土壤重金属污染的修复

2024-06-02

土壤重金属污染的修复（共12篇）

土壤重金属污染的修复篇1

土壤是人类生态环境的重要组成部分,是人类赖以生存、生产、生活的主要自然资源之一。但是近几十年来,随着人类对自然资源的过度开发和利用,农用化学物质种类、数量逐年增加,工业、城市污染逐渐加剧,导致土壤重金属污染日益严重。土壤重金属污染具有隐蔽性、长期性和不可逆性的特点,给防治带来一定的难度。目前,全世界平均每年向土壤系统排放大量重金属,如Pb 500万t、Hg约1万t、Cu340万t、Mn 1 500万t[1]。据我国农业部调查,全国约140万hm2的污水灌区中,遭受重金属污染的土地面积占污水灌区面积的64.8%,其中轻度污染的占46.7%,中度污染的占9.7%,严重污染的占8.4%[2]。土壤重金属污染不仅难以治理,而且会导致土壤退化、农作物的产量和品质下降,还可以通过径流、淋失等途径污染地表水和地下水,恶化水文环境,并且可能直接毒害植物或通过食物链危害人体健康。目前,世界各国对土壤重金属污染修复技术进行广泛的研究,取得众多研究成果。该文主要综述土壤重金属污染的特点、修复技术的研究进展,以期促进重金属污染土壤的有效修复。

1 土壤重金属污染的特点

1.1 累积性

由于土壤系统具有与大气、水体生态系统不同的特性,重金属污染物在其中的扩散和稀释作用发生的较慢,迁移难度大。因此,重金属很容易在土壤中不断积累而超标,同时也使土壤污染具有很强的地域性。

1.2 隐蔽性和滞后性

一般大气、水体和废弃物污染等问题可以直观发现,而土壤污染则不同,其污染具有隐蔽性,需要通过对土壤样品进行分析化验和对农作物的残留检测,甚至通过研究对人畜健康状况的影响才能确定。因此,土壤重金属从产生污染到出现问题通常会滞后较长的时间,一般会经过很长时间才被人们发现并重视[3]。

1.3 不可逆转性

重金属对土壤的污染基本上是一个不可逆转的过程,许多有机化学物质的污染需要较长时间才能降解,如被某些重金属污染的土壤可能要100~200年才能恢复。

1.4 难治理性

如果大气和水体受到污染,可以首先切断污染源降低污染程度,再通过系统的稀释和自净化作用使污染得到不断逆转,但积累在土壤中的难降解污染物则很难靠稀释作用和自净化作用来消除。一旦发生土壤污染,除采取切断污染源的方法外,有时要还要靠换土、淋洗土壤、强化修复、理化修复等方法才能得到解决,其他治理技术可能见效较慢。因此,治理污染土壤通常花费较高成本,具有较长的治理周期。

2 土壤重金属污染修复的研究进展

2.1 工程修复

修复土壤重金属污染的工程措施主要包括深耕翻土、换土、客土等方法,换土和客土是用于重污染区修复的常见方法,深耕翻土主要用于轻度污染的土壤。由此可以降低土壤中重金属的含量,降低重金属对动植物产生的毒害,从而促进生产无公害农产品,达到食品卫生标准。工程措施是比较经典的土壤重金属污染治理措施,具有彻底、稳定的优点,但投资费用高,实施过程中的工程量较大,易破坏土体结构,降低土壤肥力。采取工程措施,虽然可以解决目标区域的重金属污染,但是由此产生另外一个问题,即要解决置换污土的堆放或处理问题[4]。

2.2 物理修复

2.2.1 电热修复。

该技术可以修复被Hg和Se等重金属污染的土壤,即利用高频电压产生电磁波,产生热能,对土壤进行加热,使污染物从土壤颗粒内解吸出来,加快一些易挥发性重金属从土壤中分离,从而达到土壤修复的目的。另外,该技术可以把重金属污染区土壤置于高温、高压下,形成玻璃态物质,从而达到从根本上消除土壤重金属污染的目的。

2.2.2 电动修复。

即通过电流的作用,在电场的作用下,土壤中的重金属离子(如Pb、Cd、Cr、Zn等)和无机离子以电透渗和电迁移的方式向电极运输[5],然后进行集中收集处理。该方法可以控制污染物的流动方向,适于低渗透的黏土和淤泥土。电动修复过程中不搅动土层,是一种原位修复技术,可以缩短修复的时间,是一种经济、可行的修复技术。研究表明,该技术的修复效果受到多种因素影响,如土壤缓冲性能、p H值、各种组分及污染金属种类等[6]。试验结果表明,土壤Pb2+、Cr3+等重金属离子在砂土中的去除率可达90%以上[7]。

2.2.3 土壤淋洗。

即利用淋洗液把土壤固相中的重金属转移到土壤液相中,再把富含重金属的废水进一步回收处理的土壤修复方法。土壤固持金属的机制可分为两大类:一是以离子态吸附在土壤组分的表面;二是形成金属化合物的沉淀。土壤淋洗方法以柱淋洗或堆积淋洗更为实际和经济,对该修复技术的商业化具有一定的促进作用。其技术关键是寻找一种既能提取各种形态的重金属,又不破坏土壤结构的淋洗液。目前,用于淋洗土壤的淋洗液较多,包括有机或无机酸、碱、盐和螯合剂。Blaylock et al检验乙酸、苹果酸、EDTA、DTPA、柠檬酸对印度芥菜吸收Cd和Pb的效应。吴龙华等[8]研究发现EDTA可明显降低土壤对铜的吸收率,吸收率和解吸率与EDTA假如量的对数呈显著负相关。

2.3 化学修复

2.3.1 重金属拮抗剂。

土壤环境重金属元素之间会发生拮抗作用,如重金属与Sn、As、Zn、Cu等元素具有拮抗性。因此,为了减少土壤中重金属的有效态,可以利用一些对人体没有危害或有益的金属元素的拮抗作用。在轻度污染的土壤中施用少量的重金属拮抗剂,将可以起到良好的防治作用。

2.3.2 化学改良剂修复。

目前,治理土壤重金属污染较多的方法是向土壤中添加改良剂(抑制剂),常用的有硅酸盐、石灰、磷酸盐等。廖敏等[9]研究表明,在低浓度石灰水平下,土壤中有机质的主要官能团羟基和羧基与OH-反应促其带负电,土壤可变电荷增加,土壤有机结合态的重金属比较多;另外,Cd2+与CO32-结合生成难溶的Cd CO3,且随着p H值的增高其含量逐渐增加,在p H值大于5.5时,黏土矿物和氧化物与重金属生成性质稳定的络合、螯合物,可见石灰是一种良好的化学改良剂。

2.3.3 表面活性清洗剂修复法(Surfactant,Surface Active Age-nt,简称SAA)。

即利用表面活性剂分散、润湿、洗涤、增溶等特性,从土壤表面把重金属置换出来,使其以络合、螯合物的形式存在于土壤溶液中,加快重金属在土壤溶液中的流动性,或改变土壤表面电荷和吸收位能。该方法虽然可以解决土壤重金属污染问题,但会加重土壤溶液中的重金属含量,同时会污染地下水源。因此,环境工作者一直认为SAA是一种有害物质。但经进一步研究发现,SAA有助于重金属从土壤颗粒上解吸出来,并进入土壤环境,增加污染物在自然环境中的可动性,从而加速去除污染物[10]。SAA的增溶性及络合、螯合和降低界面表面张力等作用,增加土壤中污染物的流动性,为清除土壤中重金属污染提供一条新的途径。

2.4 生物修复

生物修复利用生物降低重金属毒性或削减、净化土壤中重金属含量,是近十几年利用生物技术治理污染土壤的一种新方法,正日益受到人们的重视。由于该方法易于操作、修复效果好,成为污染土壤修复研究的热点。

2.4.1 植物修复技术。

植物修复(phytoremediation)是指将在重金属污染土壤上种植某种特定的植物,该种植物对土壤中污染元素具有特殊的吸收富集能力,将植物收获并妥善处理(如灰化回收)后即可将该种重金属移出土体,达到污染治理与生态修复的目的[11,12]。根据其作用过程和机理,可将其分为3种类型,即植物稳定技术、植物挥发技术、植物提取技术[13]。

植物稳定(phytostabilization)是利用耐重金属植物或超累积植物降低重金属的活性,通过金属在根部的积累、沉淀或根表吸收来加强土壤中重金属的固化,从而减少了重金属被淋洗到地下水或通过空气扩散进一步污染环境的可能性[14]。如植物根系分泌物能够改变土壤根际环境,改变多价态Cr、Hg、As的化合价态和形态,影响其毒性效应,植物的根毛可以直接从土壤交换吸附重金属,以增加根表固定[15]。

植物挥发(phytovolatilization)是利用植物的吸收、积累和挥发而减少土壤挥发性污染物的一种方法,即植物将污染物吸收到体内后将其转化为气态物质释放到大气中[16]。目前,对该方法研究较多的是Hg和Se。例如:自然界Se的单质态占75%,挥发态占20%~25%[17],湿地上的某些植物通过植物体ATP硫化酶的作用,将土壤中的挥发态Se还原为可挥发的CH3Se CH3和CH3Se Se CH3,由此达到消除土壤挥发Se的目的。Meagher et al[18]把细菌体中的Hg还原酶基因导入芥子科植物,获得耐Hg转基因植物,该植物能从土壤中吸收Hg并将其还原为挥发性单质Hg。

植物提取(phytoextraction)即利用重金属超积累植物从土壤中吸取一种或几种重金属,并将其转移、贮存到地上部分,随后收割地上部分并集中处理,连续种植这种植物,可使土壤中重金属含量降低到可接受水平,其概念最早由Chaney[19]和Baker et al[20]提出。目前,研究发现有700多种超积累重金属植物,一般对Cr、Co、Ni、Cu、Pb的积累量在0.1%以上,Mn、Zn可达1%以上。遏蓝菜属是一种已被鉴定的Zn和Cd超积累植物,Baker和Nc Grath研究发现,土壤Zn含量达444 mg/kg时,遏蓝菜地上部的Zn含量可达到土壤的16倍;芥子草等对Se、Pb、Cr、Cd、Ni、Zn、Cu具有较强的累积能力;印度芥菜对Cd、Ni、Zn、Cu富集可分别达到58、52、31、17、7倍[21];柳属的某些物种能大量富集Cd。Robinson et al[22]研究表明,高生物量Ni超累积植物,吸收提取Ni量可达168 kg/hm2[23];高山萤属类可吸收高浓度的Cu、Co、Mn、Pb、Se、Cd和Zn。我国学者对植物提取也进行一些研究,如在我国南方发现一批As超累积植物[21]。蒋先军等[24]发现印度芥菜对Cu、Zn、Pb污染的土壤有良好修复效果。刘云国等[25]利用10种超积累植物对Cd污染土壤进行修复研究。

