重金属污染土壤修复技术应用.doc

. . . . .重金属污染土壤修复技术应用罗战祥 揭春生 毛旭东（江西省贵溪市环境保护局，江西 贵溪 335400）摘要:重金属土壤污染是国内亟待解决的环境问题。本文在对贵冶周边区域土壤监测分析与重金属污染土壤修复技术评述的基础上，切实地、有针对性地提出该项目区污染土壤修复与综合治理的技术方案。关键词：环境监测；重金属；土壤污染；土壤修复；综合治理；技术方案。中图分类号：X53Heavy metals pollution of soil bioremediation technology applicationLUO Zhan-xiang JIE Chun-sheng MAO Xu-dong(Guixi City Environmental Protection Bureau, Jiangxi province, Guixi 335400 China) Abstract: Soil contaminated by heavy metals is one of the environmental problems that should be resolved urgently. In this paper, Guixi smelter surrounding areas of monitoring and analysis of soil and heavy metal contaminated soil remediation technology on the basis of comments，based on effective, targeted way to introduce the project area remediation of contaminated soils and comprehensive management of technical solutions.Key words: environmental monitoring; heavy metals; soil contaminants; soil remediation; comprehensive governance; technical program.土壤是人类赖以生存的主要自然资源之一，也是人类生态环境的重要组成部分。重金属土壤污染是我国亟待解决的环境问题。据国家农业部进行的全国污灌区调查，在约140万公顷的污水灌区中，遭受重金属污染的土地面积占污水灌区面积的64.8%，其中轻度污染的占46.7%，中度污染的占9.7%，严重污染的占8.4%。土壤重金属污染具有污染物在土壤中移动性差、滞留时间长、不能被微生物降解的特点，并可经水、植物等介质最终影响人类健康。因此，治理和恢复的难度大【1】。本文在项目区土壤重金属污染监测分析的基础上，评述土壤重金属污染修复技术，提出土壤重金属污修复与综合治理技术方案，旨在对重金属污染土壤的有效修复与综合治理有所推动。贵溪冶炼厂（以下简称贵冶）自70年代末80年代初落户贵溪以来，为国家和贵溪的经济社会发展作出了重要贡献。但其“三废”排放给周边环境造成了污染，主要涉及到三个乡镇15个自然村、1万余人。2007年6月12日人民日报披露江铜贵冶对周边村庄环境污染后，引起了省政府、省环保局、鹰潭、贵溪两级市委、市政、环保局及江铜集团的高度重视。随即省政府组成了由省环保局局长为组长的调查组，深入贵治周边村庄进行调查，并委托南京环科所对周边村庄的土壤、水质和农作物进行了抽样监测。监测报告表明，该土壤铜、镉等金属含量100%超标，部分村的稻谷镉超标，涉及农田面积1986.3亩、菜地89.3亩。部分村民在南昌广济医院血检，发现有血镉超标现象。上述监测与检验结果已引起当地政府和贵冶的高度重视。贵溪市环保局选择九牛岗作为重金属污染土地修复与综合治理示范点。1九牛岗污染状况及其成因11概况九牛岗位于贵溪冶炼厂西部，距厂区最近距离约500米，现场调查发现存在引用工业废水进行灌溉现象，九牛岗土地大多为抛荒状态12样品的采集与测定121样品的采集采样人员由南京环科所、贵溪市环保局、贵冶和当地群众代表等组成，采样按照环境样品采集技术规范进行，按面积随机布设采样点。（1）土壤样品：每个采样点上均采集表层0-20cm耕层土壤样品,部分样点采集了亚表层(20-40cm)土壤。采样点位图（略）。（2）水样样品：在土壤样品采集的同时，在调查区内采集了田间或田边河沟水、井水等。（3）稻米样品：水稻成熟时采集了1个本区稻米样品。122监测项目及测定方法（1）测定项目必测项目：Cu、 Cd、 Pb、 Zn 、As;PH选择项目：氟化物、Ni、 Cr、 Hg（2）测定方法样品测定方法分别采用国标方法和美国环保局（EPA）推荐分析方法。