不同类型矿物材料修复重金属污染土壤的研究进展

张宝强 孙婴婴

0 引言

重金属大概有 45 种，其中较为典型且毒性较强的有 5 种，分别为 Cd、Pb、Cr、Hg、As。重金属主要来源于农业污染、工矿业污染、生活污染、自然源[1]。土壤农业重金属主要由于化肥和塑料膜的使用、污水的灌溉等产生。工业排出的废水占污水总量的60%～80%，其基本都含有不同含量的重金属。生活污泥中重金属的含量较高，长期的使用会导致区域性的土壤重金属含量过高[2]。采矿、冶炼、等工矿企业将未经处理的废气、废水等排放到环境中会对区域土壤产生重金属污染，使得重金属的含量远超过当地土壤环境的背景含量[1]。自然源主要是由成土母质中化学元素的最初含量所决定，不同种类的母岩所形成的土壤中重金属的含量和形态也存在着不同[3]。

1 土壤重金属污染的危害

土壤重金属的污染有着持久性、不可逆性、隐蔽性、潜伏性等特点。当重金属进入生态系统后会在土壤、水体以及有机体中富集，土壤遭受重金属污染后会对农副产品的质量及产量产生影响，最终通过食物链进入人体严重危害人类的身体健康。农用地中重金属含量过高会影响土壤微生物的活性，进而影响植物的光合作用及正常生长，导致农作物的减产和质量下降并提高了重金属在食物链中的污染风险[4]。有研究表明，农作物体内重金属含量过高时会影响其对铁、镁、钙等营养物质的吸收[5]。同时，土壤重金属含量过高也会影响土壤中的脊椎类动物种类和数目，导致土壤生物群落性降低，进而影响土壤的透气性等[6]。

2 矿物材料对重金属修复的进展

目前国内外学者就重金属污染土壤修复问题，使用的矿物材料类钝化剂主要有：天然矿物钝化剂，如：蒙脱石、沸石、凹凸棒石、褐煤等[7-8]；固体废弃物，如：粉煤灰、煤矸石、城市污泥、磷矿粉等[9-10]；该类矿物材料作为重金属钝化剂施入土壤后，不仅改善了土壤的理化性质，补充了养分，还通过矿物材料的吸附、沉淀、离子交换等途径使得重金属由原来的游离态转变为有机结合态和残渣态等稳定形态，使得重金属的移动性和生物可给性得到降低。

2.1 天然矿物材料对重金属的修复

施用含钙镁等化合物的天然矿物材料可以提高土壤的pH 值，增强土壤粘粒、铁锰氧化物、有机质等所带有的负电荷，提高了土壤与重金属离子之间的亲和力，加强了土壤对重金属的吸附能力，使得土壤中的重金属与 CO3-或 OH-离子产生沉淀[11-12]。将矿物材料作为钝化剂不仅增加了土壤中Ca2+和Mg2+的含量，同时还使得Ca2+和Mg2+与土壤中的重金属产生拮抗作用，从而减少了植物体对重金属的吸收。有机类矿物褐煤、泥炭、风化煤等所含有的羟基、氨基、羧基等配体，能够与重金属形成络合物，使得重金属的生物有效性得到降低。粘土矿物作为土壤胶体的重要组成部分，其比表面积和离子交换量相对较大，且稳定性高，对重金属具有极强的吸附性[13]。

2.2 固体废弃物对重金属的修复

烧锅炉时产生的固体废物粉煤灰含有大量的硅、铝、铁等氧化物，，根据粉煤灰表面孔隙多、比表面积大等的性质，进行物理化学吸附、离子交换、产生沉淀等可修复水中的重金属。煤矸石是与煤伴生的一种固体废弃物，主要矿物含量为粘土岩、碳酸盐岩类等，煤矸石的无机矿物成分是铁、镁、铝等的氧化物；煤矸石含有的粘土矿物、碳酸盐、铁镁氧化物等，与重金属离子进行离子交换、化学沉淀等，从而达到对重金属的吸附效果。磷灰石与铅反应后能够形成稳定的氟磷铅矿，是其修复铅污染物的主要机理，因此多应用于重金属铅污染土壤的修复；粉煤灰等固体废弃物形成的活性硅溶胶体易于土壤重金属发生吸持或共沉淀作用，从而降低重金属的活性，减少其对生物的可给性。

3 展望

矿物材料和固体废弃物在修复重金属污染土壤的应用中，具有材料成本低、操作简便、原位修复、环境友好不会产生二次污染等优点。因此，在利用矿物材料和固体废弃物修复重金属污染土壤中具有一定的发展潜力和良好的应用前景。目前国内外对于矿物材料和固体废弃物修复重金属的研究多处于实验室试验阶段和田间试验阶段，缺乏修复效果的长期性和实际应用方面的研究。因此，在未来的研究中应从实际应用出发，进行修复效果的长期性研究，将最终的研究结果尽早的应用到实际生产生活中去，对修复效果及环境效应进行长期的追踪，获取长期有效和可行的修复材料，为未来重金属污染土壤的修复提供可靠依据。