2.4.2 微生物修复技术。

即利用微生物自身的一些特性,通过其吸附能力,降低土壤中重金属的毒性,改变作物根际微环境,由此植物对重金属的吸收、挥发或固定效率[26]。在重金属污染防治技术中,微生物修复技术具有独特的作用。如Macaskie et al分离的柠檬酸菌,可分解有机质产生的HPO24-与Cd形成Cd HPO4沉淀;耿春女等[27]利用菌根吸收和固定重金属Fe、Mn、Zn、Cu取得了良好的效果;硫酸还原菌、蓝细菌、动胶菌及某些藻类,能够产生胞外聚合物与重金属离子形成络合物;Frankenber et al以Se的微生物甲基化作为基础进行原位生物修复。

2.5 农业生态修复

我国对农业生态修复的研究较多,并取得了一定的成效,但由于利用该技术修复污染土壤周期长,因而修复效果不显著[28,29,30]。农业生态修复主要包括2个方面:一是生态修复。即通过调节如土壤生态因子而实现对污染物所处环境介质的调控,如土壤p H值、土壤氧化还原状况、土壤养分、土壤水分及气温、湿度等因素;二是农艺修复措施。如调整作物的品种,种植不进入食物链的植物,改变作物的耕作制度,选择可以降低土壤重金属污染的化肥,或增施能够固定重金属的有机肥等措施来降低土壤重金属污染。

3 土壤重金属污染修复技术研究展望

治理土壤重金属污染,采取农业生态措施存在周期长、效果不显著的特点;采用工程、物理和化学方法修复重金属污染的土壤,难以大规模处理受污染的土壤,并且能导致土壤结构的破坏、生物活性的下降和土壤肥力的退化,具有一定的局限性;而生物修复是一项新兴的高效修复技术,易被大众所接受,具有良好的社会、生态综合效益。因而该技术具有广阔的应用前景。在未来的几年里,生物修复技术仍然是该领域研究的重点,其主要包括以下3个方面。

3.1 分子生物学和基因工程技术的应用

随着分子生物技术的迅猛发展,将筛选、培育出的超累积植物和微生物基因导入生物量大、生长速度快、适应性强的植物中去已成为现实。因此,利用分子生物技术提高植物修复的实用性方面将取得突破性进展。

3.2 超累积植物筛选与培育

超累积植物是在重金属胁迫条件下的一种适应性突变体,往往生长缓慢,生物量低,气候环境适应性较差,具有很强的富集专一性。因此,筛选、培育吸收能力较强,同时能吸收多种重金属元素,且生物量大的植物是生物修复的一项重要任务。

3.3 生物修复综合技术的研究

重金属污染土壤的修复是一个系统工程,单一的修复技术很难达到预期效果,必须以植物修复为主,辅以化学、微生物及农业修复,增加重金属的生物有效性,促进植物的生长和吸收,从而提高修复的综合效率[31]。因此,生物修复综合技术将是今后重金属污染土壤修复技术的主要研究方向。

摘要：重金属污染是当今土壤污染中污染面积最广、危害最大的环境问题之一,由于重金属污染毒理机制和生物效应的复杂性及其在土壤中的稳定性,对重金属污染的研究一直是当前学术界的热点研究课题。该文在介绍当前重金属污染土壤修复技术的基础上,对重金属污染土壤修复技术的发展趋势作综合预测和展望。

关键词：土壤,重金属污染,修复

土壤重金属污染的修复篇2

土壤重金属污染及其修复研究

摘要：土壤重金属污染是环境和土壤科学研究者近年来研究的.热点问题.在此综述了土壤重金属污染的来源及其赋存形态,介绍了各种修复方法,提出生物修复是今后重金属污染治理技术的发展方向.作者：俞佳戴万宏 YU Jia DAI Wang-hong 作者单位：安徽师范大学环境科学学院,安徽,芜湖,241003期刊：环境科技 ISTIC Journal：ENVIRONMENTAL SCIENCE AND TECHNOLOGY年，卷(期)：,21(z2)分类号：X5关键词：土壤重金属污染生物修复

土壤重金属污染的修复篇3

摘要：吉林省土壤重金属的污染情况正在不断恶化。本文介绍了吉林省重金属主要污染物铅（Pb）、汞（Hg）、镉（Cd）、铬（Cr）和砷（As）的来源、存在形式、危害方式及治理方式。希望通过本文的介绍，能够引起业内外人士对吉林省土壤重金属污染的重视。采取有效措施，预防和治理吉林省土壤重金属污染。

关键词：土壤；重金属污染；土壤修复

中图分类号： Q938.1+3 文献标识码： A DOI编号： 10.14025/j.cnki.jlny.2014.20.0074

土壤是人类生存最重要的自然条件之一。近年来，随着科技的不断发展、电子产品的不断增多、现代农业的不断进步，土壤污染已经成为除了土壤流失以外，最大的土壤问题。土壤污染情况已对土地资源可持续利用与农产品生态安全构成了严重的威胁。人们现在倡导绿色农业、低碳出行，但还远远认识不到一个小小的电子元件对土壤的污染程度，因此重金属污染已经成继农药和有机污染物等多种类型污染之后最主要的，也是最难修复的土壤污染方式。

1 吉林省主要重金属污染物及其危害

吉林省土壤的主要金属污染物为铅（Pb）、汞（Hg）、镉（Cd）、铬（Cr）和类金属砷（As）。

铅（Pb）：铅是重金属污染土壤中分布较广、具强蓄积性的环境污染物。土壤中的铅主要来源于频繁的人类活动。虽然世界各国和地区都开始认识到铅已成为土壤污染的主要成份之一，并开始有组织的治理。但随着采矿业、冶金业、IT业、农业、汽车产业的不断发展和各种污水的排放，铅污染的情况并没有得到好转，更有愈演愈烈的趋势。

在进入土壤后，铅大部分只停留在土壤表层，与土壤中的有机物结合，极难溶解。过量的铅会导致植物的叶绿素含量降低，光合作用速率下降，造成植物生长发育停滞。大田表现为植株矮小，叶片偏黄，产量明显降低。铅的富集性很强，当人食用带有过量铅的食物后，体内的铅会不断富集，然后与人体内的多种酶结合，从而破坏正常的人体机能。

汞（Hg）：汞，又名水银，在自然界的存在形式极其丰富，大气、水体和土壤中都存在着不同形式的汞并可相互传播。人类排放汞的形式主要是燃烧，包括生活垃圾、医疗垃圾、石化燃料等，其燃烧过程中产生大量的含汞化合物，已占人类汞排放的80%。绝大部分的汞在进入土壤后都会很快的被固定，积累在表层土壤和耕层中，不再向下迁移。

对动植物及人体构成直接威胁的通常是甲基汞（MeHg），其不仅可以造成作物产量降低甚至死亡、造成皮肤灼痛、肌肉运动失调、神经损伤，还可以造成胎儿出现严重的缺陷，如失明、大脑性麻痹、智力迟钝等症状。历史上汞中毒的事件已经屡见不鲜，必须予以足够的重视。

镉（Cd）：镉在土壤中存在形式多样，如水溶态、还原态、残渣态、交换态等，能够显著影响植物对镉吸收的为可交换态和碳酸盐结合态两种。土壤中的镉基本上都来自于工业的废水、废气，含有镉的水一旦用来灌溉农田，便开始在土壤中富集，被作物吸收进而危害人体。镉主要通过呼吸道吸收，主要积累在肾脏和肝脏内，对肾的危害尤为明显，还可导致骨质疏松和软化变形。

铬（Cr）：铬与其他土壤污染元素不同，它是人体必需的微量元素，被誉为是糖尿病的“克星”，而且近视的形成也和铬缺乏有极大的关系。但是铬过量同样会对人体造成不可估量的损害。土壤中的铬主要来自于工业废水。对人体有直接危害的为六价铬化合物，有报道说可诱发肺癌和鼻咽癌。其次是三价铬，对人体有至畸作用。实际上在自然环境中三价铬和六价铬是可以相互转换的。

砷（As）：砷元素的毒性极低，但含砷的化合物均有毒性，土壤中的砷除了来自工业生产的废渣外，含砷农药的使用也是主要的来源。砷在自然条件下可以被作物吸收，而进入人体。日本历史上曾发生过砷中毒的恶性事件，当时有12100多人中毒，130人因脑麻痹而死亡。

2 吉林省重金属污染土壤的修复

土壤重金属污染的治理，首先要做到减少甚至停止重金属污染物排放。人们在生产生活中要尽量注意垃圾特别是富含重金属污染物的垃圾处理。有关部门也应该尽职尽责，加大监督力度，尽可能地减少重金属污染物进入土壤的方式和数量，争取从根本上解决土壤重金属污染问题。对于已经污染的土壤，要及时采取措施，进行土壤修复。目前世界上对土壤重金属污染的修复方式主要有以下几种：

2.1 工程技术措施

治理重金属污染，最简单的方法就是将原有的土壤换成新的无污染的土壤，或者把有污染的表层土壤深翻到下层，减少与作物根系的接触。也可将无污染的土壤混入受污染土壤以达到稀释污染物的效果。该方法具有稳定、彻底的特点，但需要耗费大量的人力物力，破坏土壤结构，而且还要对置换出的土壤进行处理，治标不治本，仅适合于小块污染田使用。

2.2 物理技术措施

可采用加热、电动修复技术，这种措施主要是使土壤中的重金属污染物发生移动，离开或者转移到其他土壤中。与工程技术措施相比，物理技术措施无需大量人力、不会改变土壤结构，但其热、电等能源的供给是制约该项技术的关键，如果能够开发太阳能加热和风能发电技术将起到事半功倍的效果。

2.3 化学技术措施

向土壤中加入特定的化学试剂或药品，通过土壤淋洗、土壤固化以及离子拮抗作用等方式，改善土壤环境。但化学方法的局限性大，且目前还很少有人将各种修复技术相互结合，形成一个综合的体系，不能相互弥补，极有可能造成二次污染和资源浪费。

2.4 生物技术措施

2.4.1采用超积累植物进行土壤修复所谓超积累植物简单讲就是对某一种或多种重金属具有强吸收富集能力的植物。目前已经有大量研究证实了超级累植物的存在，如遏蓝菜是常见的超积累镉植物、蜈蚣草是常见的超积累砷植物、苎麻是常见的超积累汞植物。

2.4.2土壤中含有大量的微生物一些微生物对重金属具有吸收、沉淀、还原—氧化等作用，能够有效降低土壤中有毒状态重金属的含量。现在已经有相当多的人开始重视微生物修复，并且不断发现微生物对土壤的修复机理。与其他修复方式比微生物修复具有费用低、效果好和操作简单等优点，尤其是对环境的影响极小。

