土壤重金属污染修复技术综述

2020-09-09史作然单广波杨丽

当代化工 2020年8期

史作然单广波杨丽

摘要：随着社会经济的迅速发展，土壤污染日趋严重，由此引发的一系列问题引起了人们对土壤污染的关注，尤其是土壤重金属的污染。首先对土壤重金属污染的现状及危害进行了概述，然后对相关的修复技术进行了综述。物理修复技术、化学修复技术和生物修复技术是修复土壤重金属污染的主要技术，分别对这几项技术进行了阐述、对比，供相关人员参考。

关键词：土壤;重金属污染;修复技术

中图分类号：X 53 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2020）08-1812-04

Abstract： With the rapid development of social economy， soil pollution is becoming more and more serious. A series of problems caused by this have aroused people's attention to soil pollution， especially the pollution of heavy metals in soil. In this paper， the status and harms of heavy metal pollution in soil were summarized as well as the remediation techniques of heavy metal contaminated soil. The main remediation techniques of heavy metal contaminated soil include physical remediation， chemical remediation and bioremediation. These technologies were expounded and compared to provide the reference for relevant people.

Key words： Soil; Heavy metal pollution; Remediation techniques

土壤是環境的重要组成部分，是人类生活和经济活动的载体，土壤质量的好坏影响人类的生活质量和发展状态[1]。随着我国社会的迅速发展，土壤重金属污染的问题也凸显出来。对土壤产生严重影响的重金属主要包括汞（Hg）、铅（Pb）、镉（Cd）、铬（Cr）、砷（As）、锌（Zn）、铜（Cu）、镍（Ni）等元素，其中汞（Hg）、镉（Cd）、铅（Pb）、铬（Cr）、砷（As）等元素具有显著的生物毒性 [2]。“镉米危机”的出现，再次敲响了土壤污染的警钟，也引起了人们对土壤重金属污染的重视。

土壤重金属污染的成因有自然原因和人为原因，人为原因是主要原因。重金属污染的途径主要包括：含有重金属粉尘的大气的沉降、被污染的河水进行农田灌溉以及固体废弃物的排放，其中含有重金属粉尘的大气的沉降是重金属污染的主要途径[3]。土壤中重金属污染的主要来源包括工业生产、农业生产、交通运输和城市生活。农业生产过程中农药、化肥、薄膜等的不合理使用及污水的灌溉都会造成土壤重金属污染。矿产冶炼加工、电镀、电池、塑料、化工、制革等行业在生产的过程中产生废水、废气和废渣如果未进行合理的处理就排放到环境中也会造成土壤重金属污染。在交通运输过程中所产生的废气、轮胎的磨损物及携带的粉尘，通过大气沉降进入到土壤，从而对土壤造成污染。城市生活过程中所产生的废旧电器、电池等电子垃圾不能无害化处理回收，生活垃圾的焚烧等产生的烟气及废渣等也是重金属污染的来源。重金属进入到土壤中后，在运移过程中会受到重金属本身的影响以及土壤的物料、化学、微生物性质的影响[4]。

1 土壤重金属污染现状及危害

改革开放以来，我国经历了经济的快速发展，但也忽视了环境的保护，土壤重金属污染具有隐蔽性，不容易被人重视，直到2014年《全国土地污染状况调查公报》的公布才发现土壤重金属污染的严重性。公报显示我国土壤超标率16.1%，其中82.8%属于无机污染物超标[5]。我国有20%的农业耕地，约有1.5亿亩受到重金属污染，污染了1 000多万吨粮食，造成了200多亿元的直接经济损失[6-7]。

重金属污染能够引起土壤理化性质、功能和生态结构的变化，有些重金属对植物有一定毒害作用，引起植物的生理特征改变，造成植物营养不良，致使农作物减产，从而造成极大的经济损失。另外土壤表面层的重金属极易进入人体，引起人体器官的病变和疾病，对人体健康造成威胁。有些重金属能够在植物中富集，通过食物链进入到人体中，影响人类的身体健康。

