王占英

（河北省眾聯(lián)能源環(huán)?？萍加邢薰?河北石家莊 050031）

土壤重金屬污染及其修復(fù)技術(shù)

王占英

（河北省眾聯(lián)能源環(huán)?？萍加邢薰?河北石家莊 050031）

工業(yè)制造、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生活垃圾等都會(huì)造成土壤污染。文章闡述土壤中重金屬的來(lái)源，土壤污染的特點(diǎn)，介紹了當(dāng)前幾種主要的污染土壤修復(fù)技術(shù)，并分析了其各自的優(yōu)點(diǎn)及存在的缺點(diǎn)。

重金屬；土壤污染；修復(fù)

土壤系統(tǒng)自凈能力是有限度的，一旦進(jìn)入土壤的污染物總量超過(guò)了該限度，土壤就會(huì)喪失這種自凈能力，造成的不可逆轉(zhuǎn)的污染[1]。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)得到高速發(fā)展，含有重金屬的工業(yè)廢渣、廢水和廢氣通過(guò)不同的途徑進(jìn)入到土壤，給土壤帶來(lái)了嚴(yán)重的污染。

1 土壤中重金屬的來(lái)源及其特點(diǎn)

土壤中重金屬的來(lái)源可分為天然來(lái)源和人為來(lái)源。天然來(lái)源是由于土母質(zhì)本身含有重金屬，不同的母質(zhì)、成土過(guò)程所形成的土壤含有重金屬量差異很大。人為來(lái)源主要是來(lái)自人類的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)以及生活垃圾，包括以下幾個(gè)方面：隨著大氣沉降進(jìn)入土壤的重金屬、污水的灌溉及污泥的施肥、礦山的開采、生活垃圾的堆放、農(nóng)業(yè)物資中的重金屬進(jìn)入土壤等途徑。

根據(jù)相關(guān)研究，重金屬的污染具有隱蔽性、滯后性、累積性、長(zhǎng)期性等特點(diǎn)，一旦當(dāng)土壤受到重金屬污染時(shí)，靠直接觀察很難發(fā)現(xiàn)，從產(chǎn)生污染到出現(xiàn)癥狀通常會(huì)滯后較長(zhǎng)的時(shí)間，且由于重金屬不可降解，一旦進(jìn)入土壤，有時(shí)要靠換土、淋洗土壤等方法才能解決問(wèn)題，其他治理技術(shù)可能見效較慢。因此，治理污染土壤通常成本較高、治理周期較長(zhǎng)。

2 土壤重金屬污染的修復(fù)技術(shù)

對(duì)土壤重金屬污染的治理，主要的技術(shù)有物理修復(fù)技術(shù)、化學(xué)修復(fù)技術(shù)、植物修復(fù)技術(shù)、微生物修復(fù)技術(shù)及轉(zhuǎn)基因修復(fù)技術(shù)等。

2.1 物理修復(fù)技術(shù)

對(duì)于污染嚴(yán)重的土壤，可以采用換土的方法，即在原來(lái)的土地上覆蓋未被污染的土或?qū)⑽廴就寥罁Q掉，覆土或換土的厚度應(yīng)該大于耕層土壤的厚度[2]。這種方法對(duì)于恢復(fù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有很好的效果，但是，這種方法需要耗費(fèi)大量的人力和財(cái)力，存在淋溶、破壞生態(tài)的危險(xiǎn)，且不適用于大面積的污染，因此存在很大的局限性。

玻璃化技術(shù)是指通過(guò)向污染土壤插入電極，對(duì)污染土壤固相組分給予1600℃～2000℃的高溫處理，熔化的污染土壤冷卻后形成化學(xué)惰性的、非擴(kuò)散的整塊堅(jiān)硬玻璃體，使得重金屬污染物得到固定。此技術(shù)適用于含水量較低、污染物深度不超過(guò)6m的土壤。

