土壤重金属污染淋洗修复影响因素研究进展

宁银中 李超 付微

摘 要：该文阐述了土壤重金属污染淋洗修复技术的原理和种类，通过对淋洗修复效果的影响因素和作用机理进行了分析，得出如下结论：土壤质地主要是由于不同土壤颗粒组成影响淋洗效果;无机淋洗剂具有快速去除土壤污染物的特性，但会引入过量盐基离子，对土壤结构和功能产生影响;而有机淋洗剂和表面活性剂则通过络合或静电作用将污染物从土壤淋洗出来;淋洗修复条件包括淋洗pH值、固液比、淋洗时间和淋洗温度等，不同的污染物有着不同的最适反应条件。

关键词：土壤重金属污染;淋洗修复;影响因素

中图分类号 X53 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2022）01-0116-04

Research Progress on Influencing Factors of Soil Heavy Metal Leaching Remediation

NING Yinzhong1  LI Chao1  FU Wei2

（1Shanghai Geological Construction CO.， Ltd.， Shanghai 200436， China; 2Technology Innovation Center of MNR forLandscape Eco-restoration in Metropolitan Area， Shanghai 200436， China）

Abstract： This paper describes the status of heavy metal pollution in soil， introduces the principle and types of leaching remediation technology， discusses the influencing factors and mechanism of leaching remediation effect， and draws the following conclusions： the soil properties mainly affect the leaching effect through different soil particle composition; Inorganic elements have the characteristics of rapid removal of soil pollutants， but they will introduce excessive base ions， which will affect the soil structure and function.Organic elements and surfactants can leach pollutants from the soil by complexing or electrostatic interaction; Leaching remediation conditions include leaching pH value， solid-liquid ratio， leaching time and leaching temperature.Different pollutants have different optimal reaction conditions.

Key words： Trace metal contaminated soil; Leaching remediation; Influencing factors

重金屬污染是土壤污染最严重的一类，土壤重金属主要来源有自然源和人为源2类，自然源决定了土壤环境、水体环境、大气环境中的重金属含量;人为源如采矿、冶炼、污灌、化工、垃圾填埋等均能导致重金属在土壤中积累[1]。重金属作为一类有毒且致癌的金属元素[2]，能以多种方式与土壤中的各种组分发生物理化学和生物化学反应，包括氧化还原、沉淀、吸附、离子交换及螯合作用等[3]。土壤淋洗修复是通过逆转上述的反应过程，把土壤固相中的污染物转移到土壤液相中来，从而实现土壤净化的方法。由于土壤淋洗修复技术具有工艺及运行管理、污染物淋出效率高等特点，近年来已成为国内外修复重金属污染的研究热点。

1 土壤淋洗技术

土壤淋洗的原理是利用化学试剂将受污染土壤固相中的有机或无机污染物转移到土壤溶液相。选取合适的提取剂，既能提取各种形态的重金属，又不破坏土壤物理、化学和生物结构。目前，常用的淋洗剂可分为无机溶液淋洗剂，螯合剂和表面活性剂3类[4]，不同种类的淋洗剂具有不同的理化性质，其淋洗效果也不尽相同。针对不同种类、浓度和形态的污染物，除选取合适的淋洗剂之外，其他影响因素如淋洗时间、温度、浓度、固液比、土壤理化性质等均对淋洗效果产生了不同的影响。因此，探讨合适的淋洗条件对提高淋洗效率、节约成本显得尤为重要。

淋洗技术按应用场景主要分为原位淋洗技术和异位淋洗技术2类。原位淋洗技术适用于透水、多孔隙的土壤，特点在于操作方便，避免了对土壤的物理扰动，但对土层水文地质条件要求较高。如果处置不当会污染地下水，且对修复效果和时间不好把控，因此原位化学淋洗技术不适合大面积、地质条件复杂的土壤。异位淋洗技术分为物理筛分和化学提取，首先将需要处理的污染土壤进行减量化筛分，减少要处理的污染土壤体量，并尽可能将污染物从土壤中去除;然后通过化学提取改变土壤pH、Eh、阳离子交换量或土壤结构等方法充分活化重金属离子，从而将重金属离子与土壤颗粒解吸分离。异位淋洗技术由于其高效且对水文地质条件不苛刻，是当前重金属污染土壤修复技术的主要研究方向之一。

