重金属污染土壤原位修复技术进展

卢利清+叶常茂

摘 要：土壤重金属污染严重影响农作物产品的安全，重金属污染土壤修复一直是人们关注的重点。重金属污染土壤原位修复技术是指不经挖掘转移土壤，直接在污染场地就地进行修复的土壤修复技术，其具有处理成本低、对周边环境影响小的特点，是土壤修复的热点。该文对重金属污染土壤原位修复技术进行了总结，并针对重金属污染土壤原位修复一些新技术进行了介绍。

关键词：土壤；重金属污染；原位修复

中图分类号 X53 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2017）21-0069-03

Current Progress on in Situ Remediation of Heavy Metal Contaminated Soil

Lu Liqing et al.

（Patent Examination Cooperation Center of the Patent Office，Sipo，Guangdong，Guangzhou510530）

Abstract：Heavy metal contamination in soil is seriously threating the grain production and food safety and remediation of heavy metal in soil is of great concern. Soil in situ remediation treats the contaminated soil without excavation and transformation. It has the advantages of low investment and has small impact on the surrounding. In this paper，some new technologies of in situ soil remediation are introduced.

Key words：Soil；Heave metal contamination；Situ remediation

由于工業“三废”的排放和不合理的农业生产活动，导致我国土壤环境中的重金属污染日趋严重。据统计，我国受镉、砷、铅等重金属污染的耕地面积近2000万hm2，约占总耕地面积的1/5；重金属污染对我国粮食生产造成了巨大经济损失。重金属污染物一般具有较强的生物毒性，一旦进入土壤环境就长期累积，难以清除，不仅影响周围环境的生态安全，还可以通过直接接触和食物链等途径，严重威胁人体健康和食品安全。因此，治理土壤重金属污染已成为一个亟待解决的环境问题。原位修复因其操作和成本上的优越性，在面源重金属污染治理中是首要选择。

重金属污染土壤原位修复技术包括物理修复、化学修复、植物修复、微生物修复、联合修复等。

1 物理修复

物理原位修复重金属污染土壤方法包括客土法、深耕翻土法等。客土法是指将干净的土壤与污染土壤混合，以降低污染土壤中重金属浓度。深耕翻土法，通过深翻污染土壤使重金属分散到底层从而降低了重金属的浓度[1]。

2 化学修复

化学修复技术包括化学钝化修复、化学清洗修复和电动修复等。原位化学钝化修复技术是以化学物质作为反应剂，将土壤中的有害物质变为低毒或相对稳定的物质，降低其对环境的危害。该技术的机理主要是通过化学试剂与重金属污染土壤发生沉淀、吸附、离子交换、腐殖化以及氧化还原等一系列反应，进而改变重金属的赋存形态，显著降低其生物有效性和可迁移性。该方法具有简便、效果好和经济实用等优点而受到人们 的普遍重视，尤其适用于修复大面积污染土壤。常用的化学钝化剂包括有：水泥、石灰、矿渣等无机粘结剂，沥青等有机粘结剂，酚醛和环氧等热硬化有机聚合物，玻璃质物质，磷灰石、蒙脱石等粘土矿物等。有较多的研究报道水泥、石灰、粉煤灰、磷灰石、 沸石、蒙脱石、凹凸棒土、高岭土、蛭石、海泡石、铁锰氧化物、硅酸盐、钢渣、堆肥、赤泥、纳米吸附材料（如纳米羟基磷灰石、改性纳米炭黑、纳米零价铁等）等通过吸附、氧化还原、结晶等物理化学作用固定重金属污染物，降低其活性[2-4]。

原位淋洗技术利用化学溶剂淋洗去除土壤污染物，通过淋洗剂与土壤污染物结合，并通过溶解、解吸或螯合等作用，使重金属形成可迁移态化合物，再处理含污染物的废水和废液。淋洗剂主要有以下几种：酸类（包括盐酸等无机酸和柠檬酸等有机酸）、碱类（如NaOH）、盐类（如磷酸二氢钾等）、螯合剂（如EDTA等）、表面活性剂类等[5]。

电动修复是将电极插入污染主壤并接入直流电，电解产生大量H+，使附着于土壤颗粒上的重金属离子被替换下来，然后游离状态的重金属离子在电场作用下定向移动并在电极附近积聚，最后将重金属离子抽出处理，进而修复污染土壤[6]。电动修复法具有高效、无二次污染、节能、原位修复特点，故被称为“绿色修复技术”。