電動(dòng)修復(fù)是利用電動(dòng)力學(xué)的方法從飽和土壤層、不飽和土壤層、污泥、沉積物中分離提取重金屬污染物的過(guò)程。在電場(chǎng)作用下，重金屬離子（Cd、Pb、Cu、Zn等）以電遷移、電滲流及電泳等方式向陰極運(yùn)動(dòng)，使重金屬得到分離，最終達(dá)到去除污染物的效果。影響土壤電動(dòng)修復(fù)效率的因素很多，包括土壤類型、污染物性質(zhì)、電壓和電流大小、洗脫液組成和性質(zhì)、電極材料和結(jié)構(gòu)等。

2.2 化學(xué)修復(fù)技術(shù)

通過(guò)向土壤中添加化學(xué)試劑來(lái)治理重金屬污染的修復(fù)技術(shù)稱為化學(xué)修復(fù)技術(shù)。添加的化學(xué)試劑可以從兩方面來(lái)進(jìn)行，一是添加能活化重金屬的物質(zhì)（EDTA、檸檬酸等），使土壤中的重金屬更多的進(jìn)入的土壤液相中，進(jìn)而從土壤去除，即化學(xué)淋洗技術(shù)；二是加入降低重金屬活性的物質(zhì)（磷礦石、草炭灰等），使土壤中的重金屬活性降低，減少在其在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化，進(jìn)而降低其生物有效性，即鈍化（穩(wěn)定化）技術(shù)。其中，前者適合于污染較嚴(yán)重失去生產(chǎn)價(jià)值的土壤，因?yàn)榛瘜W(xué)淋洗不但會(huì)洗去土壤中的重金屬，同時(shí)土壤中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)氮、磷、有機(jī)質(zhì)等也會(huì)被淋洗出去。對(duì)于輕微污染的土壤，這種方法顯然不適合，可以采用鈍化土壤中重金屬的方法，使其不能被農(nóng)作物吸收，保證土壤生產(chǎn)價(jià)值。

2.3 植物修復(fù)技術(shù)

植物修復(fù)技術(shù)與傳統(tǒng)的物理、化學(xué)修復(fù)方法相比，該方法具有簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)等優(yōu)點(diǎn)。植物修復(fù)技術(shù)更加符合土壤污染治理的要求，具有良好的發(fā)展前景。植物對(duì)重金屬污染的修復(fù)技術(shù)包括：植物提取、植物揮發(fā)、植物鈍化三個(gè)方面。

植物修復(fù)所選用的植物需要滿足一定的條件，即對(duì)重金屬有特殊的吸收富集能力且對(duì)重金屬有一定的耐受性?！俺患参铩币辉~最初是由Brooks[3]等提出的。現(xiàn)在對(duì)超富集植物的定義包括三個(gè)方面：一是臨界含量標(biāo)準(zhǔn)，即植物莖或葉中重金屬達(dá)到其臨界含量，其中Cd為100mg/kg，Zn為10000mg/kg，Pb、Cu、Ni均為1000mg/kg；二是富集系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，富集系數(shù)是植物體內(nèi)某種重金屬含量與該種植物所生長(zhǎng)的土壤中同種重金屬濃度的比值，富集系數(shù)大于1.0是超富集植物必不可少的特征；三是轉(zhuǎn)移系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，即植物把重金屬?gòu)钠涓哭D(zhuǎn)移到地上部分的能力，轉(zhuǎn)移系數(shù)越高，對(duì)重金屬的修復(fù)效果越好。

植物修復(fù)技術(shù)自身也不可避免的存在一些不足。超富集植物個(gè)體矮小，生長(zhǎng)緩慢是限制植物修復(fù)發(fā)展的最主要因素，如果沒(méi)有足夠的生物量，那么對(duì)重金屬的去除效率不會(huì)很高；由于植物的生長(zhǎng)特性，要徹底去除污染物，往往需要很長(zhǎng)的時(shí)間，甚至需要上百年，對(duì)于當(dāng)今稀有的土壤資源，人們難以放棄種植農(nóng)產(chǎn)品而種超富集植物；目前發(fā)現(xiàn)的超富集植物大多是雜草類，對(duì)其種子的收獲比較困難；超富集植物一般只對(duì)某一種重金屬具有富集作用，而大部分的土壤污染為多種重金屬的復(fù)合污染，因此用一種植物難以到達(dá)治理污染的目的；盲目的引入某一植物，存在物種入侵的危險(xiǎn)；收割后的超富集植物的重金屬含量往往很高，對(duì)于這部分植物的處理比較困難。

