2023年土壤中重金属污染的修复技术及研究展望.doc

土壤中重金属污染的修复技术及研究展望 摘 要：随着经济的快速开展，土壤污染问题日益严重，成为影响世界各国土壤资源可持续利用的环境危机。尤其土壤的重金属污染，由于人类活动将金属参加到土壤中，致使土壤中重金属明显高于原生含量、并造成了生态环境质量恶化。本文重点介绍了各种修复技术的原理，实用性，优缺利弊，并对今后土壤中重金属修复技术的开展和应用前景进行了探讨。 关 键 字：土壤污染 修复技术 研究进展 前言 随着农业的开展和农业生产的现代化,以及盲目的认为土壤是一个具有无限净化容量的处理系统,无视土壤的环境承载能力,而过量施用劣质化肥农药,造成土壤中重金属污染日益加重。土壤重金属来源广泛,包括采矿、冶金、金属加工、化工、废电池处理、电子制革和塑料等工业排放的三废及汽车尾气排放,农药和化肥的施用等。土壤中重金属积累到一定程度就会对土壤 ———植物系统产生毒害,不仅导致土壤的退化,农作物产量和品质的降低,而且通过径流和淋洗作用污染地表水和地下水,恶化水文环境,通过直接接触食物链等途径危及人类的生命和健康。尤为严重的是重金属在土壤系统中的污染过程具有隐蔽性、长期性和不可逆性的特点。因此,重金属污染不仅给环境、经济带来了巨大的损失,而且对人体健康也构成了潜在的威胁,后果不容无视。随着我国人民生活水平的提高,生态环境保护日趋受到重视,国家对污染土壤治理和修复的人力，物力的投入逐年增加，土壤污染物的去除以及修复问题,已成为土壤环境研究领域的重要课题。 1. 我国土壤重金属污染现状及特点 现状：重金属对土壤的污染主要途径是工业废渣、废气中重金属的扩散、沉降、累积, 含重金属废水灌溉农田, 以及含重金属农药、磷肥的大量施用等。当前, 我国区域农业环境恶化与农产品受重金属污染现象十分严重, 特别是在一些经济兴旺地区。据不完全统计, 我国的耕地受污染面积2667 万hm2 , 其中, 工业“三废〞污染1 000 万hm2 , 农药残留施肥污染1 000 万hm2 。受到镉、砷、铅、铬、汞等重金属污染的耕地近2 000 万hm2 , 约占总耕地面积的1/ 5 , 其中镉污染耕地1133 万hm2 , 涉及11 个省25 个地区; 被汞污染312 万hm2 , 涉及15 个省21 个地区。 特点：土壤重金属污染物主要是镉、铅、铬、汞、锌、钴、锡以及类金属砷等。重金属进入土壤中, 不易随水淋溶, 不易被生物降解, 具有明显的生物富集作用, 主要通过影响农作物的产量和质量危害人体健康, 因此土壤污染有较长的潜伏期。一旦受到重金属污染, 其修复不仅见效慢,而且费用高。其具体特点有[3 ] : (1) 普遍性, (2) 隐蔽性, (3) 表聚性, (4) 不可逆性。 2 .重金属污染土壤的修复技术 2. 1 　物理化学技术 2. 1. 1 　化学固化　　所谓化学固化,就是参加土壤添加剂(固化剂) 改变土壤的理化性质,通过重金属的吸附或共沉淀作用改变其在土壤中的存在形态,从而降低其生物有效性和迁移性。但固化方法并不是一个永久性的措施,只是改变了重金属在土壤中的存在形态,仍持留在土壤中。而且土壤很难恢复到原始状态,不适宜进一步利用,而且对其长期稳定性和对生态系统的影响不甚了解,目前缺乏这方面的研究。因此很多学者对这一方法持疑心态度。 2. 1. 2 土壤淋洗　　淋洗即利用提取剂将土壤中的固相重金属转移至液相中,含有提取剂的土壤经清水洗涤后归复原位再利用,富含重金属的废液那么进行进一步的处理。本技术的关键在于提取剂的选择,即能提取重金属,又不破坏土壤的结构,但事实上很难找到。而且,如果处理不当的话,引入的提取剂很有可能造成二次污染。因此美国的工程技术人员在1988～1991 年间对一个电镀厂造成的铬污染进行治理时,干脆利用清水做为提取剂,4 年内使地下水的铬浓度从1923mg/ L 降至65mg/ L 。 2. 1. 