13土壤环境质量状况131调查区土壤监测结果该调查区土壤样品测定结果见表1-1表1-1 九牛岗调查区农田表层土壤监测结果样点编号采样深度(cm)采样地点ASCdCrCuNiPbZnpHD550-20九牛岗260.4021.52981035264.520-40九牛岗150.4916.694614214.7D560-20九牛岗250.4428.74151239314.4D570-20九牛岗621.6929.584611104784.5D580-20九牛岗81.0125.76091373504.7D590-20九牛岗150.6729.44211057354.8D600-20九牛岗140.5323.73877585275.120-40九牛岗170.5422.1153919254.9D610-20九牛岗292.3440.95901661855.4D620-20九牛岗90.1612.6161521184.3HJ332-2006土壤标准值300.3250504080200对照食用农产品产地环境质量评价标准（HJ332-2006），九牛岗土壤铜元素超标率100%，镉元素超标率87.5%，有一个样品砷超标。14九牛岗土壤污染成因141 利用污水灌溉是灌区农业的习惯做法，主要是把污水作为灌溉水源来利用。随着污水灌溉而进入土壤的重金属，以不同的方式被土壤截留固定。贵冶工业废水虽经处理，但曾有超标排放，达不到农灌标准，灌区以该工业废水灌溉是灌区土壤重金属污染的主要成因；142 气中的重金属主要来源于能源、运输、冶金和建筑材料生产产生的气体和粉尘。除汞以外，重金属基本上是以气溶胶的形态进入大气，经过自然沉降和降水进人土壤。从当地实际情形看，贵冶废气重金属（包括类金属As）沉降污染不容忽视。15调查区水体监测结果（略）16调查区稻米样品重金属含量测定结果（略）2 土壤重金属污染修复技术土壤重金属污染具有隐蔽性、长期性和不可逆性的特点【2】。土壤中有害重金属积累到一定程度，不仅会导致土壤退化，农作物产量和品质下降，而且还可以通过径流、淋洗作用污染地表水和地下水，恶化水文环境，并可能直接毒害植物或通过食物链途径危害人体健康。目前，国内外对土壤重金属污染修复技术进行广泛的研究，取得了可喜的进展。具体有如下几种修复措施。2.1 工程措施主要包括客土、换土和深耕翻土等措施。通过客土、换土和深耕翻土与污土混合，可以降低土壤中重金属的含量，减少重金属对土壤-植物系统产生的毒害，从而使农产品达到食品卫生标准。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。工程措施是比较经典的土壤重金属污染治理措施，它具有彻底、稳定的优点，但实施工程量大、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。2.2 物理修复技术物理修复是最先发展起来的修复技术之一，包括电动修复、热解析法、玻璃化技术等，对于污染重、面积小的土壤修复效果明显，是一种治本措施，且适应性广，但存在二次污染问题，容易导致土壤的结构破坏和肥力下降，对污染面积较大的土壤需要消耗大量的人力物力。2.2.1 电动修复电动修复是在电场作用下，通过电迁移、电渗透或电泳的方式，将土壤中的污染物带到电极两端，经工程化的收集系统收集起来进行集中处理。目前该技术可有效地去除土壤中的重金属，并已进入商业化阶段。研究表明，电流能打破所有的金属-土壤键，该技术对低渗透性土壤中的铅、砷、镉、铜等重金属非常有效。最近研究发现土壤PH值是影响电动修复的关键因素，因而可通过控制PH值来改善修复效果.2.2.2 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。2.2.3 土壤淋洗淋洗法是用淋沅液来淋洗污染土壤，使吸附固定在土壤颗粒上的重金属形成溶解性的离子或金属试剂络合物，然后收集淋洗液回收重金属，并循环淋洗液。此法关键是提取剂的选择，提取剂可以是水、化学溶剂或其他能把污染物从土壤中淋洗出来的液体，甚至是气体。淋洗法适于轻质土壤，对重金属污染土壤的修复效果较好，但投资大，如EDTA作为最有效的螯合剂，价格十分昂贵，限制其商业化操作。淋洗液的使用也易造成地下水污染，土壤养分流失，土壤变性等问题。积极开发对环境污染小、易被生物降解、对重金属具有专一性的生物表面活性剂是今后的工作重点。2.3 化学修复化学修复是通过向土壤中加入固化剂、有机质、化学试剂、天然矿物等，改变土壤的PH值、Eh等理化性质，经氧化还原、沉淀、吸附、抑制、络合螯合和拮抗等作用来降低重金属的生物有效性。该技术关键在于选择经济有效的改良剂，常用的改良剂有石灰、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。施用石灰或碳酸钙主要是提高土壤 pH值，促使土壤中Cd、Cu、Hg、Zn等元素形成氢氧化物或碳酸盐结合态盐类沉淀。如当土壤pH6.5时，Hg就能形成氢氧化物或碳酸盐沉淀。沈阳张士污灌区的试验表明，每公顷土壤施用15001875kg石灰，籽实含镉量下降50%。如向土壤中投放硅酸盐钢渣，对 Cd、Ni、Zn离子具有吸附和共沉淀作用。水田土壤中的Cd以磷酸镉的形式沉淀，磷酸汞的溶解度也很小。沸石是碱金属或碱土金属的水化铝硅酸盐晶体，含有大量的三维晶体结构和很强的离子交换能力，从而能通过离子交换吸附和专性吸附降低土壤中重金属的有效性。