2.4 微生物修復(fù)技術(shù)

微生物修復(fù)是利用微生物自身的代謝活動(dòng)，吸收、沉淀、氧化還原土壤中重金屬，降低重金屬毒性，同時(shí)微生物活動(dòng)可以影響植物的根系分泌和吸收等過(guò)程。微生物對(duì)重金屬污染的修復(fù)原理主要包括富集，轉(zhuǎn)化和吸附三個(gè)方面。富集是微生物把重金屬吸收后貯存在細(xì)胞內(nèi)，通過(guò)代謝作用，使這些離子被沉淀或螯合到自身合成的多聚物上。微生物轉(zhuǎn)化包括氧化還原、甲基化與去甲基化以及重金屬的溶解和有機(jī)絡(luò)合配位降解等作用方式。土壤中不同價(jià)態(tài)的重金屬離子的毒性相差很大，如Cr(3)的毒性相對(duì)Cr (6)要小很多。通過(guò)分泌特殊的氧化還原酶，微生物可以將有害重金屬離子轉(zhuǎn)化為低毒甚至無(wú)毒的形態(tài)。汞的微生物轉(zhuǎn)化具有代表意義，甲基汞和Hg(2)的毒性遠(yuǎn)大于Hg(0)，而Hg(0)又有很強(qiáng)的揮發(fā)

性，利用耐汞微生物可以使甲基汞和Hg(2)變成毒性較小且易于揮發(fā)的Hg(0)[4]。吸附是由于細(xì)胞表面帶有負(fù)電荷，且存在氨基、羧基、羥基、醛基、硫酸根等多種官能團(tuán)，可通過(guò)靜電吸附或者絡(luò)合作用固定重金屬離子。許多微生物與重金屬具有很強(qiáng)的親合性，能吸附多種重金屬，如藻類對(duì)銅、鈾、鉛、鎘等都有吸收富集作用。

雖然微生物修復(fù)具有相對(duì)處理費(fèi)用低、對(duì)環(huán)境影響小、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但是微生物廣泛分布于土壤環(huán)境中，分離比較困難，重金屬仍然留在土壤中。而且微生物受各種環(huán)境因素的影響較大，pH、溫度、氧氣、水分等均可影響微生物活性從而影響修復(fù)效果。

2.5 動(dòng)物修復(fù)技術(shù)

這里所指的動(dòng)物主要是蚯蚓，因?yàn)轵球臼峭寥乐幸粋€(gè)重要的有機(jī)體，對(duì)改善土壤的質(zhì)量起著重要的作用。動(dòng)物修復(fù)的機(jī)制包括生成某種金屬硫蛋白(MT)，與重金屬結(jié)合形成低毒或無(wú)毒的絡(luò)合物；代謝產(chǎn)生一些富含—SH的多肽(如PC)，與重金屬螯合，降低重金屬離子的活性。然而與微生物相比，蚯蚓的數(shù)量和比表面積都相對(duì)較小，因此產(chǎn)生的效果也不顯著，而且動(dòng)物對(duì)環(huán)境的要求也更加嚴(yán)格。

2.6 基因工程和細(xì)胞工程技術(shù)

