重金屬污染土壤的修復技術研究進展及發展前景

吳燕芳

（福建省廢物管理中心，福建福州350001）

近年來，隨著城市化、工業化和農業集約化的快速發展，我國土壤重金屬的污染問題越來越嚴重[1]。土壤重金屬污染事件頻繁發生。2011年年初的“鎘米風波”，重金屬鎘就是由產地的污染土壤侵入到稻米中的。2011年8月，云南省曲靖市非法傾倒劇毒工業廢渣鉻渣導致環境污染。有權威材料表明，全國每年受重金屬污染的糧食高達1200萬t，直接經濟損失超過200億元。目前，國家對重金屬污染工作也高度重視，國務院于2011年2月18日正式批復《重金屬污染綜合防治“十二五”規劃》。因此，重金屬污染土壤的修復技術研究是當前環境保護的重要課題之一。文中重點介紹了國內外有關重金屬污染土壤的修復技術研究進展及發展前景。

1 重金屬土壤污染源及其特點

重金屬是指密度大于5.0 g/cm3的金屬元素，包括鐵、錳、銅、鋅、鎘、鉛、汞、鉻、鎳、鋁、鈷等，在環境污染方面所指的重金屬是指對生物有顯著毒性的元素，從毒性角度，通常砷、鈹、鋰、硒、硼、鋁等也歸為重金屬的研究范疇[2]。我國土壤重金屬的主要污染源是污水灌溉、固體廢棄物的不當堆放、礦山開采與冶煉以及使用重金屬制品等人為因素所致。

重金屬污染土壤具有其獨特的特點：

（1）具有隱蔽性和滯后性。土壤重金屬污染不像大氣污染、水污染及廢棄物污染那樣直觀。

（2）具有累積性。重金屬污染物質在土壤中不易遷移，容易在土壤中不斷積累而超標。

（3）具有不可逆轉性。在土壤中，許多有機化學物質的污染也需要較長的時間才能降解，某些重金屬污染的土壤可能要100～200年時間才能夠恢復[3]。由于土壤地球物理化學的自然形成過程極其緩慢，一般每百年以0.5～2.0 cm厚度的速率進行，這就意味著土壤資源一旦遭到污染或人為干擾后將很難在短時期內得以恢復[4]。

（4）具有難治理性。土壤重金屬污染一旦發生，僅僅依靠切斷污染源的方法往往很難恢復，有時要靠換土、淋洗土壤等方法才能解決問題，通常成本較高，治理周期較長。

2 重金屬污染土壤的修復技術

目前，國內外對重金屬污染土壤修復技術進行廣泛的研究，取得了一定的進展，具體包括以下幾種修復措施。

2.1 物理修復

2.1.1 客土法、換土法和深耕翻土法

通過客土法、換土法和深耕翻土法與污土混合，可以降低土壤中重金屬的含量，減少重金屬對土壤-植物系統產生的毒害，從而使農產品達到食品衛生標準。深耕翻土法用于輕度污染的土壤，而客土法和換土法則是用于重污染區的常見方法，在這方面日本取得了成功的經驗。以上這些工程措施是比較經典的重金屬污染土壤治理措施，具有徹底、穩定的優點，但實施工程量大，投資費用高，破壞土體結構，引起土壤肥力下降，并且還要對換出的污土進行堆放或處理，因此不是一種理想的污染土壤修復方法。

2.1.2 電熱修復法

電熱修復是利用高頻電壓產生電磁波，產生熱能，對土壤進行加熱，使污染物從土壤顆粒內解吸出來，加快一些易揮發性重金屬如汞、砷從土壤中分離，或者進行熱固定等的一種方法。該方法具有技術成熟、工藝簡單等優點，但是耗能大、操作費用較高，只對具有揮發性的重金屬適用，所以具有局限性。

2.1.3 玻璃化技術

玻璃化技術是指把重金屬污染區土壤置于高溫高壓下，使之形成玻璃態物質，將重金屬固定其中，從而達到從根本上消除土壤重金屬污染的目的。該技術方法工程量大，費用偏高，其最大的特點是見效快，適用于對受到重金屬污染嚴重的土壤進行搶救性修復工作。

