鎘污染土壤修復(fù)技術(shù)的研究進(jìn)展

路潤峰馮娟魚甜甜王亞嬌楊春黃嘉瑞

(1.陜西省地質(zhì)調(diào)查實(shí)驗(yàn)中心，陜西 西安 710054；2.陜西省地質(zhì)調(diào)查院，陜西 西安 710054；3.陜西眾晟建設(shè)投資管理有限公司，陜西 西安 710054)

引言

鎘是被公眾所熟知的“五毒”元素之一，具有移動(dòng)性大、分解周期長(半衰期超過20a)、毒性高等特點(diǎn)。并且鎘在日常生產(chǎn)生活中極易被周圍作物吸收及富集，可以通過食物鏈進(jìn)行積累，不僅嚴(yán)重影響作物的品質(zhì)和產(chǎn)量，而且嚴(yán)重危害人體的健康。鎘的主要污染途徑是干濕沉降、農(nóng)用產(chǎn)品及化學(xué)產(chǎn)品的使用、污水的灌溉以及污泥的使用等。鎘一旦進(jìn)入人體會(huì)產(chǎn)生一定的毒性作用，對人體的腎臟、骨骼、免疫系統(tǒng)、肝臟等造成損傷，誘發(fā)多種癌癥；造成人體肌肉酸痛、肺損害、全身疲乏、腸胃刺激等一系列反應(yīng)[1，3]。因此，對鎘污染土壤的修復(fù)已經(jīng)成為多數(shù)研究者迫切需要解決的問題。為了對鎘污染土壤進(jìn)行有效修復(fù)，近年來，研究者嘗試并提出了多種鎘污染土壤的修復(fù)技術(shù)與修復(fù)方法。這些方法可以通過對鎘污染物的擴(kuò)散進(jìn)行一定程度的遏制，通過對鎘污染物生物利用度的降低、總濃度的降低、轉(zhuǎn)移等方式，來達(dá)到對鎘污染土壤環(huán)境的有效改善。但是在實(shí)際應(yīng)用過程中，這些修復(fù)技術(shù)的適用范圍、修復(fù)成本等各有差距。本文旨在通過對鎘污染土壤的修復(fù)技術(shù)進(jìn)行綜合比較，并對其原理、適用條件、優(yōu)缺點(diǎn)、發(fā)展前景等作出合理的評估，以期對研究者選擇合適的修復(fù)技術(shù)，對傳統(tǒng)修復(fù)技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，聯(lián)合使用不同種類的修復(fù)技術(shù)等方面提供一定的幫助。

1 物理修復(fù)技術(shù)

物理修復(fù)技術(shù)主要是通過物理學(xué)特性的差異，通過物理性的方法將環(huán)境中的污染物去除或者分離。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于大部分修復(fù)所需要的費(fèi)用都較低，所需要的設(shè)備一般都比較簡單，且具有可持續(xù)的高產(chǎn)出。而在具體應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)時(shí)往往存在其修復(fù)技術(shù)的可行性問題，還需綜合考慮各種因素的影響。

1.1 客土法

客土法作為鎘污染土壤的一種修復(fù)技術(shù)，通常采用向受到鎘污染的土壤中添加潔凈的土壤，從而達(dá)到減少鎘與農(nóng)作物植物根系的接觸、降低或減少土壤中鎘污染物的濃度這樣的目的。20世紀(jì)60年代，日本采用客土法對神通川地區(qū)的受鎘污染農(nóng)田展開修復(fù)，將表層污染土壤剝離地面，對田地進(jìn)行挖溝，從其他地方運(yùn)來干凈的土壤覆蓋地表，同時(shí)配合使用土地改良劑等，經(jīng)過30多年的時(shí)間，約有接近1/2的受污染土壤得到了徹底恢復(fù)正常。

客土法的優(yōu)點(diǎn)是見效快，效果好。但這種修復(fù)技術(shù)也存在一定的缺陷，如工程投資費(fèi)用普遍較高，工程實(shí)施量普遍較大，工程在實(shí)施過程中有可能破壞土體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而引起土壤肥力下降等問題。

1.2 換土法

換土法修復(fù)技術(shù)就是通過工程措施方法將受到鎘污染的土壤移走，換入新的干凈的土壤。換土法通常適用于污染嚴(yán)重的小面積的土壤鎘污染的場地，特別是運(yùn)用于污染物具易擴(kuò)散、有放射性或污染物難以分解的嚴(yán)重污染土壤。換土法最為關(guān)注的點(diǎn)是對換出的污染土壤進(jìn)行妥善處理，以避免發(fā)生二次污染。Douay等[4]對一片鎘污染菜地進(jìn)行換土修復(fù)的研究，通過分析菜地?fù)Q土前后蘿卜葉片中的鎘含量，研究結(jié)果顯示，鎘含量降低了23.23mg·kg-1。

