礦區(qū)重金屬污染土壤修復(fù)方法的研究進(jìn)展

1、BlogSpeech言論微博礦區(qū)重金屬污染土壤修復(fù)方法的研究進(jìn)展章智明黃占斌單瑞娟孫朋成北京中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院摘要：礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)中重金屬污染問(wèn)題突出，修復(fù)方法的選擇至關(guān)重要。本文研究和分析了礦區(qū)重金屬修復(fù)的物理修復(fù)法、化學(xué)修復(fù)法和提出聯(lián)合修復(fù)、植物修復(fù)和新型化學(xué)改良劑修復(fù)是重金屬污染土壤修復(fù)的重要方向。生物修復(fù)法，指出了各方法特點(diǎn)。通過(guò)分析，關(guān)鍵詞：礦區(qū)重金屬污染物理修復(fù)化學(xué)修復(fù)生物修復(fù)，：，：；1.引言我國(guó)礦產(chǎn)資源豐富，為國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)做出了巨大的貢獻(xiàn)，是工業(yè)經(jīng)濟(jì)的重要支柱，促進(jìn)了社會(huì)進(jìn)步，但在礦產(chǎn)開(kāi)采和冶煉過(guò)程中也存在一系列嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題。首先，礦產(chǎn)開(kāi)采會(huì)占用大片土地，并

2、可能造成地質(zhì)災(zāi)害。在采礦的過(guò)程中產(chǎn)生大尾礦渣及生活垃圾量的礦渣，包括選礦渣、等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)鐵礦石開(kāi)采經(jīng)選礦后以上為尾礦，黃金礦開(kāi)采選礦后幾乎超過(guò)的礦區(qū)廢棄物采取堆放為尾礦。處理，占用了大片的土地。我國(guó)礦山多為地下開(kāi)采，常常導(dǎo)致地表裂縫與塌陷，嚴(yán)重危及到地表的人類活動(dòng)。其次，礦山開(kāi)采過(guò)程破壞生態(tài)環(huán)境，造成環(huán)境污染。礦區(qū)大片植被遭到破壞，表土剝離，加劇了水土流失，引起了土壤退化，導(dǎo)致生態(tài)失衡。礦產(chǎn)開(kāi)采中產(chǎn)生的廢棄物堿性或有毒的成分復(fù)雜，含有大量的酸性、物質(zhì)，這些物質(zhì)能對(duì)周邊地區(qū)造成嚴(yán)重的影響。許多礦物有重金屬伴生，礦物開(kāi)采過(guò)程中常產(chǎn)生重金屬污染。重金屬具有長(zhǎng)期性，穩(wěn)定性和隱蔽性的特征，同時(shí)重金屬

3、元素會(huì)在植物體內(nèi)積累，并通過(guò)食物鏈富集到動(dòng)物和人體中，誘發(fā)癌變或其他疾病，危害人類健康。如鉛中毒會(huì)影響人的神經(jīng)系統(tǒng)、造血系統(tǒng)和消化系統(tǒng)等，鎘中毒則會(huì)引起骨痛病。礦區(qū)土壤重金屬污染已不容忽視，到了亟待解決的地步。礦區(qū)固體廢棄物和礦山酸性廢水是礦區(qū)土壤中重金屬的主要來(lái)源。尤其是在礦、礦的開(kāi)采過(guò)程中，尾礦廢石、等在地表水的中的、沖洗和雨水的淋濾下進(jìn)入土壤并累積起來(lái)。而酸性廢水則使礦區(qū)中的重金屬元素活化，以離子形態(tài)遷移到礦區(qū)周邊的農(nóng)田土壤或河流中，導(dǎo)致土壤和河流中重金屬含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)背景值，影響農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)和飲水健康。另外，在礦石采礦、運(yùn)輸及排土過(guò)程中，塵埃污染也是礦區(qū)周邊土壤中重金屬的一個(gè)來(lái)源。在發(fā)達(dá)國(guó)

