土壤重金属污染修复技术比较研究

贾 倩 胡亚伟 靳晓辉 宋静茹 张铭琪 王辉辉 杨 蕾

（1.黄河水利委员会黄河水利科学研究院，河南 郑州 453000 2.河南省农村水环境治理工程技术研究中心，河南 郑州 453000）

土壤是人类以及其他生物赖以生存的基础，但是伴随着人类的生产生活活动，排放进入土壤的重金属含量超过土壤环境容量，从而造成土壤重金属污染。由于土壤重金属污染存在的隐蔽性、滞后性、不可逆性和后果严重性等特点，破坏了土壤正常结构，扰乱了土壤正常功能，并且通过作物产品间接影响人类以及其他生物的健康。随着人口的快速增长，农业生产现代化的不断推进和现代工业的快速发展，越来越多的重金属进入土壤，使得土壤重金属污染越来越严重。土壤重金属污染已成为世界范围内亟待解决的问题。根据生物化学性质的不同，土壤中的重金属元素可分为两类：一类是维持生物体正常生理活动所必需的，但如果其浓度超过一定阈值，就会导致生物体中毒。

1.土壤重金属污染现状

目前，农业土壤中的重金属通常具有污染浓度增加和污染频率增加的特点。到2011年底，土壤使用面积接近2000万亩，受镉、砷、铬和铅等污染，约占总面积的五分之一，每年有1200多万吨谷物受到重金属污染。在金属污染物发生变化并长期保持安静的农业土壤中，农业土壤是人类活动的主要负担，人类健康直接依赖于人类活动，土壤重金属污染现象需要进行紧急防治和治理。

土壤重金属污染首先影响作物的生长，从而影响所用作物的产量和质量。例如氨基酸和蛋白质的结合，会导致蛋白质的损失，并可能导致植物死亡。例如，镉抑制植物体内抗氧化酶的活性，引起细胞膜系统蛋白质和核苷酸的破坏，并阻止叶绿素的合成和植物生长。土壤污染对经济来说已经付出了一个高昂的代价。通过重金属污染每年粮食减少1000多万吨，每年被污染的粮食也达到了1200万吨，造成至少200亿元的经济损失。此外，富含重金属的植物可以在人和动物身上富集，危及人和动物的生命安全。

2.土壤重金属来源

关于重金属的转移传播，我国农业中有三个主要的环境污染源：大气沉降、污水灌溉、固体废弃物。应提及大气中的土壤沉积物，特别是当人类活动产生的重金属粉尘进入大气时，通过自然汇集或降雨进入土壤。这几年来，随着工业化速度的加快，许多建筑公司的废水以及家庭废水已导致农业土壤的巨大污染。

2.1 交通污染土壤

道路上的污染物主要为铅、锌、镉、氯、铜。50 57344g/L通常沿着长距离道路的强度条纹，结果表明，在每50米的道路上，高速公路上的可溶污染物含量从每平方米4克到40克不等。到达环境的顺序为：铜、铅、碳、铁和锌。在人口密度较高的公路，土壤两侧的失重率高。重金属在雨天对土壤的污染与重工业、城市人口密度、土地利用和道路运输的工业化程度直接相关，距离城市的距离太近和道路运输的工业化程度导致了更严重的污染。

2.2 工业污染

由于重金属主要用于工业，在生产中产生更高浓度的重金属。工业废气还通过自然沉降和雨淋沉降进入干净的土壤中，使淤泥也就含有了重金属。当工业废物以喷射状、水滴状的形式储存或通过阳光、电源和重型重化处理时，会扩散得非常迅速。

据统计，我国约有700万公顷的土壤污染，农作物库存已降至每年100亿公斤。在灌渠土壤中，经过近20年的土壤污染，镉超标面积占污染总面积的45.5%。据消息来源称，在我国的一些城市，50%的农田受到铬、砷、汞等有毒金属的污染。

2.3 农业污染

化肥、杀虫剂是重要的农用物资，这有助于农业生产的发展。如果在使用过程中没有合理地利用这些物资，也会让土壤受到严重的污染。近年来，土壤已被过度扩展的农业物资所污染，这些物资溶解了土壤，并产生了重金属，如镉和铅，从而产生有缺陷的土壤。

2.4 污染源上呈现多样化

近年来，随着城市工业化的不断加快，城市建设用地占据了绝大多数，但是随之产生的土壤污染问题也接踵而至。对于一些地下水污染、土质污染、水资源污染等等问题，都没有得到有效地解决。虽然城市经济发展在目前阶段来讲，走的是大型粗放型经济之路，但是在对于土壤的有效管理，有关部门还是要进行相关的监督。关于土壤污染问题会越来越突出，对于土壤的监督和防治，缺少有效措施。

