土壤Zn污染及其治理措施评述

1、第22卷第3期2009年6月污染防治技术POLL UTI ON CO NTROL TECHNOL OGY Vo.l 22,No .3Jun.,2009土壤Zn 污染及其治理措施评述杜锁军1, 戴 艳2, 谢东俊2, 戈丹红3(11张家港市环境保护局,江苏张家港市 215600; 21张家港市环境监测站,江苏张家港市 215600; 31张家港市远创环境技术有限公司,江苏张家港市 215600摘 要:随着工、农、矿业生产的迅速发展,Zn 、Cd 等重金属元素不断进入土壤,并富集于土壤之中,最终形成重金属污染,从而危害动植物的生长发育,并对人类健康产生极大的威胁,因此,如何较好地治理污染的土壤已成

2、为当今环境科学领域中的一个研究热点,文中首先就土壤Zn 污染情况作了简单的介绍,然后重点综述了治理Zn 污染土壤所采取的各类治理措施,包括工程措施、物理化学修复措施、改良措施及生物修复措施等,最后对以上各种治理措施进行了评述。关键词:土壤;锌污染;治理;超积累植物中图分类号:X53 文献标识码:AThe In troduction of Zn Pollution i n Soil and Its C on trolM ea suresDU Suo 2j u n 1, D A I Yan 2, XIE Dong 2j u n 2, GE D an 2hong 3(1.Zhangji a gang

3、 Environme n t a l P rotection Bureau,Zhangjiagang,J iangsu 215600,China;2.Zhangjiagang E nvironm e nta lM onitoring Sta tion,Zhangjiagang,J iangsu 215600,China;3.Zhangjiaga ng Y ua nc huang Environment a lTechnique Co .,Lt d .Zhangjiagang,J iangsu 215600,Ch i n a Ab stra ct :The present status of Z

4、n co n ta m i nati on i n soil was i ntroduced br iefl y ,then the controlm easures such as engi neer i ng ways ,physica l-chem istry ways ,i m prove m ent ways and bio-re m ediati on ways were expounded and eva l uated in this paper .K ey w or ds :soi;l Zn co n ta m i nati on ;contro;l hpyperaccu m

5、u lator收稿日期:2006-08-21;修订日期:2009-04-21作者简介:杜锁军(1981,男,江苏张家港市人,工程师,硕士,主要研究方向为区域环境与规划。土壤重金属污染来源广泛,包括采矿、冶炼、化工、制革、染料等工业/三废0,及汽车尾气排放、农药和化肥的大量使用、污水灌溉、污泥和城市垃圾的农用等1。而重金属在土壤中的污染过程具有隐蔽性、长期性和不可逆性的特点,其在作物的可食部位过量积累后,通过食物链传递给人或动物,对人类健康带来严重危害2,因此,土壤的重金属污染和治理,一直是国际上的难点和热点研究课题。传统治理重金属污染土壤的物理和化学方法,如淋洗法、固化法、客土法等,一般在小范

6、围内比较实用,但代价昂贵,且可能造成地下水或其它介质的潜在污染3。植物修复技术(phytore m ediation 是近10年来发展起来的一种经济有效,且具有广泛应用前景的绿色生物技术,其前提是具有积累或超积累的植物资源4。与传统的土壤修复方法相比,该方法具有成本低、不破坏土壤生态环境、不引起二次污染、保护人类健康和易为大众接受等优点5。因此,该技术备受各国科学家的关注,并逐步发展成为当今环境科学领域的一个研究热点。1 土壤中的Zn锌(Zn是一种稍微带有蓝色的白色金属,是自然界中分布较广的金属之一。普通土壤中,锌含量一般在10300mg #kg -1之间,平均为50mg #kg -1。美国土

7、壤含锌量在30100mg #kg -1,日本未耕作土壤为10300mg #kg -1,加拿大土壤中为5168mg #kg-16。中国土壤的锌含量在3709mg #kg -1之间,平均值为100mg #kg -1,比世界土壤的平均含锌量高出1倍7。土壤锌污染源主要是铅锌冶炼厂、铅锌矿开采和电镀(镀锌工业/三废0的排放。一般铅锌冶炼厂的废水中,锌的浓度为60170mg #L -1,金属#88#杜锁军等1土壤Zn污染及其治理措施评述第22卷第3期矿山废水为0.3525.0mg#L-1,电镀废水为100mg#L-1,这些工业排放都造成了农田土壤的锌污染,如华南某铅锌矿区周围农田的土壤含锌量为690.6

