重金属污染土壤修复技术及其修复实践探讨

2022-11-24刘瑞凡

大众标准化 2022年19期

刘瑞凡

（陕西煤业新型能源科技股份有限公司，陕西西安 710065）

土壤重金属物污染的修复技术在不断的发展和进步，常规的处理方法基于物理、化学以及生物等原理，但为了提高土壤修复的效果，单一的技术原理已经难以满足污染治理的效果，因而现阶段通常联合运用多种污染治理技术。研究重金属污染土壤修复技术对环境保护、生态系统保护以及人类健康等意义重大，研究的重点是提高污染治理效率和效果，同时减低成本。

1 土壤重金属污染的危害

1.1 长期危害环境

各种类型的重金属沉积到土壤中之后会长期滞留下来，有些重金属离子在雨水以及地表径流的作用下进入到周边的河流、水塘、水库之中，对地面上的水源形成了污染。沉积在土壤中的重金属离子可随着雨水的渗透作用、动物及微生物的活动等进入到地下水中，当然，这一过程相对漫长，但并非全无可能。事实上重金属污染对土壤和水本身并不会产生直接的危害，但是动物、植物以及微生物等对这些环境资源具有高度的依赖性，如果植被受影响而退化，那么相关地区的土壤环境也无法形成可持续的发展。

1.2 影响动植物及微生物的生存

植物的根系在吸收水分和各类微量元素的过程中也会将重金属离子吸收进去，然而植物并不需要大量的重金属，无法对其实现新陈代谢，这些重金属元素就会积累在植物体内，严重时可引发植物卷曲、泛黄、植株矮小等。对于动物而言，重金属元素具备一定的毒性作用，可引发动物致病，甚至死亡。典型的例子是河流中的鱼虾受重金属废水的污染而大量死亡。对于微生物而言，重金属有可能会抑制其种群的繁殖作用，在自然界中，Hg2+、Ag+对微生物的危害最为显著。

1.3 危害人体健康

自然界形成了完整的生态系统，植物和动物从土壤、水源中吸收的重金属元素最终都可通过食物链进入到人体之内，经过长期的积累之后，这些重金属元素将会对人体产生极为严重的危害，并且大部分呈现出慢性特点。主要的危害表现为影响生殖功能、诱发基因突变以及影响人体正常的机能，蔬菜、水果、谷物以及肉类产品等都可能成为重金属元素进入人体的方式。

2 常见土壤重金属污染及其主要来源

根据国内的调查情况，土壤重金属污染类型主要包括了铬、铅、汞、砷、镉、铜等，这些重金属污染的来源主要包括两个方面。

第一，自然来源。火山喷发活动、矿山岩石风化等常常造成自然界的重金属元素伴随风力进入到土壤环境中，国内火山喷发的情况非常少，但岩石风化是一种长期性的事件，同时也不可控。

第二，人为活动。人类的各种活动成为当前引发土壤重金属污染最主要的形式，典型的污染源如下：①矿山开采。人类社会发展所需的各种金属矿产开采活动、化石燃料的开采活动都会引发大量的重金属污染，典型的如露天矿山的采空区，巨大的矿坑中污染极为严重；②工业生产。金属冶炼、电池生产、化工生产、电镀等产业中总是伴随着重金属废渣和废水，有些企业为了降低运营成本，直接将受到污染的废水偷偷排放到自然河道中，工业生产中产生的废渣也不可直接堆放在自然环境中，否则重金属元素会进入土壤；③电子产品垃圾。废旧电池、废旧手机以及其他类型的电子产品垃圾是主流的重金属污染源之一，显然，全社会每年都有大量的电子产品报废，其在丢弃、运输、堆积和处理的过程中都会产生重金属元素的泄露，最终会进入到土壤环境中；④农药和化肥的广泛使用。农药和化肥中含有一定量的重金属元素，例如，在砷酸铅杀虫剂中就含有铅和砷这两种污染性突出的元素，制造肥料时使用的原料矿石中经常含有重金属元素。

