土壤重金属污染的修复方法有哪些

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在城市环境中,各种各样的人类活动,将大量的重金属带入城市土壤中,造成这些元素在土壤中的积累,下面我们一起来看看土壤重金属污染的修复方法有哪些。

土壤重金属污染的修复方法有哪些

重金属通过大气沉降进入土壤

大气中的重金属主要来自能源、交通、冶金、建材生产产生的气体和粉尘。除汞外,重金属基本以气溶胶的形式进入大气,经过自然沉降和沉淀后进入土壤。据Lisk介绍,煤中含有Ce、Cr、Pb、Hg、Ti等金属,而石油中含有相当数量的汞(0.02 ~ 30 mg/kg)。这类燃料燃烧时,部分悬浮颗粒和挥发性金属随烟尘进入大气,其中10% ~ 30%沉降于其中,据估计,全球每年约有1600吨汞通过煤等化石燃料的燃烧排入大气。比如在比利时,每年从大气进入每公顷土壤的重金属量是Pb250g、Cd19g、As15g、Zn3750g。

交通运输,尤其是汽车运输,对大气和土壤造成了严重的污染,铅、锌、镉、铬、铜是主要的污染。它们来自含铅汽油燃烧和汽车轮胎磨损产生的灰尘。据相关资料显示,汽车排放的废气中铅含量高达20 ~ 50μ g/L,呈条状分布。由于距离公路和铁路的城市中心的距离以及交通量,存在明显的差异。Bepnhr等研究发现,公路两侧50m距离处有污染痕迹,每平方米累积可溶污染物4 ~ 40g月。进入环境的强度依次为铜、铅、钴、铁和锌。重金属污染通过自然沉降和雨水沉降进入土壤,与重工业发达程度、城市人口密度、土地利用率和交通发达程度直接相关。离城市越近,污染程度越重,污染强度大小顺序为:城市-郊区-农村。

重金属随污水进入土壤

污水灌溉是一项古老的灌区农业技术,主要利用污水作为灌溉水源。污水按来源和数量可分为城市生活污水、石化污水、工业矿山污水和城市混合污水。生活污水中重金属很少。然而,由于我国工业的快速发展,工矿企业的污水排入下水道,与生活污水混合,导致灌溉土壤中汞、镉、铬、铅等重金属含量逐年增加。部分灌区重金属含量远远超过当地背景值。

污水灌溉进入土壤的重金属被土壤以不同的方式截留和固定。95%的汞被土壤矿物胶体和有机质迅速吸收,一般在土壤表面积累,自上而下递减。郑州污灌区,水中汞浓度达到0.242mg/kg,而土壤中汞含量为0.194mg/Kg,会造成严重污染。污水中的砷多以三价或五价状态存在,进入土壤后被铁、氢氧化铝和硅酸盐粘土矿物吸收,还能与铁、铝、钙、镁形成复杂的不溶性砷化合物。但水体中的悬浮物容易吸附Cd,随着离排污口距离的增加,水体中Cd的含量迅速降低,因此污染范围较小。铅容易被土壤有机质和粘土矿物吸附。铅迁移微弱,污灌区铅积累和分布的特点是污染源附近土壤含量高,远处土壤含量低。污水中的Cr有四种形态,主要是三价和六价。三价铬被土壤快速吸附固定,而六价铬进入土壤被有机物还原为三价铬,然后被吸附固定。因此,污灌区土壤中的Cr会逐年积累。

重金属随固体废弃物进入土壤

固体废物种类繁多,成分复杂。不同种类的固体废物有不同的危害方式和污染程度。其中,采矿和工业固体废物的污染最为严重。在堆放或处置过程中,重金属容易因日晒、雨淋、水洗而移动,呈放射状、漏斗状扩散到周围的土壤和水中。沈阳冶炼厂炼锌过程中产生的炉渣主要含有锌和镉。从1971年开始,就一直堆积在一片萧条之中。其浸液中锌和镉的含量分别达到6.6克/升和75毫克/升。目前已经蔓延到堆料场700米以外,重金属污染物浓度呈同心分布。对武汉垃圾场和杭州铬渣垃圾场附近土壤中重金属含量的研究表明,这些土壤中镉、汞、铬、铜、锌、铅、砷等重金属含量高于当地土壤背景值。

有些固体废物直接或加工成肥料施入土壤,造成土壤重金属污染。例如,随着我国畜牧业的发展,产生了大量的畜禽粪便和动物加工产生的废弃物。这些农业固体废物含有植物所需的氮、磷、钾和有机物。同时,由于饲料中添加了一定量的重金属盐,对土壤施用化肥增加了土壤中锌、锰等重金属元素的含量。磷石膏属于化肥行业的废弃物。由于它含有一定量的不同形态的正磷酸和含磷化合物,并能改良酸性土壤,因此被广泛应用于土壤中,导致土壤中铬、铅、锰和砷的含量增加。磷钢渣作为磷源施入土壤时,土壤中有铬的积累。

随着工业的发展和城市环境建设的加快,污水处理不断加强。中国有80多家污水处理厂,预计污泥产量超过400万吨。由于污泥含有较高的有机质和氮磷养分,土壤成为污泥处理的主要场所。一般来说,污泥中的铬、铅、铜、锌、砷容易超标。燕山石化污泥在北京褐土上施用一年后,汞和镉的浓度分别达到0.94毫克/千克和0.22毫克/千克。许多研究指出,施用污泥可以不同程度地增加土壤中重金属的含量。增加幅度与污泥中重金属含量、污泥施用量和土壤管理有关。