2 淋洗效果影响因素

在土壤淋洗修复技术中，淋洗效果主要由以下3个方面决定，即土壤性质、淋洗剂种类、淋洗条件。土壤性质包括土壤种类、质地、级配等;淋洗剂种类包括无机溶剂、有机溶剂和表面活性剂、淋洗剂浓度等;淋洗条件包括pH、温度、固液比、淋洗时间等。

2.1 土壤质地 不同性质的土壤中重金属会通过各种反应，形成不同的化学形态，表现出不同的活性[5]，对淋洗修复效果具有显著影响。研究发现，当土壤水力传导系数大于10-3cm/s时，土壤多孔隙易渗透较适用于淋洗修复[6、7]，如沙质土壤和滨海土等;低渗透性粉质黏土中，水对Cd对流迁移作用小。这是因为黏土渗透系数较小，污染物与土壤之间吸附能力较强，不易被淋洗。蒋小红等[8]研究发现，当污染土壤中沙子或砾石含量超过50%时，异位化学淋洗修复技术的效果良好，而当污染土壤中粘粒、粉粒含量超过30%～50%或腐殖质含量较高时，异位化学淋洗法效果不佳。李丹丹[9]等采用土柱间歇式淋洗的方法研究了柠檬酸对土壤中总铬和主要污染物铬（Ⅵ）的去除效果，结果表明，当淋洗量达到5.4个孔隙体积时，土壤总铬去除率为29%。由此可见，土壤性质主要是通过不同的土壤颗粒组成而影响淋洗效果。

2.2 淋洗剂 淋洗剂一般为具有离子交换、螯合和络合等作用的液体，主要为无机淋洗剂、有机淋洗剂和表面活性剂3类。

2.2.1 淋洗剂种类

2.2.1.1 无机淋洗剂 无机淋洗剂包括水、无机酸、碱、盐溶液等，其通过溶解、离子交换氧化还原等作用，破坏土壤中的官能团，使重金属释放溶出。杜蕾[10]研究陕西省宝鸡市凤县铅锌矿周围土壤发现，HCl对Cd有着较好的修复效果，去除效率在31.54%～47.32%，建议HCl浓度在0.08mol/L以下，当HCl浓度超過0.08mol/L时，Cd离子去除效率逐步趋于平缓。李玉姣[11]通过震荡淋洗发现，FeCl3对水稻土中重金属的去除效果较好。江建斌等[6]研究发现，NaOH对土壤中As有着较好的淋洗效果。无机淋洗剂具有淋洗效果好、速度快的特点，但易引入盐基离子，破坏土壤原有的结构和性质。

2.2.1.2 有机淋洗剂 有机淋洗剂通过与土壤溶液中的重金属离子络合，改变其存在形式，使之从土壤颗粒表面解析下来，从不溶解态或难溶解态转化为可溶解态。莫良玉等[12]研究硝酸铵、磷酸二氢铵和草酸铵3种铵盐对锌和铅的去除效果，结果表明：无论3种淋洗剂的浓度如何，随着淋洗次数的增加，淋洗液中锌浓度下降，草酸铵随着浓度升高，下降幅度逐渐变小;淋洗液中的铅浓度随淋洗剂浓度及淋洗次数的增加而增加。其中草酸铵处理的增加较大。Cheng[13]等研究了乙二胺-N，N′-二琥珀酸（EDDS）对镉、铜、锌和铅污染土壤的修复效果，结果表明，当EDDS的pH为5.5时，能够去除52%的镉，66%的铜，64%的锌和48%的铅。赵娜[14]等研究了乙二胺四乙酸（EDTA）和EDDS等2种螯合剂对镉和铅的去除效果，结果表明，EDTA和EDDS对镉均具有良好的去除效果，去除率分别达82%、46%。并且在5～30mmol/L范围内，同一浓度下，对于铅的去除效果，EDDS要高于EDTA，铬（Ⅵ）的去除率达51%。Maity[15]等研究皂素对铜、铅和锌污染土壤的修复效果，结果表明，在酸性条件下，皂素可以去除95%的铜，98%的铅和56%的锌。淋洗剂浓度即反应官能团的数量，将直接影响到淋洗剂对污染土壤中重金属的去除效果[16]。

