土壤重金属污染现状与修复技术研究
土壤重金属污染现状与修复技术研究
梁家妮1,马友华1,周
3
静2,
(1.安徽农业大学资源环境与信息技术研究所,安徽合肥230036;2.中国科学院南京土壤研究所,江苏南京210008;
3.中国科学院红壤生态实验站,江西鹰潭335211)
摘要:土壤是农业的基础,也是人类获取食物和其他再生资源的物质基础。随着工业发展和农业生产的现代化,重金属
污染已经成为一个危害全球环境质量的主要问题。本文通过土壤重金属污染的来源、现状、不同修复技术的原优缺点、前景作了概述,并重点对目前常用改良剂的修复效果、存在的问题、改良剂原位修复土壤重金属污理、
染的作用机制以及国内外研究进展作简要综述及对未来趋势提出一些看法,为实现对重金属污染土壤进行有效的生态整治和安全高效的利用提供技术途径。
关键词:重金属;修复;土壤污染;改良剂文章编号:1005-4944(2009)04-0045-05
土壤是人类赖以生存的自然资源之一,也是人类获取食物和其他再生资源的物质基础。随着工业发展和农业生产的现代化,重金属污染已经成为一个危害全球环境质量的主要问题[1]。重金属元素是一种潜在的污染物,很难被土壤微生物降解,它一旦污染土壤,治理将非常困难,因此,对重金属污染土壤进行改良修复已成为土壤学和环境科学领域的重要研究内容。
布的土壤重金属污染,其污染元素主要为Pb、Cu、Zn等元素[3]。
1.2土壤重金属污染的危害
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。如镉与巯基氨基酸和蛋白质的结合引起氨基酸蛋白质的失活,甚至导致植物的死亡[4];如Cd通过形成过量的氧自由基,影响植物体内抗氧化酶活性,破坏细胞膜系统、蛋白、核酸等生物大分子,抑制水稻叶绿素合成和植株生长[5-6]。土壤重金属污染,给国家带来了严重的经济损失。据报道,每年全国因重金属污染而减产粮食1000多万t,另外合计经济被重金属污染的粮食每年也多达1200万t,损失至少达到200亿元。此外,受土壤重金属污染的作物在植(作)物体中积累,并通过食物链富集到人体和动物体中,危害人畜健康,引发癌症和其他疾病等。
1土壤重金属的来源及污染危害
冶炼工艺近年来,由于部分矿产开发中的选矿、
1.1土壤重金属的来源
水平落后,个别矿区没有环保治理设备,大量废弃物未经处理直接投放环境,造成土壤重金属污染;化肥农药的过度使用也会造成土壤重金属的污染,氮肥和钾肥中重金属含量较少,磷肥中重金属含量较多;含铅及有机汞的农药的使用,造成土壤的胶质结构改变,营养流失,对农作物的产量及品质都造成极大的不良影响,同时为土壤重金属污染埋下了祸根;饲料这使得有机添加剂中也常含有高含量的Cu和Zn[2],
肥料中的Cu、Zn含量也明显增加并随着肥料施入农田,农村地区长期使用畜禽粪便作为有机肥以增加土壤肥力也有可能造成土壤重金属污染;汽车尾气的排放、汽车轮胎磨损产生的大量含重金属的有害气体和粉尘的沉降所引起的以公路、铁路为中心成条带状分
2土壤重金属污染现状
据统计,目前全国遭受不同程度污染的耕地面积
已接近2000万hm2,约占耕地面积的l/5[7]。据农业部环境监测系统近年的调查,我国24个省(市)城郊、污水灌溉区、工矿等经济发展较快地区的320个重点污染区中,污染超标的大田农作物种植面积为60万hm2,占监测调查总面积的20%;其中重金属含量超标的农产品产量与面积约占污染物超标农产品总量
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与总面积的80%以上,尤其是Pb、Cd、Hg、Cu及其复合污染尤为明显
[8]
需要大量的人力、物力,治理成本高。与此同时容易造“二次污染”。成土壤肥力和生产力的降低,甚至产生3.1.3热处理
这种方法适用于土壤中易挥发性重金属元素的污染治理。即通过向土壤中通入热蒸汽或用微波、红外辐射等加热的方法使污染重金属挥发出土壤以达到修复的目的。或在高温作用下,某些放射性元素将由土壤表面吸附向土壤内部晶格扩散,从而降低了其生物有效性及对环境的风险[11]。此法虽能去除重金属,水分含量,从而对土壤肥但是也会影响土壤有机质、
