土壤重金属污染研究与治理现状

 

土壤重金属污染研究与治理现状

高太忠  李景印

（河北科技大学环境科学与工程系，石家庄 050018）

摘要  对土壤重金属污染研究和治理方法现状进行了介绍；涉及的具体内容包括土壤重金属元素背景值，化学定时炸弹的概念，土壤环境与人类健康和物理、化学、生物治理方法。

土壤作为环境的主要组成部分，不仅提供人类生存所需的各种营养物质，而且接受来自工业和生活废水、固体废物、农药化肥及大气降尘等物质的污染。重金属以其在土壤中难降解、毒性强、具有积累效应等特征受到科学家们的广泛关注。自70年代以来，它一直是多学科研究的活跃领域。本文拟对土壤重金属污染研究与治理予以讨论。

1  土壤重金属元素背景值研究

对土壤元素背景值方面的研究，30年来国内外做了大量的工作。1961年美国地质调查局(GC)在美国大陆本土开展背景值的调查工作，1984年发表了《美国大陆土壤及其地表物质中的元素浓度》专项报告；1988年完成全国土壤背景值的研究工作，共分析近50个元素。日本于1978~1984年在全国范围内开展了表土和底土元素背景值调查，共测定了As、Cd、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb和Zn等8种元素，并提出元素背景值表示方法。

我国于70年代中期开展土壤元素背景值研究。1982年国家科委将土壤背景值调查研究列入“六五”重点科技攻关课题；1986年再次将其列为“七五”重点科技攻关课题，先后对除台湾省以外的省（区）所有土壤类型的元素背景值进行了调查，分析元素60余个；后来出版了《环境背景值数据手册》^[1]、《中国土壤元素背景值》^[2]等专著。

2  “化学定时炸弹”概念的提出

近年来，环境地球化学最突出的进展是提出了“化学定时炸弹”(Chemical Time Bomb)^[3]新概念。化学定时炸弹是指化学物质在土壤中不断积累，终于使土壤承受能力达到极限。这时若增加少量投入就会使原被土壤中固定的化学物质大量释放，造成无法收拾的严重灾害。另一种类型的化学定时炸弹是由于气候和土壤利用的改变，使土壤承受能力大幅度下降，导致定时炸弹提前“引爆”。

化学定时炸弹研究的内容包括：各种可能引发化学定时炸弹的有害物质的来源、迁移途径和方式；不同环境中各类土壤、岩石和沉积物的承受能力，影响承受能力和储存容量的各种因素；不同类型定时炸弹引发的特点和危害的性质；不同环境中各种化学定时炸弹的范围、规模和时间尺度；化学定时炸弹监控及预测的方法及其利用的指标；对化学定时炸弹过程模拟及模型的建立等等。由于化学定时炸弹具有从局部到区域以至全球的各种规模，因而不仅要研究局部的“热点”，而且要进行全局战略研究。不仅要研究土壤中，而且要研究各种沉积物、地表水、地下水及大气中的化学物质尤其是有害物质的迁移、累积和分配关系等。

1995年，谢学锦院士和刘东生院士在北京香山科学会议第46次学术讨论会上，主持讨论了化学定时炸弹问题^[4]。早在1992年，谢学锦院士从研究中国定时炸弹的全局高度，提出了“环境地球化学监控与动态地球化学图”研究计划，得到国家环保局等部委的支持；该计划在全国范围设立600个监控点，采集地表和深部泛滥平原沉积物，分析40~70个元素及其它参数，并计划以每10 a为1周期进行1次采集分析，以期获得中国陆地环境变化的连续记录。现已绘制出50余种元素在地表与深部（反映大规模工业化前的情况）含量变化的地球化学图^[5]。这对于监控和预测化学定时炸弹很有意义。我国在此项研究中居于世界领先水平。

３  土壤（次生）环境与人类健康

60年代以来，日本^[6]查明“骨痛病”、“水俣病”的成因，引起了世界各国的注意，使环境与人类健康的关系逐渐被人们所认识。土壤是食物链中的一个重要环节。人和动植物地方病流行区与土壤气候带有密切的关系。

我国开展环境与人类健康（地方病）的研究工作较晚。70年代中期对克山病进行了环境地球化学研究。现已查明我国黑龙江、吉林、内蒙古和辽宁等14个省区有克山病分布。克山病是一种病因未明、慢性病程的地方性心肌病。研究发现克山病主要分布在棕、褐土系及其相邻的过渡土壤中，而向草原、荒漠土带和红、黄土壤带减少和消失。谭建安等^[7]通过对我国主要克山病发病区和西北、东南两个非病带进行系统调查，证实我国存在低Se带，这个呈东北至西南走向的低Se带的分布恰好与克山病的地理分布相一致。洪业汤等^[8]在研究克山病的过程中，发现微量元素Mo与克山病的发病之间有某种联系。

