土壤重金屬污染修復技術及展望

丁禺喬 柳曉光

（中國煤炭地質總局地球物理勘探研究院 河北保定 072750）

引言

伴隨著我國飛速發展的農業工業水平，環境污染與生態破壞現象難以避免，產生的不良影響已危害到身體健康。以土壤污染為例，各種污染物伴隨著地表徑流以及地下水遷移，導致污染范圍不斷擴大，與此同時土壤污染所造成的環境影響又有一定的滯后性，往往通過耕地農作物，在食物鏈富集，最終影響到人類。據調查我國直接由重金屬導致的農用耕地污染面積近超過2000 萬平方公里[1]。相比于自然活動，例如地殼運動，人為活動所造成的土壤污染較為嚴重，上世紀中期，伴隨著化學農藥以及無機化肥的生產使用，不計后果的使用有農藥化肥對土壤產生了一系列不可逆的危害。以土壤重金屬污染為例，工業生產是其主要來源，過于快速的發展，使得工業生產與環境問題嚴重失衡，過快的經濟發展掩蓋了環境污染問題，部分工業廢水未經處理沉入地下水進而遷移，剩余廢水匯入地表徑流，污染農田灌溉用水，進而危害人類生活。農作物生長受土壤肥力以及土壤成分的影響，長期的土壤重金屬污染會導致土壤肥力逐漸下降，另外，重金屬可能直接影響農作物種子發芽、生根，從而直接或間接導致作物減產，引發糧食問題。

1 土壤重金屬污染來源及危害

我國土壤重金屬污染地區主要分布在工業核心區域，包括長江經濟區、珠江經濟區，總體來看，南方污染情況較北方嚴重。重金屬來源主要分為兩方面：人為因素和自然因素。自然因素較人為因素產生的影響較輕，伴隨地殼運動，地質發生變化，礦物風化，地表徑流以及大氣遷移產生，此類因素產生影響較小。人為因素是土壤重金屬污染的主要來源，近現代我國工礦業發展迅速，各類礦石、煤炭原材料開發量巨大，廢棄尾渣露天無序堆放，經過雨水沉降作用進入地表徑流；研究表明在礦場、鋼制廠、火力發電廠及重工業區周邊的土壤重金屬檢測值明顯高于非工業區域。重金屬元素大多為人體非必須元素且多數為有害元素，人類長期食用重金超標食物，或是飲用超標飲用水，均會損害人體健康。

2 土壤重金屬污染修復技術

上世紀以來，土壤重金屬污染治理始終作為國內外研究的熱點[2]。但其最有效的治理方法為源頭防控，而對于已造成的土壤污染問題，優先選擇綠色修復技術，而目前主要的土壤重金屬修復技術有以下三種方法：物理修復、化學修復、生物修復。

2.1 土壤重金屬污染物理修復技術

重金屬污染物理修復技術是指根據重金屬的物理特性，將重金屬與土壤完全分離[3]。淋洗是目前應用最為廣泛的物理修復技術，根據不同重金屬種類，選擇相應淋洗劑，使重金屬溶解其中，但淋洗劑處理是與之俱來的二次污染，而且處理過程中，土壤質地、污染物形態、淋洗劑選擇均能影響修復效率。該方法適用大面積且土壤污染程度高的土壤背景。對于小面積淺層污染土壤，客土、換土法更為適用，客土法是指將純凈土壤摻入污染土壤，通過降低重金屬在整體土壤中的濃度，進而降低脅迫值；換土法則是將污染土壤全部轉移，如土壤污染面積較大，污染較深，利用客土、換土法需要較大的經濟投入，且會嚴重破壞當地土壤性質，改變原有生態系統。熱解吸法是利用土壤中重金屬的汽化點，通過外加熱源，例如土壤中重金屬Hg，人體吸收Hg 元素會影響骨骼發育，肝臟、腎臟代謝，通過加熱土壤使Hg 汽化，外加裝置收集Hg 蒸汽，達到去除重金屬的目的，熱解吸法可作為小范圍原位修復的主要處理手段。

2.2 重金屬污染化學修復技術

化學修復技術是指通過化學反應，向土壤中混入化學添加劑，從而去除土壤重金屬或是降低土壤重金屬含量[4]。固化/穩定化技術是目前應用較廣的化學修復技術，該技術利用向土壤中添加固定劑或穩定劑的方法，固定劑可將土壤中重金屬固定為穩定形態，使其不會向周邊環境擴散，并不會被植物所吸收，而穩定劑的作用可以有效降低土壤中重金屬有效態含量。固化/穩定化后土壤中的重金屬不會遷移，避免重金屬通過食物鏈影響人類活動。但固化/穩定劑可能會隨著時間推移或土壤性質改變而失效，重金屬重新暴露于土壤中，再次造成污染。該技術關鍵在于如何擇優選取固定穩定劑，要求化學材料本身不會對土壤、耕地作物造成危害，并化學藥劑成本低，易獲取，狀態穩定。工程上一般采用工業副產物，如石灰、硅酸鹽副產物等作為化學藥劑，成本較低，但重金屬雖然改變形態，但未真正脫離土壤，后續需長時間跟蹤監測土壤。

2.3 電化學修復技術

電化學修復技術是指利用電化學電解原理，在土壤中插入外加電極，外加電極在土壤中可形成電場，由于土壤中金屬陽離子會在外加直流電場的作用下產生規律性遷移，最終富集在電極附近[6]。該種修復技術需要土壤中重金屬存于導電介質中，且土壤性質良好，對于大面積且土壤性質較差的環境并不適用，目前該方法大多停留于小型實驗階段，可作為今后研究熱點。