4、家和地區(qū)，礦區(qū)廢棄地治理已達(dá)以上，而我國(guó)還不到。近年來(lái)，我國(guó)開(kāi)始重視礦區(qū)重金屬污染的治理，如中國(guó)污染場(chǎng)地修復(fù)科技創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)發(fā)展論壇中來(lái)自全國(guó)各地的重金屬污染場(chǎng)地修復(fù)專家一起商議湖南重金屬污染礦區(qū)的治理措施，并對(duì)各方法的實(shí)用性做了分析。土壤重金屬的各個(gè)修復(fù)方法可以降低重金屬的濃度或生物可利用度，降低對(duì)生態(tài)環(huán)境及人類健康的危害。重金屬污染土壤的修復(fù)中，方法的選擇至關(guān)重要。本文在闡述了重金屬污染土壤的基本修復(fù)原理后，著重分析了土壤重金屬污染的物理修復(fù)法、化學(xué)修復(fù)法和生固化及物修復(fù)法，為土壤中重金屬的去除、鈍化提供了理論依據(jù)。2.重金屬污染土壤的修復(fù)技術(shù)國(guó)內(nèi)外用來(lái)修復(fù)土壤污染的方法較多，在具體的應(yīng)用過(guò)

5、程中多為交叉使用，一般分為三大類，即物理修復(fù)方法、化學(xué)修復(fù)方法和生物修復(fù)方法。其修復(fù)原理如下：（）加入化學(xué)改良劑轉(zhuǎn)化重金屬在土壤中的存在化學(xué)價(jià)態(tài)和存在形態(tài)，使其固化或鈍化。或者采用物理修復(fù)等方法，使重金屬在土壤中穩(wěn)定化，降低其對(duì)植物和人體的毒性；（）利用重金屬累積植物、動(dòng)物、微生物吸收土壤中的重金屬，然后處理該生物或者回收重金屬；（）將重金屬變?yōu)榭扇軕B(tài)、游離態(tài)，然后進(jìn)行淋洗并收集淋洗液中的重金屬，達(dá)到降低土壤中重金屬含量的目的。3.物理修復(fù)法物理修復(fù)法是基于機(jī)械物理的工程方法，它主要包括客土、換土和翻土法、電動(dòng)修復(fù)法和熱處理法三種。RESOURCES/079080從這里了解西部資源從這里了解西

6、部經(jīng)濟(jì)WESTRNRESOURCES雜談隨感屬的廢液，最后清潔后的土壤可以回填或作其他用途?；瘜W(xué)淋洗法的關(guān)鍵在于試劑的選擇，可用來(lái)淋洗土壤重金屬的試劑主要有鹽酸、硝酸、磷酸、硫酸、草酸、氫氧化鈉、等?，F(xiàn)已證明是針對(duì)重金屬污染最有效的提取劑，但其價(jià)格昂貴，且對(duì)的回收還存在技術(shù)問(wèn)題。5.生物修復(fù)法生物修復(fù)法是通過(guò)植物、微生物或者動(dòng)物的代謝活動(dòng)，降低土壤中重金屬含量方法。它主要包括植物修復(fù)法、微生物修動(dòng)物修復(fù)法和菌根修復(fù)法四種。復(fù)法、5.1植物修復(fù)植物修復(fù)是將對(duì)重金屬有超累積能力的植物種植在污染土壤上，待植物成熟后收獲并進(jìn)行妥善處理（如灰分回收）。通過(guò)該種植物可將重金屬移出土壤，達(dá)到治理污染的目的。

7、對(duì)于修復(fù)重金屬污植染土壤，植物修復(fù)法主要有植物鈍化、物提取和植物揮發(fā)三種。植物鈍化是指利用植物根系分泌物降低重金屬的活性，從而減少重金屬的生物毒性和有效性，并防止其進(jìn)入地下水和食物鏈，減少對(duì)人類健康的威脅。如植物分泌的磷酸鹽與土壤中的鉛結(jié)合成難溶的磷酸鉛，使鉛得到固化。除直接與重金屬發(fā)生作用外，根系分泌物導(dǎo)致的根際環(huán)境值和值的變化也可轉(zhuǎn)變重金屬的化學(xué)形態(tài)，使重金屬固化在土壤中。但是這種方法并未將重金屬去除，因此環(huán)境條件的改變?nèi)杂锌赡芑罨亟饘?。植物提取是指利用重金屬超累積植物從污染土壤中吸收重金屬，并將其轉(zhuǎn)移、儲(chǔ)存在植物地上部分（莖或葉），隨后收割地上部分并集中處理其中的重金屬，從而達(dá)到降低土

