土壤重金屬污染修復(fù)技術(shù)比較研究

賈 倩 胡亞偉 靳曉輝 宋靜茹 張銘琪 王輝輝 楊 蕾

（1.黃河水利委員會黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 453000 2.河南省農(nóng)村水環(huán)境治理工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 453000）

土壤是人類以及其他生物賴以生存的基礎(chǔ)，但是伴隨著人類的生產(chǎn)生活活動，排放進(jìn)入土壤的重金屬含量超過土壤環(huán)境容量，從而造成土壤重金屬污染。由于土壤重金屬污染存在的隱蔽性、滯后性、不可逆性和后果嚴(yán)重性等特點(diǎn)，破壞了土壤正常結(jié)構(gòu)，擾亂了土壤正常功能，并且通過作物產(chǎn)品間接影響人類以及其他生物的健康。隨著人口的快速增長，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化的不斷推進(jìn)和現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，越來越多的重金屬進(jìn)入土壤，使得土壤重金屬污染越來越嚴(yán)重。土壤重金屬污染已成為世界范圍內(nèi)亟待解決的問題。根據(jù)生物化學(xué)性質(zhì)的不同，土壤中的重金屬元素可分為兩類：一類是維持生物體正常生理活動所必需的，但如果其濃度超過一定閾值，就會導(dǎo)致生物體中毒。

1.土壤重金屬污染現(xiàn)狀

目前，農(nóng)業(yè)土壤中的重金屬通常具有污染濃度增加和污染頻率增加的特點(diǎn)。到2011年底，土壤使用面積接近2000萬畝，受鎘、砷、鉻和鉛等污染，約占總面積的五分之一，每年有1200多萬噸谷物受到重金屬污染。在金屬污染物發(fā)生變化并長期保持安靜的農(nóng)業(yè)土壤中，農(nóng)業(yè)土壤是人類活動的主要負(fù)擔(dān)，人類健康直接依賴于人類活動，土壤重金屬污染現(xiàn)象需要進(jìn)行緊急防治和治理。

土壤重金屬污染首先影響作物的生長，從而影響所用作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。例如氨基酸和蛋白質(zhì)的結(jié)合，會導(dǎo)致蛋白質(zhì)的損失，并可能導(dǎo)致植物死亡。例如，鎘抑制植物體內(nèi)抗氧化酶的活性，引起細(xì)胞膜系統(tǒng)蛋白質(zhì)和核苷酸的破壞，并阻止葉綠素的合成和植物生長。土壤污染對經(jīng)濟(jì)來說已經(jīng)付出了一個高昂的代價。通過重金屬污染每年糧食減少1000多萬噸，每年被污染的糧食也達(dá)到了1200萬噸，造成至少200億元的經(jīng)濟(jì)損失。此外，富含重金屬的植物可以在人和動物身上富集，危及人和動物的生命安全。

2.土壤重金屬來源

關(guān)于重金屬的轉(zhuǎn)移傳播，我國農(nóng)業(yè)中有三個主要的環(huán)境污染源：大氣沉降、污水灌溉、固體廢棄物。應(yīng)提及大氣中的土壤沉積物，特別是當(dāng)人類活動產(chǎn)生的重金屬粉塵進(jìn)入大氣時，通過自然匯集或降雨進(jìn)入土壤。這幾年來，隨著工業(yè)化速度的加快，許多建筑公司的廢水以及家庭廢水已導(dǎo)致農(nóng)業(yè)土壤的巨大污染。

2.1 交通污染土壤

道路上的污染物主要為鉛、鋅、鎘、氯、銅。50 57344g/L通常沿著長距離道路的強(qiáng)度條紋，結(jié)果表明，在每50米的道路上，高速公路上的可溶污染物含量從每平方米4克到40克不等。到達(dá)環(huán)境的順序?yàn)椋恒~、鉛、碳、鐵和鋅。在人口密度較高的公路，土壤兩側(cè)的失重率高。重金屬在雨天對土壤的污染與重工業(yè)、城市人口密度、土地利用和道路運(yùn)輸?shù)墓I(yè)化程度直接相關(guān)，距離城市的距離太近和道路運(yùn)輸?shù)墓I(yè)化程度導(dǎo)致了更嚴(yán)重的污染。

