng)產(chǎn)品（玉米）的達(dá)標(biāo)生產(chǎn)，并為西南地區(qū)同類型土壤修復(fù)提供經(jīng)濟(jì)高效、環(huán)境友好的實(shí)用技術(shù)示范參考，根據(jù)項(xiàng)目區(qū)的污染程度、污染特點(diǎn)，將其劃分為A(6.67 hm2)、B(33.83 hm2)2個(gè)修復(fù)區(qū)域，具體修復(fù)目標(biāo)為：

（1）A區(qū)，耕作層土壤中Cd、Pb、Zn重金屬有效態(tài)含量均降低40%以上、總量均降低30%以上。

（2）B區(qū)，耕作層土壤中Cd、Pb、Zn重金屬有效態(tài)含量均降低40%以上。

（3）實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目區(qū)農(nóng)田土壤的安全利用，即所種植玉米可食部分Cd、Pb、Zn含量95%以上符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[17]，且不減產(chǎn)。

2 修復(fù)工藝確定

2.1 修復(fù)技術(shù)選擇

農(nóng)田土壤重金屬污染的修復(fù)可從降低重金屬總量、降低重金屬有效態(tài)以使得重金屬在土壤中遷移性與生物可利用性降低、改變種植制度等方面著手[19]。其修復(fù)技術(shù)包括物理修復(fù)技術(shù)、化學(xué)修復(fù)技術(shù)、生物修復(fù)技術(shù)、農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)技術(shù)、聯(lián)合修復(fù)技術(shù)等，修復(fù)技術(shù)的選擇應(yīng)根據(jù)污染物種類、污染程度、氣候特點(diǎn)、土地利用方式、修復(fù)經(jīng)費(fèi)、修復(fù)周期等因素并結(jié)合技術(shù)特點(diǎn)確定。表4對(duì)當(dāng)前主要修復(fù)技術(shù)進(jìn)行對(duì)比，由于穩(wěn)定化修復(fù)技術(shù)作為常用的修復(fù)技術(shù)具有技術(shù)成熟、成本低、見效快、效果好等優(yōu)點(diǎn)[20-23]，結(jié)合本項(xiàng)目修復(fù)面積、項(xiàng)目地經(jīng)濟(jì)水平及所選技術(shù)后續(xù)在類似土壤環(huán)境中的推廣應(yīng)用，本項(xiàng)目以穩(wěn)定化修復(fù)技術(shù)降低重金屬有效態(tài)為基礎(chǔ)，聯(lián)合采用深耕翻土技術(shù)降低耕作層土壤中重金屬總量、選育低累積玉米的植物修復(fù)技術(shù)及農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品安全生產(chǎn)，分別對(duì)A區(qū)6.67 hm2采用重金屬穩(wěn)定化+深耕翻土+生土熟化+低累積玉米種植技術(shù)、對(duì)B區(qū)33.83 hm2采用重金屬穩(wěn)定化+低累積玉米種植技術(shù)。

表4 重金屬污染農(nóng)田土壤修復(fù)技術(shù)應(yīng)用及優(yōu)缺點(diǎn)[24-30]

2.2 修復(fù)技術(shù)路線

根據(jù)選定的修復(fù)技術(shù)方案，修復(fù)技術(shù)路線包括修復(fù)前對(duì)項(xiàng)目區(qū)污染情況的復(fù)測(cè)及邊界的界定；穩(wěn)定化藥劑種類及施用工藝參數(shù)的小試、中試實(shí)驗(yàn)研究，低累積玉米品種篩選小區(qū)實(shí)驗(yàn)研究；對(duì)A區(qū)域耕作層翻耕破碎并施撒穩(wěn)定化藥劑后養(yǎng)護(hù)、深翻混勻、耕作層施撒生土熟化劑及有機(jī)肥，對(duì)B區(qū)域耕作層翻耕破碎并施撒穩(wěn)定化藥劑后養(yǎng)護(hù)；分別在A、B區(qū)域種植玉米；最后對(duì)土壤、農(nóng)產(chǎn)品取樣檢測(cè)評(píng)價(jià)修復(fù)效果。修復(fù)技術(shù)路線詳見圖1。

