土壤重金属污染修复技术比较研究

向捷　陈永华　向敏　廖佳

摘要在概述土壤重金属污染的来源、特点、危害的基础上，较系统地介绍了我国土壤重金属污染现状，阐述了重金属污染土壤各类修复技术的概念、原理，并且对比研究了物理修复技术、化学修复技术和生物修复技术的优缺点，最后展望了我国土壤重金属污染修复技术的发展趋势、研究方向，以期为我国土壤重金属污染土壤的修复以及该领域的深层次研究提供参考。

关键词重金属污染；土壤；修复技术

中图分类号S156文献标识码A文章编号0517-6611（2014）22-07367-03

26密度大于4.0 kg/m3或大于5.0 kg/m3的金属元素被称为重金属，前者约60种，后者约45种，如铜、铁、锰、锌、汞、铅、镉、镍、铬、钴等。生态环境污染方面所指的重金属是指对生物毒性显著的元素，如汞、镉、铅、铬以及类金属砷等。从毒性角度出发，通常把锂、铍、硼、铝、锌、铜、钴、镍、锡等也归为重金属范畴[1-2]。随着人口数量的快速增长以及农业生产现代化的不断推进和现代化工业的高速发展，越来越多的重金属进入土壤，使得土壤重金属污染愈发严重。土壤重金属污染已成为亟待解决的世界性问题和难题。按照生化性质的差异，土壤中的重金属元素可分为两大类：一类是生物体维持正常生理活动所必需的元素，但若其浓度超过一定阀值，则会导致生物体中毒，如铜、锌等；另一类是生物体正常生理活动非必需的元素，即有害元素，如镉、汞、铅等。

不同于水体污染、大气污染、固体废弃物污染，土壤重金属污染危害具有隐蔽性、滞后性、长期性、不可逆性等特点。重金属元素在土壤中不断积累，导致土壤退化、农作物减产，并且通过大气、水体或食物链直接或间接地进入并蓄积在生物体内，造成机体生理代谢活动紊乱，进而严重危害人类健康和生命安全。日本发生的骨痛病和水俣病等公害病震惊世界，就是分别由重金属镉、汞污染引起的。因此，关注土壤重金属污染的来源、危害，采取有效的防治手段，具有重要的现实意义。

1土壤重金属污染现状

1.1 土壤重金属污染的来源土壤重金属的来源可分为自然来源和人为来源。自然来源主要指成土母质，因其中含有一定量重金属，所以成土过程会影响土壤中重金属含量及分布[3]。人类活动是土壤中重金属的主要来源，主要包括工农业生产和城市生活，如煤和石油的使用、工业“三废”的排放、污水农用灌溉以及农药化肥的使用、机动车尾气排放、区域内垃圾堆放、大气干湿沉降等。

1.2 土壤重金属污染的特点土壤污染不同于大气和水体污染，其带来的危害性更大。土壤重金属污染不仅无法通过土壤本身固有的生化作用得到减轻，而且这些重金属甚至能较长时间地蓄积于土壤环境中，污染面积大，难以消除，时滞效应长，危害大，经作物吸收后进入食物链，进而危害人类健康。

相关资料显示，我国约1/5的耕地受重金属污染，总面积接近0.1亿hm2，明显或重度污染的农田面积已达22.67万hm2[4]。我国每年被重金属污染的粮食达1 200万t，由土壤重金属污染导致的粮食减产超过1 000万t，合计经济损失至少200亿元[5]。农业部调查资料显示，我国污灌区面积约140万hm2，遭受重金属污染的土地面积占污染总面积的64.8%，其中严重污染面积占8.4%，中度污染面积占9.7%，轻度污染面积占46.7%，同时Hg、Cd污染面积最大。全国目前约有11个省市的25个地区的耕地遭受Cd污染，约1.3万hm2；约15个省市的21个地区的耕地遭受Hg的污染，约3.2万hm2[6]。由于土壤环境的复杂性、多样性，土壤一旦受到污染，其治理将会受到多种因素的制约，治理周期长且费用高昂。

