土壤重金屬污染修復(fù)技術(shù)及展望

丁禺喬 柳曉光

（中國煤炭地質(zhì)總局地球物理勘探研究院 河北保定 072750）

引言

伴隨著我國飛速發(fā)展的農(nóng)業(yè)工業(yè)水平，環(huán)境污染與生態(tài)破壞現(xiàn)象難以避免，產(chǎn)生的不良影響已危害到身體健康。以土壤污染為例，各種污染物伴隨著地表徑流以及地下水遷移，導(dǎo)致污染范圍不斷擴(kuò)大，與此同時(shí)土壤污染所造成的環(huán)境影響又有一定的滯后性，往往通過耕地農(nóng)作物，在食物鏈富集，最終影響到人類。據(jù)調(diào)查我國直接由重金屬導(dǎo)致的農(nóng)用耕地污染面積近超過2000 萬平方公里[1]。相比于自然活動，例如地殼運(yùn)動，人為活動所造成的土壤污染較為嚴(yán)重，上世紀(jì)中期，伴隨著化學(xué)農(nóng)藥以及無機(jī)化肥的生產(chǎn)使用，不計(jì)后果的使用有農(nóng)藥化肥對土壤產(chǎn)生了一系列不可逆的危害。以土壤重金屬污染為例，工業(yè)生產(chǎn)是其主要來源，過于快速的發(fā)展，使得工業(yè)生產(chǎn)與環(huán)境問題嚴(yán)重失衡，過快的經(jīng)濟(jì)發(fā)展掩蓋了環(huán)境污染問題，部分工業(yè)廢水未經(jīng)處理沉入地下水進(jìn)而遷移，剩余廢水匯入地表徑流，污染農(nóng)田灌溉用水，進(jìn)而危害人類生活。農(nóng)作物生長受土壤肥力以及土壤成分的影響，長期的土壤重金屬污染會導(dǎo)致土壤肥力逐漸下降，另外，重金屬可能直接影響農(nóng)作物種子發(fā)芽、生根，從而直接或間接導(dǎo)致作物減產(chǎn)，引發(fā)糧食問題。

1 土壤重金屬污染來源及危害

我國土壤重金屬污染地區(qū)主要分布在工業(yè)核心區(qū)域，包括長江經(jīng)濟(jì)區(qū)、珠江經(jīng)濟(jì)區(qū)，總體來看，南方污染情況較北方嚴(yán)重。重金屬來源主要分為兩方面：人為因素和自然因素。自然因素較人為因素產(chǎn)生的影響較輕，伴隨地殼運(yùn)動，地質(zhì)發(fā)生變化，礦物風(fēng)化，地表徑流以及大氣遷移產(chǎn)生，此類因素產(chǎn)生影響較小。人為因素是土壤重金屬污染的主要來源，近現(xiàn)代我國工礦業(yè)發(fā)展迅速，各類礦石、煤炭原材料開發(fā)量巨大，廢棄尾渣露天無序堆放，經(jīng)過雨水沉降作用進(jìn)入地表徑流；研究表明在礦場、鋼制廠、火力發(fā)電廠及重工業(yè)區(qū)周邊的土壤重金屬檢測值明顯高于非工業(yè)區(qū)域。重金屬元素大多為人體非必須元素且多數(shù)為有害元素，人類長期食用重金超標(biāo)食物，或是飲用超標(biāo)飲用水，均會損害人體健康。

2 土壤重金屬污染修復(fù)技術(shù)

上世紀(jì)以來，土壤重金屬污染治理始終作為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[2]。但其最有效的治理方法為源頭防控，而對于已造成的土壤污染問題，優(yōu)先選擇綠色修復(fù)技術(shù)，而目前主要的土壤重金屬修復(fù)技術(shù)有以下三種方法：物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)、生物修復(fù)。

2.1 土壤重金屬污染物理修復(fù)技術(shù)

重金屬污染物理修復(fù)技術(shù)是指根據(jù)重金屬的物理特性，將重金屬與土壤完全分離[3]。淋洗是目前應(yīng)用最為廣泛的物理修復(fù)技術(shù)，根據(jù)不同重金屬種類，選擇相應(yīng)淋洗劑，使重金屬溶解其中，但淋洗劑處理是與之俱來的二次污染，而且處理過程中，土壤質(zhì)地、污染物形態(tài)、淋洗劑選擇均能影響修復(fù)效率。該方法適用大面積且土壤污染程度高的土壤背景。對于小面積淺層污染土壤，客土、換土法更為適用，客土法是指將純凈土壤摻入污染土壤，通過降低重金屬在整體土壤中的濃度，進(jìn)而降低脅迫值；換土法則是將污染土壤全部轉(zhuǎn)移，如土壤污染面積較大，污染較深，利用客土、換土法需要較大的經(jīng)濟(jì)投入，且會嚴(yán)重破壞當(dāng)?shù)赝寥佬再|(zhì)，改變原有生態(tài)系統(tǒng)。熱解吸法是利用土壤中重金屬的汽化點(diǎn)，通過外加熱源，例如土壤中重金屬Hg，人體吸收Hg 元素會影響骨骼發(fā)育，肝臟、腎臟代謝，通過加熱土壤使Hg 汽化，外加裝置收集Hg 蒸汽，達(dá)到去除重金屬的目的，熱解吸法可作為小范圍原位修復(fù)的主要處理手段。

