劉新亮，劉夢(mèng)茹，楊亞?wèn)|，楊素潔，張 冰，王 浩，劉秀玉,3，唐 剛

(1.安徽工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243032；2.中冶華天工程技術(shù)有限公司 節(jié)能環(huán)保研究院，安徽 馬鞍山 243005；3.南京工大開(kāi)元環(huán)?？萍?滁州)有限公司，安徽 滁州 239000)

0 引言

土壤是人類(lèi)賴(lài)以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，然而隨著工業(yè)的快速發(fā)展，土壤污染問(wèn)題日益突出，如尾礦堆積、廢氣廢水、重金屬累積、農(nóng)藥以及空氣污染等都會(huì)損壞土壤的生態(tài)環(huán)境，如何修復(fù)被污染的土壤是學(xué)者們關(guān)注的熱點(diǎn)。我國(guó)為防治土壤污染、保護(hù)生態(tài)環(huán)境，于1996年實(shí)施了《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，對(duì)土壤中各種金屬含量的標(biāo)準(zhǔn)值作出了規(guī)定。此后，我國(guó)關(guān)于土壤污染防治的研究成果逐年遞增，在中國(guó)知網(wǎng)上以“土壤污染”為關(guān)鍵詞進(jìn)行檢索發(fā)現(xiàn)，文獻(xiàn)數(shù)量由1995年的263篇增加到2019年的4 308篇，其中“重金屬污染”由2篇增加到241篇。隨后國(guó)家又陸續(xù)出臺(tái)了《中華人民共和國(guó)固體廢物污染環(huán)境防治法》《中華人民共和國(guó)農(nóng)民專(zhuān)業(yè)合作社法》《土地污染防治行動(dòng)計(jì)劃》等一系列法律法規(guī)，從法律層面上對(duì)土壤污染防治作出了相關(guān)規(guī)定，著力保護(hù)和改善生態(tài)環(huán)境。

1 土壤重金屬污染概述

1.1 土壤重金屬污染的危害

土壤污染是一個(gè)逐漸積累的過(guò)程，具有一定的停滯性、隱蔽性和破壞性。土壤本身具有一定的自我凈化功能，但是超過(guò)了自我調(diào)節(jié)的極限就會(huì)對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)造成破壞，不僅會(huì)影響農(nóng)作物的生長(zhǎng)，還能通過(guò)富集作用使有毒物質(zhì)進(jìn)入人體，進(jìn)而破壞人體機(jī)能。

1.2 土壤重金屬污染的來(lái)源

土壤重金屬污染主要是指汞(Hg)、鎘(Cd)、鉛(Pb)、鉻(Cr)、鋅(Zn)、銅(Cu)等帶有生物毒性元素含量超過(guò)了土壤生態(tài)系統(tǒng)自我凈化的閾值，從而導(dǎo)致土壤健康質(zhì)量下降以及農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境惡化。重金屬進(jìn)入土壤的途徑主要有以下3種。

1)農(nóng)業(yè)活動(dòng)

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，施用的品質(zhì)較差的過(guò)磷酸鈣和磷肥中含有鉛、汞、鎘、砷等元素，使用農(nóng)藥以及不合理地施用化肥，均可能會(huì)引起土壤中的重金屬含量超過(guò)閾值；在養(yǎng)殖場(chǎng)，為了促進(jìn)牲畜的生長(zhǎng)，會(huì)在飼料中添加鉛、鋅、鉻、鎘、鈷、銅、錳等重金屬化合物，這些重金屬會(huì)隨糞便排出，進(jìn)而通過(guò)有機(jī)肥進(jìn)入土壤。

