土壤重金属污染及其修复技术研究

陈 婧,王 博,郭昱言,齐 璐,何 鑫

(1.中国环境管理干部学院,河北秦皇岛066004;2.秦皇岛广播电视台,河北秦皇岛066000;3.燕山大学,河北秦皇岛066004)

土壤重金属污染及其修复技术研究

陈 婧1,王 博1,郭昱言2,齐 璐3,何 鑫1

(1.中国环境管理干部学院,河北秦皇岛066004;2.秦皇岛广播电视台,河北秦皇岛066000;3.燕山大学,河北秦皇岛066004)

土壤重金属污染物有汞、镉、铅、锌等,主要来源于交通运输、工业污染和农业污染。土壤重金属污染会导致农作物减产甚至死亡,对人体健康也会产生极大危害。目前土壤重金属污染修复的技术主要包括工程修复法、物理化学修复法、化学修复法和生物修复法。植物修复技术作为一种新兴的绿色、生态、高效的修复技术具有良好的发展前景。

重金属;土壤污染;工程修复法;物理化学修复技术;化学修复法;植物修复技术

土壤重金属污染是指人类活动将金属加入到土壤中,致使土壤中重金属明显高于原生含量,并造成生态环境质量恶化的现象。[1]我国土壤污染状况已经影响到了耕地质量、食品安全甚至人的身体健康。土壤污染面积不断增加,上世纪80年代末期,我国污染面积只有几百万公顷,而现在已经超过了1000万hm2。土壤污染的隐蔽性和滞后性,使得一些重金属污染问题不能被我们的感官发现,往往要通过分析化验土壤样品,甚至是长期研究人畜健康状况才能被发现。同时由于土壤污染具有累积性和不可逆转性,一旦污染发生,仅仅靠切断污染源的方法很难恢复,治理污染土壤的成本高,周期长。本文在讨论土壤重金属污染来源和危害的基础上,论述了土壤重金属污染修复技术的研究进展,以期为土壤重金属污染治理提供科学依据。

1 土壤重金属污染的来源

大多数重金属主要通过三种途径进入到土壤中：(1)交通运输。主要是含铅汽油的燃料和汽车轮胎磨损产生的粉尘,经自然沉降和雨淋沉降进入土壤,与重金属发达程度、人口密度、交通发达程度有直接关系,污染强弱顺序为：城市、郊区、农村。(2)工业污染。工矿企业排放的废水、废气和固体废弃物都含有大量的重金属,它们通过直排、自然沉降和雨淋等方式进入土壤。据统计,中国因工业“三废”污染的农田近700万hm2。(3)农业污染。个别农药含有汞、砷、铜、锌等重金属,因此滥用农药会带来土壤的重金属污染。同时地膜的大面积使用,也使Cd、Pb等热稳定剂进入土壤中,加重了土壤的重金属污染程度。

2 土壤重金属污染的危害

土壤重金属污染物主要有汞、镉、铅、锌等,同种金属由于它们在土壤中存在形式不同,其迁移转化特征和污染情况也不同,因此在研究土壤中重金属的危害时,不仅要注意它们的总含量,还必须考虑各种形态的含量。下面简单列举几种重金属的危害：

2.1 汞

土壤中的汞污染主要来自于燃煤、污染灌溉、汞制剂厂及冶炼厂的废水排放。在好氧微生物作用下主要形成脂溶性的甲基汞,在厌氧微生物作用下,主要形成二甲基汞。汞在一定浓度下会使作物减产,浓度较高时会使作物死亡。

2.2 镉

自20世纪20年代,随着电解工业的发展,镉生产的污染问题也随之出现。镉在土壤中存在形态很多,大致可以分为水溶性镉和非水溶性镉两大类。镉对植物的危害主要表现为：损伤根部、抑制植物水分的吸收、阻碍光合作用和蒸腾作用等。[2]镉对人体组织和器官的毒害是多方面的,除损伤肾脏外,还会致癌、致畸。

2.3 铜

适量的Cu对植物正常的生理代谢及产量的提高等都有积极作用,过量的Cu会伤害叶绿素,影响植物的光合作用和呼吸作用。其通过食物链进入人体,在人体中不断积累,当达到一定的浓度时会对人体健康产生危害。[3]

3 土壤重金属污染修复技术研究

由于土壤重金属污染具有长期性、潜伏性和隐蔽性的特点,因此对土壤重金属污染的控制和修复显得十分重要。目前土壤重金属污染修复的技术主要包括工程修复法、物理化学修复法、化学修复法和生物修复法。

3.1 工程修复法[4]

工程修复法主要包括客土、换土和翻土3种方法。翻土用于轻度污染的土壤,客土和换土则用于重度污染的土壤。这3种方法,可以稀释土壤中重金属的含量,减少重金属对植物的毒害。工程修复法比较稳定、彻底,但是实施工程量大、投资高,破坏土体结构,同时换出的污土的堆放和污染治理也是一个很关键的问题。

