土壤重金属污染及修复研究现状
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的重金属形态提取分析方法是 T essier法 [27]。该法将重金属 赋存形态分为可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、 有机结合态和硫化物结合态、残渣态。其中, 残渣态是存在 于原生矿物晶格中的重金属, 又称为原生相重金属。而弱酸 溶解态、铁锰结合态和有机态重金属是原生矿物经风化破
坏, 重金属被释放后, 在地表环境中通过各种物理化学作用 与土壤各相重新结合而成的, 因此这 3种形态的重金属被称 为次生相重金属。一般, 残渣态重金属不能被生物利用, 弱
土壤重金属元素在介质中的存在形态是衡量其环境效 应的关键参数, 可以揭示土壤重金属中的存在状态、迁移转 化规律、生物有效性、毒性及可能产生的环境效应, 预测重金 属的长期变化和环境风险[ 26] 。研究重金属在土壤中的形态
分布对了解重金属的变化形式、迁移规律和对生物的毒害作
用等具有重要意义。 由于提取方法不同, 重金属形态的分级不同。目前常用
基金项目 作者简介 收稿日期
源自文库
科技部松辽平原区农牧结合循环生 产技术集成研 究与示范 项目 ( 2007BAD 89B06) ; 农业部现代农业产业技术 体系建设 项目 ( 肉牛专项 2008-2012) 。 丁华 ( 1981- ) , 女, 吉林 延边人, 硕士 研究生, 研 究方向: 农 业面源污染防控。* 通 讯作 者, 教 授, 博 士, 从 事土壤 环境 化学与有机培肥方面的研究, E-m ai:l jgwu68@ sohu. com。
76 66
安徽农业科学
2011年
酸溶解态易为生物利用, 铁锰结合态次之, 而有机结合态活 性较差。在表生环境下, 土壤中原生相 (残渣态 )重金属一般 不参与水 -土壤系统的再平衡分配, 人为污染则主要叠加在 土壤次生相 (可给态或生物有效态 )中。因此, 次生相重金属 的含量及其所占百分比不仅可以表征沉积物中重金属的形 态转化趋势, 而且可以标定水 - 土壤交换反应过程中重金属 活化迁出的难易程度及二次污染的可能性 [28]。 3 现行土壤重金属污染修复技术
解、转化或固定土壤、沉积物、污泥或地表和地下水中有毒有 害污染物技术的总称 [ 38]。据 Reeves等统计, 迄今已发现超 积累植物 700种, 广泛分布于约 50 个科中, 但绝大多数属于 镍超积累植物; 对 Cu、Co、Zn、Se、Pb等重金属的超积累植物 的数量依次递减 [ 39] 。邢前国等研究发现, 最重要的超积累 植物主要集中在十字花科, 世界上研究最多的植物主要在芸 苔属 (B rassica )、庭芥 (A lyssuns)及遏蓝菜属 (Thlas p i) [ 。 40] 4 现行土壤重金属污染修复方法的局限性
3. 3. 1 微生物修复。土壤微生物种类繁多, 数量庞大。有 些微生物具有嗜重金属性, 如动胶菌、蓝细菌、硫酸还原菌及 某些藻类, 能够产生胞外聚合物, 与重金属离子形成 络合 物 [36]。国内外对此都有过相关的报道。耿春女等利用菌根 吸收和固定重金属 Fe、M n、Zn、Cu, 取得了良好的效果 [ 37]。 日本学者发现一种嗜重金属菌, 能有效地吸收土壤中的重金 属, 但存在着土壤与细菌分离的难题。如果这一问题能得到 妥善解决, 那么微生物修复将是很有发展前景的处理方法。 3. 3. 2 植物修复。植物修复技术指利用植物提取、吸收、分
2011-02-14
排放重金属最主要的工业污染源。工业生产造成土壤重金