2.2 重金屬污染化學(xué)修復(fù)技術(shù)

化學(xué)修復(fù)技術(shù)是指通過化學(xué)反應(yīng)，向土壤中混入化學(xué)添加劑，從而去除土壤重金屬或是降低土壤重金屬含量[4]。固化/穩(wěn)定化技術(shù)是目前應(yīng)用較廣的化學(xué)修復(fù)技術(shù)，該技術(shù)利用向土壤中添加固定劑或穩(wěn)定劑的方法，固定劑可將土壤中重金屬固定為穩(wěn)定形態(tài)，使其不會向周邊環(huán)境擴(kuò)散，并不會被植物所吸收，而穩(wěn)定劑的作用可以有效降低土壤中重金屬有效態(tài)含量。固化/穩(wěn)定化后土壤中的重金屬不會遷移，避免重金屬通過食物鏈影響人類活動。但固化/穩(wěn)定劑可能會隨著時(shí)間推移或土壤性質(zhì)改變而失效，重金屬重新暴露于土壤中，再次造成污染。該技術(shù)關(guān)鍵在于如何擇優(yōu)選取固定穩(wěn)定劑，要求化學(xué)材料本身不會對土壤、耕地作物造成危害，并化學(xué)藥劑成本低，易獲取，狀態(tài)穩(wěn)定。工程上一般采用工業(yè)副產(chǎn)物，如石灰、硅酸鹽副產(chǎn)物等作為化學(xué)藥劑，成本較低，但重金屬雖然改變形態(tài)，但未真正脫離土壤，后續(xù)需長時(shí)間跟蹤監(jiān)測土壤。

2.3 電化學(xué)修復(fù)技術(shù)

電化學(xué)修復(fù)技術(shù)是指利用電化學(xué)電解原理，在土壤中插入外加電極，外加電極在土壤中可形成電場，由于土壤中金屬陽離子會在外加直流電場的作用下產(chǎn)生規(guī)律性遷移，最終富集在電極附近[6]。該種修復(fù)技術(shù)需要土壤中重金屬存于導(dǎo)電介質(zhì)中，且土壤性質(zhì)良好，對于大面積且土壤性質(zhì)較差的環(huán)境并不適用，目前該方法大多停留于小型實(shí)驗(yàn)階段，可作為今后研究熱點(diǎn)。

2.4 重金屬污染生物修復(fù)技術(shù)

生物修復(fù)技術(shù)作為一種環(huán)境友好型修復(fù)技術(shù)，是指通過生物的正常代謝，吸收或是改變重金屬在土壤中的存在形態(tài)，從而降低土壤中重金屬的含量。生物修復(fù)作為一種原位修復(fù)技術(shù)具有投入少、修復(fù)效果好、無二次污染、環(huán)境友好的特點(diǎn)，但生物修復(fù)易受到外界環(huán)境的影響，如溫度、pH、光照等。生物修復(fù)的多樣性一直是目前研究的熱點(diǎn)。動物作為土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，由于其生命活動所需環(huán)境苛刻，不適于作為修復(fù)載體，因此生物修復(fù)技術(shù)主要是指植物修復(fù)以及微生物修復(fù)技術(shù)。

（1）植物修復(fù)技術(shù)。植物修復(fù)技術(shù)是指在植物正常生長代謝過程中，利用植物本身的呼吸，光合作用，或是細(xì)胞代謝，吸收、固化重金屬。研究表明，一些特殊植物可明顯改善土壤重金屬污染狀況，積累、轉(zhuǎn)運(yùn)重金屬到地上部分，稱為超富集植物，超富集植物不同于一般植物，在重金屬含量超標(biāo)的土壤中仍可正常生長，不同植物去除重金屬原理不同，一些植物通過根部吸收作用，并在植物體內(nèi)轉(zhuǎn)移，達(dá)到地下吸收，地上富集的效果，再刈收植物地上部分從而達(dá)到去除重金屬的目的。一些植物通過根部固定作用，將重金屬吸附或固定于根部，使得土壤中重金屬含量下降，此類植物修復(fù)技術(shù)并類似于固化穩(wěn)定技術(shù)，只是阻止重金屬在水環(huán)境內(nèi)的遷移以及食物鏈中富集，并非真正去除重金屬污染物。