2.1.4 電動力修復

電動力修復技術的主要機理是重金屬污染物在電場的作用下，通過離子遷移和電滲定向遷移出土壤，從而達到修復的目的[5]。其基本方法是在水飽和土壤中插入電極并通以直流電，土壤中的污染物如重金屬、放射性元素和有害有機物在電場的作用下，分別向陰、陽兩極遷移，從而達到去除土壤中有害物質的目的[6]。電動修復作為一種原位修復技術，不攪動土層，具有處理成本低，修復效率高，后處理方便，環境影響小，可以處理飽和、不飽和土壤等一系列優點，特別是在處理點源污染和突發性事故等方面有非常好的應用前景，是對現有方法的重要補充[7]。目前，美國、英國、德國、澳大利亞、日本和韓國等國的科學家相繼開展了土壤電動修復方面的基礎和應用性研究工作，荷蘭和美國等國家已成功采用電動修復技術去除土壤污染物[8-9]。但是，由于土壤系統中組分復雜，對于滲透性高、傳導性差的砂質土壤清除重金屬的效果較差，經常出現實際應用與實驗結果相反的現象，所以這一方法受到限制。就整體來看，該方面的工作尚處于初始階段，需要加強數學模型的研究來確定影響金屬離子移動的主要因素，從而改進修復方法。

2.2 化學修復

2.2.1 化學固定

化學固定是在土壤中加入化學試劑或化學材料，利用它們與重金屬之間形成不溶性或移動性差、毒性小的物質而降低其在土壤中的生物有效性，減少其向水體和植物及其他環境單元的遷移，實現污染土壤的化學修復。固化方法的關鍵在于成功地選擇一種經濟而有效的固化劑，到目前為止，已有大量的改良材料被應用。主要有：能提高土壤pH值的石灰或碳酸鈣，與重金屬形成難溶性沉淀的磷酸、輕磷礦石、三過磷酸鈣、硅酸鹽等化合物[10-11]，陽離子吸附量高的海泡石、坡縷石、沸石、蒙脫石等礦物，腐殖酸等有機物及一些對人體無害或有益并對重金屬有拮抗作用的金屬元素[12-15]。

化學固定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。另外，改良劑的使用將在一定程度上改變土壤結構，同時對土壤微生物也可能產生一定影響。

2.2.2 土壤淋洗

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的土壤修復方法。目前，用于淋洗土壤的淋洗液較多，包括有機或無機酸、堿、鰲合劑和表面活性劑等。用來提取土壤重金屬的主要有：硝酸、鹽酸、磷酸、硫酸、氫氧化鈉、草酸、檸檬酸、EDTA和DTPA等。EDTA能在很寬的pH值范圍內與大部分金屬（特別是過渡金屬）形成穩定的復合物，不僅能解吸被土壤吸附的金屬，也能溶解不溶性的金屬化合物，現己被證明是最有效的鰲合提取劑。淋洗法可以去除土壤中大量的污染物，限制有害污染物的擴散范圍，還具有費用較低、操作人員可不直接接觸污染物等優點，但該法僅適用于砂壤等滲透系數大的土壤，對質地比較粘重、滲透性比較差的土壤修復效果比較差，且淋洗劑的殘留易造成土壤和地下水的二次污染[16]。

2.3 植物修復

依據美國國家環保局的定義[17]，廣義上的植物修復技術是指利用植物提取、吸收、分解、轉化或固定土壤、沉積物、污泥或地表、地下水中有毒有害污染物技術的總稱。植物修復（phytoremediation）[18-19]是指將某種特定的植物種植在重金屬污染的土壤上，該種植物對土壤中的污染元素具有特殊吸收富集能力，將植物收獲并妥善處理后即可將該種重金屬移出土體，達到污染治理與生態修復的目的。因其在原位進行處理，成本低廉、效果永久且兼顧美學效應而迅速得到了公眾和學術界的廣泛認可[20-21]。根據植物修復技術的類型[22-23]，利用超富集植物或富集型功能的植物治理重金屬污染的土壤，其機理分為植物穩定或固化、植物吸收、植物揮發及植物降解4種類型。

