土壤重金屬修復技術與展望

趙澤宇

土壤重金屬修復技術與展望

趙澤宇

（西北農林科技大學資源環境學院陜西咸陽712100）

文章根據土壤重金屬污染現狀，分析了物理、化學、生物及聯合修復技術的原理、優勢與不足、應用及發展方向，對土壤重金屬修復技術提出展望，建議重點開發聯合修復技術及體系，從而實現經濟高效的土壤修復。

土壤污染；重金屬；修復技術；聯合修復

根據2014年我國生態環境部及自然資源部公布的全國土壤污染狀況調查公報顯示，全國土壤的總超標率為16.1%，其中鎘（Cd）、汞（Hg）、砷（As）等8種重金屬無機污染物超標點位數占全部超標點位的82.8%。我國當前重金屬污染狀況已十分嚴峻，治理刻不容緩。

1 物理修復技術

1.1 客土法、換土法

客土法是指通過將污染土壤與和其理化性質接近的潔凈土壤混合，使土壤中重金屬濃度下降，從而保證農產品達到食品衛生標準的方法。而換土法是指將重污染的土壤剖去后填入接近土壤的方法。

此類方法具有穩定、徹底的優點，但不具備經濟性，因而實際運用較少，主要適用于重污染土壤。例如沈陽張士灌區表層土壤的鎘含量高達56.13%，在去除表層15～30 cm土壤后，種植的水稻稻米中鎘含量下降50%[1]。

1.2 電動修復技術

電動修復技術是指通過向污染土壤中插入兩個電極，形成低壓直流電場，通過電化學和電動力學的復合作用，使水溶態和吸附土壤的顆粒態污染物根據自身帶電性在電場內定向移動，在電極附近富集或收集回收而去除的過程。污染物的遷移去除主要涉及帶電離子的電遷移、孔隙水的電滲析以及帶電顆粒的電泳3種電動力學過程。該技術的適用范圍主要是低滲透性土壤的污染修復，治理對象是大部分無機、放射性污染物及部分吸附性較強的有機污染物。該技術在低滲透性土壤中效果顯著，具備污染物可在地下去除，安裝迅速及處理時間相對較少等優點，但其最大的缺點是修復效率受pH影響大、能源消耗較高等。根據鄭喜珅等研究結果表明，Pb2+、Cr3+等重金屬離子在沙土土壤中的除去率可達90%以上[2]。

根據部分研究結果顯示，在電動修復過程中，電極表面可能發生電解，陰極電解產生OH-，陽極電解產生H+，在電遷移和電滲析流的作用下形成酸性遷移帶和堿性遷移帶。而在堿性遷移帶內，OH-會與重金屬離子形成沉淀，從而阻礙陰極區域的重金屬去除率。為了增強傳統電動法修復土壤中重金屬的效果，劉國等[3]研究加入乙酸、檸檬酸、乙二胺四乙酸（EDTA）作為增強劑的電遷移效果，結果表明：乙酸和檸檬酸有效抑制了陰極區域的堿化，使得整個土壤區維持在酸性范圍之內；而EDTA對Cd的螯合作用使土壤中的Cd形成帶負電的螯合物，增強了其移動性。

2 化學修復技術

2.1 化學淋洗修復技術

化學淋洗修復技術是指利用化學或生物化學淋洗劑與受污染土壤原位或異位混合，在解吸、螯合等作用下使污染物與土壤分離，并將包含污染物的液體提取并回收的技術。主要的化學淋洗劑為清水、無極溶劑、螯合劑、表面活性劑。該技術對高濃度污染處理效果極好，限制污染物的擴散范圍，投資、消耗相對較少，多用于原位修復，但化學淋洗修復技術也存在降低土壤肥力[4]、易引起二次污染的問題。研究發現，乙二胺四乙酸（EDTA）等螯合劑能夠有效降低Cu、Cd、Cr、Pb等重金屬的生物有效性，利于淋洗，且因為其酸度低、對土壤破壞小，所以最為常用。[5]

運用單一淋洗劑的淋洗技術具有局限性，聯合使用不同化學淋洗劑不僅使土壤中污染物的去除率增強，且減少了淋洗劑的總用量，降低了化學淋洗劑對土壤性質的破壞。陳冬月等[6]采用螯合劑和鼠李糖脂復合淋洗治理鎘污染土壤，結果土壤中交換態、碳酸鹽結合態、有機態鎘含量顯著減少，減小了二次污染的風險，縮短了淋洗時間。陳尋峰等[7]研究表明，復合淋洗效果優于單一淋洗效果，適當的復合淋洗組合能夠提高土壤重金屬的去除率，復合淋洗的關鍵在于淋洗劑的選擇和組合順序。

2.2 化學改良修復法

對于污染的土壤可以通過改良土壤性質的方法使污染物轉化為難遷移、低活性的物質。根據土壤和污染物的性質，可通過施用改良劑和調節土壤的氧化還原電位（Eh）兩種方式改良土壤性質，對于輕度污染的土壤效果較好。目前常用的化學改良劑包括石灰、沸石、草木灰、生物堆肥、禽獸糞便等[8]。不同的改良劑對于重金屬的作用機理不同，向偏酸性的重金屬污染土壤施加石灰作為改良劑可提高土壤的pH，使重金屬發生鈍化[9]，而生物炭因具有比表面積大和疏松多孔的特征，可用于吸附污染土壤中的重金屬，降低重金屬的生物有效性和遷移性，同時微生物在生物炭上的附著生長也有助于發揮微生物降解重金屬作用[10]，可作為土壤改良劑、肥料緩釋載體及重金屬吸附材料。

