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我国目前重金属污染的耕地约有0.1亿hm2,约占耕地总面积的10%,全国每年受重金属污染的粮食多达1200 万t,因重金属污染而导致粮食减产高达1000 多万t,直接经济损失至少200 亿元。我国很多城市近郊土壤都受到了不同程度的污染,许多地方的粮食、蔬菜和水果等食物中Cd、Cr、As、Pb 等重金属含量超标或接近临界值。
土壤中的很多重金属是生物体所必须的,但是必须保持在一定的浓度范围。当重金属的浓度超过了限值时,会给生物机体带来很大的危害:阻碍基本代谢功能的发挥,抑制其他生理必须的金属离子的吸收,甚至改变生物分子的活性结构而引起机体变异。土壤重金属污染具有隐蔽性、长期性、不可逆性的特点。污染土壤的修复十分困难,不仅经济投入巨大,技术上也有难度,修复周期也很长。重金属污染物在土壤中移动性很小,不易随水淋滤,不为微生物降解,通过食物链进入人体后,在体内富集,严重威胁人类的生命安全,所以对重金属污染土壤的修复显得尤为迫切。
土壤修复途径主要有两种:
(1)改变重金属在土壤中的存在形态,使其固定,降低其在环境中的迁移性和生物可利用性,即稳定化;
(2)从土壤中去除重金属,使其存留浓度接近或达到背景值,即去(除)污化。
主要的处理方法包括物理方法:客土、换土法,热处理法(蒸汽提取);物理化学方法:固定(稳定)化法,淋滤法,电动修复法;生物修复法:植物修复法,微生物修复法,植物-微生物联用修复法,动物修复法。以下依次介绍各种技术方法要点、特点及机理。
1、客土、换土法
客土法是在污染的土壤上覆盖非污染土壤;换土法是挖除部分或全部污染土壤而换上非污染土壤。其机理是使污染重金属与生物圈尽可能隔离,减少污染物与植物根系接触的可能性。
2、热处理法(蒸汽提取)
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。在高温作用下,低熔点的汞蒸发速率加快,某些放射性重金属将由土壤表面吸附转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。
3、固定(稳定)化法
用稳定剂(石灰、天然沸石、磷酸盐、粘土等)使土壤中的重金属转化为低溶解性、低毒性及低移动性的物质,以减轻其危害。加入稳定剂直接吸收、络合沉淀重金属或是改变pH值而间接影响重金属的稳定性,从而降低土壤环境中的有毒重金属的移动性,它涉及固化基质的形成和通过固化机制将污染物机械固定等步骤,但固定(稳定)法是把重金属保留在污染土壤中。
4、淋滤法
通过物理和化学过程将重金属移出土壤的一项永久解决土壤重金属污染问题的技术。基于粒子状态的物理分离过程(水力分级、浮选、磁分离、静电分离等)和基于溶解(沉淀)状态的化学提取过程(酸提取、螯合剂提取、氧化和还原、表面活性剂增溶、改良剂等)。
5、电动修复法
使用低能级的直流电流(几个A/m2)穿过污染的土壤,通过电化学和电动力学的复合作用去除土壤中重金属的技术。受污染土壤(粘土、淤泥土)中插入电极并施加直流电,两电极之间形成直流电场,由于土壤颗粒表面具有双电层,并且孔隙溶液中离子或颗粒物带有电荷,就形成了完整的电场,重金属离子在多种迁移运动下聚集在电极两端而被除去。
6、植物修复法
以植物忍耐和超量积累某种或某些化学元素的生理功能为基础,利用植物及其共存微生物体系清除环境中的污染物的一门技术。(1)去除过程,包括植物提取、植物挥发,利用重金属积累植物或超积累植物将土壤中的重金属提取出来,富集并搬运到植物根部可收割部分和植物地上的枝条部位或是挥发到大气中;(2)稳定过程,植物稳定、植物过滤,植物通过某种生化过程(分泌有机酸等)改变根际环境(pH、Eh)或利用植物庞大的根系过滤吸收、富集重金属使土壤环境中重金属流动性降低,生物可利用性下降。
7、微生物修复法
利用土壤中各种微生物,包括与土壤环境安全和肥力息息相关的藻类、细菌、真菌等的物理、化学、生物作用降低土壤重金属毒性。(1)生物吸附和富集作用,微生物含有丰富的肽聚糖、脂多糖、磷壁酸和胞外多糖等强有力的重金属螯合物质;(2)溶解和沉淀作用,微生物代谢过程中产生多种低分子量的有机酸或络合物,溶解或沉淀重金属离子;(3)氧化还原作用,把低价态的重金属氧化成高价态的稳定形态,把高价态的重金属还原成低价态的易迁移形态;(4)菌根真菌能借助有机酸的分泌活化某些重金属离子,促进植物对重金属的吸收。
8、植物 – 微生物联用修复法
利用植物与其共生微生物体系(微环境)联合修复受污染的环境,以达到清除环境中污染物的目的。把植物与菌根真菌或是强化微生物结合起来,融合二者的优势,植物的根系为微生物提供适宜的营养条件,保证恶劣环境下微生物数目和活性的维持,微生物活化重金属,促进了植物的吸收。
9、动物修复法
利用土壤中的某些低等动物(如蚯蚓、鼠类等)吸收重金属,降低污染土壤重金属的含量。蚯蚓、鼠等动物能改善土壤物理结构、通气性和透水性、增强土壤肥力,被誉为“改良土壤的能手”,蚯蚓体内携带的各种微生物,提高土壤中活性微生物量,有利于退化的污染土壤生态系统的恢复。
各种处理方法有它独特的优势,也避免不了一些缺点。有些方法对重金属的去除效果非常明显,但是它对土壤本身环境带来的扰动可能很大,比如物理化;有些方法对重金属的去除效果一般,但是它对土壤的扰动小,而且成本低,如植物修复法;有些方法是通过技术手段降低重金属的迁移能力和生物有效性而减轻危害,如固定(稳定)法。各种修复方法的相应的比较见下表。
从表中可看出,上述方法单独使用很难达到对重金属污染土壤的高效、低耗、低扰动的理想效果,对重金属污染土壤的治理应根据污染场地的具体情况选择合适的单一的修复方法或是多种联合的修复方法。