重金屬污染土壤綠色可持續(xù)修復技術(shù)

王鑫彤

（大連誠澤檢測有限公司，遼寧 大連 116000）

0 引言

重金屬如鉛、鎘、汞以及砷等由于其持久性和生物富集特性，不僅嚴重威脅土壤生態(tài)系統(tǒng)的健康與穩(wěn)定，而且危害到人類食品安全和公共健康。面對這一挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的土壤修復技術(shù)如物理移除、化學穩(wěn)定等雖然效果顯著，但往往伴隨高成本和潛在的二次污染風險。因此，利用綠色可持續(xù)的土壤修復技術(shù)變得至關(guān)重要，目前主流的綠色土壤修復技術(shù)包括植物提取法、微生物修復法、土壤洗脫法、電動力技術(shù)以及固體廢物修復法等，此類修復技術(shù)利用自然過程和材料的吸收、轉(zhuǎn)化能力來降低重金屬的活性或直接從污染環(huán)境中移除，以實現(xiàn)經(jīng)濟效益與生態(tài)效益的雙贏。本文旨在探討如何采用綠色可持續(xù)修復技術(shù)修復重金屬污染土壤，并不對周邊環(huán)境造成損害。

1 重金屬污染土壤綠色可持續(xù)修復技術(shù)的應用優(yōu)勢

1.1 環(huán)境效益

重金屬污染土壤的綠色可持續(xù)修復技術(shù)在環(huán)境保護和生態(tài)平衡方面具有顯著的優(yōu)勢，此類技術(shù)通常采用自然界存在的物質(zhì)和能量循環(huán)系統(tǒng)，如植物吸收和微生物降解，減少了化學合成物質(zhì)的使用，從而大幅降低了對環(huán)境的二次污染風險。以其中的植物提取法為例，技術(shù)人員可選用特定植物能夠通過其根系吸收土壤中的重金屬，并通過生物積累和轉(zhuǎn)化作用將其固定或者轉(zhuǎn)移，最終通過收割植物來去除土壤中的重金屬。而且，在微生物修復法中，技術(shù)人員通過施用有益微生物不僅可以直接降低土壤中的重金屬含量，還可以改善土壤結(jié)構(gòu)和營養(yǎng)狀態(tài)，為其他生物（如昆蟲、鳥類）提供更好的棲息環(huán)境。從該角度分析，綠色可持續(xù)技術(shù)可在修復過程中注意保護現(xiàn)存非目標生物群落與自然景觀，和傳統(tǒng)的物理化學方法相比較，不會引起大范圍的地形或地貌變化，因而更適合敏感和天然環(huán)境[1]。

1.2 社會經(jīng)濟效益

對于重金屬污染土壤而言，如果采用綠色可持續(xù)修復技術(shù)，經(jīng)濟成本方面更有優(yōu)勢，綠色可持續(xù)修復手段往往涉及較少的機器設(shè)備投入和更低的運行成本，以其中典型的植物修復為例，種植耐污染植物可能只需要普通農(nóng)業(yè)耕作的投資，并且可以通過出售具有生物提取功能的植物產(chǎn)出實現(xiàn)部分成本回收，而且綠色可持續(xù)技術(shù)為當?shù)厣鐓^(qū)創(chuàng)造了就業(yè)機會，促進相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展。

2 土壤重金屬污染修復中綠色可持續(xù)技術(shù)的應用策略

2.1 工程概況

案例工程位于工業(yè)區(qū)毗鄰的30 000 m2土地上，土壤經(jīng)相關(guān)部門檢測含有高濃度鉻（Cr）和鎳（Ni），平均濃度分別為200 mg/kg 和100 mg/kg，超過了《土壤環(huán)境質(zhì)量建設(shè)用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB 36600—2018）中規(guī)定的閾值，為對上述重金屬污染進行治理，案例工程技術(shù)人員經(jīng)過會議研討，決定采取結(jié)合植物提取與固體廢物穩(wěn)定化的綠色可持續(xù)技術(shù)進行土壤修復。在植物提取方面，使用了具有高重金屬吸收能力的植物如羽衣甘藍（Brassica juncea）和苜蓿（Medicago sativa），同時，運用了固體廢物修復法增強土壤修復效果，選用了焦化廠的粉煤灰和城市污泥作為添加劑，這些固體廢物經(jīng)過特殊的預處理以去除有害成分，并被施加到受污染的土壤中。案例工程采用的兩種可持續(xù)綠色修復方法的集成不僅有效降低了土壤中的重金屬濃度，而且利用了工業(yè)副產(chǎn)品，減少了固體廢物處理成本，并因此受到當?shù)卣铜h(huán)保組織的支持[2]。

