土壤重金属污染及修复技术综述

2018-02-11董家麟吉林大学环境与资源学院

节能与环保 2018年10期

文_董家麟吉林大学环境与资源学院

随着世界经济的发展，生活水平的提高，人们开始注意到经济发展给社会、环境带来的破坏。如今，人们不仅仅关注于空气、水污染，同时还关注了土壤污染，而土壤中的重金属污染是其中一个比较普遍的问题。

重金属污染是指由于重金属或其化合物过量排放入环境，超过了环境的最大容量，环境自身无法自净，对环境产生了影响，并可能会危害人类或其他生物的生存的环境污染。工业活动所产生排放的废水、废气、废渣是重金属污染的主要来源；农业活动的过度施肥、污水灌溉等也会导致土壤污染。重金属排入环境后，由于其具有不可逆性、复杂性和长期性，在生物体内会有明显的累积效应，并通过地球化学链、食物链进入生物体危及人类健康和生命安全。当排入环境中重金属的量超过环境所能承受、转化吸收的最大限度，其将会直接危害人体健康，同时可能会导致环境受到影响。

世界上的发达国家，较早地开始了环境污染问题的研究，对于土壤的修复已经有了较为成熟的修复技术。本文分析了国内外土壤污染现状以及污染的来源，综述了土壤的修复技术，对减缓及解决我国土壤的污染态势提出几点看法，并做出防控发展形势的初步判断，希望能对重金属污染治理工作有所贡献。

1 国内外土壤重金属污染现状

目前，世界各国土壤都有不同程度的重金属污染，通过参照大量采样统计数据以及调查研究的文献，土壤重金属污染主要有锌、砷、锰、镍、铜、汞、钴等金属元素污染。欧洲一些地区土壤中镉、锌、铅、锰、砷等重金属的含量也超出了正常范围。美国一些地区也受到了不同程度的重金属污染，污染的重金属种类也较多，有镉、砷、砷、铅等，如今得到了较好的处理。

中国作为发展中国家以及工业、农业大国，重金属污染的问题比较复杂，其中包括镉、锌、铅、锰、砷等重金属的污染。由于我国在发展前期阶段没有重视环境问题，多数地区采用了污水灌溉而无人管理，我国农耕地大多出现了重金属污染的问题，导致很多耕地无法使用。据统计，到2016年为止，我国受到重金属污染的土壤面积已经达到上万公顷，占全国总耕地面积的1/6。遭受重金属污染后的土壤需要经过一段时间的修复，并且对修复后的土壤进行检测，直至土壤作物的各项重金属含量达标后才可继续使用。土壤污染至少导致粮食每年减产多达1000万吨，造成经济损失200多亿元。

1.1 土壤重金属污染来源

世界上多数国家的土壤重金属污染来源主要为工业排放。其中Pb、Zn、Ni、Cu、Fe的污染较为普遍，在大多数工厂的排放物中这些元素都含有较高的含量以及比例，Mn、Zn主要来源于纺织工业，Cr主要来源于皮革工业。

重金属进入到土壤的主要方式有如下几种：①大气沉降：电厂、黑色冶金、石油开采和加工、运输、有色冶金以及建筑材料开采和生产等工业产生的废气被排入大气，其中的重金属随着废气的排放进入大气，再通过干、湿沉降进入到土壤和水体中。②污染灌溉：一些不法的商家使用城市下水道污水、工业废水、排污河污水以及超标的地下水等进行灌溉，从而使重金属元素随着灌溉直接进入地下环境中，对土壤、地下水环境造成严重的危害。③农药、化肥和塑料薄膜的使用：用含有Pb、Cd、Hg、As等元素的农药和不合理地施用化肥会使重金属直接进入土壤，并且在土壤中迁移转化成其较为稳定的形态。

1.2 土壤重金属污染特点

土壤中的重金属污染存在以下特点：①普遍性特点：工厂成为重金属污染的主要来源，随着工业的发展，大多数国家都面临着不同程度的工业重金属污染的问题。②隐蔽性特点：土壤中的重金属大多数以化合物、聚合物等形式存在，肉眼难以将其辨别出来，必须要通过一定的技术方法才能测定其存在。③表聚性特点：土壤中重金属具有表聚性,进入地下环境后，土壤中的重金属与土壤中原有的离子发生离子交换，或被土壤吸附，或形成较为稳定的聚合物、化合物存在于土壤中，只有少部分重金属元素能进到下层土壤中。④不可逆性特点：由于重金属在进入土壤之后会发生一系列的物理、化学、生物变化，一旦重金属进入土壤，其会转变为较稳定的形态，随后便不利于修复处理；并且当过多的重金属进入土壤，超过土壤的自净能力的时候，会改变土壤的结构与功能，且重金属难以降解，所以土壤的重金属污染具有不可逆性，污染的土壤难以恢复。⑤长期性特点：由于土壤相对于大气、水流来说流动性很小，受到污染物污染后扩散速度较慢，若不进行治理，则会长期存在于这一部分的土壤中。

