土壤是人類賴以生存的重要資源，目前，我國土壤環境問題形勢嚴峻。礦區開採、企業三廢排放、化肥農藥等農用化學品過量施用、畜禽糞便和垃圾處理不當，以及土壤酸化等造成土壤重金屬和有機汙染物汙染問題日益突出。如何高效修復重金屬汙染土壤已成為修復領域關注的焦點問題。
那麼，什麼是重金屬汙染？怎麼對重金屬汙染土壤進行修復？今天，我們一起來聊聊重金屬汙染土壤的修復技術——
一 什麼是土壤重金屬汙染？
土壤重金屬汙染（heavy metal pollution of the soil），是指因人類活動使得土壤中的微量金屬元素含量超過背景值，因過量沉積而引起的含量過高，統稱為土壤重金屬汙染。這些“重金屬”包括汞、鎘、鉛、鉻等毒性金屬元素和類金屬（如砷）等生物毒性顯著的元素，以及有一定毒性的鋅、銅、鎳等元素。
土壤重金屬汙染少量是因自然原因產生，其主要來源還是因人為活動，如工礦企業生產的廢水、汙泥等含重金屬廢物；農業生產中使用的農藥、殺蟲劑；冶煉企業和汽車排放廢氣的重金屬沉降等。
土壤重金屬汙染對農業生產、人類食物、自然生態、水土環境、人居環境都會產生影響。近年來，隨著“毒地”、“鎘大米”等事件出現，我國對於重金屬汙染土壤修復的關注力度也在逐漸加大。
重金屬汙染土壤元素難以被自然降解，只會發生形態的變化和遷移。因此，各種修復技術都是圍繞“去除”這一核心來進行的。目前，重金屬汙染的修復主要有兩種途徑：
1、改變重金屬的存在狀態，降低其活性，使其鈍化，脫離食物鏈，減小其毒性；
2、利用特殊植物吸收土壤中的重金屬，然後將該植物除去或用工程技術將重金屬變為可溶態、遊離態，再經過淋洗，然後收集淋洗液中的重金屬，從而達到回收重金屬和減少土壤中重金屬的雙重目的。
一般來說，重金屬汙染土壤修復技術大致可以分為：物理修復、化學修復、生物修復以及聯合修復等。
二 土壤物理修復技術
重金屬汙染土壤物理修復技術主要包括物理工程措施、玻璃化技術、淋洗法、冰凍土壤修復技術、電動力學法和蒸氣浸提修復。
物理工程措施主要有排土、換土、去表土、客土和深耕翻土等措施。排土、換土、去表土和客土的修復施工工程量較大，且存在汙土的處理問題。深耕翻土是採用深耕，上下翻動土壤層，降低表層土壤中的重金屬含量。
物理工程措施中較常見的是客土和汙土相結合，將一定量的乾淨客土和汙土成比例混合，從而使得土壤中的重金屬含量降低。深耕翻土在汙染較輕的土壤修復過程較常見，客土和換土多用於重汙染土壤修復工程。目前，一些發達國家在土壤汙染較重的地區試行土壤重金屬固化技術和挖土深埋包裝技術。
玻璃化技術是在高溫高壓條件下，被重金屬汙染的土壤形成玻璃態結構，使得土壤中的重金屬被固定穩定化。玻璃化技術能夠從根本上去除土壤中重金屬的汙染，去除速度快，但技術工程量大，且費用較高，比較多的是用於對重金屬汙染很重的區域進行搶救性修復。
土壤淋洗是通過注入和抽吸淋洗液，淋洗液和汙染的土壤充分混合，土壤中的重金屬通過溶解、乳化和化學作用滲入到淋洗液中，隨淋洗液的吸出而去除的修復技術。該技術是將淋洗液注入汙染的土壤，再用泵將吸附過汙染物的淋洗液抽吸處理，一般需要用清潔的淋洗液反覆多次淋洗，然後對汙染的淋洗液進行收集處理與回用。
冰凍土壤修復是圍繞已知的汙染源在地下以等距離的形式垂直安放合適的管道，再在管道內輸送入無害的冰凍劑，凍結土壤中的水分，形成地下凍土屏障，防止土壤中的重金屬遷移擴散。
電動修復技術是通過電流的作用，在電場的作用下，土壤中的重金屬離子(如Pb、Cd、Cr、Zn等)以電透滲和電遷移的方式向電極運輸，然後集中收集處理。電動修復方法特別適合於低滲透的粘土和淤泥土，可以控制汙染物的流動方向。有研究發現，土壤pH、緩衝性能、土壤組分及汙染金屬種類會影響修復的效果。有研究者模擬Cd汙染土壤，在電場強度為1V.cm-1的條件下研究修復效果，且較低的pH值和較高的氧化還原電位都有利於Cd的解吸並加速修復過程。