3 植物修复

植物修复是指利用植物根系对重金属离子进行活化、吸收，然后转移到植物的地上部分，进而进行集中回收并处理，植物修复技术虽然因其操作简便和环境友好而受到广泛关注。重金属污染土壤的植物修复技术根据其机理可分为植物稳定、植物挥发、植物提取3种类型。植物稳定是利用耐重金属植物降低土壤中有毒金属的移动性，例如，印度芥菜（B.juncea）的根能使有毒的生物有效的Cr6+还原为低毒的、无生物有效性的Cr3+[7]；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，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[8]；植物提取是指利用重金属超积累植物从土壤中吸取一种或几种重金属，并且将其转移、贮存到地上部分，随后收割地上部分集中处理，属于这类重金属超累积的植物研究已有很多。已发现的典型超积累植物有Streptanthus polygaloides，Alyssum pintodasilvae和Alyssum mark-graffii富集镍，Brassica napus富集锌，Arabidopsis halleri富集锌和镉等。我国也陆续找到了一些重金属超富集植物包括蜈蚣草、宝山堇菜、蜀葵、龙葵、圆锥南芥、天胡荽等[9-10]，多数重金属超富集植物只能积累1～2种重金属，而实际情况大多为重金属复合污染，因而寻找多种重金属超富集植物是进一步研究的方向。endprint

4 微生物修复

污染土壤的微生物修复技术是利用天然驯化或者人工构建的微生物群落或其产生的代谢产物使土壤中的污染物进行降解和转化，微生物修复技术是实现环境净化、生态效应恢复 的生物措施，是重金属污染土壤的环境友好型治理技术。微生物修复土壤重金属污染的机理主要包括表面生物大分子吸收转运、生物吸附、细胞代谢、空泡吞饮、沉淀和氧化还原反应。微生物修复技术中较常使用的微生物主要有细菌、真菌、放射菌、藻类等[11]。由于微生物对生存环境条件要求较严格，对于环境变化的耐受力不强，因而驯化筛选或通过基因重组等获得耐重金属浓度的菌种，提高菌群稳定并具有高的毒物负荷是微生物修复的研究方向，很多研究也集中在采用复合的菌群对重金属污染土壤进行修复。如，刘学端等[12]提出将包括隐性嗜酸杆菌、皱褶假丝酵母菌、固氮醋酸杆菌、粘红酵母菌和铜绿假单胞菌的微生物富集物菌液喷洒至镉污染耕地中进行修复。

5 联合修复新技术

传统修复技术都有不同程度的局限性。客土法、翻土法治标不治本，且二次污染风险大，电动修复技术只适用小面积污染，现场操作难度大并且不适用于渗透性较高、传导性较差的土壤；化学修复技术易破坏土壤、有的需要废液处理，成本高；植物修复技术耗时较长、高浓度污染水平不利于植物生长；微生物处理要考虑菌株的筛选，环境对微生物的变异作用等。同时，王壤污染并非只有单一重金属污染物，大多含有多种重金属污染，处理难度大。为解决这一问题，发挥不同修复技术的优点，发展联合的土壤修复技术就成为当前土壤污染修复的热点研究方向，以下介绍几种原位修复的新技术。

郭红岩[13]提出种原位淋洗-深层固定-植物修复联合修复重金属污染土壤修复方法，深耕土壤加入固定剂石灰，然后施加三氯化铁淋洗剂，石灰与三氯化铁反应生成具有絮凝作用的氢氧化铁使重金属在深层固定，最后种植柳树收割，完成对金属污染土壤的修复。

曹平[14]提出构建植物菌根蚯蚓微生态系统，在污染区域在中选择菌根易侵染的植物，接种地表球囊霉，待菌根真菌侵染植物根系后，接种蚯蚓，通过对植物—菌根—蚯蚓微生态系统的设计与原位“栽植”、建立土壤重金属原位钝化和定点修复的技术，最终达到修复农田土壤重金属污染的目的。

魏俊富等[15]提出一种种镉污染稻田原位快速修复的方法。向镉污染稻田水中喷洒络合剂水溶液，进行旋耕混合，镉离子从污染土壤中原位络合溶出到稻田水中，迅速在稻田中投入具有更强螯合作用的螯合功能非织造布并不断移动使其充分竞争吸附，重金属镉从液相水溶液中转移到非织造布上，之后将非织造布取出，络合剂同时得到释放再生操作简单、成本低、修复效果高、修复周期短等。