換土法可以有效地把污染土壤隔離起來，從而有效減少了鎘對環(huán)境的影響。換土法土壤修復(fù)技術(shù)的工程量比較大，修復(fù)成本也較高，并且該修復(fù)技術(shù)要對土壤進(jìn)行較大程度的擾動(dòng)，破壞土壤原有結(jié)構(gòu)，從而影響到土壤的生產(chǎn)力。

1.3 電動(dòng)修復(fù)技術(shù)法

土壤電動(dòng)修復(fù)技術(shù)是通過對污染土壤外加直流電場，外加電場的作用會(huì)使得重金屬污染元素通過電遷移、電泳或電滲流等方式向一邊電極處聚集，經(jīng)后續(xù)處理以去除重金屬污染元素。

Gavrilescu等[5]研究發(fā)現(xiàn)，電動(dòng)修復(fù)技術(shù)在低滲透性土壤(如粘土)中具有高效、快速的重金屬去除效果，同時(shí)提出了電動(dòng)修復(fù)技術(shù)是最有希望的一種土壤修復(fù)技術(shù)。胡宏韜等[6]在土壤重金屬污染的電動(dòng)力學(xué)修復(fù)實(shí)驗(yàn)中的研究表明，當(dāng)外加試驗(yàn)電壓為0.5W·cm-1時(shí)，鎘的去除效率可達(dá)到71.5%。儲陸平等[7]提出，一般影響電動(dòng)修復(fù)效果的主要因素包括土壤性質(zhì)、電壓、電流等。Li等[8]通過在電極和被處理的污染土壤之間設(shè)置了導(dǎo)電溶液槽，使得從污染土壤中遷移出來的重金屬離子沉淀在導(dǎo)電溶液槽中，研究結(jié)果表明，鎘的去除效率可達(dá)到90%以上。

電動(dòng)修復(fù)技術(shù)具有設(shè)備易于安裝和操作，后處理方便，所帶來的二次污染少，可以從土壤中去除污染物的優(yōu)點(diǎn)。但電動(dòng)修復(fù)技術(shù)修復(fù)的土壤類型有限，施加的電場可能引起土壤局部環(huán)境的顯著變化，且存在修復(fù)成本高、化學(xué)活化劑殘留等問題。

2 化學(xué)修復(fù)技術(shù)

化學(xué)修復(fù)技術(shù)，主要是向重金屬污染土壤中添加一些化學(xué)改良劑以改變重金屬元素鎘在土壤中的存在形態(tài)、改變土壤電位、土壤酸堿性等。再通過化學(xué)吸附、離子交換、表面絡(luò)合等一系列的化學(xué)反應(yīng)來降低土壤中重金屬元素(鎘)的生物有效性，從而減少其危害性。目前，化學(xué)淋洗技術(shù)和原位鈍化技術(shù)的應(yīng)用較為廣泛[9]。

2.1 化學(xué)淋洗技術(shù)

化學(xué)淋洗技術(shù)是將化學(xué)淋洗劑注入受污染的土壤，使土壤中污染物發(fā)生溶解或遷移而隨淋洗液流出，并對帶有污染物的淋洗液進(jìn)行分離處理[21]。其作用機(jī)制是注入的化學(xué)淋洗液與土壤中重金屬污染物發(fā)生一系列的結(jié)合，并通過淋洗液的溶解、解吸、鰲合等一系列的作用，達(dá)到修復(fù)污染土壤的目的。

徐小遜等[10]用4種不同植物種類材料的水浸提液作為淋洗劑，探討不同淋洗劑濃度、淋洗時(shí)間以及不同pH條件下對去除土壤中鎘的影響，研究結(jié)果表明，淋洗劑濃度越高，其對土壤中鎘的淋洗效率越高；淋洗劑pH越大，淋洗效率總體呈降低趨勢。姚萍[11]研究了芋葉及牛膝廢渣對淋洗廢水中的Cd2+的吸附效果，研究結(jié)果表明，2種植物材料對土壤中的鎘有很好的吸附效果，能達(dá)到有效去除污染土壤中鎘的目的。

化學(xué)淋洗技術(shù)修復(fù)時(shí)間短、修復(fù)效率高，可修復(fù)重金屬嚴(yán)重污染的土壤場地，且化學(xué)淋洗技術(shù)原位與異位修復(fù)均適用。化學(xué)淋洗修復(fù)過程中使用的一系列化學(xué)試劑往往會(huì)對土壤產(chǎn)生一定的影響，如破壞土壤微生物菌群等，因此，通常在土壤淋洗修復(fù)后需要采取一些農(nóng)藝措施對修復(fù)土壤質(zhì)量進(jìn)行恢復(fù)[12]。

