镉污染土壤修复治理技术研究

王先华

（云南黄金矿业集团股份有限公司 云南昆明 650200）

引言

镉是一种相对较稀少的元素，在环境中的浓度较低。地壳中平均镉含量为0.1×104mg/kg，地质层中镉的含量范围是5×108mg/kg～2.19×102mg/kg。土壤中镉残留时间可长达3000a 以上，这表明增加土壤镉含量的所有活动都对镉的生物积累有重要影响[1]，镉元素（Cd）是重金属环境污染中毒性之首，易富集到农作物果实中，具有生物迁移强、累计性强和极易被植物吸收的特点，对生物体均可产生极大毒害作用，是《重金属污染综合防治“十二五”规划》重点监控与排放量控制的5 种污染物之一[2]。

1 试验区域土壤镉污染概况

云南某硫酸湿法冶炼电解锌厂选用硫化锌及铜镉渣作为原料，因生产期间粗放式管理，购买的铜镉渣原料、冶炼浸出渣直接堆放于厂区空地上，场地地面未做防渗硬化和防雨处理，造成厂区内及厂区外农田受到不同程度的重金属镉污染。通过间距20m 取土样进行分析检测，厂区内镉含量高达487mg/kg，厂区外农田高达2.58mg/kg，已经严重超出《土壤环境质量 建设用地土壤污染风险管控标准》（GB36600-2018）、《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准》（GB15618-2018）要求的管控值172mg/kg和0.8mg/kg。为治理该厂土壤污染问题，研究调查了我国土壤污染情况，剖析了目前国内常用的先进修复技术，力求找出适合该厂的最优的修复治理方案。

2 我国镉污染土壤修复技术现状

目前，治理镉污染土壤的修复技术主要有4种，即物理修复技术、生物修复技术、化学修复技术和联合修复技术。联合修复技术是根据镉污染土壤的结构类型及理化性质，将物理、化学和生物修复的手段联合使用的一种综合修复技术，其补充了某种单一修复技术的不足，提高了土壤镉污染修复的技术效率，是未来镉污染土壤修复研究的主攻方向。

2.1 物理修复技术

物理修复即通过各种物理措施将镉污染土壤去除或分离，主要修复方法有客土、换土、深翻土和电位修复等。客土法在不改变原本土壤结构的基础上将洁净的土壤倒入镉污染土壤中进行翻转伴匀来降低土壤中镉含量，通过减少植物根系与镉离子的接触来治理镉污染土壤，这种方法只适用于镉含量不高并且取土方便的地区[3]。换土法是把被污染的土壤用干净的土壤替换，进行异地封存或治理，此方法只适用于污染面积较小且能就近取土的土壤污染治理，这种方法能彻底解决镉污染土壤的治理问题，但替换出来的污染土壤治理费用高，搬运量很大[4]。深翻土法顾名思义就是通过深耕把被污染的土壤翻入下层，下层的土壤翻到表层，从而降低表层土污染物含量，但是，该方法会污染地下水，还会导致耕层土壤肥力下降[5]，因此只能用于污染较轻的土壤治理。电位修复技术是将电极插入被污染的土壤中通入直流电，镉离子通过电迁移、电渗析定向移动到负极电极上，再通过电镀、电析共沉淀等技术措施将金属镉离子与土壤分离以达到镉污染治理的目的[6]。

2.2 化学修复技术

化学修复技术通过在被污染的土壤上喷洒化学改良剂来改变被污染土壤中镉的赋存状态和生物有效性，达到减少或抑制植物吸收镉离子的目的，化学改良剂的选用类型通常与土壤中镉的存在形态有关。化学修复主要有原位化学固定法和淋洗法2 种。原位化学固定法是向被污染土壤中加入碱性改良剂、黏土矿物、拮抗物质等无机物，以及人畜粪便、秸秆厌氧发酵堆肥、生物炭等有机物，以此来改变土壤的pH 和氧化还原电位等理化性质，从而改变镉在土壤中的赋存状态，进而使镉被沉淀固定进行惰化；或者发生离子交换和吸附物理反应；或者发生离子拮抗和螯合等化学反应降低生物有效性，以达到治理土壤镉污染的目的[7]。化学淋洗技术是在外力或重力作用下将淋洗液倒入被污染的土壤中，这样可以把土壤固相中的镉离子转移到液相中去，再处理渗漏的含镉废水，以实现镉污染土壤的治理。常采用的化学淋洗剂主要为无机类淋洗剂、螯合剂、表面活性剂3 类[8]。