3 　动电修复　　动电修复是指在污染土壤中插入电极对,并通以直流电。使重金属在电场作用下通过电渗析向电极室运输,然后通过收集系统将其收集,并作进一步的集中处理。动电修复做为一种原位修复技术,近年来开展很快,并且从经济上而言也是可行的,但由于土壤系统中组分的复杂性,经常出现实际应用与实验结果相反的现象,从而使这一方法的商业化受到了限制。 2. 2 植物修复技术 植物修复是一种利用自然生长植物或遗传培育植物修复重金属土壤污染技术的总称。根据其作用过程和机理,可分为植物稳定、植物提取和植物挥发三种方法。其中,植物挥发主要是指金属元素Hg 和非金属元素Se ,不适用于对土壤铬污染的治理。 2. 2. 1 　植物稳定　　植物稳定是利用耐重金属植物降低重金属在土壤中的迁移性,从而减少重金属被淋滤到地下水或通过空气扩散进一步造成环境污染的可能性。然而,植物稳定并没有彻底去除土壤中的重金属,只是将其固定,使其对环境中的生物暂时不产生毒害作用,没有从根本上解决重金属的污染问题。如果环境条件发生变化,重金属的生物有效性又会发生改变。因此,植物稳定的持久性令人疑心。 2. 2. 2 　植物提取　　植物提取是指利用重金属超积累植物从土壤中富集一种或几种重金属,将其转移并存贮至可收割的局部,经收割后进行集中处理。但是,超积累植物对金属具有选择性,其它的金属对植物的生长有影响,这种影响甚至是致命的而且,超积累植物生长慢、生物量小、大多数为莲座生长,很难进行机械操作,因而不适用于大面积污染土壤的修复。 2. 2. 3 　植物挥发　　植物挥发是利用植物的吸收、积累和挥发减少土壤中的一些挥发性污染物,主要是指金属元素Hg 和非金属元素Se 。这种方法对于土壤修复而言,不失为一种有潜力的技术,但却将土壤中的污染物转移到了大气中,具有很大的环境风险。前面所述的土壤修复技术各有优缺点,但是应当指出,由于经济和技术上的原因,例如本钱高、实地应用经验缺乏及处理效果不稳定等,致使这些技术尚没有进入商业化阶段。目前应用最广泛的还是挖掘和填埋,即使是在经济、技术兴旺的西方国家诸如美国等也是如此。 2. 2. 4 　微生物修复技术　　有些微生物具有嗜重金属性,利用微生物对重金属污染介质进行净化,在水体污染中被证明是一种很好的方法。如果用于土壤环境的处理,可能是一种行之有效的方法,目前已进行了积极研究。据报道,日本发现一种嗜重金属菌,能有效的吸收土壤中的重金属,但存在着土壤与细菌别离的难题。如果得到妥善的解决,将是一种很有开展前景的处理方法。 2.3 　改进措施 施用改进剂、抑制剂等能有效地降低重金属的水溶性、扩散性和生物有效性, 从而降低它们 进入植物体、微生物体和水体的能力, 减轻它们对生态环境的危害 。 2.3.1 　固化方法　固化方法就是参加土壤固化剂来改变土壤的理化性质, 并通过重金属的吸附或沉淀作用来降低其生物有效性。污染土壤中的毒害重金属被固定后, 不仅可减少向土壤深层和地下水迁移, 而且有可能重建植被。固化方法的关键在于成功地选择一种经济而有效的固化剂[8 ] 。固化剂的种类很多, 常用的主要有卜特蓝水泥、硅酸盐、高炉渣、石灰、磷灰石、窑灰、飘尘、沥青、沸石、磷肥、海绿石、含铁氧化物材料、堆肥和钢渣等。固化技术的处理效果与固化剂的组成、比例、土壤重金属总浓度以及土壤中一些干扰固化的物质的存在有关。研究说明, 在低石灰水平下, 土壤中有机质的主要官能团羟基和羧基与OH- 反响促其带负电, 土壤可变电荷增加, 土壤有机结合态的重金属比拟多; 另外, Cd2 + 与碳酸根离子结合生成难溶的CdCO3 , 且随着pH 值的增高CdCO3 含量增加, 在pH 值大于515 时, 粘土矿物和氧化物与重金属生成络合、螯合物, 性质稳定, 说明石灰是一种良好的改进剂。固化方法能在原位固化重金属, 从而大大降低本钱。但固化方法并不是一个永久的措施, 因为它不仅需要大量的固化剂, 还容易破坏土壤, 使土壤不能恢复其原始状态, 一般不适宜于进一步的利用; 因此, 只适用于污染严重但面积较小的污染土壤修复。 