重金属污染土壤的修复技术研究进展及发展前景

吴燕芳

（福建省废物管理中心，福建福州350001）

近年来，随着城市化、工业化和农业集约化的快速发展，我国土壤重金属的污染问题越来越严重[1]。土壤重金属污染事件频繁发生。2011年年初的“镉米风波”，重金属镉就是由产地的污染土壤侵入到稻米中的。2011年8月，云南省曲靖市非法倾倒剧毒工业废渣铬渣导致环境污染。有权威材料表明，全国每年受重金属污染的粮食高达1200万t，直接经济损失超过200亿元。目前，国家对重金属污染工作也高度重视，国务院于2011年2月18日正式批复《重金属污染综合防治“十二五”规划》。因此，重金属污染土壤的修复技术研究是当前环境保护的重要课题之一。文中重点介绍了国内外有关重金属污染土壤的修复技术研究进展及发展前景。

1 重金属土壤污染源及其特点

重金属是指密度大于5.0 g/cm3的金属元素，包括铁、锰、铜、锌、镉、铅、汞、铬、镍、铝、钴等，在环境污染方面所指的重金属是指对生物有显著毒性的元素，从毒性角度，通常砷、铍、锂、硒、硼、铝等也归为重金属的研究范畴[2]。我国土壤重金属的主要污染源是污水灌溉、固体废弃物的不当堆放、矿山开采与冶炼以及使用重金属制品等人为因素所致。

重金属污染土壤具有其独特的特点：

（1）具有隐蔽性和滞后性。土壤重金属污染不像大气污染、水污染及废弃物污染那样直观。

（2）具有累积性。重金属污染物质在土壤中不易迁移，容易在土壤中不断积累而超标。

（3）具有不可逆转性。在土壤中，许多有机化学物质的污染也需要较长的时间才能降解，某些重金属污染的土壤可能要100～200年时间才能够恢复[3]。由于土壤地球物理化学的自然形成过程极其缓慢，一般每百年以0.5～2.0 cm厚度的速率进行，这就意味着土壤资源一旦遭到污染或人为干扰后将很难在短时期内得以恢复[4]。

（4）具有难治理性。土壤重金属污染一旦发生，仅仅依靠切断污染源的方法往往很难恢复，有时要靠换土、淋洗土壤等方法才能解决问题，通常成本较高，治理周期较长。

2 重金属污染土壤的修复技术

目前，国内外对重金属污染土壤修复技术进行广泛的研究，取得了一定的进展，具体包括以下几种修复措施。

2.1 物理修复

2.1.1 客土法、换土法和深耕翻土法

通过客土法、换土法和深耕翻土法与污土混合，可以降低土壤中重金属的含量，减少重金属对土壤-植物系统产生的毒害，从而使农产品达到食品卫生标准。深耕翻土法用于轻度污染的土壤，而客土法和换土法则是用于重污染区的常见方法，在这方面日本取得了成功的经验。以上这些工程措施是比较经典的重金属污染土壤治理措施，具有彻底、稳定的优点，但实施工程量大，投资费用高，破坏土体结构，引起土壤肥力下降，并且还要对换出的污土进行堆放或处理，因此不是一种理想的污染土壤修复方法。

2.1.2 电热修复法

电热修复是利用高频电压产生电磁波，产生热能，对土壤进行加热，使污染物从土壤颗粒内解吸出来，加快一些易挥发性重金属如汞、砷从土壤中分离，或者进行热固定等的一种方法。该方法具有技术成熟、工艺简单等优点，但是耗能大、操作费用较高，只对具有挥发性的重金属适用，所以具有局限性。

2.1.3 玻璃化技术

玻璃化技术是指把重金属污染区土壤置于高温高压下，使之形成玻璃态物质，将重金属固定其中，从而达到从根本上消除土壤重金属污染的目的。该技术方法工程量大，费用偏高，其最大的特点是见效快，适用于对受到重金属污染严重的土壤进行抢救性修复工作。

2.1.4 电动力修复

电动力修复技术的主要机理是重金属污染物在电场的作用下，通过离子迁移和电渗定向迁移出土壤，从而达到修复的目的[5]。其基本方法是在水饱和土壤中插入电极并通以直流电，土壤中的污染物如重金属、放射性元素和有害有机物在电场的作用下，分别向阴、阳两极迁移，从而达到去除土壤中有害物质的目的[6]。电动修复作为一种原位修复技术，不搅动土层，具有处理成本低，修复效率高，后处理方便，环境影响小，可以处理饱和、不饱和土壤等一系列优点，特别是在处理点源污染和突发性事故等方面有非常好的应用前景，是对现有方法的重要补充[7]。目前，美国、英国、德国、澳大利亚、日本和韩国等国的科学家相继开展了土壤电动修复方面的基础和应用性研究工作，荷兰和美国等国家已成功采用电动修复技术去除土壤污染物[8-9]。但是，由于土壤系统中组分复杂，对于渗透性高、传导性差的砂质土壤清除重金属的效果较差，经常出现实际应用与实验结果相反的现象，所以这一方法受到限制。就整体来看，该方面的工作尚处于初始阶段，需要加强数学模型的研究来确定影响金属离子移动的主要因素，从而改进修复方法。