3 重金属污染土壤修复技术

3.1 常规物理化学修复技术

第一，工程修复。土壤重金属污染实际上是针对生物和人而言的，重金属沉积在土壤中并不会对泥土、岩石和水体产生破坏，但是依赖这些环境要素的各种生物会成为最直接的受害者。鉴于此，工程修复的主要思路是通过工程活动改变这些土壤重金属污染元素的分布，降低或者大幅消除其进入生物系统的概率。常用的方法为深耕翻土、换土以及客土等。例如，客土是将其他地方的优质土壤覆盖在受重金属污染的土壤之上，并且要达到一定的厚度。由于重金属元素的移动方向主要为从表层土向深层土，这是重力作用所引起的，深层的污染元素难以上升到表层，因而客土是有效的处理方法。深耕翻土的基本原理是通过机械翻土的方式将深层的洁净土壤翻出来，用以置换表层的受污染土壤，这样就改变了土壤重金属污染元素的物理分布，减少其提供植物根系转移到动植物的可能。换土也是常用的手段，直接将受污染的土壤铲除，做集中处理。

第二，电动力学修复。这种技术的基本原理是将带有直流电源的阴极和阳极插入到受污染的土壤中，开启电源之后就会在土壤中形成电场，根据物理学中的电泳原理，土壤中的金属阳离子都会向阴极汇集，实际上重金属污染元素主要以阳离子的形式存在于土壤中。当重金属阳离子汇集在阴性电极之后再通过特定的方法将其去除，如沉淀、离子交换等。目前成熟的工艺方法是Lasagna工艺，在这种工艺原理中，会使用催化剂、吸附剂等物质形成一种具备渗透功能的断面区域，还可将Lasagna工艺与其他的修复技术配合使用，如植物修复技术。

第三，热解吸法。土壤中的部分重金属污染元素具备较强的挥发性，典型的如Hg、As等，对土壤进行加热后可将这些重金属元素转化为气态，此时再通过特定的吸附法将其去除。但热解吸法存在一定的局限性，主要问题是适用范围较窄，并且能耗水平高，如果污染类型集中时，如主要为Hg污染，可采用这种方式来修复。

第四，化学淋洗技术。重金属污染物常常固定在土壤颗粒中，在处理时要采取有效的技术措施将其与土壤颗粒分离开，淋洗技术是专门的淋洗剂加入到水体中，然后使用淋洗液喷洒受污染的土壤，原本吸附在土壤颗粒上的金属阳离子在这种情况下就会溶解，形成一种由淋洗液—金属络合物，并且经由淋洗的废水从受污染的土壤中排出，经过这种处理方式可显著降低土壤中重金属离子的含量。

3.2 基于生物学原理的修复技术

第一，植物修复技术。①通过植物提取土壤中的重金属元素。有些植物对特定类型的重金属具有显著的富集作用，植物通过其根系吸收重金属并利用水分的循环将其转移到地上的叶子以及果实等部位，大面积种植此类植物可有效地将土壤中的重金属元素提取出来，最终收割地上部分，这样便将土壤重金属去除；②利用植物稳定土壤中的重金属元素。植物根系在吸收土壤重金属元素之后也可能发生一系列的化学和生物作用，最终将原本游离的可对其他动植物产生危害的重金属离子转化成稳定的化合物，从而大幅降低此类重金属污染的危害性；③根基过滤。有些植物可将土壤重金属转移到地面上的枝叶中，还有些植物会将重金属富集在其根系部位，不会向上部转移，这种作用可称之为根基过滤，同样可以起到降低重金属污染的作用。例如，蜈蚣草用于富集土壤中的砷元素，土壤中的镉污染可利用国内常见的油菜来进行富集，Pb、Cd、As这几种重金属可富集在东方香蒲的根部位置。植物修复技术环保性能优异，在能耗和成本方面也具备突出的优势，但缺点在于修复速度较为缓慢。