（1）植物穩定或固化（phytostabilization or phytoimmbolization）[24]。植物穩定是利用耐重金屬植物吸收和沉淀來固定土壤中的大量有毒金屬，以降低其生物有效性和防止其進入地下水和食物鏈，從而減少其對環境和人類健康的污染風險。植物在植物穩定中有兩種主要功能：一是保護污染土壤少受侵蝕，減少土壤滲漏來防止金屬污染物的遷移；二是通過在根部累積和沉淀或通過根表吸收金屬來加強對污染物的固定。

（2）植物吸收（phytoextraction）[25]。植物吸收是利用專性植物根系吸收一種或幾種污染物，特別是有毒金屬，并將其轉移、貯存到植物莖葉，然后收割莖葉，從而達到去除土壤重金屬元素的目的，通常也稱為植物萃取。專性植物通常指超積累植物，可以從土壤中吸取和積累超尋常水平的有毒金屬。例如十字花科遏藍菜屬植物，具有很強的吸收Zn和Cd的能力，目前被作為植物超積累研究的模式植物。

（3）植物揮發（phytovolalization）[26]。植物的揮發與植物吸收是相連的。它是利用植物的吸取、積累、揮發而減少土壤污染物，即利用一些植物來促進重金屬轉變為可揮發的形態，并將之揮發出土壤或植物表面。目前這方面研究最多的是類金屬元素Hg和非金屬元素Se。

（4）植物降解（phytodegradation）[27]。植物降解指利用植物及其周圍的相關微生物降解土壤中的污染物。

3 發展前景

目前，國外關于土壤重金屬污染的研究已有不少報道，美國、德國、澳大利亞和日本等國都比較深入，筆者認為應先從以下兩方面考慮。

3.1 高校研究部門與企業結合，加快技術突破

土壤修復技術利用的核心在于相關技術的突破。當前，我國有關于土壤修復技術的應用大多是停留在實驗室階段，有很多科研工作者受到學校實驗條件的限制，無法進行中試放大驗證，走向實際應用。因此，要突破這個局限，就應該加強高校研究部門與企業的結合，優勢互補，利用好學校與企業的平臺，使得科研成果應用到實際中來，真正實現污染土壤的治理。

3.2 完善土壤修復組合體系，推行生態環境影響評價

由于土壤結構的復雜性和類型的差異性，重金屬污染的土壤往往具有多種重金屬，并且還伴有有機物等其他方面的污染。在修復過程中需要多種方法組合使用，故應該完善相應的修復體系。另外，在修復過程中會涉及到一些土壤淋洗液，包括：有機或無機酸、堿、鰲合劑和表面活性劑等。這些淋洗液的使用是否會給當地的土壤結構及生態造成影響，后期需要對生態環境影響進行追蹤評價。

[1]黃耀麗，李凡，鄭堅強.旅游體驗視角下的特色旅游開發與管理問題探討——以我國北方沙漠旅游為例[J].中國沙漠，2006(4)：100-103.

[2]夏立江，王宏康.土壤污染及其防治[M].上海：華東理工大學出版社，2001.

[3]吳永剛.城市森林減輕土壤重金屬污染的功能[D].江蘇：南京農業大學，2002.

[4]楊正亮.土壤重金屬污染的生物學效應研究[D].陜西：西北農林科技大學，2002.

[5] Yalcin B Acar，Akram N Alshawabkeh.Principles of electrokinetics remediation [J].Environment Science Technology，1993，27(13)：2638 - 2647.

[6] Probs tein R E，Hicks R E.Removal of contaminants from soils by electric fields [J].Sci.，1993，260 (5107):498- 503.