2)工業(yè)污染

在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，未經(jīng)處理的工業(yè)廢水與生活污水共用排水系統(tǒng)，會(huì)導(dǎo)致污水排放區(qū)范圍內(nèi)土壤中的Hg、Cd、Cr、Pb等重金屬含量逐年遞增；大量的重金屬元素還存在于工業(yè)生產(chǎn)排放的廢氣中，會(huì)通過(guò)自然沉降和降雨的方式污染土壤；工業(yè)固體廢物在堆放或者搬運(yùn)過(guò)程中，不僅會(huì)造成嚴(yán)重的土地資源浪費(fèi)，還會(huì)在堆積過(guò)程中污染土壤，同時(shí)在風(fēng)力條件下擴(kuò)散會(huì)造成更大范圍的污染[1]。

3)人類(lèi)生活

隨著社會(huì)的發(fā)展，汽車(chē)成了人們?nèi)粘４降墓ぞ?，在汽?chē)排放的尾氣中檢測(cè)出了重金屬元素，同時(shí)汽車(chē)零件磨損也能產(chǎn)生含有重金屬的氣體和粉塵，它們主要通過(guò)自然沉降和降雨進(jìn)入公路兩旁的土壤，主要以Pb、Zn、Cd、Cr、Co等污染為主。

1.3 土壤重金屬污染評(píng)估

在土壤中重金屬主要有3種存在形式：可交換離子(Cu2+、Cd2+等)、結(jié)合態(tài)(碳酸鹽結(jié)合態(tài)、錳鐵結(jié)合態(tài)以及有機(jī)結(jié)合態(tài)等)以及作為土壤自身一部分的殘?jiān)鼞B(tài)(Cd3(PO4)2、ZnS、PbCO3和HgSO4等)[2]。決定土壤重金屬污染等級(jí)的不是重金屬總濃度大小，而是由其對(duì)植物、微生物、人類(lèi)的毒性而定，其中可交換形式的重金屬因比沉淀型具有更高的反應(yīng)性和生物利用度而具有更強(qiáng)的毒性。土壤中重金屬的分布受pH、氧化還原電勢(shì)、黏土含量、鐵錳氧化物含量、有機(jī)質(zhì)含量以及土壤中其他陽(yáng)離子和陰離子等多種因素的影響[3]。在GB 15618-2018《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》中對(duì)土壤中的有害成分含量標(biāo)準(zhǔn)值作出了具體規(guī)定(見(jiàn)表1)。

表1 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值(基本項(xiàng)目) 單位：mg/kg

2 重金屬污染土壤修復(fù)

2.1 物理修復(fù)技術(shù)

物理修復(fù)技術(shù)是指采用物理方法將污染物與土壤分離或者從土壤中取出的技術(shù)，主要有客土法和換土法、隔離法、熱脫附、玻璃化和電修復(fù)等。

2.1.1 客土法和換土法

客土法和換土法主要是將受重金屬污染的土壤采用表面覆蓋、深耕翻土，或者將受污染土壤清理干凈后再用未受污染的新土回填。表面覆蓋是指在受污染區(qū)域內(nèi)使用防水材料進(jìn)行覆蓋，適用于小型區(qū)域，同時(shí)需要考慮覆蓋材料、覆蓋厚度、區(qū)域坡度以及周?chē)牡刭|(zhì)條件等因素的影響?？屯练ê蛽Q土法具有見(jiàn)效快、修復(fù)效果好等優(yōu)點(diǎn)，但是工程量大、投資高，且因受污染土壤并未被修復(fù)，在土壤遷移過(guò)程中存在二次污染風(fēng)險(xiǎn)[4]。

2.1.2 隔離法修復(fù)技術(shù)

隔離修復(fù)技術(shù)指用物理方式對(duì)重金屬污染區(qū)域進(jìn)行分割隔離，目的是阻斷污染物向異地轉(zhuǎn)移擴(kuò)散的路徑，具有工藝簡(jiǎn)單、費(fèi)用低的優(yōu)點(diǎn)；但隔離區(qū)域要求嚴(yán)格，若其靠近水源，重金屬會(huì)隨地下水?dāng)U散，從而對(duì)周?chē)h(huán)境造成破壞。隔離修復(fù)技術(shù)適用于難以治理或者治理時(shí)間較長(zhǎng)的區(qū)域[5]。

