顧濟(jì)滄,趙 娟

(云南省環(huán)境監(jiān)測中心站,云南,昆明650034)

云南省土壤重金屬污染現(xiàn)狀及治理技術(shù)研究

顧濟(jì)滄,趙 娟

(云南省環(huán)境監(jiān)測中心站,云南,昆明650034)

對云南省土壤重金屬污染現(xiàn)狀和危害進(jìn)行了闡述,介紹了目前較為常見的幾種土壤修復(fù)技術(shù),分析了各技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)及技術(shù)發(fā)展方向。植物、微生物修復(fù)和聯(lián)合修復(fù)是將來土壤重金屬污染修復(fù)的方向。

土壤污染;重金屬;修復(fù)技術(shù)

目前,土壤污染已成為世界性的環(huán)境問題,污染直接威脅到區(qū)域生態(tài)環(huán)境、食品安全和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。在我國,由于不同的資源分布和工業(yè)布局,土壤污染類型存在地區(qū)性差異,污染程度也不盡相同。相較于其他省,云南省土壤中重金屬污染的問題較為突出。

1 土壤重金屬污染現(xiàn)狀及危害

1.1 云南省土壤重金屬污染現(xiàn)狀

云南省的鋅、錫、銅、鉛、鋁、磷、錳、鍺、銦、銀、鉑族礦產(chǎn)資源儲量在全國位居前列,礦業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快,磷、錫、鋅、銅、鉛、銻、鍺等礦產(chǎn)品的產(chǎn)量產(chǎn)值均居全國前列。在儲量表統(tǒng)計(jì)的83種礦產(chǎn)中,已開采利用的有62種,占74170%。已成為我國重要的礦產(chǎn)資源基地。1999年,礦業(yè)企業(yè)總資產(chǎn)占全省工業(yè)總資產(chǎn)的33160%,礦業(yè)總產(chǎn)值(采、選、冶、加工)占工業(yè)總產(chǎn)值的31106%,礦業(yè)企業(yè)職工人數(shù)占工業(yè)企業(yè)職工人數(shù)的一半以上,礦產(chǎn)品出口額占全省出口貿(mào)易總額的47150%。以有色金屬和磷化工為主的礦業(yè)在全省具有舉足輕重的地位,云南省經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展 “十五”計(jì)劃綱要把礦業(yè)確定為五大支柱產(chǎn)業(yè)之一[1]。

從云南省礦產(chǎn)資源現(xiàn)狀看有以下特點(diǎn):有色金屬礦產(chǎn)資源豐富、蘊(yùn)藏量大、分布廣、種類豐富、開發(fā)利用程度高;在全省國民經(jīng)濟(jì)中占有舉足輕重的地位,也是吸納社會就業(yè)的一個(gè)重要領(lǐng)域;在開發(fā)利用中存在礦產(chǎn)資源利用方式粗放;礦山生態(tài)環(huán)境問題嚴(yán)峻;礦產(chǎn)資源新體制和管理體系尚未形成;給周邊水、空氣、土壤環(huán)境造成了不同程度的影響。

據(jù)云南省的資源特點(diǎn)和工業(yè)布局等多方面分析,可以得到以下結(jié)論:土壤中重金屬偏高主要是來自于自然界,并且與云南省礦產(chǎn)資源的分布密切相關(guān)。與此同時(shí),礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用加劇了土壤重金屬含量的增加。

1.2 土壤重金屬污染的主要危害

土壤中進(jìn)入的重金屬不能被土壤微生物所分解,而易于積累,轉(zhuǎn)化為毒性更大的甲基化合物,甚至有的通過食物鏈以有害濃度在人體內(nèi)蓄積,嚴(yán)重危害人體健康。土壤重金屬污染物主要有汞、鎘、鉛、銅、鉻、砷、鎳、鐵、錳、鋅等。

重金屬對土壤的污染基本上是一個(gè)不可逆轉(zhuǎn)的過程。許多重金屬物質(zhì)一旦進(jìn)入土壤造成污染,光靠土壤本身的自凈功能需要數(shù)百年時(shí)間才能降解或者轉(zhuǎn)化。某些重金屬土壤污染靠土壤稀釋、自凈化作用是無法消除的。土壤污染一旦發(fā)生,僅僅依靠切斷污染源的方法往往很難恢復(fù),必須靠人工主動修復(fù)方法才能解決問題。治理污染土壤通常成本較高、治理周期較長。

