土壤镉污染现状与重金属修复方法研究

董 萌，赵运林，周小梅，库文珍

（湖南城市学院 化学与环境工程学院，湖南 益阳413000）

1 引言

土壤污染是世界性问题，其中重金属污染、有机物污染已成为最主要的两大污染类型，对人类的生存与发展构成严重威胁。世界各国普遍关注土壤污染现象，相继出台了一些政策法规和治理措施。由于自然、人为等多种因素的存在，土壤污染远远超出了人类的控制范围，而且随着社会发展呈现出愈加严重的趋势。由于污染区土壤多为开放空间，对其治理难度较大，但通过一些科学的途径仍可加以控制和修复。因此，土壤污染治理的目标并非不可实现，关键在于探索出科学合理的技术措施和途径。

2 国内外土壤Cd污染状况

Cd是生物生长发育过程的非必需元素，也是自然界中对动、植物及人体危害性最大的重金属种类之一，连同 Hg、As、Cr、Pb被称为土壤中的“五毒元素”[1，2]。Cd在自然环境中分布极广，地壳中的平均含量为0.2 mg·kg－1，广泛存在于岩石、沉积物及土壤中[3]。近年来，由于环境中Cd含量的不断增加，从而引起许多国家的普遍关注，这些国家基于对食物中重金属安全的认识，针对用于作物生产的农田土壤严格制作了一系列限定标准[4]（表1）。

在我国，土壤Cd污染状况也一直较为严重。20世纪90年代，国内As、Pb、Cu、Hg等重金属污染的农田土壤面积为2.0×107hm2，其中Cd污染已超过1.0×106hm2，此后一直呈上升趋势[5，6]。在国内某些地区，Cd污染状况更加突出，Du等[7]对东北某冶炼厂周围农田土壤的重金属污染调查发现，所采集土壤样品中Cd的含量在4.1～167.6mg·kg－1不等，地积累指数结果表明该地区Cd的污染程度最为严重；对浙江上虞地区的监测结果也表明，Cd在所调查的几种重金属中污染程度最高，且土壤中有效态的Cd占有较大比例，对周边小麦生产及生态安全造成了极大威胁[8]；由于过高的土壤Cd污染而导致蔬菜、粮食及经济作物食品安全性降低的现象同样存在于广东大宝山、重庆万州等地[9，10]。由于工业污水灌溉、矿渣堆弃等突发性原因，再加上农药、磷肥导致的面源污染等持久性问题的存在[11～13]，近年来国内“镉米”事件频频报道，给人们的生产、生活带来很多负面影响。近日，国家环保部部长周生贤在向全国人大常委会所作的环境质量报告中指出：中国重金属污染呈高发态势，2011年1～8月份全国共发生11起较为严重的重金属污染事件，给某些地区人们的生活造成恐慌。

表1 一些国家的土壤重金属限定值

针对食品安全问题，王凯荣[5]将我国部分地区的农田土壤Cd污染状况及当地稻米中的Cd含量作了汇总，以引起相关部门的重视（表2）。

依据联合国食品法典委员会于2006年9月7日发布的有关食品中铅、镉和黄曲霉素最高限量的最新规定，精白米中Cd的最高含量标准为0.4mg·kg－1，由此可见，上述地区粮食产品的安全性远远达不到这一标准。

表2 我国部分地区污染农田土壤和农作物镉含量

3 常见修复方法分析

为了合理地利用现有的土地资源，减少污染物通过食物链对人体生存与健康造成的危害，需对受重金属、有机物污染的土壤进行科学的治理与恢复。一般来讲，对重金属污染土地的治理大致有移位客土法、原位改良法、物理电动修复法、化学淋洗法等多种方法[14，15]。

3.1 土壤淋洗修复法

淋洗修复法可快速将污染物从土壤中移除，短时间内实现高浓度污染土壤的治理，其治理费用相对较低，现已成为重金属污染土壤快速修复技术的研究热点和发展方向之一[16]。该技术利用可令土壤中污染物溶解（或迁移）的液体物质来淋溶受污染的土壤基质，从而使吸附、固定在土壤颗粒上的污染物洗脱、解离而去除[17，18]，其作用机理在于借助于化学淋洗液或助溶剂结合土壤中的污染物，并通过螯合、解吸、溶解或固定等化学过程，最终达到净化污染的目的[19]。这一技术具有选择性低（可适用于大部分重金属和有机污染）、操作灵活（原位淋洗或离场修复均可进行）、修复效果彻底等优点[20]，所用到的无机淋洗剂、人工螯合剂、氧化剂等也较容易获得。但是土壤淋洗技术在实际应用方面也存在一定的缺陷和局限性，主要表现为该技术对质地粘重、渗透性差的土壤修复效果不太理想，主要是由于淋溶剂的渗入和扩散过程受到了阻隔，在这种质地的土壤上难以发挥理想的作用效果；其次，目前已报道的去除效率高的天然淋洗剂，其获得途径较少，因此价格都比较昂贵，这对大面积的实际修复造成了一定的困难；另外，洗脱废液的回收处理问题不容回避，淋洗剂多为高分子化合物质，其在土壤中的残留量可能造成深层土壤和地下水的二次污染，甚至对为污染的环境构成威胁[21～24]。因此，寻找开发安全易降解、同时作用效果好的土壤修复淋洗剂是今后研究的重点。