2.2 場地評估與污染物特性分析

采取相關(guān)技術(shù)對案例工程重金屬土壤污染修復前，技術(shù)人員應對現(xiàn)場污染進行分析評估，技術(shù)人員采取了詳實的土壤采樣與測試，確保了對于污染情況的準確理解，采樣過程中由專業(yè)環(huán)境評估團隊在受污染區(qū)域內(nèi)布點進行系統(tǒng)采樣，并以網(wǎng)格形式覆蓋整個區(qū)域。針對每個樣本，技術(shù)人員運用原子吸收光譜法（AAS）、X 射線熒光光譜法（XRF）等精確檢測技術(shù)，定量分析土壤中鉻、鎳含量及其物種形態(tài)，而且考慮到重金屬在不同pH 值和有機質(zhì)含量下的生物有效性和遷移能力，測試也包括了土壤中的有機質(zhì)含量。

案例工程在污染特性分析環(huán)節(jié)，技術(shù)人員依據(jù)收集到的數(shù)據(jù)計算重金屬的總負荷并預測其在環(huán)境中的行為，合理利用統(tǒng)計學方法如Kriging 插值為評估提供空間分布圖，直觀顯示了重金屬在土壤中的濃度梯度和熱點區(qū)域，同時管理人員通過模擬鉻、鎳的遷移途徑及其與土壤成分間相互作用，如吸附－解吸平衡、沉積與螯合反應等，預測未來若無干預可能產(chǎn)生的后果[3]。

2.3 選擇合適植物種類并種植

案例工程面臨的挑戰(zhàn)在于選擇合適的植物種類來修復含有高濃度鉻（Cr）和鎳（Ni）的土壤，為此技術(shù)人員查詢了相關(guān)文獻，并對當?shù)仄毡樯L的植物進行了調(diào)查分析，以識別出在重金屬污染土壤中表現(xiàn)良好的植物種類，技術(shù)人員在考察了多篇科學研究報告和歷史案例后，選擇了羽衣甘藍（Brassica juncea）和苜蓿（Medicago sativa），此兩種植物能夠在含鉻和鎳的環(huán)境中生長，同時可以通過其根系吸收并積累這些金屬。選定植物種類后，技術(shù)人員分析了土壤的物理化學特性，明確了土壤pH 值、有機質(zhì)含量、土壤質(zhì)地及營養(yǎng)狀況等，并據(jù)此調(diào)整了土壤條件，以最大限度地提升植物提取效果[4]。

在上述基礎(chǔ)上，技術(shù)人員在案例工程工業(yè)園區(qū)附近開展小規(guī)模的試驗種植，評估羽衣甘藍和苜蓿在實際污染土壤中的生長情況及其對重金屬的吸附能力，在試驗種植區(qū)域安裝了30 個點位重金屬含量檢測傳感器，以監(jiān)測不同時間點植物體內(nèi)鉻與鎳的積累量，確定其修復效果和修復周期。通過試驗種植后，案例工程技術(shù)人員設(shè)計了一套系統(tǒng)的種植計劃，細化了每塊區(qū)域的種植密度、排列模式，確保了光照、水分等自然資源能夠被有效利用，并制定了定期采集植物樣本以監(jiān)測重金屬吸收進度和可能出現(xiàn)的任何生長問題。此外，案例工程技術(shù)人員還從可持續(xù)發(fā)展角度著手，在種植過程中采用無害化處理策略處理收獲后富含重金屬的植物體，對其進行焚燒或堆肥處理，使之轉(zhuǎn)變?yōu)闊o害狀態(tài)。最后，除了應用生物技術(shù)來修復土壤外，案例工程還采用了固體廢物修復法，將粉煤灰和城市污泥預經(jīng)過無害化處理后與土壤混合，既改善了土壤理化性質(zhì)促進植物生長，又實現(xiàn)了對重金屬離子的穩(wěn)定化和固定化作用[5]。

2.4 加工固體廢物并混合

在對土壤重金屬污染進行治理的過程中，采用了固體廢物修復法作為土壤穩(wěn)定化措施，技術(shù)人員根據(jù)該地區(qū)土壤的特性和污染情況，制定了一系列固體廢物加工與混合的步驟。首先，技術(shù)人員選擇粉煤灰和城市污泥作為主要添加劑，粉煤灰和城市污泥在該城市工業(yè)園區(qū)的工業(yè)過程中大量產(chǎn)生，且被視為廢物，但其含有能夠與重金屬反應形成不溶化合物的成分，如硅酸鹽、鋁酸鹽等，因此可以通過化學反應固定重金屬離子，而且案例工程凈化區(qū)域處于工業(yè)園區(qū)旁，具有區(qū)位優(yōu)勢，節(jié)省了運輸費用。