圖1 修復(fù)技術(shù)路線

2.3 修復(fù)藥劑篩選

2.3.1 穩(wěn)定化藥劑篩選小試實(shí)驗(yàn) 穩(wěn)定化修復(fù)技術(shù)是向污染土壤中加入穩(wěn)定化藥劑，通過與重金屬發(fā)生吸附、沉淀（共沉淀）、絡(luò)合等作用降低重金屬在土壤中的遷移性和生物有效性。根據(jù)土壤理化性質(zhì)、污染元素特征、污染程度、種植作物等因素選擇合適的穩(wěn)定化藥劑是穩(wěn)定化技術(shù)的關(guān)鍵。表5列出了對(duì)Cd、Pb、Zn有穩(wěn)定化作用的主要藥劑，項(xiàng)目選取了生物碳、鐵改性生物炭、鐵改性纖維素、活性炭、堿性鈣渣、石灰、粉煤灰、海泡石、沸石、高嶺土、磷酸二氫鈣、磷礦粉、有機(jī)硅肥、純羊糞有機(jī)肥共14種穩(wěn)定化藥劑開展試驗(yàn)，每種藥劑按試驗(yàn)土壤質(zhì)量比設(shè)置0.10%、0.25%、0.50%的藥劑投加梯度，通過比較分析不同藥劑類型及投加比對(duì)土壤中重金屬Cd、Pb、Zn的穩(wěn)定化效果，優(yōu)選出鐵改性纖維素、堿性鈣渣、生物碳、海泡石、石灰5種穩(wěn)定化藥劑開展中試篩選試驗(yàn)。

表5 主要修復(fù)藥劑

2.3.2 穩(wěn)定化藥劑篩選中試試驗(yàn) 對(duì)優(yōu)選出的5種穩(wěn)定化藥劑，在項(xiàng)目區(qū)選定1.067 hm2土壤重金屬污染情況基本一致的試驗(yàn)區(qū)域，分別按照3750、7500、15000 kg/hm2的投加量開展中試試驗(yàn)，最終優(yōu)選出鐵改性纖維素、堿性鈣渣、海泡石作為工程實(shí)施的穩(wěn)定化藥劑。圖2為穩(wěn)定化藥劑施用量為7500 kg/hm2時(shí)對(duì)重金屬的穩(wěn)定化效果。

圖2 穩(wěn)定化藥劑篩選中試試驗(yàn)效果圖

2.4 低累積玉米品種篩選小區(qū)試驗(yàn)

項(xiàng)目區(qū)主要農(nóng)作物為玉米，低累積玉米品種篩選在于篩選出適宜項(xiàng)目區(qū)土壤種植且不易吸收土壤中重金屬的玉米品種，配合穩(wěn)定化修復(fù)技術(shù)，種植出符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的玉米，實(shí)現(xiàn)對(duì)重金屬污染農(nóng)田土壤的安全利用。在項(xiàng)目區(qū)選定1.13 hm2土壤重金屬污染情況基本一致試驗(yàn)區(qū)域，對(duì)‘宣會(huì)7號(hào)’、‘宣禾玉1號(hào)’、‘地沃2號(hào)’、‘先玉696’、‘宣會(huì)6號(hào)’、‘勝玉6號(hào)’、‘秋碩玉8號(hào)’、‘西抗18’、‘慧玉6511’、‘會(huì)單888’、‘云黃3號(hào)’、‘玉都95’、‘保玉7號(hào)’、‘大天1號(hào)’、‘金玉2號(hào)’、‘新昭6號(hào)’、‘羅單566’共17個(gè)玉米品種開展篩選試驗(yàn)，根據(jù)不同品種玉米籽粒重金屬含量，結(jié)合各品種玉米產(chǎn)量、耐澇、抗旱能力等因素，最終優(yōu)選出‘宣會(huì)7號(hào)’、‘地沃2號(hào)’、‘羅單566’共3個(gè)玉米品種用于工程實(shí)施。