土壤中汞元素。土壤的汞污染主要來自于污染灌溉、汞冶煉和使用汞原料廠的排放、含汞顏料的應(yīng)用、含汞農(nóng)藥的施用等。土壤中汞以無機(jī)態(tài)與有機(jī)態(tài)存在,在一定條件下互相轉(zhuǎn)化。在土壤微生物作用下,汞可發(fā)生甲基化反應(yīng),形成脂溶性的甲基汞,可被微生物吸收、積累,而轉(zhuǎn)入食物鏈造成對人體的危害。汞對人的危害主要表現(xiàn)在以甲基汞的形式通過食物鏈進(jìn)入人體,并在人的中樞神經(jīng)系統(tǒng)中富集,造成神經(jīng)錯(cuò)亂、牙齒脫落、骨骼疏松等癥狀,如水俁病。

土壤中鎘元素。鎘主要來源于鎘礦、鎘冶煉廠。常與鋅共生,冶煉鋅是鎘進(jìn)入環(huán)境中的一個(gè)重要途徑。土壤中鎘的存在形態(tài)大致可分為水溶性和非水溶性鎘兩大類。離子態(tài)和絡(luò)合態(tài)的水溶性鎘CdC12等能被作物吸收,對生物危害大,而非水溶性鎘CdS、CdCO3等不易遷移,不易被作物吸收,但隨環(huán)境條件的改變二者可互相轉(zhuǎn)化。鎘對農(nóng)業(yè)最大的威脅是產(chǎn)生 “鎘米”、“鎘菜”,使人得骨痛病。另外,鎘會損傷腎小管,出現(xiàn)糖尿病,還引起血壓升高,出現(xiàn)心血管病,甚至致癌、致畸。

土壤中鉛元素。鉛是土壤污染較普遍的元素。污染源主要來自汽油添加抗爆劑烷基鉛,隨汽油燃燒后的尾氣而積存公路兩側(cè)百米范圍內(nèi)的土壤中。另外,鉛冶煉廠、鉛采礦場等也是重要的污染源。一般進(jìn)入土壤中的鉛在土壤中易與有機(jī)物結(jié)合,極不易溶解,土壤鉛多發(fā)現(xiàn)在表土層,表土鉛在土壤中幾乎不向下移動。鉛對植物的危害表現(xiàn)為葉綠素含量下降,阻礙植物的呼吸及光合作用。鉛對人的危害則是累積中毒。人體中鉛能與多種酶結(jié)合從而干擾有機(jī)體多方面的生理活動,導(dǎo)致對全身器官產(chǎn)生危害。

土壤中砷元素。砷常和有色金屬礦石伴生,冶煉過程是砷元素進(jìn)入環(huán)境的主要途徑。其次含砷農(nóng)藥、燃煤也是主要來源。土壤中砷大部分為膠體吸收或和有機(jī)物絡(luò)合或與土壤中鐵、鋁、鈣離子形成難溶化合物,或與鐵、鋁等氫氧化物共沉淀。pH和電動勢值影響土壤對砷的吸附。pH值高砷吸附量減少而水溶性砷增加;在氧化條件下,大部是砷酸,易被膠體吸附,增加了土壤固砷量。隨電動勢值降低,砷酸轉(zhuǎn)化為亞砷酸,促進(jìn)砷的可溶性,增加砷害。砷對植物危害的最初癥狀是葉片卷曲枯萎,進(jìn)一步是根系發(fā)育受阻,最后是植物根、莖、葉全部枯死。砷對人體危害很大,它能使紅血球溶解,破壞正常生理功能,甚至致癌等。

2 土壤重金屬污染治理技術(shù)及研究方向

2.1 原位修復(fù)技術(shù)

2.1.1 植物修復(fù)法

利用植物把土壤中的污染物進(jìn)行吸收、轉(zhuǎn)移、聚集或降解。這包括了在植物的影響下(根莖范圍內(nèi))所發(fā)生的有利于污染物質(zhì)清除的一切生物作用、化學(xué)作用和物理作用。植物可把有毒的有機(jī)化合物進(jìn)行礦化,還可把重金屬元素和其它無機(jī)物從土壤中吸收并富集到地面上。