第二，微生物修复技术。微生物对重金属污染的治理和修复形成了多种技术原理，有些微生物和吸收重金属元素并将其沉淀在体内，有些微生物可通过氧化还原反应固定重金属元素，降低其对动植物的危害性。例如，青霉属、木霉菌属的丝状真菌可通过细胞壁来大量吸附和沉积重金属元素，土壤中的重金属和正常的土壤成分结合在一起，这种情况对治理重金属污染造成了很大的难度，将重金属从土壤中浸出是治理污染的重要技术手段，除了利用传统的物理化学方式来实现重金属的沥浸外，微生物也能起到相同的作用，具有这种功能的菌种包括氧化亚铁硫杆菌、氧化硫硫杆菌等。自然界中本身存在的菌种可用于治理土壤重金属污染，通过人类基因工程改造的菌种往往具备更强的修复效果，这种技术前景广阔，值得大力推广和应用。

3.3 土壤重金属污染联合修复技术

单纯依靠某一种技术通常难以取得良好的土壤重金属污染治理效果，在工程实践中往往是将多种不同的技术路径综合在一起，形成联合修复技术，以下介绍几种典型的联合修复技术路径。

第一，电动力学辅助植物修复技术。电动力学可将分散在土壤中的重金属离子快速地富集在电极处，从而为治理土壤重金属创造出有利的条件，但基于电动力学的土壤重金属污染修复技术也存在一定的局限性，主要问题在于重金属清除率不够高。植物修复技术在理论上可达到很高的处理程度，但问题是修复土壤需花费大量的时间。因此，电动力学辅助植物修复技术是将这两种技术路线的优势综合在一起，首先利用电动力学快速富集并清除大部分重金属元素，然后再利用植物修复的技术集中处理电极附近的区域，这样就能全面提高重金属治理的程度。

第二，植物—微生物联合修复技术。植物和微生物都是自然界中广泛存在的生物类型，并且相互之间通常不存在冲突，而这两种生物又同时具备修复土壤中金所属污染的能力，将其联合起来可形成更加突出的修复效果。例如，在土壤镉污染的治理中可使用微紫青霉（一种真菌）吸附土壤中的各元素，同时这种真菌可分泌出一种激素，促进了一些植物的生长，如狗牙根（可将土壤中镉元素转移到地上部分）。如果没有微紫青霉分泌的激素，狗牙根会受到高浓度镉污染的影响，因此，这两种生物联合在一起，形成了更为强大的治理效果，需说明的一点是，微生物—植物联合修复技术并不是两种修复方式的单纯叠加，而是利用生物作用提高和促进至少一种修复技术的效果。

4 重金属污染土壤修复实践案例

4.1 土壤重金属污染情况

国内某企业厂房于2009年彻底停产，其运行时间超过60年，主要用于机械产品制造，生产工艺中包括电泳、车削等。停产后续对原有场地重新开发利用，检查发现场地中重金属污染严重超标，该企业生产场地中的主要重金属污染调查结果是每1 000 g土壤中含有的铅为1 020 mg、镉为35.6 mg、镍为3 600 mg、铬为2 655 mg、铜901 mg。这些污染物远远超过了正常的范围。

4.2 修复措施

经过研究之后，该企业决定采用固化稳定的技术来修复这些受污染的土壤，具体的处理措施如下：①利用机械车辆将受污染的土壤转移到专门的处理场地，并且将土壤均匀摊铺开，厚度控制在50 cm上下；②根据每一批土壤的重量，合理施加稳定剂，方式为人工喷洒，稳定剂需兑水，药剂含量为5%；③撒完稳定剂之后，使用挖掘机将土壤充分地搅拌，使其和稳定剂融合均匀；④添加稳定剂的土壤会逐渐产生浸出液，其中富含以上待治理的重金属元素，检测浸出液中各类重金属元素的含量，确定治理的实际效果。设定的技术指标是浸出液中铅、镉、铬、镍的含量分别需达到0.25 mg/L、0.15 mg/L、4.5 mg/L、0.5 mg/L。