土壤中重金屬污染研究進(jìn)展

尚衛(wèi)薛智鳳艾昊王高紅李華馮娟成星

(1.陜西省地質(zhì)調(diào)查院，陜西 西安 710000；2.陜西省地質(zhì)調(diào)查院實(shí)驗(yàn)中心，陜西 西安 710000；3.生態(tài)環(huán)境損害鑒定評(píng)估中心，陜西 西安 710000)

引言

伴隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人們對(duì)于生活質(zhì)量以及居住環(huán)境的要求也在不斷提升，其中土壤環(huán)境污染問(wèn)題引起人們的高度重視。2006—2013年開(kāi)展的全國(guó)土壤污染專(zhuān)項(xiàng)調(diào)查結(jié)果顯示，全國(guó)土壤總點(diǎn)位超標(biāo)率達(dá)到了16.1%，輕微污染占比11.2%，輕度污染點(diǎn)位比2.3%，中度污染占比1.5%，重度污染占比1.1%[1]。本文主要通過(guò)對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)資料的研究分析，分析土壤中重金屬污染情況的成因以及現(xiàn)狀，希望引起人們的重視，同時(shí)為相關(guān)部門(mén)研究人員，治理土壤中重金屬污染提供參考。

1 重金屬污染的由來(lái)

1.1 重金屬的定義

對(duì)于重金屬的定義，當(dāng)前因?yàn)楦鱾€(gè)學(xué)科門(mén)類(lèi)的研究方向范圍不同，所以還沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的解釋。一般情況下，以密度作為區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)，>4.0g·cm-3的金屬元素就被認(rèn)為是重金屬，>5.0g·cm-3的其他元素也可以被認(rèn)為是重金屬，常見(jiàn)的Cd、As、Pb、Hg、Cu、Zn、Ni等都在此列。其中，Se、As這2種元素并不是金屬元素，但因其性質(zhì)與重金屬相似且具有一定的毒性，所以也被劃分到重金屬的范圍之內(nèi)[2]。

1.2 重金屬污染的危害

1.2.1 危害人體生命安全

重金屬元素號(hào)稱(chēng)“化學(xué)定時(shí)炸彈”，在自然條件下極難通過(guò)降解方法消除。重金屬不僅可以通過(guò)直接接觸進(jìn)入人體，對(duì)人體健康造成危害，還可以利用周?chē)晃廴镜沫h(huán)境對(duì)人體產(chǎn)生影響。2009年8月，陜西省鳳翔縣因?yàn)檫`規(guī)進(jìn)行Pb排放導(dǎo)致大規(guī)模重金屬污染事故，造成615名兒童鉛中毒。2009年12月，山東省臨沂市出現(xiàn)含砷污水下排事件，致使下方的水流區(qū)域全部砷含量超標(biāo)，數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的人民群眾生活受到影響。據(jù)研究統(tǒng)計(jì)表示，僅2009年就發(fā)生了重金屬污染事故12起，導(dǎo)致4000余人身體健康受到傷害。造成如此嚴(yán)重后果的原因是由重金屬本身性質(zhì)所決定的。人體維持正常的生命活動(dòng)需要攝取多種元素，某些重金屬元素也是人體所必需的，適量的金屬元素會(huì)保證生命的健康活動(dòng)，但是過(guò)量將會(huì)危害人體的生命健康安全。大部分重金屬都擁有降低生物酶活性的能力，從而危害人體生命健康，這種影響的表現(xiàn)并不明顯，通常在幾年后才會(huì)被發(fā)現(xiàn)。如，鉛會(huì)導(dǎo)致貧血癥，鎘會(huì)影響腎臟和骨骼，汞會(huì)造成腦損傷，鉻會(huì)對(duì)呼吸道、皮膚產(chǎn)生影響。

1.2.2 影響農(nóng)作物產(chǎn)量及質(zhì)量

相比于對(duì)人類(lèi)的影響，重金屬污染對(duì)于農(nóng)作物的影響更為巨大。生長(zhǎng)在被重金屬污染土壤中的植物，吸收土壤中的重金屬元素，對(duì)重金屬元素產(chǎn)生富集作用，最終被富集的重金屬元素儲(chǔ)存在產(chǎn)出的作物中，導(dǎo)致農(nóng)作物污染無(wú)法食用。隨著土壤重金屬污染狀況日益嚴(yán)重，人類(lèi)可食用的農(nóng)作物將越來(lái)越少，甚至?xí)斐杉Z食嚴(yán)重短缺。因此治理土壤重金屬污染，保護(hù)土壤環(huán)境刻不容緩。

