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              土壤重金屬污染現狀與修復技術研究進展

                 日期:2016-03-21     來源:論文網    瀏覽:36    評論:0    

                土壤是人類賴以生存的主要自然資源之一,也是人類生態環境的重要組成部分。隨著工業、城市污染的加劇和農用化學物質種類、數量的增加,土壤重金屬污染日益嚴重,目前,全世界平均每年排放Hg約1.5萬噸,Cu 340萬噸,Pb 500萬噸,Mn 1500萬噸,Ni 100萬噸。據我國農業部進行的全國污灌區調查,在約140萬公頃的污水灌區中,遭受重金屬污染的土地面積占污水灌區面積的64.8%,其中輕度污染的占46.7%,中度污染的占9.7%,嚴重污染的占8.4%。

                土壤重金屬污染具有污染物在土壤中移動性差、滯留時間長、不能被微生物降解的特點,并可經水、植物等介質最終影響人類健康。因此,治理和恢復的難度大。本文在討論土壤重金屬污染物來源和分布的基礎上,評述土壤重金屬污染修復技術研究進展,旨在為重金屬污染土壤的有效修復提供科學的依據。

                1 土壤重金屬來源與分布

                1.1 隨著大氣沉降進入土壤的重金屬

                運輸,特別是汽車運輸對大氣和土壤造成嚴重污染。主要以Pb、Zn、Cd、Cr、Cu等的污染為主。它們來自于含鉛汽油的燃燒和汽車輪胎磨損產生的粉塵,據有關材料報導,汽車排放的尾氣中含Pb量多達20~50 μg/L,它們成條帶狀分布,因距離公路、鐵路、城市中心的遠近及交通量的大小有明顯的差異。Вериня等研究發現在公路兩側50m的距離有被污染的痕跡,每月每平方米累積的易溶性污染物在4~40 g。進入環境的強度順序為:Cu、Pb、Co、Fe和Zn。在寧-杭公路南京段兩側的土壤形成Pb、Cr、Co污染帶,且沿公路延長方向分布,自公路兩側污染強度減弱。經自然沉降和雨淋沉降進入土壤的重金屬污染,與重工業發達程度、城市的人口密度、土地利用率、交通發達程度有直接關系,距城市越近污染的程度就越重,污染強弱順序為:城市-郊區-農村。

                1.2 隨污水進入土壤的重金屬

                利用污水灌溉是灌區農業的一項古老的技術,主要是把污水作為灌溉水源來利用。污水按來源和數量可分為城市生活污水、石油化工污水、工業礦山污水和城市混合污水等。生活污水中重金屬含量很少,但是,由于我國工業迅速發展,工礦企業污水未經分流處理而排人下水道與生活污水混合排放,從而造成污灌區土壤重金屬Hg、Cd、Cr、Pb、Cd等含量逐年增加。淮陽污灌區土壤Hg、Ca、Cr、Pb、As等重金屬1995年已超過警戒線。其它灌區部分重金屬含量也遠遠超過當地背景值。

                隨著污水灌溉而進入土壤的重金屬,以不同的方式被土壤截留固定。95%的Hg被土壤礦質膠體和有機質迅速吸附,一般累積在土壤表層,自上而下遞減。鄭州污水灌區水中Hg的濃度達到O.242mg/kg,而土壤Hg含量O.194 mg/kg就會造成重度污染。污水中的As多以3價或5價狀態存在,進入土壤后被鐵、鋁氫氧化物及硅酸鹽粘土礦物吸附,也可以和鐵、鋁、鈣、鎂等生成復雜的難溶性砷化合物。而Cd很容易被水中的懸浮物吸附,水中Cd的含量隨著距排污口距離的增加而迅速下降,因此污染的范圍較少。Pb很容易被土壤有機質和粘土礦物吸附。Pb的遷移性弱,污灌區Pb的累積分布特點是離污染源近土壤含量高,距離遠則土壤含量低。污水中Cr有4種形態,一般以3價和6價為主,3價Cr很快被土壤吸附固定,而6價Cr進入土壤中被有機質還原為3價Cr,隨之被吸附固定。因此,污灌區土壤Cr會逐年累積。

