土壤重金屬污染及修復技術綜述

文_董家麟 吉林大學環境與資源學院

隨著世界經濟的發展，生活水平的提高，人們開始注意到經濟發展給社會、環境帶來的破壞。如今，人們不僅僅關注于空氣、水污染，同時還關注了土壤污染，而土壤中的重金屬污染是其中一個比較普遍的問題。

重金屬污染是指由于重金屬或其化合物過量排放入環境，超過了環境的最大容量，環境自身無法自凈，對環境產生了影響，并可能會危害人類或其他生物的生存的環境污染。工業活動所產生排放的廢水、廢氣、廢渣是重金屬污染的主要來源；農業活動的過度施肥、污水灌溉等也會導致土壤污染。重金屬排入環境后，由于其具有不可逆性、復雜性和長期性，在生物體內會有明顯的累積效應，并通過地球化學鏈、食物鏈進入生物體危及人類健康和生命安全。當排入環境中重金屬的量超過環境所能承受、轉化吸收的最大限度，其將會直接危害人體健康，同時可能會導致環境受到影響。

世界上的發達國家，較早地開始了環境污染問題的研究，對于土壤的修復已經有了較為成熟的修復技術。本文分析了國內外土壤污染現狀以及污染的來源，綜述了土壤的修復技術，對減緩及解決我國土壤的污染態勢提出幾點看法，并做出防控發展形勢的初步判斷，希望能對重金屬污染治理工作有所貢獻。

1 國內外土壤重金屬污染現狀

目前，世界各國土壤都有不同程度的重金屬污染，通過參照大量采樣統計數據以及調查研究的文獻，土壤重金屬污染主要有鋅、砷、錳、鎳、銅、汞、鈷等金屬元素污染。歐洲一些地區土壤中鎘、鋅、鉛、錳、砷等重金屬的含量也超出了正常范圍。美國一些地區也受到了不同程度的重金屬污染，污染的重金屬種類也較多，有鎘、砷、砷、鉛等，如今得到了較好的處理。

中國作為發展中國家以及工業、農業大國，重金屬污染的問題比較復雜，其中包括鎘、鋅、鉛、錳、砷等重金屬的污染。由于我國在發展前期階段沒有重視環境問題，多數地區采用了污水灌溉而無人管理，我國農耕地大多出現了重金屬污染的問題，導致很多耕地無法使用。據統計，到2016年為止，我國受到重金屬污染的土壤面積已經達到上萬公頃，占全國總耕地面積的1/6。遭受重金屬污染后的土壤需要經過一段時間的修復，并且對修復后的土壤進行檢測，直至土壤作物的各項重金屬含量達標后才可繼續使用。土壤污染至少導致糧食每年減產多達1000萬噸，造成經濟損失200多億元。

1.1 土壤重金屬污染來源

世界上多數國家的土壤重金屬污染來源主要為工業排放。其中Pb、Zn、Ni、Cu、Fe的污染較為普遍，在大多數工廠的排放物中這些元素都含有較高的含量以及比例，Mn、Zn主要來源于紡織工業，Cr主要來源于皮革工業。

重金屬進入到土壤的主要方式有如下幾種：①大氣沉降：電廠、黑色冶金、石油開采和加工、運輸、有色冶金以及建筑材料開采和生產等工業產生的廢氣被排入大氣，其中的重金屬隨著廢氣的排放進入大氣，再通過干、濕沉降進入到土壤和水體中。②污染灌溉：一些不法的商家使用城市下水道污水、工業廢水、排污河污水以及超標的地下水等進行灌溉，從而使重金屬元素隨著灌溉直接進入地下環境中，對土壤、地下水環境造成嚴重的危害。③農藥、化肥和塑料薄膜的使用：用含有Pb、Cd、Hg、As等元素的農藥和不合理地施用化肥會使重金屬直接進入土壤，并且在土壤中遷移轉化成其較為穩定的形態。

1.2 土壤重金屬污染特點

土壤中的重金屬污染存在以下特點：①普遍性特點：工廠成為重金屬污染的主要來源，隨著工業的發展，大多數國家都面臨著不同程度的工業重金屬污染的問題。②隱蔽性特點：土壤中的重金屬大多數以化合物、聚合物等形式存在，肉眼難以將其辨別出來，必須要通過一定的技術方法才能測定其存在。③表聚性特點：土壤中重金屬具有表聚性,進入地下環境后，土壤中的重金屬與土壤中原有的離子發生離子交換，或被土壤吸附，或形成較為穩定的聚合物、化合物存在于土壤中，只有少部分重金屬元素能進到下層土壤中。④不可逆性特點：由于重金屬在進入土壤之后會發生一系列的物理、化學、生物變化，一旦重金屬進入土壤，其會轉變為較穩定的形態，隨后便不利于修復處理；并且當過多的重金屬進入土壤，超過土壤的自凈能力的時候，會改變土壤的結構與功能，且重金屬難以降解，所以土壤的重金屬污染具有不可逆性，污染的土壤難以恢復。⑤長期性特點：由于土壤相對于大氣、水流來說流動性很小，受到污染物污染后擴散速度較慢，若不進行治理，則會長期存在于這一部分的土壤中。