3 工程實(shí)施

3.1 土壤重金屬穩(wěn)定化

3.1.1 土壤翻耕 根據(jù)項(xiàng)目修復(fù)目標(biāo)對(duì)項(xiàng)目地進(jìn)行復(fù)測(cè)及修復(fù)邊界劃分后，對(duì)A、B區(qū)域各地塊進(jìn)行清除雜草，破碎翻耕，平整等預(yù)處理。土壤翻耕作業(yè)采用3臺(tái)旋耕機(jī)翻耕破碎3遍，保證土壤破碎完全，翻耕深度約20 cm。

3.1.2 穩(wěn)定化藥劑施撒及混勻 對(duì)A區(qū)域施撒穩(wěn)定化藥劑，用旋耕機(jī)將耕作層土壤與藥劑混勻；再對(duì)土壤進(jìn)行深翻混勻，深翻深度約80 cm；最后在耕作層土壤施撒生土熟化劑和有機(jī)肥，對(duì)深翻上來的生土進(jìn)行熟化，生土熟化劑主要成分為泥炭、微生物菌劑、營(yíng)養(yǎng)啟動(dòng)劑、濕潤(rùn)劑等，有機(jī)肥為純羊糞有機(jī)肥。

對(duì)B區(qū)域施撒固化穩(wěn)定化藥劑，用旋耕機(jī)將耕作層土壤與藥劑混勻。

3.1.3 穩(wěn)定化藥劑養(yǎng)護(hù) 施撒穩(wěn)定化藥劑并混勻后，需進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為5～7天，養(yǎng)護(hù)期間采取灑水、覆膜等措施保持土壤含水率約30%，使藥劑與污染土壤充分反應(yīng)。

3.2 玉米種植及管理

將篩選得到的玉米品種在項(xiàng)目地最佳種植節(jié)令種植。玉米種植步驟為打塘、施肥、插籽、覆膜等。玉米種植后的田間管理包括間苗（補(bǔ)苗）、中耕追肥、除草、病蟲害防治等。

3.3 二次污染防治

項(xiàng)目的二次污染防治主要包括：（1）施工前，對(duì)擬投入使用的穩(wěn)定化藥劑進(jìn)行嚴(yán)格檢測(cè)，防止通過藥劑引入重金屬污染；（2）施工中，對(duì)產(chǎn)生的揚(yáng)塵污染進(jìn)行灑水降塵，施工機(jī)械、運(yùn)輸車輛出場(chǎng)之前，經(jīng)過草墊簾或淺水坑清洗輪胎，避免攜帶污染物出場(chǎng)；（3）施工后，對(duì)種植的玉米嚴(yán)格管理，達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的合理利用，未達(dá)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的超標(biāo)作物及農(nóng)田廢棄物進(jìn)行安全處置。

3.4 修復(fù)效果評(píng)價(jià)

3.4.1 評(píng)價(jià)方法 由第三方監(jiān)測(cè)單位對(duì)修復(fù)前、后的樣品進(jìn)行取樣檢測(cè)，對(duì)于土壤重金屬總量、有效態(tài)效果評(píng)價(jià)采用各污染區(qū)整體求平均值的方法，對(duì)于玉米效果評(píng)價(jià)采用所取樣中的樣品95%達(dá)標(biāo)。

3.4.2 修復(fù)效果 經(jīng)修復(fù)，A、B區(qū)耕作層土壤中Cd、Pb、Zn重金屬有效態(tài)含量均降低40%以上，A區(qū)耕作層土壤中Cd、Pb、Zn重金屬總量均降低30%以上，A、B區(qū)所種植玉米可食部分Cd、Pb、Zn含量95%以上達(dá)標(biāo)且均有增產(chǎn)，詳見圖3。修復(fù)效果達(dá)到既定目標(biāo)。