[7] 周東美，鄧昌芬.重金屬污染土壤電動修復的研究進展[J].農業環境科學學報，2003，22(4)：505- 508.

[8] Lageman R，Pool W，Seffiga G.Electro- remediation：Theoryandpractice [J].Chem.lnd.，1989，18：585- 590.

[9] Marceau P，Baticle P.Electrokinetic remediation of cadmium - spiked clayey medium.Pilot test [J].Geochemis try，1999，328：27- 33.

[10] Traina S J，Logan T J.Effect of aqueous Al，Cd，Cu，Fe (II)，Ni and Zn on Pb.Immobilization by hydroxyapatite [J].Environment Science Technology，1994，28：1219- 1228.

[11] Zhang P C.Trans formation of Pb (II)from cerrusite to chloropyrpmorphite in the presence of hydroxyapatite under varying conditions of pH [J].Environment Science Technology，1999，33：625- 630.

[12] Mcbride M B，Martinez C Z.Copper phytoremediation in a contaminated soil： Remediation tests with adsorptive materials [J].Environment Science Technology，2001，34(20)：4386- 4391.

[13] Louthenbach B，Funer G，Scharli H.Immobilization of zinc and cadmium by montmorillonite compounds : effects of aging and subsequent acdification [J].Environment Science Technology，1999，33(17)：2945- 2952.

[14] Hamon R E，Mclaughlin M J，Cozens Gc Mechanisms of attenuation of metal availability in In Situ remediation treatments [J].Environment Science Technology，2002，36(18)：3991- 3996.

[15] Lombi E，Hamon R E，McGrath S P，et al.Lability of Cd，Cu，and Zn in polluted soils treated with lime，beringite，and red mud and identification of a non- labile colloidal fractions of metals us ing isotopic techniques [J].Environment Science Technology，2003，37(5)：979- 984.

[16] 周啟星.污染土壤修復技術再造與展望[J].環境污染治理技術與設備，2002，3(8)：36- 40.

[17] USEPA.Introduction to Phytoremediation [R].EPA/600/R299/107，Washington D C，2000.

[18] Schnoor J L，Licht L A，Mc Cutcheon S C，etal.Phytoremediation of organic and nutrient contaminants [J].Environment Science，Technology.1995，29，318A- 323A.

[19] Salt D E，Smith R D.Ras kin，I..Phytoremediation[J].Ann Rev Plant Physiol Plant Molec Biol，1998，49：643- 668.

[20] WU Q，ZHENG B，ZHAO C Y，etal.Phytoremediation of heavy metal pollution in urban sewage river sediment by Lolium perenne [J].Meteorological and Environmental Res earch，2011，2(5):71- 72，75.

[21] CAO Y F，LI X Q，DONG G C，et al.Purification of several salt marsh plants to the coastal wetlands in the eatuary of Yellow River [J].Meteorological and Environmental Research，2010，1(10)：53- 57.

[22] Salt D E，Rauser W E.Mg ATP- Dependent transport of phytochelatins across the tonoplast of oat roots [J].Plant Physiol，1995，107：1293- 1301.

[23] Tang S.R，Wilke B M.Phytoremediation and agrobiological environmental engineering [J].Transtions Chi Soc Agr Engi，1999，15(2)：21- 26.

[24] VANGRONSVELD J，VAN ASSCHE F，CLIJSTERS H.Reclamation of a bare industrial area contaminated by non- ferrous metals : in situ metal immobilization and revegetation[J].Environment Pollution，1995，87：51- 59.

[25] KUMAR PBAN，DUSHENKOV V，MOTTO H，et al.Phytoextraction: the use of plants to remove heavy metals from soils [J].Environment Science Technology，1995，29：1232- 1238.

[26] Burken J G，Schnoor J L.Distribution and volatilisation of organic compounds following uptake by hybrid poplar trees [J].Int.?J.?Phytoremediation.1999;1：139- 151.

[27] Burken J G，Schnoor J L.Uptake and metabolism of atrazine by poplar trees [J].Enviromental Science and Technology 1997，31：1399- 1406.