8、壤重金屬含量的目的。蔣先軍等發(fā)現(xiàn)，印度芥菜對(duì)銅、鋅、鉛污染的土壤有良好修復(fù)效果。夏星輝指出蕨類植物對(duì)鎘的富集能力很強(qiáng)，楊柳科能大量富集鎘，十字花科的蕓苔能富集鉛，芥子草能富集鉛、錫、鋅、銅等。在英國(guó)和澳大利亞等國(guó)家，一些對(duì)重金屬有高耐受性的植物的培育已經(jīng)商業(yè)化。植物揮發(fā)是指植物將其吸收的重金屬轉(zhuǎn)化為可揮發(fā)態(tài)，并揮發(fā)出植物的過(guò)3.1客土、換土和翻土客土法是指向被重金屬污染的土壤中加入大量干凈土壤，覆蓋在土壤表層或混勻，使重金屬濃度降低至低于臨界危害濃度，從而達(dá)到減輕污染的目的。對(duì)移動(dòng)性較差的重金屬污染物（如鉛）采用客土法時(shí)，相對(duì)較少的客土量也能滿足要求，可減少工程量。換土法是指把受重金屬污染的土

9、壤取走，代之以干凈的土壤。該方法適用于小面積嚴(yán)重污染的地區(qū)，以迅速地解決問(wèn)題，并防止污染擴(kuò)大化。此方法要求對(duì)換出的受污染土壤進(jìn)行妥善處理，以防止二次污染。翻土法是指深翻土壤，使表層的重金屬污染物分散到更深的土層，達(dá)到減少表層土壤污染物的目的。在礦區(qū)重金屬治理的過(guò)程中，換土法治理較為徹底，而客土法和翻土法并未根除土壤中的重金屬污染物，相反把重金屬繼續(xù)留在土壤中，因此這兩種方法只適用于移動(dòng)性差的重金屬污染物，以免土壤中重金屬污染物對(duì)地下水造成污染。3.2電動(dòng)修復(fù)電動(dòng)修復(fù)法是由美國(guó)路易斯安那州立大學(xué)研究出的一種治理土壤污染的原位修復(fù)方法，該方法近年來(lái)在一些歐美發(fā)達(dá)國(guó)家發(fā)展很快。它適合修復(fù)低滲透粘土和

10、淤泥土，可以控制污染物流向。在電動(dòng)修復(fù)過(guò)程中，利用天然導(dǎo)電性土壤加載電流形成的電場(chǎng)梯度使土壤中鎘、鋅、鎳、鉬、銅、的重金屬離子（如鉛、鈾等）以電遷移和電透滲的方式向電極移動(dòng)，然后在電極部位進(jìn)行集中處理。鄭喜坤等在沙土上的實(shí)驗(yàn)表明，土壤中、等重金屬離子的除去率可達(dá)以上。該方法不攪動(dòng)土層，且修復(fù)時(shí)間較短法操作起來(lái)花費(fèi)具大，破壞土壤結(jié)構(gòu)，使土壤肥力下降，同時(shí)還依然需要對(duì)換土進(jìn)行堆放或處理；電動(dòng)修復(fù)法在實(shí)際運(yùn)用中受其他多種因素影響，可控性差；熱處理法對(duì)氣體汞不易回收。該方法是指向重金屬污染土壤中添加化學(xué)改良劑，通過(guò)對(duì)重金屬的吸附、氧拮抗或沉淀作用，改變其在土壤化還原、中的存在形態(tài)，使其鈍化后減少向土壤

11、深層和地下水遷移，從而降低其生物有效性。常用的化學(xué)改良劑有石灰、碳酸鈣、沸石、硅酸鹽、磷酸鹽等，不同改良劑對(duì)重金屬的作用機(jī)理不同。如施用石灰或碳酸鈣主要是提高土銅、汞、鋅等元壤值，促使土壤中鎘、素形成氫氧化物或碳酸鹽等結(jié)合態(tài)鹽類沉淀。如當(dāng)土壤時(shí)，就能形成氫氧化物或碳酸鹽沉淀。沸石是一種堿土金屬礦物，通過(guò)吸附、離子交換等降低土壤中的重金屬生物有效性。黃占斌等指出鎘復(fù)合污染土壤，環(huán)境材料腐殖對(duì)于鉛、酸對(duì)鉛有顯著固定作用，而高分子材料及材料組合（腐殖酸、高分子材料和沸石）對(duì)鎘起到明顯固定作用。等發(fā)現(xiàn)沸石、磷石灰等能降低重金屬、的移動(dòng)性，且能夠減少玉的吸收量。米和大麥對(duì)重金屬、4.2化學(xué)淋洗化學(xué)淋洗修