吉林省已经将土壤重金属污染的修复纳入了“十二五”的规划，说明已经对重金属污染及其修复引起了高度的重视。结合我国整体的重金属土壤污染修复来看，还远远达不到世界先进水平，绝大多是还是靠工程技术措施来体现。但随着研究力度的不断加大和西方成熟技术的不断引用，土壤修复将慢慢形成产业化、规模化，并进一步细分化和有序化。

参考文献

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土壤重金属污染的修复篇4

关键词：重金属污染,土壤修复技术,修复实践

近年来我国重金属污染事件频繁发生, 对广大群众的身体健康造成了严重影响, 当前土壤重金属污染及防治问题已经成为人们极为关注的问题之一。随着政府对重金属污染重视程度的不断增加, 很多这方面的学者开始利用示范工程针对重金属-植物-土壤生态系统进行相关研究, 获得了很多理论成果。可见, 加强对重金属污染土壤修复技术的研究, 具有非常重要的现实意义, 同时理论研究意义也十分深远。

1 土壤重金属污染来源

我国土壤重金属污染来源主要有城市垃圾、污水灌溉、工业废渣、大气沉降等方面, 其中污水中工业废水占有加大比例, 工业废水的成分比较复杂, 特别是采矿、冶炼及化工等工业废水中含有大量难以降解的重金属, 成为我国土壤重金属污染的主要来源。

1.1 大气污染

冶炼、电力及化工等工业在生产、运输过程中, 煤炭、石油等燃料在燃烧过程中, 大量重金属元素进入到大气中, 由于沉降造成了公路、铁路两侧土壤重金属含量超标严重。大量工程实验证明, 土壤重金属污染和Hg元素的累积存在密切关系。大气重金属污染物利用土壤吸附性作用、植物介质吸收等相关方式进入到了土壤之中。

1.2 污水灌溉

随着城市化进程的快速推进, 当前工业化发展速度明显加快, 水资源短缺问题这一阶段也逐渐显露出来, 大量未经处理的工业废水被排入河流中, 造成污水灌溉问题的出现。当前我国全年污水量高达630多亿吨, 污水灌溉抄表引发了土壤重金属污染问题, 由于灌溉造成的土壤重金属污染对我国农业生产造成了严重的不利影响。

1.3 采矿、冶炼

当前工业矿区重金属污染情况严重, 采矿、冶炼中的废渣、废水排放以及重金属废弃物排放造成了不同程度的污染, 污染范围还会以废弃堆为中心逐渐向周围扩散。

2 土壤重金属污染修复技术

2.1 生物修复

生物修复技术主要利用植物、微生物从突然中将重金属移走, 或者转化成无害的状态。

2.1.1 植物修复

植物修复是指充分利用一些具有对重金属具有超累积能力的植物, 将其种植在污染土壤中, 待这些植物成熟以后对其进行妥善处理, 利用植物将这些重金属移除土壤中, 达到修读污染土壤的目的。植物钝化、植物挥发及植物提取是三种主要方法, 其中, 植物钝化是指充分利用植物根系分泌物使重金属活性得到降低, 减少重金属生物毒性, 避免重金属进入到食物链中, 对人体健康造成威胁;植物挥发是指利用植物度重金属进行吸收, 并转化成挥发的而状态;植物提取是指充分利用一些植物将重金属从土壤中吸收出来, 并将其转移到植物地面部分, 进而对其进行收割和处理, 以达到降低土壤重金属含量的目的。

2.1.2 微生物修复

所谓微生物修复是指利用微生物吸附重金属, 并将其转化成低毒产物, 降低污染程度。微生物不能直接对重金属进行讲解, 但是却可以对重金属的化学、物理性质进行改变, 进而影响其迁移及转化。具体来说, 微生物修复重金属污染土壤主要包括生物吸附、胞外沉淀以及生物累积等机理。因为细胞表面带有电荷, 而土壤中微生物可以对金属离子进行吸附, 通过吸附金属离子将重金属离子富集在细胞中, 重金属离子和微生物会发生氧化还原反应, 进一步降低重金属生物毒性。

2.2 化学修复技术

化学修复主要包括化学淋洗和化学稳定固化两方面内容, 其中, 化学稳定固化是指将一些重金属固化剂加入土壤中, 对土壤金属及理化性质进行改变, 利用沉淀、吸附等作用来降低重金属生物有效性。而化学淋洗是指在外压或者重力的影响下, 将化学溶剂加入到污染土壤汇总, 完成固相与液相之间的转换, 再将溶解有重金属的溶液抽提出来, 对溶液中重金属进行处理。随着可持续发展理论应用逐渐深入, 对材料复合效应、材料环境友好性方面的研究越来越多, 当前重金属稳定固化修复材料主要有磷酸盐、粘土矿物及无机矿物等。

3 重金属污染土壤修复实践

Madejon等进行了为期6奶奶的大田试验, 利用风化褐煤、生物固体堆肥及糖酸盐等对大田进行改良, 从实验中发现, 一些改良剂处理可以明显降低土壤中重金属含量, 从而降低土壤重金属污染的风险。矿区土壤可以利用植物修复、原位化学固定技术相结合的方式, 促进矿区植被恢复, 有效降低土壤重金属径流损失和淋溶损失。加拿大Sudbury市在矿山开发及冶炼过程中受到了严重污染, 其30km2的土壤均受到了重金属的严重污染, 利用添加生石灰、有机肥的方式, 使得该地区的植被得到了良好的恢复, 与常规技术相比植物修复的治理成本较低, 据相关报道指出, 针对一块重金属污染土地进行为期5年的治理, 利用植物植物修复技术其成本大约为25万美元, 常规治理费用却需要66万美元。

近年来很多发达国家纷纷开始针对矿区污染土地植物修复展开了研究工作, 当前在工程应用上也获得了一定成效, 一些植物修复技术开始得到了实际应用, 并进入到了产业化推广应用的阶段。2000年欧洲、北美植物修读技术已经在市场中占到4亿美元的份额, 2005年, 进美国的植物修复技术就已经在市场中占到了25亿美元的份额。相信在不久的将来, 植物修复技术将会成为一个拥有巨大增长潜力的环保产业。

我国近年来发生了多起重大金属污染事件, 对我国人民群众的生命健康带来了严重的威胁, 土壤重金属污染和农产品安全直接相关, 因此, 展开有关土壤重金属污染修复技术的相关研究, 对于保证农产品质量安全、保证人民群众的生命健康具有非常重要的意义。面对重金属污染问题的复杂性和严重性, 当前取得的修复成果与我们的期望值还相差甚远, 因此, 未来的工作中我们必须继续对低成本的、实用的技术进行开发, 并将其应用到大田生产实践中去。

4结语

土壤重金属污染修复是当前国内外环境治理方面的研究热点。近年来, 植物修复、微生物修复及化学稳定固化修复等方面研究已经取得了一定进展, 但是从实际应用来看, 尚处于局部应用试验阶段。从总体上来看, 因为重金属污染土壤的种类较多, 单一修复技术都存在一定局限性, 因此, 有必要将生物修复技术和化学修复技术结合起来, 各种技术的组合可以从空间、时间上达到优势互补的作用, 对土壤重金属污染修复起到最大的效果。

参考文献

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土壤重金属污染的修复篇5

有机污染物污染土壤环境的植物修复机理

利用活的生物体对有毒有机物污染土壤环境的修复是一种被人们认为安全可靠的方法.植物修复是生物修复研究的热点.植物修复的机理包括植物对有机污染物的`直接吸收、植物根系分泌物、微生物对根际环境中有机污染物降解的促进作用.

作者：李兆君马国瑞 LI Zhao-jun MA Guo-rui 作者单位：浙江大学,环资学院资科系,浙江,杭州,310029 刊名：土壤通报 ISTIC PKU英文刊名：CHINESE JOURNAL OF SOIL SCIENCE 年，卷(期)：2005 36(3) 分类号：X592 关键词：有毒有机物土壤环境生物修复

污染土壤修复技术分析篇6

摘要：土壤污染不仅关系到农业种植，更关系到我国的经济建设和国民的身体健康，做好土壤修复工作具有实际的社会效益。本文以重金属土壤污染为例，对土壤污染的来源、特征及危险性进行了分析，在此基础上，对化学萃取技术和化学改良技术进行了简要介绍。

关键词：污染；土壤；化学修复

中图分类号： D922.6 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）15-79-2

0 引言

近年来，我国土壤污染问题不断恶化，不仅对有限的耕地资源造成严重威胁，还对生态环境产生了巨大的破坏作用。造成土壤污染的因素较多，主要分为重金属污染、农药和有机污染、放射性污染、病原菌污染等几种类型，已耕地面积为例，重金属造成的污染面积达到20×103km2，工业“三废”造成的污染面积达到10.0×103km2，而农药造成的污染也达到了16.0×103km2之多；除耕地地区外，工矿区、城市地区的土壤也受到不同程度的污染，污染土壤修复技术由此得到了广泛关注。本文将以重金属污染为例，对其修复技术进行分析。

1 土壤污染的危害性分析

1.1 土壤重金属污染来源分析

重金属污染来源较为广泛，大气、农药、化肥、塑料薄膜和污水灌溉都可能带来土壤污染。如工业生产、汽车尾气可能含有重金属有害气体或粉尘，容易给公路周围的土体造成污染；大气中的重金属成分主要通过自然沉降和雨淋沉降进入土壤；不合格农药或化肥的使用可能会将Pb、Cd、Hg等重金属引入土壤中；城市污水经过处理后会用于土地、森林和草地的灌溉，若生活污水中混有工业废水，则废水中的重金属离子会进入土体，引发土壤污染。

1.2 土壤污染特征分析

相对于大气污染、水污染和废弃物污染而言，土壤污染具有一定的隐蔽性和滞后性，需要通过土壤样品检测分析或对人畜健康状况进行分析，才能对土壤污染问题进行判定；土壤污染具有累积性，污染物质在大气、水体中迁移速度较快，但在土壤中扩散和稀释速度较慢，微量污染物的长期积累很容易导致超标；土壤污染具有不可逆转性，以重金属污染为例，多数污染土壤需要经过100-200年的时间才能恢复原有状态；土壤污染治理难度大，积累在土壤中的污染物难以通过稀释或净化作用消除，一旦发生土壤污染，仅靠切断污染源的方式无法恢复，需要通过换土、淋洗土等多种治理技术才能缓慢见效。