属污染的环境问题日益严重。包头市重金属 Cu、Zn含量分 别为全国土壤几何均值的 1. 85和 2. 26 倍[ 15] 。云南省某选 冶矿厂周边由于长期的工业生产使该区域受到 Pb、Cd、C r和 Zn等重金属污染严重 [ 16] 。大型综合城市成都城郊土壤重金 属含量中以 Cu、Pb、Zn最为突出 [ 17], 在东郊热电厂附近为 H g、C d、As的高值区。这与 N riagu等研究结果[ 18] 相吻合。 1. 2. 3 农业污染。农业污染主要是农药、化肥的施用和农 业废弃物不科学处置造成的污染 [19]。长期对果园喷洒各类 防病虫害的农药, 使各类重金属含量的累积量均有不同程度 的增加 [ 20- 22] 。化 肥与农 药中 的重 金属 都是 可能 的污 染 源 [23], 且化肥中的重金属具有较高的可溶性, 易被作物吸 收, 危害更大。农作物秸秆和畜禽废弃物等农业废弃物年排 放量庞大。据统计, 我国每年产生各类农作物秸秆约 6. 5 亿 ,t 畜禽粪便约 2010亿 ,t 是我国工业废弃物产生量的 3. 2 倍 [24]。在集约化养殖的发展趋势下, 人们普遍采用含重金 属元素的饲料添加剂。辜玉红等研究发现, 随着日粮中 Cu、 Zn、A s添加量的增加, 猪鲜粪中 Cu、Zn、A s含量及每日排泄 粪中相应微量元素的含量也增加, 高剂量组甚至是成几倍或 几十倍的增加, 给环境造成了极大的污染 [25] 。 2 土壤中重金属污染物的存在形式
安徽农业科学, Jou rn al ofAnhu iAgr.i Sc.i 2011, 39( 13): 7665 - 7666, 7756
责任编辑 刘月娟 责任校对 李岩
土壤重金属污染及修复研究现状
丁 华, 吴景贵* (吉林农业大学资源与环境学院, 吉林长春 130118)
摘要 阐述土壤中重金属污染来源和存在形式, 对比分析物理修复法、化学修复法和生物修复法修复技术的优缺点, 提出了当前土壤重 金属污染与修复技术研究的重点, 为针对复合污染进行的联合修复提供理论依据。 关键词 农业废弃物; 重金属; 土壤污染; 修复 中图分类号 X 131. 3 文献标识码 A 文章编号 0517- 6611( 2011) 13- 07665- 02
C urrent R esearch for H eavyM etal Pollution and R em ediation in Soil D ING H ua et al (D epartm ent o fR esources and Env ironm en,t Jilin A griculturalU niversity, Changchun, Jilin 130118) A bstract The source and ex istence form a tion o f the heavy m etal in soil were analy zed. A t the sam e tmi e, the advantages and disadvantages of every rem ediation techno logy and the ir future deve lopm ent were rev iewed. A t las,t the directions for further research on the rem edia tion techn iques were po inted ou,t and theoretica l evidence for m ixture po llution w ith com b ined rem ediation was prov ided. K ey w ords Agr icu lture w aste; H eavy m eta;l Soil pollution; Rem ediation
