探讨广泛应用的重金属污染土壤修复技术

摘要：指出了工农业的迅猛发展和不规范化管理导致了我国诸多地区的土壤重金属污染, 对污染源以及污染的现状和其危害进行了阐述, 总结了目前已广泛应用的重金属污染土壤修复技术, 为污染土壤的治理方法和研究提供更好的思路和参考。

　　关键词：重金属污染; 土壤; 危害; 修复技术;

　　1 引言

　　改革开放以来, 我国工业化水平发展迅猛, 土壤重金属污染是在此背景下产生的污染和安全问题。随着人们生活水平和意识的不断提高, 对土壤重金属污染的认识和关注也越来越多。如果重金属通过养分循环和食物链进入人体, 将会严重危害人体健康, 甚至造成无法挽回的后果。

　　2 土壤重金属污染概述

　　重金属元素是单质密度大于4.5g/cm3的一类金属元素的总称[1]。重金属元素进入土壤后, 若含量高于安全标准从而使生态环境恶化的现象就是土壤重金属污染[2]。

　　2.1 土壤重金属污染来源及现状

　　2.1.1 土壤重金属污染来源

　　地质作用中的火山喷发、地震以及含重金属元素的岩石风化会影响土壤中重金属元素含量, 但大部分来源于以下几个方面。

　　(1) 农药和化肥中的金属元素一般都超标, 且在生产中过度使用;另外农膜和地膜的回收率地也会导致重金属污染[3]。此外, 农业生产中, 富含重金属的固体垃圾的堆积排放会让其中的重金属元素呈放射状向水体及土壤中扩散, 进而造成重金属污染。

　　(2) 工业生产中产生废气、废水、废渣未经处理后排放会导致土壤中的重金属含量增加。据报道, 我国许多污灌区土壤汞、镉、铬、铅等重金属含量远远超过国家安全标准, 且呈逐年上升趋势。

　　工业生产的固体废弃物未经处理随意堆放在露天场所, 重金属离子会扩散至周边的农耕地土壤中。排放的有毒废气和粉尘, 进入大气中通过自然沉降和降水过程进入土壤从而造成重金属污染。煤和石油中含有铬、铅、汞、钛等金属, 这些重金属元素会随着燃烧过程进入大气后, 有相当一部分随着自然沉降和降水进入土壤[4]。另外, 车辆在行驶过程中燃料的燃烧、轮胎的摩擦、润滑性的损耗等都会增加路旁土壤中重金属的含量[5]。

　　2.1.2 土壤重金属污染现状

　　全球土壤都存在着不同程度的重金属污染[6]。在我国范围内, 大约有10%的农耕地已受到重金属污染, 这在经济较为发达的地区情况尤甚。国家环保部抽样监测数据结果显示, 土壤重金属严重超标面积占抽调面积的12.1%[7]。

　　3 土壤重金属污染的特点及危害

　　3.1 重金属污染的特点

　　部分土壤重金属污染早期表现出滞后性, 经过漫长和逐步积累的过程往往发生危害事件后才被人们觉察到, 因而具有明显的隐蔽性;土壤自身的净化能力难以对侵入的重金属污染起作用, 一旦污染基本是不可逆的。而且污染的后果具有持久性, 会在土壤中长久保存。

　　3.2 重金属污染的危害

　　重金属污染首先会影响土壤中的微生物, 会降低微生物 (包括真菌和细菌) 的数量和种类;再者, 重金属会危害植物的一系列生理生化特征, 如光合作用减弱, 水分、养分利用率下降, 植物体内酶的有效性也会降低, 从而影响植物的正常生长, 减少作物产量, 有时还会导致整个植株的死亡[8]。受重金属污染的植物如果通过食物链层层富集进入人畜体内, 将会对人畜造成不可估量的影响。

　　4 土壤修复技术

　　4.1 物理修复

　　4.1.1 客土及深耕翻土法

　　客土就是干净未受污染的土壤, 将客土混入受污染的土壤中以降低土壤重金属污染浓度的方法就是客土法。深耕翻土法就是将下层的土壤翻过来与上层的土壤混合并加入肥料以降低重金属浓度和土壤肥力的方法。这两种传统修复方法, 能在短期内能收到达到修复目的, 但是成本高, 投入的人力、物力和财力成本大, 对土壤层会产生较大的危害, 因此不适合大范围推广[9]。

　　4.1.2 固化稳定化技术

　　利用稳定剂与土壤中的重金属污染物发生物理或化学反应, 改变污染物的结构状态, 使其最终形成稳定的不溶态且迁移能力小的块状固体, 从而降低污染物的迁移能力。该方法并不具有长久性, 固化的污染物容易被释放出来从而造成环境的二次污染。