2.2 工業(yè)污染

由于重金屬主要用于工業(yè)，在生產(chǎn)中產(chǎn)生更高濃度的重金屬。工業(yè)廢氣還通過自然沉降和雨淋沉降進(jìn)入干凈的土壤中，使淤泥也就含有了重金屬。當(dāng)工業(yè)廢物以噴射狀、水滴狀的形式儲存或通過陽光、電源和重型重化處理時，會擴(kuò)散得非常迅速。

據(jù)統(tǒng)計，我國約有700萬公頃的土壤污染，農(nóng)作物庫存已降至每年100億公斤。在灌渠土壤中，經(jīng)過近20年的土壤污染，鎘超標(biāo)面積占污染總面積的45.5%。據(jù)消息來源稱，在我國的一些城市，50%的農(nóng)田受到鉻、砷、汞等有毒金屬的污染。

2.3 農(nóng)業(yè)污染

化肥、殺蟲劑是重要的農(nóng)用物資，這有助于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展。如果在使用過程中沒有合理地利用這些物資，也會讓土壤受到嚴(yán)重的污染。近年來，土壤已被過度擴(kuò)展的農(nóng)業(yè)物資所污染，這些物資溶解了土壤，并產(chǎn)生了重金屬，如鎘和鉛，從而產(chǎn)生有缺陷的土壤。

2.4 污染源上呈現(xiàn)多樣化

近年來，隨著城市工業(yè)化的不斷加快，城市建設(shè)用地占據(jù)了絕大多數(shù)，但是隨之產(chǎn)生的土壤污染問題也接踵而至。對于一些地下水污染、土質(zhì)污染、水資源污染等等問題，都沒有得到有效地解決。雖然城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展在目前階段來講，走的是大型粗放型經(jīng)濟(jì)之路，但是在對于土壤的有效管理，有關(guān)部門還是要進(jìn)行相關(guān)的監(jiān)督。關(guān)于土壤污染問題會越來越突出，對于土壤的監(jiān)督和防治，缺少有效措施。

2.5 土壤重金屬處理困難又復(fù)雜

在工業(yè)化和城市化加速的經(jīng)濟(jì)發(fā)展中，國家在大氣、水、噪聲污染等方面都加大了管理，但是在土壤的治理中不夠積極。國家應(yīng)該積極地去發(fā)展規(guī)劃，特別是新城發(fā)展規(guī)劃和土壤使用。由于重金屬很難被微生物分解，它們可以在被富含膠原蛋白的金屬污染的土壤中富集，環(huán)境污染遲早會變得更嚴(yán)重。此外，重金屬主要是具有高化學(xué)活性的瞬態(tài)元素，在不同的反應(yīng)中具有活性，并且以不同的變體出現(xiàn)。這些形式在穩(wěn)定性和毒性方面不同，特別復(fù)雜，重金屬不僅有毒，還會抑制土壤酶活性，并長期泄漏到地下。

3.土壤修復(fù)技術(shù)概述

十多年來，土壤修復(fù)技術(shù)在全球范圍內(nèi)開展了研究和應(yīng)用，目前流行的土壤治療技術(shù)包括生物、物理和化學(xué)修復(fù)以及聯(lián)合修復(fù)技術(shù)。與環(huán)境化學(xué)修復(fù)領(lǐng)域的其他技術(shù)不同，這些技術(shù)包括相對成熟的綠色技術(shù)，尤其包括穩(wěn)定技術(shù)、化學(xué)清洗、氧化和還原、催化降解和機(jī)電修復(fù)。與此相比，穩(wěn)定性過程是一種快速、積極的技術(shù)，是對污染物類型和濃度不太敏感的修復(fù)方式。穩(wěn)定性技術(shù)是將其轉(zhuǎn)化為化學(xué)惰性較小的樣子，以盡量減少環(huán)境中污染物的毒性地溶解和轉(zhuǎn)化，并確保輸出產(chǎn)品的機(jī)械穩(wěn)定性。