3 生物修復技術

3.1 植物修復技術

植物修復技術是指利用一些植物對部分化學物質的耐受性和超富集性，通過綠色植物提取、轉移、吸收、分解、轉化或固定土壤中的污染物，從而達到去污效果。植物修復技術主要可分為植物揮發、植物穩定、植物提取三個過程。植物揮發局限性較大，僅限于處理Hg、Se等揮發性重金屬元素，且存在造成空氣污染的潛在可能；植物固定普遍存在修復效果不理想的問題，因為存在固定重金屬重新活化的可能性；而植物提取是指利用重金屬超積累植物從土壤中提取金屬污染物，隨后收割地上部并進行集中處理，通過連續種植該植物，達到降低或去除土壤重金屬污染的目的。因此，植物提取能夠將重金屬徹底從土壤中移除，具有良好的生態綜合效益，應用前景較好[11]。如蜈蚣草、香根草、印度芥菜等是較典型的超富集植物，在重金屬污染土壤修復中應用較廣。

由于土壤中的重金屬有效性差和修復植物因重金屬毒害作用而生物量小、修復周期長，所以在實地修復上還存在問題。因此，利用化學活性劑將土壤中主要以殘渣態存在的重金屬轉化為有效態，從而提高植物修復技術的處理率。常用的化學活化劑包括螯合劑、表面活性劑、低分子有機酸。張家偉等[12]在施加表面活性劑直鏈烷基苯磺酸鹽、十二烷基磺酸鈉后，植物體內重金屬的濃度明顯增加。

3.2 微生物修復技術

微生物修復技術是指通過微生物活動使土壤中重金屬毒性降低或吸附積累重金屬等過程，從而修復被污染環境。其具備可原位修復、環境影響小、可同時處理被污染土壤及地下水等優點，但該修復技術的局限性在于耗時長、對環境條件要求苛刻、治理對象污染物適用范圍較小。研究發現部分微生物能將劇毒的甲基汞轉化為毒性小、可揮發的無機態單質Hg；叢枝菌根真菌可通過菌絲的固持作用和菌絲分泌物的螯合作用降低重金屬毒性和濃度，其根外菌絲對Cd的富集能力超過煙草根系10 倍以上[13]。

3.3 植物-微生物聯合修復技術

因植物修復受重金屬脅迫影響，所以根系地下擴展深度存在局限，植株整體生長較為緩慢，富集污染物總量較小，污染土壤修復時間較長，而部分微生物可利用其代謝功能固定重金屬離子或將有毒的重金屬離子轉化成無毒或低毒價態，在植物及其根際微生物的共同作用下建立植物-微生物聯合修復系統，結合兩者優勢，提高修復效率。Wei等研究顯示，野生豆類根部的根瘤菌土壤桿菌促進植物生長，同時對Pb、Cu、Cd、Zn具有抗性。Shi等研究發現硫氧化細菌可以促進植物對Cu的大量吸收，這一過程的主要途徑為硫氧化細菌降低根際土壤pH，使還原硫發生轉化，從而促進金屬Cu的氧化。

4 展望

針對當前重金屬土壤修復技術研究現狀，對于今后的研究方向提出以下建議及展望。

首先，鑒于現今已有的單一修復技術在一定程度上存在修復效果差、使用范圍小、修復周期長等問題，應該重點研究并發展聯合修復技術，結合各項修復技術之間的優點互補，使修復更高效，并減少對土壤肥力或結構的影響。例如，植物-化學聯合修復不僅可以減少化學試劑對土壤造成的影響，處理效果相較植物或化學單一修復技術有顯著提升。

其次，重視發展環境友好型、高效化、低成本的土壤修復技術，以植物修復或電動修復技術為核心，提升現有技術處理效果，解決其處理率較低的問題，并盡可能降低成本，使其適用于大面積、重污染的土壤治理。

再次，加大力度進行環保修復材料的開發和生物修復優勢物種的篩選。例如開發環境友好型的化學淋洗劑、高效的化學固定劑等，并推進超富集植物和預期搭配的內源菌或根際菌的篩選，為修復技術的進一步發展奠定基礎。

重金屬污染土壤修復應該在修復土壤的同時，注重保持土壤的原有理化性質及生態特征，實現生態環保修復。基于每種修復方法均有各自的適用范圍和優勢，在實際使用過程中應該避免單獨使用，將物理、化學、生物方法進行適當的結合，取其所長，以獲得生態環保、成本低的修復方案[8]。

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[2]鄭喜珅,魯安懷,高翔,等.土壤中重金屬污染現狀與防治方法[J].土壤與環境,2002(1):79-84.

[3]劉國,徐磊,何佼,等.有機酸增強電動法修復鎘污染土壤技術研究[J].環境工程,2014,32(10):165-169.

[4]楊國棟,張夢竹,馮濤,等.土壤重金屬污染修復技術研究現狀及展望[J].現代化工,2020,40(12):50-54,58.

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[6]陳冬月,施秋伶,張進忠,等.螯合劑和鼠李糖脂聯合淋洗污染土壤中Cd[J].農業環境科學學報,2016,35(12):2334-2344.

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[13]廖強,劉愛菊.土壤重金屬污染狀況與修復技術研究進展[J].山東理工大學學報(自然科學版),2018,32(4):7-11.

西北農林科技大學2020年大學生科創計劃省級項目（S202010712557）

趙澤宇（2000- ），男，漢族，北京豐臺人，本科在讀，研究方向：土壤污染治理與修復。

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2095-1205(2021)02-48-02

10.3969/j.issn.2095-1205.2021.02.23