　　4.1.3 电动力修复法

　　通过在土壤层面中插上双电极, 加上直流电或交流电, 从而形成电场, 而土壤中的重金属带电离子就会积聚在电场的两极上, 从而污染得到清除。但电场同样会损害土壤中的微生物, 目前相关的研究正在考虑降低这种损害。

　　4.1.4 热脱附法

　　利用专业设备加热受污染的土壤, 使污染物挥发, 再收集挥发态的重金属污染物以便消除。目前美国已成功运用这一技术在汞污染的土壤治理中[10]。热脱附法的效果明显, 但耗费时间长、设备价格昂贵, 此外, 高温热处理的方法, 破坏土壤中的有机质和结构水, 而且耗能多, 未来的研究中要解决这些问题。

　　4.2 化学修复

　　通过添加土壤改良剂或表面活性剂改变土壤重金属的理化性质从而降低其有效机能和迁移能力[11]。该方法易于操作, 但清理的重金属元素依然存在于土壤中, 很容易被活化后造成二次污染。

　　4.3 生物修复

　　生物修复主要通过动植物和微生物的物理吸附和代谢来参与重金属污染物的降解和清除。

　　4.3.1 植物修复技术

　　目前广泛应用的主要有植物固化、挥发和提取法。某些植物根部的一些分泌物质可以降低重金属污染物的活性, 从而达到固化污染物的目的;植物通过自身的代谢, 吸收重金属污染物后通过挥发成气态从而降低污染物的含量;通过大量的植物吸收一定的重金属污染物后, 通过技术手段将植物体内的重金属提取出来, 从而修复土壤[12]。

　　4.3.2 动物修复技术

　　通过在污染的重金属土壤中人工饲养或自然的方式让土壤动物 (如蚯蚓) 生长和繁殖, 土壤动物吸收土壤中的重金属后在体内形成金属硫蛋白, 在代谢作用下, 金属硫蛋白被分解成多肽, 从而重金属的活性得到降解, 毒性被解除[13]。

　　4.3.3 微生物修复技术

　　利用土壤微生物 (细菌、真菌等) 来修复重金属污染的土壤。目前, 丛枝菌根真菌、木霉属真菌、酵母及诸多耐重金属的功能微生物已在土壤重金属污染治理中得到广泛应用[14,15,16,17], 土壤微生物通常通过对重金属离子的生物吸附和生物转化来实现土壤修复。

　　(1) 生物吸附。微生物自身的细胞表面往往带有电荷, 可利用带电荷的细胞表面吸附土壤中的重金属离子 (如Zn2+、Pb2+、Cu2+等) , 从而降低土壤重金属离子浓度[18]。

　　(2) 生物转化。利用土壤微生物把金属离子从高价态还原成低价态, 这样更利于植物吸收, 再把有机的金属还原成为单质, 从而将重金属毒性降低或排除。此外, 对于某些甲基化状态下毒性较大的重金属离子, 也可以通过微生物的转化降低其毒性。同时, 土壤微生物通过代谢可以产生低分子量的有机酸, 其中一部分有机酸可以和重金属离子络合, 在一定情况下, 它还能够促进重金属的淋溶。对于一些已经形成重金属-有机质络合物的土壤重金属离子, 微生物也能够发挥出降解作用。

　　4.3.4 淋洗分离技术

　　用水或其他淋洗液 (如酸碱液) 冲洗土壤以达到重金属污染物与土壤分离的过程。这项技术始于20世纪70年代, 到90年代已经成为治理土壤重金属污染的主流技术之一。该技术也存在诸多弊端, 比如工程量大、投入高等因素很难解决。此外, 有些淋洗剂处理后只能暂时缓解顶部土层的重金属污染状况, 不能从根本上清除土壤重金属, 这也是制约该项技术发展的主要因素[19]。

　　5 结语

　　我国土壤中重金属污染的主要来源于农业污染和工业污染这两个方面。土壤重金属污染将会严重影响人们的食品安全, 从生产者的角度来说, 要严格按照安全生产的规范, 进行绿色生产;国家层面也要制定更为严格的标准以及出台和执行更为严厉的处罚措施。当前热门的土壤重金属修复技术, 每一种都有其鲜明的特点, 且优劣势并存, 在实际应用过程中, 农业生产工作者很难做出恰当的选择, 因此, 鉴于我国土壤重金属污染的特殊性, 多出版有针对性的土壤修复指导意见的专著显得尤为重要。

　　土壤重金属修复工作是一项长期的系统工程, 在广大科研工作者的不懈努力及社会的大力支持下, 人们将来一定能研究出应对土壤重金属污染的修复技术, 探索出新的思路和方法。在诸多技术方法中, 生物修复技术因其绿色、低碳、环保的特点, 且对污染土壤具有良好的修复效果, 因而更符合社会可持续发展的要求。

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