盡管植物土壤重金屬修復(fù)具有投資少,不破壞場地結(jié)構(gòu),不引起地下水二次污染,能在修復(fù)污染土壤的同時(shí)清除其周圍大氣或水體中污染物,美化環(huán)境,防止地表風(fēng)蝕、水蝕,易被社會接受[2],但修復(fù)周期較長,這使該技術(shù)的工程應(yīng)用受到很大限制。如何提高植物的吸收效果、縮短修復(fù)周期是當(dāng)前最受關(guān)注的問題,而選育超積累植物、提高土壤中重金屬的生物有效性則是改進(jìn)植物修復(fù)的關(guān)鍵。為了提高植物修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用效果,目前改進(jìn)的主要方向:首先,對植物種及其變種進(jìn)行篩選,得到對某一具體重金屬污染物具有超級修復(fù)潛力的植物;第二,采用基因工程技術(shù)改造植物以獲得理想的超積累植物;第三,通過農(nóng)藝措施優(yōu)化修復(fù)過程,如調(diào)節(jié)pH值、施用肥料及螯合劑[3]。

2.1.2 微生物修復(fù)法

微生物修復(fù)是指利用天然存在的或所培養(yǎng)的功能微生物群,在適宜環(huán)境條件下,促進(jìn)或強(qiáng)化微生物代謝功能,從而達(dá)到降低有毒污染物活性或降解成無毒物質(zhì)的生物修復(fù)技術(shù)。

重金屬污染土壤的微生物修復(fù)原理:土壤微生物種類繁多、數(shù)量龐大,是土壤的活性有機(jī)膠體,比表面大、帶電荷和代謝活動旺盛,在重金屬污染物的土壤生物地球化學(xué)循環(huán)過程中起到了積極作用。微生物可以對土壤中重金屬進(jìn)行固定、移動或轉(zhuǎn)化,改變它們在土壤中的環(huán)境化學(xué)行為,可促進(jìn)有毒、有害物質(zhì)解毒或降低毒性,從而達(dá)到生物修復(fù)的目的。因此,重金屬污染土壤的微生物修復(fù)原理主要包括生物富集(如生物積累、生物吸著)和生物轉(zhuǎn)化(如生物氧化還原、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。

微生物修復(fù)是最具發(fā)展和應(yīng)用前景的生物修復(fù)技術(shù)。微生物修復(fù)技術(shù)具有:投資不高、不破壞場地結(jié)構(gòu)等特點(diǎn),同時(shí)也是最為廣譜的一種土壤修復(fù)方式。但不同細(xì)菌的適應(yīng)性和特異性,決定了技術(shù)運(yùn)用較為復(fù)雜。同時(shí)修復(fù)完成后對區(qū)域的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)難以評估。為提高微生物修復(fù)技術(shù)的運(yùn)用領(lǐng)域,應(yīng)對以下問題進(jìn)行進(jìn)一步研究:①挖掘高效的微生物資源,對生物降解途徑進(jìn)行深入研究;②對土壤微生物修復(fù)過程進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評估,并且制度化;③加強(qiáng)微生物修復(fù)和其他修復(fù)方式的結(jié)合。

2.1.3 隔離法

隔離法是采用粘土或其它人工合成的惰性材料,將重金屬污染的土壤與周圍環(huán)境隔離開來,該方法并沒有破壞重金屬類污染物,只是防止污染物向周圍環(huán)境(地下水、土壤)的遷移,由于重金屬物質(zhì)對隔離系統(tǒng)不會產(chǎn)生影響,所以該方法適合于任何重金屬污染土壤的控制。對于滲透性差的地帶,尤其比較適用。此法與其它方法相比,運(yùn)行費(fèi)用較低,但對于毒性期長的重金屬,只是暫時(shí)地防止了物質(zhì)的遷移,不能作為永久的治理方法,并且存在著土壤周圍的環(huán)境條件發(fā)生變化時(shí),二次污染的風(fēng)險(xiǎn)。