2 重金屬污染土壤修復技術

2.1 物理修復

2.1.1 換土法

換土法指挖出地基中一定范圍內的土后,換以砂、石等材料，即替換干凈的土壤，并分層夯實,從而使原污染土壤中污染物濃度降低，增強土壤的自凈能力，最終達到土壤修復的目的。換土法又有換土、翻土和客土法3種。

換土法能有效地使環境中重金屬污染物去除，或使環境高濃度區污染物的濃度降低，提高污染土壤的環境容量以及自凈能力，最終達到凈化污染物的目的。其優點是能有效地降低污染物含量，治理污染土壤見效快，能使土壤盡快再次投入使用，土壤修復后對周圍環境產生的負面影響較小。但是該法也有一些缺點：首先是對于不同的土地必須使用不同的替換材料組合，施工比較復雜，成本費用比較高；其次對于挖出的污染土壤需要進行處理，增加了二次處理的費用。所以換土法較適用于面積較小、污染比較嚴重的土壤。

2.1.2 解吸脫附法

解吸脫附技術包括常溫解吸和熱解吸。解吸脫附技術原理是通過一定的技術手段，直接或間接地加熱被污染的土壤，使土壤中的揮發性污染物或半揮發性污染物從土壤中揮發出來，同時通過氣體收集裝置對揮發出來的氣體進行收集，從而使土壤中易揮發的重金屬含量減少，達到土壤修復的效果。

該技術的優勢有：土壤修復過程快、對于揮發性、半揮發性的重金屬元素去除效果好，效率高；且通過氣體收集裝置對金屬進行收集，可以對收集的金屬重新利用。該技術也有一定的局限性：裝置的能耗較高，且該方法只適用于濃度較高的污染土壤，當土壤污染物濃度低時效率較低；其次在對土壤進行加熱的過程中，改變了土壤的溫度、水分等理化性質；最后該技術需要從國外引進設備，會使成本大大提高。

雖然國內對于此技術的研究與應用較少，但是國外已經有了一定的應用。現在國內外有應用的熱脫附技術有：滾筒式熱脫附、微波熱脫附、流化床式熱脫附和遠紅外線熱脫附技術。并且Kunkel和Navarro等學者相繼提出了在此技術中使用太陽能代替高能耗不可再生能源的想法。

2.2 化學修復

2.2.1 固化／穩定化技術

固化／穩定化技術指通過向土壤中加入一些化學藥劑，從而改變污染土壤的性質，使之成為不活潑的形態，或使之隔離在固化體中，從而使污染物在環境中穩定下來，不再遷移擴散，減小其對周邊環境的影響。其中較為常用的固化／穩定化試劑為水泥、石灰等無機試劑。

固化／穩定化技術的優勢有：修復時間短、操作簡單；藥劑較為普遍，設備簡單，經濟投入小；穩定化處理后的土壤形態變化不大，利于回收利用。其局限性有：需要向土壤中加入固化劑，會破壞土壤的性質、結構；固化后的污染土壤存放不當可能會導致二次污染；如今還缺乏實驗證明此技術能長期地穩定污染體中有害物質不再泄露。此技術適用于污染濃度較高、污染范圍較小的土壤。但由于此技術操作方便，經濟效率高，所以在國內應用較為普遍。

2.2.2 淋洗技術

土壤淋洗技術指利用清水或化學溶劑等對土壤進行淋洗，淋洗過程中會發生過離子交換、沉淀、吸附和螯合等作用，把土壤中的重金屬元素轉移到淋洗液中，再對淋洗液進一步處理，從而將重金屬從土壤中去除。土壤淋洗技術可分為原位淋洗修復技術和異位淋洗修復技術。

淋洗技術的優點主要有：工藝設備簡單，容易操作；淋洗能使土壤中大多數的重金屬溶出，修復效果好；淋洗反應快，處理時間短，修復過程快。其缺點有：廢水需要進行二次處理，加大修復成本；原位淋洗會使土壤的理化性質改變，導致一些礦物質的流失，或者導致污染范圍擴大；異位淋洗修復技術，需要開挖，此技術適用于污染濃度高、范圍小的污染土壤。目前，原位淋洗修復技術在國外已有一些應用，而我國在該技術的應用中還處于初級階段。英國在倫敦成功使用異位淋洗修復技術處理了廢棄的垃圾場；美國新澤西州和馬薩諸塞州使用該技術處理了多種重金屬污染的土壤。

