土壤重金属污染现状及修复技术研究进展

摘要：伴随最近几年中国经济的快速进步，土壤里的重金属对环保事业造成的困扰也日益严重，土壤中的重金属通过空气、食物链等渠道间接地被释放和进入到环境和人体内，严重危害和威胁到了人类的健康，因此加强土壤重金属的污染防治迫在眉睫。本文主要是分析了一下我国近几年土壤重金属污染的防治现状，并从以下多方面详细概括了近年来土壤重金属污染的防治及其进展的情况。

　关键词：土壤；重金属污染；修复技术

　1引言

土壤重金属是自然和人类经济社会的可持续发展的重要基础和组成部分，也是自然和人类赖以生存的重要环境和物质基础。但是长期以来，人们不断地重视对于天然土壤及其自然资源的保护，对天然土壤及其自然资源进行过度的利用和索取。由于工业”三废”的大量排放，农药、化肥的不合理大量使用以及对化学废弃物的无组织大量排放，致使这些含有土壤重金属的各种化学污染物通过各种的途径直接进入人体排放到了土壤中，造成了对土壤的污染。而这些土壤重金属的污染不仅直接地导致了人体土壤的严重退化、农作物产量的严重下降，而且同时也间接地使土壤进入污染到了地下水，恶化了其水文生态环境，最终通过了食物链等其他途径直接进入污染到了人体，严重地直接危害和威胁到了人类的自然生命和健康。因此，土壤中的重金属对环境污染的监测和防治工作也是非常重要的。

　2土壤重金属污染的现状及原因

　　2.1现状

随着近年来我国工业和现代农业市场经济的快速进步和发展，我国的土壤环境也因此受到了不同程度的破坏和污染。据环保部的调查，我国的土壤环境污染总量超标率大约有16.1%，其中重度污染所占的比例大约为1.1%，中度污染所占比例为1.5%、轻度污染所占比例为2.3%，轻微中度污染所占比例为11.2%[1]。而在不同的类型土壤的污染中，土壤内部重金属元素的污染又在近几年的发展中变得尤为严重。固体土壤内部重金属元素的污染主要表现是指固体土壤内部化合物中所含有的一种或者多种重金属化学元素含量超过其所能使土壤担当承受的最大元素含量值的污染现象。如果摄入过量的土壤重金属元素会对于土壤的自循环利用能力和土壤造成重大的破坏，甚至还可能会直接造成固体土壤化合物质量的下降和土壤生态环境的恶化。而导致我国土壤内部的重金属元素含量变化的原因主要是由于:(1)土壤受自然界各种因素长期光合作用的影响，导致某些类型的重金属自然反应的产生，如土壤受到季风和地下水等各种因素的影响，土壤中的重金属元素在物理化学作用方面也会随之出现一定的变化。(2)土壤受自然界和人们的生产、生活等各种因素的影响，导致我国土壤中重金属元素含量不断地提高和增加，危害我们的自然生态和环境。尤其是大量生产和使用的化学农药与化肥、工业生产、冶金资源开采、化工制造等物理化学方面的各种因素相互影响，都可能导致我国土壤内的重金属元素含量的增加和飙升[2]。

　2.2产生原因

　　2.2.1农药、化肥的大量不合理使用及污水灌溉

农业环境是植物和人类对于土壤的主要环境因素影响。为了其生长和完成植物的生命周期，植物不仅需要大量的生物营养和元素(N、P、K、S、Ca和Mg)，还因为土壤需要必要的一些微量营养矿物质和元素。而有些农田土壤中还缺乏对于植物健康和生长至关重要的矿物质和重金属元素(例如Co、Cu、Fe、Mn、Mo、Ni和Zn)，这就导致了需要使用含有矿物质和重金属的农田化肥对土壤进行矿物质的补充，以有效促进这些植物的健康和茁壮成长。然而，这些重金属的化肥在有效补充了土壤中所缺少的元素之余，还可能会使土壤堆积在这些农田成为一种固体的垃圾，从而对土壤产生严重的土壤重金属离子和放射性污染[3]。在农田污水处理和灌溉方面，由于目前我国的某些省份和地方严重的缺水，所以仍然还需要用传统的污水灌溉方法进行处理和灌溉，虽然污水是经过处理过的放射性污水，但是其中一部分还是可能含有大量的土壤重金属离子，通过污水灌溉方法进入农田，最终使污水进入了农田土壤中，造成了农田土壤中对重金属的污染[4]。