8、4025mg#kg-1,平均达到1374mg# kg-1,为该区对照土壤的5.4倍8。目前,中国受Zn、Cd等重金属污染的耕地近2000万hm2,约占总耕地面积的1/5,其中工业/三废0污染耕地为1000万hm2,污水灌溉农田为330万hm29。于是,在这些农田中生长的各类植物,都受到了不同程度的重金属污染,由此引发的农田重金属污染事件也越来越多。2Zn污染治理技术概述2.1工程措施工程措施主要包括客土、换土和深耕翻土等措施。客土是在Zn污染土壤上,加入未污染的新土;换土是将Zn污染的土壤移去,换上未污染的新土;翻土是将Zn污染土壤翻至下层;去表土是将Zn污染的表土移去。深耕翻土常用于轻度污染

9、的土壤,而客土和换土多用于重污染区。通过这些措施,可以降低土壤中Zn的含量,减少过量的Zn对土壤-植物系统产生毒害,从而使农产品达到食品卫生标准,这在日本等国已取得很多成功的例子。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物理化学修复措施2.2.1电动修复(E l e ctro-re med iation电动修复,是指在污染土壤中插入电极对,并通以低压直流电,形成直流电场,由于土壤颗粒表面具有双电层,孔隙水中重金属离子带正电,引起孔隙水及水中的重金属离子(如Zn、Pb

10、、Cd、Cr等在电场作用下向电极运输,从而对其进行集中收集处理10。电动修复效果的好坏,取决于土壤pH、缓冲性能、土壤组分(如粘土和腐殖质及污染金属种类等11。H ick和Tondorf12用井水润洗阴极,使阴极室保持中性后,Zn的清除率提高到98%。O ttos2 en等13研究了Zn在石灰性土壤和非石灰性土壤中的电动修复,发现去除石灰性土壤中的重金属所需的酸度,较去除非石灰性土壤中重金属的酸度要低。另外,由于石灰性土壤中重金属的沉淀和强的p H缓冲特性,将会降低重金属的修复效率。电动修复是一种原位修复技术,不搅动土层,并可以缩短修复时间,既可用于饱和土壤水层,也可用于含气层土壤,特别是低渗

11、透的粘土和淤泥土,可以控制污染物的流动方向。2.2.2土壤淋洗(Soil fl u sh i n g土壤的淋洗技术,是利用淋洗液(可以提高重金属可溶性来淋洗重金属污染的土壤,使其吸附固定在土壤颗粒上的重金属,呈可溶性离子或金属-试剂络合物,然后收集淋洗液回收重金属、并循环利用淋洗液的土壤修复方法。美国科学家采用酸淋洗法治理了四处被Z n、A s等污染的土壤,取得了良好效果14。该方法的技术关键是寻找一种淋洗液,既能提取各种形态的重金属,又不破坏土壤的结构。目前,用于淋洗土壤的淋洗液较多,包括有机或无机酸、碱、盐和螯合剂。常用的提取剂主要有:硝酸、盐酸、磷酸、硫酸、氢氧化钠、柠檬酸、苹果酸、乙酸

12、、ED TA和DTPA等15。在实际操作中,土壤淋洗以柱淋洗或堆积淋洗(Col u mn orH eap Leac h i n g更为实际和经济,这对该修复技术的商业化具有一定的促进作用16。2.3改良措施改良措施是向土壤中投加改良剂(石灰、沸石、碳酸钙、磷酸盐、硅酸盐等,以增加土壤有机质、阳离子交换量和粘粒含量,以及改变pH、Eh和电导率等理化性质,使土壤中的Zn发生氧化、还原、沉淀、吸附、抑制和拮抗等作用,以降低Zn的生物有效性。如向土壤中投放硅酸盐钢渣,对Zn、Cd、N i离子具有吸附和共沉淀作用。华珞等17在不同的Zn、Cd含量的污染土壤上施加有机质,能使玉米茎中的Zn和Cd含量明显降

13、低,生物量明显增加。Barbara对含Cd浓度为49.5mg#kg-1的土壤投加土重的1%2%的膨润土和合成沸石,能使葛苍叶片中的Cd含量降低60%80%18。2.4生物修复措施生物措施,是利用生物的某些特性来适应、抑制和改良Zn污染土壤的措施。由于该法具有花费较少、对技术及设备要求不高等优点,日益受到人们的重视,已成为重金属污染土壤修复研究的热点。2.4.1微生物修复该方法是利用某些微生物对Zn具有吸收、氧化还原等作用,从而降低土壤中Zn的毒性。其一般包含两个方面:生物吸附和生物氧化还原。前者是Zn被活的或死的生物体所吸附的过程;后者则是利用微生物改变Zn离子的氧化还原状态,来降低土壤中Z

14、n的含量。研究表明,2009年6月杜锁军等1土壤Zn污染及其治理措施评述#89#微生物细胞内大量存在的金属硫蛋白(MT,是一种对Zn、Cd等具有强烈亲合力的细胞蛋白质,它们对Zn、Cd等重金属有富集和抑制毒性作用,如芽抱杆菌和葡萄球菌含有抗Zn和Cd的基因19。2.4.2植物修复植物修复(phytore med iation是利用有些植物能忍耐和积累重金属的特性,来清除土壤中的重金属,以实现修复重金属污染为目的的措施。其主要修复类型见表1。表1重金属污染土壤的植物修复类型20-24类型修复过程效果存在问题植物提取吸收、转运和富集重金属于地上部清除彻底超积累植物生物体小,生长速度慢,积累少等植物