該技術(shù)適用于異位修復(fù)，也可以應(yīng)用于原位修復(fù)。發(fā)生異位這種情況時，應(yīng)先挖掘出受污染的土壤，對顆粒物進(jìn)行分類和均質(zhì)，把大的顆粒篩選出區(qū)。讓它成為一個均勻的整體，再把混合物填充到其中，就完成了最終的處置。在原位的情況下，使用異位穩(wěn)定劑后，充分混合，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，其轉(zhuǎn)化為化學(xué)惰性較小的樣子，以盡量減少環(huán)境中土壤的污染。

4.土壤重金屬污染修復(fù)技術(shù)分類與比較

4.1 土壤重金屬污染修復(fù)技術(shù)分類

4.1.1 工程修復(fù)

這三種方法包括客土、換土和翻土。客土法是在受污染的土壤中加入大量清潔的土壤，混合均勻，以降低污染物濃度或減少污染物與植物根系的連接。換土就是清除受污染的土壤，并用新的、干凈的土壤進(jìn)行更換。翻土就是將土壤翻深，使收集在表層的污染物分散到深層土壤中，達(dá)到稀釋和自我處理的目的。通過將客土、換土、翻土與污土混合，使農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)達(dá)到食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。工程修復(fù)是土壤重金屬污染控制措施里比較經(jīng)典的手段，但需要部署技術(shù)能力，造成高投資成本、環(huán)境破壞和土壤肥力降低，還需要對臟土進(jìn)行堆放或處理。

4.1.2 物理化學(xué)修復(fù)

4.1.2.1 電修復(fù)

土壤電修復(fù)是一項新的土壤技術(shù)，自20世紀(jì)90年代以來才得到重視和發(fā)展。研究發(fā)現(xiàn)，pH酸堿度、緩沖性能、土壤成分和金屬類型的雜質(zhì)都會影響修復(fù)效果。

4.1.2.2 熱修復(fù)

污染物被熱蒸發(fā)，因?yàn)楦哳l波產(chǎn)生電磁波，產(chǎn)生熱量并加熱土壤。可以修復(fù)含汞和硒污染土壤的技術(shù)。同時，受重金屬污染的區(qū)域可以在高溫下轉(zhuǎn)化為玻璃塊。

4.1.2.3 土壤沖洗

土壤沖洗是一個過程，土壤沖洗中重金屬從固體轉(zhuǎn)移到液體，然后循環(huán)。這項技術(shù)的關(guān)鍵是選擇活性物質(zhì)重金屬，這些活性物質(zhì)是在提取劑的情況下獲得的，但實(shí)際上很難找到。此外，如果出現(xiàn)不合規(guī)情況，提取劑被污染的風(fēng)險很高。

4.1.2.4 化學(xué)修復(fù)

化學(xué)修復(fù)包括使用低壓清洗土壤中的污染物：例如，土壤中含有的表面活性劑或有機(jī)溶劑清洗在土壤中的重金屬，化學(xué)修復(fù)是在土壤現(xiàn)場進(jìn)行的，非常簡單。然而，這并不是一種永久性的恢復(fù)，因?yàn)橹桓淖兞送寥乐兄亟饘俚男螒B(tài)，重金屬還存在土壤之中，還能再次繁殖，危害了植物。

4.1.3 生物修復(fù)

