重金属污染与修复

土壤重金属污染与修复
重金属的概念与形态：重金属元素是单质密度大于4.5g/cm3 的一类金属元素的统称，包括锰、镉、铜、铅、锌、金、银、钴、镍、汞、钼、铁等元素，其中铁、锌等少量元素对人体有益，但剩余大多数重金属元素对生物体与环境均有毒害作用。

重金属污染来源及危害：土壤重金属污染的自然来源主要是岩石风化和火山喷发等自然地质活动，土壤重金属污染的人为来源主要为冶金化工、煤炭燃烧、尾气排放、矿产开发等，是土壤污染的主要来源。

土壤重金属污染首先会影响植物的生长发育，进而影响农作物的产量和质量。

其次，土壤重金属污染会影响土壤生态结构和功能的稳定。

研究证明：重金属污染的土壤，其微生物生物量比正常使用粪肥的土壤低得多，并且减少了土壤微生物群落的多样性。

最后，土壤重金属污染影响人类健康。

重金属在作物的可食用部位积累后，易通过食物链传递给人类，危害人类健康。

重金属污染土壤的修复技术主要可归纳为三类：
物理修复、化学修复与生物修复。

1 物理修复技术指通过物理过程将重金属从土壤中分离出去的技术，目前应用比较广泛或研究比较热门的主要包括以下几种技术方法。

1.1 淋洗技术是指用水或能提高重金属复合物溶解性的淋洗剂对土壤或沉积物进行冲淋，将固相中的重金属洗脱到液相中，处理后的土壤可以进行二次再利用，该技术在某些国家已经得到大规模工程化应用，针对具体的重金属污染物质采取“对症”的淋洗剂，可以有效提高淋洗效果，例如，含有柠檬酸的淋洗剂可以有效去除土壤中的锌与铅。

淋洗技术在实践应用中需消耗较多的水，因此土壤修复场所附近应接近水源，同时由于修复后会产生大量含有重金属离子的废水，如何进一步有效对废水进行处理，防止二次污染，是需要进行重点研究的子课题。

1.2 固化-稳定化技术是指将土壤中的重金属物质固定的技术，具体操作是通过固化稳定剂将具有毒性的重金属物质包被起来或与重金属吸附并络合，以降低重金属的生物毒性，使其保持长期稳定状态。

该技术的应用成本较低，适合进行大面积的重金属污染土壤修复，其关键在于选择合适的固化-稳定化药剂，目前应用较为广泛的固化稳定剂有水泥、沥青、石灰、飞灰等，其中水泥的应用范围最广，但此技术并未真正将土壤中的重金属去除，因此在进行固化-稳定化处理后，应坚持长期进行环境监测。

1.3 热解吸技术是采用直接或间接的热交换，将重金属污染的土壤加热到一定温度，使土壤中的某些重金属元素挥发从而与土壤相分离，进而再将挥发产物收集并处理。

实践证明，该技术应用于处理汞或砷等重金属污染土壤有较好的效果，热解吸技术采用非燃烧的加热方式可以明显降低次生污染物（如二噁英等）的产生，但该技术进行推广应用的明显劣势在于处理成本过高，对土壤进行加热过程中需消耗大量的能源。

已有科技工作者尝试采取太阳能获取热量以处理土壤，并取得了初步进展，此外，如何将挥发出的产物进行收集以及处置，也是当前对该技术研究所面临的难点问题。

2 化学修复技术指通过化学手段分离或固定重金属元素，使重金属毒性消除或降低，恢复或改善土壤的营养状况，其常见的技术方法如下所列。

2.1 电动修复技术是指在重金属污染土壤中插入电极，在直流电压作用下使重金属离子产生电动力学的复合作用（如电迁移、电渗流、电泳等过程），并在电极周围产生富集，以进
行集中处理或分离的过程。

该技术最早产生于美国，并在西方某些国家有了较快发展，已进入商业化应用阶段，我国近年来采用电动修复技术处理锌、铜等重金属污染土壤，也取得了较好的效果。

电动修复技术的成本较低，修复速度快，特别适合小范围的重金属污染土壤地块的修复。

该技术在应用过程中，控制土壤溶液中的pH值是关键，由于在电场中带正点的重金属离子逐渐向阴极聚集，如在移动过程中遇到带负电的OH-则将发生结合并形成沉淀，不利于重金属元素的去除，因此，必须严格控制土壤的pH值，阻止OH-在土壤中的移动。

2.2 有机质改良修复技术通过将有机质添加到被重金属污染的土壤中，使重金属离子与有机质中的腐殖酸产生络合或螯合反应，从而形成难溶性盐，是重金属元素的毒性大大降低，其中胡敏酸在效果比较突出，可以同2价与3价的重金属均形成沉淀。

我国已有科学家对此技术展开深入研究，并认为此法对于环境、经济和社会效益均可兼顾，是今后对于重金属污染土壤治理方面的一个重要研究方向。

3 生物修复技术指利用动物、植物或微生物的代谢活动，降低土壤中的重金属含量或改变重金属在土壤中的化学形态，以减弱重金属的毒性，生物修复技术以其效果明显、成本低廉、无次生污染产生而成为研究热点，相关的科研进展也逐渐深入，当前应用较多的技术方法有如下两类。

3.1 植物提取修复技术这是目前研究较多且前景广阔的一项技术，是指通过植物将土壤中的重金属吸收入体内，并在地上部分积累，进而可通过收割植物地上部分的办法将重金属污染物去除。

超积累植物是一类能从生活的土壤或水体中富集高浓度的重金属，并将重金属元素由植物体的地下部分运输到地上部分的植物，选取超积累植物是植物提取修复技术的关键所在，目前已知的此类植物已达400多种。

3.2 微生物修复技术通过研究已被重金属污染过的土壤，科学家发现这些土壤中通常都会富集多种可耐受重金属的细菌与真菌。

微生物可吸附或转化重金属，从而使其被固定或毒性降低。

微生物对重金属的作用可分别存在于胞内与胞外，在细胞内，重金属可发生“区域化作用”，存在于细胞内的不同位置，被固定或被转化为低毒形式；在细胞外，某些厌氧菌会产生硫化氢与重金属离子形成硫化物沉淀，另有一些微生物可产生胞外聚合物发生络合反应，将重金属固定或与之形成沉淀。