固体废物也可以通过风传播,土壤中重金属的含量随着离污染源距离的增加而降低。比如大冶冶炼厂每年排放数千吨粉尘,造成大冶县农田污染。直径20公里以内土壤中的铬、锌、铅、镉含量远高于背景值。

城市土壤重金属污染的修复方法

受重金属污染的土壤可根据污染情况采用物理工程措施、化学修复措施、农业措施、生物措施或几种措施的组合进行处理。

(1)物理工程措施

主要包括除土、换土、深耕等措施。通过除土、换土、深耕、与污染土壤混合等方式,可以降低土壤中重金属的含量,降低重金属对土壤-植物系统的毒性,使农产品达到食品卫生标准。深耕、翻耕用于轻度污染土壤,客土、换土用于重度污染地区。工程措施是控制土壤重金属污染的经典措施,具有彻底、稳定的优点,但实施量大、投资成本高,会破坏土壤结构,造成土壤肥力下降,交换的污染土壤应堆放或处理。

(2)化学修复措施

化学修复是在土壤中加入改良剂,通过吸附、氧化还原、拮抗或沉淀等方式降低重金属的生物有效性。该技术的关键是选择经济有效的改性剂。常用的改性剂包括石灰、沸石、碳酸钙、磷酸盐、硅酸盐和促进还原的有机物质。不同的改性剂对重金属有不同的作用机制[15]。石灰或碳酸钙的应用主要是增加土壤的酸碱度,促进土壤中镉、铜、汞、锌等元素的氢氧化物或碳酸盐结合盐沉淀的形成。例如,当土壤的酸碱度> 6.5时,汞会形成氢氧化物或碳酸盐沉淀。廖岷等人发现,在低石灰水平下,土壤有机质的羟基和羧基以OH-反映,促进了土(原创版权www.isoyu.com)壤可变电荷和有机重金属的增加。有机物还能促进重金属以硫化物的形式沉淀,有机物中的腐殖酸能与重金属离子形成络合物或螯合物,降低其活性。

(3)生物修复

生物修复是一种利用生物技术处理污染土壤的新方法,它利用生物、植物和微生物来减少和净化土壤中的重金属或降低重金属的毒性。由于其良好的效果和易操作性,越来越受到人们的重视,成为污染土壤修复研究的热点。

①植物修复技术

植物提取,主要利用超累植物对重金属的吸收,结合土壤改良技术,将污染物从地下转移到地上部分,然后收获地上部分进行集中处理,以降低土壤中的重金属含量。目前已经发现400多种植物可以过量积累各种重金属,有些过量积累的植物可以同时积累各种重金属。例如,重金属富集的铁线蕨和苋科植物对土壤中重金属的吸收效率达到100%[16-19]。TommyLandberg等人在1995年发现,不同土壤中的一些柳属无性系对镉离子有很强的吸收能力。在使用硫酸盐和磷酸盐作为肥料的条件下,一些栽培品种的大花蕙兰茎秆对重金属有较强的富集能力,因此用超积累植物处理轻度污染地区是一种理想的方法。蒋先军等人发现印度芥菜对铜、锌、铅等中度污染土壤有较好的修复效果。刘运国等人研究了10种超积累植物对镉污染土壤的修复效果,发现土壤中镉的最低降幅为0.354毫克/升

植物挥发与植物有关,通过植物的吸收、积累和挥发来减少土壤污染物。目前该领域研究最多的元素是汞和硒。细菌在汞污染场所生存和繁殖,甲基汞和离子汞可以转化为毒性小得多的元素汞,通过酶的作用挥发到大气中。许多植物可以从污染土壤中吸收硒,并将其转化为挥发性状态,从而降低硒对土壤生态系统的毒性。

植物钝化是通过植物和根际微生物的分泌物螯合或沉淀土壤中的有毒金属,以降低其生物有效性,防止其进入地下水和食物链,从而降低污染环境和人体健康的风险。植物还可以通过保护污染土壤免受侵蚀和减少土壤渗漏来防止重金属污染物的淋溶,并通过根系积累和沉淀或根系表面吸附来加强污染物的固化。此外,根际微生物改变根际环境的酸碱度和氧化还原电位,改变污染物的化学形态,固定土壤中的重金属。

②重金属自然衰减

土壤中微生物的种类和数量相当大,在重金属无害化处理中也发挥着重要作用。作用的主要原理是微生物可以降低土壤中重金属的毒性;微生物可以吸收和积累重金属;微生物可以改变根际微环境,从而提高植物对重金属的吸收、挥发或固定效率[20-21]。如动胶藻、蓝细菌、硫酸盐还原菌和一些藻类,能产生胞外聚合物,与重金属离子形成络合物;从玛咖等中分离出的柠檬酸菌。,分解有机物产生HPO2-4和Cd2+,形成CdHPO4沉淀;在李志超的研究中发现,一些微生物可以将剧毒的甲基汞降解为毒性较小、挥发性较低的汞。Frankenber等人基于微生物对Se的甲基化进行了原位生物修复。耿春女等人利用菌根吸收和固定铁、锰、锌、铜等重金属,取得了良好的效果。