2.2.1.3 表面活性剂 表面活性剂具有固定的亲水或亲油基团，能在溶液表面定向排列，通过降低液体表面张力，使污染物分离出来[17]。一般将表面活性剂分为离子型表面活性剂和非离子型表面活性剂2类。离子型表面活性剂在溶液中可以通过电离形成带正电荷的阳离子表面活性剂、带负电荷的阴离子表面活性剂或同时带正、负电荷的表面活性剂。同时，表面活性剂因具有特殊的结构、功能，具有安全环保的优点，在土壤修复技术中的应用逐渐增多。

2.2.2 淋洗剂浓度 淋洗剂的浓度能够在极大程度上影响土壤淋洗的效果。但淋洗剂的浓度并不是越高越好，当浓度超过峰值时，浓度越高，处理效果可能反而越不佳，但是成本肯定随之会上升，不利于大规模使用。因此，选择适宜浓度的淋洗剂是非常有必要的，不仅能够提升淋洗效果，而且能降低成本，有利于工程实施。易龙生[18]曾研究土壤淋洗剂的最佳配比，采用草酸作为淋洗剂处理含重金属Zn、Pb、Cu、Cd的土壤，结果表明，在0.05mol/L时对Zn、Cu的淋洗效果较好，在1.00mol/L时对Pb、Cd的去除效果较好。咸思雨[19]曾探究了最佳的淋洗配比，采用浓度梯度为0.01mol/L、0.02mol/L、0.05mol/L、0.10mol/L、0.20mol/L等6个浓度的EDTA溶液作为淋洗剂，对土壤中Cd的去除效果进行研究，结果表明，0.10mol/L的EDTA溶液对土壤中Cd的去除效果最佳。高锦玲[20]曾探究了最佳淋洗工艺，研究不同浓度梯度的EDTA和草酸作为淋洗剂对重金属Cu和Pb的淋洗效果，结果表明，随着EDTA溶液浓度的上升，对重金属Cu和Pb的处理效果越佳，随着草酸浓度的上升，对Cu的去除效果并没有上升，反而有所下降，但是对Pb的去除效率明显加强。于兵[21]等在研究Cu、Cd、Pb污染土壤修复时，最佳淋洗剂是柠檬酸溶液，最佳淋洗浓度分别为1.0、0.4、0.7mol/L，Zn用醋酸溶液淋洗，最佳淋洗剂浓度为1.0mol/L。李世业[22]等对济南市某铬渣场地表土壤淋洗修复时发现，0.16mol/L的HCl对Cd的最大淋洗率达到58.8%。MOON D H等[23]研究发现，浓度为2mol/L盐酸对Zn淋洗效果最好，去除率高达92%。因此，土壤中重金属的去除率随着淋洗剂浓度增加而增加[14，24]。但不同的淋洗剂对不同土壤中重金属淋洗去除的最适浓度差异较大，因此需要通过试验找到最合适的淋洗剂浓度。