2 土壤重金属污染的治理方法

土壤重金属污染的修复治理技术不只和重金属在土壤中的迁移特点有关，还和重金属的转化特点有关。有些重金属污染土壤的修复技术能够去除土壤中的重金属，还有一些修复技术通过加入一些特殊的物质转化土壤中重金属的形态，降低其生物有效性和迁移性，消减重金属对环境和人类造成的危害[7]。

物理修复法、化学修复法和生物修复法是进行土壤重金属污染修复的主要方法。

2.1 物理修复

2.1.1 物理工程技术

物理工程修复主要包括客土、换土和深耕翻土法，是最常见的修复方法。工程法原理主要是通过把表面受重金属污染的土壤用干净的土壤覆盖、剥离换土或翻入深层，具有操作简单，实施迅速，但工程量较大，投入较高，治标不治本，易造成土体结构的破坏，影响土地肥力，容易造成二次污染。

2.1.2 热脱附技术

热脱附修复法是利用电力产生热能，利用红外线加热或者蒸汽加热等方式，对易挥发性重金属污染的土壤进行加热，使重金属从土壤中解析、脱离，收集重金属集中处理的方法。该方法主要针对易挥发性重金属如汞、砷和硒等污染的土壤。研究结果表明，热解过程对土壤肥力造成影响较小，使土壤有机结合态汞降低73.17%，残渣态汞降低57.80%[8]，该方法使用范围比较窄，需要消耗大量能量，不适合大规模修复，且如果重金属收集不当容易造成二次污染，破坏了土壤的水分和有机质，需要结合植被修复方法进行土壤修复。

2.1.3 电动修复技术

该技术是20世纪90年代美国路易斯安娜州立大学研究出的土壤原位修复技术。电动修复的原理是施加直流电场到受污染的土壤形成电场梯度，在电迁移、电渗流、电泳的作用下，污染物移动到电极的两端，从而实现污染土壤的修复[9]。

该方法适用于其他方法不适用的低渗透的黏土和淤泥，依靠电动修复的过程把污染物从现场清除，不需要把污染的土壤固相或液相介质从现场挖出或抽取出去，从而显著减少费用，处理效率高[10]。该方法应用前景广阔，但目前主要停留在实验室研究阶段，在现场应用案例较少，处理效果受土壤pH的影响较大，必须是酸性土壤，在调节土壤酸性时会导致土壤理化性质的改变。

2.1.4 玻璃化技术

玻璃化技术是利用热能在高温下把重金属污染的土壤熔化成玻璃状，利用玻璃体致密的结构，使重金属牢牢地束缚于玻璃体中，也称为熔融固化技术[11]。玻璃化技术最早用于核废料的处理，从根本上消除了土壤中重金属的污染，且速度快，但工程量大，费用高，常用于抢救性修复重金属污染比较重的土壤。

2.1.5 冰冻土壤技术

冰冻土壤修复技术是对已知的污染源在地下等距离垂直布置管道，然后通入无害的冰冻溶剂，冻结土壤中的水分，这样就形成了地下冻土屏障，从而可以防止土壤或地下水中的污染物扩散[12]。

2.2 化学修复技术

2.2.1 化学固化技术

化学固化技术的原理就是通过向土壤中加入一些固化剂，通过固化剂和土壤的反应改变重金属的形态，降低土壤的生物有效性和迁移性[13]，从而达到降低重金属对土壤的污染的目的。固化剂主要是通过和土壤发生沉淀作用、吸附作用、配位作用、有机络合作用和氧化还原作用来达到减轻重金属对土壤污染的作用[14]。

1）沉淀作用：能够和土壤发生沉淀作用的固化剂主要是一些碱性物质，其中最具有代表性的固化剂是石灰石。石灰石治理重金属污染土壤的机理是石灰石的加入提高了土壤的pH值，使得土壤中的一些金属离子在碱性环境中形成沉淀[15]，从而降低了土壤中金属离子的迁移，达到了降低污染的目的。