生物修復(fù)是一種利用生物技術(shù)防治污染土壤的新方法，通過使用生物制劑對抗重金屬清潔土壤。由于其良好且容易獲得的方法，科學(xué)家正日益受到重視，對受污染土壤的研究正在進(jìn)行調(diào)查，已經(jīng)成為了土壤修復(fù)的熱點(diǎn)。

4.1.3.1 植物修復(fù)

植物修復(fù)是指在植物種植者或基因療法的幫助下修復(fù)重金屬污染的技術(shù)。

根據(jù)過程和機(jī)理，穩(wěn)定性有三種不同的模型，即植物穩(wěn)定、植物提取和植物揮發(fā)。從土壤中收集金屬污染物，然后在土壤中進(jìn)行處理，同時不斷種植植物以減少或消除金屬污染。中國科學(xué)院的科學(xué)家也對植物提取物進(jìn)行了研究，例如在中國南方發(fā)現(xiàn)了一組植物提取物。

4.1.3.2 微生物修復(fù)

微生物在一定程度上修復(fù)了被重金屬污染的土壤。在這方面，土著微生物主要用于沙漠或污染環(huán)境，高效微生物加速污染物的降解，并在最佳條件下修復(fù)腐爛的土壤。

4.2 土壤重金屬污染修復(fù)技術(shù)比較

4.2.1 化學(xué)修復(fù)技術(shù)比較

優(yōu)點(diǎn)：穩(wěn)定/修復(fù)方法不會破壞土壤結(jié)構(gòu)，淋洗周期短，成本低，治理快速有效，易于清洗和提取，特別是針對輕重金屬。改進(jìn)的技術(shù)：快速降低水溶性和重金屬重定向的效果。

不足：土壤的清潔必須增加清潔手段，修復(fù)手段的成本也加高了。在淋洗/萃取技術(shù)方面投入成本高，存在地下水污染和土壤變化等風(fēng)險。改進(jìn)的技術(shù)：它有可能破壞新的土壤遺傳系統(tǒng)和二次污染。

適用性：穩(wěn)定/固定技術(shù)主要依賴于小型、嚴(yán)重污染的土地。淋洗/萃取技術(shù)適用于較小污染較小的地塊。這項翻新工程特別適用于污染嚴(yán)重、表面較小的土壤。

4.2.2 物理修復(fù)技術(shù)比較

優(yōu)點(diǎn)：植物修復(fù)的經(jīng)濟(jì)性高，土壤擾動小，生態(tài)變化也能帶來自然改善。微生物物修復(fù)技術(shù)：簡單、干凈、經(jīng)濟(jì)。微生物修復(fù)工藝簡單、成本效益高，具有綜合成本效益和環(huán)境友好性。

不足：需要在許多其他化學(xué)物質(zhì)的粉末之間進(jìn)行，這些化學(xué)物質(zhì)是由重金屬制成的。微生物物治療技術(shù)：由于多樣性范圍需要修復(fù)，對環(huán)境的適應(yīng)能力較差。微生物修復(fù)技術(shù)，顯微鏡下的小型技術(shù)不太穩(wěn)定，也不能降解重金屬。

適用性：大、中型土壤破壞的植物修復(fù)工程。微生物修復(fù)技術(shù)首先適用于污染較少較輕的土地。微生物修復(fù)也適用于黏土含量的污染場地。

不同的土壤污染修復(fù)技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)。植物修復(fù)和微生物修復(fù)作為一種環(huán)境友好的方法在國外引起了廣泛關(guān)注。專家們對基于植物的單微生物修復(fù)技術(shù)進(jìn)行了大量研究，表明這種組合可以帶來短期的改善，提高重金屬污染的修復(fù)效率和突顯真正的生態(tài)效益。同時，為微生物的聯(lián)合應(yīng)用提供了廣泛的應(yīng)用。