1.3 土壤危害性分析

土壤污染会导致严重的经济损失，以重金属污染为例，全国每年因重金属污染导致的粮食减产达到了1000多万吨，而被重金属污染的粮食更是高达1200多万吨，而由农药、有机污染物、放射性污染、病原菌污染等原因造成的经济损失更是无法估量；土壤污染导致食物品质不断降低，多个地区的粮食、蔬菜、水果等重金属含量超标，严重威胁了人们的身体健康；土壤污染对人体危害性大，污染物在植物中不断积累，通过食物链富集到人体和动物体中，引发癌症和其他疾病。作为化学物质的一种，重金属在土壤中不断积累，一旦超过土壤的承载力限制，就会促使土壤内大量的化学物质释放出来，给环境和人畜造成严重灾害。

2 污染土壤修复技术

重金属污染土壤化学修复技术主要有化学萃取和化学改良技术两种，二者原理不同，应用范围不同，以下对其进行详细介绍：

2.1 化学萃取技术

2.1.1 原理和方法分析

化学萃取技术是通过萃取剂将土壤颗粒与颗粒内的化学物质分离，从而达到去除土壤颗粒内化学物质的目的。化学萃取方法有物理和化学两种，其中物理方法能将大颗粒的土壤减少，为化学萃取方法的使用奠定基础。目前，较为常见的重金属萃取剂有EDTA、DTPA、有机酸、无机酸等。化学萃取修复方式有原位清洗技术、异位清洗技术、搅拌萃取技术等，原位清洗技术通过原位清洗液灌注和滤液回收去除土壤中的重金属，该技术成本低、工艺简单，缺点是去除效率低，容易引起地下水污染；异位清洗技术是通过土壤柱清洗工艺去除土壤中的重金属，该技术不会对地下水造成二次污染，但去除效率低，成本高；搅拌萃取技术是将待修复土壤与萃取液混合于搅拌反应器中，二者充分混合后滤除萃取液从而达到去除重金属离子的目的，该技术去除效率高，且能有效避免二次污染，但处理成本较高。

2.1.2 影响因素分析

化学萃取修复技术在应用过程中受多种因素的影响：

①土壤质地。不同质地的土壤，与重金属的结合力不同。根据试验结果，粘土对重金属离子的结合力较强，而砂土的较弱，因此粘土地质的重金属离子萃取效率较低。

②土壤中有机质含量，土壤中腐殖质与重金属离子之间容易产生螯合作用，作用力的强弱对萃取效果影响较大。

③土壤阳离子交换容量的影响，阳离子交换容量是指土壤胶体带有的负电荷，负电荷能对溶液中的阳离子产生静电作用，因此离子交换容量越大，对重金属阳离子的吸附能力就越大，不利于化学萃取技术的应用。

④重金属种类及含量，重金属离子与土壤矿物质的结合力不同，而且重金属含量越低，与土壤颗粒结合力越强，其萃取效果就越差。

⑤重金属的形态。重金属在土壤中存在形态也会影响萃取效果，如可交换态、碳酸盐组合态金属容易萃取，而铁锰氧化物组合态和残留态则难以被萃取。

⑥萃取剂。一方面，萃取剂种类不同，则与重金属离子之间的螯合作用不同，螯合作用越强，其萃取效果越好；另一方面萃取液浓度也会影响萃取效果。不同萃取剂在萃取重金属离子时，需要配置不同浓度，确保重金属去除效率和萃取剂用量配比达到最佳。萃取液酸碱性对螯合作用也会产生影响，一般来说，萃取剂酸性越强，重金属离子越容易被解吸下来。

2.2 化学改良技术

2.2.1 化学原理和方法

化学改良技术相对于萃取技术而言，更具有广泛的实用性，且技术成本较低，具有很好的推广价值。化学改良是向土壤中投加改良剂，对土壤酸碱性、化学组分进行调节，使重金属离子能以生物有效性较低、毒性较弱的形式存在。有机质、磷肥和石灰就是常见的改良技术的代表，向土壤中投入石灰，能有效提升土壤的碱性，降低重金属离子的迁移能力；但石灰能降低锰、磷酸盐对植物的有效性，因此在选取改良剂时，应遵循有效性和稳定性的原则。

2.2.2 改良方法应用实例分析

以磷酸盐为例，对其应用进行如下分析：磷灰矿是一种热稳定性较高的物质，难溶于水，成本较低，固定效率高，因此常被用作重金属污染土壤改良剂。应用时，将pH控制在3-12的范围内，磷灰矿可将土壤中的铅、锌、镉离子固定，形成稳定物，三种金属的固定率可见表1。

由表1可知，铅固定率较高，这是因为铅在此条件下容易形成稳定的磷氯铅矿，这是目前较为有效的一种固铅方法。由于氧化锰对重金属有较强的吸附性，因此可在固定重金属过程中用作辅助添加剂，以提高固化效果。

3 结束语

土壤污染问题不仅关系到国民的身体健康，还影响了我国经济建设目标的实现。土壤管理部门应对其进行有效处理，利用先进的技术和设备改善污染土体，为我国农作物生长和人民健康创造更为优质的条件。在修复污染土壤时，要做好各项测绘工作，选取有效的处理方法，最大限度的提升污染物去除率，减少对其他资源的二次污染，构建健康、和谐的的生态环境。

参考文献

[1] 杨勇，何艳明，栾景丽，刘景洋，郭玉文.国际污染场地土壤修复技术综合分析[J].环境科学与技术，2012，10：92-98.

[2] 赵连仁.污染土壤整治与管理的研究[D].大连海事大学，2013.

重金属污染土壤修复技术述评篇7

重金属是指密度大于4.5×103 kg·m-3的金属,从环境保护角度所说的重金属是指汞、镉、铅、铬以及类金属砷等生物毒性显著的金属元素。其中对人体毒害最大的有铅、汞、铬、砷、镉等5种。2009年以来,中国已连续发生30多起重特大重金属污染事件,国家环保部数据显示,仅2009年重金属污染事件就致使4035人血铅超标、182人镉超标,引发32起群体性事件[1]。2010年2月环保部、国家统计局、农业部联合发布的《第一次全国污染源普查公报》显示,我国重金属污染物的排放总量为900吨,但并没有给出具体的分布情况说明。

采矿、冶炼、铅蓄电池、皮革及其制品、化学原料及其制品五大行业成为重金属污染的主要来源。特别是金属矿山开采过程中的重金属释放量大,延续时间长,往往造成矿区及周边土壤、水体的严重污染。如广西大厂矿区下游刁江沿岸的土壤与农田均存在严重的As、Pb、Cd、Zn复合污染。湖南长沙、株洲、衡阳、郴州等地区的典型矿冶污染土壤中重金属污染严重,其中株洲市镉污染超标5倍以上的土地面积达160 km2以上,重度污染面积达34.41 km2。福建重金属矿区Cd的最高质量分数分别达到2.481 mg·kg-1,达到重度污染;湖南省郴州市柿竹园钨锡铋钼矿区的才山选矿厂、才山尾砂库、牧场新尾砂库、牧场旧尾砂库和白露塘尾砂库5个典型地区土壤镉的变化范围为0.08~236 mg·kg-1,镉的最高含量达到了国家3级标准的236倍[2];贵州都匀牛角塘矿区选矿废水中Cd含量达6.1~7.5 mg·kg-1,超过工业废水排放标准(GB18918-2002)1000倍,土壤中Cd含量达210 mg·kg-1,超过三级土壤环境质量标准(GB 15618-1995)200倍[3];江西德兴铜矿及周边地区土壤中Cd含量变化范围为0.299~61.963 mg·kg-1,污染级别1 ~ 5级均有[4];云南金顶铅锌矿从1987~1992年仅5年时间共采矿31万吨,其中就损失镉五千多吨[5]。2011年2月国务院通过的《重金属污染综合防治“十二五”规划》列出了14个重金属污染综合防治重点省份、138个重点防治区域和4452家重点防控企业。《规划》提出到2015年,重点区域的重点重金属污染排放量比2007年减少15%,非重点区域的重点重金属污染排放量不超过2007年的水平,要达到这一目标需要多方面的努力。

2 重金属污染土壤的物理修复

重金属污染土壤修复是利用物理、化学和生物的方法转移、吸收、降解和转化土壤中的重金属,使其浓度降低到可接受水平,满足相应土地利用类型的要求。物理修复方法包括客土法、电动力学法、固化法等。

2.1 客土法

客土法是向污染土壤中加入大量干净土壤,覆盖在表层或混匀,使污染物含量下降到临界危害含量以下或减少污染物与根系的接触,从而达到减轻危害的目的。该法适用于污染面积不大的土壤,对于污染面积大的土壤来说,成本太高,操作复杂。

2.2 电动力学法

电动力学修复法是把惰性(石墨)电极插入受污染的土壤并通入直流电,使土壤中的污染物质在外加电场作用下发生定向移动并在电极附近累积,定期将电极附近的电渗液抽出处理,即可将污染物除去。污染物的去除速率受污染物浓度、荷电性质、荷电数量、土壤类型、结构、界面化学性质、土壤空隙水电流密度等因素影响[6]。美国环保署和辛辛那提大学针对低渗透性土壤提出了Lasagna工艺,可添加适当的物质(吸附剂、催化剂、缓冲剂等) 固定无机污染物再进行去除和处理,并通过大小规模的试验论证了处理效果[7,8]。有实验结果显示[9],Cu和Zn在沙土中5 d的去除效率可达96%以上。电动力学修复成本低廉、效率较高,但不适用于渗透性较高、传导性较差的土壤和沙性土壤修复。

2.3 固化法

固化是指将污染的土壤与固化剂按照一定比例混合,熟化或烧结形成渗透性很差的固体混合物,使污染物被包裹起来,处于相对稳定状态。所采用的固化剂有水泥、石灰、硅酸盐、高炉渣、窑灰、热塑性物质(如沥青)等[10]。硼硅酸盐玻璃可以作为氧化铬的固化载体,因为氧化铬在玻璃中的溶解率不到1%[11]。该技术可以从根本上消除土壤中重金属的污染且去除速度快,但其技术工程量大、费用高,且土壤的使用价值也完全消失,仅可用作建筑材料,故该法仅用于重金属重污染区的抢救性修复。

3 化学修复法

化学修复是根据土壤和重金属的性质,选择合适的化学修复剂(改良剂、淋洗剂等)加入土壤,去除或钝化土壤中的重金属,降低土壤中重金属的活性,达到污染治理和修复的目的。最重要的化学修复方法有淋洗法和改良剂法两种。

3.1 淋洗法

土壤淋洗法是先将淋洗液注入已污染的土壤,利用表面活性剂润滑、增溶、分散、洗涤等特性,改变土壤表面电荷和吸收位能,或从土壤表面将重金属置换出来,以络合、螯合物的形式存在于土壤溶液中,加快重金属在自然环境中的可流动性,再用泵将含有污染物的淋洗液抽吸至地面就地处理的修复方式。目前筛选出的淋洗剂的包括低分子有机酸如柠檬酸、酒石酸、草酸,阴离子型表面活性剂SDS、EDTA,以及无机萃取剂HCl和CaCl2等[12,13,14]。其中EDTA容易和各种重金属形成稳定易溶的络合物,对复合重金属污染土壤有很好的淋洗修复效果,但同时也会导致营养元素的流失,且EDTA生物降解周期较长,对土壤环境存在负面影响。淋洗法操作简便、成本低廉、见效快,适用于大面积、重度污染且透水性较好的土壤修复。缺点是在去除重金属的同时会造成土壤营养元素的流失和土壤结构破坏。淋洗废液的处理也不容易解决。