2.2.3 電動修復技術

電動修復技術指將電極插入受污染土壤，通過施加電流形成電場，使得在土壤內有電性的污染物向不同的電極方向運動，從而將污染物富集至電極區進行集中處理或分離。

電動修復技術的優點有：原位修復，操作簡單、經濟效率高，投資費用少；可有效降低土壤中的重金屬，適合于低滲透性的土壤，對其環境有積極的改良作用；對環境破壞較小，應用范圍廣。局限性有：修復過程需要有離子運動的條件，且污染土壤下方存在防滲層，否則會增大污染范圍；在修復過程中，兩極上會有一定的沉淀物產生，影響修復效果。此技術在國內的研究比較少，尚未有應用于修復的實例中，在國外有一些應用。

2.2.4 玻璃化技術

玻璃化技術指將污染土壤在高溫下熔化，在熔融過程中有機物揮發或被分解，熔化物冷卻后形成堅硬的玻璃化物體，從而使重金屬固化，防止其遷移轉化。玻璃化技術可以分為原位處理技術和異位處理技術。

玻璃化技術的優點有：快速、有效地去除土壤中的重金屬元素；污染物玻璃化后部分被去除，含量降低，穩定性較好。但其有一定的局限性：只能針對于污染面積小的土地；能耗較大，工藝要求高，需要二次處理熔融物，成本較高。所以其應用得不到推廣。

2.3 植物修復

2.3.1 植物提取

植物提取指通過植物根系對土壤中水分、營養物質的吸收作用，將污染物吸收、富集在植物體內，達到最大吸收量后，再對其進行收割，以此降低土壤中污染物的含量的方法。通過多次種植、收割植物，最終能達到將污染物從土壤中去除的效果。

此方法的優點有：原位修復技術，方法簡單，操作容易；對周圍的環境影響小。但此技術相對不成熟，國內外都處于進一步研究的狀況，所以還有較多的缺點需要進一步完善：需要研究、開發超富集植物，此種植物生長較慢，且生物量較小；修復所需周期長；需要二次處理，成本較高；由于植物根系的長度有限，只能應用于修復淺層土壤；有導致土壤發生二次污染的可能。目前國外已有較多對于不同植物對重金屬吸收效果的研究，但是由于研究不完全，局限性較多，此技術投入到實際修復中的較少。

2.3.2 植物揮發

植物揮發是指植物通過自身的吸收作用、蒸騰作用將土壤中的重金屬從土壤中揮發出來，或吸收進入植物體內后，通過葉子，隨著水分蒸發出來，從而減少重金屬在土壤中的含量。

目前，國內外關于使用植物揮發進行土壤修復的研究較少，是因為此技術有較多的局限性：不好操作、實施困難；可能會污染大氣環境；且只能應用于修復淺層土壤。

2.3.3 植物穩定

植物穩定是利用具有相當程度重金屬耐性的植物，通過根系吸收、沉淀、絡合等過程將植物根系周圍的重金屬固定，從而降低重金屬在土壤中的含量，減小重金屬的遷移能力。

通過進一步的研究，該技術有望成為綠色修復技術，并將在未來應用于工程實例中。

該技術的優點有：能有效地將重金屬穩定在植物根系及周圍，降低了重金屬的遷移、擴散能力；有較多的植物有此種性質，具有有效性。該技術的局限性有：需要二次處理，投資成本較高；重金屬遷移轉化機理不確定，可能導致再次污染；只適用于修復淺層土壤。

2.3.4 植物過濾

植物過濾修復指利用植物根系的吸收作用，在一定的水環境介質中，將流過植物根系的溶質中重金屬吸附、固定在植物體中，從而達到凈化溶液的目的。此技術比較適用于有水環境的污染場地，且利用植物根系的過濾能力，能有效并且長久地對水環境中的污染物進行過濾。現已經運用于一些實驗研究中，并有一些生活中利用植物根系過濾水體的實例，適用于濃度較低、較為干凈的水體，此技術具有較大的應用前景。

2.4 微生物修復

2.4.1 原位生物修復

原位微生物修復不需將污染土壤搬離現場，直接向污染土壤投放N、P等營養物質和供氧，促進土壤中土著微生物或特異功能微生物的代謝活性，降解污染物。原位微生物修復技術主要有：生物通風法、生物強化法、土地耕作法和化學活性柵修復法等。

