镉污染土壤修复技术的研究进展

2023-08-06路润峰冯娟鱼甜甜王亚娇杨春黄嘉瑞

农业与技术 2023年8期

路润峰冯娟鱼甜甜王亚娇杨春黄嘉瑞

(1.陕西省地质调查实验中心，陕西西安 710054；2.陕西省地质调查院，陕西西安 710054；3.陕西众晟建设投资管理有限公司，陕西西安 710054)

引言

镉是被公众所熟知的“五毒”元素之一，具有移动性大、分解周期长(半衰期超过20a)、毒性高等特点。并且镉在日常生产生活中极易被周围作物吸收及富集，可以通过食物链进行积累，不仅严重影响作物的品质和产量，而且严重危害人体的健康。镉的主要污染途径是干湿沉降、农用产品及化学产品的使用、污水的灌溉以及污泥的使用等。镉一旦进入人体会产生一定的毒性作用，对人体的肾脏、骨骼、免疫系统、肝脏等造成损伤，诱发多种癌症；造成人体肌肉酸痛、肺损害、全身疲乏、肠胃刺激等一系列反应[1，3]。因此，对镉污染土壤的修复已经成为多数研究者迫切需要解决的问题。为了对镉污染土壤进行有效修复，近年来，研究者尝试并提出了多种镉污染土壤的修复技术与修复方法。这些方法可以通过对镉污染物的扩散进行一定程度的遏制，通过对镉污染物生物利用度的降低、总浓度的降低、转移等方式，来达到对镉污染土壤环境的有效改善。但是在实际应用过程中，这些修复技术的适用范围、修复成本等各有差距。本文旨在通过对镉污染土壤的修复技术进行综合比较，并对其原理、适用条件、优缺点、发展前景等作出合理的评估，以期对研究者选择合适的修复技术，对传统修复技术进行改进，联合使用不同种类的修复技术等方面提供一定的帮助。

1 物理修复技术

物理修复技术主要是通过物理学特性的差异，通过物理性的方法将环境中的污染物去除或者分离。该技术的优点在于大部分修复所需要的费用都较低，所需要的设备一般都比较简单，且具有可持续的高产出。而在具体应用这项技术时往往存在其修复技术的可行性问题，还需综合考虑各种因素的影响。

1.1 客土法

客土法作为镉污染土壤的一种修复技术，通常采用向受到镉污染的土壤中添加洁净的土壤，从而达到减少镉与农作物植物根系的接触、降低或减少土壤中镉污染物的浓度这样的目的。20世纪60年代，日本采用客土法对神通川地区的受镉污染农田展开修复，将表层污染土壤剥离地面，对田地进行挖沟，从其他地方运来干净的土壤覆盖地表，同时配合使用土地改良剂等，经过30多年的时间，约有接近1/2的受污染土壤得到了彻底恢复正常。

客土法的优点是见效快，效果好。但这种修复技术也存在一定的缺陷，如工程投资费用普遍较高，工程实施量普遍较大，工程在实施过程中有可能破坏土体的内部结构，从而引起土壤肥力下降等问题。

1.2 换土法

换土法修复技术就是通过工程措施方法将受到镉污染的土壤移走，换入新的干净的土壤。换土法通常适用于污染严重的小面积的土壤镉污染的场地，特别是运用于污染物具易扩散、有放射性或污染物难以分解的严重污染土壤。换土法最为关注的点是对换出的污染土壤进行妥善处理，以避免发生二次污染。Douay等[4]对一片镉污染菜地进行换土修复的研究，通过分析菜地换土前后萝卜叶片中的镉含量，研究结果显示，镉含量降低了23.23mg·kg-1。

换土法可以有效地把污染土壤隔离起来，从而有效减少了镉对环境的影响。换土法土壤修复技术的工程量比较大，修复成本也较高，并且该修复技术要对土壤进行较大程度的扰动，破坏土壤原有结构，从而影响到土壤的生产力。