隔離法的處理成本高,工作量大,并只能處理小面積污染的土壤。該方式運(yùn)用領(lǐng)域較為局限,運(yùn)用實(shí)例也較少。

2.1.4 化學(xué)氧化法

化學(xué)氧化法是向重金屬污染的土壤中噴灑或注入化學(xué)氧化劑,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(shù)關(guān)鍵在于選擇經(jīng)濟(jì)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(jìn)還原作用的有機(jī)物質(zhì),不同改良劑對重金屬的作用機(jī)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(jié)合態(tài)鹽類沉淀。如當(dāng)土壤pH>615時(shí),Hg就能形成氫氧化物或碳酸鹽沉淀。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?；瘜W(xué)修復(fù)是在土壤原位上進(jìn)行的,簡單易行。但并不是一種永久的修復(fù)措施,因?yàn)樗桓淖兞酥亟饘僭谕寥乐写嬖诘男螒B(tài),金屬元素仍保留在土壤中,容易再度活化危害植物。

2.1.5 電動修復(fù)

電動修復(fù)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(jī)離子以電透滲和電遷移的方式向電極運(yùn)輸,然后進(jìn)行集中收集處理。研究發(fā)現(xiàn),土壤pH、緩沖性能、土壤組分及污染金屬種類會影響修復(fù)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,土壤中Pb、Cr等重金屬離子的除去率也可達(dá)90%以上[4]。電動修復(fù)不攪動土層,并可以縮短修復(fù)時(shí)間,是一種經(jīng)濟(jì)可行的修復(fù)技術(shù),得到了較為廣泛的應(yīng)用。

2.2 異位修復(fù)技術(shù)

2.2.1 土壤洗滌法

土壤中重金屬存在的形態(tài)可分為兩大類:一是以離子態(tài)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(zhuǎn)移到土壤液相中去,再把富含重金屬的廢水進(jìn)一步回收處理。

土壤洗滌法成本較高,且操作較復(fù)雜,如異位化學(xué)淋洗。該方法是將挖掘出來的污染土壤與淋洗液混合,投加到淋洗反應(yīng)器中,并控制在一定條件下,通過攪拌等外力的輔助,使污染土壤和淋洗液發(fā)生作用,待土壤中的大部分污染物轉(zhuǎn)移至液相后,將洗過的土壤分離出來,回填或作深度處理,富集了污染物的淋洗廢液經(jīng)處理后排放或回用。異位化學(xué)淋洗修復(fù)污染土壤時(shí),通常要先進(jìn)行粒度分級再分別加以處理。污染物的種類不同,在不同粒徑土壤上的吸附量和吸附強(qiáng)度也不相同,大部分污染物強(qiáng)烈吸附于粘土和粉砂等細(xì)小土壤顆粒上,而此類土壤顆粒又通常只占很小的一部分,且這部分土壤顆粒又易于粘附到砂和礫石等粗土壤顆粒上。因此,粒度分級的首要目標(biāo)就是將污染土壤中的細(xì)小顆粒分離開,以利于對其進(jìn)行深度化學(xué)淋洗,剩余大部分土壤則可通過簡單淋洗后回填或異地處置。

目前,異位化學(xué)淋洗修復(fù)重金屬污染土壤的工程應(yīng)用還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于實(shí)驗(yàn)室研究,要實(shí)現(xiàn)其廣泛的工程應(yīng)用,還有一系列的技術(shù)問題需要解決。隨著相關(guān)研究的逐步深入,該技術(shù)修復(fù)重金屬污染土壤一定會向著實(shí)用化的方向快速發(fā)展。

2.2.2 焚燒法

焚燒法是利用重金屬遇熱揮發(fā)的特點(diǎn),在溫度為1000～1200℃的條件下焚燒(回轉(zhuǎn)窯)污染的土壤,使重金屬物質(zhì)通過燃燒的方式變?yōu)闅怏w而脫離土壤本體,進(jìn)而去除重金屬污染物,達(dá)到修復(fù)土壤的目的。鑒于重金屬的揮發(fā)溫度各異,焚燒法在處理重金屬污染土壤時(shí)局限性較大,且成本高,防止二次污染難度大。該方式更適宜用于有機(jī)類土壤污染。