2.4.2 異位生物修復

異位微生物修復是把污染土壤挖出，進行集中生物降解的方法。主要包括預制床發、堆制法及泥漿生物反應器法等。

微生物修復的優點有：原位修復，投資費用較少，對環境影響小；微生物能高效地分解、轉化污染物，造成二次污染的可能性小；可同時處理地下水及土壤，所受時間、空間上的局限小。但是也存在一定的局限性：受環境的限制，修復時間較長；特定的微生物一般只能對一定的污染物進行處理；異位修復時，只能適用于污染范圍小的場地。

2.5 動物修復

動物修復指利用土壤中的一些能對重金屬進行吸收的動物，如蚯蚓等，將它們引入到重金屬污染的土壤中，對土壤中的重金屬進行吸收、轉化，以去除重金屬或抑制其毒性。

此技術的優點有：對于農牧業造成的污染，其污染物正是土壤動物的食物，對農業廢物可以高效、快速地處理；對周邊環境的影響小，不會造成二次污染；經過處理的土地，可被再次利用，作為有機肥料使用。但也存在一些缺點：處理的污染類型、適用范圍、處理能力有限；缺乏理論和技術支持；引入外來物種會對的土壤環境有影響；在對污染場地修復時，可將動物、植物、微生物修復技術結合起來。

2.6 生物強化修復

目前，國內外的學者致力于開發效率高、經濟效益好、綠色環保的土壤修復技術，其中主要包括基因工程技術、微生物聯合植物修復技術及篩選培育優良的超富集植物。

2.6.1 基因工程技術

基因工程技術可以改良生物的基因，從而加強生物對污染物的耐受性，加強生物對污染物的吸收和轉化作用，從而達到加強生物對污染環境的修復能力。國內外對此技術都有一定的研究，其優點主要是通過基因工程提高修復的效率，但其應用推廣比較謹慎，因為一些基因改造后的生物投入環境中對環境的影響是一個不確定因素。

2.6.2 微生物聯合植物修復技術

微生物聯合植物修復指植物及根系周圍的細菌或者真菌有互利互惠的作用，使植物以及微生物對重金屬的降解作用增強，從而對重金屬污染的土壤進行修復。目前，此技術在實驗條件下已有許多研究，但應用于野外環境的較少，因為室外的環境對微生物和植物的影響因素很多，比較難控制，仍需進一步研究。

此方法的優點有：原位修復，且修復效率高；實驗的選擇可以保證植物、微生物的適應力強。但是也有如下缺點：篩選、搭配生物的實驗耗時長，投資成本高。

2.6.3 篩選培育優良的超富集植物

超富集植物指的是對土壤中金屬的吸收、富集量超過一般植物的植物，并且能將植物吸收的大多數污染物轉移到植物的上部。篩選和培育生物量大、適應性強、富集能力強、易栽培且具經濟效益的超富集植物將是國內學者研究的重點。

超富集植物的優點有：修復效率較高，對污染物有較好的穩定、除去效果；原位修復，工程量小，費用較低；有一定的理論、實驗基礎。但是其仍存在一定的局限：修復時間較長；需要對植物進行二次處理，增加了投入費用；難以回收利用金屬，且無法處理深層的土壤。

3 結論與展望

近年來，人們對土壤污染的關注日益增多，國家對于環境污染問題也越來越重視，黨的十九大報告做出重大決策“我國經濟已由高速增長階段轉向高質量發展階段”，進一步明確了新時代我國經濟發展的基本特征。中央對未來三年經濟工作的部署，就是打好防控重大風險、精準脫貧、污染防治三大攻堅戰，實現高質量發展。

雖然我國對于土壤問題的研究起步較晚，對于污染的治理研究，應發展物理、化學以及生物聯合修復的方法，加強修復的效率，并且能減少修復過程對環境的影響。通過分析我國的污染狀況以及上的治理方法，建議從以下幾個方面推進我國土壤重金屬污染治理：

（1）從污染源入手，減少污染物的排放，推廣無毒無害的工藝。

（2）對工業排放的污染物進行回收再利用。

（3）從污染途徑入手，完善法律，加強監管，防止工廠出現偷排偷放的行為；對于潛在的污染源，對其進行移除、封閉處理。嚴格監控管理農業的施肥、灌溉，在保證經濟效益的同時，也要保證食品安全，對環境的影響最小化。

（4）在各個地區建立相應的檢查網絡，提高土壤檢測的效率，學習、合理借鑒國外先進的技術，根據國情完善我國的土壤修復方案。

（5）研究推廣高效的、綠色的土壤修復技術，對污染的土壤進行有效的處理，保證修復土壤的穩定性、安全性。

（6）對消費風向進行正確的引導，減少對環境污染嚴重的產品的購買，支持購買綠色環保型工藝的產品。