2.1.3 熱脫附修復(fù)技術(shù)

熱脫附修復(fù)技術(shù)是通過(guò)加熱的方式將土壤中的污染物加熱到沸點(diǎn)以上，使其揮發(fā)，從而將土壤中的污染物去除。目前的加熱技術(shù)有原位電磁波加熱、低溫原位加熱和高溫原位加熱。COUFALK等[6]根據(jù)土壤中汞的不同分布形式進(jìn)行了固相依次萃取和熱脫附實(shí)驗(yàn)，以觀察不同溫度下汞化合物的熱分解或熱脫附，結(jié)果表明萃取的順序依次為Hg、HgCl2、HgS和Ⅱ號(hào)腐殖質(zhì)Hg。洪保鎮(zhèn)等[7]對(duì)含汞及POPs土壤熱脫附技術(shù)進(jìn)行了開(kāi)發(fā)，包括熱裂解旋轉(zhuǎn)爐、顆粒物過(guò)濾器、驟冷器和多層吸附床的開(kāi)發(fā)，污染土壤在旋轉(zhuǎn)爐內(nèi)(150 ℃)、氮?dú)猸h(huán)境下停留30 min后，氣態(tài)產(chǎn)物通入驟冷器(5 ℃)和吸附床(25～30 ℃)；污染土壤經(jīng)熱脫附處理后汞質(zhì)量分?jǐn)?shù)由548 mg/kg降至9.62 mg/kg，去除率達(dá)98.2%。楊乾坤[8]針對(duì)汞污染土壤進(jìn)行了氯鹽協(xié)同熱脫附實(shí)驗(yàn)，對(duì)比分析了不同熱脫附溫度、停留時(shí)間和不同氯鹽藥劑對(duì)脫附效果的影響。

2.1.4 玻璃化修復(fù)技術(shù)

原位玻璃化(ISV)技術(shù)是將受污染的土壤加熱至融化后再緩慢冷卻，最終形成玻璃態(tài)物質(zhì)。目前ISV被認(rèn)為是修復(fù)錒系核素的可靠性技術(shù)，ZHANG等[9-10]通過(guò)微波燒結(jié)法對(duì)單一類(lèi)型土壤的玻璃化進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)相比于傳統(tǒng)1 500 ℃煅燒3 h的燒結(jié)工藝，1 300 ℃煅燒30 min的低溫微波燒結(jié)能獲得更高的放射性核元素Nd固定率和更加均勻的玻璃化樣品。CHEN等[11]采用微波燒結(jié)玻璃化技術(shù)對(duì)3種鈾污染土壤進(jìn)行了玻璃化修復(fù)，結(jié)果表明影響鈾的溶解度和不同燒結(jié)土壤樣品的化學(xué)穩(wěn)定性的因素是其他組分含量。

2.1.5 電修復(fù)技術(shù)

電修復(fù)技術(shù)是將電極插入受污染土壤，通過(guò)施加低直流電形成電場(chǎng)，使土壤中的重金屬離子在電場(chǎng)作用下向負(fù)極遷移，并對(duì)富集在負(fù)極的重金屬進(jìn)行收集處理。電動(dòng)力學(xué)修復(fù)技術(shù)適用于飽和、非飽和態(tài)下低水力傳導(dǎo)度的細(xì)粒土壤，且不受土壤類(lèi)型、酸堿度、結(jié)構(gòu)、有機(jī)含量和污染物濃度的影響[12]，電力修復(fù)土壤的效果與施加電壓的功率[13]、種類(lèi)[14]、電極材料[15-16]、電極的配置[17]以及電解質(zhì)有關(guān)[18]。

2.2 化學(xué)修復(fù)技術(shù)

化學(xué)修復(fù)技術(shù)是向土壤中加入化學(xué)藥劑，通過(guò)化學(xué)藥劑與污染物之間的化學(xué)作用，使污染物得到降解、毒性降低或者從土壤中去除的技術(shù)，主要有化學(xué)固定技術(shù)、化學(xué)還原技術(shù)和土壤淋洗法。

