土壤重金属污染修复技术及展望

丁禺乔 柳晓光

（中国煤炭地质总局地球物理勘探研究院 河北保定 072750）

引言

伴随着我国飞速发展的农业工业水平，环境污染与生态破坏现象难以避免，产生的不良影响已危害到身体健康。以土壤污染为例，各种污染物伴随着地表径流以及地下水迁移，导致污染范围不断扩大，与此同时土壤污染所造成的环境影响又有一定的滞后性，往往通过耕地农作物，在食物链富集，最终影响到人类。据调查我国直接由重金属导致的农用耕地污染面积近超过2000 万平方公里[1]。相比于自然活动，例如地壳运动，人为活动所造成的土壤污染较为严重，上世纪中期，伴随着化学农药以及无机化肥的生产使用，不计后果的使用有农药化肥对土壤产生了一系列不可逆的危害。以土壤重金属污染为例，工业生产是其主要来源，过于快速的发展，使得工业生产与环境问题严重失衡，过快的经济发展掩盖了环境污染问题，部分工业废水未经处理沉入地下水进而迁移，剩余废水汇入地表径流，污染农田灌溉用水，进而危害人类生活。农作物生长受土壤肥力以及土壤成分的影响，长期的土壤重金属污染会导致土壤肥力逐渐下降，另外，重金属可能直接影响农作物种子发芽、生根，从而直接或间接导致作物减产，引发粮食问题。

1 土壤重金属污染来源及危害

我国土壤重金属污染地区主要分布在工业核心区域，包括长江经济区、珠江经济区，总体来看，南方污染情况较北方严重。重金属来源主要分为两方面：人为因素和自然因素。自然因素较人为因素产生的影响较轻，伴随地壳运动，地质发生变化，矿物风化，地表径流以及大气迁移产生，此类因素产生影响较小。人为因素是土壤重金属污染的主要来源，近现代我国工矿业发展迅速，各类矿石、煤炭原材料开发量巨大，废弃尾渣露天无序堆放，经过雨水沉降作用进入地表径流；研究表明在矿场、钢制厂、火力发电厂及重工业区周边的土壤重金属检测值明显高于非工业区域。重金属元素大多为人体非必须元素且多数为有害元素，人类长期食用重金超标食物，或是饮用超标饮用水，均会损害人体健康。

2 土壤重金属污染修复技术

上世纪以来，土壤重金属污染治理始终作为国内外研究的热点[2]。但其最有效的治理方法为源头防控，而对于已造成的土壤污染问题，优先选择绿色修复技术，而目前主要的土壤重金属修复技术有以下三种方法：物理修复、化学修复、生物修复。

2.1 土壤重金属污染物理修复技术

重金属污染物理修复技术是指根据重金属的物理特性，将重金属与土壤完全分离[3]。淋洗是目前应用最为广泛的物理修复技术，根据不同重金属种类，选择相应淋洗剂，使重金属溶解其中，但淋洗剂处理是与之俱来的二次污染，而且处理过程中，土壤质地、污染物形态、淋洗剂选择均能影响修复效率。该方法适用大面积且土壤污染程度高的土壤背景。对于小面积浅层污染土壤，客土、换土法更为适用，客土法是指将纯净土壤掺入污染土壤，通过降低重金属在整体土壤中的浓度，进而降低胁迫值；换土法则是将污染土壤全部转移，如土壤污染面积较大，污染较深，利用客土、换土法需要较大的经济投入，且会严重破坏当地土壤性质，改变原有生态系统。热解吸法是利用土壤中重金属的汽化点，通过外加热源，例如土壤中重金属Hg，人体吸收Hg 元素会影响骨骼发育，肝脏、肾脏代谢，通过加热土壤使Hg 汽化，外加装置收集Hg 蒸汽，达到去除重金属的目的，热解吸法可作为小范围原位修复的主要处理手段。

2.2 重金属污染化学修复技术

化学修复技术是指通过化学反应，向土壤中混入化学添加剂，从而去除土壤重金属或是降低土壤重金属含量[4]。固化/稳定化技术是目前应用较广的化学修复技术，该技术利用向土壤中添加固定剂或稳定剂的方法，固定剂可将土壤中重金属固定为稳定形态，使其不会向周边环境扩散，并不会被植物所吸收，而稳定剂的作用可以有效降低土壤中重金属有效态含量。固化/稳定化后土壤中的重金属不会迁移，避免重金属通过食物链影响人类活动。但固化/稳定剂可能会随着时间推移或土壤性质改变而失效，重金属重新暴露于土壤中，再次造成污染。该技术关键在于如何择优选取固定稳定剂，要求化学材料本身不会对土壤、耕地作物造成危害，并化学药剂成本低，易获取，状态稳定。工程上一般采用工业副产物，如石灰、硅酸盐副产物等作为化学药剂，成本较低，但重金属虽然改变形态，但未真正脱离土壤，后续需长时间跟踪监测土壤。

2.3 电化学修复技术

电化学修复技术是指利用电化学电解原理，在土壤中插入外加电极，外加电极在土壤中可形成电场，由于土壤中金属阳离子会在外加直流电场的作用下产生规律性迁移，最终富集在电极附近[6]。该种修复技术需要土壤中重金属存于导电介质中，且土壤性质良好，对于大面积且土壤性质较差的环境并不适用，目前该方法大多停留于小型实验阶段，可作为今后研究热点。