2.5 土壤重金属处理困难又复杂

在工业化和城市化加速的经济发展中，国家在大气、水、噪声污染等方面都加大了管理，但是在土壤的治理中不够积极。国家应该积极地去发展规划，特别是新城发展规划和土壤使用。由于重金属很难被微生物分解，它们可以在被富含胶原蛋白的金属污染的土壤中富集，环境污染迟早会变得更严重。此外，重金属主要是具有高化学活性的瞬态元素，在不同的反应中具有活性，并且以不同的变体出现。这些形式在稳定性和毒性方面不同，特别复杂，重金属不仅有毒，还会抑制土壤酶活性，并长期泄漏到地下。

3.土壤修复技术概述

十多年来，土壤修复技术在全球范围内开展了研究和应用，目前流行的土壤治疗技术包括生物、物理和化学修复以及联合修复技术。与环境化学修复领域的其他技术不同，这些技术包括相对成熟的绿色技术，尤其包括稳定技术、化学清洗、氧化和还原、催化降解和机电修复。与此相比，稳定性过程是一种快速、积极的技术，是对污染物类型和浓度不太敏感的修复方式。稳定性技术是将其转化为化学惰性较小的样子，以尽量减少环境中污染物的毒性地溶解和转化，并确保输出产品的机械稳定性。

该技术适用于异位修复，也可以应用于原位修复。发生异位这种情况时，应先挖掘出受污染的土壤，对颗粒物进行分类和均质，把大的颗粒筛选出区。让它成为一个均匀的整体，再把混合物填充到其中，就完成了最终的处置。在原位的情况下，使用异位稳定剂后，充分混合，发生化学反应，其转化为化学惰性较小的样子，以尽量减少环境中土壤的污染。

4.土壤重金属污染修复技术分类与比较

4.1 土壤重金属污染修复技术分类

4.1.1 工程修复

这三种方法包括客土、换土和翻土。客土法是在受污染的土壤中加入大量清洁的土壤，混合均匀，以降低污染物浓度或减少污染物与植物根系的连接。换土就是清除受污染的土壤，并用新的、干净的土壤进行更换。翻土就是将土壤翻深，使收集在表层的污染物分散到深层土壤中，达到稀释和自我处理的目的。通过将客土、换土、翻土与污土混合，使农产品生产达到食品卫生标准。工程修复是土壤重金属污染控制措施里比较经典的手段，但需要部署技术能力，造成高投资成本、环境破坏和土壤肥力降低，还需要对脏土进行堆放或处理。

4.1.2 物理化学修复

4.1.2.1 电修复

土壤电修复是一项新的土壤技术，自20世纪90年代以来才得到重视和发展。研究发现，pH酸碱度、缓冲性能、土壤成分和金属类型的杂质都会影响修复效果。

4.1.2.2 热修复

污染物被热蒸发，因为高频波产生电磁波，产生热量并加热土壤。可以修复含汞和硒污染土壤的技术。同时，受重金属污染的区域可以在高温下转化为玻璃块。

4.1.2.3 土壤冲洗

土壤冲洗是一个过程，土壤冲洗中重金属从固体转移到液体，然后循环。这项技术的关键是选择活性物质重金属，这些活性物质是在提取剂的情况下获得的，但实际上很难找到。此外，如果出现不合规情况，提取剂被污染的风险很高。

4.1.2.4 化学修复

化学修复包括使用低压清洗土壤中的污染物：例如，土壤中含有的表面活性剂或有机溶剂清洗在土壤中的重金属，化学修复是在土壤现场进行的，非常简单。然而，这并不是一种永久性的恢复，因为只改变了土壤中重金属的形态，重金属还存在土壤之中，还能再次繁殖，危害了植物。

4.1.3 生物修复

生物修复是一种利用生物技术防治污染土壤的新方法，通过使用生物制剂对抗重金属清洁土壤。由于其良好且容易获得的方法，科学家正日益受到重视，对受污染土壤的研究正在进行调查，已经成为了土壤修复的热点。

4.1.3.1 植物修复

植物修复是指在植物种植者或基因疗法的帮助下修复重金属污染的技术。

根据过程和机理，稳定性有三种不同的模型，即植物稳定、植物提取和植物挥发。从土壤中收集金属污染物，然后在土壤中进行处理，同时不断种植植物以减少或消除金属污染。中国科学院的科学家也对植物提取物进行了研究，例如在中国南方发现了一组植物提取物。

