矿物质钝化剂对重金属污染土壤的修复效益研究进展

叶胜兰 魏雨露

摘 要：随着社会的不断发展，农业经济的发展也在日益加快，同时也导致大量的污泥、废弃物质等进入到农田系统，土壤重金属污染的状态日趋严重。为了保障粮食安全、人民生活健康，大量专家学者开始寻找重金属污染土壤的修复方法。目前，矿物质钝化剂用于重金属污染土壤修复技术是一种新型且健康的恢复方式，并得到了广泛的关注。

关键词：

钝化剂;重金属污染;修复技术

中图分类号：S-3

文献标识码：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20200315007

前言

随着我国城镇化、工业化的快速发展和城市大量排放出的污泥、废弃物进入到周边农业生态系统，导致土壤重金属污染的情况变得日趋严峻;并且我国人口水量众多，形成了粮食的需求量与优质农耕地资源之间的激烈矛盾，因此，如何有效解决我国重金属污染土壤的问题已经刻不容缓。许多学者专家进行了大量的研究，发现土地修复的人工及费用过高，而植物修复的周期过长。对于目前重金属污染的土壤而言，需要切实有效且能保障作物安全生产的修复措施，而大量研究发现化学修复效果显著[1]。其中的化学钝化剂修复原理为：通过添加钝化剂至土壤中，让活化态重金属转为稳定态形式，避免了重金属的迁移及生物再利用性，从而实现重金属污染土壤的修复[2]。目前化学钝化修复技术存在许多优点，主要包括修复速率快、操作方便简单，这有利于中轻度重金属污染农田的大面积推广使用[3，4]。目前主要使用的钝化剂材料包括多种矿物质类、生物炭、有机物等，并且不同钝化剂针对不同污染物、不同土壤类型以及污染程度均有一定的差异[4]。在农田使用过程中，将钝化剂添加到土壤中，可改善土壤的某些理化性质，补给营养，同时还可通过元素间的吸附、沉淀、络合、离子交换和氧化还原等途径把活跃的可交换态重金属转变为有机物结合态和残渣态等比较稳定的化学形态，以降低重金属移动性及生物可给性[5]。

综合分析，重金属污染土壤修复将是长期、艰巨的任务，在考虑材料成本的同时要关注其对环境的友好性。目前，价格相对低廉且与环境协调性最好的材料是矿物质，尤其是非金属矿物在近年经常被用在土壤重金属的钝化剂上并取得良好效果[6]。矿物质本身具有一定的特殊性，用作钝化剂可明显加强土壤与重金属离子之间的亲和力，提高土壤对重金属的吸附和固定能力，减少重金属产生二次释放。矿物质中的白云石针对酸性土壤的重金属污染修复效果较好，并对有效态Zn、Cd和Pb有显著降低作用[7]。对于菜地土壤可选用海泡石将可交换态Cd含量降低约23.1%～41.2%，菜地种植的油麦菜、油菜和萝卜可食用部位的含Cd量降低幅度最大可分别达到51.8%、47.0%和 24.9%[8]。但仅施用一种矿物质钝化剂极易导致土壤中有机质加速分解，土壤中腐殖质不易累积，长时间添加还会造成土壤板结及微量营养元素缺乏等症状[5]。面对这些难题，需要研究者针对化学钝化修复技术在实际生产中出现的缺陷，做出相关的研究。其中，有机肥与钝化剂联合修复技术，可在提高土壤肥力，促进作物正常生长的同时提高修复效率，增加土壤重金属钝化修复的稳定性，能产生巨大的经济和环境效益[9]。还有研究发现，通过海泡石钝化剂和有机肥联合修复后显著降低小白菜根部和叶片中Cd的积累[10]。