2.4 重金属污染生物修复技术

生物修复技术作为一种环境友好型修复技术，是指通过生物的正常代谢，吸收或是改变重金属在土壤中的存在形态，从而降低土壤中重金属的含量。生物修复作为一种原位修复技术具有投入少、修复效果好、无二次污染、环境友好的特点，但生物修复易受到外界环境的影响，如温度、pH、光照等。生物修复的多样性一直是目前研究的热点。动物作为土壤生态系统的重要组成部分，由于其生命活动所需环境苛刻，不适于作为修复载体，因此生物修复技术主要是指植物修复以及微生物修复技术。

（1）植物修复技术。植物修复技术是指在植物正常生长代谢过程中，利用植物本身的呼吸，光合作用，或是细胞代谢，吸收、固化重金属。研究表明，一些特殊植物可明显改善土壤重金属污染状况，积累、转运重金属到地上部分，称为超富集植物，超富集植物不同于一般植物，在重金属含量超标的土壤中仍可正常生长，不同植物去除重金属原理不同，一些植物通过根部吸收作用，并在植物体内转移，达到地下吸收，地上富集的效果，再刈收植物地上部分从而达到去除重金属的目的。一些植物通过根部固定作用，将重金属吸附或固定于根部，使得土壤中重金属含量下降，此类植物修复技术并类似于固化稳定技术，只是阻止重金属在水环境内的迁移以及食物链中富集，并非真正去除重金属污染物。

（2）微生物修复技术。土壤微生物代谢为土壤提供大量有机质，而在代谢过程中，特殊微生物会将土壤中重金属氧化还原、吸收、固化，使土壤中重金属含量降低，降低土壤污染风险[6]。有些微生物通过细胞壁的吸附作用，可大面积吸附金属阳离子，有些通过生物代谢，产生生物酶，溶解吸收重金属。不同微生物对于重金属的耐受力不同，修复产物也不尽相同，部分微生物修复效果明显，并且修复产物能提高土壤肥力。与植物修复相同，微生物修复技术基于生物正常代谢活动，一旦代谢过程受到影响，修复效果也会产生差异，故微生物修复技术也要保持较好的生物生长环境。目前该种方法已广泛应用于各类污染物处理技术中，寻找耐受力强、适用范围广的微生物类型依旧是研究热点。

（3）植物-微生物联合修复技术。研究发现一些特定的微生物可以明显提高植物对于土壤中重金属污染物的去除效率，原因在于，一些根系微生物可以促进植物生长，另外微生物本身也可以改变土壤中重金属的形态，从而影响植物对于重金属的吸收。研究表明[7]，巨大芽孢杆菌能够降解土壤中的有机磷，而胶冻样芽孢杆菌可分解土壤中矿物质供植物吸收。多样性的植物-微生物组合方式一直是近年的研究热点，传统的物理/化学修复技术，不适合大面积耕田、矿山土地治理，且经过治理后，会产生二次污染，或极大地改变土壤肥力。生物原位修复投资少、无二次污染、适用处理面积大，且后期处理土壤肥力增强。

3 研究意义及展望

土壤是一切地表生物得以生存的基础，在环境保护和维持生物圈平衡中发挥重要作用。随着近现代工农业快速发展，土壤重金属污染问题难以避免。据估计我国约有百分之十五的耕地受到污染，为了实现土壤的可持续利用，保障人类食物安全，研究开发经济、高效、可行的污染土壤修复技术迫在眉睫。相较于水污染及大气污染治理，我国土地污染治理工作起步较晚，且采用环保技术较为滞后，存在相关政策及标准欠完善，资金投入低等问题，土壤重金属问题主要以“谁污染谁治理”为主，农田耕地重金属污染主要靠政府资金，据中国科学院调查结果显示，土壤修复可为我国直接增加几亿亩耕地。同时我国大部分土壤重金属修复技术采用物理化学法，使用大量化学药剂或大规模采用物理方法，不可避免会带来二次污染，且资源消耗巨大，重复率低下，环保效益大打折扣，因此开发环境友好型修复技术，如生物修复技术等更为迫切。我国土壤重金属污染问题相对严重，土壤重金属问题可谓是“舌尖上的危害”，现如今正行的重金属污染修复技术已略显滞后，各种修复技术日新月异，但其工程应用有待开发。更契合环保可持续理念的控制技术目前只停留在实验室阶段，尚未进入大田实验，先进的修复技术是否适用于我国耕地环境，尚待考察。在经济飞速发展的时代，如何保障最基本的口粮安全，如何守住人民的绿水青山，如何保持国民经济不断发展，开发绿色、高效、适应性强的土壤重金属修复技术迫在眉睫。

结语

土壤重金属所呈现的多样性、持续性以及多源性，总之，土壤重金属危害形势日趋严峻，既要保证土壤重金属去除效果良好，又要兼顾投入成本以及二次污染问题，因此未来土壤重金属修复技术应从绿色、科学可持续的角度出发，从根本上解决土壤重金属污染问题，维持土壤生物系统稳定。