2.3.2　添加复原性有机物质 　复原性有机物质分解生成有机酸, 如胡敏酸、富里酸、氨基酸,或者糖类及含氮、硫杂环化合物等, 能通过其活性基团与重金属元素Zn、Mn、Cu、Fe 等络合或螯合, 从而影响重金属的有效性。常见的用于修复重金属污染土壤的有机物质主要有未腐熟稻草、牧草、紫云英、泥炭、富淀粉物质、家畜粪肥以及腐殖酸等。重金属污染严重的农田, 配合石灰施入猪厩肥能明显降低重金属(Cu、Pb、Zn、Cd) 对水稻生长发育的危害程度, 显著提高产量, 增产幅度在2317 %～4119 %之间。施用有机肥等可增强土壤胶体对重金属和农药的吸附能力, 促进土壤中的镉形成CdS 沉淀, 促进Cr6 + 转化为Cr3 + , 降低其毒性。 2.3.3 　拮抗作用　土壤环境中重金属之间具有拮抗作用, 如重金属与Sn、As、Zn、Cu 等元素具有拮抗性, 因此可向某一种金属元素轻度污染土壤中施入少量的对人体没有危害或有益的与该金属有拮抗性的另一重金属元素, 减少植物对该重金属的吸收以及土壤中重金属的有效态。已有试验证明, 土壤中适宜的w (Cd) / w (Zn) 比可以抑制植物对Cd 的吸收[16 ] , 因此, 可以通过向Cd 污染土壤中参加适量Zn , 调节w (Cd) / w (Zn) , 减少Cd 在植物体内的富集。研究说明, 硅能降低植株对锰的吸收, 同时提高植株对锰的耐受力[17 ] 。 改进措施修复效果及费用都适中, 如能与农业措施及生物措施配合使用, 效果可能会更好。 2.4农业措施 农业措施是因地制宜地调整一些耕作管理制度以及在污染土壤上种植不进入食物链的植物等, 从而改变土壤中重金属活性, 降低其生物有效性, 减少重金属从土壤向作物的转移, 到达减轻其危害的目的。农业措施主要包括控制土壤水分、改变耕作制度、调整作物种类、合理施用有机肥等。 2.4.1　控制土壤水分, 调节土壤Eh 值　土壤中重金属的活性受土壤的氧化复原状况影响, 因而通过控制土壤水分, 调节土壤氧化复原状况, 可到达降低土壤重金属危害的作用。据报道在湿润(氧化) 条件种植水稻, 根中镉含量比淹水(复原) 条件下高2 倍, 茎叶中高5 倍, 糙米中高6倍, 这是因为在淹水条件下, 土壤Eh 下降, 处于复原状态, 土壤中Fe3 + 、Mn4 + 复原成Fe2 + 、Mn2 + , SO2 -4 复原成S2 - , 生成的FeS、MnS 不溶物与CdS 共沉淀, 使镉的生物有效性降低。反之, 在氧化条件下, S2 - 氧化成SO2 -4 , 使土壤pH 下降, 提高了镉的溶解性而进入土壤溶液, 增加了镉的生物有效性。其它重金属元素如铜、锌、铅等在一定种度上均可通过土壤Eh 的调节来调控它的生物有效性。Eh 对不同元素的影响不同, 例如砷, 在氧化条件下, 呈砷酸根(AsO3 -4 )状态, 生物毒性小, 在复原条件下, 呈亚砷酸根(AsO5 -4 ) 状态, 对植物的毒性要比砷酸根大得多, 砷毒性的氧化复原条件与镉却相反。因此, 在作物壮籽期保持水田有一个稳定的淹水期, 可以减少重金属进入果实或籽实中的量。 2.4.2　改变耕作制度和调整作物种类　改变耕作制度和调整作物种类也是减轻重金属的有效措施。在污染严重的地区, 种植欣赏植物、花卉、经济林木; 在重金属轻污染区, 种植耐重金属性强的作物品种, 如旱地改水田, 种植水稻, 或者进行轮作, 调整pH、Eh , 使之有利于降低重金属的有效性[6 ]。建立桑蚕农业模式对镉污染农田进行农业生态整治, 不仅改进了土壤结构, 降低了土壤中镉的含量, 而且提高了农田耕作方式的经济效益[8 ] 。有研究说明, 低富集轮作与普通轮作相比, 降夏季种植的马铃薯、洋葱、葱等及秋季种植的小白菜外, 可使污染农田的蔬菜含镉量降低50 %～80 %[19 ] 。 2