2.2 化学修复

2.2.1 化学固定

化学固定是在土壤中加入化学试剂或化学材料，利用它们与重金属之间形成不溶性或移动性差、毒性小的物质而降低其在土壤中的生物有效性，减少其向水体和植物及其他环境单元的迁移，实现污染土壤的化学修复。固化方法的关键在于成功地选择一种经济而有效的固化剂，到目前为止，已有大量的改良材料被应用。主要有：能提高土壤pH值的石灰或碳酸钙，与重金属形成难溶性沉淀的磷酸、轻磷矿石、三过磷酸钙、硅酸盐等化合物[10-11]，阳离子吸附量高的海泡石、坡缕石、沸石、蒙脱石等矿物，腐殖酸等有机物及一些对人体无害或有益并对重金属有拮抗作用的金属元素[12-15]。

化学固定是在土壤原位上进行的，简单易行，但并不是一种永久的修复措施，因为它只改变了重金属在土壤中存在的形态，金属元素仍保留在土壤中，容易再度活化危害植物。另外，改良剂的使用将在一定程度上改变土壤结构，同时对土壤微生物也可能产生一定影响。

2.2.2 土壤淋洗

土壤淋洗是利用淋洗液把土壤固相中的重金属转移到土壤液相中去，再把富含重金属的废水进一步回收处理的土壤修复方法。目前，用于淋洗土壤的淋洗液较多，包括有机或无机酸、碱、鳌合剂和表面活性剂等。用来提取土壤重金属的主要有：硝酸、盐酸、磷酸、硫酸、氢氧化钠、草酸、柠檬酸、EDTA和DTPA等。EDTA能在很宽的pH值范围内与大部分金属（特别是过渡金属）形成稳定的复合物，不仅能解吸被土壤吸附的金属，也能溶解不溶性的金属化合物，现己被证明是最有效的鳌合提取剂。淋洗法可以去除土壤中大量的污染物，限制有害污染物的扩散范围，还具有费用较低、操作人员可不直接接触污染物等优点，但该法仅适用于砂壤等渗透系数大的土壤，对质地比较粘重、渗透性比较差的土壤修复效果比较差，且淋洗剂的残留易造成土壤和地下水的二次污染[16]。

2.3 植物修复

依据美国国家环保局的定义[17]，广义上的植物修复技术是指利用植物提取、吸收、分解、转化或固定土壤、沉积物、污泥或地表、地下水中有毒有害污染物技术的总称。植物修复（phytoremediation）[18-19]是指将某种特定的植物种植在重金属污染的土壤上，该种植物对土壤中的污染元素具有特殊吸收富集能力，将植物收获并妥善处理后即可将该种重金属移出土体，达到污染治理与生态修复的目的。因其在原位进行处理，成本低廉、效果永久且兼顾美学效应而迅速得到了公众和学术界的广泛认可[20-21]。根据植物修复技术的类型[22-23]，利用超富集植物或富集型功能的植物治理重金属污染的土壤，其机理分为植物稳定或固化、植物吸收、植物挥发及植物降解4种类型。

（1）植物稳定或固化（phytostabilization or phytoimmbolization）[24]。植物稳定是利用耐重金属植物吸收和沉淀来固定土壤中的大量有毒金属，以降低其生物有效性和防止其进入地下水和食物链，从而减少其对环境和人类健康的污染风险。植物在植物稳定中有两种主要功能：一是保护污染土壤少受侵蚀，减少土壤渗漏来防止金属污染物的迁移；二是通过在根部累积和沉淀或通过根表吸收金属来加强对污染物的固定。

（2）植物吸收（phytoextraction）[25]。植物吸收是利用专性植物根系吸收一种或几种污染物，特别是有毒金属，并将其转移、贮存到植物茎叶，然后收割茎叶，从而达到去除土壤重金属元素的目的，通常也称为植物萃取。专性植物通常指超积累植物，可以从土壤中吸取和积累超寻常水平的有毒金属。例如十字花科遏蓝菜属植物，具有很强的吸收Zn和Cd的能力，目前被作为植物超积累研究的模式植物。

（3）植物挥发（phytovolalization）[26]。植物的挥发与植物吸收是相连的。它是利用植物的吸取、积累、挥发而减少土壤污染物，即利用一些植物来促进重金属转变为可挥发的形态，并将之挥发出土壤或植物表面。目前这方面研究最多的是类金属元素Hg和非金属元素Se。

（4）植物降解（phytodegradation）[27]。植物降解指利用植物及其周围的相关微生物降解土壤中的污染物。

3 发展前景

目前，国外关于土壤重金属污染的研究已有不少报道，美国、德国、澳大利亚和日本等国都比较深入，笔者认为应先从以下两方面考虑。

3.1 高校研究部门与企业结合，加快技术突破

土壤修复技术利用的核心在于相关技术的突破。当前，我国有关于土壤修复技术的应用大多是停留在实验室阶段，有很多科研工作者受到学校实验条件的限制，无法进行中试放大验证，走向实际应用。因此，要突破这个局限，就应该加强高校研究部门与企业的结合，优势互补，利用好学校与企业的平台，使得科研成果应用到实际中来，真正实现污染土壤的治理。

3.2 完善土壤修复组合体系，推行生态环境影响评价

由于土壤结构的复杂性和类型的差异性，重金属污染的土壤往往具有多种重金属，并且还伴有有机物等其他方面的污染。在修复过程中需要多种方法组合使用，故应该完善相应的修复体系。另外，在修复过程中会涉及到一些土壤淋洗液，包括：有机或无机酸、碱、鳌合剂和表面活性剂等。这些淋洗液的使用是否会给当地的土壤结构及生态造成影响，后期需要对生态环境影响进行追踪评价。

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