对受铅和镉污染的土壤修复技术的研究进展_余锡军.pdf

822023 年第 2 期（总第 166 期）对受铅和镉污染的土壤修复技术的研究进展余锡军1，钟莹2，王靖雯2，张麟熹3，邹融3（1.上饶市德兴生态环境服务中心，江西上饶，334200；2.东华理工大学，江西南昌，330013；3.江西省地质局实验测试大队，江西南昌，330002）摘 要：最近的土壤调查表明，农田中土壤重金属含量较多的是铅和镉，因此，研究土壤中铅和镉的修复技术是现阶段污染土壤修复的重点之一。本文在介绍土壤中铅和镉来源的基础上，对铅和镉污染土壤的现状、产生危害、赋存形态和提取方法进行了详细介绍。结合现阶段的修复技术，对修复技术（物理修复、化学修复、联合修复）在污染土壤中的修复过程进行了系统综述，分析了各个修复技术的优缺点，得出了联合修复技术最适合铅和镉的修复治理。随之，重点介绍了黏土矿物对铅和镉的修复机制。最后，对未来重毒性铅和镉污染土壤的高效修复提出了展望。本文为有效和经济地修复土壤提供了更好的选择，希望为以后的铅和镉土壤污染修复提供参考。关键词：土壤；铅和镉；重金属污染；修复技术；联合修复；赋存形态中图分类号：X53 文献标志码：A 文章编号：1008-3103（2023）02-0082-03Research Progress of Remediation Techniques for Soil Contaminated by Lead and CadmiumYuXi-jun1，ZhongYing2，WangJing-wen2，ZhangLin-xi3，ZouRong3（1.ShangraoDexingEcologicalEnvironmentServiceCenter，ShangraoJiangxi334200，China；2.EastChinaUniversityofTechnology，NanchangJiangxi330013，China；3.ExperimentalTestingBrigade，JiangxiGeologicalBureau，NanchangJiangxi330002，China）Abstract：Accordingtotherecentsoilsurvey，theheavymetalsinfarmlandaremainlyleadandcadmium.Therefore，theremediationtechnologyofleadandcadmiuminsoilisoneofthefocusesofcontaminatedsoilatthisstage.Basedontheintroductionofthesourcesofleadandcadmiuminsoil，thecurrentstatus，hazards，occurrenceformsandextractionmethodsofleadandcadmiumcontaminatedsoilwereintroducedindetail.Combinedwiththecurrentremediationtechnologies，theremediationtechnologies（physicalremediation，chemicalremediation，andjointremediation）intheremediationprocessofcontaminatedsoilweresystematicallyreviewed，theadvantagesanddisadvantagesofeachremediationtechnologywereanalyzed，anditwasconcludedthatthejointremediationtechnologywasmostsuitableforthetreatmentofleadandcadmium.Then，theremediationmechanismofleadandcadmiumbyclaymineralswasintroduced.Finally，theprospectofefficientremediationofheavytoxicleadandcadmiumcontaminatedsoilinthefuturewasputforward.Thispaperprovidesabetterchoiceforsoilremediationeffectivelyandeconomically，andprovidesareferencefortheremediationofPbandCDsoilpollutioninthefuture.Keywords：soil；leadandcadmium；heavymetalpollution；restorationtechnology；jointrestoration；occurrenceform作者简介：余锡军（1986），男，本科，工程师，研究方向为生态环境污染治理与环境修复。0 引言0.1 铅和镉的来源、现状和危害土壤中铅元素和镉元素的来源途径多种多样，如大气沉降、工业废水和生活污水排放、工业固废和城市垃圾倾泻以及化学农药施用等1,2。随着我国工业的发展，我国土壤总超标率为16.1%，其中镉和铅分别为 7.0%和DOI:10.14127/ki.jiangxihuagong.2023.02.028832023 年4月对受铅和镉污染的土壤修复技术的研究进展1.5%3。铅和镉在土壤中具有明显隐蔽性、富集性、不可逆转性和治理困难性等特点4，会对农作物、大气和水体质量造成影响，最终在食物链中呈现，并富集在人类的体内，进而引起生理机能紊乱，甚至引发肺癌、肾功能不全等疾病5。0.2 赋存形态和提取方法铅和镉可通过吸附解析、氧化还原、沉淀溶解、络合、胶体形成等一系列的物理化学反应进行迁移转化，最终以一种或多种形态富集在土壤中6。有关文献表明，镉的存在形态主要分为水溶性镉和非水溶性镉。水溶性镉以简单离子或简单配离子的形态存在，如 Cd2+、CdCl+、CdSO4等7。非水溶性镉主要以CdS、CdCO3及胶体吸附镉为主8。表层土壤中的铅分布为残渣态 硫化铅态 弱有机物结合态 铁锰氧化态 硫酸铅态 碳酸盐结合态 强有机物结合态 可交换态。一般情况下，残渣态的铅比较稳定，因此，我们要尽可能将土壤中的铅转化为残渣态，减少其影响。目前，比较常用的提取方法为欧共体标准局制定的土壤重金属顺序提取形态标准物质法（BCR 法）9，操作简便，准确率高。1 对受镉和铅污染土壤的修复技术1.1 物理修复技术物理修复技术是根据铅和镉的物理性状（如挥发性）及在环境中的赋存形态，通过机械分离、挥发、电解和脱附等物理过程降低或稳定土壤中的铅和镉。常见的修复技术是热处理，热处理可通过蒸汽、微波和红外辐射加热受镉和铅污染的土壤，使铅和镉挥发，而不让介质或其他污染物燃烧。这种修复技术工艺简单，可以原位修复、异位修复，且设备具有移动性，但是成本高，仅对铅和镉浓度高的污染土壤有效，但排放的气体需要专门的装置进行回收，而且加热时容易破坏土壤结构。1.2 化学修复技术1.2.1 化学淋洗技术土壤淋洗技术是指将能够促进土壤中污染物溶解或迁移的溶剂注入或渗透到污染土层中，使其穿过受污染土壤并与污染物发生脱附、螯合、溶解或络合等物理化学反应，最终形成迁移态的化合物，再利用抽提或其他技术将淋洗之后的废液从土层中抽提出来以进行处理的技术。化学淋洗按照处理土壤的位置不同可分为原位土壤淋洗和异位土壤淋洗。原位土壤淋洗是针对大面积受污染严重的土壤，通过注射井向土壤中施加淋洗剂，将土壤中的铅和镉转化为迁移态。异位淋洗技术是将污染的土壤挖掘出来，通过筛选将大组分的土壤颗粒及腐殖物质去除，再处理含有铅和镉的受污染土壤。1.2.2 化学萃取技术化学萃取技术包括萃取剂的表面扩散、对铅和镉的溶解、萃取出的污染物在土壤表面扩散和萃取出的污染物从土壤表面向流体扩散等过程。其修复方式与化学淋洗技术一样，可分为原位萃取和异位萃取技术。