                1.3 隨固體廢棄物進入土壤的重金屬

                固體廢棄物種類繁多,成分復雜,不同種類其危害方式和污染程度不同。其中礦業和工業固體廢棄物污染最為嚴重。這類廢棄物在堆放或處理過程中,由于日曬、雨淋、水洗重金屬極易移動,以輻射狀、漏斗狀向周圍土壤、水體擴散。沈陽冶煉廠冶煉鋅的過程中產生的礦渣主要含Zn、Cd,1971年開始堆放在一個洼地場所,其浸入液中Zn、Cd含量分別達6.6 g/L和75mg/L,目前已擴散到離堆放場700米以外的范圍,重金屬污染物濃度是以同心圓狀分布。對武漢市垃圾堆放場,杭州鉻渣堆放區附近土壤中重金屬含量的研究發現,這些區域土壤中Cd、Hg、Cr、 Cu、Zn、Pb、As等重金屬含量均高于當地土壤背景值。

                有一些固體廢棄物被直接或通過加工作為肥料施入土壤,造成土壤重金屬污染。如隨著我國畜牧生產的發展,產生大量的家畜糞便及動物加工產生的廢棄物,這類農業固體廢棄物中含有植物所需N、P、K和有機質,同時由于飼料中添加了一定量的重金屬鹽類,因此作為肥料施入土壤增加了土壤Zn、Mn等重金屬元素的含量。磷石膏屬于化肥工業廢物,由于其有一定量的正磷酸以及不同形態的含磷化合物,并可以改良酸性土壤,從而被大量施入土壤,造成了土壤中Cr、 Pb、Mn、As含量增加。磷鋼渣作為磷源施入土壤時,土壤中發現有Cr的累積。

                隨著工業的發展以及城鎮環境建設的加快,污水處理正在不斷加強。我國現有80余座污水處理廠,估計污泥產生量在400萬噸以上,由于污泥含有較高的有機質和氮、磷養分,因此土壤成為污泥處理的主要場所。一般來說,污泥中Cr、Pb、Cu、Zn、As極易超過控制標準。北京褐土施用燕山石化污泥一年后Hg、Cd濃度分別達到O.94mg/kg、O.22mg/kg。許多研究指出,污泥的施用可使土壤重金屬含量有不同程度的增加。其增加的幅度與污泥中的重金屬含量、污泥的施用量及土壤管理有關。

                固體廢棄物也可以通過風的傳播而使污染范圍擴大,土壤中重金屬的含量隨距污染源的距離增大而降低。如大冶冶煉廠,每年排放數千噸的粉塵,引起大冶縣廣大農田的污染,直徑20km范圍內的土壤Cr、Zn、 Pb、Cd含量均大大高于背景值。

                1.4 隨農用物資進入土壤的重金屬

                2 土壤重金屬污染修復技術

                土壤重金屬污染具有隱蔽性、長期性和不可逆性的特點。土壤中有害重金屬積累到一定程度,不僅會導致土壤退化,農作物產量和品質下降,而且還可以通過徑流、淋失作用污染地表水和地下水,惡化水文環境,并可能直接毒害植物或通過食物鏈途徑危害人體健康。目前,世界各國對土壤重金屬污染修復技術進行廣泛的研究,取得了可喜的進展。具體有如下幾種修復措施。

                2.1 工程措施

                主要包括客土、換土和深耕翻土等措施。通過客土、換土和深耕翻土與污土混合,可以降低土壤中重金屬的含量,減少重金屬對土壤-植物系統產生的毒害,從而使農產品達到食品衛生標準。深耕翻土用于輕度污染的土壤,而客土和換土則是用于重污染區的常見方法,在這方面日本取得了成功的經驗。工程措施是比較經典的土壤重金屬污染治理措施,它具有徹底、穩定的優點,但實施工程量大、投資費用高,破壞土體結構,引起土壤肥力下降,并且還要對換出的污土進行堆放或處理。

                2.2 物理化學修復

                2.2.1 電動修復 是通過電流的作用,在電場的作用下,土壤中的重金屬離子(如Pb、Cd、Cr、Zn等)和無機離子以電透滲和電遷移的方式向電極運輸,然后進行集中收集處理。研究發現,土壤pH、緩沖性能、土壤組分及污染金屬種類會影響修復的效果。