3.2 改良剂法

改良剂法是向土壤中添加一些改良剂,通过改良剂的沉淀、吸附、化学还原等作用钝化土壤中活性较大的重金属,降低重金属的生物有效性,达到修复目的。常用的改良剂有无机试剂和有机试剂。无机试剂如石灰、硅酸钙、硅酸镁钙和碳酸钙等[15,16],能与重金属结合形成溶解度很小氢氧化物、碳酸盐或其它难溶化合物,从而降低其活性,甚至使之脱离食物链,达到修复目的。重金属的磷酸盐溶度积通常都很小,因此加入羟基磷灰石、磷矿粉、磷酸氢钙等磷酸盐也可起到类似作用[17,18]。

利用某些矿物吸附土壤中重金属,减小其生物活性也能够起到改良、修复土壤的作用。如海泡石、沸石和膨润土等,因含有大量的三维结构、很强的离子交换能力及独特的分子结构,可以通过离子交换吸附或物理性吸附土壤中的 Zn、Cd、Cu、Ni等重金属[19],实现对污染土壤的修复。铁、锰氧化物、铁屑、以及一些含铁锰的工业废渣也能将重金属吸附、固定在其内部,从而钝化土壤中重金属[20]。

有机物质在提高土壤肥力的同时能增强土壤对重金属的吸附能力。有机物中的含氧官能团(如羧基、羟基和酚羟基等)、有机酸及含氮、硫杂环化合物等能与多种形态的金属形成化学和生物学稳定性不同的金属有机络合物,使植物难于吸收。当然,有机物结构、成份极其复杂,对重金属污染的抑制效果也千差万别[21]。常见土壤改良有机物质有生物体排泄物(如动物粪便、厩肥)、泥炭类物质、稻草和腐殖酸等。

各种改良剂虽然能够改变重金属在土壤的存在形态,钝化重金属活性,降低其生物有效性,但由于重金属仍然存在于土壤中,当外界条件改变时,容易导致重金属活化,因此并不能从根本上修复重金属污染土壤。

4 生物修复法

在人为调控下,微生物、动物或植物生物也能将土壤中重金属吸收、分解或转化为无害化物质,即生物修复。

微生物修复是利用微生物的生物活性对重金属的亲合吸附或转化为低毒产物,从而降低重金属的污染程度。如Xanthomonas maltophyla能将Cr6+还原成移动性差和毒性小的Cr3+。硫酸盐还原细菌的代谢活动可以间接使金属以不溶性硫化物的形式被固定。但更多真菌常通过增加植物根部与土壤的接触面积来提高超富集植物的生长和提高重金属在植物中的积累,以及通过协调金属与植物相互作用来保护植物免受重金属毒害等方式起到土壤修复目的[23]。

动物修复就是利用土壤中的某些低等动物(如蚯蚓、鼠类等)能吸收重金属的特性,在一定程度上降低了污染土壤中的重金属含量,达到了动物修复重金属污染土壤的目的。但更多地是通过动物的生命活动促进植物对重金属的吸收富集转移,如蚯蚓数量的增加可有效增加土壤Cd向油菜体内的转移,也能显著提高镉污染的高砂土中黑麦草地上部分的生物量,增幅可达33%~96%。

植物修复就是利用植物根系吸收水分和养分的过程来吸收、转化污染体(如土壤和水)中的污染物,以期达到清除污染、修复土壤目的的过程。对重金属污染比较有效的是植物萃取(phytoextraction)修复,即在受重金属污染的土壤上连续的种植专性植物(包括超富集植物和忍耐—富集型植物),用其根系吸收污染土壤中的有毒有害物质并运移至植物地上部,通过收割地上部物质带走土壤中污染物。该方法具有物理、化学修复方法所无法比拟的费用低廉、不破坏场地结构、不造成地下水二次污染、可以美化环境的作用、易为社会接受等优点,最具发展前景。目前已发现有700多种超富集重金属植物,其中镍超富集植物有Berkheya coddii等300多种,镉超富集植物有天蓝遏兰菜(Thlaspi caerulescens)等20多种。植物修复能在不破坏土壤生态环境,保持土壤结构和微生物活性的条件下,对土壤实现原位修复,并且成本低廉,操作安全而成为当前研究、开发的热点。

5 结论

土壤重金属污染的修复篇8

近年来, 随着城市化、工业化和农业集约化的快速发展, 我国土壤重金属污染问题越来越突出[2]。有研究结果显示:随着黄河流域土地利用的加快发展, 黄河流沙中重金属污染状况逐渐恶化, 特别是:Mn、Cu、Zn、Cr和Cd的污染与10年前比达到显著水平, 而As、Pb和Hg含量也明显提高[3]。城市土壤中重金属可通过吞食、吸入和皮肤吸收等主要途径进入人体, 直接对人特别是对儿童的健康造成危害, 还可通过污染食物、大气和水环境间接地影响城市环境质量和危害人体健康[4]。例如, 汽车尾气排放的铅经大气扩散等过程进入环境中, 造成目前地表铅的浓度已有显著提高, 致使近代人体内铅的吸收量比原始人增加了约100倍, 损害了人体健康。同时, 土壤重金属污染具有污染物在土壤中移动性差、滞留时间长、不能被微生物降解的特点, 并可经水、植物等介质最终影响人类健康, 严重危害人体健康。由于农作物的吸收作用, 重金属元素还可以从土壤中迁移转化到农作物根茎叶及果实中去, 从而连带造成农作物的重金属污染, 间接的对人造成危害[5]。

一、重金属的修复技术

土壤经过重金属的污染后, 会造成了十分严重的后果, 使得土壤退化、农作物产量下降和品质降低等等, 因此, 修复污染后的土壤, 使其恢复到原有功能, 是十分重要和必须研究的问题。现状已经发展处多种修复方法, 如化学修复、植物修复、电修复等, 做一下简单的介绍。

㈠化学修复

化学修复是利用各种化学试剂、化学反应或化学原理来降低土壤中重金属的迁移性、生物可利用率, 减少甚至去除土壤中的重金属, 从而达到土壤的治理和修复的目的。化学修复主要包括淋洗法、固化法、化学氧化方法和施用改良剂法等。

淋洗法是用清水淋洗液或含有化学助剂的水溶液淋洗被污染的土壤, 使得污染物清洗出去。这样, 重金属从土壤颗粒上解析出来, 进入土壤环境, 增加污染物在土壤环境中的可动性, 从而加速污染物的去除。可以去除重金属物质的化学品有很多, 例如表面活性剂, 利用其润湿、分散、洗涤的能力, 改变土壤的电荷分布, 将重金属置换出来, 而到达去除污染物的目的。常用于污染土壤清洗的表面活性剂有:非离子表面活性剂 (如乳化剂OP、平平加、AEO-9) 、阴离子表面活性剂 (如十二烷基苯磺酸钠) 、阳离子表面活性剂 (如溴化十六烷基三甲铵) 。吴龙华等[6]研究结果表明, 外加EDTA可明显降低红壤对铜的吸附率和解吸率;吸附率和解吸率与加入的EDTA含碳量的对数呈极显著的负相关。此外, 使用改良剂是另一种较常用的方法, 可以向土壤中添加改良剂 (抑制剂) 来修复污染后的土壤。磷酸盐、石灰和硅酸盐被认为是处理重金属污染的常用改良剂。研究表明[7]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反应促其带负电, 土壤可变电荷增加, 土壤有机结合态的重金属比较多。不过这并不是一种永久的修复措施, 因为它只改变了重金属在土壤中存在的形态, 金属元素仍保留在土壤中, 容易再度活化危害植物。

㈡植物修复

植物修复技术是目前最热门的研究技术, 它是利用植物的代谢活动, 根系吸收水分和养分的过程来吸收、转化污染物, 降解为其他无污染或者危害小的成分。以达到清除污染、修复或治理的目的。目前植物修复主要有植物提取、植物挥发等方法。

植物提取是在污染土壤上种植某些特殊植物来吸附土壤中的重金属, 以达到修复土壤的目的, 这种特殊植物被称为超积累植物。这种植物将土壤中重金属富集起来, 搬运到植物根部可收割部分和植物地上的枝条部位。对重金属污染土壤的植物修复, 具有廉价、就地、土壤免遭扰动的优点。近20年来, 许多科学家开拓这一领域, 发现了许多超积累植物, 并逐步实现商业化。魏树和等[8]以杂草为研究对象, 通过盆栽模拟实验和小区实验, 发现龙葵在Cd投加浓度为25mg/kg条件下, 龙葵茎和叶中Cd含量分别为103.8和124.6mg/kg, 地上部Cd富集系数为2.68, 地上部Cd含量大于其根部Cd含量, 植物的生长未受抑制。

植物挥发是利用植物的吸收、积累和挥发而减少土壤中一些挥发性污染物, 即植物将污染物吸收到体内后将其转化为气态物质, 释放到大气中, 达到修复重金属污染土壤目的的过程。Zayed等[9]研究表明, 水稻、花椰菜、卷心菜、胡萝卜和一些水生植物, 具有较强的吸收和挥发土壤和水中硒的能力, 将毒性较强的无机硒转变为基本无毒的二甲基硒。

㈢物理修复

第一, 改土法。此法包括两种, 客土和去表土, 前者是将污染土壤加入大量的未被污染的土壤, 从而降低土壤中重金属的含量, 达到减轻危害的目的。这种方法能够使污染物浓度降低到临界危害浓度以下, 或减少污染物与植物根系的接触, 减少重金属对食物链的污染, 达到很好的效果。史建君[10]等研究发现, 在受141Ce污染的土壤表面覆盖客土, 能降低大豆对141Ce的吸收和积累, 效果十分明显, 当客土覆盖厚度为12cm时, 豆根豆秸豆壳和豆籽中141Ce比活度分别下降了83.5%、30.6%、13.7%和11.8%, 大豆中吸收积累的141Ce比活度随客土覆盖厚度的增加而下降。去表土就是去除表层污染土壤后, 深翻土壤, 使聚集在表层的污染物分散到土壤深层, 达到稀释和自处理的目的。这种方法可以降低土壤中重金属的含量, 减少重金属对土壤-植物系统产生的毒害, 从此方法在欧美国家早有应用, 对于降低作物体内的重金属含量、治理土壤重金属污染是一种切实有效的方法。但由于此法不够经济, 且被污染的土壤并未得到处理, 同时在操作过程中, 操作人员将接触到污染土壤, 人工费用较高。因而并不是一种理想的治理方法, 只适用于小面积污染严重的土壤治理。