1.3 土壤中重金屬污染的來(lái)源

1.3.1 自然來(lái)源

自然界中本身就蘊(yùn)含著許多重金屬元素，其廣泛存在于各種金屬礦物和巖石之中。隨著自然界的不斷演化，巖石礦物逐漸風(fēng)化，到處飄散，經(jīng)過(guò)雨水沖涮，自然演化，隨之進(jìn)入土壤和自然界中。

1.3.2 人為影響

自然因素影響只占土壤中重金屬污染來(lái)源的很小一部分，真正造成土壤中重金屬污染嚴(yán)重的是人類(lèi)活動(dòng)。各種工業(yè)礦業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生大量富含重金屬的廢料，過(guò)去為了經(jīng)濟(jì)發(fā)展，部分企業(yè)走上先污染后治理的錯(cuò)誤道路，大量的工業(yè)廢料處理不當(dāng)，造成我國(guó)大面積土地出現(xiàn)重金屬污染，尤其以工業(yè)礦業(yè)廠區(qū)附近最為嚴(yán)重，嚴(yán)重影響附近居民的身體健康和居住環(huán)境。

隨著人們生活水平的提高，家家戶(hù)戶(hù)利用汽車(chē)代步。當(dāng)前我國(guó)部分城市重金屬污染的土壤中，汽車(chē)尾氣排放是重要污染源之一。1kg的汽油中就含有0.65g左右的Pb，在汽車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，將有35μg的Pb隨尾氣排放而出[3,4]。資料顯示,我國(guó)的汽車(chē)保有量達(dá)到了3.95億輛，有近80個(gè)城市擁有超100萬(wàn)輛汽車(chē)，隨著時(shí)間的累計(jì)，排放出的重金屬的量已經(jīng)十分龐大。除了尾氣，汽車(chē)的零部件也造成了大量的重金屬污染，在汽車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，這些零部件也會(huì)隨之產(chǎn)生磨損，導(dǎo)致出現(xiàn)大量含有重金屬的微粒隨風(fēng)進(jìn)入土壤之中，從而造成土壤重金屬污染。

生活中廢棄電子產(chǎn)品的不正當(dāng)處理也是造成土壤重金屬污染的一大原因。廢舊電池、廢舊手機(jī)等電子制品，都必須經(jīng)過(guò)專(zhuān)業(yè)的處理，否則其中蘊(yùn)含的重金屬便會(huì)進(jìn)入到土壤造成嚴(yán)重的污染。20g的智能手機(jī)電池，可以造成1km2的土壤污染，且50a內(nèi)無(wú)法自然消除。此外，日常生活垃圾中含有的重金屬也都會(huì)造成污染，研究顯示，生活垃圾中的重金屬含量一般夏季高于冬季，商業(yè)區(qū)高于居民區(qū)[5-7]。

2 重金屬污染的現(xiàn)狀

2.1 全國(guó)土壤重金屬污染情況

國(guó)土資源部和環(huán)境保護(hù)部公布的全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公告顯示，我國(guó)土壤重金屬污染情況已經(jīng)十分嚴(yán)峻，全國(guó)16.1%的土壤經(jīng)檢測(cè)都有不同程度污染情況。有將近1000萬(wàn)hm2的農(nóng)業(yè)土地遭到污染，造成糧食作物損失1200萬(wàn)t。在第一次全國(guó)污染源普查中發(fā)現(xiàn)，我國(guó)在廢水中的重金屬污染物排放量就達(dá)到了0.09萬(wàn)t[8]，2017年，我國(guó)開(kāi)展了第二次全國(guó)污染源普查工作，經(jīng)過(guò)一系列的降低污染的措施，全國(guó)污染情況得到一定的抑制，重金屬排放量從原來(lái)的900t降低到了如今的182.54t，環(huán)保工作已經(jīng)卓有成效。但由于重金屬的危害性巨大，且治理困難，目前我國(guó)土壤重金屬污染情況仍然不容樂(lè)觀。