12、復(fù)法是指在重力或外壓下向污染土壤中加入化學(xué)溶劑，使重金屬溶解在溶劑中，從固相轉(zhuǎn)移至液相，然后再把溶解有重金屬的溶液從土層中抽提出來(lái)，進(jìn)行溶液中重金屬的處理過(guò)程。利用此方法開(kāi)展修復(fù)工作時(shí)，既可以在原位進(jìn)行，也可采用異位修復(fù)。原位化學(xué)淋洗修復(fù)法要在污染地進(jìn)行全部過(guò)程，包括清洗液投加、土壤淋出液收集和淋出液處理等。由于原位化學(xué)淋洗過(guò)程形成了可遷移態(tài)污染物，因此要把處理區(qū)域封閉起來(lái)避免污染擴(kuò)大化；異位化學(xué)淋洗修復(fù)法則要把重金屬污染土壤挖掘出來(lái)，用化學(xué)試劑清洗，以去除重金屬，再處理含有重金，是一種可行的修復(fù)技術(shù)。3.3熱處理熱處理法是利用高頻電壓釋放電磁波產(chǎn)生的熱能對(duì)土壤進(jìn)行加熱，使一些易揮發(fā)性有毒重金

13、屬?gòu)耐寥李w粒內(nèi)解吸并分離，從而達(dá)到修復(fù)的目的。該技術(shù)可以修復(fù)被和等重金屬污染的土壤。雖然物理修復(fù)方法取得了一定的成果，但其還存在局限性?？屯痢Q土和翻土論文天地程。如植物可以吸收土壤中的，然后使之轉(zhuǎn)化成氣態(tài)后，通過(guò)蒸騰作用從葉片蒸發(fā)出來(lái)。這種方法只適用于具有揮發(fā)性的重金屬污染物，應(yīng)用范圍較小。同時(shí)，該方法將污染物轉(zhuǎn)移到大氣中，對(duì)大氣環(huán)境造成一定影響。5.2微生物修復(fù)微生物修復(fù)法是利用微生物對(duì)重金屬的親和吸附作用將其轉(zhuǎn)化為低毒產(chǎn)物，從而降低污染程度。雖然微生物不能直接降解重金屬，但其可改變重金屬的物理或化學(xué)特性，進(jìn)而影響重金屬的遷移與轉(zhuǎn)化。微生物修復(fù)重金屬污染土壤的機(jī)理包括生物吸附、生物轉(zhuǎn)化、胞

14、外沉淀、生物累積等。通過(guò)這些過(guò)程，微生物便可降低土壤中重金屬的生物毒性。由于細(xì)胞表面帶有電荷，土壤中的微生物可吸附重金屬離子或通過(guò)攝取將重金屬離子富集在細(xì)胞內(nèi)部。微生物與重金屬離子的氧化還原反應(yīng)也可降低重金屬的生物毒性，如在好氣或厭氣的條件下，異養(yǎng)微生物降低其毒性。杜立棟可將還原為，等從鉛污染礦區(qū)土壤中篩選出一株青霉菌，對(duì)人工培養(yǎng)基中有效鉛的去除率達(dá)，且富集效果比較穩(wěn)定，可應(yīng)用于鉛污染礦區(qū)土壤的生物修復(fù)。5.3動(dòng)物修復(fù)土壤重金屬污染的動(dòng)物修復(fù)是指利用土壤動(dòng)物在自然條件或人工控制下，在污染土壤中生長(zhǎng)、繁殖等活動(dòng)過(guò)程中對(duì)污染物進(jìn)行富集和鈍化等作用，從而使污染物降低或消除的一種修復(fù)技術(shù)。在評(píng)價(jià)污染物

15、的生態(tài)學(xué)危害研究中，科研工作者對(duì)土壤動(dòng)物并未給予足夠的重視，所以與微生物修復(fù)相比，國(guó)內(nèi)外的相關(guān)報(bào)道還不多。而在眾多土壤動(dòng)物中，普遍認(rèn)為蚯蚓是改良土壤的能手，并且對(duì)土壤污染具有指示作用，具有巨大的修復(fù)污染土壤潛力。朱永恒等研究得出蚯蚓對(duì)重金屬的富集量隨著污染濃度的增加而增加，蚯蚓體內(nèi)的、和的含量和土壤中這三項(xiàng)元素的含量具有良好的相關(guān)性。且蚯蚓體內(nèi)的金屬硫蛋白和溶酶體機(jī)制可以解毒重金屬。除蚯蚓外，腐生波豆蟲及梅氏扁豆蟲等動(dòng)物對(duì)重金屬也有明顯的富集作用。土壤動(dòng)物不僅直接富集重金屬，還和微生物、植物協(xié)同富集重金屬，改變重金屬的形態(tài)，使重金屬鈍化而失去毒性。5.4菌根修復(fù)菌根是指土壤中真菌菌絲與植物根系