2.2.1 化學(xué)固定技術(shù)

化學(xué)固定技術(shù)主要是利用固化劑對(duì)土壤中的重金屬進(jìn)行吸附、水解、共沉淀或離子交換等來(lái)降低其可移動(dòng)性和溶解性。土壤中的重金屬元素被固定后，可減少重金屬的遷移和生物利用度，從而降低重金屬毒性。常用的固化劑有水泥、含鐵氧化物材料、窯灰、飄塵和鋼渣等。固化劑的種類(lèi)繁多，因此其作用機(jī)理也各不相同，如含鐵氧化物材料可以專(zhuān)性吸附重金屬，降低其生物有效性；沸石是利用自身的三維結(jié)構(gòu)和離子交換能力通過(guò)專(zhuān)性吸附和離子交換吸附來(lái)降低土壤中的重金屬。董春枝等[19]以磷酸鈣、磷礦石、粉煤灰、生活污泥作為固化劑對(duì)重金屬污染農(nóng)田進(jìn)行了固化修復(fù)，結(jié)果表明，修復(fù)效果與固化劑的投入量和修復(fù)時(shí)間成正比?；瘜W(xué)修復(fù)技術(shù)具有費(fèi)用低、穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但是所需設(shè)備多，同時(shí)還會(huì)受到污染物分布、酸堿度等因素的影響。

2.2.2 化學(xué)還原技術(shù)

化學(xué)還原技術(shù)是利用還原性較強(qiáng)的還原劑如零價(jià)鐵、二價(jià)鐵等降低土壤中的重金屬的價(jià)態(tài)從而降低其生物毒性。趙虎彪[20]研究了4種鐵系還原劑(納米零價(jià)鐵、硫化亞鐵、硫酸亞鐵和四氧化三鐵)對(duì)六價(jià)鉻的去除效果，結(jié)果表明硫酸亞鐵的效果最好，并且還原效果還受反應(yīng)時(shí)間和酸堿度的影響?；瘜W(xué)還原技術(shù)雖然簡(jiǎn)單高效，但其僅適用于被高價(jià)金屬離子污染的土壤，適用范圍較窄。

2.2.3 土壤淋洗法

化學(xué)淋洗修復(fù)是指用化學(xué)淋洗液與重金屬污染物發(fā)生作用，將污染物與清洗液一起從土壤中分離的技術(shù)，可以分為原位淋洗和異位淋洗兩種方式[21-23]。常用的淋洗劑有酸類(lèi)淋洗劑(HCl、HNO3、H3PO4等)、鹽溶液類(lèi)(FeCl3、CaCl2、NaCl等)、表面活性劑[十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)、吐溫(Tween)、腐植酸、鼠李糖脂等]以及螯合劑[乙二胺四乙酸(EDTA)、乙二胺二乙酸(EDDHA)等][24]。沈威等[25]對(duì)比4種酸類(lèi)淋洗劑(草酸、鹽酸、硝酸和檸檬酸)對(duì)重金屬鈾污染土壤的修復(fù)效果，通過(guò)控制濃度、固液比、時(shí)間、溫度等，發(fā)現(xiàn)草酸的去除效果最好。YANG等[26]使用低分子量有機(jī)酸去除土壤中的銅和鋅，之后用電極吸附提取重金屬，得出檸檬酸鹽對(duì)于銅和鋅的修復(fù)效果優(yōu)于草酸鹽、乙酸鹽。ZHAI等[27]發(fā)現(xiàn)FeCl3可以對(duì)土壤中6%～20%的重金屬起到去除作用，且對(duì)鎘的去除效果優(yōu)于酸類(lèi)淋洗劑。GLUHAR等[28]使用EDTA結(jié)合工藝用水循環(huán)利用系統(tǒng)對(duì)受污染農(nóng)田進(jìn)行了修復(fù)，旨在恢復(fù)土壤消散農(nóng)藥的能力，研究結(jié)果表明，使用EDTA新型洗滌技術(shù)可以將酸性和鈣質(zhì)土壤中的鉛去除79%和73%，并且降低了脫氫酶活性，最終補(bǔ)救效果高達(dá)64%。

