土壤重金属污染现状及其治理方法

土壤重金属污染及其治理的方法1现状1.1国国家环境保护部抽样监测30万公顷基本农田保护区土壤，发现有3.6万公顷土壤重金属超标，超标率达12.1%。据国土资源部消息，目前全国耕地面积的10%以上已受重金属污染，约有1.5亿亩，污水灌溉污染耕地3250万亩，固体废弃物堆积占地和毁田200万亩，其中多数集中在经济相对发达地区。据我国农业部调查数据，在全国约140万公顷的污灌区中，受重金属污染的土地面积占污灌区面积的64.8%，其中轻度污染46.7%，中度污染9.7%，严重污染8.4%。华南部分城市50%的耕地遭受镉、砷、汞等有毒重金属污染；长三角地区有些城市大片农田受多种重金属污染，10%的土壤基本丧失生产力。2005年，长三角等地土壤重金属污染严重的情况，曾见诸报端，并引发舆论普遍关注和争议。土壤污染立法迫在眉睫。对浙北、浙东和浙中的236.5万公顷农用地调查发现，不适合种农作物的农用地面积为47.2万公顷，占20%；浙北、浙中、浙东沿海三个区域中，属轻度、中度与重度重金属污染的面积分别占38.12%、9.04%、1.61%，城郊传统的蔬菜基地、部分基本农田都受到了较严重的影响。第九届亚太烟草和健康大会中一项名为《中国销售的香烟：设计、烟度排放与重金属》的研究报告称：13个中国品牌国产香烟中铅、砷、镉等重金属成分含量严重超标，其含量最高超过拿大产香烟3倍以上！2009年8月，凤翔县发现大量儿童血铅含量严重超标，后确认是附近的东岭冶炼公司的铅排放所导致。1.2国外英国早期开采煤炭、铁矿、铜矿遗留下的土壤重金属污染经过300年依然存在。1996到1999年间，英格兰和威尔士尝试挖出污染土壤并移至别处，但并未根本解决问题。从20世纪中叶开始，英国陆续制定相关的污染控制和管理的法律法规，并进行土壤改良剂和场地污染修复研究。日本的土地重金属污染在上世纪六七十年代非常严重。其经济的快速增长导致了全国各地出现许多严重环境污染事件，被称为四大公害的痛痛病、水俣病、第二水俣病、四日市病，就有三起和重金属污染有关。荷兰在工业化初期土地污染问题严重。从20世纪80年代中期开始，加强土壤的环境管理，完善了土壤环境管理的法律及相关标准。国土面积4.15万平方公里的荷兰每年要花费4亿欧元修复1500—2000个场地，预计到2015年基本能修复全部污染土壤。1.3全球工业、城市污染的加剧，农用化学物质种类、数量的增加，使得土壤重金属污染日益严重。据调查，全世界平均每年排放约1.5万吨Hg，340万吨Cu，500万吨Pb，1500万吨Mn和100万吨Ni。2来源与分布2.1大气沉降能源、运输、冶金和建筑材料生产等产生的含有重金属的气体和粉尘进入大气，通过自然沉降和降水进人土壤。据估计全世界每年约有1600吨的汞通过化石燃料燃烧排放到大气中。含铅汽油的燃烧和汽车轮胎磨损产生的粉尘对大气和土壤造成Pb、Zn、Cd、Cr、Cu等污染。例如比利时每年从大气进入土壤的重金属每公顷就有Pb250g、Cd19g、As15g、Zn3750g。2.2污水未经处理的工矿企业污水排人下水道与生活污水混合，造成污灌区土壤重金属Hg、Cd、Cr、Pb、Cd等的含量逐年增加。如淮阳污灌区土壤Hg、Ca、Cr、Pb、As等重金属1995年已超过警戒线，其它灌区部分重金属含量也远远超过当地背景值。2.3固体废弃物工矿业固体废弃物堆放或处理过程中，由于日晒、雨淋、水洗重金属极易移动，以辐射状、漏斗状向周围土壤、水体扩散。冶炼厂冶炼锌产生的矿渣主要含Zn、Cd，1971年开始堆放在一个洼地场所，目前已扩散到离堆放场700米以外的围。市垃圾堆放场，铬渣堆放区附近土壤中重金属Cd、Hg、Cr、Cu、Zn、Pb、As等的含量均高于当地土壤背景值。有一些固体废弃物被作为肥料施入土壤，造成土壤重金属污染。磷石膏是化肥工业废物，含有一定量的正磷酸以及不同形态的含磷化合物，并可改良酸性土壤，因而被大量施入土壤，造成了土壤中Cr、Pb、Mn、As含量增加。