1.3 土壤重金属污染的危害当有害重金属在土壤中的含量积累到一定程度时，会对土壤生态系统产生毒害作用，导致土壤退化、农作物减产降质。另外，由于地表径流、淋洗等作用，重金属会迁移至地下，造成地下水污染，并通过接触和食物链等途径危及人类生命安全[7]。

从目前重金属污染调查情况来看，我国土壤重金属污染形势不容乐观。有调查资料显示，近年来华南地区部分城市有50%的农田遭受Cd、As、Hg等有毒重金属污染[8]；西江流域遭受重金属污染的土地面积达0.55 km2/km2，污染率超过50%，其中，Hg的污染面积达1 257 km2，污染深入地下40 cm土层；在东南部的某些地方，Cu、Zn、As、Hg等重金属含量超标的土壤面积占总污染面积的45.5%。江苏省某丘陵地区在14 000 km2的范围内Cu、Pb、Hg和Cd等的污染面积达35.9%，南京城市土壤也受到不同程度的Pb、Zn、Mn、Cu、Cr污染，其中Pb污染尤为严重[9]；西南、西北、华中等地区也存在较大面积的Hg、As等重金属污染土壤。在全国范围内，一些涉重金属的企业及周围的耕地早已不适合继续耕种。

2土壤重金属污染修复技术分类与比较

常用的土壤重金属污染修复技术按照学科分类，可分为物理修复技术、化学修复技术和生物修复技术。其治理途径主要体现在以下3个方面：①降低土壤中重金属浓度，如稀释法；②降低重金属在土壤中的迁移性，如重金属固化/稳定化技术；③清除土壤中重金属[10]，如植物修复。

2.1物理修复技术早期的治理土壤重金属污染的方法主要是物理法，比如翻土法、换土法。随着科学技术的进步，又产生了电修复法、热处理法。

翻土法是指通过深翻土壤，上下层土壤混合，从而使得表层土壤中重金属污染物分散到更深的土层，达到降低耕作层中重金属含量的目的。换土法是指对于面积较小的重度污染区，用干净土壤替换受重金属污染的土壤。该法需妥善处理换出的污染土壤，以防二次污染。翻土法、换土法和隔离法虽能有效降低表层土壤中重金属含量，但只是使污染物发生了转移，治标不治本。电修复法是一种原位修复技术，指将若干电极直接插入污染土壤中，然后通以微弱直流电，形成直流电场，在电场作用下土壤中的金属离子（如Cu、Cr、Pb、Cd、Ni、Zn、Mn等）发生定向迁移，并且富集在电极附近，最后对其进行集中处理或分离。在整个过程中，主要的物质迁移有自由扩散、电泳运动、电渗析和电迁移等。郑喜坤等[11]沙土试验表明，该法能去除土壤中90%以上的Pb2+、Cr3+等重金属离子。实验证明，对被铅、铜污染的泥炭土每天通电10 h，43 d后铅、铜去除率分别可达70%、80%[12]。夏星辉等[13]研究发现，运用电修复法去除土壤中的Cr6+效果良好，并且当电修复法与水力淋滤法联合使用时，去除土壤中Cr的速度比运用其他单一方法均要快。热处理法是指通过高频电压释放电磁波产生的热能加热土壤，将重金属从土壤中解析出来，并且进行收集处理[14]。但，该法只适用于收集易挥发的重金属污染物，如Hg、As。有研究表明，应用热处理法可使砂性土中Hg含量15 000 mg/kg下降至0.07 mg/kg，黏土中Hg含量从900 mg/kg下降至0.12 mg/kg，壤土中Hg含量从225 mg/kg下降至0.15 mg/kg，而且回收的汞蒸汽纯度可达99%。主要的物理处理方法的优缺点见表1。

2.2化学修复技术化学修复是通过对土壤中的重金属进行吸附、溶解、沉淀、氧化还原、络合螯合等来降低土壤中重金属迁移性或生物有效性的方法。常用的重金属污染土壤化学修复技术主要包括固化法、稳定化法、淋洗法、改良法。