圖3 項(xiàng)目修復(fù)效果

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié)論

通過項(xiàng)目的實(shí)施，主要有如下結(jié)論。

（1）采取控源—減量—降活—低吸—農(nóng)產(chǎn)品安全達(dá)標(biāo)生產(chǎn)的修復(fù)模式，通過小試—中試—工程實(shí)施系統(tǒng)的工藝研究、技術(shù)應(yīng)用，保證了修復(fù)效果并降低了修復(fù)成本，實(shí)現(xiàn)了污染農(nóng)田土壤的安全利用。

（2）應(yīng)用重金屬Cd、Pb、Zn復(fù)合污染土壤分類治理技術(shù)（穩(wěn)定化和深耕翻土），集成物理—化學(xué)—生物—農(nóng)業(yè)生態(tài)聯(lián)合修復(fù)技術(shù)，構(gòu)建具有針對(duì)性的穩(wěn)定化—植物—農(nóng)藝調(diào)控的聯(lián)合修復(fù)技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)了重金屬污染農(nóng)田土壤修復(fù)、生態(tài)建設(shè)、經(jīng)濟(jì)效益的有機(jī)結(jié)合。

（3）根據(jù)土壤污染類別、污染程度、修復(fù)目標(biāo)等因素篩選出的修復(fù)技術(shù)、穩(wěn)定化藥劑、低累積玉米品種，在西南地區(qū)類似農(nóng)田土壤環(huán)境條件下具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值，建立了中國(guó)西南地區(qū)農(nóng)田土壤重金屬Cd、Pb、Zn復(fù)合污染修復(fù)治理示范基地。

4.2 展望

農(nóng)田土壤安全與人類健康息息相關(guān)，近年來重金屬污染農(nóng)田土壤的治理修復(fù)越發(fā)受到社會(huì)各界關(guān)注，其研究已經(jīng)越來越得到國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界的關(guān)注[8]，但有以下問題待解決：

（1）完善相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范?！锻寥拉h(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》(GB 15618—2018)是中國(guó)當(dāng)前唯一的農(nóng)田土壤修復(fù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)只給出土壤重金屬總量的篩選值和管制值，未涉及用于評(píng)價(jià)穩(wěn)定化修復(fù)效果的基于土壤關(guān)鍵參數(shù)的重金屬有效態(tài)含量指標(biāo)及評(píng)價(jià)方法；沒有確定農(nóng)田土壤修復(fù)目標(biāo)值的方法和標(biāo)準(zhǔn)，工程上采用有效態(tài)含量降低10%～50%的評(píng)價(jià)指標(biāo)過于寬泛，忽視了實(shí)際修復(fù)效果及對(duì)農(nóng)作物的影響。

（2）豐富投資機(jī)制，拓寬資金來源。目前中國(guó)農(nóng)田土壤修復(fù)資金主要來源于國(guó)家財(cái)政，每年撥付的專項(xiàng)資金主要用于試點(diǎn)、示范工程的建設(shè)，不足以支持全國(guó)性的污染農(nóng)田土壤治理修復(fù)。因此在農(nóng)田土壤修復(fù)的投融資機(jī)制上應(yīng)進(jìn)行積極探索，如鼓勵(lì)綠色信貸、建立地方政府修復(fù)基金、積極引入民間資本等。

（3）加強(qiáng)技術(shù)和裝備研發(fā)。當(dāng)前農(nóng)田土壤（尤其是旱地）污染修復(fù)技術(shù)大多處于試驗(yàn)及試點(diǎn)階段，大田修復(fù)實(shí)踐缺乏；常用的穩(wěn)定化修復(fù)技術(shù)配合植物修復(fù)技術(shù)、農(nóng)藝調(diào)控措施雖能達(dá)到農(nóng)田的安全生產(chǎn)，但存在持續(xù)施藥、未根本改善土壤環(huán)境等問題，該技術(shù)未取得突破性進(jìn)展；大田修復(fù)中與修復(fù)技術(shù)相配套的專業(yè)裝備缺乏，如施藥裝備、專業(yè)的土壤深翻裝備等，裝備的缺失進(jìn)一步阻礙了相關(guān)修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展。