土壤重金屬修復(fù)技術(shù)與展望

趙澤宇

土壤重金屬修復(fù)技術(shù)與展望

趙澤宇

（西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院陜西咸陽712100）

文章根據(jù)土壤重金屬污染現(xiàn)狀，分析了物理、化學(xué)、生物及聯(lián)合修復(fù)技術(shù)的原理、優(yōu)勢(shì)與不足、應(yīng)用及發(fā)展方向，對(duì)土壤重金屬修復(fù)技術(shù)提出展望，建議重點(diǎn)開發(fā)聯(lián)合修復(fù)技術(shù)及體系，從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效的土壤修復(fù)。

土壤污染；重金屬；修復(fù)技術(shù)；聯(lián)合修復(fù)

根據(jù)2014年我國(guó)生態(tài)環(huán)境部及自然資源部公布的全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)顯示，全國(guó)土壤的總超標(biāo)率為16.1%，其中鎘（Cd）、汞（Hg）、砷（As）等8種重金屬無機(jī)污染物超標(biāo)點(diǎn)位數(shù)占全部超標(biāo)點(diǎn)位的82.8%。我國(guó)當(dāng)前重金屬污染狀況已十分嚴(yán)峻，治理刻不容緩。

1 物理修復(fù)技術(shù)

1.1 客土法、換土法

客土法是指通過將污染土壤與和其理化性質(zhì)接近的潔凈土壤混合，使土壤中重金屬濃度下降，從而保證農(nóng)產(chǎn)品達(dá)到食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的方法。而換土法是指將重污染的土壤剖去后填入接近土壤的方法。

此類方法具有穩(wěn)定、徹底的優(yōu)點(diǎn)，但不具備經(jīng)濟(jì)性，因而實(shí)際運(yùn)用較少，主要適用于重污染土壤。例如沈陽張士灌區(qū)表層土壤的鎘含量高達(dá)56.13%，在去除表層15～30 cm土壤后，種植的水稻稻米中鎘含量下降50%[1]。

1.2 電動(dòng)修復(fù)技術(shù)

電動(dòng)修復(fù)技術(shù)是指通過向污染土壤中插入兩個(gè)電極，形成低壓直流電場(chǎng)，通過電化學(xué)和電動(dòng)力學(xué)的復(fù)合作用，使水溶態(tài)和吸附土壤的顆粒態(tài)污染物根據(jù)自身帶電性在電場(chǎng)內(nèi)定向移動(dòng)，在電極附近富集或收集回收而去除的過程。污染物的遷移去除主要涉及帶電離子的電遷移、孔隙水的電滲析以及帶電顆粒的電泳3種電動(dòng)力學(xué)過程。該技術(shù)的適用范圍主要是低滲透性土壤的污染修復(fù)，治理對(duì)象是大部分無機(jī)、放射性污染物及部分吸附性較強(qiáng)的有機(jī)污染物。該技術(shù)在低滲透性土壤中效果顯著，具備污染物可在地下去除，安裝迅速及處理時(shí)間相對(duì)較少等優(yōu)點(diǎn)，但其最大的缺點(diǎn)是修復(fù)效率受pH影響大、能源消耗較高等。根據(jù)鄭喜珅等研究結(jié)果表明，Pb2+、Cr3+等重金屬離子在沙土土壤中的除去率可達(dá)90%以上[2]。

根據(jù)部分研究結(jié)果顯示，在電動(dòng)修復(fù)過程中，電極表面可能發(fā)生電解，陰極電解產(chǎn)生OH-，陽極電解產(chǎn)生H+，在電遷移和電滲析流的作用下形成酸性遷移帶和堿性遷移帶。而在堿性遷移帶內(nèi)，OH-會(huì)與重金屬離子形成沉淀，從而阻礙陰極區(qū)域的重金屬去除率。為了增強(qiáng)傳統(tǒng)電動(dòng)法修復(fù)土壤中重金屬的效果，劉國(guó)等[3]研究加入乙酸、檸檬酸、乙二胺四乙酸（EDTA）作為增強(qiáng)劑的電遷移效果，結(jié)果表明：乙酸和檸檬酸有效抑制了陰極區(qū)域的堿化，使得整個(gè)土壤區(qū)維持在酸性范圍之內(nèi)；而EDTA對(duì)Cd的螯合作用使土壤中的Cd形成帶負(fù)電的螯合物，增強(qiáng)了其移動(dòng)性。

2 化學(xué)修復(fù)技術(shù)

2.1 化學(xué)淋洗修復(fù)技術(shù)

