土壤重金属污染防治修复技术

重金属污染防治修复技术篇重金属污染防治修复技术篇 目前 重金属污染的修复主要有两种途径 1 改变重金属的存在状态 降低其活性 使其钝化 脱离食物链 减小其毒性 2 利 用特殊植物吸收土壤中的重金属 然后将该植物除去或用工程技术将重金属变为可溶态 游离态 再经过淋洗 然后收集淋洗液中的重 金属 从而达到回收重金属和减少土壤中重金属的双重目的 国内外采用的方法一般可分为工程措施 农业措施 改良措施和生物措施 场地重金属污染土壤修复是利用物理 化学和生物的方法转移 吸收 降解和转化土壤中的重金属 使其浓度降低到可接受水平 满足相应土地利用类型的要求 按照技术类别可以将场地土壤重金属污染修复分为物理修复 化学修复 生物修复 联合修复以及农业 生态修复等 名称反应机理 按技术 类别分 类 1 物理修复物理修复技术主要包括物理工程措施 电动力学法 淋洗法 电热修复 玻璃化技术和冰冻土 壤技术 1 物理工程措施 物理工程措施主要包括排土 换土 去表土 客土和深耕翻土等措施 排土 换土 去表土 客土被认为是一种好方法 但是工程量大 并有污土的处理问题 客土和污土混合措施是一种比较常见的方 法 利用一定量的无污客土与污土成比例混合 从而降低土壤中重金属的含量 减少客土需求量 深耕翻土 即采用深耕 翻动上下土层 使得表土壤中的重金属含量降低 深耕翻土用于轻度污染的土壤 而客土和换 土则是用于重污染区的常见方法 目前 一些发达国家在土壤污染严重地区试行固化技术和挖土深埋包装技 术 2 2 电动力学法 电动修复是通过电流的作用 在电场的作用下 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 然后进行集中收集处理 该方法特别适合于低渗透的粘土 和淤泥土 可以控制污染物的流动方向 研究发现 土壤 pH 缓冲性能 土壤组分及污染金属种类会影响修 复的效果 郑槊粲等模拟 Cd 污染土壤 在电场强度为 1V cm 1 的条件下研究修复效果 结果表明 较低的 pH 值和较高的氧化还原电位都有利于 Cd 的解吸并加速修复过程 3 淋洗法 土壤淋洗是一种通过注入 抽吸淋洗液过程来去除土壤中有机和无机污染物的修复技术 主要用于 处理化学吸附在土壤微粒孔隙及周围的污染物 该技术先将淋洗液注入已污染的土壤 再用泵将含有污染物 的淋洗液抽吸至地面就地处理 此过程中 淋洗液和污染土壤充分混合 被土壤吸附的污染物通过溶解 乳 化和化学作用进人淋洗液中 从而随淋洗液的吸出从土壤中去除 一般需要用清洁的提取液反复多次淋洗以 去除残余的污染物 然后对含有污染物的淋洗液进行处理与回用 4 电热修复 电热修复是利用高频电压产生电磁波 产生热能 对土壤进行加热 使污染物从土壤颗粒内解吸 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 3 污染的土壤 另外可以把重金属污染区土壤置于高温高压下 形成玻璃态物质 从而达到从根本上消除土壤 重金属污染的目的 5 玻璃化技术 玻璃化技术是将重金属污染的土壤置于温高压条件下 形成玻璃态结构 使重金属固定于其中 稳定了土壤中的重金属 该技术可以从根本上消除土壤中重金属的污染且去除速度快 但其技术工程量大 费用高 常用于重金属重污染区的抢救性修复 6 冰冻土壤技术 冰冻土壤修复是通过适当的管道布置 在地下以等距离的形式围绕已知的污染源垂直安放 然后对环境无害的冰冻溶剂送人管道而冻结土壤中的水分 形成地下冻土屏障 防止土壤或地下水中的污染 物扩散 在美国的田纳西州试验构筑 V 形结构的冰冻容器 容器为 17 17 8 5m 采用 200mg L 的若丹明 溶液为假想污染物 结果表明 对于饱和土壤层的铬酸盐 400mg kg 和三氯乙烯 6000mg kg 冰冻技术 可形成有效的冰冻层 2 化学修复化学修复是根据土壤和重金属的性质 选择合适的化学修复剂 改良剂 沉淀剂 增容剂等 加 入土壤 通过对重金属的吸附 氧化还原 沉淀以及萃取 以降低重金属的生物有效性 化学修复是根据土壤和重金属的性质 选择合适的化学修复剂 