2.2 城市土壤重金屬污染情況

我國(guó)城市土壤發(fā)生重金屬污染主要與8種元素有關(guān)，分別是砷、汞、鋅、鎳、銅、鎘、鉻，其中鎘污染最為嚴(yán)重[9]。各種重金屬含量參數(shù)具體見(jiàn)表1。

表1 城市土壤中重金屬含量統(tǒng)計(jì)參數(shù)

因?yàn)槌鞘泄δ堋⒍ㄎ?、人口?shù)量等差異，各個(gè)城市土壤中重金屬含量各有不同。工業(yè)城市要大于非工業(yè)城市，特大城市高于中型城市，中型城市大于小型城市。多礦地區(qū)要高于其他地區(qū)[10]。長(zhǎng)江以南高于長(zhǎng)江以北，西南高于東北[11]。雖然各個(gè)城市的污染程度不同，但是隨著時(shí)間的推移，城市土壤重金屬污染的程度都在加重[12]。城市土壤環(huán)境的治理已經(jīng)刻不容緩。

2.3 農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染情況

我國(guó)目前被重金屬所污染的土壤有2000萬(wàn)hm2，相當(dāng)于全國(guó)總耕地面積的20%，情況已經(jīng)十分嚴(yán)峻。隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的不斷進(jìn)行，對(duì)于農(nóng)藥和化肥的使用也越來(lái)越多，大部分靠近城市的農(nóng)田都被檢測(cè)出不同程度的重金屬含量超標(biāo)，其中鎘元素造成的污染最為嚴(yán)重。鎘元素污染對(duì)于有機(jī)生命體具有毒性，受到鎘元素污染的農(nóng)作物會(huì)生長(zhǎng)緩慢，且產(chǎn)量變低。除了鎘元素污染外，耕地土壤中還存在著許多其他元素的污染[13]，其中甘肅省白銀市的農(nóng)業(yè)土壤中就被檢測(cè)出了6種重金屬元素超標(biāo)[14]。造成農(nóng)業(yè)土壤重金屬?lài)?yán)重超標(biāo)的原因是種植作業(yè)中污水灌溉和濫用化肥農(nóng)藥，由于沒(méi)有相關(guān)概念，人們將日常生活中產(chǎn)生的未經(jīng)處理的污水直接倒入了農(nóng)田之中，造成土壤污染。

3 重金屬污染的檢測(cè)方法

3.1 光譜檢測(cè)技術(shù)

光譜檢測(cè)技術(shù)是當(dāng)前使用范圍最廣的檢測(cè)方法，也是測(cè)定重金屬污染國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定所使用的檢測(cè)方法。將樣品預(yù)處理后放入離子體發(fā)射光譜儀，使重金屬元素氣化，觀測(cè)激發(fā)特征譜線(xiàn)的強(qiáng)度即可得到重金屬含量[15]。表2為標(biāo)準(zhǔn)重金屬檢測(cè)方法，該方法的缺點(diǎn)是程序復(fù)雜，需要對(duì)樣本進(jìn)行提前處理，進(jìn)行1次檢驗(yàn)的成本過(guò)高，且無(wú)法直接在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行檢測(cè)。

表2 土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中的重金屬元素檢測(cè)方法

3.2 質(zhì)譜法

質(zhì)譜法是伴隨著科技發(fā)展而出現(xiàn)的檢測(cè)方法。將樣品霧化后轉(zhuǎn)變?yōu)閹щ婋x子，之后注入質(zhì)譜計(jì)中，按比荷值進(jìn)行分離、計(jì)算。優(yōu)點(diǎn)是可以隨時(shí)隨地進(jìn)行土壤中重金屬含量檢測(cè)，避免運(yùn)輸工程中產(chǎn)生的損耗[16]。缺點(diǎn)是檢測(cè)儀器成本較高，不具備大規(guī)模配備檢驗(yàn)的可能性，而且被檢測(cè)樣品中水分含量會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生很大的影響，不能保證其準(zhǔn)確性。

3.3 原子熒光法

原子熒光法主要用于銻、鉍和汞的檢測(cè)。樣本經(jīng)過(guò)預(yù)處理后，通過(guò)酸性硼氫化鉀或者酸性硼氫化鈉的還原，會(huì)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的氫化物和汞原子。在發(fā)射光的激發(fā)之下，汞原子和氫化物形成的基態(tài)原子將會(huì)出現(xiàn)熒光。樣品內(nèi)重金屬含量越高，則熒光強(qiáng)度越大[17]。