5.污染場地土壤修復(fù)制度對策

5.1 落實(shí)污染調(diào)查

土壤污染有時即使是某一土壤污染點(diǎn)位較為嚴(yán)重，但往往距離一定的土壤深層是很難被檢測出來的。還有較為復(fù)雜的土壤表層現(xiàn)無污染，但是如果進(jìn)行一定的縱向監(jiān)察，則會發(fā)現(xiàn)在土壤的地表以下污染嚴(yán)重。土壤修復(fù)工作的實(shí)質(zhì)是必須要找到土壤污染的源頭所在，才能進(jìn)行徹底地根治，但是目前的情況是很多土壤污染源在污染狀況深度與廣度方面都極其的復(fù)雜，并且與其他領(lǐng)域的檢測有著明顯的不同，由于基礎(chǔ)調(diào)查數(shù)據(jù)的缺失，無法進(jìn)行有效地土地污染整改，從而極大地阻礙了土壤修復(fù)工作的有效進(jìn)行。因此，需要有效落實(shí)污染調(diào)查，通過適當(dāng)?shù)奈锢怼⒒瘜W(xué)技術(shù)，調(diào)查土壤污染情況、污染源，從而提出針對性的防治策略。

5.2 加強(qiáng)對于污染場地的監(jiān)管工作

相關(guān)監(jiān)管部門要根據(jù)不同的污染區(qū)域建立不同的監(jiān)管措施與制度，并提前準(zhǔn)備好對于土地污染的對策方法，這樣在土壤污染發(fā)生時，才能第一時間給予一定的壓制，并且強(qiáng)烈要求對于在相關(guān)管理范圍內(nèi)的污染企業(yè)要定期進(jìn)行上報，包括自身的污染種類、污染的覆蓋范圍、污染的高峰期，并且要做好治理污染的措施，要有詳細(xì)的報告書來闡述。

5.3 明確土壤污染的修復(fù)主體

對于已經(jīng)污染的土壤來講，不僅僅是要找到土壤污染的源頭所在，相關(guān)的監(jiān)察部門還要明確具體的責(zé)任所在。對于場地污染的調(diào)查本就復(fù)雜，有些還牽扯到企業(yè)的“歷史”性責(zé)任，也有可能污染是由于當(dāng)?shù)氐亩嗉移髽I(yè)所造成的。而企業(yè)在發(fā)現(xiàn)土壤污染過后，便將工廠遷離了該地，或者將污染企業(yè)整改成無污染企業(yè)，這樣在具體調(diào)查過程中，便很難確定污染的“主體”，也很難遏制住相關(guān)的污染企業(yè)對于土壤的破壞。對此，對于已經(jīng)污染的土壤企業(yè)需要在一定的時間內(nèi)進(jìn)行治理和修復(fù)，并且通過環(huán)保部門的檢查與通力合作，而對于一些已經(jīng)轉(zhuǎn)移的企業(yè)要進(jìn)行責(zé)任追究，并要求從自身的建設(shè)費(fèi)用當(dāng)中抽出一些作為土壤管理的土壤修復(fù)費(fèi)用，并且在對于土壤污染的問責(zé)上必須要明確主體，做到誰污染，誰負(fù)責(zé)。

6.結(jié)語

隨著國務(wù)院發(fā)布的《土壤污染防治行動計劃》的實(shí)施，農(nóng)田重金屬的修復(fù)工作越來越重要。事實(shí)證明，單一技術(shù)的替代方案很難滿足當(dāng)前的實(shí)際需求，而且針對重金屬、復(fù)雜形態(tài)和當(dāng)?shù)睾Ｑ笠约捌渌麊栴}造成的各種污染源，越來越多地采用了共同的修復(fù)方法。這些技術(shù)的結(jié)合使土壤重金屬在土壤動物植物修復(fù)微生物方面發(fā)揮了重要作用?？傊?，未來的重金屬修復(fù)應(yīng)該是生態(tài)修復(fù)，綠色和經(jīng)濟(jì)修復(fù)方法相結(jié)合是大勢所趨。