隨著基因工程的發(fā)展，轉(zhuǎn)基因技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用。如自然的超富集植物常常由于生長(zhǎng)緩慢，生物量小等因素受到限制，而利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)，在超富集植物中植入具有某些特定功能的基因片段，可以克服這一缺陷。雜交技術(shù)和細(xì)胞融合技術(shù)的運(yùn)用也能得到良好的效果，通過(guò)培育得到的多倍體植物與普通的植物相比，有較大的生物量和較強(qiáng)的蒸騰拉力，這對(duì)于土壤重金屬的吸收轉(zhuǎn)化有重要的意義。然而，基因工程和細(xì)胞工程技術(shù)也存在很多不足之處，例如很多轉(zhuǎn)基因生物，其遺傳特性往往不穩(wěn)定；且控制不好，會(huì)引起基因污染，帶來(lái)嚴(yán)重的后果。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)土壤污染的復(fù)雜性、多樣性及復(fù)合性，在修復(fù)時(shí)要綜合考慮污染物的性質(zhì)、土壤條件、投資成本等各方面的因素。且采用某種單一修復(fù)方法往往很難得到理想的結(jié)果，因此要選擇最適合的修復(fù)技術(shù)或組合,達(dá)到高效、節(jié)約的雙重效果。如對(duì)于低污染濃度的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)地區(qū)，可采用添加鈍化劑，同時(shí)結(jié)合微生物的吸附作用達(dá)到降低重金屬生物有效性，使作物內(nèi)的重金屬減少；或者篩選低富集作物與超富集植物間作的方式，實(shí)現(xiàn)邊生產(chǎn)邊修復(fù)。

[1]Chaney R L，Minnie M，Li Y M，et al.Phytoremediation of soil metals[J].CurrentOpinion in Biotechnology 1997，8：279-284.

[2]Brooks R R,Lee J,Reeves R D,et al.Detection of nickeliferous rocksby analysis ofherbarium specimensof indicator plants[J].Journal ofGeochemicalExploration,1977,7:49-57.

[3]Ebbs SD,LasatM M,Brady D J,etal.Phytoextraction of cadmium and zinc from a contaminated soil[J].Journalof EnvironmentalQuality, 1997,26(5):1424-1430.

[4]耿春女,李培軍,陳素華,等.菌根生物修復(fù)技術(shù)在沈撫污水灌區(qū)的應(yīng)用前景[J].環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備,2002,3(7):51-55.

表4 膨潤(rùn)土復(fù)用試驗(yàn)

由以上數(shù)據(jù)可見，膨潤(rùn)土復(fù)用有一定的效果，但隨著利用次數(shù)的上升，膨潤(rùn)土吸附的雜質(zhì)越來(lái)越多，導(dǎo)致渣量越來(lái)越大。到第三次，效果變差，渣量變的很大，到了第四次，渣量基本沒(méi)變，且水質(zhì)未得到改善。因此，考慮在每次使用過(guò)膨潤(rùn)土后，移出一部分沉渣，再加入一部分新的膨潤(rùn)土，觀察其效果。

擬定膨潤(rùn)土進(jìn)出率25%、30%、35%

表5 復(fù)加04g（25%）膨潤(rùn)土試驗(yàn)

表6 復(fù)加0.4g（30%）膨潤(rùn)土試驗(yàn)

表7 復(fù)加0.56g（35%）膨潤(rùn)土試驗(yàn)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出，對(duì)江蘇油田廢水進(jìn)行預(yù)處理時(shí)，膨潤(rùn)土進(jìn)出率控制在35%時(shí)，處理效果保持良好的水平。

3 結(jié)語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)研究通過(guò)對(duì)膨潤(rùn)土運(yùn)用于油田廢水的預(yù)處理展開試驗(yàn)，得出膨潤(rùn)土去除油田廢水懸浮物的效果優(yōu)于常用的混凝劑（PAC、PAFC、硫酸亞鐵），當(dāng)原水懸浮物1500mg/L左右時(shí)，其初始最佳投加量為1.6g/100mL，復(fù)用最佳投加量為0.56g/100mL。為江蘇油田解決懸浮物預(yù)處理提供依據(jù)，為該廢水進(jìn)一步深度處理奠定基礎(chǔ)。

王占英（1964—），女，河北高陽(yáng)人，1995年畢業(yè)于河北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與應(yīng)用專業(yè)，工程師。