2.3 生物修復(fù)技術(shù)

生物修復(fù)技術(shù)利用具有較強(qiáng)生命力的生物代謝活動(dòng)，對(duì)土壤中的重金屬進(jìn)行吸收、轉(zhuǎn)化和降解，從而修復(fù)土壤。目前主要的生物修復(fù)技術(shù)包括植物修復(fù)技術(shù)、動(dòng)物修復(fù)技術(shù)和微生物修復(fù)技術(shù)。

2.3.1 植物修復(fù)技術(shù)

植物修復(fù)技術(shù)是指利用植物對(duì)重金屬的吸收作用凈化受污染的土壤，具有對(duì)環(huán)境影響小、對(duì)多種重金屬污染物有效、運(yùn)行成本低，同時(shí)在土壤表面形成綠色植被后還能保護(hù)土壤、避免水土流失等優(yōu)點(diǎn)。CHANEY等[29]對(duì)植物修復(fù)受污染土壤現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，植物修復(fù)土壤需要有適宜的酸堿度，且修復(fù)效果與植物的污染物耐受能力和吸收能力有關(guān)。植物修復(fù)存在一定的局限性且修復(fù)周期較長(zhǎng)，可能不利于經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

2.3.2 動(dòng)物修復(fù)技術(shù)

動(dòng)物修復(fù)技術(shù)是指利用低等動(dòng)物的生物活動(dòng)對(duì)重金屬進(jìn)行吸收轉(zhuǎn)化，從而去除或者降低重金屬毒性，如蚯蚓、老鼠等[30]。蚯蚓作為土壤中主要的動(dòng)物類(lèi)群，能夠在受重金屬污染的土壤中生存，并且能夠通過(guò)吞食、挖掘以及排泄等活動(dòng)，對(duì)土壤中的物質(zhì)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，同時(shí)還可以改善土壤結(jié)構(gòu)，提高肥力，利用蚯蚓修復(fù)重金屬土壤具有經(jīng)濟(jì)高效的優(yōu)勢(shì)[31]。ZEB等[32]總結(jié)了蚯蚓修復(fù)受污染土壤的現(xiàn)狀以及前景，指出蚯蚓能夠適應(yīng)高度污染的土壤，并且表現(xiàn)出了良好的去除污染物的能力，同時(shí)給出了重金屬、多氯聯(lián)苯、多溴聯(lián)苯醚、多環(huán)芳烴等對(duì)蚯蚓的影響以及蚯蚓去除這些污染物的活性，明確了蚯蚓修復(fù)土壤的機(jī)制和過(guò)程。但是蚯蚓修復(fù)技術(shù)存在一定的局限性，如嚴(yán)重污染的土壤可能對(duì)蚯蚓本身產(chǎn)生危害，只適用于輕度或中度污染土壤，同時(shí)修復(fù)范圍有限，僅局限于蚯蚓活動(dòng)范圍內(nèi)[33]。

2.3.3 微生物修復(fù)技術(shù)

微生物修復(fù)技術(shù)是利用人工培育、本土或者外來(lái)的能在受污染環(huán)境中生存的功能化微生物群，通過(guò)新陳代謝作用降低污染物的生物毒性或?qū)⑵滢D(zhuǎn)化為無(wú)毒物質(zhì)的修復(fù)技術(shù)。微生物修復(fù)技術(shù)具有經(jīng)濟(jì)、高效、環(huán)境友好等特點(diǎn)。WANG等[34]從受金屬鎘和鎳污染的土壤中分離提取出了具有良好抗重金屬和固定能力的菌株L5和L6，研究結(jié)果表明，L5和L6可有效降低鎘和鎳的濃度，同時(shí)隨著接種時(shí)間的增加，土壤中鎘和鎳的固定率、各類(lèi)酶(酸性磷酸酶、脲酶、轉(zhuǎn)化酶和脫氫酶)的活性均有所提高。