2.2 原位鈍化技術(shù)

原位鈍化修復(fù)技術(shù)，是通過添加外源修復(fù)劑與重金屬發(fā)生系列反應(yīng)，從而改變重金屬在土壤中的存在形式，達(dá)到降低其在土壤中的生物有效性和阻隔其進(jìn)一步進(jìn)行遷移目的的一種化學(xué)修復(fù)技術(shù)。

李明等[13]通過研究施用石灰類鈍化劑來研究菜地土壤鎘的有效性，研究結(jié)果表明，施加CaCO34500kg·hm-1，使得土壤中有效態(tài)鎘降低了87.8%。王林等[14]研究了海泡石等對鎘污染土壤的鈍化修復(fù)作用，結(jié)果表明，海泡石處理過的土壤，鎘含量降低27.88%。Gao等[15]采用生物炭、鐵酸鎂和鐵酸鎂生物炭組合體，研究其對鎘的鈍化的影響。結(jié)果表明，鐵酸鎂生物炭組合體對鎘的吸附性能更好。

原位鈍化修復(fù)技術(shù)在重金屬污染土壤修復(fù)過程中具有修復(fù)費(fèi)用低、使用效果快、穩(wěn)定性好、操作簡單且可以實(shí)現(xiàn)不影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的特點(diǎn)，受到廣泛關(guān)注。但是該修復(fù)技術(shù)修復(fù)的長期穩(wěn)定性還有待考證，同時(shí)，其修復(fù)后的土壤環(huán)境質(zhì)量也需要長期的監(jiān)控評估。

3 生物修復(fù)技術(shù)

生物修復(fù)技術(shù)通常是指利用各種生物(包括植物、動(dòng)物和微生物)的特性，吸收、降解、轉(zhuǎn)化環(huán)境中的污染物，使受污染的環(huán)境得到改善的治理技術(shù)。該技術(shù)具有適用性廣、成本低，操作工藝較為簡單，且不會(huì)造成二次污染，符合生態(tài)發(fā)展規(guī)律等優(yōu)點(diǎn)。

3.1 植物修復(fù)技術(shù)

植物修復(fù)通常是在受污染土壤中種植植物，通過植物各結(jié)構(gòu)部件分解、吸收、固定或轉(zhuǎn)運(yùn)土壤中有毒有害污染物的一項(xiàng)修復(fù)技術(shù)[16]。主要包括植物降解、植物萃取、植物揮發(fā)以及植物根部降解4種形式。重金屬超累積植物是植物修復(fù)技術(shù)的核心部分，常見的超富集植物包括商陸、三葉草、黑麥草、菠菜、印度芥菜、小白菜、油菜等。

聶發(fā)輝[17]在超累積植物篩選工作中發(fā)現(xiàn)，植物商陸對污染土壤中的鎘污染具有一定的忍耐與積累能力。通過進(jìn)一步的對照研究表明，在受重金屬污染土壤中檢測到商陸的莖、葉的鎘的含量均超過了鎘超積累植物應(yīng)達(dá)到的臨界含量標(biāo)準(zhǔn)，說明商陸可以作為一種植物修復(fù)技術(shù)潛在的修復(fù)資源。蘇德純等[18]通過實(shí)驗(yàn)課題篩選出2種芥菜型油菜溪口花籽和朱蒼花籽，均具有修復(fù)鎘污染土壤的潛力，且有較強(qiáng)的耐鎘毒能力。

植物修復(fù)技術(shù)具有投資小、容易操作、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。但植物修復(fù)往往所需時(shí)間較長，且通常僅適用于低污染的土壤中。

3.2 動(dòng)物修復(fù)技術(shù)

動(dòng)物修復(fù)技術(shù)是通過利用土壤中動(dòng)物的一系列生長、穿插、繁殖等活動(dòng)對重金屬污染物進(jìn)行一定的分解、破碎、消化等作用，從而達(dá)到使重金屬污染物消除或降低的一種生物修復(fù)技術(shù)。

成杰民等[19]通過對照實(shí)驗(yàn)研究了土壤動(dòng)物蚯蚓在植物修復(fù)鎘污染土壤中的作用，研究結(jié)果表明，在鎘污染土壤中引入土壤動(dòng)物蚯蚓可以顯著增加植物地上部分的生物量，蚯蚓的活動(dòng)顯著促進(jìn)了植物根部對鎘的吸收。田偉莉等[20]通過大田試驗(yàn)方法，綜合研究了動(dòng)植物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)在重金屬污染土壤中的應(yīng)用狀況，研究結(jié)果表明，經(jīng)過18個(gè)月的修復(fù)，土壤鎘含量降低了92.3%。