　　2.2.2工业废水、废气及废渣的排放

近些年，我国机械工业的发展迅速，在国民经济和社会得到了发展的同时，工业所排放和产生的工业废弃物越来越多。其中产生的工业废气、废水大部分都直接地将其排放到自然环境中，而这些工业废弃物以及土壤中的一些重金属矿物微粒会经过对大气或者土壤的排水，自然地沉降至大气污染源周围的土壤中，使得土壤出现镉、汞、铬、铅、砷、锌等对重金属的污染[5]。同时由于石油、煤和汽车尾气的大量排放和燃烧，也间接地会使土壤产生大量的重金属等有害物质，并随着现代人类进行工业生产的活动而间接地进入排放到了土壤中，造成了土壤中对重金属的污染。

　2.2.3居民生产的化学废弃物的无组织排放

伴随着近年来人们工作和生活的水平和质量的显著改善和提高，电器更新换代地脚步加快，越来越多的一些废弃家用电器、电池被丢弃，而它们大都在郊区无法直接进行处理，只能直接通过管道运输垃圾到其他郊区进行垃圾堆积和填埋，而这些电器和废物本身都在土壤中含有大量的重金属，长期在各种自然和环境条件的限制和作用下，这些电器和废弃物逐渐溶解并从土壤中分离释放出大量的重金属，造成大量的重金属废物进入土壤并在郊区形成严重环境污染[6]。

　3土壤重金属污染的特点及危害

　　3.1特点

重金属在土壤中一般不易直接随土壤的水分而淋溶，不能被土壤中的其他微生物所吸收和分解;相反，生物体在土壤中可以迅速富集这些重金属，常常使得重金属在新的土壤环境中逐渐地积累，甚至某些植物中的重金属元素在土壤中还是可以直接转化出来成为土壤中毒性更大的甲基有机化合物，也有土壤里的食物链在人体里的积累已经超过了有害的标准，严重危害环境和人体健康。土壤中的大气污染、水污染都是可以直接通过压缩机等感官直接地可以发现，并且在压缩机切断了污染源后，通过压缩机进行空气稀释以及自身的空气净化技术可以得到有效解决，而农作物在土壤中对重金属的污染则是需要通过压缩机化验土壤的样品、分析来确定农作物的产量，甚至这些都是通过对人类的健康调查和情况分析得以进一步的发现，发现后，积累在了土壤中的放射性重金属也很难对土壤进行持续性的降解和自身的净化，需要很长的时间才可以能够在土壤中得以完全消除。并且由于土壤中大部分存在着有机胶体、无机胶体和有机-无机胶体复合而成的胶体，对于重金属物质具有较强的吸附力和螯合的能力，限制了重金属在土壤中的迁移和扩散能力，使得放射性重金属不能向土壤的下层部分进行持续性的移动，只能直接存在于土壤表层或者特别是中层。因此，土壤中放射性重金属的污染具有较强的隐蔽性、滞后性、不可逆性，难治理性、表聚性等诸多特点。

　3.2危害

　　3.2.1影响植物生长

重金属通过植物的土壤直接进入到了植物体内，进而在这些植物体内持续积累并释放达到一定程度砷含量的重金属毒素，导致了植物的生长矮小，易使植物得病，进而直接导致了农作物的减产。临床实验结果表明，土壤中无机砷的含量达12µg/g时，水稻的生长功能开始受到土壤的抑制;无机砷的含量为40µg/g时，水稻农作物减产50%;稻米含有机砷量为150µg/g时，水稻不能正常生长;土壤中稻米含有的砷量与植物土壤中农作物含砷量的比例呈正相关，有机砷化物对于植物的化学毒性则比植物更大[10]。

　3.2.2影响土壤生物群的变化及物质转化

重金属主要存在于土壤中，因其重金属的毒性直接影响到土壤微生物的繁殖和转化以及其活动于土壤。重金属的阴离子对土壤微生物的毒性作用顺序一般为:Hg＞Cd＞Cr＞Pb＞Co＞Cu，其中又以Hg2+、Ag+对于微生物的抑制作用毒性最强。通常重金属的浓度在1μg/g时，就已经能抑制许多有害细菌的生长和繁殖;同时土壤中含有的重金属对于微生物的这种抑制作用对于有机物的各种生物化学反应以及降解也是不利的[11]。