2.3 生物修复措施

镉污染土壤生物修复技术可分为植物修复、动物修复和微生物修复3 种。植物修复技术是利用植物的吸收转移、容纳及转化土壤环境介质中有毒有害污染物，使污染土壤的污染物被提取，从而使环境得到修复与治理。世界上已发现超富集重金属的植物400 多种，在我国发现了可用于土壤镉污染修复治理的镉累积植物20 多种，对重金属镉富集较高的植物有东南景天、宝山堇菜、蜀葵、香根草等。

近年来，学者们对镉污染土壤修复治理的超累积富集植物进行了大量研究，在籽粒苋、东南景天、蜀葵等植物对镉污染土壤治理方面取得了显著成果[9]。刘威等[10]发现了一种新的重金属镉超累积富集植物——宝山蓳菜(Vipla baoshanensis)。杨修等[11]在江西德兴铜矿废弃地植被恢复试验中研究证实了香根草是8 种重要的先锋植被之一。田胜尼等[12]通过对香根草和鹅观草的修复效果进行比较，验证出香根草对Pb、Zn、Cu、Cd 等重金属污染（不管是单一还是复合污染）都有相当好的修复功能。

微生物修复技术是一项利用微生物的活化性对土壤污染物镉进行吸收、固化沉淀、氧化还原等多种作用来降低土壤中镉浓度及毒性的修复技术[13]。到目前为止，关于土壤污染动物修复的研究相对较少，主要是由于对富集重金属动物的种类挑选及其尸体处理是一大难题。

2.4 多技术联合修复

多技术联合修复是根据镉污染土壤的结构类型及理化性质，采用物理化学和生物修复的手段联合使用的一种综合修复技术，这种技术补充了单一修复技术的不足，提高了土壤镉污染修复的技术效率，是未来土壤镉污染修复研究的主攻方向。联合修复技术有植物修复+化学修复、生物修复+化学修复、植物-微生物联合修复、多种微生物联合修复、硫酸盐还原菌+解磷菌多种化学物质联合修复。

3 植物修复技术试验研究

3.1 修复技术的选择

通过上述对重金属镉污染土壤修复技术的调查研判，再结合试验厂区气候条件及自身经济能力，决定采用植物修复技术进行试验研究，开展土壤污染治理工作。

3.2 植物培栽养护

本研究采用盆栽土培试验，在试验厂区内污染空地及厂外农田污染区分别取7 组土样进行编号送检分析，每个点取20kg 土样，拌匀后平分为4 组5kg 的样品置于花盆中，分别优选栽种富集镉能力较强的植物——香根草、宝山堇菜、蜀葵、东南景田，厂内28 组、厂外28 组，共56组样品。精心养护一个生产周期（3～9 月，共6个月）后将富集植物样本和试验土壤对应编号—并送样分析检测，计算4 种植物的富集效率，找到适合土壤修复的植物。

4 实验结果分析与讨论

根据检测报告数据，计算出的试验厂区厂内及厂外农田栽种香根草、宝山堇菜、蜀葵、东南景天4 种植物的富集效率，详见表1、表2。

表1 厂内试验样品栽种香根草、宝山堇菜、蜀葵、东南景天共28 组的富集率

表2 厂外农田试验样品栽种香根草、宝山堇菜、蜀葵、东南景天共28 组的富集率

从表1、表2 试验数据分析得出4 种植物提取Cd 的富集效率为香根草＞东南景天＞宝山堇菜＞蜀葵。

香根草富集效率高的原因是其根系比较发达，吸收转运重金属的能力强，无论是对Pb、Cu、Cd、Zn 单一污染还是多种重金属复合污染都有很好的富集效果且能在环境恶劣、寸草不生的区域正常生长。又因为镉、锌同属于元素周期表中ⅡB 族元素，二者化学性质与行为相似，在矿物中通常是伴生矿。因此，从生长特性、富集能力、吸收综合污染物等各方面综合考虑，选定香根草这种先锋树种为该重金属镉污染区的首选修复植物。

结语

植物修复是通过植物吸收、固定、累积富集来固定和储存土壤中的重金属，达到降低土壤重金属含量的修复技术，修复效果较好，具有高富集、生长周期短、富集量大的特点。在对镉污染土壤治理各种技术进行比较的过程中，该技术由于操作简便、工程措施单一、价格低廉，并且可在修复土壤的同时起到景观园林效应等优点而被广泛应用。而植物修复的不足之处在于治理周期较长、效果缓慢，富集植物需要作为危险废物再处理。本文在污染区域取土盆栽具有超富集能力的香根草、宝山堇莱、蜀葵、东南景等植物，通过试验测试分析比较富集效率后优选香根草为最终植物修复品种，旨在为镉等重金属修复的技术选择提供借鉴。