2 重金属污染土壤修复技术

2.1 物理修复

2.1.1 换土法

换土法指挖出地基中一定范围内的土后,换以砂、石等材料，即替换干净的土壤，并分层夯实,从而使原污染土壤中污染物浓度降低，增强土壤的自净能力，最终达到土壤修复的目的。换土法又有换土、翻土和客土法3种。

换土法能有效地使环境中重金属污染物去除，或使环境高浓度区污染物的浓度降低，提高污染土壤的环境容量以及自净能力，最终达到净化污染物的目的。其优点是能有效地降低污染物含量，治理污染土壤见效快，能使土壤尽快再次投入使用，土壤修复后对周围环境产生的负面影响较小。但是该法也有一些缺点：首先是对于不同的土地必须使用不同的替换材料组合，施工比较复杂，成本费用比较高；其次对于挖出的污染土壤需要进行处理，增加了二次处理的费用。所以换土法较适用于面积较小、污染比较严重的土壤。

2.1.2 解吸脱附法

解吸脱附技术包括常温解吸和热解吸。解吸脱附技术原理是通过一定的技术手段，直接或间接地加热被污染的土壤，使土壤中的挥发性污染物或半挥发性污染物从土壤中挥发出来，同时通过气体收集装置对挥发出来的气体进行收集，从而使土壤中易挥发的重金属含量减少，达到土壤修复的效果。

该技术的优势有：土壤修复过程快、对于挥发性、半挥发性的重金属元素去除效果好，效率高；且通过气体收集装置对金属进行收集，可以对收集的金属重新利用。该技术也有一定的局限性：装置的能耗较高，且该方法只适用于浓度较高的污染土壤，当土壤污染物浓度低时效率较低；其次在对土壤进行加热的过程中，改变了土壤的温度、水分等理化性质；最后该技术需要从国外引进设备，会使成本大大提高。

虽然国内对于此技术的研究与应用较少，但是国外已经有了一定的应用。现在国内外有应用的热脱附技术有：滚筒式热脱附、微波热脱附、流化床式热脱附和远红外线热脱附技术。并且Kunkel和Navarro等学者相继提出了在此技术中使用太阳能代替高能耗不可再生能源的想法。

2.2 化学修复

2.2.1 固化／稳定化技术

固化／稳定化技术指通过向土壤中加入一些化学药剂，从而改变污染土壤的性质，使之成为不活泼的形态，或使之隔离在固化体中，从而使污染物在环境中稳定下来，不再迁移扩散，减小其对周边环境的影响。其中较为常用的固化／稳定化试剂为水泥、石灰等无机试剂。

固化／稳定化技术的优势有：修复时间短、操作简单；药剂较为普遍，设备简单，经济投入小；稳定化处理后的土壤形态变化不大，利于回收利用。其局限性有：需要向土壤中加入固化剂，会破坏土壤的性质、结构；固化后的污染土壤存放不当可能会导致二次污染；如今还缺乏实验证明此技术能长期地稳定污染体中有害物质不再泄露。此技术适用于污染浓度较高、污染范围较小的土壤。但由于此技术操作方便，经济效率高，所以在国内应用较为普遍。

2.2.2 淋洗技术

土壤淋洗技术指利用清水或化学溶剂等对土壤进行淋洗，淋洗过程中会发生过离子交换、沉淀、吸附和螯合等作用，把土壤中的重金属元素转移到淋洗液中，再对淋洗液进一步处理，从而将重金属从土壤中去除。土壤淋洗技术可分为原位淋洗修复技术和异位淋洗修复技术。

淋洗技术的优点主要有：工艺设备简单，容易操作；淋洗能使土壤中大多数的重金属溶出，修复效果好；淋洗反应快，处理时间短，修复过程快。其缺点有：废水需要进行二次处理，加大修复成本；原位淋洗会使土壤的理化性质改变，导致一些矿物质的流失，或者导致污染范围扩大；异位淋洗修复技术，需要开挖，此技术适用于污染浓度高、范围小的污染土壤。目前，原位淋洗修复技术在国外已有一些应用，而我国在该技术的应用中还处于初级阶段。英国在伦敦成功使用异位淋洗修复技术处理了废弃的垃圾场；美国新泽西州和马萨诸塞州使用该技术处理了多种重金属污染的土壤。

2.2.3 电动修复技术

电动修复技术指将电极插入受污染土壤，通过施加电流形成电场，使得在土壤内有电性的污染物向不同的电极方向运动，从而将污染物富集至电极区进行集中处理或分离。

电动修复技术的优点有：原位修复，操作简单、经济效率高，投资费用少；可有效降低土壤中的重金属，适合于低渗透性的土壤，对其环境有积极的改良作用；对环境破坏较小，应用范围广。局限性有：修复过程需要有离子运动的条件，且污染土壤下方存在防渗层，否则会增大污染范围；在修复过程中，两极上会有一定的沉淀物产生，影响修复效果。此技术在国内的研究比较少，尚未有应用于修复的实例中，在国外有一些应用。