15、转化生物无害化过程降低重金属生物毒性应用范围小,如Cr、Se、As植物挥发转化为可挥发态去除挥发性污染物如Se和H g可能产生大气污染植物固定转化为低毒性或无毒性状态只是原位稳定、降低重金属的生物毒性治理不彻底植物促进根系分泌物活化重金属和微生物的活动促进重金属的形态转化和微生物的吸收不能从根本上治理重金属的污染植物修复技术的研究大致可以分为两个方面,即植物对重金属的耐性和富集能力的研究,以及利用植物进行污染土壤修复的应用研究。在国外,1583年意大利植物学家Cesalpino首次发现在意大利托斯卡纳/黑色的岩石0上生长的特殊植物(后被命名为/A lyssum ber bolon ii0,其叶

16、片中含N i量达7900mg#kg-1,这是有关超积累植物的最早报道25。在Z n超积累植物的研究方面,Bau m ann(1885报道,遏蓝菜属植物茎叶灰分中的ZnO含量达17%26,随后其他Zn超积累植物相继被发现27,到目前为止,国外已发现的Zn 超积累植物已达18种,其中最典型的Zn超积累植物为天蓝遏蓝菜(Thla s pi caerulesce ns,其地上部Zn含量达51600mg#kg-121,28。另外,各国也开展了利用植物进行重金属污染土壤修复的实验研究,其中最典型的是Me lCh i n等在遭受Cd污染的土壤上,塑造了一件由5种植物(遏蓝菜属、麦瓶草属、长叶莴苣、积累型玉米

17、近交系、抗Z n和Cd 性紫洋芋组成的/环境艺术品0;还有Leon Koch i a n等用油菜、甘蓝和三叶草,治理Zn、Cs等污染的土壤,也都取得了很好的修复效果29。在国内,对Zn超积累植物的研究方面也取得了突破性进展,杨肖娥等30研究发现,东南景天(Se du m a l f re diiH叶片中Zn含量为19674mg# kg-1,仇荣亮等31在野外调查中发现,长柔毛委陵菜(P ote n tilla grifithiiH ook具有很强的Zn吸收和超富集能力,其叶片、叶柄和根系的Zn含量分别达到13164、7751和5160mg#kg-1;同时,也有大批科学家开始利用耐重金属植物进行

18、矿山尾矿地植被恢复方面的实验研究,确定了一些矿山尾矿地影响植物定居的主要因素,并初步形成A s、Cu、Zn的污染土壤植物修复的技术体系。3土壤Zn污染治理措施的评述采用工程措施和化学物理措施,来治理Zn污染土壤,具有效果彻底、稳定等优点,是一种治本的措施。但由于实施繁复、治理费用高和易引起土壤肥力减弱等缺点,因而一般适用于小面积、污染严重的土壤。用改良措施治理土壤中的Zn,其治理费用和治理效果都适中,但是由于Zn可能再度活化而容易引起二次污染,因而需要加强管理。生物措施,特别是植物修复技术,它与传统的物理、化学技术相比,具有技术和经济上的双重优势,主要体现在:(1实用范围广,在消除土壤中Z n

19、污染的同时,可清除污染土壤周围的大气、水体中的污染物;(2污染物在原地去除,可通过传统农业措施种植耐Zn植物(特别是Zn超积累植物,使成本大大降低,而且可从产生的富含Zn的植物残体中回收金属Z n,取得直接的经济效益;(3植物本身对环境的净化和美化作用,更易被社会所接受;(4植物修复过程也是土壤有机质含量和土壤肥力增加的过程,被修复过的土壤适合多种农作物的生长;(5成本相对较低。其缺点是治理效率较低,因为一般来说,超积累植物生物量小,生长周期较长。但是只要对富集能力强、生长周期短、生物量大、适应性广的Z n超积累植物的选育工作有所突破,植物修复技术就将成为一种新兴的、高效的生物修复途径。而这些

20、工作又有赖于人们对植物超富集重金属机理的深入研究。参考文献1陈怀满.土壤植物系统中的重金属污染M.北京:科学出版社,1996.#90#杜锁军等1土壤Zn污染及其治理措施评述第22卷第3期2Ch en H M,Zh en C R,Tu C,et a.l Che m i calM ethods andPhytore m ed i ation of Soil Con t a m i nated w it h H eavy M etalJ.Che m s phere,2000,41(1-2:229-234.3蒋先军,骆永明,赵其国.土壤重金属污染的植物提取修复技术及其应用前景J1农业环境保护,2000

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