磷钢渣作为磷源施入土壤，造成土壤中Cr累积。2.4农用物资农药、化肥和地膜长期不合理施用，导致土壤重金属污染。杀真菌农药含有Cu和Zn，被大量地施用于果树和温室作物，造成土壤Cu、Zn累积达到有毒的浓度。如在莫尔达维亚，葡萄生长季节要喷5～12次波尔多液或类似的制剂，导致每年约有6000～8000吨的铜被施入土壤。近年来，地膜的大面积推广使用，不仅造成了土壤的白色污染，而且地膜生产过程中加入了含Cd、Pb的热稳定剂，增加了土壤重金属污染。3土壤重金属污染修复技术3.1工程措施主要包括客土、换土和深耕翻土等措施。轻度污染的土壤用深耕翻土，重污染区常用客土和换土法。工程措施治理土壤重金属污染彻底、稳定，但工程量大、投资费用高，破坏土体结构，引起土壤肥力下降，并且还要对换出的污土进行堆放或处理。3.2物理修复3.2.1电动修复通过电流使土壤中的重金属离子(如Pb、Cd、Cr、Zn等)和无机离子以电透渗和电迁移的方式向电极运输，再集中收集处理。该方法适用于低渗透的粘土和淤泥土，可以控制污染物的流动方向。在沙土上的实验，土壤中Pb2+、Cr3+等重金属离子的除去率也可达90%以上。电动修复不搅动土层，修复时间短，是一种经济可行的原位修复技术。3.2.2电热修复利用高频电压产生的电磁波对土壤进行加热，使污染物从土壤颗粒解吸出来，加快一些易挥发性重金属从土壤中分离，从而达到修复的目的。该技术可以修复被Hg和Se等重金属污染的土壤。3.2.3土壤淋洗利用淋洗液把土壤固相中的重金属转移到土壤液相中去，再把富含重金属的废水进一步回收处理。该技术要求寻找一种既能提取各种形态的重金属，又不破坏土壤结构的淋洗液。目前用于淋洗土壤的淋洗液，包括有机或无机酸、碱、盐和螯合剂。3.3化学修复化学修复就是向土壤投入改良剂，将重金属吸附、氧化还原、拮抗或沉淀，降低重金属的生物有效性。常用改良剂有石灰、沸石、碳酸钙、磷酸盐、硅酸盐和促进还原作用的有机物质，不同改良剂对重金属的作用机理不同。化学修复简单易行，但它只改变了重金属在土壤中的存在形态，金属元素仍保留在土壤中，容易再度活化危害植物。3.4生物修复生物修复是利用生物削减、净化土壤中的重金属或降低重金属毒性。该方法效果好，易于操作，受到人们的重视，日益成为修复污染土壤研究的热点。3.4.1植物修复技术是一种利用自然界存在或人工培养的植物修复重金属污染土壤的技术，分为植物提取、植物挥发和植物稳定三种。植物提取是依靠重金属超积累植物从土壤中吸取重金属离子，接着收割地上部分并进行处理。连续种植该植物，可有效降低或去除土壤重金属。目前已发现700多种超积累重金属植物。植物挥发是依靠植物根系吸收重金属，将其转化为气态物质挥发到大气中。目前研究最多的是Hg和Se。植物稳定是依靠耐重金属植物或超累积植物降低重金属的活性，防止重金属被淋洗到地下水或扩散至空气中。其机理是让金属在根部积累、沉淀或被根表吸收，以达到固化的目的。3.4.2微生物修复技术微生物可降低土壤中重金属的毒性；吸附积累重金属；改变根际微环境，达到提高植物对重金属的吸收，挥发或固定效率的目的。如动胶菌、蓝细菌、硫酸还原菌及某些藻类，能够产生胞外聚合物与重金属离子结合成络合物；Macaskie等分离的柠檬酸菌可分解有机质生成HPO2-4与Cd形成CdHPO4沉淀；国研究人员发现有些微生物能把剧毒的甲基汞降解为毒性小、可挥发的单质Hg。3.5农业生态修复农业生态修复包括农艺修复和生态修复。前者改变耕作制度，调整作物品种，种植不进入食物链的植物，选择能降低土壤重金属污染的化肥，或增施能够固定重金属的有机肥等来降低土壤重金属污染；后者调节土壤水分、养分、pH值和土壤氧化还原状况及气温、湿度等生态因素，调控污染物所处环境介质。但该技术修复周期长，效果不明显。4.2微生物修复机理菌根植物的根系通过根面上菌丝与根际圈的重金属接触从而对重金属产生吸收、屏障和螯合等直接作用。