1.3 电动修复技术法

土壤电动修复技术是通过对污染土壤外加直流电场，外加电场的作用会使得重金属污染元素通过电迁移、电泳或电渗流等方式向一边电极处聚集，经后续处理以去除重金属污染元素。

Gavrilescu等[5]研究发现，电动修复技术在低渗透性土壤(如粘土)中具有高效、快速的重金属去除效果，同时提出了电动修复技术是最有希望的一种土壤修复技术。胡宏韬等[6]在土壤重金属污染的电动力学修复实验中的研究表明，当外加试验电压为0.5W·cm-1时，镉的去除效率可达到71.5%。储陆平等[7]提出，一般影响电动修复效果的主要因素包括土壤性质、电压、电流等。Li等[8]通过在电极和被处理的污染土壤之间设置了导电溶液槽，使得从污染土壤中迁移出来的重金属离子沉淀在导电溶液槽中，研究结果表明，镉的去除效率可达到90%以上。

电动修复技术具有设备易于安装和操作，后处理方便，所带来的二次污染少，可以从土壤中去除污染物的优点。但电动修复技术修复的土壤类型有限，施加的电场可能引起土壤局部环境的显著变化，且存在修复成本高、化学活化剂残留等问题。

2 化学修复技术

化学修复技术，主要是向重金属污染土壤中添加一些化学改良剂以改变重金属元素镉在土壤中的存在形态、改变土壤电位、土壤酸碱性等。再通过化学吸附、离子交换、表面络合等一系列的化学反应来降低土壤中重金属元素(镉)的生物有效性，从而减少其危害性。目前，化学淋洗技术和原位钝化技术的应用较为广泛[9]。

2.1 化学淋洗技术

化学淋洗技术是将化学淋洗剂注入受污染的土壤，使土壤中污染物发生溶解或迁移而随淋洗液流出，并对带有污染物的淋洗液进行分离处理[21]。其作用机制是注入的化学淋洗液与土壤中重金属污染物发生一系列的结合，并通过淋洗液的溶解、解吸、鳌合等一系列的作用，达到修复污染土壤的目的。

徐小逊等[10]用4种不同植物种类材料的水浸提液作为淋洗剂，探讨不同淋洗剂浓度、淋洗时间以及不同pH条件下对去除土壤中镉的影响，研究结果表明，淋洗剂浓度越高，其对土壤中镉的淋洗效率越高；淋洗剂pH越大，淋洗效率总体呈降低趋势。姚萍[11]研究了芋叶及牛膝废渣对淋洗废水中的Cd2+的吸附效果，研究结果表明，2种植物材料对土壤中的镉有很好的吸附效果，能达到有效去除污染土壤中镉的目的。

化学淋洗技术修复时间短、修复效率高，可修复重金属严重污染的土壤场地，且化学淋洗技术原位与异位修复均适用。化学淋洗修复过程中使用的一系列化学试剂往往会对土壤产生一定的影响，如破坏土壤微生物菌群等，因此，通常在土壤淋洗修复后需要采取一些农艺措施对修复土壤质量进行恢复[12]。

2.2 原位钝化技术

原位钝化修复技术，是通过添加外源修复剂与重金属发生系列反应，从而改变重金属在土壤中的存在形式，达到降低其在土壤中的生物有效性和阻隔其进一步进行迁移目的的一种化学修复技术。

李明等[13]通过研究施用石灰类钝化剂来研究菜地土壤镉的有效性，研究结果表明，施加CaCO34500kg·hm-1，使得土壤中有效态镉降低了87.8%。王林等[14]研究了海泡石等对镉污染土壤的钝化修复作用，结果表明，海泡石处理过的土壤，镉含量降低27.88%。Gao等[15]采用生物炭、铁酸镁和铁酸镁生物炭组合体，研究其对镉的钝化的影响。结果表明，铁酸镁生物炭组合体对镉的吸附性能更好。

原位钝化修复技术在重金属污染土壤修复过程中具有修复费用低、使用效果快、稳定性好、操作简单且可以实现不影响农业生产的特点，受到广泛关注。但是该修复技术修复的长期稳定性还有待考证，同时，其修复后的土壤环境质量也需要长期的监控评估。

3 生物修复技术

生物修复技术通常是指利用各种生物(包括植物、动物和微生物)的特性，吸收、降解、转化环境中的污染物，使受污染的环境得到改善的治理技术。该技术具有适用性广、成本低，操作工艺较为简单，且不会造成二次污染，符合生态发展规律等优点。