3.2.3影响人体健康

依靠土壤内的挥发直接融进了地表水和空气；如土壤或水中的有机重金属经土壤化学或有机微生物的挥发作用转化为蒸气态金属有机化合物(如有机砷、有机金属和汞)或转化为蒸气态金属或无机化合物(如有机汞、氢化金属和砷)而通过挥发作用进入到地表水和大气中[12]；由于受到地下水特别是土壤酸雨的淋溶或影响地表沉积水和径流的作用，重金属进入地表水和土壤形成地下水，影响水生生物;水生植物通过间接吸收并利用人体积累了进入土壤中的大量重金属，通过饮水或食物链直接进入土壤和人体。经由土壤中积累的重金属物质可通过上述三种间接污染途径对人体造成二次污染，最终通过对人体的呼吸抑制作用、饮水及其他食物链直接进入土壤和人体内[13]。经由饮水或食物链直接进入土壤和人体的大量重金属，在相当长的一段时间内虽然可能不断地表现出感染或受害的症状，但潜在的危害性很大。例如，日本的由两种重金属物质Hg和Cd结合引起的水俣病和东南亚的疼骨病。

　4土壤重金属污染的防护措施

重金属污染土壤的修复利用方法重点都是削减土壤里不良重金属的放射性含量以及限制重金属的转移两个做法[14]。

　4.1物理修复技术

　　4.1.1电动力学修复技术

这个技术实际上是一个新出现的应用重金属土壤物理高水准修复改进技术，其主要工作作用原理主要的就是在使用重金属溶液污染变质土壤的惰性电极两侧各自插进惰性电极，依靠直接施加重金属溶液电路的办法，即可使得施加重金属氧化溶液电流随施加惰性负极电流的快速转移富集导致惰性电极周围后，从对应的电流到处，继而能够切实、较快地实现对重金属溶液污染变质土壤的物理改进和净化[15]。

　4.1.2热脱附技术

这种办法重点指的是土壤使用直接或间接燃气升温的办法，主要的加热源为土壤采用燃气加热、水蒸气加热、电阻加热等，把相应的土壤升温到所需要的目标温度，让其内的不良物质变成气体，收集净化后成为气体杂物，才能切实削减土壤里的重金属含量。这个处理方式重点使用在土壤水分较少，渗透率较佳的重金属超标区域，但是燃气升温的办法耗能大，净化开销多。这个方式适合使用在土壤含汞多的土质[16]。

　4.1.3直接换土法

依靠清洁的二次土壤开挖取代遭受各类重金属、矿物侵袭的土壤。这种方式尽管能够具有直接有效的再次土壤净化的优势，但因为再次土壤发掘后取代土涉及的事情多，花费也很高，通常仅在土壤净化之后尽力使用而且在经济利益很大的清洁土壤范围应用才能得到进行二次替换土的处理使用。

　4.2化学修复技术

　　4.2.1淋洗技术

这种技术重点是依靠水力或高压头把蕴含可溶解杂物的土壤清理溶剂直接导入清理后的土壤，污染物和土里的此类溶液接触、摩擦后会进入溶液里，然后把处在土壤里的这些溶液从土里分离出来实施高效的清理，如此就能达到土壤净化的目的。这个技术重点包含了土壤原/异位污染物淋洗两个方面三个类别。通过土壤淋洗可以使得重金属快速转移出土壤根层，一般认为有以下两种的方式:

(1)用土壤中含有某种能与已知配位体的阴离子溶液继续淋洗土壤，配位体冲洗液倾向于与土壤中的重金属结合形成难溶的具有一定化学稳定常数的难溶性络合物。这种具有控制土壤化学反应的条件，能使土壤形成不为植物直接吸收，但容易在土壤中快速迁移的难溶性络合物。然而，如果重金属对土壤的快速渗透和氧化性能强，用这种冲洗方法容易造成对土壤周围环境及地下的严重污染。