第二, 微波热修复。微波热修复是指在土壤中加入铁丝、炭棒、金属棒, 这些材料通过吸收微波使周围土壤均匀受热, 并且可以传导到棒底端几厘米处的土壤, 产生足够高的温度使土壤玻璃化。同时污染物被氧化--还原、分解、自身压缩等变化, 这些小分子、部分污染物大分子及重金属离子可能进入土壤黏土矿物晶格层问而被固定, 并进一步被玻璃化的土壤包裹, 最终固定于土壤[11]。Rudolp[12]等人的研究表明, 在插入炭棒、金属棒等吸波能力好的介质时, 土壤中的铬、锰、钴等重金属能被玻璃化的土壤固定, 金属的浸出浓度低于美国EPA标准。

第三, 电修复。通过电流的作用, 由于电场效应, 土壤中的重金属离子 (如Pb、Cd、Cr、Zn等) 和无机离子以电透渗和电迁移的方式向电极运输, 将污染物如重金属或有机污染物迁移到一端电极室一般为阴极室, 从而得到分离, 然后进行集中收集处理。

其中, 电动修复[13]是由美国路易斯安那州立大学研究出的一种净化土壤污染的原位修复技术。该技术近年来在一些欧美发达国家发展很快, 已经进入商业化阶段。这种方法主要是针对受污染的低透水系数土壤及地下水的修复, 其基本原理是将电极插入受污染土壤或地下水区域, 使用直流电对重金属进行清除处理。电动修复技术具有经济效益高、后处理方便、二次污染少等一系列优点, 在修复污染土壤方面有着良好的应用前景。

第四, 微生物修复。微生物修复是利用某些微生物对重金属的吸收、沉淀、氧化还原等作用降低重金属毒性, 同时微生物活动可以影响植物的根系分泌和吸收等过程, 进而影响土壤对重金属的吸附和价态, 降低重金属的生物有效性。而且相对处理费用低, 效果好, 对环境的影响低, 操作简单, 可以就地进行处理等。因此, 通过生物技术培育适应能力强、修复效率高的微生物, 对污染治理意义重大。

微生物修复重金属污染主要通过生物吸附和生物转化。微生物吸附作用是指利用某些微生物本身的化学成分和结构特性来吸附环境中的重金属离子。如, 茁芽短梗霉分泌EPS可将Pb2+积累于整个细胞表面, 且随EPS分泌增多, 细胞表面的Pb2+水平提高4倍左右[14]。转化是指微生物可通过区域化作用将其分布于代谢不活跃的区域, 或将其与热稳定蛋白结合, 转变成为低毒形式。

吴淑杭等[15]从土壤中分离筛选出6株具有Cr (VI) 还原能力的硫酸盐还原菌, 部分微生物在Cr (VI) 为50毫克/升的培养基中培养1d后即可完全使Cr (VI) 转化为Cr (Ⅲ) 。该研究还表明这些菌株同样可以有效地将污染土壤中Cr (Ⅵ) 转化为Cr (Ⅲ) , 降低了土壤中Cr的植物有效性和毒性, 尤其以混合菌液转化率效率更高, 2d后Cr (VI) 的转化率为43%, 10天后Cr (VI) 的转化率达75.3%。

二、发展前景

我国已有很多这方面的研究成果, 但是由于我国国土辽阔, 土壤类型各异, 对我国土壤污染现状的调查, 制定土壤中重金属的环境质量标准、土壤污染防止法、土壤污染防治规划和具体措施, 修订和贯彻实行污灌水质、污泥、粉煤灰和其他废弃物农田施用标准等的基础研究和应用基础研究, 还应当积极开展。

控制与消除土壤污染源, 是防止污染的根本措施。控制土壤污染源, 即控制进入土壤中的污染物的数量与速度, 通过其自然净化作用而不致引起土壤污染。具体的措施有, 大力推广闭路循环, 无毒工艺, 以减少或消除污染物的排放, 对工业“三废”进行回收处理, 化害为利;对污水进行灌溉的污灌区, 要加强对灌溉污水的水质监测, 了解水中污染物质的成分、含量及其动态, 避免带有不易降解的高残留的污染物随水进入土壤;建立监测系统网络, 定期对辖区土壤环境质量进行检查, 建立系统的档案资料, 按照优先次序进行调查、研究及实施对策。

重金属污染土壤修复治理技术概述篇9

重金属元素因其特有的物理化学性质, 在工业生产和人们的日常生活用品中被广泛应用。过去由于人们环保意识落后, 对工业生产过程中产生的含有重金属的“三废”随意排放, 造成了严重的环境问题。国家环境保护部、统计局和农业部于2010年联合发布的《第一次全国污染源普查公报》显示:目前我国工业废水中包括铬、砷、汞、铅等重金属污染物进入环境水体的年排放量为900吨[1];Singh等通过计算得出, 在过去五十年中, 全球排放到环境中的镉达到2.2万吨, 铜93.9万吨, 铅78.3万吨, 锌135万吨[2]。这些重金属对环境造成了严重的污染, 尤其是对土壤所造成的污染更为突出。

重金属对土壤的危害具有一定的潜伏期, 可能在短时间内显现不出来, 但当其含量超过一定的限度或土壤环境条件发生变化时, 重金属元素被活化, 对土壤生态结构和功能稳定性、植物生长及人体健康都构成了严重的威胁, 因此有人称其为“化学定时炸弹”[3、4]。据统计, 我国目前至少有3亿亩土地 (占全国耕地面积的1/6) 不同程度受到重金属污染, 每年损失粮食超过12 000万吨, 直接经济损失超过200亿元。在此背景下, 开展修复治理重金属污染土壤的研究工作, 以期恢复其应有的耕作性能, 意义重大。

1 土壤中重金属的来源

土壤中重金属来源通常有两种途径, 一种为自然条件下, 母岩和残落的生物物质中所含的重金属经过一系列的物理化学变化而存在于土壤中, 此种情况一般含量比较低, 不会对人体及生态系统造成危害[5]。另外一种是人类生产、生活活动过程所带来的重金属污染, 这才是造成土壤重金属污染的主要原因。下面分别从工业源、农业源及城市生活源三方面进行论述: (1) 工业源。在矿产开采、冶炼、皮革制造、燃煤发电等工业生产过程中产生的“三废”直接或间接进入自然环境中, 造成环境中重金属污染。另外, 大多数废弃尾矿中的重金属含量也比较高, 在雨水淋溶及自然风化等过程中向外部环境释放, 也会造成周边环境受重金属污染; (2) 农业源。在部分农业生产中, 会使用含有重金属的污水进行灌溉, 使得污水中所含的重金属转移到土壤中;此外, 农业生产中使用的农药、劣质化肥和农膜中也含有一定量的重金属, 长期不合理使用也会造成土壤重金属污染。 (3) 城市生活源。含汞干电池、镍镉充电电池、铅酸电池、温度计、血压计及含汞电光源等城市常见的废弃物品中含有重金属, 由于这些废弃物随意丢弃, 导致了污水处理厂的污泥、垃圾填埋场的渗滤液及垃圾焚烧产生的飞灰中都含有大量重金属, 在加重城市生活污水及垃圾的处理负荷及成本的同时, 还造成了环境重金属污染。

2 土壤中重金属赋存形态

土壤中重金属对人体和环境的危害, 主要取决于其在土壤中的化学性质及赋存形态。重金属在土壤中通过溶解、沉淀、凝聚、络合吸附等各种反应, 形成不同的形态, 形态不同, 其迁移转化特点和污染性质、危害程度也不相同[6]。按照Tessier提出的分类法, 可将土壤中的金属元素划分为可交换态、碳酸盐结合态、铁锰结合态、有机结合态和残渣态[7]。其中, 可交换态最为活跃, 通常情况下它吸附于土壤中, 当土壤中含有过量的阳离子溶液时即可将这部分吸附于土壤中的重金属解吸出来, 使其在土壤中表现为离子形态, 生物可直接从土壤中吸收利用。碳酸盐结合态的生物有效性仅次于可交换态, 它是重金属与碳酸盐以沉淀或共沉淀方式的结合物, 在土壤环境发生变化的情况下 (如p H值由碱性变为酸性时) , 碳酸盐发生分解, 与之结合的重金属即被释放出来而被生物吸收利用。铁锰结合态的活性弱于碳酸盐结合态, 一般是重金属元素与土壤氧化物以专性吸附或共沉淀的方式结合, 在还原条件下发生还原反应之后, 将其中的重金属元素释放出来为外界生物所吸收利用。有机结合态重金属含量与土壤有机质含量及配位基团含量有关, 并且受到金属离子的外层电子轨道形态的影响, 相对比较稳定, 所以其生物有效性也比较低[8]。残渣态的重金属被包含在矿物晶格中, 对土壤中重金属的迁移和生物可利用性贡献不大, 相对比较安全[9]。

3 重金属污染土壤治理措施

土壤中重金属通过农作物根系吸收后迁移到种植的农作物中, 并且在作物中的含量普遍高于土壤中含量, 对食品安全和人们的身体健康构成了严重的潜在威胁。目前, 科研工作者基于将土壤中重金属移除、降低土壤中重金属含量或活性的目标开展了大量的研究工作, 并取得了很多有实际意义的成果, 本文将介绍植物修复法、低温热解法、分子键合法、客土法和淋洗法。

(1) 植物修复法。自然界中有部分植物对某一种或几种重金属元素具有超富集能力, 能将土壤中的重金属元素通过植物的根系转移到茎、叶、果实中, 从而降低土壤中重金属污染物的含量。另外, 可以通过在土壤中添加一些化学试剂, 强化植物根系对土壤重金属污染物的吸收。这种方法属于原位修复法, 具有处理费用低、对环境破坏小等优点, 但修复周期长, 且不适用于修复重金属污染程度较高的土壤[10]。

(2) 低温热解法。此种方法只能针对挥发性重金属 (如汞) 的治理。其原理是采取加热的方法将重金属从土壤中解析出来, 然后再回收利用。以此法修复汞污染土壤主要包括以下几个步骤:将被污染土壤从现场挖掘后进行破碎、风干;通过加热土壤, 从干燥的土壤中分解汞化合物并气化汞, 然后凝结并收集;加热过程中产生的气体通过气体冷却、净化系统处理, 再用活性碳吸收各种残余的含汞废气和其他有害气体, 然后将达标气体排入大气。瞿丽雅等人的研究结果表明, 在270℃条件下, 对汞污染土壤进行2 h的焚烧, 可去除土壤中50%~90%的汞, 而土壤中有机质仅损失15%, 土壤中P、K变化不大, 有效N损失约15%, 可见经低温热解法处理的土壤仍具备其耕作的属性, 可以回填继续使用[11]。对于汞污染严重的土壤, 本方法具有去除效率高, 见效快等优点, 同时也存在费用高, 工程量较大等缺陷。此外, 处理后土壤汞浓度虽大幅度降低, 但难以达到GB 15618—2008《土壤环境质量标准》的三级标准, 需再与其他修复技术 (如植物修复法、客土法等) 配合使用之后才能满足耕作要求。