2.3 淋洗条件

2.3.1 pH pH是影响淋洗剂与土壤中重金属离子络合能力的重要的影响因素[5]，重金属污染土壤淋洗效果/效率随pH升高而降低。汪波等[25]利用IDS对土壤中重金属Pb淋洗时发现，随着pH升高，重金属的去除效果逐渐降低，可能是因为在碱性条件下，OH-与土壤中的颗粒表面反应，从而颗粒表面所持有的负电荷增加，土壤胶体对重金属离子吸附率也增大。可欣等[26]利用皂素对沈阳市冶炼厂废料堆积地中重金属进行淋洗，结果表明：溶液pH为5.0～5.5时，能达到对污染土壤重金属的最大去除率，去除率分别为Cd 93.5%，Pb 20.5%，Cu 8.64%，Zn 48.4%。李玉姣等[27]研究了有机酸与氯化铁复合浸提Cd、Pb污染农田土壤重金属的去除效果和影响因素，结果表明，复合淋洗剂对重金属的淋洗效率随pH值的升高而减少。

2.3.2 固液比 固液比是单位体积的污染土对应的淋洗剂的量，反映了土壤颗粒与淋洗剂接触的充分程度，通过影响淋洗液中作用离子与土壤微粒表面的污染物物理/化学反应的强度进而影响淋洗修复效果。易龙生等[18]研究表明，相比于固液比对淋洗重金属污染的去除效果影响很小。李世业[22]等研究了固液比变化对金属淋洗效果的影响，结果表明，固液比越小，淋洗去除率效果越佳。孙涛[28]等研究表明，固液比对淋洗效果影响不大。周楠楠[29]对EDTA强化皂角素淋洗土壤重金属开展了研究，结果表明，当EDTA浓度为0.2mmol/L，在固液比为1∶4时，土壤重金属Zn淋洗效果最好达到92%。对Pb、Cr、Ni、Cu、Zn的淋洗研究发现，1∶3和1∶5的淋洗效果显著优于1∶1的固液比。可能是因为随着固液比的减小，单位体积的液体淋洗的土壤质量减少，淋洗得更加充分，所以淋洗效果会更好[30]。

2.3.3 淋洗时间 淋洗时间是影响淋洗效率的另一个关键因子。通常，随着淋洗时间的增加，淋洗效率会随之提高[31-33]。朱光旭[34]等通过对尾矿重金属污染土壤的淋洗研究，结果表明，0.1mol/L的EDTA，在液固比6∶1，淋洗时间3h时，淋洗2次时淋洗效果最好。易龙生等[18]开展了重金属污染土壤的淋洗效果研究，结果表明，淋洗时间为8h时，有机酸对重金属Cd的去除效果最好，去除率达96%。在工程修复实例中，淋洗时间过长将增大能耗，增加淋洗成本，同时也可能产生反吸附作用而降低淋洗效率[14]，因此必须考虑到时间因素。

2.3.4 淋洗温度 温度是物理化学反应的重要影响因素，通过影响分子热力学运动进而影响物理化学反应的速率和效果[35]。李尤等[5]研究表明，淋洗温度对土壤中污染物的去除效率有一定的影响。许端平等[36]研究表明，随着温度的升高，酒石酸、柠檬酸及草酸对污染土壤中的铅和镉的解吸量随之升高，可能是因为较高的温度加快了重金属离子的扩散速率。但是，温度过高或过低都会增加能耗，从而增加成本，因此需要选取合适的淋洗温度。

3 结论

通过对淋洗技术的种类、淋洗条件以及淋洗剂种类等淋洗修复效果的影响因素的梳理，得出：（1）土壤性质主要是通过不同的土壤颗粒组成影响淋洗效果;（2）无机淋洗剂具有快速去除土壤污染物的特性，但会引入过量盐基离子，对土壤结构和功能产生影响。而有机淋洗剂和表面活性剂则通过络合或改变静电作用将污染物从土壤淋洗出来，且不会引入新的杂质;（3）淋洗修复条件如淋洗pH值、固液比、淋洗时间和淋洗温度，均有不同的最适淋洗条件。当超过最佳淋洗条件时，对淋洗效果改善作用不大且会增加淋洗成本。

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（责编：张宏民）