原位萃取技术是通过原位萃取液灌注和滤液回收来去除土壤中的铅和镉，优点是成本较低、工艺简单，缺点是铅和镉的去除效率低，对地下水存在一定的污染风险。异位萃取技术是通过土壤柱向其注入萃取剂，优点是可以避免对地下水的二次污染，缺点是铅和镉的去除效率低，处理成本高。常见的萃取剂包括螯合剂、酸、表面活性剂和氧化还原剂等10。1.2.3 固定/稳定化技术固定/稳定化技术是向污染土壤中添加固化剂/稳定化剂，经过充分混合，使其与铅和镉发生物理化学作用，将铅和镉转化为性质不活泼的形态，降低铅和镉在土壤中迁移能力的一种技术。固化剂/稳定化剂具有明显的优势：操作简单、费用相对较低、修复材料来源广泛，大多数是自然界的物质，对环境友好，不会造成二次污染。不过这种修复技术也存在一定的局限性：虽然降低了铅和镉的迁移性和可溶性，但是并没有减少污染物质的总含量，反而增加了土壤中污染的总体积。此外，修复后的残留物还需要进一步处理，且固化后的土壤难以进行利用。1.3 物理-化学联合修复技术任何一种修复技术都有其局限性，因此，联合运用两种或两种以上不同工艺的修复技术就成为土壤污染修复的重要研究方向。传统的物理或化学修复技术修复费用较高、工程量大、不适合大面积土壤的修复。对此，采用物理修复技术将土壤分为不同污染浓度的组分，再根据污染浓度采用化学淋洗对其中富集的组分进行重点修复，便能在达到修复效果的同时，减少化学淋洗剂的使用，降低二次污染的风险，将污染物富集后通过化学修复技术进行处理。这种联合修复技术具有效果明显、操作方便等优势11。2 黏土矿物修复污染土壤铅和镉机制2.1 吸附机理传统的吸附机理一般分为物理吸附、化学吸附和离842023 年第 2 期（总第 166 期）子交换吸附。由于黏土矿物的比表面积较大，因此黏土矿物与镉离子之间可通过分子间的作用力产生吸附行为。黏土存在着较多的羟基，羟基与镉离子通过化学键合发生作用，可将镉离子富集在黏土表面。黏土矿物存在着较多的电荷，随着镉离子的引入，为了平衡电荷，镉离子会与类质同象的阳离子发生交换使黏土矿物达到永久性的电荷平衡，这种吸附行为属于离子交换吸附12。以蒙脱石为例，大自然中存在着两种形态的蒙脱石，即Na-蒙脱石和M-蒙脱石，前者不易溶于水，后者则相反13-15。当土壤中有M2+存在时，则发生下面的反应（M 为 As、Cu、Pb、Zn、Cd、Cr，n 为金属离子的电子数）：nNa-蒙脱石+Mn+M-蒙脱石 nNa+由于存在着 M-蒙脱石，因此土壤中的重金属离子可与 M-蒙脱石发生吸附和离子交换作用：M-蒙 脱 石+（Cu、Pb、Zn、Cd）（23）+=（Cu、Pb、Zn、Cd）-蒙脱石+M2+2.2 共沉淀机理共沉淀作用是指黏土矿物可以通过自身溶解作用所产生的阴离子与重金属元素产生共沉淀作用，从而降低重金属的可移动性及生物有效性。铅的去除基本上是通过磷灰石的溶解作用实现，而后沉淀出 Pb（PO4）3（CO3）3或 Pb3（CO3）2（OH）2。黏土矿物溶解时会产生大量的硅酸盐，与镉的沉淀作用一共有两个方面：一方面，大量的硅酸盐会与镉离子发生络合，产生沉淀；另一方面，由于硅酸盐晶层与晶层之间是通过分子力相结合，因此镉离子会进入层间，与 SiO-发生络合作用产生沉淀。3 总结与展望土壤污染修复技术涉及多个学科领域，技术复杂，门类众多。我国污染修复技术工程化与国外相比有较大的差距，技术产业化滞后。修复方法应尽量减少对环境的影响，尽量不影响土壤的理化性质；对高铅和高镉污染土壤来说，联合修复技术的发展是土壤修复富有潜力的发展方向；应当尽可能地确定铅和镉污染土壤的赋存形态和迁移转化规律，实现定向修复；同时，应加强联合修复技术的应用与复合材料的开发，如使用绿色和自降解试剂进行修复，使用太阳能和植物资源进行修复，利用检测到的自然衰减来管理受污染的场地等。参 考 文 献1 Feng，Wenlietal.Atmosphericdepositionasasourceofcadmiumand