改良剂 沉淀剂 增容剂等 加入土壤 通过 4 对重金属的吸附 氧化还原 沉淀以及萃取 以降低重金属的生物有效性 1 化学固定技术 化学固定技术就是加入土壤改良剂改变土壤的物理 化学性质 通过对重金属的吸附 沉淀 或共沉淀作用 改变了重金属在土壤中的存在状态 从而降低其生物有效性和迁移性 常用的改良剂有无机 改良剂和有机改良剂 其中无机改良剂主要包括 石灰 碳酸钙 粉煤灰等碱性物质 羟基磷灰石 磷矿粉 磷酸氢钙等磷酸盐以及天然 天然改性或人工合成的沸石 膨润土等矿物 有机改良剂包括农家肥 绿肥 草炭等有机肥料 陈宏等研究表明 适当剂量的石灰 腐殖酸能显著抑制莴笋对 Hg 的吸收 Na2S 则能显著 抑制莴笋对 Pb 的吸收 黄启飞等研究表明 垃圾堆肥可显著减少铬污染土壤中有效铬含量 2 化学萃取技术 黄宝荣等用 HCl Na2 EDTA 柠檬酸作为萃取剂在不同的萃取条件下对湘潭锰矿重金属 Mn Pb 和 Cd 污染土壤进行萃取实验研究 结果表明 柠檬酸对重金属 Mn 表现出了比较高的萃取效率 重 金属的萃取效率主要受所用柠檬酸浓度的影响 刘云国等研究发现 腐殖酸对 Cu 和 Zn 在萃取剂中的溶解有 促进作用 粘土比砂土中的重金属更难于被萃取出来 3 鳌合技术 一般环境条件下 由于土壤中重金属的表聚性 土壤中的重金属吸附在土壤固体表面而残留于土 5 壤耕作层 因此向土壤中施加重金属鳌合剂 可提高土壤中重金属的活性和生物有效性 使其易于流动和被 吸收 杨丽红等研究表明向土壤中添加乙二胺四乙酸 柠檬酸钠和酒石酸钠等有机配体可促进小麦植株对稀 土的摄取 增加其生物可利用性 Deram 等研究也表明 向土壤中加 EDTA 能显著提高 Arrhenathencmelatius 对 Cu Co Ni 的积累 其中 Cu 的浓度由对照的 200mg 增加到 7500mg kg Co 由 4Omg kg 增加到 175mg kg Ni 由 8mg kg 增加到 1276mg kg 4 氧化还原技术 通过对已污染的土壤添加氧化还原试剂 改变土壤中重金属离子的价态来降低重金属的毒性 和迁移性 常用的还原剂有硫酸亚铁 硫代硫酸钠 亚硫酸氢钠 二氧化硫等 已研究最典型的是把 6 价铬 还原为 3 价铬 从而降低了其的毒性 5 拮抗技术 化学性质相近的 Ca 和 Sr Zn 和 Cd K 和 Cs 等之间会产生拮抗竞争作用 因此可根据土壤中 重金属元素的拮抗作用 利用一些对人体没有危害的重金属拮抗作用来控制土壤中重金属污染 已有试验证 明 土壤中适宜的 W Cd W Zn 比可以抑制植物对 Cd 的吸收 3 生物修复污染土壤生物修复是利用生物 包括动物 微生物以及植物 通过人为调控 将土壤中重金属 吸收 分解或转化为无害化物质的过程 按照修复主体来分 生物修复可分为微生物修复 动 6 物修复 植物修复等 污染土壤生物修复是利用生物 包括动物 微生物以及植物 通过人为调控 将土壤中重金属吸收 分解或 转化为无害化物质的过程 按照修复主体来分 生物修复可分为微生物修复 动物修复 植物修复等 1 微生物修复技术 微生物修复是利用微生物的生物活性对重金属的亲合吸附或转化为低毒产物 从而降低重 金属的污染程度 Fred 等研究表明 根菌 Glomus intraradices 可以提高向日葵对 Cr 的耐性 促进向日葵对 Cr 的吸收 常文越等采用从铬 VI 污染土壤中筛选出的土著微生物对某铬污染场地土样研究 结果发现温度 25 最佳 和有机质含量对六价铬还原影响显著 施用菌剂 1 个月后 六价铬的还原可达 90 以上 2 动物修复 动物修复就是利用土壤中的某些低等动物 如蚯蚓 鼠类等 能吸收重金属的特性 在一定程度上 降低了污染土壤中的重金属含量 达到了动物修复重金属污染土壤的目的 Wang 等研究表明 在较低 Cu 浓度污染土壤的条件下 蚯蚓的活动 分泌物及其相互间的作用可以提高黑麦草对重金属 Cu 的吸收效果 3 植物修复技术 植物修复就是利用植物根系吸收水分和养分的过程来吸收 转化污染体 如土壤和水 中的污 染物 以期达到清除污染 修复或治理的目的 