土壤是人类赖以生存的自然环境和农业生产的重要资 源。然而, 环境污染和生态破坏日益严峻, 严重影响到人类 的健康和生存, 其中重金属元素对环境的污染和破坏作用尤 为严重。土壤重金属污染及其修复已成为当前环境科学研 究的重点 [1- 5]。重金属是一类毒性大, 具有潜在危害的无机 污染物, 可在土壤和生物体内富集。与大气和水体中重金属 污染相比, 土壤重金属污染具有隐蔽性、滞后性、累积性以及 难治理和修复周期长且毒性较强、易被生物吸收的特点。重 金属污染不仅导致土壤的退化、农作物产量和品质的降低, 而且可能通过直接接触、食物链危及人类的生命和健康。因 此, 对重金属污染土壤的治理和修复, 是十分紧迫的任务。 1 土壤重金属污染来源 1. 1 自然来源 主要分为土壤来源和大气来源。土壤来源 主要有成土母质和成土过程[ 6]。大气来源主要有火山爆发、 森林火灾、海浪飞溅、植被排出、风力扬尘等 [ 7] 。空气中的重 金属元素部分被植物吸收, 部分通过尘降进入水体、土壤。 1. 2 人为来源 人为来源是指工农业的生产活动对土壤 的污染, 主要包括工业污染源、农业污染源及交通运输等造 成的土壤污染 [ 8]。研究表明, 人为因素造成的土壤重金属污 染主要富集在土壤表层[ 9]。这使得生态系统和人身健康存 在一定的隐患 [ 10] 。 1. 2. 1 交通运输污染。汽车轮胎及排放的废气是重金属主 要交通污染源。含 Pb汽油的燃烧是城市 Pb 污染的重要来 源 [ 11]。 Pb、Zn、Cd、C r、Cu等为道路两侧土壤中的主要污染 物。D ilek等对公路旁土壤重金属污染作了研究, 结果表明 Cu、Pb、Zn污染与机动车尾气排放有关 [ 12] 。Fakayode研究了 尼日利亚 Osogbo公路旁土壤中 Pb、Cd、Cu、N i和 Zn 的分布 规律, 得出重 金属含量与 距公路距 离呈负 相关关系 的结 论 [ 13]。我国公路旁土壤重金属污染也符合这个结论[ 14] 。 1. 2. 2 工业污染。有色重金属矿床的开发冶炼是向环境中
经过近年来全球范围的研究与应用, 重金属土壤的修复 技术主要有物理修复法、化学修复法和生物修复法。研究的 热点集中于污染土壤的原位生物修复技术和基于监测的自 然修复技术等。 3. 1 物理修复 物理修复是指通过各种物理过程将污染物 从土壤中去除或分离的技术, 主要包括热处理法和淋洗络 合法。 3. 1. 1 热处理法。热处理技术应用于工业企业场地土壤苯 系物、多环芳烃、多氯联苯和二噁英等有机污 染土壤的修 复 [ 29]。热修复的原理是利用污染物的热挥发性, 利用高频 电压产生电磁波, 产生热能, 对土壤进行加热, 使污染物从土 壤颗粒内解吸出来, 从而达到修复的目的。目前, 该法较多 地应用于 H g污染土壤的修复。研究表明, 采用该法可使砂 性土、黏土、壤土中 H g含量分别从 15 000、900、225 m g /kg降 至 107、112和 115 Lg/kg, 回收的 H g蒸气纯度达 99% [ 30] 。 3. 1. 2 淋洗络合法。淋洗法是利用淋洗液把土壤固相中的 重金属转移到土壤液相中, 再用络合或沉淀的方法, 使重金 属富集并进一步回收处理的土壤修复方法。提取剂的选择 是关键。用来提取土壤重金属的提取剂很多, 包括有机酸或 无机酸、碱、盐和螯合剂, 其中主要有硝酸、盐酸、磷酸、硫酸、 氢氧化钠、草酸、柠檬酸、EDTA 和 DTPA 等 [ 31] 。但是, 既能 提取重金属又不破坏土壤的结构的提取剂很难被找到。W asay等对比了弱有机酸盐 (柠檬酸和酒石酸盐 )和强螯合剂对 重金属 Cr、M n、H g和 Pb污染土壤修复的有效性, 发现 EDTA 和 DTPA能有效地去除 H g以外的重金属元素, 同时提取出 大量的土壤营养元素 [32]。 3. 2 化学修复 化学修复是根据土壤中重金属易与一些配 位化合物反应形成稳定的络合物, 易与一些酸根离子反应形 成沉淀的特点, 向土壤中投加改良剂来降低土壤中重金属的 迁移性和生物可利用率, 减少直至清除土壤中的重金属, 从 而达到治理和修复污染土壤的目的。石灰、沸石、碳酸钙、磷 酸盐、硅酸盐等是目前常用的改良剂。N aidu等通过在 Cd污 染的土壤上施用碱性物质如石灰, 使土壤中重金属 Cd有效 态含量降低 15% 左右, 对减少 C d被作物吸收具有一定的作 用 [ 33]。尤其在重金属污染严重的土壤中, 可以通过施入含 硫物料, 使土壤中的 Cd、H g形成 CdS、H gS 沉淀 [ 34]。利用某 些重金属的拮抗作用, 可有效降低土壤重金属污染。周启星 等研究表明, 土壤中适宜的 Cd /Zn 比可以抑制植物对 Cd的 吸收[ 35] 。 3. 3 生物修复 生物修复法主要是利用某些特殊的植物和 微生物等通过新陈代谢作用吸收去除土壤中的重金属或使 重金属形态转化, 降低毒性, 净化土壤。