Lingua等[16]等通过在重金属污染土壤定植有丛枝菌根真菌AMF的成熟杨树树（Populus alba L.），AMF与宿主植物检疫良好共生关系，AMF能夠将重金属离子转移至叶片中并改变植物细胞内的代谢过程，从而提高植物对重金属的耐受性。植物与微生物的联合修复环境友好、不会造成土壤二次污染且修复效率高等特点，在重金属污染土壤的治理方面展现出了广阔的应用前景。

LIU XUEMEI等[17]提出生态堆修复有机物和/或重金属污染土壤的方法，结合添加固定化微生物菌群的强化修复、种植植物的植物修复、生物堆修复三者进行环境修复，包括以下步骤：（1）环境特异的微生物菌群组合，由污染基质中的土著污染物降解菌、植物促生菌和/或能产生生物表面活性剂的微生物组成；（2）基质预处理；（3）生态堆的建设；（4）在生态堆顶部播种修复植物。（下转87页）（上接70页）该方法实现了目前国际上主导的绿色可持续性的修复。

5 结语

土壤重金属原位修复涉及具体的污染情况、土壤环境，地质条件等，处理复杂，没用毫无缺陷的通用方法。土壤重金属污染的防治和解决将是一个长期性的艰巨问题。从环境预防的角度出发，各国政府应该不仅制定严格的环境保护法规，而且要落到实处，切实杜绝新的环境污染问题发生。从环境治理的角度，新型的高效经济的土壤修复技术有待进一步研究开发。

参考文献

[1]黄益宗，郝晓伟，雷鸣，等.重金属污染土壤修复技术及其修复实践[J].农业环境科学学报，2013，32（3）：409-417.

[2]陈梦舫.我国工业污染场地土壤与地下水重金属修复技术综述[J].中国科学院院刊， 2014，29（3）：327-335.

[3]Chen Q Y，Tyrer M， Hills C D，et al.Immobilisation of heavy metal in cement-based solidification/stabilization：A review[J].Waste Managet，2009，29（1）：390-403.

[4]成杰民.改性纳米黑碳应用于钝化修复重金属污染土壤中的问题探讨[J].农业环境科学学报，2011，30（1）：7-13.

[5]Dermont G，Bergeron M，Mercier G，et al.Soil washing for metal removal：A review of physical/chemical technologies and field applications[J].Journal of Hazardous Materials，2008，152（1）：1-31.

[6]李社锋，李先旺，朱文渊，等.污染场地土壤修复技术及其产业经营模式分析[J].环境工程，2013，31（6）：96-99.

[7]Salt DE，Blaylock M，Kumar NP，et al.Phytoremediation：A noval strategy for the removal of toxic metals from the environment using plants[J].Nature Biotechnology，1995，13：468-474endprint

[8]Watanabe ME.Phytoremediation on the brink of commercialization[J].Environment Science & Technology，1997，31（4）：182-186.

[9]汤叶涛，仇荣亮，曾晓雯，等.一种新的多金属超富集植物：圆锥南芥（Arabis paniculata L.）[J].中山大学学报：自然科学版，2005，44（4）：135-136.

[10]彭克俭，陈灿，姜苹红，等.多年生草本植物天胡荽在富集提取污染土壤中的镉及其他重金属中的应用.CN：104759455[P].2015-07-08.

[11]徐良将，张明礼，楊浩.土壤重金属镉污染的生物修复技术研究进展[J].南京师大学报（ 自然科学版），2011，34（1）：102-106.

[12]刘学端，柏连阳，刘宏伟等.一种基于微生物转化的镉污染耕地原位快速修复方法.CN：107020295[P].2017-08-08.

[13]郭红岩，王国兵，艾弗逊等.一种联合修复重金属污染土壤的方法.CN：107138511[P].2017-09-08.

[14]曹平.一种蚯蚓微宇宙系统修复重金属的方法.CN：106391683[P].2017-02-15.

[15]魏俊富，崔莉，孔志云，等.一种基于竞争吸附的镉污染稻田的原位快速修复方法.CN：104874601[P]. 2015-09-02.

[16]Lingua G，Bona E，Todeschini V，et al. Effects of heavy metals and arbuscular mycorrhiza on the leaf proteome of a selected poplar clone：a time course analysis[J].PloS one，2012，7（ 6）：e38662.

[17]XUMMEI LIU，KIERAN GERMAINE，DAVID RYAN，et al. A process for the remediation of hydrocarbons and/or heavy metal contaminated soil/sludge sediment.IES：20140311[P].2016-02-24. （责编：张宏民）endprint