3.2 稳定/固化修复法

稳定/固化（solidification/stabilization）修复，简称为S/S修复，最早在20世纪50年代用于对放射性废弃物的固化处理。首先区别一下固定化和稳定化的不同含义：稳定化是指从污染物的生物有效性（Bioavailability）出发，通过转化其形态或价态，将污染物转化为溶解、迁移能力较低，或毒性较小的物质而实现无害化；固定化则是指将污染物包封在惰性基材中，或在污染物外面覆盖一层低活性、低渗透性材料，通过减少污染物暴露在外面的淋滤面积达到限制其迁移的目的，该过程一般不改变污染物的化学性质或形态。其中将粒径细小的污染物颗粒固定化称之为微囊化（microencapsulation），将粒径较大的颗粒固定化称为巨囊化（macroencapsulation）。由此可知，S/S修复技术指运用物理、化学方法将土壤中的污染物质固定，或者将其转化成为惰性物质（化学性质不活泼的形态），从而阻止其在环境中的迁移和扩散，达到控制污染的目的[25]。以美国在处理低水平放射性液体为例，S/S修复的技术流程一般是，先用水泥等物质将其固化（或用蛭石等矿物质吸附），然后再进行填埋。在欧洲，对放射物质的处理基本是先用水泥固化，后用惰性材料包封，最后进行海洋深埋[26]。当然，稳定/固化修复技术自身也存在一些不足，比如在利用不同的胶凝材料方面，多数重金属硫酸盐物质对于硅酸盐水泥的浆体都有较强的侵蚀作用，从而导致固相体积增加，造成混合体膨胀；另外硅酸盐水泥抗酸性较差，而我国南方地区酸雨严重，基材的不抗酸性使得已固化的重金属在酸性环境中很可能重新溶出，这些都是限制该项技术大规模应用的潜在因素[27]。

3.3 电动修复法

在重金属污染的物理性修复类型中，电动修复法是近年来发展较快的一种技术[28]，该技术最早是20世纪90年代由美国路易斯安纳州立大学开发[29]，主要针对受重金属污染的土壤及地下水的修复。其技术过程是，首先通过在污染土壤两侧施加直流电压（可直接将电极插入受污染土壤或地下水区域），从而形成一定的电场梯度，金属污染物则在电场力作用下沿电场方向发生定向迁移，到达电极区的金属离子则经过电沉降作用在电极棒上进行沉积，最后再将污染物分离或集中处理。由于电场中介质的pH影响金属离子的迁移速度、沉淀效果，因此如何将土壤pH值控制在最佳范围之内是土壤电动修复的关键问题之一[30]。樊广萍等[31]通过研究摸索出了用于重金属和有机物复合污染的电动修复条件，即往试验红壤中添加了表面活性剂羟丙基－β－环糊精（HPCD）和 H2O2，并将阴极酸性pH值调节为3.5左右，结果显示芘和铜的去除率分别可达51.3%和80.5%，实现了重金属和有机污染物的同时去除。作为一种尚为新兴的技术，电动力学方法也存在着对污染物选择性不高、酸化措施的生态风险性较大等方面的不足，在实践应用中还需进行较多方面的完善。

4 生态修复理论

4.1 生态修复概念的提出

前述几种重金属污染土壤的修复方法，均借助于外源的物理、化学添加物的作用，在效果上虽卓有成效，但其实质仍是改变了土壤理化性质的化学反应过程，或多或少存在着环境威胁因素。随着科学理论的发展和人们环境意识的提高，对受污染的环境实施生态修复的思想逐渐形成。生态修复（ecological remediation），是指以生态学原理为指导，以生物修复为核心，同时以各种物理、化学、农艺措施等为辅助手段，通过技术间的优化组合，实现最低耗费和最佳效果的一种综合性污染修复方法[32～35]。生态修复的创新性不在于具体的修复方法和技术过程，而在于综合利用各种修复方法进行优化组合，实现各修复环节的最佳衔接，并重视生物和环境因子在修复过程中的调控作用[36]。鉴于在土壤修复过程中可能产生毒性更强的二次污染物[37]，因此生态修复的目的不能仅仅定位在污染物的有效去除上，还应该结合整体环境效应进行考虑，土壤生态毒理性的降低和生态服务功能的恢复也将是生态修复技术的目的[38]。

4.2 生态修复的特点

（1）修复对象的复杂性。生态修复所面对的修复对象不是单一的污染物质，其目的在于实现土壤的综合修复。

（2）修复方法的多样性。生态修复方法是集物理、化学、生物修复等多种方法的优化组合，在过程和效果上取长补短，体现出技术上的灵活性[39]。

（3）影响因子的广泛性。生态修复过程主要通过生物体的新陈代谢等生命活动完成，而这一过程依赖于生物体生存的各种环境因子的综合作用，因此，要客观分析生态修复过程的影响因素，以更好地辅以一定的强化措施。

（4）修复过程的系统性。生态修复是一类综合性、系统性的方法体系，它不是单纯指某一种具体的方法，而是可以看作多种生态手段的集合，其核心理念是生态过程，即不以过多地牺牲环境成本为代价、不对环境造成二次污染，在此过程中合理地运用了动物、植物、微生物等多种环境主体的生命活动规律，并最大限度地发挥了环境因素的促生作用。

5 结语

随着环保要求的提高，传统的物理、化学方法治理土壤重金属污染已受到多种限制，其对环境的危害性及风险性愈加明显。当前，随着矿产资源越来越多地开采利用和社会发展，土壤镉污染水平呈不断增高的趋势，开发出高效、安全的生态修复措施尤为重要。近年来世界各国在该领域研究投入了大量的人力、财力，旨在从根本上遏制土壤镉污染态势。从生态修复出发，植物修复、微生物修复及植物－微生物联合修复等技术措施在不断地探索开发中，相信在不久的将来，优势条件较为明显的生态修复措施会代替传统的物理、化学修复技术而用于土壤镉污染的防治实践中。

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