2.2.3 換土法

換土法是用新鮮的未污染的土壤替換或部分替換原來的污染土壤,以稀釋原污染土壤中污染物的含量,增加土壤的自凈容量,利用環(huán)境自身的能力來消除殘余的污染物。換土法又可分為翻土、換土和客土三種方法。翻土就是深翻土壤,使聚集在表層的污染物分散在土壤的深層,達(dá)到稀釋和自處理的目的。換土就是將污染的土壤取走,換入新的干凈土壤。該方法適用于小面積嚴(yán)重污染且污染物又易擴(kuò)散難分解的土壤治理,需要對換出的土壤進(jìn)行治理。在操作過程中,操作人員可能直接接觸到污染的土壤,可能會直接導(dǎo)致污染物對人的危害。因此,人工費(fèi)用比較高,一般適用于事故后的簡單處理?？屯练ㄊ窍蛭廴就寥纼?nèi)加入大量干凈的土壤,覆蓋在表層或混合均勻,使污染物含量降低或減少污染物與植物根系的接觸。對于水稻類等淺根作物和移動性較差的污染物,采用覆蓋法較好。新加入的客土應(yīng)盡量選擇粘質(zhì)或有機(jī)質(zhì)含量高的土壤,以增加土壤的環(huán)境容量,增強(qiáng)土壤的自凈能力,減少客土量。

2.3 農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整和技術(shù)革新

農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整不是一種土壤修復(fù)的手段,而是為目的服務(wù)的一種技術(shù)手段。不同作物對重金屬元素的富集特性有較大差異,同時(shí)作物的可食部分重金屬含量也存在差異。通過了解污染區(qū)域重金屬元素特性,有針對性地選擇對造成該區(qū)域污染的重金屬元素不敏感的作物進(jìn)行種植,可有效減少重金屬通過食物鏈向人體的遷移。目前,該技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域已得到較為廣泛的運(yùn)用,在選擇低富集作物的同時(shí),結(jié)合控制土壤酸堿度、施加改良劑降低重金屬活性,輪作和間作農(nóng)藝等措施可更有效地控制重金屬的遷移。

在重金屬污染農(nóng)業(yè)種植區(qū)域調(diào)整農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)是一種較為易行、有效的控制手段,適宜于污染面積較大、污染程度不重的地區(qū)。該方式規(guī)避了重金屬污染向人體的遷移,但未從根本上消除土壤污染。

3 結(jié)束語

綜上所述,治理土壤重金屬污染的技術(shù)手段很多,但都具有一定的局限性。工程措施處理土壤污染,受到經(jīng)費(fèi)和技術(shù)手段的制約,難以做到大規(guī)模處理。在處理后,會導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)破壞、生物活性下降和土壤肥力退化。采取農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整的措施規(guī)避土壤污染遷移,不能從根本上解決土壤污染問題。

植物修復(fù)和微生物修復(fù)是一項(xiàng)新興的高效修復(fù)技術(shù),具有良好的社會、生態(tài)效益,并且易被公眾接受,因此具有廣闊的應(yīng)用前景,也逐漸成為國內(nèi)外在土壤修復(fù)方面研究的重點(diǎn)。此外,聯(lián)合修復(fù)也是實(shí)際修復(fù)案例中較為常用的一種方式,根據(jù)修復(fù)區(qū)域的具體情況,采用2～3種修復(fù)手段,可達(dá)到修復(fù)效率、修復(fù)效果、修復(fù)經(jīng)費(fèi)的最優(yōu)化。

[1]本規(guī)劃編制組.云南省礦產(chǎn)資源總體規(guī)劃[R].昆明:云南省人民政府,2000.

[2]楊景輝.土壤污染與防治[M].北京:科學(xué)出版社,1995.

[3]邢前國.重金屬污染土壤的植物修復(fù)技術(shù)[J].生態(tài)科學(xué),2003,22(2).

[4]崔德杰.土壤重金屬污染現(xiàn)狀與修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展[J].土壤通報(bào),2004,35(3).

Status of Soil Contam ination by HeavyM etals and Study on Remediation Techn iques in Yunnan

GU Ji2cang,ZHAO Juan
(Yunnan EnvironmentalMonitoring Center,Kunming Yunnan 650034 China)

The status of soil contamination by heavy metals in Yunnan province is reviewed as well as the har m.Several popular soil remediation techniques are introduced.The advantages and disadvantages of these methods and their development trends are discovered.The phytoremediation and microbial remediation and joint remediation will be the main research trend of soil treatment.

soil contamination;heavy metal;remediation technique

X53

A

1673-9655(2010)05-0068-04

2010-08-18