力造成不利的影响,同时重金属蒸汽进入大气后对大气造成二次污染。3.2生物修复
生物修复是利用微生物或植物的生命代谢活动,对土壤中的重金属进行富集或提取,通过生物作用改变重金属在土壤中的化学形态,使重金属固定或解毒,降低其在土壤环境中的移动性和生物可利用性,其包括植物修复和微生物修复。3.2.1植物修复
植物修复是利用某些可以忍耐或超富集某种重金属元素的植物,通过植物系统或根系吸收带走土壤中的重金属,或降低重金属的毒性,以期达到清除污治理土壤的目的。植物修复技术依其过程及修复染、
机制的不同可分成植物吸取、植物挥发、植物降解、植物根滤、根际生物降解和植物稳定[12-13]。其中植物吸取是利用某些特殊植物如超积累植物对重金属的吸收,通过收获地上部分来达到减少土壤重金属含量的目的,此技术在目前重金属污染土壤的植物修复研究中印度芥应用较多。已有的研究和野外调查结果表明,菜(Brassicajuncea)能够富集高浓度的Pb[14],蜈蚣草(P.)、凤尾蕨属的P.longifolia和P.Umbrosa等植vittataL.
物能够富集高浓度的As[15-16],球果菜(Rorippaglobosa))是Cd超富集植和宝山堇菜(Violabaoshanensis
物[17-18],长柔毛委陵菜(PotentillagriffithiiHook.F.var.velutinaCard)是新近确认的一种Zn的超富集植植物修复与物理化学修复措施相比,植物修复的物[22]。
成本低,对环境扰动少。植物修复重金属污染的同时也增加了土壤有机质含量和土壤肥力,地表植被覆盖
。如天津近郊因污水灌溉导致0.23×
103km2农田受到污染;广州近郊因为污水灌溉污染农田27.0km2,因施用含污染物的底泥造成13.3km2的20世土壤被污染,污染面积占郊区耕地面积的46%;纪80年代中期对北京某污灌区进行的抽样调查表明,大约60%的土壤和36%的糙米存在污染问题[9]。
3土壤重金属污染的修复技术
目前,修复土壤重金属污染主要有以下几个途
降低其在径。一是改变重金属在土壤中的存在状态,环境中的迁移性和生物可利用性;二是利用生物或工程技术方法从土壤中去除重金属;三是改变种植制度,避免重金属通过食物链影响生物和人体健康。具体的措施为化学固定、土壤淋洗、热脱附、蒸汽萃取、电动修复、生物修复法和农艺措施等[10]。依据重金属污染的特点及改良修复技术的原理,目前重金属污染土壤的改良修复主要有物理修复、生物修复和化学修复3种。3.1物理修复
根据物理修复技术的特点分为电动修复、改土、热处理等方法。3.1.1电动修复
电动力土壤过程和土电动力修复也称作电修复、
壤电化学污染治理。其原理是在土壤/液相系统中插入电极,通以直流电,土壤中的重金属污染物在电场、电富集于阴化学等作用下,发生氧化还原反应,并迁移、极,从而达到去除土壤污染的目的。电动修复虽然具后处理方便、二次污染少等优点,但它只适有能耗低、
用于小面积的污染区土壤修复,对于大面积污染土壤如矿区土壤、冶炼厂周围的污染农田等修复在技术上仍不完善。3.1.2改土法
换土、去表土、深耕翻土等措改土法包括客土、
客土法就施。土壤重金属污染一般集中在土壤表层,是向污染土壤中加入大量的干净土壤,覆盖在表层或混匀,使污染物浓度降低到危害浓度以下或减少污染物与植物根系的接触,从而达到减轻危害的目的。改土法对轻度污染土壤的治理效果明显、彻底,但该法46
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的增加有利于生态环境的改善,因此,如何利用生物技术培育新的超富集植物已成为植物修复研究的一个热点。3.2.2微生物修复
微生物修复是利用土壤中某些微生物对重金属沉淀、氧化还原等作用降低土壤重金属毒性的吸收、
的技术。微生物活动可以通过改变土壤溶液的pH值和土壤结构,影响植物的根系分泌等过程,进而影响土壤对重金属的吸附和重金属的形态,降低重金属的微生物修复技术具有修复效果好,成生物有效性[19-20]。