土壤動(dòng)物修復(fù)技術(shù)未來的發(fā)展重點(diǎn)是加深對動(dòng)物土壤修復(fù)能力的理論與修復(fù)技術(shù)的研究，加強(qiáng)對強(qiáng)修復(fù)能力的動(dòng)物的篩選工作，加強(qiáng)與其他修復(fù)技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用。

3.3 微生物修復(fù)技術(shù)

微生物修復(fù)技術(shù)通常是在一定的條件下通過利用土壤中的微生物(人工訓(xùn)化的具有特定功能的微生物、真菌、藻類或細(xì)菌)自身的代謝作用，對重金屬進(jìn)行生物富集或生物轉(zhuǎn)化，從而降低污染土壤中重金屬鎘的活性及含量的一種修復(fù)技術(shù)。

Suleman等[21]通過對一種纖毛蟲原生動(dòng)物的大腸桿菌基因中加入一個(gè)鎘誘導(dǎo)金屬硫蛋白基因，并通過對照實(shí)驗(yàn)監(jiān)測其對Cd2+的積累量，研究結(jié)果表明，基因重組大腸桿菌對Cd2+的積累量比未進(jìn)行基因重組的多19倍。Hao等[22]通過盆栽實(shí)驗(yàn)研究了4種菌對菠菜對土壤中鎘的吸收性能，研究結(jié)果表明，混合嗜酸菌使得菠菜組織中鎘的濃度增加了78%，該實(shí)驗(yàn)組在發(fā)展微生物輔助植物提取過程中，引入的微生物不僅能從污染土壤中去除重金屬，而且還能提高土壤植物組織對重金屬鎘的吸收。

微生物土壤修復(fù)技術(shù)具有對環(huán)境影響小、成本低等優(yōu)點(diǎn)。但也存在一定的局限性，對修復(fù)土壤的環(huán)境要求較高，只有在適宜微生物生長環(huán)境下，微生物修復(fù)才是有效可行的。對于微生物修復(fù)技術(shù)，還需在復(fù)合修復(fù)技術(shù)、篩選、改良微生物菌株等方面進(jìn)行加強(qiáng)。

4 展望

鎘污染是最嚴(yán)重的重金屬污染物之一，嚴(yán)重威脅著人們的食品安全與生命健康。我國鎘污染修復(fù)治理技術(shù)的起步時(shí)間雖然短，但已經(jīng)取得了很多研究進(jìn)展，但仍有以下幾方面需進(jìn)一步優(yōu)化。

4.1 生物修復(fù)的機(jī)理需要進(jìn)一步深入探討

生物修復(fù)技術(shù)是一種被公認(rèn)的環(huán)境友好、低成本的具有光明前景的修復(fù)技術(shù)，植物修復(fù)用來修復(fù)低污染、大面積的淺層污染濃度低的土壤，但鎘超富集植物的探索需更進(jìn)一步；土壤動(dòng)物修復(fù)技術(shù)是運(yùn)用天然方法轉(zhuǎn)化重金屬富集與形態(tài)，在一定程度上還可以提高土壤肥力；未來，將土壤動(dòng)物作為一種“催化劑”放入受污染土壤中將是一個(gè)研究方向；微生物修復(fù)面臨著菌種選擇與大規(guī)模試驗(yàn)挑戰(zhàn)。

4.2 加強(qiáng)選育和篩選低累積鎘的農(nóng)作物品種

水、空氣與土壤存在于一個(gè)生物圈內(nèi)，由于生物圈內(nèi)的物質(zhì)之間的不斷循環(huán)，加之土壤鎘污染情況的愈加嚴(yán)重，土壤中必定存在或多或少的鎘含量。所以，在今后的工作中，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)選育和篩選低累積農(nóng)作物品種，減少農(nóng)作物對鎘的積累，將鎘對人體的影響降到最低。

4.3 聯(lián)合使用不同種類的修復(fù)技術(shù)

將基因工程技術(shù)同步應(yīng)用于土壤鎘污染修復(fù)中，提高修復(fù)技術(shù)的環(huán)保性以及經(jīng)濟(jì)性，擴(kuò)大修復(fù)面，提高修復(fù)效率。建議可采用生命周期方法評價(jià)鎘的開采、排放、使用和處置，對鎘污染的狀況進(jìn)行有效的預(yù)測與評判。