根据植物修复原理可将其分为植物萃取 植物挥发 植物稳 定以及植物促进等技术 7 3 1 植物萃取技术 植物萃取 phytoextraction 是指种植一些特殊植物 利用其根系吸收污染土壤中的有毒有 害物质并运移至植物地上部 通过收割地上部物质带走土壤中污染物的一种方法 目前已发现有 700 多种超 积累重金属植物 积累 Cr Co Ni Cu Pb 的量一般在 0 1 以上 Mn Zn 可达到 1 以上 Reeves 等研 究发现 产于欧洲中部的铅圆锥遏蓝菜 Th1aspi rotundifoliumsubsp 是一种超富集 Pb 的植物 J L Gardea 等研究表明 天璇花是一种 Cr 的超富集植物 其叶富集 Cr 量为 2100mg kg 1 3 2 植物挥发技术 植物挥发 phytovolatilization 是指利用植物根系分泌的一些特殊物质或微生物使土壤中的 重金属转化为挥发形态以去除其污染的一种方法 目前这方面研究较多的是金属 Hg 和非金属元素 Se 如烟 草能使毒性大的二价汞转化为气态的汞 洋麻可以使土壤的 47 的三价硒转化为甲基硒挥发去除 3 3 植物稳定技术 植物稳定技术 phytostabilization 指通过植物根系的吸收 沉淀或还原作用 使土壤中重 金属活性降低 转变为低毒性形态 从而固定于根系和根际土壤中 减少对环境和人类健康的污染风险 目 前研究较多的是 Pb 和 Cr 的稳定 Cotter Howells 等研究表明 施磷酸盐可以促使铅在 Agrostiscapillaris 根 际土壤中形成磷氯铅矿 8 3 4 植物促进技术 有些植物本身并不能吸收重金属 但其根系分泌物 氨基酸 糖 酶等 可促进根系周围土 壤中徽生物的活性和生化反应 有利于土壤中重金属的释放和微生物的吸收 4 联合修复联合修复技术包括植物 微生物联合修复技术 改良剂 植物联合修复 螯合剂 植物 联合修复 电压 植物联合修复 基因工程 植物联合修复技术 1 植物一微生物联合修复技术 微生物通过多种渠道影响土壤中重金属的生物效应 根区是植物根系和根际微 生物作用的场所 微生物的活动可以改变土壤溶液的 pH 值 从而改变土壤对重金属的吸附特性 还可产生 HS 等 可与重金属反应 而微生物的细胞壁或粘液层能直接吸收或吸附重金属 Akiko 等研究表明 豆科植 物与重组的根菌之间的共生作用可以提高重金属的吸收 蔡信德等研究表明 非根区土中添加镍的质量分数 对土壤中细菌 真菌和放线菌总数有一定的促进作用 土壤中微生物生物量最大 从而提高其修复效果 2 改良剂一植物修复 在土壤中加入土壤改良剂 包括磷酸盐 石灰 硅酸盐等 调节土壤营养及其物理化学条 件 廖敏等研究表明 在低石灰条件下 土壤中有机质的主要官能团羟基和羧基与 OH 反应促使其带负电 土壤可变电荷增加 土壤有机结合态的重金属比较多 3 螯合剂一植物修复 Cafer 等研究了 EDTA 和柠檬酸对向日葵修复重金属污染土壤的影响 结果表明 在一 9 定浓度下可提高向日葵对重金属 Cr Cd 吸收 孙小峰等研究表明 添加 EDDS 能在一定程度上提高海州香 薷对 Cu Zn Pb 的吸收量 且对于地下水的潜在淋滤风险较小 4 电压一植物修复 在电压作用下 电极附近土壤溶液发生电化学元素反应 改变了土壤中的氧化一还原电位 pH 等理化性质 加快土壤固体上重金属的解吸 提高土壤溶液中重金属的含量 从而有利于植物的吸收 积 累 加快修复过程 5 基因工程一植物修复 利用基因重组技术是将具有金属累积特性的基因导人到生物量大且易收获的植物中 并利用该植物特定的受体细胞与载体一起得到复制和表达 使受体细胞获得新的遗传特性 最后将转基因植 物进行田间试验 以确定是否达到目的 5 农业生态修复农业生态修复包括农艺修复 生态修复 1 农艺修复 包括改变耕作制度 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措施 来降低土壤重金属污染 2 生态修复 生态修复是将人类所破坏的生态系统恢复成具有生物多样性和功能平衡的本地生态系统 使之具 10 