2.2.4 玻璃化技术

玻璃化技术指将污染土壤在高温下熔化，在熔融过程中有机物挥发或被分解，熔化物冷却后形成坚硬的玻璃化物体，从而使重金属固化，防止其迁移转化。玻璃化技术可以分为原位处理技术和异位处理技术。

玻璃化技术的优点有：快速、有效地去除土壤中的重金属元素；污染物玻璃化后部分被去除，含量降低，稳定性较好。但其有一定的局限性：只能针对于污染面积小的土地；能耗较大，工艺要求高，需要二次处理熔融物，成本较高。所以其应用得不到推广。

2.3 植物修复

2.3.1 植物提取

植物提取指通过植物根系对土壤中水分、营养物质的吸收作用，将污染物吸收、富集在植物体内，达到最大吸收量后，再对其进行收割，以此降低土壤中污染物的含量的方法。通过多次种植、收割植物，最终能达到将污染物从土壤中去除的效果。

此方法的优点有：原位修复技术，方法简单，操作容易；对周围的环境影响小。但此技术相对不成熟，国内外都处于进一步研究的状况，所以还有较多的缺点需要进一步完善：需要研究、开发超富集植物，此种植物生长较慢，且生物量较小；修复所需周期长；需要二次处理，成本较高；由于植物根系的长度有限，只能应用于修复浅层土壤；有导致土壤发生二次污染的可能。目前国外已有较多对于不同植物对重金属吸收效果的研究，但是由于研究不完全，局限性较多，此技术投入到实际修复中的较少。

2.3.2 植物挥发

植物挥发是指植物通过自身的吸收作用、蒸腾作用将土壤中的重金属从土壤中挥发出来，或吸收进入植物体内后，通过叶子，随着水分蒸发出来，从而减少重金属在土壤中的含量。

目前，国内外关于使用植物挥发进行土壤修复的研究较少，是因为此技术有较多的局限性：不好操作、实施困难；可能会污染大气环境；且只能应用于修复浅层土壤。

2.3.3 植物稳定

植物稳定是利用具有相当程度重金属耐性的植物，通过根系吸收、沉淀、络合等过程将植物根系周围的重金属固定，从而降低重金属在土壤中的含量，减小重金属的迁移能力。

通过进一步的研究，该技术有望成为绿色修复技术，并将在未来应用于工程实例中。

该技术的优点有：能有效地将重金属稳定在植物根系及周围，降低了重金属的迁移、扩散能力；有较多的植物有此种性质，具有有效性。该技术的局限性有：需要二次处理，投资成本较高；重金属迁移转化机理不确定，可能导致再次污染；只适用于修复浅层土壤。

2.3.4 植物过滤

植物过滤修复指利用植物根系的吸收作用，在一定的水环境介质中，将流过植物根系的溶质中重金属吸附、固定在植物体中，从而达到净化溶液的目的。此技术比较适用于有水环境的污染场地，且利用植物根系的过滤能力，能有效并且长久地对水环境中的污染物进行过滤。现已经运用于一些实验研究中，并有一些生活中利用植物根系过滤水体的实例，适用于浓度较低、较为干净的水体，此技术具有较大的应用前景。

2.4 微生物修复

2.4.1 原位生物修复

原位微生物修复不需将污染土壤搬离现场，直接向污染土壤投放N、P等营养物质和供氧，促进土壤中土著微生物或特异功能微生物的代谢活性，降解污染物。原位微生物修复技术主要有：生物通风法、生物强化法、土地耕作法和化学活性栅修复法等。

2.4.2 异位生物修复

异位微生物修复是把污染土壤挖出，进行集中生物降解的方法。主要包括预制床发、堆制法及泥浆生物反应器法等。

微生物修复的优点有：原位修复，投资费用较少，对环境影响小；微生物能高效地分解、转化污染物，造成二次污染的可能性小；可同时处理地下水及土壤，所受时间、空间上的局限小。但是也存在一定的局限性：受环境的限制，修复时间较长；特定的微生物一般只能对一定的污染物进行处理；异位修复时，只能适用于污染范围小的场地。

2.5 动物修复

动物修复指利用土壤中的一些能对重金属进行吸收的动物，如蚯蚓等，将它们引入到重金属污染的土壤中，对土壤中的重金属进行吸收、转化，以去除重金属或抑制其毒性。

此技术的优点有：对于农牧业造成的污染，其污染物正是土壤动物的食物，对农业废物可以高效、快速地处理；对周边环境的影响小，不会造成二次污染；经过处理的土地，可被再次利用，作为有机肥料使用。但也存在一些缺点：处理的污染类型、适用范围、处理能力有限；缺乏理论和技术支持；引入外来物种会对的土壤环境有影响；在对污染场地修复时，可将动物、植物、微生物修复技术结合起来。