但在將這些材料應用于土壤之前，必須經(jīng)過適當?shù)念A處理以降低其自身的環(huán)境風險，技術(shù)人員對相關(guān)材料進行了干燥、破碎和篩選粉煤灰以去除大塊無用物質(zhì)，并將城市污泥經(jīng)過高溫焚燒或堆肥以減少其有機物含量，并銷毀其中可能存在的致病微生物或其他有毒有害物質(zhì)。考慮到粉煤灰具有較高的pH 值，能有效提高酸性土壤pH，減少重金屬的生物可利用性，技術(shù)人員通過實驗室模擬試驗確定了兩種添加劑與土壤混合的最佳比例，而且還考慮到混合使用這些固體廢物時可能會引入新的污染物，例如重金屬或有機污染物，因此在加入土壤前，技術(shù)人員結(jié)合現(xiàn)場實際對這些潛在污染物進行了全面檢測。另外，在實際混合過程中，技術(shù)人員采用了機械攪拌和土壤耕作機具確保固體廢物與受污染土壤充分混合。為達到更好的修復效果，技術(shù)人員監(jiān)測了混合后土壤中重金屬的形態(tài)變化，并通過批量試驗確定了最優(yōu)施加量。

2.5 修復情況監(jiān)測與優(yōu)化

為監(jiān)測上述植物提取法和固體廢物法的重金屬凈化效果，案例工程建立了多點和多深度的土壤取樣計劃，以便在修復前對受污染區(qū)域進行基線數(shù)據(jù)的收集，技術(shù)人員在采樣點布設(shè)時考慮到了污染物分布的異質(zhì)性，規(guī)劃至少每5 000 m2設(shè)置一個監(jiān)測點，并且分別在地表、中層、底層（0～30 cm、30～60 cm 和60～90 cm）進行土壤取樣，再由認證實驗室通過標準化方法如原子吸收光譜法（AAS）或者電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS）來分析鉻和鎳含量。在上述基礎(chǔ)上，技術(shù)人員建立了監(jiān)控日程表，在植物生長季節(jié)每月檢測一次土壤中的重金屬含量變化情況，定期記錄天氣條件、植物生長狀況和固體廢物施用情況，監(jiān)測環(huán)境參數(shù)對修復進度的影響。最后技術(shù)人員采用統(tǒng)計軟件進行數(shù)據(jù)分析，利用方差分析（ANOVA），以確定修復過程中時間和空間上數(shù)據(jù)的顯著性差異，在植物生長周期結(jié)束后，對土壤中殘存的鉻和鎳含量以及植物組織中累積的金屬含量進行評估，明確植物提取效率并識別任何可能需要調(diào)整治理策略的區(qū)域。

2.6 修復效果評估分析

在植物提取階段，羽衣甘藍和苜蓿這兩種植物能夠有效吸收土壤中的重金屬，經(jīng)過兩個生長季后，鉻的含量降低了25%，鎳的含量降低了20%。隨后加工粉煤灰和城市污泥并混合到受污染的土壤中，由于粉煤灰具有高pH 值和特定的礦物質(zhì)組成，它與土壤中的鉻和鎳發(fā)生了化學反應，進一步將鉻和鎳的含量分別降低至120 mg/kg 和60 mg/kg。在固體廢物混合之后，相較于初始濃度，鉻和鎳的濃度都降低了40%。通過對比分析可以明顯看出，對比分析如表1 所示。結(jié)合植物提取技術(shù)和固體廢物穩(wěn)定化技術(shù)在該案例工程中的應用較為成功，盡管在植物提取階段已經(jīng)有了可觀的減少，但固體廢物混合方法更是極大地提高了土壤中重金屬去除效率，并且最終實現(xiàn)了整體上對Cr 和Ni 濃度40%的降低。此外，案例工程不僅關(guān)注了污染治理本身，還把環(huán)保理念融入修復流程中去，通過使用工業(yè)副產(chǎn)品如粉煤灰和城市污泥作為添加劑，實現(xiàn)了資源循環(huán)利用，并減少了新的環(huán)境壓力。

表1 修復效果對比分析

3 結(jié)語

當前我國環(huán)境保護相關(guān)部門一方面要清除歷史遺留下來的環(huán)境污染問題，另一方面則需要制定并堅持使用更為綠色和可持續(xù)的方法來防止未來污染的產(chǎn)生?；诖酥笇枷?，本文依托于實際工程，分析了植物提取法和固體廢物法的具體應用流程，發(fā)現(xiàn)每種方法都有其適用范圍和局限性，但是共同構(gòu)建起了一套多元化的解決方案體系，足以應對復雜多變的土壤重金屬污染問題。未來，相關(guān)部門應聚焦于優(yōu)化現(xiàn)有技術(shù)、發(fā)展新型材料與方法，加強跨學科合作，將環(huán)境科學與工程技術(shù)相結(jié)合，從而提高修復效率和降低成本，以此實現(xiàn)重金屬土壤污染綠色修復技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展。