本低、操作简单、无二次污染等优点,因而日益受到人们的重视。同时微生物修复的专一性强,其活性与温pH值等土壤环境条件紧密相关,因度、水分、氧气、
此,通过现代生物技术培育具有强适应性、广谱性的微生物并应用于污染治理已成为环境科学研究的热点之一。3.3化学修复
化学修复就是利用一些改良剂,与污染土壤中的Eh等理重金属发生化学反应,如改变土壤的pH值、化性质,经氧化还原、沉淀、吸附、络合、螯合、抑制和拮抗等作用来钝化土壤中的重金属,降低土壤中的重金属活性,达到污染治理和修复的目的。化学修复作为一种原位修复技术,因其成本低,能够用于大面积的污染农田,且易于实施,特别是对于轻中度重金属污染的土壤,修复效果明显,因此对于当前化学修复中添加改良剂,有关学者进行了大量研究,并得到了广泛的应用。目前常用的改良剂有无机改良剂和有机改良剂。3.3.1无机改良剂
施用石灰等碱性物质后,一方面土壤pH值提高,土壤表面负电荷增加,从而土壤对重金属的亲和性增也有利于MOH+的存在,从加;另一方面pH值升高,同时促使土壤而提高Cd等重金属离子的吸附量[21],
Cu、Hg、Zn等重金属形成氢氧化物或碳酸盐中Cd、
结合态沉淀或共沉淀,如pH值大于6.5时,Hg就能形成氢氧化物或碳酸盐沉淀。土壤中的磷酸根离子可以和30多种金属离子形成金属磷酸盐沉淀,而且反应生成的金属磷酸盐在很大的pH范围内的溶解度极
小,如PbAl()()·H2O的LogKsp为-99.3[22]。此3PO42OH5外,随着时间的延长磷酸盐还可与铅形成类似磷氯铅
[23]
)而磷氯铅矿的溶解度比其类矿Pb(5PO43Cl的沉淀,
似物碳酸铅和硫酸铅低几个数量级。
研究表明,在每667m2施石灰100~125kg时,水每667m2平均产量增加稻籽实Cd含量下降了50%,
30~50kg[24]。故石灰被认为是抑制Cd污染的酸性土壤上植物吸收Cd的有效措施。陈晓婷(2002)研究了钙镁磷肥对Cd、Pb、Zn污染土壤上小白菜生长的影响,降低了土壤有结果表明,钙镁磷肥增加了土壤pH值,效态重金属的含量,随钙镁磷肥用量的增加,叶片Cd、Pb、Zn含量持续降低,表明钙镁磷肥基本上消除(2000)的研究发现,在Cd、了重金属毒害[25]。Chen等
Pb污染土壤上施用碳酸钙、磷酸盐均减少了土壤重金Pb的可提取性,同时显著降低了小麦对Cd、Pb属Cd、
的吸收[25]。Lombi等用石灰和棕闪粗面岩处理2种污)后,发现土壤中可交换态染土壤(U.K土和French土碳酸盐结合态Cd和Zn分别增的Zn和Cd显著降低,
大部分Cu与有机质结合,而Pb在加了2.1和2.8倍,
U.K土中大部分转化为残渣态,在French土壤中以碳铁锰氧化态和有机态存在。这主要是由于石灰酸盐、
提高了土壤的pH值,使得重金属以碳酸盐或氢氧化无机改良物形式沉淀下来,减少生物有效性[26]。然而,剂中有些存在着潜在的其他金属离子如Fe2+、Mn2+,这些离子对作物也存在毒害风险。此外,无机改良剂成本也相对较高。3.3.2有机改良剂
堆肥、动物粪便和泥常用的有机改良剂有绿肥、
炭等。这些改良剂对重金属的改良修复机理主要通过影响重金属的溶解或解离动力学过程而改变重金属此外,腐植酸可与多种金属在土壤固-液相间的平衡。
离子形成具有一定稳定程度的腐植酸-金属离子络合Cu的吸附容量以FA大于(螯合)物。腐植酸对Cd、HA,吸附强度以HA大于FA,而解吸量以FA-Cd(Cu)大于HA-Cd(Cu)[27-28]。HA-Cd(Zn)络合物的稳(Zn)络合物的稳定常定常数与配位数均大于FA-Cd
数与配位数,表明施用大分子的腐植酸较小分子腐植酸更能有效地降低重金属的生物有效性[29]。另一方面,
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有机改良剂对土壤重金属生物有效性的影响通常和有机物料的某些组分与金属之间的络合反应有关。
