农田重金属污染土壤修复技术研究进展

农田重金属污染土壤修复技术研究进展

作者：杨小敏何文简红忠高鹏姚远

来源：《绿色科技》2016年第14期

摘要：指出了土壤重金属污染问题是当前主要的环境问题，分析了当前土壤污染现状，阐述了目前研究与应用较多的土壤修复技术，即物理修复、化学修复和生物修复三大类，对三种修复技术的原理和优缺点进行了讨论，并对今后的研究方向做了展望，以期为国内农田重金属污染土壤修复技术研究提供参考。

关键词：土壤重金属；污染；修复技术

中图分类号：X53

文献标识码：A文章编号：16749944（2016）14014003

1引言

工业化和城市化的快速发展，导致土壤重金属污染问题日益严重。土壤重金属来源有人为和自然两种，其中人为因素是造成土壤重金属污染的最大原因[1]。矿产资源开发、金属冶炼、化学用品生产等工业活动，产生的含重金属的“三废”以堆砌、渗透、沉降等形式进入土壤，造成土壤污染；农业生产活动中污水灌溉、农药及化肥等农资用品的不合理使用，导致农田土壤中重金属的含量不断增加[2，3]。进入土壤中的重金属不易降解并具有隐蔽性，其毒性会影响作物的生长，同时镉、砷等易被作物吸收的重金属，进入食物链后构成了危害人体健康的风险。2014年环保部公布了《全国土壤污染状况调查公报》，报告指出，我国土壤环境状况总体不容乐观，土壤总污染的超标率为16.1%，污染类型以无机型重金属为主，占全部超标点位的82.8%。土壤重金属污染已经对我国的生态环境、食品安全和农业可持续发展构成严重威胁[4]，因此，如何减轻日益严重的土壤重金属污染，进而修复还原利用已迫在眉睫。

与欧美等发达国家相比，我国虽然在重金属污染土壤修复方面起步较晚，但近年来在该领域的研究上也取得了一定发展。重金属污染土壤的修复原理主要概括为两类：一是将重金属从土壤中除去[5]，使重金属浓度达到或接近土壤背景值，达到清洁土壤的目的；二是将重金属稳定在土壤中，限制重金属在土壤环境中的迁移流动，减少其生物可利用性。目前国内外农田土壤重金属修复技术主要分为三类：包括物理修复法、化学修复法和生物修复法[6]。本文系统介绍了不同修复技术的原理、优缺点，并对未来的发展进行展望，旨在对农田土壤重金属污染修复工作提供参考意见。

2重金属污染土壤修复技术

2.1 物理修复技术

2.1.1工程措施

工程措施主要是换土法，具体包括换土、客土和翻土3种方法。换土顾名思义就是移走污染土壤，换入干净土壤；客土是将干净土壤覆盖在重金属污染的土壤表层混匀，达到降低土壤中重金属浓度的目的，客土和换土一般适用于重污染区；翻土是深翻耕层重金属污染的土壤到更深层，降低耕层重金属浓度，从而减少植物对重金属的吸收，翻土常用于污染程度较轻的土壤[7]。工程措施是比较经典的土壤重金属污染治理措施，该方法能有效的将重金属污染土壤与植物生态系统隔离，减少重金属对植物的影响，但工程措施通常实施工程量较大、投资成本高，换土易导致土壤结构的破坏，引起土壤肥力下降[8，9]。

2.1.2电动修复

电动修复的基本原理是利用插入土壤中的两个电极，通过在土壤两端施加低压直流电场，土壤中的重金属离子在直流电场作用下以电渗透和电迁移的方式定向迁移，富集在电极区域，然后通过移土、离子交换、沉淀等方法进行集中处理或分离。电动修复属于原位修复技术，处理成本低、修复效率高，后处理方便，不必向土壤中加入有害环境的物质，不会引起二次污染。但目前仍存在一些问题需要改进：例如电压引起土体发热而导致效率变化[10]，该技术对于污染物的选择性不高，阴阳极电解液电解后引起土壤pH值的变化，在实际工程中治理成本可能会随着设备的消耗而升高。