2.4 生物質(zhì)炭修復(fù)技術(shù)

生物質(zhì)炭是指在相對(duì)低溫的部分缺氧或無(wú)氧環(huán)境中使動(dòng)物組織、農(nóng)業(yè)廢棄物、樹(shù)木等材料炭化形成的炭材料。生物質(zhì)炭修復(fù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了固體廢棄物的有效再利用，具有綠色環(huán)保的特點(diǎn)。史娜[35]對(duì)生物質(zhì)炭修復(fù)重金屬污染土壤的研究進(jìn)行了總結(jié)，闡述了生物質(zhì)炭的制備方法以及特點(diǎn)，探討了生物質(zhì)炭在土壤重金屬污染修復(fù)中的應(yīng)用和原理。王自通[36]研究了原料粒徑、炭化溫度和炭化時(shí)間對(duì)成炭率的影響，并且發(fā)現(xiàn)改性的生物質(zhì)炭對(duì)Cu和Cd吸附量有所增加。鄭凱旋等[37]總結(jié)了生物質(zhì)炭改性技術(shù)，主要有物理改性法、化學(xué)改性法和生物改性法三種，同時(shí)指出了生物質(zhì)炭在修復(fù)重金屬污染土壤方面存在的不足。

2.5 復(fù)合修復(fù)技術(shù)

單一的修復(fù)技術(shù)有各自的優(yōu)勢(shì)，但也存在一定的局限性，因此將多種修復(fù)技術(shù)復(fù)合使用，綜合其優(yōu)勢(shì)可以發(fā)展出更加高效、穩(wěn)定的復(fù)合修復(fù)技術(shù)。

SANCHEZ-HERNANDEZ等[38]研究了蚯蚓和生物質(zhì)炭之間的協(xié)同作用對(duì)增加土壤生物多樣性和改善土壤質(zhì)量的可行性，利用蚯蚓的胞外酶激活生物質(zhì)炭，同時(shí)蚯蚓的生命活動(dòng)可以使生物質(zhì)炭轉(zhuǎn)變?yōu)轵球炯S而分散在土壤環(huán)境中，結(jié)果證實(shí)蚯蚓和生物質(zhì)炭在土壤修復(fù)領(lǐng)域的協(xié)同作用是可行的。LI等[39]探究了蚯蚓和豬糞之間的協(xié)同作用，研究發(fā)現(xiàn)單獨(dú)使用蚯蚓的修復(fù)效果較差，但增加使用6%的糞肥后固定效果明顯增強(qiáng)。楊揚(yáng)等[40]使用吊蘭和蚯蚓修復(fù)了受重金屬鎘污染的土壤，結(jié)果表明吊蘭-蚯蚓復(fù)合修復(fù)效果優(yōu)于單一的植物或動(dòng)物修復(fù)效果。

3 結(jié)語(yǔ)

土壤的重金屬污染對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了極大的破壞，在治理時(shí)不僅需要對(duì)已污染的土壤進(jìn)行修復(fù)，還要防止重金屬進(jìn)入環(huán)境以避免污染再次發(fā)生。單一的修復(fù)技術(shù)可以起到修復(fù)土壤的作用，但其也有一定的局限性。因此，在選擇修復(fù)技術(shù)時(shí)應(yīng)根據(jù)修復(fù)效果、時(shí)間、成本等多方面因素綜合考慮并對(duì)已修復(fù)的土壤進(jìn)行監(jiān)測(cè)。未來(lái)土壤修復(fù)技術(shù)應(yīng)向著環(huán)保、高效、經(jīng)濟(jì)的修復(fù)技術(shù)或復(fù)合修復(fù)技術(shù)的方向發(fā)展。