3.2 物理化学修复法

土壤重金属污染的物理化学修复法包括电修复、热修复和土壤淋洗3种方法。电修复法是在电场的作用下,将重金属等污染物迁移到一段,从而将污染物分离,然后再集中收集处理。热修复是利用污染物的热挥发性,对土壤进行加热,使重金属污染物从土壤颗粒中解吸出来。土壤淋洗是利用淋洗液把土壤固相中的重金属污染物转移到液相中去,再对富集重金属的废水进行处理的方法。这些方法成本比较高,操作起来也比较复杂。

3.3 化学修复法

土壤化学修复技术就是通过添加一些化学试剂,改变重金属在土壤中的存在形式,从而降低其生物有效性和迁移性。目前应用最多的是直接向土壤中添加改良剂(如磷酸盐、石灰、硅酸盐等)使重金属得以稳定的方法。化学修复法简单易行,但它只是改变了重金属在土壤中的存在形态,金属元素仍保留在土壤中,很容易再度活化危害植物。

3.4 生物修复法

生物修复技术是近几年土壤重金属污染治理的新方法,包括植物修复和微生物修复。生物修复法效果好,简便易行,现在越来越受到人们的重视。

3.4.1 植物修复法

植物修复技术是一种新兴的绿色生物技术,它是以植物忍耐和超量积累某种或某些化学元素的理论为基础,不仅成本低,而且不破坏土壤的生态环境。根据作用机理可以将其分为植物稳定、植物提取、植物挥发三种。目前对于土壤重金属污染植物修复技术的研究主要集中在超富集植物的筛选上。

植物稳定(Phytostabilization)是耐性植物利用其自身的机械稳定作用和吸收沉淀作用来固定土壤中重金属的方式,其中包括了分解、沉淀、螯合、氧化还原等多种过程,这些过程可以降低重金属的生物有效性,防止其进入水体和食物链。

植物提取(Phytoextraction)是利用重金属超富集植物的吸收和转运,将土壤中的一种或几种重金属转移并储存在地上部分,随后收获地上部分并集中处理。[5]这一概念最早是由Chaney提出的,目前已经被公认为土壤重金属污染最具有潜力的修复技术。

植物挥发(Phytovolatilization)是指利用植物根系分泌的一些特殊物质或微生物使土壤中的汞、硒转化为挥发形态以去除其污染的一种方法。这种方法只限于挥发性污染物,应用范围比较小,而且这种方法会将土壤中的污染物转移到大气中,具有很大的环境风险。[6]

3.4.2 微生物修复法

微生物修复技术是利用微生物的生命活动,使重金属离子的活性或毒性降低,以减少土壤重金属污染的方法。目前,研究人员对土壤重金属的微生物修复进行了比较系统的研究,但是应用推广比较缓慢。

4 研究展望

目前,土壤重金属污染修复技术的研究和应用仍然处于试验开发阶段。物理化学方法费用昂贵,难以用于大规模污染土壤的改良。植物修复技术作为一种新兴的绿色、生态、高效的修复技术得到了各界的认可,具有良好的发展前景。下一阶段作为植物修复技术关键的超富集植物的筛选及培育将是重金属污染技术研究的关键。

[1]陈志良.重金属污染土壤修复技术[J].环境保护,2002,(6)：21-23.

[2]康浩,石贵玉,潘文平,等.镉对植物毒害的研究进展[J].安徽农业科学,2008,36(26)：11200-11201,11204.

[3]常红岩,孙百晔,刘春生.植物铜素毒害研究进展[J].山东农业大学学报,2000,31(2)：227-230.

[4]曹越,吴晓敬,李淑岩.土壤重金属污染来源及修复技术研究[J].环境科学与管理,2010,(3)：62-64.

[5]丁佳红,刘登义,储玲,等.重金属污染土壤植物修复的研究和应用前景[J].生态学杂志,2004,21(4)：6-9.

[6]夏星辉,陈静生.土壤重金属污染治理方法研究进展[J].环境科学,1997(3)：72-76.

Research on Heavy Metal Pollution and Remediation Techniques of Soil

Chen Jing1,Wang Bo1,Guo Yuyan2,Qi Lu3,He Xin1
(1.Environmental Management College of China,Qinhuangdao Hebei066004;2.Qinhuangdao TV&B roadcasting Station,Qinhuangdao Hebei066000;3.Yanshan University,Qinhuangdao Hebei066004)

Heavy metal pollutants of soil such as mercury,cadmium,lead,zinc,mainly come from transportation,industrial pollution and agricultural pollution.Heavy metal pollution will lead to crop failures and even death,and will produce great harm to human health.At present the remediation technology of soil-contaminated heavy metal pollution includes engineering remediation,physical-chemical remediation,and chemical-biological repair method.Phytoremediation,as an emerging green,ecological and efficient remediation technology has good prospects for development.

heavy metals;contaminated soils;engineering remediation;physical-chemistry remediation technique;chemistry remediation;phytoremediation technique

X53

A

1008-813(2010)05-0066-03

10.3969/j.issn.1008-813X.2010.05.021

2010-09-13

河北省高等学校科学技术研究青年基金项目“重金属污染土壤超富集植物的筛选及其对Cd胁迫的响应”(2010167)

陈婧(1982—),女,河北秦皇岛人,毕业于河北科技大学环境工程专业,硕士,主要研究土壤污染修复。