云南省土壤重金属污染现状及治理技术研究

顾济沧,赵 娟

(云南省环境监测中心站,云南,昆明650034)

云南省土壤重金属污染现状及治理技术研究

顾济沧,赵 娟

(云南省环境监测中心站,云南,昆明650034)

对云南省土壤重金属污染现状和危害进行了阐述,介绍了目前较为常见的几种土壤修复技术,分析了各技术的优缺点及技术发展方向。植物、微生物修复和联合修复是将来土壤重金属污染修复的方向。

土壤污染;重金属;修复技术

目前,土壤污染已成为世界性的环境问题,污染直接威胁到区域生态环境、食品安全和农业可持续发展。在我国,由于不同的资源分布和工业布局,土壤污染类型存在地区性差异,污染程度也不尽相同。相较于其他省,云南省土壤中重金属污染的问题较为突出。

1 土壤重金属污染现状及危害

1.1 云南省土壤重金属污染现状

云南省的锌、锡、铜、铅、铝、磷、锰、锗、铟、银、铂族矿产资源储量在全国位居前列,矿业经济发展较快,磷、锡、锌、铜、铅、锑、锗等矿产品的产量产值均居全国前列。在储量表统计的83种矿产中,已开采利用的有62种,占74170%。已成为我国重要的矿产资源基地。1999年,矿业企业总资产占全省工业总资产的33160%,矿业总产值(采、选、冶、加工)占工业总产值的31106%,矿业企业职工人数占工业企业职工人数的一半以上,矿产品出口额占全省出口贸易总额的47150%。以有色金属和磷化工为主的矿业在全省具有举足轻重的地位,云南省经济社会发展 “十五”计划纲要把矿业确定为五大支柱产业之一[1]。

从云南省矿产资源现状看有以下特点:有色金属矿产资源丰富、蕴藏量大、分布广、种类丰富、开发利用程度高;在全省国民经济中占有举足轻重的地位,也是吸纳社会就业的一个重要领域;在开发利用中存在矿产资源利用方式粗放;矿山生态环境问题严峻;矿产资源新体制和管理体系尚未形成;给周边水、空气、土壤环境造成了不同程度的影响。

据云南省的资源特点和工业布局等多方面分析,可以得到以下结论:土壤中重金属偏高主要是来自于自然界,并且与云南省矿产资源的分布密切相关。与此同时,矿产资源的开发利用加剧了土壤重金属含量的增加。

1.2 土壤重金属污染的主要危害

土壤中进入的重金属不能被土壤微生物所分解,而易于积累,转化为毒性更大的甲基化合物,甚至有的通过食物链以有害浓度在人体内蓄积,严重危害人体健康。土壤重金属污染物主要有汞、镉、铅、铜、铬、砷、镍、铁、锰、锌等。

重金属对土壤的污染基本上是一个不可逆转的过程。许多重金属物质一旦进入土壤造成污染,光靠土壤本身的自净功能需要数百年时间才能降解或者转化。某些重金属土壤污染靠土壤稀释、自净化作用是无法消除的。土壤污染一旦发生,仅仅依靠切断污染源的方法往往很难恢复,必须靠人工主动修复方法才能解决问题。治理污染土壤通常成本较高、治理周期较长。

土壤中汞元素。土壤的汞污染主要来自于污染灌溉、汞冶炼和使用汞原料厂的排放、含汞颜料的应用、含汞农药的施用等。土壤中汞以无机态与有机态存在,在一定条件下互相转化。在土壤微生物作用下,汞可发生甲基化反应,形成脂溶性的甲基汞,可被微生物吸收、积累,而转入食物链造成对人体的危害。汞对人的危害主要表现在以甲基汞的形式通过食物链进入人体,并在人的中枢神经系统中富集,造成神经错乱、牙齿脱落、骨骼疏松等症状,如水俣病。

土壤中镉元素。镉主要来源于镉矿、镉冶炼厂。常与锌共生,冶炼锌是镉进入环境中的一个重要途径。土壤中镉的存在形态大致可分为水溶性和非水溶性镉两大类。离子态和络合态的水溶性镉CdC12等能被作物吸收,对生物危害大,而非水溶性镉CdS、CdCO3等不易迁移,不易被作物吸收,但随环境条件的改变二者可互相转化。镉对农业最大的威胁是产生 “镉米”、“镉菜”,使人得骨痛病。另外,镉会损伤肾小管,出现糖尿病,还引起血压升高,出现心血管病,甚至致癌、致畸。