Vaca-Paulin等[30]研究用污泥和堆肥对土壤中Cu和Cd的吸附影响,发现污泥和堆肥的施加增加了土壤对Cu的吸附能力,同时在金属竞争体系中土壤对Cd吸附有所降低,但是并没有增加Cd的有效性。华珞等[31]用玉米盆栽实验研究发现Cd浓度为0~100mg·kg-1时,施用猪粪450~675t·hm-2,玉米受毒害程度显著降低;Zn浓度为500mg·kg-1时,施用猪粪225~450t·hm-2,玉米中Zn浓度接近正常值,并通过淋洗实验发现大部分Zn和Cd与有机质结合。同时还得出添加有机质使土壤中Zn和Cd的水溶态和交换铁锰氧化态明显减少,有机结合态增加,而碳酸盐态、结合态无明显变化,这都证实提高土壤有机质含量能有机改良剂够阻止重金属元素向植物中迁移。然而,
虽然在刚施入时增加了重金属的吸附和固定,降低了其有效性,但随着有机物质的矿化分解,有可能导致被吸附的重金属离子的重新释放,增加植物的吸收,因此,利用有机改良剂修复重金属污染的土壤具有一定的风险。
程。
化学固定作为一种原位修复技术,因其成本低廉、易于实施,近年来发展较快,对于重金属污染土壤,特别是对于轻中度污染,不失为一种适宜的方法。然而,就目前而言,符合上述要求的改良剂很少,改良土剂的修复效果往往受到重金属离子的种类、作物、壤类型及环境因子的制约。不同改良剂的改良效果也具有很大的差异,有些改良剂,如有机物质在重金属的修复中甚至还存在着一些争议。因此必须进一步深入系统地研究现有改良剂的化学修复机理,特别是影响改良剂发挥作用的土壤因子,如土壤有机质含量、质地、pH值、Eh、粘粒含量、铁锰氧化物含量等,以及湿度等环境因子。同时在现有研究工作的基础温度、
上,借其他领域的最新研究成果,筛选出一种经济、有稳定且对环境友好的新型土壤钝化剂,这是改良效、
剂原位修复技术的关键。此外,还应将改良剂修复与电化法修复、淋溶络合法修复及农业调控植物修复、
措施等综合应用到土壤重金属修复中,取长补短,更好地实现重金属污染土壤的修复。
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4展望
解决土壤重金属元素的污染问题,应加强重金属
元素土壤生态化学行为和修复技术研究,特别是应用前景大的植物技术和微生物技术,寻求多种修复技术的综合运用。由于各种方法的作用和适用范围各不相同,但又互相联系,互相补充,应因地制宜,综合应用,周期短、见效快、稳定性强、副作用研制一种投资小、
治理彻底和适用性广的土壤污染治理方法,是当小、
应根前环境工作者的迫切任务。在选择修复技术时,据污染物的性质(如种类、形态、浓度等)、土壤条件渗透性、地下水位等)、污染的程度、预期的修(如pH、
复目标、时间限制、成本、修复技术的适用范围等因素加以综合考虑,选择合适的修复技术或其组合,在实际应用中2个甚至2个以上修复技术的组合可以取长补短,达到高效、低耗的双重效果。同时加强环境保护力度,避免含重金属元素的废水进入环境,注意重金属尾矿的处置防治,从源头上消除重金属元素对土壤的污染,积极推进生态农业和绿色食品的发展进48
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作者简介:梁家妮(1981—),女,广西南宁人,在读硕士,主要研究方向为土壤污染防治。收稿日期:2009-04-27
通讯作者:马友华,E-mail:[email protected]
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30%用于点灯做饭。只有大力发展综合利用,才能夯实基础。搞好综合利用,沼气建设才能事半功倍,才能“三沼”利用的成败在于农民是否保持旺盛的生命力。
掌握这项实用技术,要加强技术工人在这方面的专业技术并加强推广,在推广中也要不断完善和更新技
术,寻找到适合当地的综合利用技术。
作者简介:刘红梅(1976—),女,助理研究员,研究方向为生态农业与区域可持续发展。收稿日期:2009-04-17
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