2）吸附配位作用：黏土矿物治理土壤中重金属污染的原理是通过吸附、配位和共沉淀反应等作用，钝化重金属，降低重金属的生物可利用性[16]。由于沸石独特的空间结构，在这方面的研究比较多。沸石对土壤中的重金属的钝化效果和土壤的类型、酸度、温度、作用时间以及金属的类型有关[17]。同一种沸石能够对不同类型的重金属产生不同的效果。胡克伟[18]等研究了铵饱和沸石对重金属离子镉离子、锌离子、铜离子、铅离子的吸附及解吸特性。结果表明铵饱和沸石对铅离子的吸附量最大，对镉离子的吸附量最小，这主要和金属离子的水合离子半径及水合能有关。但是由于天然黏土矿物存在种类复杂、杂质含量高的缺点，研究人員需要通过对沸石进行改性来改善其对土壤中重金属的吸附效果，在这方面的研究也很广泛[19-21]。除了将这些黏土矿物作为吸附剂钝化土壤中的重金属外，在一定的土壤环境中，铁锰氧化物也能够吸附、沉淀、固定重金属[17]，但是这方面的研究和应用较少。

3）有机络合作用：有机质主要是通过和土壤发生有机络合作用生成不溶性复合物减轻重金属对土壤的污染。有研究表明，长期施用有机肥可以增加土壤中的矿物类官能团的数量，使得土壤中更多的金属离子被络合，减少土壤中重金属的迁移，从而改变土壤中的重金属含量[22]。这种土壤的修复方法尽管能够降低金属的生物利用率，但是金属在土壤中的总浓度有发生改变，随着风化、分解等一系列自然过程的发生，土壤中的重金属将再次被活化[23]。

4）还原作用：利用还原性物质来进行土壤重金属污染修复，主要针对的是土壤中的六价铬。硫酸亚铁、铁屑、偏亚硫酸盐等还原剂可以把六价铬还原成三价铬。和六价铬相比，三价铬毒性较低，也更容易沉淀，这样就降低了铬在环境中的迁移性和生物可利用性，减轻铬对土壤的危害[24]。还原剂可以直接加入到土壤中或者采用“可渗透氧化还原反应墙”的形式。这种方法成本比较低，但是向土壤中加入的还原剂可能会有毒副作用，对土壤造成二次污染。

2.2.2 化学萃取技术

化学萃取技术的原理是通过加入化学萃取剂、水溶液，将重金属从土壤中分离出来，然后将其去除。最常用的化学萃取技术有螯合剂萃取和酸萃取，这些物质价格比较低，也不容易对土壤造成污染[25]。常用的螯合剂有EDTA，淋洗液中螯合剂的浓度越高重金属的去除率就越高，但是这种情况会导致EDTA的利用率降低，这样也会对土壤造成损害，所以需要在进行利弊权衡的情况下选择合适的螯合剂的浓度。在进行酸萃取时，常用的酸有柠檬酸和醋酸，可以有效去除土壤中的重金属，但是在萃取的过程中要控制好土壤的pH值，因为如果土壤的pH值太高，土壤中的重金属不能够以离子状态存在，但是如果土壤的pH值太低，又会损坏土壤的理化性质，导致养分的流失[26]。

利用化学技术治理土壤重金属污染成本低、效果好，有广阔的发展空间。但是，对重金属化学修复技术的机理研究不够透彻，不能够保证修复效果的稳定性，还有很多问题需要进行深入研究。

2.3 生物修复技术

生物修复就是通过植物、动物及微生物的生命代谢活动减少土壤中重金属的含量或降低重金属的毒性[27]。除了植物修复、动物修复、微生物修复外，还有这几种技术的联合修复技术。

2.3.1 植物修复技术

植物修复技术就是通过种植植物来达到降低土壤中重金属含量的目的。植物修复技术包括植物提取技术、植物挥发技术和植物稳定技术。

植物提取技术是通过重金属超积累植物的生长将重金属吸取出来，并通过收获植物的地上部分来达到减少土壤中重金属含量的目的[28]。这种技术实施的关键是超积累植物，也就是能够超量吸收和积累重金属并将其转移到地上部的植物。

植物挥发技术的原理是有些植物的根系能够分泌一些特殊物质，这种物质能够促进重金属转变为可挥发的形态，从而从土壤和植物表面挥发出来。这项技术主要用于金属硒、砷和汞等，这些重金属可以通过生物甲基化过程形成可挥发的分子。但是在这种修复技术进行的过程中，重金属会挥发到环境中，可能造成大气污染[29]。