3.1 植物修复技术

植物修复通常是在受污染土壤中种植植物，通过植物各结构部件分解、吸收、固定或转运土壤中有毒有害污染物的一项修复技术[16]。主要包括植物降解、植物萃取、植物挥发以及植物根部降解4种形式。重金属超累积植物是植物修复技术的核心部分，常见的超富集植物包括商陆、三叶草、黑麦草、菠菜、印度芥菜、小白菜、油菜等。

聂发辉[17]在超累积植物筛选工作中发现，植物商陆对污染土壤中的镉污染具有一定的忍耐与积累能力。通过进一步的对照研究表明，在受重金属污染土壤中检测到商陆的茎、叶的镉的含量均超过了镉超积累植物应达到的临界含量标准，说明商陆可以作为一种植物修复技术潜在的修复资源。苏德纯等[18]通过实验课题筛选出2种芥菜型油菜溪口花籽和朱苍花籽，均具有修复镉污染土壤的潜力，且有较强的耐镉毒能力。

植物修复技术具有投资小、容易操作、环境友好等优点。但植物修复往往所需时间较长，且通常仅适用于低污染的土壤中。

3.2 动物修复技术

动物修复技术是通过利用土壤中动物的一系列生长、穿插、繁殖等活动对重金属污染物进行一定的分解、破碎、消化等作用，从而达到使重金属污染物消除或降低的一种生物修复技术。

成杰民等[19]通过对照实验研究了土壤动物蚯蚓在植物修复镉污染土壤中的作用，研究结果表明，在镉污染土壤中引入土壤动物蚯蚓可以显著增加植物地上部分的生物量，蚯蚓的活动显著促进了植物根部对镉的吸收。田伟莉等[20]通过大田试验方法，综合研究了动植物联合修复技术在重金属污染土壤中的应用状况，研究结果表明，经过18个月的修复，土壤镉含量降低了92.3%。

土壤动物修复技术未来的发展重点是加深对动物土壤修复能力的理论与修复技术的研究，加强对强修复能力的动物的筛选工作，加强与其他修复技术的联合应用。

3.3 微生物修复技术

微生物修复技术通常是在一定的条件下通过利用土壤中的微生物(人工训化的具有特定功能的微生物、真菌、藻类或细菌)自身的代谢作用，对重金属进行生物富集或生物转化，从而降低污染土壤中重金属镉的活性及含量的一种修复技术。

Suleman等[21]通过对一种纤毛虫原生动物的大肠杆菌基因中加入一个镉诱导金属硫蛋白基因，并通过对照实验监测其对Cd2+的积累量，研究结果表明，基因重组大肠杆菌对Cd2+的积累量比未进行基因重组的多19倍。Hao等[22]通过盆栽实验研究了4种菌对菠菜对土壤中镉的吸收性能，研究结果表明，混合嗜酸菌使得菠菜组织中镉的浓度增加了78%，该实验组在发展微生物辅助植物提取过程中，引入的微生物不仅能从污染土壤中去除重金属，而且还能提高土壤植物组织对重金属镉的吸收。

微生物土壤修复技术具有对环境影响小、成本低等优点。但也存在一定的局限性，对修复土壤的环境要求较高，只有在适宜微生物生长环境下，微生物修复才是有效可行的。对于微生物修复技术，还需在复合修复技术、筛选、改良微生物菌株等方面进行加强。

4 展望

镉污染是最严重的重金属污染物之一，严重威胁着人们的食品安全与生命健康。我国镉污染修复治理技术的起步时间虽然短，但已经取得了很多研究进展，但仍有以下几方面需进一步优化。

4.1 生物修复的机理需要进一步深入探讨

生物修复技术是一种被公认的环境友好、低成本的具有光明前景的修复技术，植物修复用来修复低污染、大面积的浅层污染浓度低的土壤，但镉超富集植物的探索需更进一步；土壤动物修复技术是运用天然方法转化重金属富集与形态，在一定程度上还可以提高土壤肥力；未来，将土壤动物作为一种“催化剂”放入受污染土壤中将是一个研究方向；微生物修复面临着菌种选择与大规模试验挑战。