坏, 重金属被释放后, 在地表环境中通过各种物理化学作用 与土壤各相重新结合而成的, 因此这 3种形态的重金属被称 为次生相重金属。一般, 残渣态重金属不能被生物利用, 弱
土壤重金属元素在介质中的存在形态是衡量其环境效 应的关键参数, 可以揭示土壤重金属中的存在状态、迁移转 化规律、生物有效性、毒性及可能产生的环境效应, 预测重金 属的长期变化和环境风险[ 26] 。研究重金属在土壤中的形态
分布对了解重金属的变化形式、迁移规律和对生物的毒害作
用等具有重要意义。 由于提取方法不同, 重金属形态的分级不同。目前常用
基金项目 作者简介 收稿日期
源自文库
科技部松辽平原区农牧结合循环生 产技术集成研 究与示范 项目 ( 2007BAD 89B06) ; 农业部现代农业产业技术 体系建设 项目 ( 肉牛专项 2008-2012) 。 丁华 ( 1981- ) , 女, 吉林 延边人, 硕士 研究生, 研 究方向: 农 业面源污染防控。* 通 讯作 者, 教 授, 博 士, 从 事土壤 环境 化学与有机培肥方面的研究, E-m ai:l jgwu68@ sohu. com。
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安徽农业科学
2011年
酸溶解态易为生物利用, 铁锰结合态次之, 而有机结合态活 性较差。在表生环境下, 土壤中原生相 (残渣态 )重金属一般 不参与水 -土壤系统的再平衡分配, 人为污染则主要叠加在 土壤次生相 (可给态或生物有效态 )中。因此, 次生相重金属 的含量及其所占百分比不仅可以表征沉积物中重金属的形 态转化趋势, 而且可以标定水 - 土壤交换反应过程中重金属 活化迁出的难易程度及二次污染的可能性 [28]。 3 现行土壤重金属污染修复技术
解、转化或固定土壤、沉积物、污泥或地表和地下水中有毒有 害污染物技术的总称 [ 38]。据 Reeves等统计, 迄今已发现超 积累植物 700种, 广泛分布于约 50 个科中, 但绝大多数属于 镍超积累植物; 对 Cu、Co、Zn、Se、Pb等重金属的超积累植物 的数量依次递减 [ 39] 。邢前国等研究发现, 最重要的超积累 植物主要集中在十字花科, 世界上研究最多的植物主要在芸 苔属 (B rassica )、庭芥 (A lyssuns)及遏蓝菜属 (Thlas p i) [ 。 40] 4 现行土壤重金属污染修复方法的局限性
3. 3. 1 微生物修复。土壤微生物种类繁多, 数量庞大。有 些微生物具有嗜重金属性, 如动胶菌、蓝细菌、硫酸还原菌及 某些藻类, 能够产生胞外聚合物, 与重金属离子形成 络合 物 [36]。国内外对此都有过相关的报道。耿春女等利用菌根 吸收和固定重金属 Fe、M n、Zn、Cu, 取得了良好的效果 [ 37]。 日本学者发现一种嗜重金属菌, 能有效地吸收土壤中的重金 属, 但存在着土壤与细菌分离的难题。如果这一问题能得到 妥善解决, 那么微生物修复将是很有发展前景的处理方法。 3. 3. 2 植物修复。植物修复技术指利用植物提取、吸收、分
2011-02-14
排放重金属最主要的工业污染源。工业生产造成土壤重金
属污染的环境问题日益严重。包头市重金属 Cu、Zn含量分 别为全国土壤几何均值的 1. 85和 2. 26 倍[ 15] 。云南省某选 冶矿厂周边由于长期的工业生产使该区域受到 Pb、Cd、C r和 Zn等重金属污染严重 [ 16] 。大型综合城市成都城郊土壤重金 属含量中以 Cu、Pb、Zn最为突出 [ 17], 在东郊热电厂附近为 H g、C d、As的高值区。这与 N riagu等研究结果[ 18] 相吻合。 1. 2. 3 农业污染。农业污染主要是农药、化肥的施用和农 业废弃物不科学处置造成的污染 [19]。