3.4 石墨爐原子吸收分光光度法

石墨爐原子吸收分光光度法可以用于多種重金屬元素的檢驗(yàn)檢測(cè)。原理是把經(jīng)過(guò)預(yù)處理后的樣本放入石墨爐原子化器中，其中重金屬轉(zhuǎn)變?yōu)榛鶓B(tài)原子蒸汽，空心燈與放電燈發(fā)射的特征譜線(xiàn)在特定區(qū)域內(nèi)的吸光度和重金屬的質(zhì)量濃度成正比，觀測(cè)吸光度就能得到重金屬含量。

4 重金屬污染的治理途徑

4.1 物理途徑

通常對(duì)于土壤重金屬的污染治理的物理途徑就是通過(guò)物理手段，阻斷其繼續(xù)污染其他土壤，或者降低土壤污染途徑。土壤封裝技術(shù)是將被污染的土地取出進(jìn)行封裝，阻止其繼續(xù)污染其他土壤，適用于剛剛被污染的土壤環(huán)境。土壤填埋技術(shù)適用于某些特定場(chǎng)地的重金屬污染處理，如工廠遺址的重金屬污染處理。換土技術(shù)是將表層受污染的土壤與底層的干凈土壤進(jìn)行互換，利用自然環(huán)境進(jìn)行土壤重金屬污染的治理，這種處理方法雖然效果顯著，但是工程量大，成本消耗太高，只適用于小面積的污染治理。電動(dòng)修復(fù)是利用重金屬離子在通電狀態(tài)下會(huì)出現(xiàn)電遷移的現(xiàn)象進(jìn)行修復(fù)，但對(duì)于土壤環(huán)境的導(dǎo)電性要求過(guò)高，成本也過(guò)高。熱處理技術(shù)是根據(jù)重金屬污染物遇熱會(huì)揮發(fā)的特性，加熱受污染的土壤區(qū)域，使重金屬污染物揮發(fā)出來(lái)，通過(guò)使用相應(yīng)氣體收集裝置進(jìn)行收集，進(jìn)行集中處理。

4.2 化學(xué)途徑

治理土壤重金屬污染的化學(xué)途徑主要是通過(guò)各種化學(xué)反應(yīng)使重金屬元素變成其他易收集的存在。土壤淋洗法是使用特定的試劑對(duì)重金屬離子進(jìn)行吸附，從而治理土壤重金屬污染，但是目前淋洗劑的效率還不夠高，且容易造成二次污染?；瘜W(xué)固定法是目前治理污染效果最好的、風(fēng)險(xiǎn)最低的一種方法，所以其應(yīng)用率較高，但缺點(diǎn)是固化后產(chǎn)生的蘊(yùn)含大量重金屬的固體塊的處理問(wèn)題。

4.3 生物途徑

生物途徑處理方法主要是靠一些生物對(duì)于重金屬的吸附作用來(lái)進(jìn)行。植物修復(fù)法，依靠植物對(duì)于重金屬元素的吸附效果以及富集作用來(lái)進(jìn)行處理。微生物修復(fù)法，利用微生物生活過(guò)程中產(chǎn)生的酶降解重金屬的影響。相比于傳統(tǒng)的物理化學(xué)途徑，生物途徑在經(jīng)濟(jì)上成本更低，且不會(huì)產(chǎn)生二次污染，是未來(lái)應(yīng)該大力開(kāi)發(fā)的治理重金屬污染的手段。

5 總結(jié)

解決我國(guó)土壤中重金屬污染的問(wèn)題迫在眉睫。本文介紹了土壤中重金屬污染問(wèn)題的由來(lái)、危害，當(dāng)前污染現(xiàn)狀以及相應(yīng)的檢測(cè)治理方法，以期引起有關(guān)部門(mén)和相關(guān)研究學(xué)者的注意。對(duì)于土壤中重金屬污染的治理主要分為2步，減少重金屬污染的產(chǎn)生，治理已經(jīng)被重金屬污染的土地。環(huán)境保護(hù)保衛(wèi)戰(zhàn)是一項(xiàng)漫長(zhǎng)而持久的任務(wù)，需要每個(gè)人的不懈努力。