云南省土壤重金屬污染現狀及治理技術研究

顧濟滄,趙 娟

(云南省環境監測中心站,云南,昆明650034)

云南省土壤重金屬污染現狀及治理技術研究

顧濟滄,趙 娟

(云南省環境監測中心站,云南,昆明650034)

對云南省土壤重金屬污染現狀和危害進行了闡述,介紹了目前較為常見的幾種土壤修復技術,分析了各技術的優缺點及技術發展方向。植物、微生物修復和聯合修復是將來土壤重金屬污染修復的方向。

土壤污染;重金屬;修復技術

目前,土壤污染已成為世界性的環境問題,污染直接威脅到區域生態環境、食品安全和農業可持續發展。在我國,由于不同的資源分布和工業布局,土壤污染類型存在地區性差異,污染程度也不盡相同。相較于其他省,云南省土壤中重金屬污染的問題較為突出。

1 土壤重金屬污染現狀及危害

1.1 云南省土壤重金屬污染現狀

云南省的鋅、錫、銅、鉛、鋁、磷、錳、鍺、銦、銀、鉑族礦產資源儲量在全國位居前列,礦業經濟發展較快,磷、錫、鋅、銅、鉛、銻、鍺等礦產品的產量產值均居全國前列。在儲量表統計的83種礦產中,已開采利用的有62種,占74170%。已成為我國重要的礦產資源基地。1999年,礦業企業總資產占全省工業總資產的33160%,礦業總產值(采、選、冶、加工)占工業總產值的31106%,礦業企業職工人數占工業企業職工人數的一半以上,礦產品出口額占全省出口貿易總額的47150%。以有色金屬和磷化工為主的礦業在全省具有舉足輕重的地位,云南省經濟社會發展 “十五”計劃綱要把礦業確定為五大支柱產業之一[1]。

從云南省礦產資源現狀看有以下特點:有色金屬礦產資源豐富、蘊藏量大、分布廣、種類豐富、開發利用程度高;在全省國民經濟中占有舉足輕重的地位,也是吸納社會就業的一個重要領域;在開發利用中存在礦產資源利用方式粗放;礦山生態環境問題嚴峻;礦產資源新體制和管理體系尚未形成;給周邊水、空氣、土壤環境造成了不同程度的影響。

據云南省的資源特點和工業布局等多方面分析,可以得到以下結論:土壤中重金屬偏高主要是來自于自然界,并且與云南省礦產資源的分布密切相關。與此同時,礦產資源的開發利用加劇了土壤重金屬含量的增加。

1.2 土壤重金屬污染的主要危害

土壤中進入的重金屬不能被土壤微生物所分解,而易于積累,轉化為毒性更大的甲基化合物,甚至有的通過食物鏈以有害濃度在人體內蓄積,嚴重危害人體健康。土壤重金屬污染物主要有汞、鎘、鉛、銅、鉻、砷、鎳、鐵、錳、鋅等。

重金屬對土壤的污染基本上是一個不可逆轉的過程。許多重金屬物質一旦進入土壤造成污染,光靠土壤本身的自凈功能需要數百年時間才能降解或者轉化。某些重金屬土壤污染靠土壤稀釋、自凈化作用是無法消除的。土壤污染一旦發生,僅僅依靠切斷污染源的方法往往很難恢復,必須靠人工主動修復方法才能解決問題。治理污染土壤通常成本較高、治理周期較長。

土壤中汞元素。土壤的汞污染主要來自于污染灌溉、汞冶煉和使用汞原料廠的排放、含汞顏料的應用、含汞農藥的施用等。土壤中汞以無機態與有機態存在,在一定條件下互相轉化。在土壤微生物作用下,汞可發生甲基化反應,形成脂溶性的甲基汞,可被微生物吸收、積累,而轉入食物鏈造成對人體的危害。汞對人的危害主要表現在以甲基汞的形式通過食物鏈進入人體,并在人的中樞神經系統中富集,造成神經錯亂、牙齒脫落、骨骼疏松等癥狀,如水俁病。

土壤中鎘元素。鎘主要來源于鎘礦、鎘冶煉廠。常與鋅共生,冶煉鋅是鎘進入環境中的一個重要途徑。土壤中鎘的存在形態大致可分為水溶性和非水溶性鎘兩大類。離子態和絡合態的水溶性鎘CdC12等能被作物吸收,對生物危害大,而非水溶性鎘CdS、CdCO3等不易遷移,不易被作物吸收,但隨環境條件的改變二者可互相轉化。鎘對農業最大的威脅是產生 “鎘米”、“鎘菜”,使人得骨痛病。另外,鎘會損傷腎小管,出現糖尿病,還引起血壓升高,出現心血管病,甚至致癌、致畸。