土壤中铅元素。铅是土壤污染较普遍的元素。污染源主要来自汽油添加抗爆剂烷基铅,随汽油燃烧后的尾气而积存公路两侧百米范围内的土壤中。另外,铅冶炼厂、铅采矿场等也是重要的污染源。一般进入土壤中的铅在土壤中易与有机物结合,极不易溶解,土壤铅多发现在表土层,表土铅在土壤中几乎不向下移动。铅对植物的危害表现为叶绿素含量下降,阻碍植物的呼吸及光合作用。铅对人的危害则是累积中毒。人体中铅能与多种酶结合从而干扰有机体多方面的生理活动,导致对全身器官产生危害。

土壤中砷元素。砷常和有色金属矿石伴生,冶炼过程是砷元素进入环境的主要途径。其次含砷农药、燃煤也是主要来源。土壤中砷大部分为胶体吸收或和有机物络合或与土壤中铁、铝、钙离子形成难溶化合物,或与铁、铝等氢氧化物共沉淀。pH和电动势值影响土壤对砷的吸附。pH值高砷吸附量减少而水溶性砷增加;在氧化条件下,大部是砷酸,易被胶体吸附,增加了土壤固砷量。随电动势值降低,砷酸转化为亚砷酸,促进砷的可溶性,增加砷害。砷对植物危害的最初症状是叶片卷曲枯萎,进一步是根系发育受阻,最后是植物根、茎、叶全部枯死。砷对人体危害很大,它能使红血球溶解,破坏正常生理功能,甚至致癌等。

2 土壤重金属污染治理技术及研究方向

2.1 原位修复技术

2.1.1 植物修复法

利用植物把土壤中的污染物进行吸收、转移、聚集或降解。这包括了在植物的影响下(根茎范围内)所发生的有利于污染物质清除的一切生物作用、化学作用和物理作用。植物可把有毒的有机化合物进行矿化,还可把重金属元素和其它无机物从土壤中吸收并富集到地面上。

尽管植物土壤重金属修复具有投资少,不破坏场地结构,不引起地下水二次污染,能在修复污染土壤的同时清除其周围大气或水体中污染物,美化环境,防止地表风蚀、水蚀,易被社会接受[2],但修复周期较长,这使该技术的工程应用受到很大限制。如何提高植物的吸收效果、缩短修复周期是当前最受关注的问题,而选育超积累植物、提高土壤中重金属的生物有效性则是改进植物修复的关键。为了提高植物修复技术的应用效果,目前改进的主要方向:首先,对植物种及其变种进行筛选,得到对某一具体重金属污染物具有超级修复潜力的植物;第二,采用基因工程技术改造植物以获得理想的超积累植物;第三,通过农艺措施优化修复过程,如调节pH值、施用肥料及螯合剂[3]。

2.1.2 微生物修复法

微生物修复是指利用天然存在的或所培养的功能微生物群,在适宜环境条件下,促进或强化微生物代谢功能,从而达到降低有毒污染物活性或降解成无毒物质的生物修复技术。

重金属污染土壤的微生物修复原理:土壤微生物种类繁多、数量庞大,是土壤的活性有机胶体,比表面大、带电荷和代谢活动旺盛,在重金属污染物的土壤生物地球化学循环过程中起到了积极作用。微生物可以对土壤中重金属进行固定、移动或转化,改变它们在土壤中的环境化学行为,可促进有毒、有害物质解毒或降低毒性,从而达到生物修复的目的。因此,重金属污染土壤的微生物修复原理主要包括生物富集(如生物积累、生物吸着)和生物转化(如生物氧化还原、甲基化与去甲基化以及重金属的溶解和有机络合配位降解)等作用方式。