长期对果园喷洒各类 防病虫害的农药, 使各类重金属含量的累积量均有不同程度 的增加 [ 20- 22] 。化 肥与农 药中 的重 金属 都是 可能 的污 染 源 [23], 且化肥中的重金属具有较高的可溶性, 易被作物吸 收, 危害更大。农作物秸秆和畜禽废弃物等农业废弃物年排 放量庞大。据统计, 我国每年产生各类农作物秸秆约 6. 5 亿 ,t 畜禽粪便约 2010亿 ,t 是我国工业废弃物产生量的 3. 2 倍 [24]。在集约化养殖的发展趋势下, 人们普遍采用含重金 属元素的饲料添加剂。辜玉红等研究发现, 随着日粮中 Cu、 Zn、A s添加量的增加, 猪鲜粪中 Cu、Zn、A s含量及每日排泄 粪中相应微量元素的含量也增加, 高剂量组甚至是成几倍或 几十倍的增加, 给环境造成了极大的污染 [25] 。 2 土壤中重金属污染物的存在形式
安徽农业科学, Jou rn al ofAnhu iAgr.i Sc.i 2011, 39( 13): 7665 - 7666, 7756
责任编辑 刘月娟 责任校对 李岩
土壤重金属污染及修复研究现状
丁 华, 吴景贵* (吉林农业大学资源与环境学院, 吉林长春 130118)
摘要 阐述土壤中重金属污染来源和存在形式, 对比分析物理修复法、化学修复法和生物修复法修复技术的优缺点, 提出了当前土壤重 金属污染与修复技术研究的重点, 为针对复合污染进行的联合修复提供理论依据。 关键词 农业废弃物; 重金属; 土壤污染; 修复 中图分类号 X 131. 3 文献标识码 A 文章编号 0517- 6611( 2011) 13- 07665- 02
C urrent R esearch for H eavyM etal Pollution and R em ediation in Soil D ING H ua et al (D epartm ent o fR esources and Env ironm en,t Jilin A griculturalU niversity, Changchun, Jilin 130118) A bstract The source and ex istence form a tion o f the heavy m etal in soil were analy zed. A t the sam e tmi e, the advantages and disadvantages of every rem ediation techno logy and the ir future deve lopm ent were rev iewed. A t las,t the directions for further research on the rem edia tion techn iques were po inted ou,t and theoretica l evidence for m ixture po llution w ith com b ined rem ediation was prov ided. K ey w ords Agr icu lture w aste; H eavy m eta;l Soil pollution; Rem ediation
土壤是人类赖以生存的自然环境和农业生产的重要资 源。然而, 环境污染和生态破坏日益严峻, 严重影响到人类 的健康和生存, 其中重金属元素对环境的污染和破坏作用尤 为严重。土壤重金属污染及其修复已成为当前环境科学研 究的重点 [1- 5]。重金属是一类毒性大, 具有潜在危害的无机 污染物, 可在土壤和生物体内富集。与大气和水体中重金属 污染相比, 土壤重金属污染具有隐蔽性、滞后性、累积性以及 难治理和修复周期长且毒性较强、易被生物吸收的特点。重 金属污染不仅导致土壤的退化、农作物产量和品质的降低, 而且可能通过直接接触、食物链危及人类的生命和健康。因 此, 对重金属污染土壤的治理和修复, 是十分紧迫的任务。 1 土壤重金属污染来源 1. 1 自然来源 主要分为土壤来源和大气来源。