土壤中鉛元素。鉛是土壤污染較普遍的元素。污染源主要來自汽油添加抗爆劑烷基鉛,隨汽油燃燒后的尾氣而積存公路兩側百米范圍內的土壤中。另外,鉛冶煉廠、鉛采礦場等也是重要的污染源。一般進入土壤中的鉛在土壤中易與有機物結合,極不易溶解,土壤鉛多發現在表土層,表土鉛在土壤中幾乎不向下移動。鉛對植物的危害表現為葉綠素含量下降,阻礙植物的呼吸及光合作用。鉛對人的危害則是累積中毒。人體中鉛能與多種酶結合從而干擾有機體多方面的生理活動,導致對全身器官產生危害。

土壤中砷元素。砷常和有色金屬礦石伴生,冶煉過程是砷元素進入環境的主要途徑。其次含砷農藥、燃煤也是主要來源。土壤中砷大部分為膠體吸收或和有機物絡合或與土壤中鐵、鋁、鈣離子形成難溶化合物,或與鐵、鋁等氫氧化物共沉淀。pH和電動勢值影響土壤對砷的吸附。pH值高砷吸附量減少而水溶性砷增加;在氧化條件下,大部是砷酸,易被膠體吸附,增加了土壤固砷量。隨電動勢值降低,砷酸轉化為亞砷酸,促進砷的可溶性,增加砷害。砷對植物危害的最初癥狀是葉片卷曲枯萎,進一步是根系發育受阻,最后是植物根、莖、葉全部枯死。砷對人體危害很大,它能使紅血球溶解,破壞正常生理功能,甚至致癌等。

2 土壤重金屬污染治理技術及研究方向

2.1 原位修復技術

2.1.1 植物修復法

利用植物把土壤中的污染物進行吸收、轉移、聚集或降解。這包括了在植物的影響下(根莖范圍內)所發生的有利于污染物質清除的一切生物作用、化學作用和物理作用。植物可把有毒的有機化合物進行礦化,還可把重金屬元素和其它無機物從土壤中吸收并富集到地面上。

盡管植物土壤重金屬修復具有投資少,不破壞場地結構,不引起地下水二次污染,能在修復污染土壤的同時清除其周圍大氣或水體中污染物,美化環境,防止地表風蝕、水蝕,易被社會接受[2],但修復周期較長,這使該技術的工程應用受到很大限制。如何提高植物的吸收效果、縮短修復周期是當前最受關注的問題,而選育超積累植物、提高土壤中重金屬的生物有效性則是改進植物修復的關鍵。為了提高植物修復技術的應用效果,目前改進的主要方向:首先,對植物種及其變種進行篩選,得到對某一具體重金屬污染物具有超級修復潛力的植物;第二,采用基因工程技術改造植物以獲得理想的超積累植物;第三,通過農藝措施優化修復過程,如調節pH值、施用肥料及螯合劑[3]。

2.1.2 微生物修復法

微生物修復是指利用天然存在的或所培養的功能微生物群,在適宜環境條件下,促進或強化微生物代謝功能,從而達到降低有毒污染物活性或降解成無毒物質的生物修復技術。

重金屬污染土壤的微生物修復原理:土壤微生物種類繁多、數量龐大,是土壤的活性有機膠體,比表面大、帶電荷和代謝活動旺盛,在重金屬污染物的土壤生物地球化學循環過程中起到了積極作用。微生物可以對土壤中重金屬進行固定、移動或轉化,改變它們在土壤中的環境化學行為,可促進有毒、有害物質解毒或降低毒性,從而達到生物修復的目的。因此,重金屬污染土壤的微生物修復原理主要包括生物富集(如生物積累、生物吸著)和生物轉化(如生物氧化還原、甲基化與去甲基化以及重金屬的溶解和有機絡合配位降解)等作用方式。

微生物修復是最具發展和應用前景的生物修復技術。微生物修復技術具有:投資不高、不破壞場地結構等特點,同時也是最為廣譜的一種土壤修復方式。但不同細菌的適應性和特異性,決定了技術運用較為復雜。同時修復完成后對區域的生態風險難以評估。為提高微生物修復技術的運用領域,應對以下問題進行進一步研究:①挖掘高效的微生物資源,對生物降解途徑進行深入研究;②對土壤微生物修復過程進行生態風險評估,并且制度化;③加強微生物修復和其他修復方式的結合。