微生物修复是最具发展和应用前景的生物修复技术。微生物修复技术具有:投资不高、不破坏场地结构等特点,同时也是最为广谱的一种土壤修复方式。但不同细菌的适应性和特异性,决定了技术运用较为复杂。同时修复完成后对区域的生态风险难以评估。为提高微生物修复技术的运用领域,应对以下问题进行进一步研究:①挖掘高效的微生物资源,对生物降解途径进行深入研究;②对土壤微生物修复过程进行生态风险评估,并且制度化;③加强微生物修复和其他修复方式的结合。

2.1.3 隔离法

隔离法是采用粘土或其它人工合成的惰性材料,将重金属污染的土壤与周围环境隔离开来,该方法并没有破坏重金属类污染物,只是防止污染物向周围环境(地下水、土壤)的迁移,由于重金属物质对隔离系统不会产生影响,所以该方法适合于任何重金属污染土壤的控制。对于渗透性差的地带,尤其比较适用。此法与其它方法相比,运行费用较低,但对于毒性期长的重金属,只是暂时地防止了物质的迁移,不能作为永久的治理方法,并且存在着土壤周围的环境条件发生变化时,二次污染的风险。

隔离法的处理成本高,工作量大,并只能处理小面积污染的土壤。该方式运用领域较为局限,运用实例也较少。

2.1.4 化学氧化法

化学氧化法是向重金属污染的土壤中喷洒或注入化学氧化剂,通过对重金属的吸附、氧化还原、拮抗或沉淀作用,以降低重金属的生物有效性。该技术关键在于选择经济有效的改良剂,常用的改良剂有石灰、沸石、碳酸钙、磷酸盐、硅酸盐和促进还原作用的有机物质,不同改良剂对重金属的作用机理不同。施用石灰或碳酸钙主要是提高土壤pH值,促使土壤中Cd、Cu、Hg、Zn等元素形成氢氧化物或碳酸盐结合态盐类沉淀。如当土壤pH>615时,Hg就能形成氢氧化物或碳酸盐沉淀。利用一些对人体无害或有益的金属元素的拮抗作用,也可以减少土壤中重金属元素的有效性。化学修复是在土壤原位上进行的,简单易行。但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。

2.1.5 电动修复

电动修复是通过电流的作用,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,然后进行集中收集处理。研究发现,土壤pH、缓冲性能、土壤组分及污染金属种类会影响修复的效果。该方法特别适合于低渗透的粘土和淤泥土,可以控制污染物的流动方向。在沙土上的实验结果表明,土壤中Pb、Cr等重金属离子的除去率也可达90%以上[4]。电动修复不搅动土层,并可以缩短修复时间,是一种经济可行的修复技术,得到了较为广泛的应用。

2.2 异位修复技术

2.2.1 土壤洗涤法

土壤中重金属存在的形态可分为两大类: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。土壤淋洗是利用淋洗液把土壤固相中的重金属转移到土壤液相中去,再把富含重金属的废水进一步回收处理。

土壤洗涤法成本较高,且操作较复杂,如异位化学淋洗。该方法是将挖掘出来的污染土壤与淋洗液混合,投加到淋洗反应器中,并控制在一定条件下,通过搅拌等外力的辅助,使污染土壤和淋洗液发生作用,待土壤中的大部分污染物转移至液相后,将洗过的土壤分离出来,回填或作深度处理,富集了污染物的淋洗废液经处理后排放或回用。异位化学淋洗修复污染土壤时,通常要先进行粒度分级再分别加以处理。污染物的种类不同,在不同粒径土壤上的吸附量和吸附强度也不相同,大部分污染物强烈吸附于粘土和粉砂等细小土壤颗粒上,而此类土壤颗粒又通常只占很小的一部分,且这部分土壤颗粒又易于粘附到砂和砾石等粗土壤颗粒上。因此,粒度分级的首要目标就是将污染土壤中的细小颗粒分离开,以利于对其进行深度化学淋洗,剩余大部分土壤则可通过简单淋洗后回填或异地处置。

目前,异位化学淋洗修复重金属污染土壤的工程应用还远远落后于实验室研究,要实现其广泛的工程应用,还有一系列的技术问题需要解决。随着相关研究的逐步深入,该技术修复重金属污染土壤一定会向着实用化的方向快速发展。