4.3超积累植物（Hyperaccumulator）及其筛选超积累一般要求金属离子在植物中的含量大于0.1%~1%（干重）；当达到这个标准时，回收植物组织中的金属才具有经济性。超积累植物一般要求其重金属含量大于一个临界值（表1）。不同重金属有超积累作用的植物种的分布也是分布不均匀的。表2和表3列举了几种金属的超积累植物和数。表1重金属在土壤普通植物中的平均浓度及其在超累积植物中的临界标准(mg/kg)重金属元素土壤中含量普通植物中含量超累积植物临界标准镉Cd100钴Co1011000铬Cr6011000锰Mn850801000钙Ca20101000镍Ni4021000铅Pb1051000表2某些已知超累积植物地上部分的金属含量（mg/kg）金属超累积植物含量镉Cd天蓝遏蓝菜（Thlaspicaerulescens）1800铜Cu高山甘薯（Ipomoeaalpina）12300钴CoHaumaniasturmrobetii10200铅Pb圆叶遏蓝菜（T.rotundifolium）8200锰Mn粗脉叶澳洲坚果Macadamianeurophylla51800镍Ni九节木属(P.douarrei)47500锌Zn天蓝遏蓝菜（T.caerulescens）51600表3已报道的金属超积累植物(Baker,2003)金属金属浓度标准(以干重计,地上部分)%种类科数锑Sb0.122砷As0.122镉Cd0.0111钴Co0.12811铜Cu0.13715铅Pb0.1156镍Ni0.131737硒Se0.1177铊Tl0.111镁Mg1.095锌Zn1.01155土壤重金属污染修复技术研究展望工程措施、物理修复和化学修复重金属污染土壤，缺点多，大规模处理污染土壤不现实，并且会破坏土壤结构，降低生物活性，使土壤肥力退化。而农业生态措施又周期长，效果不明显。生物修复以其高效性，良好的社会、生态综合效益而被大众接受，应用前景广阔。以下几点将成为未来研究的热点。5.1超累积植物筛选与培育超累积植物一般生长缓慢，生物量低，环境适应能力差，且只能吸收一种重金属。因此，筛选与培育吸收能力强，吸收重金属种类多，且生物量大的植物是生物修复的一个重点。5.2基因工程技术的应用将筛选与培育出的超累积植物和微生物基因导入生物量大、生长速度快、适应性好的植物中去已经实现，所以，利用基因工程技术提高植物修复能力将取得突破性进展。5.3生物修复综合技术的研究重金属污染土壤的修复是一个整体性的工程，需要多种修复技术。植物修复加上化学、微生物及农业生态措施，增加重金属的生物有效性，促进植物的生长和吸收，能更好地提高土壤重金属修复的效率。因此，生物修复综合技术前景广阔。参考文献[1]滔.目击中国重金属污染之痛[J].科学新闻,2009,(20):20－21.[2]韦康.各国如何应对重金属污染[N].日报,2010-11-11(A5).[3]岳德亮.:因土壤污染近20%农用地不产绿色农产品[N/OL].新华日报,2010-11-24.(2010-11-24)[2010-11-27]..chinadaily..cn/hqsj/shbt/2010-11-24/content_1269501.html[4]南都.立法组专家王树义：土壤污染亟需专门立法[N].南方都市报,2010-10-20(4).[5]妍.国产香烟重金属含量不超标也超高吁第三方监管[J].中国经济周刊,2010,(42):49－51.[6]德杰，玉龙.土壤重金属污染现状与修复技术研究进展[N].土壤通报，2004，35（3）[7]殷学波.“植物修复污染土壤”之七:临界标准定,超积累上榜[Z/OL].科普之窗,2008-3-17.(2008-3-17）[2010-11-27]..bjkp.gov.cn/bjkpzc/tszr/zwdg/zwyxf/161366.shtml[8]曾学云，吴群河.重金属污染土壤植物修复基本机理及其发展方向[M].环境污染与防治，2004，26（4）