2.1.3热处理修复

热处理是通过加热土壤的方式，将一些具有挥发性的重金属从土壤中解析出来，从而达到修复的目的[11]。重金属污染土壤一般以微波加热为手段，微波是指频率为300～300000 MHz 的电磁波，介质在微波场中主要发生离子传导和偶极子转动。热处理修复技术通常应用于修复汞、硒污染的土壤。微波加热技术加热速度极快、热效率高、适用范围广，并且能选择性加热，分离回收某些有用的组分[12]。但是热处理修复技术需要消耗大量的能量，容易引起土壤有机质和结构水的破坏，还存在挥发性的汞蒸气进入大气造成大气污染的问题。

2.2化学修复技术

2.2.1化学固化稳定化

化学固化/稳定化是指利用向土壤中添加化学物质降低重金属的水溶性、扩散性和生物有效性[13]。固化是向污染土壤加入固化剂，两者混合后成为低渗透性固体混合物，固化体中的重金属移动迁移性降低，从而减少了对植物的危害。常用的化学固化剂有水泥、硅酸盐和粉煤灰等，固化修复技术时间短、易操作，但会破坏土壤结构。稳定化是向土壤中添加化学物质，包括改良剂、抑制剂等，改变重金属的形态或价态，降低重金属的水溶性、扩散性和生物有效性。常用的化学稳定剂有石灰、硅酸盐、纳米材料、磷酸盐、有机质等。化学稳定并不是一种

彻底的修复措施，因为它只改变了重金属在土壤中的存在形态，降低其生物有效性，但金属元素仍保留在土壤中，土壤条件改变下容易再度活化危害植物[14]。

2.2.2化学琳洗

淋洗法是用清水淋洗液或含有化学助剂的水溶液，通过水力压头推动淋洗液，淋洗被污染的土壤，把含有重金属的液体从土层中抽取出来，因此又称洗土法或萃取法。最常用的化学助剂分为无机和有机两大类，无机淋洗剂通常为硝酸、盐酸、弱酸盐等，有机淋洗剂通常是螯合剂例如乙二胺四乙酸二钠盐（EDTA）和二乙基三胺五乙酸（DTPA），有机淋洗剂对土壤的就地淋洗更适用，因为它们对环境的危害更小。化学琳洗技术易操作、费用合理、灵活方便，有利于技术推广、适合治理的污染物范围更广。但淋洗液在应用过程中可能会将植物所需的一些微量元素例如Cu、Mg淋洗出根基，造成微量元素缺失，影响植物生长。如果控制不当，有些淋洗废液易造成地下水污染。

2.3生物修复技术

生物修复技术是利用生物的生命代谢活动减少土壤环境中重金属的浓度或使其无害化，从而达到治理污染土壤的目的，目前生物修复技术主要集中在微生物修复和植物修复两方面。

2.3.1微生物修复

微生物修复是指利用微生物的作用对土壤环境中的重金属进行治理。其主要作用原理有：①微生物通过带电荷的细胞表面吸附重金属离子，以及主动吸收重金属于细胞内部降低重金属的移动性；②微生物通过代谢作用产生多种低分子有机酸，从而直接或间接溶解重金属；③微生物通过氧化还原作用改变金属的价态，降低土壤中重金属的毒性和活性 [15]。微生物修复不会破坏土壤环境，处理费用低，效率高，操作简单。但微生物修复修复技术容易受到土壤环境因素例如土壤温度、水分、pH值、孔隙度等的影响，在具体实践中也有一定的局限性。

2.3.2植物修复

植物修复是利用某些植物能超累积重金属的特性来修复污染土壤的技术。根据其作用过程和机理，农田土壤重金属污染的植物修复技术可分为植物稳定化、植物挥发和植物提取3种类型[16]。植物稳定是指通过植物根部的吸收、富集、沉淀以及根系表面的吸附作用而产生的稳定化作用。但是植物稳定只是暂时将重金属固定，在土壤环境发生变化时，重金属的生物有效性也可能会发生变化。植物挥发是指被植物吸收的污染物，在植物体内代谢，然后以可挥发的气态形式向大气释放的过程，通常应用于汞和硒污染的土壤，但存在大气污染的风险。植物提取是通过植物根系吸收重金属并将其富集于植物体内，而后将植物体收获、集中处置。植物提取技术被认为是最为有效的植物修复策略之一，但在研究和实践应用中还存在选择合适的超累积植物以及科学合理的处置收获的重金属富集植物生物质两类科学问题[17]。

3结语