2.2.2 焚烧法

焚烧法是利用重金属遇热挥发的特点,在温度为1000～1200℃的条件下焚烧(回转窑)污染的土壤,使重金属物质通过燃烧的方式变为气体而脱离土壤本体,进而去除重金属污染物,达到修复土壤的目的。鉴于重金属的挥发温度各异,焚烧法在处理重金属污染土壤时局限性较大,且成本高,防止二次污染难度大。该方式更适宜用于有机类土壤污染。

2.2.3 换土法

换土法是用新鲜的未污染的土壤替换或部分替换原来的污染土壤,以稀释原污染土壤中污染物的含量,增加土壤的自净容量,利用环境自身的能力来消除残余的污染物。换土法又可分为翻土、换土和客土三种方法。翻土就是深翻土壤,使聚集在表层的污染物分散在土壤的深层,达到稀释和自处理的目的。换土就是将污染的土壤取走,换入新的干净土壤。该方法适用于小面积严重污染且污染物又易扩散难分解的土壤治理,需要对换出的土壤进行治理。在操作过程中,操作人员可能直接接触到污染的土壤,可能会直接导致污染物对人的危害。因此,人工费用比较高,一般适用于事故后的简单处理。客土法是向污染土壤内加入大量干净的土壤,覆盖在表层或混合均匀,使污染物含量降低或减少污染物与植物根系的接触。对于水稻类等浅根作物和移动性较差的污染物,采用覆盖法较好。新加入的客土应尽量选择粘质或有机质含量高的土壤,以增加土壤的环境容量,增强土壤的自净能力,减少客土量。

2.3 农业种植结构调整和技术革新

农业种植结构调整不是一种土壤修复的手段,而是为目的服务的一种技术手段。不同作物对重金属元素的富集特性有较大差异,同时作物的可食部分重金属含量也存在差异。通过了解污染区域重金属元素特性,有针对性地选择对造成该区域污染的重金属元素不敏感的作物进行种植,可有效减少重金属通过食物链向人体的迁移。目前,该技术在农业生产区域已得到较为广泛的运用,在选择低富集作物的同时,结合控制土壤酸碱度、施加改良剂降低重金属活性,轮作和间作农艺等措施可更有效地控制重金属的迁移。

在重金属污染农业种植区域调整农业种植结构是一种较为易行、有效的控制手段,适宜于污染面积较大、污染程度不重的地区。该方式规避了重金属污染向人体的迁移,但未从根本上消除土壤污染。

3 结束语

综上所述,治理土壤重金属污染的技术手段很多,但都具有一定的局限性。工程措施处理土壤污染,受到经费和技术手段的制约,难以做到大规模处理。在处理后,会导致土壤结构破坏、生物活性下降和土壤肥力退化。采取农业种植结构调整的措施规避土壤污染迁移,不能从根本上解决土壤污染问题。

植物修复和微生物修复是一项新兴的高效修复技术,具有良好的社会、生态效益,并且易被公众接受,因此具有广阔的应用前景,也逐渐成为国内外在土壤修复方面研究的重点。此外,联合修复也是实际修复案例中较为常用的一种方式,根据修复区域的具体情况,采用2～3种修复手段,可达到修复效率、修复效果、修复经费的最优化。

[1]本规划编制组.云南省矿产资源总体规划[R].昆明:云南省人民政府,2000.

[2]杨景辉.土壤污染与防治[M].北京:科学出版社,1995.

[3]邢前国.重金属污染土壤的植物修复技术[J].生态科学,2003,22(2).

[4]崔德杰.土壤重金属污染现状与修复技术研究进展[J].土壤通报,2004,35(3).

Status of Soil Contam ination by HeavyM etals and Study on Remediation Techn iques in Yunnan

GU Ji2cang,ZHAO Juan
(Yunnan EnvironmentalMonitoring Center,Kunming Yunnan 650034 China)

The status of soil contamination by heavy metals in Yunnan province is reviewed as well as the har m.Several popular soil remediation techniques are introduced.The advantages and disadvantages of these methods and their development trends are discovered.The phytoremediation and microbial remediation and joint remediation will be the main research trend of soil treatment.

soil contamination;heavy metal;remediation technique

X53

A

1673-9655(2010)05-0068-04

2010-08-18