有某种形式和一定水平的生产力 维持相对稳定的生态平衡 陆引里等研究表明 较低浓度的 Ni 有利于提高 土壤微生物活性 高浓度 Ni 严重污染破坏了土壤微生物区系 使土壤细菌 放线菌及真菌数量下降 放线菌 对重金属毒性影响最为敏感 重金属富集植物车前草引起土壤微生物区系的变化较小 表现了良好的修复能 力 6 AB DTPA 提取法AB DTPA 提取剂是一种组合试剂 这种组合提取剂既满足对重金属阳离子的提取 又满足对以 含氧酸根阴离子存在 对生态环境有重要意义的元素的提取 AB DTPA 提取剂是一种组合试剂 其组成为 1mol L NH4HCO3 0 005mol L DTPA pH 7 6 对于中 性和碱性土壤 提取剂中 NH4 通过离子交换形式提取阳离子 如 Na K 和一些微量元素 DTPA 通过络合 作用提取 Fe Cu Zn Pb Cd 等重金属元素 提取剂中的 HCO3 在振荡过程中转化为碳酸根离子 与 土壤溶液中非沉淀形式的 Ca3 PO4 2 化合物中的 Ca2 生成沉淀并释放出其中的磷酸根离子 同样原理 HCO3 也可以释放出 MoO4 BO AsOi SeO 等含氧酸根阴离子 而这些阴离子恰好是相应元素的生 物有效形态 这种组合提取剂既满足对重金属阳离子的提取 又满足对以含氧酸根阴离子存在 对生态环境 有重要意义的元素的提取 11 AB DTPA 作为黏土矿物修复重金属污染土壤模拟试验中使用的土壤多元素有效态提取剂 必须满足 3 个要 求 能准确地衡量土壤中重金属的有效态含量 经过试验和计算 既能得到提取剂浸提出的土壤中残留 重金属的有效态含量 比较修复效果的差异 又能区分出浸提剂提取出的黏土矿物已吸附的重金属含量 具有稳定的浸提能力 适合用于多组平行实验的对比 7 间套作体系修复技术间套作体系可以减少普通作物对重金属的吸收 可以提高植物对土壤重金属的提取并且在间套 作体系中要选种重金属低累积作物 1 间套作体系减少普通作物对重金属的吸收 重金属富集植物与非富集植物种植在一起 能为与之间套作的植 物提供一定保护作用 锌超富集植物 Thlaspi caerulescens 和同属的非超富集植物 Thlaspiarvense 互作在添 加 ZnO 或 ZnS 的土壤上 与之互作的 Thlaspi arvense 吸锌量则明显降低 由于锌的吸收减少 Thlaspi arvense 的生物量显著增加 其原因是由于 Thlaspi caerulescens 有很强的吸锌能力 能优先吸收土壤中的 锌 从而减少了锌对 Thlaspi arvense 的毒害 据 Gove 2002 报道 Zn 超富集植物遏蓝菜 caerulescens 与 大麦 Hordeum vulgare L 种植在一起 减少了大麦对 Zn 的吸收 镉富集植物油菜与中国白菜间作在一起 降低了中国白菜对 Cd 的提取量 但白菜镉浓度不低 在 10mg kg 和 20mg kg 的 Cd 处理土壤上 与油菜 12 中油杂 1 号套种的小白菜有较高的地上部生物量和较低的 Cd 累积量 油菜可以减轻 Cd 对小白菜的毒性 但小白菜的 Cd 浓度也是比较高的 叶菜类蔬菜 如菜心 白菜等 与富集植物油菜间作是不可行的 因为 种植在污染土壤上的叶菜会带来健康风险 间作能降低一种作物对重金属的吸收 在农产品安全方面可以发 挥积极的作用 也可以通过研究间作系统减少植物吸收重金属的机理 进而寻找到新的限制植物吸收重金属 的微生物或改良物质 2 间套作提高植物对土壤重金属的提取 不同作物种植在一起也会提高植物对重金属的吸收 豌豆和大麦混作 豌豆地上部的 Cu Pb Zn Cd 和 Fe 浓度是分别是单作的 1 5 1 8 1 4 1 4 和 1 3 倍 混作中大麦的根 系分泌物能活化土壤中金属并有利于豌豆吸收 锌超富集植物 Thlaspi caerulescens 和同属的非超富集植物 Thlaspi arvense 互作在添加 ZnO 或 ZnS 的土壤上 与单作相比 Thlaspi caerulescens 的吸锌量显著增加 Cd 富集植物甘蓝型油菜 Brassica na