2.1.3 隔離法

隔離法是采用粘土或其它人工合成的惰性材料,將重金屬污染的土壤與周圍環境隔離開來,該方法并沒有破壞重金屬類污染物,只是防止污染物向周圍環境(地下水、土壤)的遷移,由于重金屬物質對隔離系統不會產生影響,所以該方法適合于任何重金屬污染土壤的控制。對于滲透性差的地帶,尤其比較適用。此法與其它方法相比,運行費用較低,但對于毒性期長的重金屬,只是暫時地防止了物質的遷移,不能作為永久的治理方法,并且存在著土壤周圍的環境條件發生變化時,二次污染的風險。

隔離法的處理成本高,工作量大,并只能處理小面積污染的土壤。該方式運用領域較為局限,運用實例也較少。

2.1.4 化學氧化法

化學氧化法是向重金屬污染的土壤中噴灑或注入化學氧化劑,通過對重金屬的吸附、氧化還原、拮抗或沉淀作用,以降低重金屬的生物有效性。該技術關鍵在于選擇經濟有效的改良劑,常用的改良劑有石灰、沸石、碳酸鈣、磷酸鹽、硅酸鹽和促進還原作用的有機物質,不同改良劑對重金屬的作用機理不同。施用石灰或碳酸鈣主要是提高土壤pH值,促使土壤中Cd、Cu、Hg、Zn等元素形成氫氧化物或碳酸鹽結合態鹽類沉淀。如當土壤pH>615時,Hg就能形成氫氧化物或碳酸鹽沉淀。利用一些對人體無害或有益的金屬元素的拮抗作用,也可以減少土壤中重金屬元素的有效性。化學修復是在土壤原位上進行的,簡單易行。但并不是一種永久的修復措施,因為它只改變了重金屬在土壤中存在的形態,金屬元素仍保留在土壤中,容易再度活化危害植物。

2.1.5 電動修復

電動修復是通過電流的作用,在電場的作用下,土壤中的重金屬離子(如Pb、Cd、Cr、Zn等)和無機離子以電透滲和電遷移的方式向電極運輸,然后進行集中收集處理。研究發現,土壤pH、緩沖性能、土壤組分及污染金屬種類會影響修復的效果。該方法特別適合于低滲透的粘土和淤泥土,可以控制污染物的流動方向。在沙土上的實驗結果表明,土壤中Pb、Cr等重金屬離子的除去率也可達90%以上[4]。電動修復不攪動土層,并可以縮短修復時間,是一種經濟可行的修復技術,得到了較為廣泛的應用。

2.2 異位修復技術

2.2.1 土壤洗滌法

土壤中重金屬存在的形態可分為兩大類:一是以離子態吸附在土壤組分的表面;二是形成金屬化合物的沉淀。土壤淋洗是利用淋洗液把土壤固相中的重金屬轉移到土壤液相中去,再把富含重金屬的廢水進一步回收處理。

土壤洗滌法成本較高,且操作較復雜,如異位化學淋洗。該方法是將挖掘出來的污染土壤與淋洗液混合,投加到淋洗反應器中,并控制在一定條件下,通過攪拌等外力的輔助,使污染土壤和淋洗液發生作用,待土壤中的大部分污染物轉移至液相后,將洗過的土壤分離出來,回填或作深度處理,富集了污染物的淋洗廢液經處理后排放或回用。異位化學淋洗修復污染土壤時,通常要先進行粒度分級再分別加以處理。污染物的種類不同,在不同粒徑土壤上的吸附量和吸附強度也不相同,大部分污染物強烈吸附于粘土和粉砂等細小土壤顆粒上,而此類土壤顆粒又通常只占很小的一部分,且這部分土壤顆粒又易于粘附到砂和礫石等粗土壤顆粒上。因此,粒度分級的首要目標就是將污染土壤中的細小顆粒分離開,以利于對其進行深度化學淋洗,剩余大部分土壤則可通過簡單淋洗后回填或異地處置。

目前,異位化學淋洗修復重金屬污染土壤的工程應用還遠遠落后于實驗室研究,要實現其廣泛的工程應用,還有一系列的技術問題需要解決。隨著相關研究的逐步深入,該技術修復重金屬污染土壤一定會向著實用化的方向快速發展。