物理修復法是最通用的土壤修復法，廣泛應用於各種汙染土壤情況。根據不同土壤質地、通透性和汙染物類型，以及具體的修復后土壤可再利用價值，就可以選擇不同的土壤修復方法，在成本一定的情況下，達到良好的土壤修復效果。
三 土壤化學修復技術
相對於物理修復，重金屬汙染土壤的化學修復技術發展較早，主要有以下幾種：
1. 土壤淋洗技術，可分為原位淋洗技術和異位淋洗技術兩種。
原位淋洗技術：在田間直接將淋洗劑加入汙染土壤，經過必要的混合，使土壤汙染物溶解進入淋洗溶液，而後使淋洗溶液往下滲透或水平排出，最後將含有汙染物的淋洗溶液收集、再處理的技術。原位淋洗技術是為數不多的可從土壤中去除重金屬的技術之一。
影響技術有效性的重要因素是土壤的性質，其中最重要的是土壤質地和陽離子交換量。最適於砂粒和礫石佔50%以上的、陽離子交換量低於10cmol/kg的土壤。淋洗劑對於促進汙染物從土壤的解吸並溶入溶液是不可缺少的。淋洗劑應是高效的、廉價的、二次汙染風險小的。常用的淋洗劑有水和化學溶液。溶液通常包括稀的酸、鹼、螯合劑、還原劑、絡合劑以及表面活性劑溶液等。
1987～1988年間，荷蘭曾採用該技術(原位土壤淋洗技術)對一個鎘汙染土壤進行處理。他們用0.001mol˙L-1 HCl對6000㎡的土地上大約30000 m³的砂質土壤進行了處理。經過處理，土壤鎘濃度從原來的20mg˙kg-1以上降低到1mg˙kg-1以下，處理費用大約50英鎊˙m-3。
異位淋洗技術：將汙染土壤挖掘出來，用水或其他化學溶液進行清洗使汙染物從土壤分離開來的一種化學處理技術。質地較輕的土壤適合於本技術，黏重的土壤處理起來比較困難。一般認為，黏粒含量超過30%～50%的土壤不宜採用本技術。
有機質含量高的土壤處理起來也很困難，因為很難將汙染物分離出來。土壤清洗技術適用於各種汙染物，如重金屬、放射性核素、有機汙染物等。美國的新澤西州，曾對19000t重金屬汙染的土壤和汙泥進行了異位清洗處理。處理前銅、鉻、鎳的含量均超過10000 mg˙kg-1，處理后土壤中鎳的平均濃度是25 mg˙kg-1，銅的平均濃度是110 mg˙kg-1，鉻是73 mg˙kg-1。
2. 原位化學氧化技術：主要通過混入土壤的氧化劑與汙染物發生氧化反應，使汙染物降解成為低含量、低移動性產物的技術。
在汙染區的不同深度鑽井，利用泵將氧化劑注入土壤，從另一個井可將氧化劑抽提出來。含有氧化劑的廢液可以重複使用。原位化學氧化修復技術適用於被油類、有機溶劑、多環芳烴、農藥以及非水溶性氯化物所汙染物的土壤。常用的氧化劑有K2MnO4、H2O2和O3，溶解氧有時也可以作為氧化劑。
1997年，在美國的阿拉巴馬州，曾採用原位化學氧化修復技術對一個受到高密度非液相液體汙染的黏質土壤進行處理。
3. 溶劑提取技術，這是一種異位修復技術。在該過程中，汙染物轉移進入有機溶劑或超臨界液體，而後溶劑被分離進一步處理或棄置。溶劑提取技術使用的是非水溶劑，因此不同於一般的化學提取和土壤淋洗。
處理之前首先準備土壤，包括挖掘和過篩。過篩的土壤可能要在提取之前與溶劑混合，製成漿狀。被溶劑提取出的有機物連同溶劑一起從提取器中被分離出來，進入分離器進行進一步分離。在分離器中由於溫度或壓力的改變，有機汙染物從溶劑中分離出來。溶劑進入提取器中循環使用，濃縮的汙染物被收集起來進一步處理，或被棄置。乾淨的土壤經過濾和幹化，可以進一步使用或棄置。乾燥階段產生的蒸氣應該收集、冷凝，進一步處理。
這種土壤修復技術在實施過程中，不帶入新的汙染物，不產生二次汙染，不會對土壤環境、農作物和周邊環境以及人群健康產生不利影響，風險可接受。
四 土壤生物修復技術
土壤生物修復技術（Soil Bioremediation，也稱生物恢復、生物整治等），其利用生物技術和方法來消除土壤汙染並使土壤功能恢復。廣義的土壤生物修復技術包括動物修復、植物修復和微生物修復。