(2)对轻壤质土壤的冲洗在消除含有重金属的污染物时，应合理地选用含有某种能与已知的污染阳离子结合形成难溶性络合物的配位体的阴离子溶液继续冲洗进入土壤，但要预先地计算重金属淋洗的地下水量，使之在土壤中能够很好地达到土壤排除根层以外却未必能达到的地下水，然后再用土壤中含有某种能与已知污染阳离子结合产生难溶性沉淀物的阴离子冲洗溶液通过土壤继续冲洗进入土壤，调节阴离子冲洗液的化学组成与物理用量，使得重金属在进入土壤一定的深度形成难溶的间层。EDTA可有效提高土壤中重金属离子的移动性，使之从土壤表层一直淋洗到下层。日本用稀盐酸或EDTA淹水清洗稻田土壤中的重金属离子效果较好。将EDTA(30kg/a)撒在基层稻田或旱田(其土壤含镉分别为10.4，27.9mg/kg)，淹水或小雨淋洗，清洗1~2次，水量能无法达到土壤根层以外而又没办法达到土壤地下水的浓度为宜。临床试验的结果表明，清洗一次可使耕层稻田土壤镉含量降低50%，洗二次使米镉含量减80%，Fe、Zn淋洗效果最好，Mn、Ni淋洗效果较差，淋洗液体的次序不同，效果不一样，而先用盐酸氯化物，后用盐酸EDTA淋洗效果更好。

　4.2.2固化-稳定化技术

此技术重点是指在土壤里依靠专门的材料和土里的某类金属化合物出现吸附、络合等化学反应，减小土壤里重金属的迁移，是一个不会造成很大破坏的办法[20]。常有的土壤固化-稳定材料重点包含了石灰或其余水泥基材质、碳材料等，各类固化稳定材料都有专门处理的土壤类型，例如石灰炭具备很好的吸附性，多材料适用于Cr污染的土壤。相同的道理，这个技术也能具体地划分为原位和异位两方面的净化，通常选定后者的次数比较多，依靠解析综合Cr6+原位减量化的办法和原位固化-稳定化的方式，使用前者发挥出的净化效能可以实现惊人的99%。后者能够发挥作用的范围非常大，净化耗时少，开销不大，实现固化处理的难度小，但是在这个技术对所要用到的材料有很大的限制，净化的土壤深度不足，固化处理成效不够显著，出现污染反弹的可能很大，要长时间进行追踪查看。

　　4.2.3化学氧化技术

化学污染物氧化预处理技术重点指的是往不干净的土里加入氧化剂，依靠其剧烈的氧化效果损坏污染物的构造，改变污染物的形态或价态，让土壤污染物含量减少到预设的水准的净化过程。常见的氧化剂重点包含高锰酸钾臭氧、高锰酸钾等。Fenton高锰酸钾试剂因造价较低，反应充分得到了业内的欢迎。其是依靠臭氧的Fe2+和Fe3+和过氧化氢的反应环节产生的OH-离子实现不良物质的降解。依据修复环节里的污染物和土壤的迁移氧化状况的差别，化学污染物预处理技术包含了放射性原/异位化学污染物氧化。因前者的净化方式大致上不会损坏污染地层土壤构造，污染物里暴露的范围不大，净化的开销较小；后者在实际使用时则较为繁复，要对土壤里的不良物质实施化学氧化预处理以后再与其余的化学试剂实施混合[21]。但是从整体的处理成效分析，这个技术处理污染的效能很大、速率够快，修复得比较充分，但是对污染物的类别和浓度还不是很灵敏，对化学品的耗费非常大，或许对其余土壤污染物发挥某种程度的毒害与放射性效果，干扰其余土壤与植物的生发。

　4.3生物修复技术

　　4.3.1植物修复技术

此技术的重点修复办法是依靠自然植物的成长和人力培养遗传植物的修复办法，对被污染的土壤里的重金属杂质实施高效的清理，也就是依靠天然植物和土壤里的微生物对污染物实施高效的清理。重点涵盖了植物种植到土壤固化、根基过滤等净化方法。过去的植物污染土壤净化办法的中的重点探讨的一个对象就是侧重于探索对重金属具备超积累作用和提升土壤耐受水准的植物。虽然之中植物净化的办法成效很好，而且使用方式难度不大，但是也有一些不足的地方，比如这种植物通常都是生物量较小，天然生长耗时较久，而且各类植物只是吸收某类重金属，这个植物净化方式不止适合使用在多类植物重金属污染物共存的植物污染土壤。后续的净化能够对多类受污染土壤使用焚烧、高温分解等植物净化方式实施处理。