(3) 分子键合法。该技术属于化学修复中近几年发展应用的新技术, 通过在土壤中添加一定量的稳定剂, 与土壤充分拌合后, 使土壤中的重金属元素与稳定剂最大限度地发生反应, 将土壤中游离态的重金属元素还原成矿石结构, 形成矿石晶体形态的重金属稳定化合物[12]。该技术具有操作简单, 成本低廉等优势, 但因其仅仅只是降低土壤中重金属的生物有效性, 并未改变土壤中重金属的含量, 待外部环境发生改变或稳定剂效果减弱之后, 重金属污染物是否会“复活”仍然有待检验。

(4) 客土法。客土法是根据被污染土壤的污染程度, 将适量清洁的土壤添加到被污染的土壤中, 降低土壤中重金属污染物的含量或减少污染物与植物根系的接触。在选择客土时, 应考虑客土与被污染土壤的理化性质等因素, 避免添加的客土改变土壤环境而引起原土壤中重金属污染物活性增强的现象。该方法具有见效快, 效果好的优点, 但仅适用于污染物含量不高、取土方便的地区。

(5) 淋洗法。淋洗法是用具有重金属水溶性的提取液对被污染土壤进行淋洗, 土壤中的重金属污染物与提取液发生溶解、乳化和化学作用, 形成溶解性的重金属离子或金属-试剂络合物。然后对提取液进行处理, 将溶于其中的重金属分离出来, 提取液可再循环使用。这种方法具有去除效率高, 见效快的优点, 但在淋洗过程中, 土壤中的氮、磷、钾及有机质等也溶解于提取液中, 随重金属污染物一起被提取液带离土壤, 造成土壤肥力降低;此外, 在淋洗过程中, 若提取液处置不当, 容易造成地表水污染[13]。

4 结语

土壤重金属污染的修复篇10

1 土壤重金属污染的概念

土壤重金属污染是指由于人类活动将重金属带入到土壤中, 致使重金属元素在土壤中的含量超过背景值, 并可能通过过量沉积而造成土壤质量退化、生态环境恶化的现象[1]。

土壤重金属污染物主要有铅 (P b) 镉 (C d) 铬 (C r) 汞 (H g) 及类金属砷 (As) 和硒 (Se) 等, 以及有一定毒性的锌 (Z n) , 铜 (C u) , 镍 (N i) 等元素[2]。其中As和Se虽不属于重金属, 但它们的毒性及某些性质与重金属相似, 因而通常被列为重金属污染物的范围内。还有一些是植物生长所必须的微量元素, 如Zn, Cu等, 但其含量达到一定值后就可能成为有害的环境污染元素。

2 土壤重金属污染的特点

2.1 普遍性和广泛性

随着工业生产的发展, 重金属污染日趋普遍, 几乎威胁着每个国家。1931年, 日本富山县神通川流域发现一种土壤污染公害病——骨痛病。骨痛病发病的主要原因就是当地居民长期饮用受镉污染的河水, 并食用此水灌溉的含镉稻米, 致使镉在体内蓄积而造成肾损害, 进而导致骨软症。1953年, 日本九州熊本县水俣镇发生世人皆知的水俣病, 此公害病是人或其他动物食用了含有机水银污染的鱼贝类, 使有机水银侵入脑神经细胞而引起的一种综合性疾病。同时, 我国很多城市也遭到了不同程度的重金属污染。据统计, 从2009年至今, 我国已连续发生30多起重特大重金属污染事件。中国环境监测总站的资料也显示, 我国目前污染最严重的是镉污染、汞污染、血铅污染和砷污染。

2.2 隐蔽性和潜伏性

大气污染、水污染等问题一般都容易被人直接察觉, 但土壤重金属污染却不同, 它要通过其产物的产量及其产品的品质来反映, 或通过研究人畜健康状况来确定, 使得人们往往深受其害而不知所害。另外, 重金属在土壤中不能被生物降解, 因此其污染具有较长的潜伏期。

2.3 不可逆性和长期性

如果大气和水体受到污染, 通过大气及水体的自净化作用就有可能使污染物扩散掉或被稀释, 但重金属在土壤中很容易不断积累, 很难消除。已受污染的土壤没有治理价值, 只能调整种植品来加以回避。因此, 土壤的重金属污染一旦发生通常很难治理, 某些被重金属污染的土壤可能要100-200年时间才能够恢复, 而且其治理成本较高、治理周期较长。[3]

3 土壤重金属污染的来源

土壤重金属污染的来源非常广泛, 主要有大气沉降、污水灌溉、采矿和冶炼、施用农药和化肥等。

3.1 大气沉降

大气中的重金属主要来源于能源、运输、有色冶金和建筑材料的开采和生产等。[4]除汞外, 重金属基本上都是以气溶胶的形态进入大气, 经过自然沉降和降水进入土壤。如随着煤等含重金属燃料的燃烧, 部分悬浮颗粒和挥发金属随烟尘就进入到了大气中, 然后大部分就沉降在排放源附近。另外还有汽车尾气排放及汽车轮胎磨损产生的大量含重金属的有害气体和粉尘等。它们主要分布在公路、铁路的两侧, 并与城市的人口密度、距离城市中心的远近、城市的土地利用率及交通流量等有直接关系。

3.2 污水灌溉

在农业用水比较紧张的地区, 利用污水作为灌溉水源来利用较为普遍。污水主要是指城市生活污水、工业废水和排污河污水等。由于我国工业迅速发展, 大量的工业废水未经处理直接进入水体, 并随着污水灌溉而进入土壤, 使重金属以不同方式被土壤截留固定, 从而造成污灌区土壤重金属Hg、Cd、Cr、Pb等含量逐年增加。因此, 污水灌溉所导致的土壤重金属污染必须引起足够的重视, 灌溉废水必须严格控制在国家的灌溉水质标准之内。

3.3 采矿和冶炼

金属矿山开采过程中产生的废水废气、废渣的堆放及沉降等, 都可以间接或直接地造成土壤重金属污染。

3.4 施用农药和化肥

农药和化肥是重要的农用物资, 对农业生产的发展起着重大的推动作用, 但长期大量使用含有重金属的农药和化肥, 是造成土壤重金属污染的一个重要原因。

重金属元素是化肥中报道最多的污染物质之一。一般过磷酸盐中含有较多的重金属, 磷肥次之, 氮肥和钾肥含量较低, 但氮肥中铅含量较高。化肥中重金属含量一般是磷肥>复合肥>钾肥>氮肥。例如, Cd是土壤环境中重要的污染元素之一, 随磷肥进入土壤的Cd一直备受关注。许多研究表明, 随着磷肥及复合肥的大量施用, 土壤有效Cd的含量会不断增加, 作物吸收Cd的量也会相应增加。肥料中Cr、As元素含量较高, 且土壤的环境含量又较低, 能引起土壤中Cr、As的较快积累。

另外, 即使有的化肥中的重金属并没有超标, 但是重金属在土壤中会存在一个传递和富集的作用, 所以化肥中的重金属污染问题会随着农田化肥的使用范围和量的增大而加重, 是一个绝不可小视的问题。

4 土壤重金属污染的危害及化学生物等方面防治措施

过量的重金属会引起植物生理功能紊乱、营养失调、发生病变, 并通过食物链富集到人和动物体内, 进而危害人畜健康。此外, 土壤受到重金属污染后还可导致其他生态环境问题, 如迁移向地下水和地表水中或扩散到大气中, 一旦受污染, 就很难根除, 因此重金属对土壤的污染是一类后果非常严重的环境问题。目前, 世界各国对土壤重金属污染修复技术进行了广泛的研究, 基本上可以分为物理法、化学法、生物修复法三大类。

4.1物理法

对于地域面积较小的地方, 可把表层已受污染的土壤除去, 换上适合作物生长的土壤。但这种方法易造成二次污染, 并易导致土壤结构的破坏, 使土壤的生产能力下降, 减少农作物的产量, 使经济效益降低, 且修复效果不彻底。

4.2化学法[5]

主要是指通过添加外来物质, 以改变土壤的化学性质。常见的添加物主要有有机物料 (如稻草、紫云英、泥炭、家畜粪肥及腐殖酸等) 化学改良剂 (如有石灰性物质、钢渣、高炉渣、粉煤灰及膨润土等) 沉淀剂和粘合剂等。如可以加入一些络合物或酸根离子, 改变土壤的p H值, 再进行淋洗, 但这种方法稳定性不强, 被修复的重金属容易再度活化。

4.3生物修复法

生物修复法一般是利用生物对环境中的污染物进行降解, 具有成本低、效果好、无二次污染等优点, 缺点是治理过程较长。主要包括微生物法和植物修复法两种[6]。

4.3.1微生物法

微生物法主要是指微生物对重金属离子的吸附与富集, 即微生物可通过带电荷的细胞表面吸附重金属离子, 或通过摄取必要的营养元素主动吸收重金属离子, 将重金属离子富集在细胞表面或内部。另外, 一些重金属元素可以多种价态存在, 微生物还能氧化或还原土壤中的多种重金属元素, 使它们变成溶解度较大, 易迁移的价态形式。

4.3.2植物修复法

植物修复法是一种通过在污染地种植植物, 将土壤中的污染物萃取出来, 并输送到根部可收割部分或地上部, 通过收获或移除富集了污染物的部分, 从而降低污染物的浓度, 达到治理环境的目的。主要方法有植物提取、植物挥发、植物稳定及根系过滤等。

5讨论与展望

当前土壤重金属污染问题越来越严重, 如何净化、治理土壤重金属污染问题也越来越受到科学工作者的关注。目前, 很多国家都纷纷投入巨大资金与人力来进行研究, 但绝大部分工作尚处在实验室模拟阶段, 能解决实际问题的成熟方法很少。在选修复技术时, 应根据污染物的性质 (如种类、形态、含量等) 土壤理化条件 (如酸碱度、水分条件、阳离子交换量等) 污染程度等, 结合植物学、化学、农学、生态学、土壤学、环境保护学等综合学科, 综合考虑修复成本等因素, 选择最合适的修复技术, 这也是未来土壤重金属污染研究的热点和方向。此外, 我们还应在原有研究的基础上, 加强对土壤重金属污染的毒理研究, 以及复合污染的相互作用研究, 并利用现代化技术, 尽快建立起土壤重金属污染的研究模型, 以促进农业可持续发展。