土壤来源 主要有成土母质和成土过程[ 6]。大气来源主要有火山爆发、 森林火灾、海浪飞溅、植被排出、风力扬尘等 [ 7] 。空气中的重 金属元素部分被植物吸收, 部分通过尘降进入水体、土壤。 1. 2 人为来源 人为来源是指工农业的生产活动对土壤 的污染, 主要包括工业污染源、农业污染源及交通运输等造 成的土壤污染 [ 8]。研究表明, 人为因素造成的土壤重金属污 染主要富集在土壤表层[ 9]。这使得生态系统和人身健康存 在一定的隐患 [ 10] 。 1. 2. 1 交通运输污染。汽车轮胎及排放的废气是重金属主 要交通污染源。含 Pb汽油的燃烧是城市 Pb 污染的重要来 源 [ 11]。 Pb、Zn、Cd、C r、Cu等为道路两侧土壤中的主要污染 物。D ilek等对公路旁土壤重金属污染作了研究, 结果表明 Cu、Pb、Zn污染与机动车尾气排放有关 [ 12] 。Fakayode研究了 尼日利亚 Osogbo公路旁土壤中 Pb、Cd、Cu、N i和 Zn 的分布 规律, 得出重 金属含量与 距公路距 离呈负 相关关系 的结 论 [ 13]。我国公路旁土壤重金属污染也符合这个结论[ 14] 。 1. 2. 2 工业污染。有色重金属矿床的开发冶炼是向环境中
经过近年来全球范围的研究与应用, 重金属土壤的修复 技术主要有物理修复法、化学修复法和生物修复法。研究的 热点集中于污染土壤的原位生物修复技术和基于监测的自 然修复技术等。 3. 1 物理修复 物理修复是指通过各种物理过程将污染物 从土壤中去除或分离的技术, 主要包括热处理法和淋洗络 合法。 3. 1. 1 热处理法。热处理技术应用于工业企业场地土壤苯 系物、多环芳烃、多氯联苯和二噁英等有机污 染土壤的修 复 [ 29]。热修复的原理是利用污染物的热挥发性, 利用高频 电压产生电磁波, 产生热能, 对土壤进行加热, 使污染物从土 壤颗粒内解吸出来, 从而达到修复的目的。目前, 该法较多 地应用于 H g污染土壤的修复。研究表明, 采用该法可使砂 性土、黏土、壤土中 H g含量分别从 15 000、900、225 m g /kg降 至 107、112和 115 Lg/kg, 回收的 H g蒸气纯度达 99% [ 30] 。 3. 1. 2 淋洗络合法。淋洗法是利用淋洗液把土壤固相中的 重金属转移到土壤液相中, 再用络合或沉淀的方法, 使重金 属富集并进一步回收处理的土壤修复方法。提取剂的选择 是关键。用来提取土壤重金属的提取剂很多, 包括有机酸或 无机酸、碱、盐和螯合剂, 其中主要有硝酸、盐酸、磷酸、硫酸、 氢氧化钠、草酸、柠檬酸、EDTA 和 DTPA 等 [ 31] 。但是, 既能 提取重金属又不破坏土壤的结构的提取剂很难被找到。W asay等对比了弱有机酸盐 (柠檬酸和酒石酸盐 )和强螯合剂对 重金属 Cr、M n、H g和 Pb污染土壤修复的有效性, 发现 EDTA 和 DTPA能有效地去除 H g以外的重金属元素, 同时提取出 大量的土壤营养元素 [32]。 3. 2 化学修复 化学修复是根据土壤中重金属易与一些配 位化合物反应形成稳定的络合物, 易与一些酸根离子反应形 成沉淀的特点, 向土壤中投加改良剂来降低土壤中重金属的 迁移性和生物可利用率, 减少直至清除土壤中的重金属, 从 而达到治理和修复污染土壤的目的。石灰、沸石、碳酸钙、磷 酸盐、硅酸盐等是目前常用的改良剂。N aidu等通过在 Cd污 染的土壤上施用碱性物质如石灰, 使土壤中重金属 Cd有效 态含量降低 15% 左右, 对减少 C d被作物吸收具有一定的作 用 [ 33]。尤其在重金属污染严重的土壤中, 可以通过施入含 硫物料, 使土壤中的 Cd、H g形成 CdS、H gS 沉淀 [ 34]。利用某 些重金属的拮抗作用, 可有效降低土壤重金属污染。周启星 等研究表明, 土壤中适宜的 Cd /Zn 比可以抑制植物对 Cd的 吸收[ 35] 。 3. 3 生物修复 生物修复法主要是利用某些特殊的植物和 微生物等通过新陈代谢作用吸收去除土壤中的重金属或使 重金属形态转化, 降低毒性, 净化土壤。