16、形成的聯(lián)合體。成熟的菌根是一個(gè)復(fù)雜的群體，包括真菌、固氮菌和放線菌，這些菌類有一定的修復(fù)重金屬污染的能力。菌根真菌可通過(guò)分泌特殊的分泌物改變植物根際環(huán)境，從而使重金屬轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)毒或低毒的形態(tài)，降低其毒性，起到促進(jìn)重金申鴻等通過(guò)對(duì)菌根的屬的植物鈍化作用。研究發(fā)現(xiàn)，菌根玉米地上部銅濃度降低，根系銅濃度降低，表明菌根植物對(duì)銅污染土壤具有一定的生物修復(fù)作用。黃藝等采用根墊法和連續(xù)形態(tài)分析技術(shù)，分析了生長(zhǎng)在重金屬污染土壤中有菌根小麥和無(wú)菌根小麥根際銅、鋅、鉛、鎘的形態(tài)分布和變化趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)菌根可調(diào)節(jié)根際中土壤重金屬形態(tài)降低重金屬的生物有效性。此外，菌根還能使菌根植物體中重金屬積累量增加，強(qiáng)化植物提取的效果。

17、6.結(jié)論與展望國(guó)外關(guān)于土壤污染物重金屬的研究，澳大利亞、美國(guó)、德國(guó)等國(guó)家比較深入，尤其是澳大利亞。其研究主要集中在利用沸石等物質(zhì)降低重金屬在土壤中的遷移性或者利用超富集植物對(duì)土壤中的重金屬元素進(jìn)行吸收以降低重金屬的濃度。國(guó)內(nèi)關(guān)于土壤重金屬的污染治理也具有此趨勢(shì)，但對(duì)于動(dòng)物修復(fù)的機(jī)理還不是很明確。由于礦區(qū)污染土壤中重金屬種類多樣且濃度較高，單一修復(fù)手段難以取得滿意的修復(fù)效果。因此在實(shí)際修復(fù)過(guò)程中應(yīng)根據(jù)污染物性質(zhì)、污染程度、土壤條件等因素，綜合利用物理、化學(xué)和生物等修復(fù)方法，因地制在礦區(qū)宜地開(kāi)展重金屬污染土壤聯(lián)合修復(fù)。重金屬污染治理方法中，化學(xué)與生物聯(lián)合修復(fù)方法具有廣闊的應(yīng)用前景。該方法將化學(xué)修復(fù)

18、法與植物修復(fù)、微生物修復(fù)等生物修復(fù)法聯(lián)合，在添加鈍化劑、表面活性劑等之后植物對(duì)復(fù)合重金屬污染土壤的修復(fù)有顯著的效果。該方法相對(duì)于其他修復(fù)方法（如物理法中的電動(dòng)修復(fù)法），具有成本低廉、操作簡(jiǎn)便和效果顯著的優(yōu)點(diǎn)，適合大規(guī)模的污染土壤修復(fù)。雖然重金屬污染土壤的修復(fù)取得了一定的成果，但局限性仍然存在，如用于植物修復(fù)的超積累植物大部分植株矮小、生長(zhǎng)緩慢且生長(zhǎng)周期長(zhǎng)，因而修復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，且植物揮發(fā)作用使可揮發(fā)性重金屬易對(duì)大氣和人類造成傷害，故需要進(jìn)一步加強(qiáng)機(jī)理研究以避免二次污染。澳大利亞等國(guó)家雖已經(jīng)篩選出有效吸收重金屬的植物，并部分商業(yè)化，但大面積普及難度較高。植物的鈍化作用與投加化學(xué)改良劑法并沒(méi)有將土壤中的重金屬離子去除，只是暫時(shí)的固定，當(dāng)環(huán)境條件發(fā)生改變時(shí)，重金屬有可能再度活化而危害地下水及植物。針對(duì)這些問(wèn)題，我們應(yīng)利用基因工程等手段開(kāi)展重金屬積累植物或菌根的篩選，以提高重金屬的積累量，達(dá)到去除或簡(jiǎn)化重金屬污染的目的。同時(shí)，一種單一的化學(xué)改良劑很難有效地處理多種