4.1.3.2 微生物修复

微生物在一定程度上修复了被重金属污染的土壤。在这方面，土著微生物主要用于沙漠或污染环境，高效微生物加速污染物的降解，并在最佳条件下修复腐烂的土壤。

4.2 土壤重金属污染修复技术比较

4.2.1 化学修复技术比较

优点：稳定/修复方法不会破坏土壤结构，淋洗周期短，成本低，治理快速有效，易于清洗和提取，特别是针对轻重金属。改进的技术：快速降低水溶性和重金属重定向的效果。

不足：土壤的清洁必须增加清洁手段，修复手段的成本也加高了。在淋洗/萃取技术方面投入成本高，存在地下水污染和土壤变化等风险。改进的技术：它有可能破坏新的土壤遗传系统和二次污染。

适用性：稳定/固定技术主要依赖于小型、严重污染的土地。淋洗/萃取技术适用于较小污染较小的地块。这项翻新工程特别适用于污染严重、表面较小的土壤。

4.2.2 物理修复技术比较

优点：植物修复的经济性高，土壤扰动小，生态变化也能带来自然改善。微生物物修复技术：简单、干净、经济。微生物修复工艺简单、成本效益高，具有综合成本效益和环境友好性。

不足：需要在许多其他化学物质的粉末之间进行，这些化学物质是由重金属制成的。微生物物治疗技术：由于多样性范围需要修复，对环境的适应能力较差。微生物修复技术，显微镜下的小型技术不太稳定，也不能降解重金属。

适用性：大、中型土壤破坏的植物修复工程。微生物修复技术首先适用于污染较少较轻的土地。微生物修复也适用于黏土含量的污染场地。

不同的土壤污染修复技术各有优缺点。植物修复和微生物修复作为一种环境友好的方法在国外引起了广泛关注。专家们对基于植物的单微生物修复技术进行了大量研究，表明这种组合可以带来短期的改善，提高重金属污染的修复效率和突显真正的生态效益。同时，为微生物的联合应用提供了广泛的应用。

5.污染场地土壤修复制度对策

5.1 落实污染调查

土壤污染有时即使是某一土壤污染点位较为严重，但往往距离一定的土壤深层是很难被检测出来的。还有较为复杂的土壤表层现无污染，但是如果进行一定的纵向监察，则会发现在土壤的地表以下污染严重。土壤修复工作的实质是必须要找到土壤污染的源头所在，才能进行彻底地根治，但是目前的情况是很多土壤污染源在污染状况深度与广度方面都极其的复杂，并且与其他领域的检测有着明显的不同，由于基础调查数据的缺失，无法进行有效地土地污染整改，从而极大地阻碍了土壤修复工作的有效进行。因此，需要有效落实污染调查，通过适当的物理、化学技术，调查土壤污染情况、污染源，从而提出针对性的防治策略。

5.2 加强对于污染场地的监管工作

相关监管部门要根据不同的污染区域建立不同的监管措施与制度，并提前准备好对于土地污染的对策方法，这样在土壤污染发生时，才能第一时间给予一定的压制，并且强烈要求对于在相关管理范围内的污染企业要定期进行上报，包括自身的污染种类、污染的覆盖范围、污染的高峰期，并且要做好治理污染的措施，要有详细的报告书来阐述。

5.3 明确土壤污染的修复主体

对于已经污染的土壤来讲，不仅仅是要找到土壤污染的源头所在，相关的监察部门还要明确具体的责任所在。对于场地污染的调查本就复杂，有些还牵扯到企业的“历史”性责任，也有可能污染是由于当地的多家企业所造成的。而企业在发现土壤污染过后，便将工厂迁离了该地，或者将污染企业整改成无污染企业，这样在具体调查过程中，便很难确定污染的“主体”，也很难遏制住相关的污染企业对于土壤的破坏。对此，对于已经污染的土壤企业需要在一定的时间内进行治理和修复，并且通过环保部门的检查与通力合作，而对于一些已经转移的企业要进行责任追究，并要求从自身的建设费用当中抽出一些作为土壤管理的土壤修复费用，并且在对于土壤污染的问责上必须要明确主体，做到谁污染，谁负责。

6.结语

随着国务院发布的《土壤污染防治行动计划》的实施，农田重金属的修复工作越来越重要。事实证明，单一技术的替代方案很难满足当前的实际需求，而且针对重金属、复杂形态和当地海洋以及其他问题造成的各种污染源，越来越多地采用了共同的修复方法。这些技术的结合使土壤重金属在土壤动物植物修复微生物方面发挥了重要作用。总之，未来的重金属修复应该是生态修复，绿色和经济修复方法相结合是大势所趋。