植物稳定技术和化学稳定技术类似，这项技术主要是通过植物根系分泌的一些物质与重金属离子结合形成络合物[30]，如氨基酸、多肽、有机酸、蛋白质等。

2.3.2 微生物修复技术

根据微生物种类的不同，微生物对土壤中重金属的作用主要有：生物吸附和富集作用、氧化还原作用以及沉淀和溶解作用。

能够和土壤中的重金属发生吸附作用的主要是微生物中的阴离子型基团，通过和带正电的重金属离子进行离子交换、螯合、络合、静电吸附以及共价吸附等作用进行结合，从而吸附土壤中的重金属[31]。

土壤中的一些重金属有多种化合价，不同价态的重金属生态毒性也不同。土壤中的微生物能够将高价金属离子还原成低价态，一些重金属在这个过程中毒性降低甚至消失[29]。

2.3.3 动物修复技术

动物修复技术是指通过土壤动物的食物链等吸收、转移或降解重金属，在这方面的研究比较少，较常见的动物修复技术中以对蚯蚓的研究最多。蚯蚓对重金属污染土壤的修复作用主要有两个方面：一是蚯蚓的活动能够改变土壤的结构、通透性，促进土壤中有机质和微生物的转化;二是蚯蚓的代谢产物还能够起到改善土壤肥力的作用[32]。从这个角度来看，动物修复的本质实际上是微生物修复，能够起到修复作用的实际上是土壤中的微生物，不过这种微生物包括土壤中原有的微生物和蚯蚓代谢的产物中的微生物。

植物修复作用和动物修复作用虽然是绿色环保的修复技术，不会给环境带来其他的污染，但是这种修复技术，重金属容易通过动植物的生命活动重新释放到土壤或环境中。

土壤重金属污染比较复杂，治理起来难度也比较大，每种修复方法都有局限性，使用单一修复方法很难达到修复目标和要求，而联合运用两种或两种以上不同工艺的修复技术方法就成为土壤污染修复的重要研究方向。

3 结论

综上所述，土壤重金属污染治理的方法虽然能够暂时降低土壤中重金属的活性或者将土壤中的重金属转移到植物或者动物中，但是在生命循环的过程中，这些被络合或沉淀的重金属离子有可能又重新恢复活性，而且被转移到植物或者动物中的重金属也会随着新陈代谢再次回到环境中。所以，土壤重金属污染的治理固然重要，但是还要从源头减少重金属的使用和排放才能够切实维护好生态环境。

参考文献：

[1]Nyle C. Brady，等. 土壤学与生活[M]. 北京：科学出版社，2019.

[2]张贺. 土壤中重金属污染的来源、危害与治理[J]. 城市建设理论研究（电子版） [J]. 2012（2）：1-5.

[3]刁维萍，倪吾钟，倪天华，等. 水环境重金属污染的现状及其评价[J]. 广东微量元素科学，2004，11（3）：1-5.

[4]韩张雄，刘美美，王曦婕，等.土壤中重金属元素运移规律研究进展[J]. 当代化工，2014，43（12）：2621-2623.

[5]环境保护部，国土资源部. 全国土壤污染状况调查公报[R]. 2014.

[6]余志，黄代宽. 重金属污染土壤修复治理技术概述[J]. 环保科技，2013 （4）：48-50.

[7]周建军，周桔，冯仁国.我国土壤重金属污染现状及治理战略[J]. 中国科学院院刊，2014（3）：315-320.

[8]赵婷.低温热解工程性修复高浓度汞污染土壤复垦可行性研究[D].贵阳：贵州大学，2017.

[9]赵书宁，樊丽，侯隽，等.复合重金属污染高岭土的电动修复[J].化工环保，2017 ，37（4）：481-486.

[10]薛腊梅.物理强化淋洗修复重金属污染土壤和城市污泥[D]. 南京：南京大学，2013.

[11]郝汉舟，陈同斌，靳孟贵，等. 重金属污染土壤稳定/固化修复技术研究进展[J]. 应用生态学报，2011（3）：816-824.