（2）微生物修復(fù)技術(shù)。土壤微生物代謝為土壤提供大量有機(jī)質(zhì)，而在代謝過程中，特殊微生物會將土壤中重金屬氧化還原、吸收、固化，使土壤中重金屬含量降低，降低土壤污染風(fēng)險(xiǎn)[6]。有些微生物通過細(xì)胞壁的吸附作用，可大面積吸附金屬陽離子，有些通過生物代謝，產(chǎn)生生物酶，溶解吸收重金屬。不同微生物對于重金屬的耐受力不同，修復(fù)產(chǎn)物也不盡相同，部分微生物修復(fù)效果明顯，并且修復(fù)產(chǎn)物能提高土壤肥力。與植物修復(fù)相同，微生物修復(fù)技術(shù)基于生物正常代謝活動，一旦代謝過程受到影響，修復(fù)效果也會產(chǎn)生差異，故微生物修復(fù)技術(shù)也要保持較好的生物生長環(huán)境。目前該種方法已廣泛應(yīng)用于各類污染物處理技術(shù)中，尋找耐受力強(qiáng)、適用范圍廣的微生物類型依舊是研究熱點(diǎn)。

（3）植物-微生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)。研究發(fā)現(xiàn)一些特定的微生物可以明顯提高植物對于土壤中重金屬污染物的去除效率，原因在于，一些根系微生物可以促進(jìn)植物生長，另外微生物本身也可以改變土壤中重金屬的形態(tài)，從而影響植物對于重金屬的吸收。研究表明[7]，巨大芽孢桿菌能夠降解土壤中的有機(jī)磷，而膠凍樣芽孢桿菌可分解土壤中礦物質(zhì)供植物吸收。多樣性的植物-微生物組合方式一直是近年的研究熱點(diǎn)，傳統(tǒng)的物理/化學(xué)修復(fù)技術(shù)，不適合大面積耕田、礦山土地治理，且經(jīng)過治理后，會產(chǎn)生二次污染，或極大地改變土壤肥力。生物原位修復(fù)投資少、無二次污染、適用處理面積大，且后期處理土壤肥力增強(qiáng)。

3 研究意義及展望

土壤是一切地表生物得以生存的基礎(chǔ)，在環(huán)境保護(hù)和維持生物圈平衡中發(fā)揮重要作用。隨著近現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)快速發(fā)展，土壤重金屬污染問題難以避免。據(jù)估計(jì)我國約有百分之十五的耕地受到污染，為了實(shí)現(xiàn)土壤的可持續(xù)利用，保障人類食物安全，研究開發(fā)經(jīng)濟(jì)、高效、可行的污染土壤修復(fù)技術(shù)迫在眉睫。相較于水污染及大氣污染治理，我國土地污染治理工作起步較晚，且采用環(huán)保技術(shù)較為滯后，存在相關(guān)政策及標(biāo)準(zhǔn)欠完善，資金投入低等問題，土壤重金屬問題主要以“誰污染誰治理”為主，農(nóng)田耕地重金屬污染主要靠政府資金，據(jù)中國科學(xué)院調(diào)查結(jié)果顯示，土壤修復(fù)可為我國直接增加幾億畝耕地。同時(shí)我國大部分土壤重金屬修復(fù)技術(shù)采用物理化學(xué)法，使用大量化學(xué)藥劑或大規(guī)模采用物理方法，不可避免會帶來二次污染，且資源消耗巨大，重復(fù)率低下，環(huán)保效益大打折扣，因此開發(fā)環(huán)境友好型修復(fù)技術(shù)，如生物修復(fù)技術(shù)等更為迫切。我國土壤重金屬污染問題相對嚴(yán)重，土壤重金屬問題可謂是“舌尖上的危害”，現(xiàn)如今正行的重金屬污染修復(fù)技術(shù)已略顯滯后，各種修復(fù)技術(shù)日新月異，但其工程應(yīng)用有待開發(fā)。更契合環(huán)?？沙掷m(xù)理念的控制技術(shù)目前只停留在實(shí)驗(yàn)室階段，尚未進(jìn)入大田實(shí)驗(yàn)，先進(jìn)的修復(fù)技術(shù)是否適用于我國耕地環(huán)境，尚待考察。在經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的時(shí)代，如何保障最基本的口糧安全，如何守住人民的綠水青山，如何保持國民經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，開發(fā)綠色、高效、適應(yīng)性強(qiáng)的土壤重金屬修復(fù)技術(shù)迫在眉睫。

結(jié)語

土壤重金屬所呈現(xiàn)的多樣性、持續(xù)性以及多源性，總之，土壤重金屬危害形勢日趨嚴(yán)峻，既要保證土壤重金屬去除效果良好，又要兼顧投入成本以及二次污染問題，因此未來土壤重金屬修復(fù)技術(shù)應(yīng)從綠色、科學(xué)可持續(xù)的角度出發(fā)，從根本上解決土壤重金屬污染問題，維持土壤生物系統(tǒng)穩(wěn)定。