　4.3.2微生物修复技术

这种技术指的是微生物依靠自身的各类生命代谢以及化学行为对土壤里的各类重金属微生物实施氧化吸附或过氧化还原、固结等实现土壤的净化目的[23]。微生物重点是依靠代谢行为改进土壤重金属的形态或价态，继而切实削减重金属的不良影响，让其很轻松就能从土里被吸走。尽管土壤本身便具备了能够清理掉不良重金属物质的微生物，但是，随着含铁锰等类型的农药的大范围使用，破坏了土壤里原本存在的这些类型的微生物的生存条件，已经有人开始把注意力从土壤从生微生物转移到人力培养的微生物。当前，微生物的净化方式的使用和探讨主要聚焦在挑选和驯化可以切实讲解不良物质的菌株。有专家挑选人力培养得到的耐Pb菌株20余株、耐Hg菌株数株，得知其对铅的处理成效的上限超过了九成，对汞的转化率上限也在八九成左右。尽管微生物的净化方式开销小，对土壤特点损坏较弱，净化水准好，但因目前大多数重金属微生物的净化方式还处在实验和探究时期，暂时这些技术不能大范围使用在土壤净化的实际操作中。

4.4联合修复技术

围绕土壤的污染应对情况和土壤净化现状，单独的举措和净化方式很难符合需求。各类举措和净化方式在进行组合之后，能够让土壤里含有各类净化举措和技术优势，补充一些净化举措的缺陷，增强土壤净化的成效。

　结束语

土壤重金属污染物对农作物的成长造成了很大的干扰，是人体健康的重要危险因素，对此类污染物实施清理已经变得非常紧迫。目前，中央和地方业已先后发布了专门应对土壤污染的专项文件和政策，要求各级XX和公司负责人主动配合中央下发的指令，也号召民众主动协作。XX要为公司给出政策和财政上的帮助，帮助科研水平得到提升，探索技术根源对土壤重金属污染的不良影响实施控制。对遭受重金属侵袭的植物和土壤，选定合理的净化方式非常有现实意义。伴随科技的进步、化学、物理等方式不断被研发和使用，各类技术都有自己的好坏。整体而言，物理净化方式尽管能够促进重金属的整体回收和使用，但是会有二次污染，生物修复技术对土壤破坏较弱，但是耗费的时间长。为此，只有一个方法很难彻底的净化土壤里的重金属污染物，共同使用多种净化技术在今后会是一个非常明显的趋势，会开启土壤重金属污染治理的新篇章，尤其是以植物修复为重点的组合技术会变成日后探讨的关键和热点。

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　致谢

在本人写完这篇论文的时候，也表明本人的大学生活即将走向尾声。匆匆四年，时光荏苒，收获了很多，学会了很多，明白了很多，真正要结束的时候，发现有太多的不舍与难忘。

首先，非常感谢老师，本篇论文是在老师的指导下完成，感谢老师的耐心指导与随时随刻地行答疑，而且在思想上给予了我很多的鼓励和支持。本文是在本人的导师帮助和指导下写作的。从研究的选题、架构的思考、知识的使用到实际的撰写，都花费了老师十分之多的心血和精力。老师严谨的治学风范，深厚的学术素养，深邃的教学思想，敏捷的探究思维，让我的研究选题和实际探究的过程得到很大的帮助。老师在我前期准备材料时给予的鼓励与支持让我倍受感动，也是我顺利收集好资料的不可或缺的因素。后期老师也时常了解我的论文进程，督促我按时完成各阶段任务，使我深感关怀与温暖。在此，谨向他表示衷心的感谢和崇高的敬意。

其次，特别感谢在我不知道论文方向时，我的同学也时刻地给我打气，给我一些灵感，并在我又不懂的英文方面给予了我帮助。

再次，我也要对教学任务繁重但还能抽出时间对本文实施核查和评议的教师表达谢意，感谢老师给出的珍贵意见。

囿于本人学术水平，所撰写的论文会有缺陷，请各位老师和同学指正。由于研究时间限制，加之本人理论修养上的不足，本次研究依旧有很多的不足。对问题的研究深度不够，很多问题的更深的内涵以及内部关联都没有进行深度的挖掘，受个人的经验理论水准的限制，给出的对策尚有进步的空间，对相关问题的研讨在未来的日子里会继续进行探讨。