有机物可促使重金属以硫化物的形式沉淀，同时有机物中的腐殖酸能与重金属离子形成络合或螯合物以降低其活性。化学修复是在土壤原位上进行的，简单易行。但并不是一种永久的修复措施，因为它只改变了重金属在土壤中存在的形态，金属元素仍保留在土壤中，容易再度活化危害植物。2.4 生物修复生物修复是利用生物技术治理污染土壤的一种新方法。利用生物削减、净化土壤中的重金属或降低重金属毒性。由于该方法效果好，易于操作，日益受到人们的重视，成为污染土壤修复研究的热点。2.4.1 植物修复技术是一种利用自然生长或遗传培育植物修复重金属污染土壤的技术。根据其作用过程和机理，重金属污染土壤的植物修复技术可分为植物提取、植物挥发和植物稳定三种类型。(1)植物提取 利用重金属超积累植物从土壤中吸收重金属污染物,并将其转移至地上部分,通过收割地上部分集中处理,使土壤中重金属含量降低到可以接受水平的一种方法。目前,有关植物提取的研究开展较多,工程型的试验也已开展。一般认为植物提取是最有效而技术上最难实施的植物修复技术。经过不断的实验室研究及野外试验,科学家们已经找到一些能提取不同金属的植物种类及改进植物提取性能的方法,并逐步向商业化发展。 (2)植物挥发 利用植物根系分泌的一些特殊物质或微生物使土壤中的某些重金属转化为挥发形态，或者植物将污染物吸取到体内后将其转化为气态物质释放到大气中。植物挥发技术也不须处理含污染物的植物，不失为一种经济有效且有潜力的修复技术，但这种技术将污染物转移至大气，对人类和生物具有一定的风险性。(3)植物稳定 利用耐重金属植物或超累积植物降低重金属的活性，从而减少重金属被淋洗到地下水或通过空气扩散进一步污染环境的可能性。其机理主要是通过金属在根部的积累、沉淀或根表吸收来加强土壤中重金属的固化。如，植物根系分泌物能改变土壤根际环境，可使多价态的Cr、Hg、As的价态和形态发生改变，影响其毒性效应。植物的根毛可直接从土壤交换吸附重金属增加根表固定。2.4.2 微生物修复技术利用土壤中某些微生物对金属具有吸收、沉淀、氧化和还原作用，从而降低土壤中金属毒性的技术。某些微生物具有嗜重金属性，利用微生物对重金属污染土壤进行净化，具有独特的作用。有试验发现长期受镍胁迫土壤中，某些微生物产生了抗性机制以减少镍的毒害作用，并通过吸收、沉淀、络合作用减少土壤重金属的迁移性和生物毒性；此外，微生物细胞内的金属硫蛋白是一种对Hg、 Zn、 Cd 、Cu等重金属具有强烈亲和性的分子细胞蛋白质，它对重金属具有富集和抑制毒性的作用。不过，微生物修复土壤的能力有限，它只能修复小范围的污染土壤。2.5 农业生态修复农业生态修复主要包括两个方面：一是农艺修复措施。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。二是生态修复。通过调节诸如土壤水分、土壤养分、土壤pH值和土壤氧化还原状况及气温、湿度等生态因子，实现对污染物所处环境介质的调控。我国在这一方面研究较多，并取得了一定的成效。2.6 组合修复技术重金属污染土壤的修复是一个系统工程。重金属污染土壤的修复技术很多，各具有一定的改良效果，但也有局限性；单一技术方法的运用，往往效率不高，难于达到预期目标。因此，应选择2种或2种以上技术有机组装与集成加以应用，以期达到预期效果。3 污染土壤修复与综合整治技术方案【3】针对土壤被重金属污染的原因，以及受污染的程度与现状，采取不同措施，对被重金属污染的土壤进行修复。31 整治修复目标 以“消除污染，不留隐患”为出发点，遵循“安全性、规范性、可行性、彻底性”的总体原则，通过对贵冶周边地区九牛岗进行土壤修复整治工程，使场地可以纳入正常的城市土地利用规划用地，消除污染场地对人体健康的直接影响，保障环境安全。使修复后的土壤重金属指标Cd 、Hg、 As 、Cu、 Pb、 Cr、 Zn 和Ni达到国家土地环境质量标准（GB15618-1995）三级标准。32 斩断成因 从重金属超标原因分析，村民停用贵冶外排工业废水农灌后，农田土壤具有自然修复能力。因此，贵冶应加强禁止村民旱季引用农灌工业废水的措施，当地政府应积极配合，做好宣传教育工作。贵冶必须加强对排污水沟（渠）的管理工作，定期对排污渠沟的巡查和维护，防止因排水沟渠破损，造成废水进入农田。贵冶渣场周围农田土壤受到重金属污染，这与渣场建设与运营以来，因历史原因渣场设施遭到破坏，无法封闭而有序管理直接有关，因此，应对渣场按照一般工业固体废物贮存、处置污染控制标准进行改造，消防环境隐患，实施封闭管理，防止对周围农田进一步污染。33 争取与安排一定的资金，对重金属污秽土壤修复进行科学研究。在对项目区土壤重金属污染现状进行系统详查与评价的基础上，以污染土壤的无害化利用和农药产品安全生产为中心，全面开展重金属污染土壤修复与综合治理关键技术的引进、研发与应用。34 村子整体搬迁与换土 策应贵治扩建，对离厂区较近受污染的苏门、庞源、其桥三村实行整体搬迁,既解决村庄污染,又解决工业用地问题。基于回填土重金属污染普选比较严重，而且重金属污染物种类多的特点，治理方法参照危险废物，即将污染土壤采取“挖