化學(xué)淋洗修復(fù)技術(shù)是指利用化學(xué)或生物化學(xué)淋洗劑與受污染土壤原位或異位混合，在解吸、螯合等作用下使污染物與土壤分離，并將包含污染物的液體提取并回收的技術(shù)。主要的化學(xué)淋洗劑為清水、無極溶劑、螯合劑、表面活性劑。該技術(shù)對(duì)高濃度污染處理效果極好，限制污染物的擴(kuò)散范圍，投資、消耗相對(duì)較少，多用于原位修復(fù)，但化學(xué)淋洗修復(fù)技術(shù)也存在降低土壤肥力[4]、易引起二次污染的問題。研究發(fā)現(xiàn)，乙二胺四乙酸（EDTA）等螯合劑能夠有效降低Cu、Cd、Cr、Pb等重金屬的生物有效性，利于淋洗，且因?yàn)槠渌岫鹊?、?duì)土壤破壞小，所以最為常用。[5]

運(yùn)用單一淋洗劑的淋洗技術(shù)具有局限性，聯(lián)合使用不同化學(xué)淋洗劑不僅使土壤中污染物的去除率增強(qiáng)，且減少了淋洗劑的總用量，降低了化學(xué)淋洗劑對(duì)土壤性質(zhì)的破壞。陳冬月等[6]采用螯合劑和鼠李糖脂復(fù)合淋洗治理鎘污染土壤，結(jié)果土壤中交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、有機(jī)態(tài)鎘含量顯著減少，減小了二次污染的風(fēng)險(xiǎn)，縮短了淋洗時(shí)間。陳尋峰等[7]研究表明，復(fù)合淋洗效果優(yōu)于單一淋洗效果，適當(dāng)?shù)膹?fù)合淋洗組合能夠提高土壤重金屬的去除率，復(fù)合淋洗的關(guān)鍵在于淋洗劑的選擇和組合順序。

2.2 化學(xué)改良修復(fù)法

對(duì)于污染的土壤可以通過改良土壤性質(zhì)的方法使污染物轉(zhuǎn)化為難遷移、低活性的物質(zhì)。根據(jù)土壤和污染物的性質(zhì)，可通過施用改良劑和調(diào)節(jié)土壤的氧化還原電位（Eh）兩種方式改良土壤性質(zhì)，對(duì)于輕度污染的土壤效果較好。目前常用的化學(xué)改良劑包括石灰、沸石、草木灰、生物堆肥、禽獸糞便等[8]。不同的改良劑對(duì)于重金屬的作用機(jī)理不同，向偏酸性的重金屬污染土壤施加石灰作為改良劑可提高土壤的pH，使重金屬發(fā)生鈍化[9]，而生物炭因具有比表面積大和疏松多孔的特征，可用于吸附污染土壤中的重金屬，降低重金屬的生物有效性和遷移性，同時(shí)微生物在生物炭上的附著生長(zhǎng)也有助于發(fā)揮微生物降解重金屬作用[10]，可作為土壤改良劑、肥料緩釋載體及重金屬吸附材料。

3 生物修復(fù)技術(shù)

3.1 植物修復(fù)技術(shù)

植物修復(fù)技術(shù)是指利用一些植物對(duì)部分化學(xué)物質(zhì)的耐受性和超富集性，通過綠色植物提取、轉(zhuǎn)移、吸收、分解、轉(zhuǎn)化或固定土壤中的污染物，從而達(dá)到去污效果。植物修復(fù)技術(shù)主要可分為植物揮發(fā)、植物穩(wěn)定、植物提取三個(gè)過程。植物揮發(fā)局限性較大，僅限于處理Hg、Se等揮發(fā)性重金屬元素，且存在造成空氣污染的潛在可能；植物固定普遍存在修復(fù)效果不理想的問題，因?yàn)榇嬖诠潭ㄖ亟饘僦匦禄罨目赡苄裕欢参锾崛∈侵咐弥亟饘俪e累植物從土壤中提取金屬污染物，隨后收割地上部并進(jìn)行集中處理，通過連續(xù)種植該植物，達(dá)到降低或去除土壤重金屬污染的目的。因此，植物提取能夠?qū)⒅亟饘購(gòu)氐讖耐寥乐幸瞥?，具有良好的生態(tài)綜合效益，應(yīng)用前景較好[11]。如蜈蚣草、香根草、印度芥菜等是較典型的超富集植物，在重金屬污染土壤修復(fù)中應(yīng)用較廣。

由于土壤中的重金屬有效性差和修復(fù)植物因重金屬毒害作用而生物量小、修復(fù)周期長(zhǎng)，所以在實(shí)地修復(fù)上還存在問題。因此，利用化學(xué)活性劑將土壤中主要以殘?jiān)鼞B(tài)存在的重金屬轉(zhuǎn)化為有效態(tài)，從而提高植物修復(fù)技術(shù)的處理率。常用的化學(xué)活化劑包括螯合劑、表面活性劑、低分子有機(jī)酸。張家偉等[12]在施加表面活性劑直鏈烷基苯磺酸鹽、十二烷基磺酸鈉后，植物體內(nèi)重金屬的濃度明顯增加。