                該方法特別適合于低滲透的粘土和淤泥土,可以控制污染物的流動方向。在沙土上的實驗結果表明,土壤中Pb2+、Cr3+等重金屬離子的除去率也可達90%以上。電動修復是一種原位修復技術,不攪動土層,并可以縮短修復時間,是一種經濟可行的修復技術。

                2.2.2 電熱修復 是利用高頻電壓產生電磁波,產生熱能,對土壤進行加熱,使污染物從土壤顆粒內解吸出來,加快一些易揮發性重金屬從土壤中分離,從而達到修復的目的。該技術可以修復被Hg和Se等重金屬污染的土壤。另外可以把重金屬污染區土壤置于高溫高壓下,形成玻璃態物質,從而達到從根本上消除土壤重金屬污染的目的。

                2.2.3 土壤淋洗 土壤固持金屬的機制可分為兩大類:一是以離子態吸附在土壤組分的表面;二是形成金屬化合物的沉淀。土壤淋洗是利用淋洗液把土壤固相中的重金屬轉移到土壤液相中去,再把富含重金屬的廢水進一步回收處理的土壤修復方法。該方法的技術關鍵是尋找一種既能提取各種形態的重金屬,又不破壞土壤結構的淋洗液。目前,用于淋洗土壤的淋洗液較多,包括有機或無機酸、堿、鹽和螯合劑。Blaylock等檢驗了檸檬酸、蘋果酸、乙酸、EDTA、DTPA對印度芥菜吸收Cd和Pb的效應。吳龍華研究發現EDTA可明顯降低土壤對銅的吸收率,吸收率與解吸率與加入的EDTA量的對數呈顯著負相關。土壤淋洗以柱淋洗或堆積淋洗更為實際和經濟,這對該修復技術的商業化具有一定的促進作用。

                2.3 化學修復

                化學修復就是向土壤投入改良劑,通過對重金屬的吸附、氧化還原、拮抗或沉淀作用,以降低重金屬的生物有效性。該技術關鍵在于選擇經濟有效的改良劑,常用的改良劑有石灰、沸石、碳酸鈣、磷酸鹽、硅酸鹽和促進還原作用的有機物質,不同改良劑對重金屬的作用機理不同。施用石灰或碳酸鈣主要是提高土壤 pH值,促使土壤中Cd、Cu、Hg、Zn等元素形成氫氧化物或碳酸鹽結合態鹽類沉淀。如當土壤pH>6.5時,Hg就能形成氫氧化物或碳酸鹽沉淀。廖敏等研究發現,在低石灰水平下,土壤有機質的羥基和羧基與 OH-反應,促使土壤可變電荷增加,有機結合態的重金屬增多,并且Cd2+與CO2-3結合生成難溶于水的 CdCO3。在沈陽張士污灌區的試驗表明,每公頃土壤施用1500~1875kg石灰,籽實含鎘量下降50%。關于磷酸鹽和硅酸鹽固化土壤重金屬的技術研究報道較多,一般認為該物質可使土壤中重金屬形成難溶性的沉淀。如向土壤中投放硅酸鹽鋼渣,對 Cd、Ni、Zn離子具有吸附和共沉淀作用。水田土壤中的Cd以磷酸鎘的形式沉淀,磷酸汞的溶解度也很小。沸石是堿金屬或堿土金屬的水化鋁硅酸鹽晶體,含有大量的三維晶體結構和很強的離子交換能力,從而能通過離子交換吸附和專性吸附降低土壤中重金屬的有效性。有機物可促使重金屬以硫化物的形式沉淀,同時有機物中的腐殖酸能與重金屬離子形成絡合或螯合物以降低其活性。有人研究指出,利用一些對人體無害或有益的金屬元素的拮抗作用,也可以減少土壤中重金屬元素的有效性。

                化學修復是在土壤原位上進行的,簡單易行。但并不是一種永久的修復措施,因為它只改變了重金屬在土壤中存在的形態,金屬元素仍保留在土壤中,容易再度活化危害植物。

                2.4 生物修復

                生物修復是利用生物技術治理污染土壤的一種新方法。利用生物削減、凈化土壤中的重金屬或降低重金屬毒性。由于該方法效果好,易于操作,日益受到人們的重視,成為污染土壤修復研究的熱點。

                2.4.1 植物修復技術 是一種利用自然生長或遺傳培育植物修復重金屬污染土壤的技術。根據其作用過程和機理,重金屬污染土壤的植物修復技術可分為植物提取、植物揮發和植物穩定三種類型。