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土壤重金属污染的修复篇11

关键词：城市土壤；重金属污染；植物修复技术；大生物量非超富集植物；综合评估筛选法

中图分类号：X53 文献标识码：A DOI编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2014.03.011

城市土壤因受人类活动强烈影响而区别于自然土壤，主要指厚度大于50 cm的非农用土壤，通常出现在城市和城郊区域[1-3]。城市化过程中的工业发展、城建工程的实施和居民日常生活等人类活动排放的污染物，以各种形式直接或间接地进入城市土壤，改变了城市土壤的理化属性，造成了城市土壤的重金属污染[4]。城市土壤重金属既可通过直接接触密集的城市人群而危害人体健康，又可通过对大气、水体的影响而影响城市生态环境，进而影响生命安全[5-6]。城市土壤既可以为城市绿色植物的生长提供养分，是其必不可少的生长介质，又可以为土壤微生物提供栖息地，是其能量的重要来源之一，所以城市土壤是城市生态系统尤为重要的组成部分，与城市生态环境息息相关[5]。因此，城市土壤重金属污染修复技术成为国内外学者研究的热点领域。

1 城市土壤重金属污染现状

原成土母质和人为活动是城市土壤重金属的来源，其中工业生产、机动车辆尾气排放、生活垃圾堆弃等人为活动是造成城市土壤重金属污染的主要因素。一方面，人为活动产生的重金属以气溶胶的形式进入大气，经过干湿沉降间接进入土壤；另一方面，附着于废弃物中，直接排入城市土壤，造成重金属污染，甚至污染地下水。并且城市土壤重金属污染具有一定的空间分布特征，总体表现为城区内部土壤重金属含量明显高于郊区，并且交通干线两侧、人类活动密集区、老工业区重金属污染较为严重，而受人为活动影响较小的风景区、公园等功能区土壤重金属污染则属于中低度污染和轻微生态风险。

城市土壤Pb、Zn、Cu、Cd等重金属多介质复合污染给人体健康带来了极大的风险。食物链传递研究表明，重金属已经不同程度地污染了我国的城市郊区菜地土壤[7-9]，重金属含量已超标的蔬菜大量向城市供应。除此之外，以扬尘为载体进入大气的城市土壤重金属，最终可通过人体的新陈代谢作用而进入体内并逐渐积累，从而直接威胁到人体健康。研究表明，北方沙尘暴天气发生时，大气环境中土壤重金属元素浓度迅速增加，Pb、Zn、Cu、Cd的浓度比平常高出3～12倍[10-11]。据相关研究部门统计，上海市大约有1/3的大气颗粒物来自于土壤扬尘[7]。此外，城市土壤重金属元素的积累对植物、动物、微生物的生理生态等方面也产生一定的毒害，导致城市土壤的退化。

2 土壤重金属污染修复研究现状

近年来，科研工作者不断探索重金属污染土壤的修复技术，使物理、化学和生物等修复技术得到了较快的发展。由表1可知，尽管这些物理、化学修复手段对治理重金属污染土壤具有非常重要的实践意义，但仍具有投资大、修复效率低、对周围环境干扰性大、易导致次生污染等诸多缺点。相比较而言，尽管植物修复技术有着种质资源较少、修复效果待改善和植物生长条件等局限性，但其仍具有技术和经济上的双重优势，不仅能够利用绿色植物的新陈代谢活动来修复土壤环境中的重金属污染，而且具有一定的观赏价值，有助于园林城市的建设。

广义的植物修复技术是在多学科交叉点上发展起来的新技术，建立在植物对某种或某些化学元素的耐性和积累性基础之上，利用植物及其根际共存微生物体系的吸收、挥发、降解和转化作用来清除环境中的污染物的一门环境污染治理技术[12]。通常所说的植物修复技术是指选择具有吸收富集土壤中污染元素能力的植物，并将该植物种植于特定重金属污染的土壤上，随着该植物收获和植物组织器官的妥善处理，便可移除土体中的该种污染重金属，最终达到污染治理与生态修复污染土壤的目的[13]。这种技术因为其在土壤污染治理方面的巨大应用潜力，吸引了各国相关领域的科学家进行相关研究，并取得了一定的进展。

2.1 超富集植物修复技术

现今已经发现的超富集植物约500多种，主要分布在气候温和的欧洲、美国、新西兰及澳大利亚的污染区，但利用植物修复污染土壤则是近几十年的工作。目前，关于超富集植物对重金属耐性和积累性机理、修复性能改进及应用技术等方面的研究已经在全世界范围内展开，并且也取得了一定的进展。此外，植物修复技术商业化因其工程性的试验研究以及实地应用效果，在未来具有巨大的商业前景。

2.2 超富集植物修复的局限性

超富集植物在修复土壤重金属污染方面表现出显著的生态效益、社会效益和经济效益。尽管利用植物修复技术修复重金属污染土壤具有廉价、有效、使土壤免受扰动等优点，但是在实际应用中，超富集植物由于其固有的特点，大大限制了在植物修复技术中的应用。第一，大部分超富集植物生物量低下，严重制约了修复效率，且植株矮小，不便于机械化作业；第二，超富集植物引种易受到地域性限制，因其多为野生植物种质资源，区域性分布较强，难以适应新的生物气候条件；第三，超富集植物往往只适用于某种特定的重金属元素，具有较强的专一性，对土壤中其他含量较高的重金属则表现出中毒症状，从而在重金属复合污染土壤修复中的应用受到了限制；最后，超富集植物根、叶、果实等器官机械折断、凋谢或腐烂等途径使重金属重返土壤，易造成二次污染，间接降低了修复效率。

2.3 大生物量非超富集植物与超富集植物修复技术

Ebbs等[16]认为超富集植物以外的其他大生物量非超富集植物也具有修复重金属污染土壤的可能性，并提出农作物地上部可观的生物量能够补偿地上部较低的重金属含量的观点。周振民等[17]指出了大生物量非超富集植物修复技术是一项非常有发展潜力的植物修复技术。因此植物修复技术走向工程实践的主要任务是筛选与开发大生物量、富集重金属能力强且具有观赏性的复合型修复植物。

3 土壤重金属污染大生物量植物修复技术研究进展

现有超富集植物种质资源贫乏，并且其具有自身的局限性，修复效果也有待于进一步加强，故植物修复技术还不成熟。另外，评价植物修复重金属污染的标准是重金属迁移总量，然而已经发现的超富集植物因其生物量小、生长缓慢而使重金属迁移总量相对较低，自然种群中存在着对重金属具有一定耐性的大生物量植物，虽然其单位质量的重金属含量尚不满足超富集植物的定义，但此时其所积累的重金属绝对量反而比超积累植物的绝对量大。因此大生物量非超富集植物对城市土壤重金属的修复作用更大。

3.1 大生物量修复植物的优势

以大生物量植物种质资源作为筛选修复植物对象是有依据的，一方面，大生物量修复植物具备普通植物的功能特点；另一方面，大生物量修复植物还有普通植物不具备的诸多优点。主要表现为：

（1）高生物量植物种质资源丰富，有着巨大的潜力，可为筛选提供坚实的基础；

（2）在进行城市土壤修复、调控大气环境的同时，能够美化环境，一举两得；

（3）具备观赏性的大生物量修复植物，不会进行食物链的传递积累，减少了对人体的危害；

（4）大生物量植物对人类健康也有着一定的作用，如油松、核桃、桑树等对杆菌和球菌的杀菌力均极强，花卉芳香油可抗菌，提高人体免疫力，可作为保健食品或调控大气环境；

（5）在长期的生产实践中，品种选育、植物栽培以及病虫害防治等经验日益丰富。因此，筛选大生物量植物修复城市土壤重金属污染是可行的。

3.2 大生物量植物的耐性与积累性研究

4 大生物量修复植物的判断标准与筛选

由周振民等[17]对重金属污染土壤大生物量修复植物进行的综合研究可知，其筛选对象主要为部分农作物、杂草、树木和花卉。修复城市土壤的大生物量植物应具有一定的生态功能和观赏价值，按观赏部位可分为观花的、观叶的、观芽的、观茎的、观果的五类；从低等到高等植物，从水生到陆生；有草本也有木本，有灌木、乔木和藤木，种类繁多。因此筛选既具有观赏性又具有生态修复功能的大生物量修复植物就尤为重要了。

为了便于采取定性与定量相结合的综合评估分析法筛选出具备此能力的大生物量修复植物，这就要求植物符合一定的判定标准。耐性特征、积累特征、观赏性和生态调控功能是主要的评定指标，其中耐性特征和积累特征是最基本的判断标准。耐性植物应该能够在较高重金属污染浓度的土壤上完成生命周期，并且污染处理的植物地上部生物量与对照植物的地上部生物量相比没有明显的下降，这才说明该植物对重金属污染的土壤具有一定的耐性。积累特征以转移系数和富集系数综合表示，李庚飞等[25]研究表明，在利用大生物量非超富集植物进行重金属污染修复时，若植物对某重金属元素的转移系数和地上部分富集系数均大于0.1，说明植物对该金属元素具有富集的潜力。此外，植物观赏性和固碳释氧、吸收有毒有害气体等生态调控功能等指标的纳入，对采用综合评估筛选法进行复合型修复植物的筛选更有意义。

大生物量植物种类繁多，盲目地筛选是不科学的。因此首先应该搜集资料，调查各种植物的特点及其本身生长习性，从中初选出最有可能成为修复植物的种质资源进行研究，之后再进一步确认。例如，可从受污染严重的区域采集仍然能够正常生长的物种进行试验，或从生长不易受环境影响的物种着手。初选大生物量修复植物在一定程度上可由植物的根、茎、叶初步判断[26]。生物量与株高成正比，而生物量越大，修复效率也相应增大，因此株高是修复植物的重要选择依据。为使筛选出的修复植物具有更好的实践性，也应尽量地人为模拟与特定重金属污染城市土壤条件相一致的环境条件，利用盆栽试验筛选出大生物量复合型修复植物。

5 结语

我国对植物修复重金属污染土壤的研究起步较晚，筛选工作做得不多，大量有潜力的修复植物还有待发现，尤其是以大生物量修复植物为筛选对象将成为一个突破口。总的来说，用大生物量修复植物修复污染土壤的潜力巨大。在城市污染土壤修复中，大面积地应用与其他手段相结合的大生物量修复植物，既可以美化环境，又能带来巨大的经济效益。因此进一步提高大生物量修复植物的修复效率，应从生态位的理论出发，开展植物品种的筛选与培育、复合修复技术应用、修复效果验证试验等方面的研究，以适应城市需要，并将植物修复、观赏植物苗木生产、园林景观建设与生物质能利用有机结合，形成环境污染修复产业，走循环利用绿色发展之路。

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