80年代，陈家其^[9]进行了区域环境与癌的研究。我国长江三角洲自然地理条件比较复杂，肝癌死亡率的区域差异十分明显。对区域土壤、水和粮食中微量元素Mo、Cu、Zn与肝癌的关系进行的研究结果表明：该地区土壤中Cu、Zn含量较高，而粮食中Cu、Zn也较高；而Mo却与之相反，在土壤含Mo较高的地方，粮食中Mo含量却较低；土壤含Mo较低的地方，粮食中含Mo却较高。这与三角洲地区多种元素相对富集等地理环境特点有关。

对河南、山西等地的食道癌发病区研究表明，病区土壤中Cu、Zn、V和Zr等元素含量高。由此可见，微量元素失调与区域性肿瘤的高发病率之间存在明显的关系。

90年代，我国对砷中毒（地砷病）与环境的关系进行了研究。云南、贵州、湖南、新疆、台湾已有这方面的报道。最近，汤洁^[10]、王敬华^[11]等人对内蒙古、山西等As中毒进行了研究，揭示了自然和人为作用能将环境中的As释放出来，提高水的毒性，加剧As中毒的发生并导致癌症高发。

除上述研究外，近20 a来我国还对地方性甲状腺肿、地方性氟病、大骨节病等与环境的关系进行了系统研究，获得了大量的研究成果，许多成果具有国际领先水平。

4  土壤重金属污染治理方法

土壤重金属污染治理途径主要有两种：一是改变重金属在土壤中的存在形态，使其由活化态转变为稳定态；二是从土壤中去除重金属，以使其存留浓度接近或达到背景值^[12]。

4.1  物理及物理化学方法

常采用的物理及物理化学方法有热解吸法、电化学法和提取法等。对于挥发性的重金属，例如，汞，采用加热的方法可以将其从土壤中解吸出来，当达到一定体积时再回收利用。用此项技术治理后，土壤中汞的浓度可达到背景值（1 mg/L）^[13]。对于渗透性不高，传导性较差的粘性土壤中的Cu、Cr、As，根据电流能破坏金属—土壤键的原理，可应用电化学的方法予以去除。Brewster等曾用铁板作阳极，根据电解产生的亚铁离子经氧化后可产生水合铁氧化物的原理，创造适当的条件，使地下水中的重金属与水合铁氧化物形成共沉淀而将重金属去除。通过改变两极电压控制亚铁离子浓度，使处理过的水中的重金属离子浓度达到排放标准^[14]。

提取法分为冲洗法、洗土法和浸滤法等；这几种方法的原理相同，都是利用试剂和土壤中的重金属作用，形成溶解性的重金属离子或金属—试剂络合物，最后从提取液中回收重金属，并循环利用提取液^[15]。近年来的研究表明，表面活性剂利用其吸附作用对土壤中的某些重金属阳离子具有良好的解吸效果，从而达到去除的目的。表面活性剂的分子愈大，对重金属阳离子的解吸效果愈显著。但由于其对环境产生影响，目前趋向于利用易降解、无毒性的生物表面活性剂。生物表面活性剂种类较多，它们对不同重金属具有各自的专一性，而且在污染土壤中能自发循环利用^[16]，因而具有良好的应用前景。

美国曾应用淋滤法和洗土法成功地治理了8种重金属（Cd、Cu、Hg、Cr、Ni、Ag、Pb和Tb）污染的土壤，采用的提取剂为酸性溶剂，并加入氧化剂、还原剂及络合剂。

4.2  生物学方法

生物学方法主要是利用特殊植物和微生物来去除土壤中的重金属或降低重金属的毒性。一些具有特定生理机制的植物可对重金属吸附富集或与重金属结合生成不具生物活性的化合物，从而去除重金属或降低重金属的毒性^[17]。

对于重金属污染的土壤，可采取种植非食用植物或抗污染且能富集重金属的植物的方法去除土壤中的重金属^[18]。收获植物时连根拔起也可以达到去除重金属的目的。

利用微生物对某些重金属的吸收、沉积、氧化和还原等作用，减小植物摄取，从而降低重金属的毒性^[19]。目前环境科学研究中最活跃的领域之一就是运用遗传基因工程等生物技术来培育对重金属具有降毒能力的微生物，借此消除重金属对土壤的污染。

除上述两种方法之外，还可以运用农业工程技术，例如，使用改良剂，改变耕作制度，改变作物种类和肥料品种，翻耕或换土，以及向土壤中加入粘合剂以固定重金属，在一定程度上能去除土壤重金属或降低其毒性。在这方面，曹仁林^[20]、青长乐^[21]、蒋崇菊^[22]等人曾进行过有益的研究，并收到了预期的效果。