                (2)植物揮發 其機理是利用植物根系吸收金屬,將其轉化為氣態物質揮發到大氣中,以降低土壤污染。目前研究較多的是Hg和Se。濕地上的某些植物可清除土壤中的Se,其中單質占75%,揮發態占20~25%。揮發態的Se主要是通過植物體內的ATP硫化酶的作用,還原為可揮發的CH3SeCH3和 CH3SeSeCH3;Meagher等把細菌體中的Hg還原酶基因導入芥子科植物,獲得耐Hg轉基因植物,該植物能從土壤中吸收Hg并將其還原為揮發性單質Hg。

                (3)植物穩定 利用耐重金屬植物或超累積植物降低重金屬的活性,從而減少重金屬被淋洗到地下水或通過空氣擴散進一步污染環境的可能性。其機理主要是通過金屬在根部的積累、沉淀或根表吸收來加強土壤中重金屬的固化。如,植物根系分泌物能改變土壤根際環境,可使多價態的Cr、Hg、As的價態和形態發生改變,影響其毒性效應。植物的根毛可直接從土壤交換吸附重金屬增加根表固定。

                2.4.2 微生物修復技術 微生物在修復被重金屬污染的土壤方面具有獨特的作用。其主要作用原理是:微生物可以降低土壤中重金屬的毒性;微生物可以吸附積累重金屬;微生物可以改變根際微環境,從而提高植物對重金屬的吸收,揮發或固定效率。如動膠菌、藍細菌、硫酸還原菌及某些藻類,能夠產生胞外聚合物與重金屬離子形成絡合物;Macaskie等分離的檸檬酸菌,分解有機質產生的HPO2-4與Cd形成 CdHPO4沉淀;李志超發現有些微生物能把劇毒的甲基汞降解為毒性小、可揮發的單質Hg;Frankenber等以Se的微生物甲基化作為基礎進行原位生物修復。耿春女等利用菌根吸收和固定重金屬Fe、Mn、 Zn、Cu取得了良好的效果。

                2.5 農業生態修復

                農業生態修復主要包括兩個方面:一是農藝修復措施。包括改變耕作制度,調整作物品種,種植不進入食物鏈的植物,選擇能降低土壤重金屬污染的化肥,或增施能夠固定重金屬的有機肥等措施,來降低土壤重金屬污染。二是生態修復。通過調節諸如土壤水分、土壤養分、土壤pH值和土壤氧化還原狀況及氣溫、濕度等生態因子,實現對污染物所處環境介質的調控。我國在這一方面研究較多,并取得了一定的成效。但利用該技術修復污染土壤周期長,效果不顯著。

                3 土壤重金屬污染修復技術研究展望

                采用工程、物理化學和化學方法修復重金屬污染土壤,具有一定的局限性,難以大規模處理污染土壤,并且能導致土壤結構破壞,生物活性下降和土壤肥力退化。農業生態措施又存在周期長,效果不顯著的特點。生物修復是一項新興的高效修復技術,具有良好的社會、生態綜合效益,并且易被大眾接受。因此,具有廣闊的應用前景。以下幾個方面將成為該領域研究的重點。

                (1)超累積植物篩選與培育。超累積植物是在重金屬脅迫條件下的一種適應性突變體,往往生長緩慢,生物量低,氣候環境適應性差,具有很強的富集專一性。因此,篩選、培育吸收能力強,同時能吸收多種重金屬元素,且生物量大的植物是生物修復的一項重要任務。

                (2)分子生物學和基因工程技術的應用。隨著分子生物技術迅猛發展,將篩選、培育出的超累積植物和微生物基因導入生物量大、生長速度快、適應性強的植物中去已成為現實,因此,利用分子生物技術提高植物修復的實用性方面將取得突破性進展。

                (3)生物修復綜合技術的研究。重金屬污染土壤的修復是一個系統工程,單一的修復技術很難達到預期效果,必須以植物修復為主,輔以化學、微生物及農業生態措施,增加重金屬的生物有效性,促進植物的生長和吸收,從而提高植物修復的綜合效率。因此,生物修復綜合技術將是今后重金屬污染土壤修復技術的主要研究方向。

               
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