動物修復中，最常使用的動物是蚯蚓。蚯蚓作為大型土壤動物，是土壤中的主要動物類型，其生物量佔據土壤動物總量的將近三分之二。蚯蚓在土壤中的活動能夠促進枝葉的降解、有機物質的分解和無機化，併為土壤增添部分速效成分，微生物活動對促進硝化細菌活動、改善土壤理化結構有積極作用。蚯蚓在重金屬汙染土壤修復中的作用，體現在蚯蚓對重金屬的耐性、富集吸收以及活化作用。專家研究表明，蚯蚓對重金屬有耐受性，並能夠吸收土壤中的重金屬，並對重金屬有富集作用，可以利用蚯蚓處理土壤和汙泥中的重金屬汙染問題。
植物修復指利用由植物本身及其根際圈微生物組成的體系清潔汙染土壤，一般認為植物修復是利用重金屬超積累植物提取土壤中的重金屬，並從土壤中去除 。
超積累植物（Hyperaccumulator）這一概念最先由Brooks提出，用於命名莖中金屬鎳的乾重含量大於1000mg/kg的植物。目前對超積累植物的認定已經不侷限於對金屬鎳的積累，凡是能超量積累一種或者同時超量積累幾種重金屬元素的植物，都被認定為超積累植物。世界上已被認定為超積累植物超過400種，三分之二以上對Ni超量積累。
根據修復植物在某一方面的修復功能，可將植物修復分為以下五種基本類型：植物降解修復（Phytodegradation）、根際圈生物降解修復（Rhizosphere biodegradation）、植物提取修復（Phytoextraction）、植物揮發修復（Phytovolatilization）和植物穩定修復（Phytostabilization）。
植物修復對成本、技術要求較低，操作也簡便，如小花南芥對鉛鋅複合汙染的治理、蜈蚣草對砷汙染的治理等。但同時對植株的生物量和耐受性也提出更高要求，且受土質和氣候的影響較大，總體來看，還是處於發展中的一項技術。
土壤微生物是土壤中不可或缺的生命體，微生物的丰度和密度可以指示汙染土壤的生態系統的穩定性，並具備修復土壤的潛能。微生物修復是指，利用天然存在的或者培養的功能微生物群，在適宜環境條件下（一般指適於微生物生長繁殖的條件），促進或者強化微生物代謝功能，從而將汙染物的毒性降低或者無害化的生物修復技術。微生物修復技術的研究工作主要有篩選和馴化生物菌株，提高功能微生物活性和安全性，延長微生物壽命等。
通過添加菌劑和優化作用條件發展起來的場地汙染土壤原位、異位微生物修復技術有：生物堆漚技術、生物預製床技術、生物通風技術和生物耕作技術等。運用連續式或非連續式生物反應器、添加生物表面活性劑和優化環境條件可提高微生物修復過程的可控性和高效性。
生物修復土壤技術研究已有一定的進展，但仍有許多技術和管理上的難題需要攻克。
五 聯合修復技術
重金屬汙染土壤中，複合汙染普遍，汙染組合類型複雜，汙染程度與厚度差異大，而且修復后土壤再利用方式的空間規劃要求也多不相同。這樣，單項修復技術往往很難達到修復目標，而協同兩種以上的土壤聯合修復技術就成為土壤汙染修復的研究方向。
聯合修復技術包括微生物-動物-植物聯合修復、化學-生物聯合修復、物理-化學聯合修復、微波熱解-活性炭吸附聯合修復和溶劑萃取-光降解聯合修復等。利用氮摻雜二氧化鈦光催化技術修復農藥汙染土壤，也是土壤聯合修復的一項新技術。
聯合修復技術不僅可以提高汙染土壤的修復速率與效率，而且可以克服單項修復技術的侷限性，實現對多種汙染物複合、混合汙染土壤的修復。
汙染土壤的治理是一項任重而道遠的工作，作為汙染土壤的施害者，我們同時也成為了受害者。治理汙染土壤關乎民生，隨著“土十條”和“十三五生態環保規劃”的發佈實施，土壤汙染在“十三五”期間也成為生態環保經濟發展中的一場重要戰役。
—— END ——
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