2.2.2 焚燒法

焚燒法是利用重金屬遇熱揮發的特點,在溫度為1000～1200℃的條件下焚燒(回轉窯)污染的土壤,使重金屬物質通過燃燒的方式變為氣體而脫離土壤本體,進而去除重金屬污染物,達到修復土壤的目的。鑒于重金屬的揮發溫度各異,焚燒法在處理重金屬污染土壤時局限性較大,且成本高,防止二次污染難度大。該方式更適宜用于有機類土壤污染。

2.2.3 換土法

換土法是用新鮮的未污染的土壤替換或部分替換原來的污染土壤,以稀釋原污染土壤中污染物的含量,增加土壤的自凈容量,利用環境自身的能力來消除殘余的污染物。換土法又可分為翻土、換土和客土三種方法。翻土就是深翻土壤,使聚集在表層的污染物分散在土壤的深層,達到稀釋和自處理的目的。換土就是將污染的土壤取走,換入新的干凈土壤。該方法適用于小面積嚴重污染且污染物又易擴散難分解的土壤治理,需要對換出的土壤進行治理。在操作過程中,操作人員可能直接接觸到污染的土壤,可能會直接導致污染物對人的危害。因此,人工費用比較高,一般適用于事故后的簡單處理。客土法是向污染土壤內加入大量干凈的土壤,覆蓋在表層或混合均勻,使污染物含量降低或減少污染物與植物根系的接觸。對于水稻類等淺根作物和移動性較差的污染物,采用覆蓋法較好。新加入的客土應盡量選擇粘質或有機質含量高的土壤,以增加土壤的環境容量,增強土壤的自凈能力,減少客土量。

2.3 農業種植結構調整和技術革新

農業種植結構調整不是一種土壤修復的手段,而是為目的服務的一種技術手段。不同作物對重金屬元素的富集特性有較大差異,同時作物的可食部分重金屬含量也存在差異。通過了解污染區域重金屬元素特性,有針對性地選擇對造成該區域污染的重金屬元素不敏感的作物進行種植,可有效減少重金屬通過食物鏈向人體的遷移。目前,該技術在農業生產區域已得到較為廣泛的運用,在選擇低富集作物的同時,結合控制土壤酸堿度、施加改良劑降低重金屬活性,輪作和間作農藝等措施可更有效地控制重金屬的遷移。

在重金屬污染農業種植區域調整農業種植結構是一種較為易行、有效的控制手段,適宜于污染面積較大、污染程度不重的地區。該方式規避了重金屬污染向人體的遷移,但未從根本上消除土壤污染。

3 結束語

綜上所述,治理土壤重金屬污染的技術手段很多,但都具有一定的局限性。工程措施處理土壤污染,受到經費和技術手段的制約,難以做到大規模處理。在處理后,會導致土壤結構破壞、生物活性下降和土壤肥力退化。采取農業種植結構調整的措施規避土壤污染遷移,不能從根本上解決土壤污染問題。

植物修復和微生物修復是一項新興的高效修復技術,具有良好的社會、生態效益,并且易被公眾接受,因此具有廣闊的應用前景,也逐漸成為國內外在土壤修復方面研究的重點。此外,聯合修復也是實際修復案例中較為常用的一種方式,根據修復區域的具體情況,采用2～3種修復手段,可達到修復效率、修復效果、修復經費的最優化。

[1]本規劃編制組.云南省礦產資源總體規劃[R].昆明:云南省人民政府,2000.

[2]楊景輝.土壤污染與防治[M].北京:科學出版社,1995.

[3]邢前國.重金屬污染土壤的植物修復技術[J].生態科學,2003,22(2).

[4]崔德杰.土壤重金屬污染現狀與修復技術研究進展[J].土壤通報,2004,35(3).

Status of Soil Contam ination by HeavyM etals and Study on Remediation Techn iques in Yunnan

GU Ji2cang,ZHAO Juan
(Yunnan EnvironmentalMonitoring Center,Kunming Yunnan 650034 China)

The status of soil contamination by heavy metals in Yunnan province is reviewed as well as the har m.Several popular soil remediation techniques are introduced.The advantages and disadvantages of these methods and their development trends are discovered.The phytoremediation and microbial remediation and joint remediation will be the main research trend of soil treatment.

soil contamination;heavy metal;remediation technique

X53

A

1673-9655(2010)05-0068-04

2010-08-18