3.2 微生物修復(fù)技術(shù)

微生物修復(fù)技術(shù)是指通過微生物活動(dòng)使土壤中重金屬毒性降低或吸附積累重金屬等過程，從而修復(fù)被污染環(huán)境。其具備可原位修復(fù)、環(huán)境影響小、可同時(shí)處理被污染土壤及地下水等優(yōu)點(diǎn)，但該修復(fù)技術(shù)的局限性在于耗時(shí)長(zhǎng)、對(duì)環(huán)境條件要求苛刻、治理對(duì)象污染物適用范圍較小。研究發(fā)現(xiàn)部分微生物能將劇毒的甲基汞轉(zhuǎn)化為毒性小、可揮發(fā)的無機(jī)態(tài)單質(zhì)Hg；叢枝菌根真菌可通過菌絲的固持作用和菌絲分泌物的螯合作用降低重金屬毒性和濃度，其根外菌絲對(duì)Cd的富集能力超過煙草根系10 倍以上[13]。

3.3 植物-微生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)

因植物修復(fù)受重金屬脅迫影響，所以根系地下擴(kuò)展深度存在局限，植株整體生長(zhǎng)較為緩慢，富集污染物總量較小，污染土壤修復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，而部分微生物可利用其代謝功能固定重金屬離子或?qū)⒂卸镜闹亟饘匐x子轉(zhuǎn)化成無毒或低毒價(jià)態(tài)，在植物及其根際微生物的共同作用下建立植物-微生物聯(lián)合修復(fù)系統(tǒng)，結(jié)合兩者優(yōu)勢(shì)，提高修復(fù)效率。Wei等研究顯示，野生豆類根部的根瘤菌土壤桿菌促進(jìn)植物生長(zhǎng)，同時(shí)對(duì)Pb、Cu、Cd、Zn具有抗性。Shi等研究發(fā)現(xiàn)硫氧化細(xì)菌可以促進(jìn)植物對(duì)Cu的大量吸收，這一過程的主要途徑為硫氧化細(xì)菌降低根際土壤pH，使還原硫發(fā)生轉(zhuǎn)化，從而促進(jìn)金屬Cu的氧化。

4 展望

針對(duì)當(dāng)前重金屬土壤修復(fù)技術(shù)研究現(xiàn)狀，對(duì)于今后的研究方向提出以下建議及展望。

首先，鑒于現(xiàn)今已有的單一修復(fù)技術(shù)在一定程度上存在修復(fù)效果差、使用范圍小、修復(fù)周期長(zhǎng)等問題，應(yīng)該重點(diǎn)研究并發(fā)展聯(lián)合修復(fù)技術(shù)，結(jié)合各項(xiàng)修復(fù)技術(shù)之間的優(yōu)點(diǎn)互補(bǔ)，使修復(fù)更高效，并減少對(duì)土壤肥力或結(jié)構(gòu)的影響。例如，植物-化學(xué)聯(lián)合修復(fù)不僅可以減少化學(xué)試劑對(duì)土壤造成的影響，處理效果相較植物或化學(xué)單一修復(fù)技術(shù)有顯著提升。

其次，重視發(fā)展環(huán)境友好型、高效化、低成本的土壤修復(fù)技術(shù)，以植物修復(fù)或電動(dòng)修復(fù)技術(shù)為核心，提升現(xiàn)有技術(shù)處理效果，解決其處理率較低的問題，并盡可能降低成本，使其適用于大面積、重污染的土壤治理。

再次，加大力度進(jìn)行環(huán)保修復(fù)材料的開發(fā)和生物修復(fù)優(yōu)勢(shì)物種的篩選。例如開發(fā)環(huán)境友好型的化學(xué)淋洗劑、高效的化學(xué)固定劑等，并推進(jìn)超富集植物和預(yù)期搭配的內(nèi)源菌或根際菌的篩選，為修復(fù)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

重金屬污染土壤修復(fù)應(yīng)該在修復(fù)土壤的同時(shí)，注重保持土壤的原有理化性質(zhì)及生態(tài)特征，實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)保修復(fù)。基于每種修復(fù)方法均有各自的適用范圍和優(yōu)勢(shì)，在實(shí)際使用過程中應(yīng)該避免單獨(dú)使用，將物理、化學(xué)、生物方法進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕Y(jié)合，取其所長(zhǎng)，以獲得生態(tài)環(huán)保、成本低的修復(fù)方案[8]。

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西北農(nóng)林科技大學(xué)2020年大學(xué)生科創(chuàng)計(jì)劃省級(jí)項(xiàng)目（S202010712557）

趙澤宇（2000- ），男，漢族，北京豐臺(tái)人，本科在讀，研究方向：土壤污染治理與修復(fù)。

X53

A

2095-1205(2021)02-48-02

10.3969/j.issn.2095-1205.2021.02.23