2.4 重金屬污染生物修復技術

生物修復技術作為一種環境友好型修復技術，是指通過生物的正常代謝，吸收或是改變重金屬在土壤中的存在形態，從而降低土壤中重金屬的含量。生物修復作為一種原位修復技術具有投入少、修復效果好、無二次污染、環境友好的特點，但生物修復易受到外界環境的影響，如溫度、pH、光照等。生物修復的多樣性一直是目前研究的熱點。動物作為土壤生態系統的重要組成部分，由于其生命活動所需環境苛刻，不適于作為修復載體，因此生物修復技術主要是指植物修復以及微生物修復技術。

（1）植物修復技術。植物修復技術是指在植物正常生長代謝過程中，利用植物本身的呼吸，光合作用，或是細胞代謝，吸收、固化重金屬。研究表明，一些特殊植物可明顯改善土壤重金屬污染狀況，積累、轉運重金屬到地上部分，稱為超富集植物，超富集植物不同于一般植物，在重金屬含量超標的土壤中仍可正常生長，不同植物去除重金屬原理不同，一些植物通過根部吸收作用，并在植物體內轉移，達到地下吸收，地上富集的效果，再刈收植物地上部分從而達到去除重金屬的目的。一些植物通過根部固定作用，將重金屬吸附或固定于根部，使得土壤中重金屬含量下降，此類植物修復技術并類似于固化穩定技術，只是阻止重金屬在水環境內的遷移以及食物鏈中富集，并非真正去除重金屬污染物。

（2）微生物修復技術。土壤微生物代謝為土壤提供大量有機質，而在代謝過程中，特殊微生物會將土壤中重金屬氧化還原、吸收、固化，使土壤中重金屬含量降低，降低土壤污染風險[6]。有些微生物通過細胞壁的吸附作用，可大面積吸附金屬陽離子，有些通過生物代謝，產生生物酶，溶解吸收重金屬。不同微生物對于重金屬的耐受力不同，修復產物也不盡相同，部分微生物修復效果明顯，并且修復產物能提高土壤肥力。與植物修復相同，微生物修復技術基于生物正常代謝活動，一旦代謝過程受到影響，修復效果也會產生差異，故微生物修復技術也要保持較好的生物生長環境。目前該種方法已廣泛應用于各類污染物處理技術中，尋找耐受力強、適用范圍廣的微生物類型依舊是研究熱點。

（3）植物-微生物聯合修復技術。研究發現一些特定的微生物可以明顯提高植物對于土壤中重金屬污染物的去除效率，原因在于，一些根系微生物可以促進植物生長，另外微生物本身也可以改變土壤中重金屬的形態，從而影響植物對于重金屬的吸收。研究表明[7]，巨大芽孢桿菌能夠降解土壤中的有機磷，而膠凍樣芽孢桿菌可分解土壤中礦物質供植物吸收。多樣性的植物-微生物組合方式一直是近年的研究熱點，傳統的物理/化學修復技術，不適合大面積耕田、礦山土地治理，且經過治理后，會產生二次污染，或極大地改變土壤肥力。生物原位修復投資少、無二次污染、適用處理面積大，且后期處理土壤肥力增強。

3 研究意義及展望

土壤是一切地表生物得以生存的基礎，在環境保護和維持生物圈平衡中發揮重要作用。隨著近現代工農業快速發展，土壤重金屬污染問題難以避免。據估計我國約有百分之十五的耕地受到污染，為了實現土壤的可持續利用，保障人類食物安全，研究開發經濟、高效、可行的污染土壤修復技術迫在眉睫。相較于水污染及大氣污染治理，我國土地污染治理工作起步較晚，且采用環保技術較為滯后，存在相關政策及標準欠完善，資金投入低等問題，土壤重金屬問題主要以“誰污染誰治理”為主，農田耕地重金屬污染主要靠政府資金，據中國科學院調查結果顯示，土壤修復可為我國直接增加幾億畝耕地。同時我國大部分土壤重金屬修復技術采用物理化學法，使用大量化學藥劑或大規模采用物理方法，不可避免會帶來二次污染，且資源消耗巨大，重復率低下，環保效益大打折扣，因此開發環境友好型修復技術，如生物修復技術等更為迫切。我國土壤重金屬污染問題相對嚴重，土壤重金屬問題可謂是“舌尖上的危害”，現如今正行的重金屬污染修復技術已略顯滯后，各種修復技術日新月異，但其工程應用有待開發。更契合環保可持續理念的控制技術目前只停留在實驗室階段，尚未進入大田實驗，先進的修復技術是否適用于我國耕地環境，尚待考察。在經濟飛速發展的時代，如何保障最基本的口糧安全，如何守住人民的綠水青山，如何保持國民經濟不斷發展，開發綠色、高效、適應性強的土壤重金屬修復技術迫在眉睫。

結語

土壤重金屬所呈現的多樣性、持續性以及多源性，總之，土壤重金屬危害形勢日趨嚴峻，既要保證土壤重金屬去除效果良好，又要兼顧投入成本以及二次污染問題，因此未來土壤重金屬修復技術應從綠色、科學可持續的角度出發，從根本上解決土壤重金屬污染問題，維持土壤生物系統穩定。