1 矿物质钝化剂的类型

重金属污染土壤修复技术中常用的矿物质钝化剂的类型主要指以下3类：有机型、无机型及两者复合型。目前国内外的大多研究者主要致力于研究更为具体的矿物质钝化剂。第1大类，天然存在的矿物钝化剂，其中最主要的是指白云石、沸石、海泡石、石膏、石灰石、蒙脱石等无机型的钝化剂;第2大类主要是一些在工业上的固体废弃物质，主要包含磷石膏、粉煤灰、钢渣、城市污泥、脱硫石膏等。对于已经污染的土壤中添加一定量的钝化剂，可以为土壤提供一定的营养成分，有利于改善土壤的理化性质，并且这些钝化剂本身存在一些特殊性，如物理吸附作用、化学络合作用、不同种类离子的交换及氧化还原等化学反应，可将土壤中活跃的重金属离子轉变成为稳定的有机结合态或残渣态形态，最终降低土壤中重金属向地下水渗透或向植物转移。

2 矿物质钝化剂的重金属修复机理

钝化剂重金属修复技术的基本原理：在一定条件下，钝化剂可通过自身特殊性产生一定物理或化学的反应在金属表面形成一层致密氧化膜（钝化膜），这种膜能够有效增强金属的防腐能力。不同种类的金属所使用的钝化剂存在明显的差异，如浓硝酸能够促使铁和铝发生钝化现象，但对于其它种类的金属，浓硝酸可能就不会有这一作用。目前，土壤污染中较为严重且大面积的污染种类为重金属污染，这是我国目前土壤污染所面临的一个较为严峻的问题。当前形成土壤重金属污染特别是农耕地的污染的主要原因是农药的喷施、大气中漂浮的重金属元素的沉降和雨水、污染水体的肆意排放等。面对重金属对土壤造成严峻的污染问题且将进一步影响人类的身体健康这一重大问题，国内外许多研究者提出了不同的整治手段及治理工艺，主要包括工程手段、物理化学手段和生物手段。

3 矿物质钝化剂的重金属修复技术

天然矿物质钝化剂的种类繁多，而在这些矿物质中，大多数蕴含着丰富的氧化钙、碳酸钙及钙镁化合物等物质，这类化合物可通过提高土壤的酸碱度，增加土壤质地中粘粒含量、土壤中有机质含量及土壤颗粒表面的负电荷，这对土壤与重金属离子间产生强烈的亲和力有利，强化了土壤对重金属的吸持能力，减少了土壤中重金属元素的二次释放，同时氢氧根离子能同部分重金属生产沉淀[11]。矿物质中的Ca2+、Mg2+等会同土壤中的重金属离子产生拮抗作用，降低植物对重金属的吸收利用量[12]。另外，土壤胶体中的重要组成物质粘土矿物对重金属污染土壤的修复具有特殊意义，其能使矿物质更稳定，增大比较面积和离子的交换量，同时具有较强的吸附能力。因此，该类矿物质主要通过离子交换、吸附作用、置换等方法固定土壤中的重金属，降低其活性，减少在环境中的迁移转化。

工业固体废弃物质的再利用可有效减少垃圾堆放、排放。粉煤灰作为烧煤过程中的主要废弃物，含有大量的Si、Al、Fe、Ca等的氧化物，表面还具有吸附点位，因此可通过化学吸附、离子交换以及沉淀等方法去除重金属离子。

4 矿物质钝化剂的重金属修复意义

目前，有关矿物质钝化修复土壤重金属污染的研究较多，且多侧重于用1种或多种矿物质降低土壤中重金属的迁移性和生物有效性。但在实际应用中，施用有机肥对重金属钝化修复效应的影响研究较少，而在钝化修复中使用良好的农艺措施既可以促进修复效率的提高，又能增加土壤重金属纯化修复的稳定性。因此，研究有机肥对钝化修复效应和稳定性的影响，尽可能减少有机肥施用对钝化修复效率的不利影响，最大限度地发挥有机肥对钝化修复作用的协同强化作用，提高钝化修复效应及稳定性，对进一步推动农田重金属污染土壤修复研究与应用有着极为重要的理论价值和现实意义。

参考文献

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（責任编辑 常阳阳）