节能建筑 绿色建筑:土壤重金属污染状况调查及其治理研究

随着全球经济的快速发展，含重金属的污染物通过各种途径进入土壤，造成土壤中相应重金属元素的富集。土壤污染不但影响农产品产量与品质，而且涉及大气和水环境质量，并可通过食物链危害动物和人类的生命和健康，也就是说，土壤污染影响到整个人类生存环境的质量。据国家环保总局牵头调查显示，珠三角、长三角、环渤海这些经济先发展起来的地区，都面临着严重的土壤污染问题。其中，珠三角40%农田金属污染超标。在这样的形势下，土壤重金属污染问题成为环境和土壤学工作者的研究热点。目前，关于土壤重金属污染的现状、治理与修复等方面已有大量文献进行了综述，相对而言，对土壤重金属污染来源的解析方法鲜见总结。事实上，对土壤重金属污染的来源进行正确解析是准确和有效地进行污染治理的前提，因而本文就这一问题进行了阐述。

1土壤重金属污染的危害

水中常见的重金属离子有：汞、铅、锰、镉、铬等。下面就简要介绍铬、镉、锰、汞的主要危害。
铬的危害：

    铬元素经呼吸道侵入时,会侵害上呼吸道,引起鼻炎、咽炎、支气管炎,甚至鼻中隔穿孔;长期作用,还会引起肺气肿、支气管扩张,肺硬化及肺癌等。铬经消化道进入人体,可引起口角糜烂、恶心、呕吐、腹泻、腹疼和溃疡等病变。人口服重铬酸盐的致死剂量约为3克。铬经皮肤侵入,可使人发生皮炎,湿疹及“铬疮”。短时间接触,会使人得各种过敏症;长期接触,亦可引起全身性中毒。有人用家兔进行试验,每天在其皮肤上涂擦1%的铬酸溶液可观察到体重显著降低,红细胞数和血红蛋白含量下降,白细胞增多,经1——1.5个月后,死于肝、肾病变。
镉的危害：

     镉是人体非必需元素，在自然界中常以化合物状态存在，一般含量很低，正常环境状态下，不会影响人体健康。但镉被人体吸收后，在体内形成镉硫蛋白，选择性地蓄积肝、肾中。其中，肾脏可吸收进入体内近1/3的镉，是镉中毒的“靶器官”。 其它脏器如脾、胰、甲状腺和毛发等也有一定量的蓄积。由于镉损伤肾小管，病者出现糖尿、蛋白尿和氨基酸尿。特别具使骨骼的代谢受阻，造成骨质疏松、萎缩、变形等一系列症状。
锰的危害：

     锰对线粒体有特殊亲和力，锰在富有线粒体的神经细胞和神经突触中，抑制线粒体内三磷酸腺苷酶和溶酶体中的酸性磷酸酶活力，从而影响神经突触的传导能力。此外，锰能引起多巴胺和5-羟色胺含量减少。此二者均具有抑制突触递质，对抗乙酰胆碱的作用，因此锰中毒时脑基底节内多巴胺和5-羟色胺及其降解产物减少，可部分地解释锰的神经毒作用。锰又是一种拟胆碱样物质，可影响胆碱酯酶的合成，使乙酰胆碱蓄积，此与慢性锰中毒时出现震颤麻痹有关。
汞的危害：

     金属汞中毒常以汞蒸气的形式 引起。由于汞蒸气具有高度的扩散性和较大的脂溶性，通过呼吸道进入肺泡，经血液循环运至全身。血液中的金属汞进入脑组织后，被氧化成汞离子，逐渐在脑组织中积累，达到一定的量，就会对脑组织造成损害。另外一部分汞离子转移到肾脏。
     微量的重金属污染，可以通过生物链作用而产生富集。当人因为饮用或食用受重金属污染的水和食物，体内重金属含量过高时，便会导致各种疾病。下面是由于各种重金属离子污染所造成的例子。

1、20世纪50年代初，在日本九州岛南部一个叫水俣镇的地方，出现了一些患口齿不清、面部发呆、手脚发抖、神经失常的病人，这些病人经久治不愈就会全身弯曲，悲惨死去。经科技人员数年调查研究证实，这是由于居民长期食用了海水中含有汞的海产品所致，水俣镇有一个合成醋酸工厂，在生产中采用氯化汞和硫酸汞两种化学物质作催化剂。催化剂全部随废水排入临近的水俣湾内，并且大部分沉淀在湾底的泥里。她们在海底的泥里能够通过一种细菌的作用变成毒性强烈的甲基汞。甲基汞每年以1%速率释放出来，对上层海水形成二次污染，长期生活在这里的鱼虾贝类最易被甲基汞所污染，据测定水俣湾里的海产品含有汞的量已经超过可食用的50倍，居民长期食用次种含汞的海产品，自然就成为甲基汞的受害者。
2、日本富山县神通川流域从1931年开始出现一种怪病：病人全身骨关节疼痛难忍，骨质破坏，打个喷嚏就可能引起骨折，许多病人因无法忍受而自杀。此后患者逐渐增多，在20世纪40～50年代达到高峰，有些地区的患病率达20%以上。因原因不明，人们称之为“骨痛病”。40年以后，怪病的谜底找到了：神通川上游有一个锌矿冶炼厂，下游农民由于吃了炼锌厂排放废水污染的河水灌溉的稻、麦、蔬莱，15～20年后才发病。尸检发现骨骼和器官内有大量的镉，至1968年5月日本厚生省认定为镉中毒。
3、据《北京青年报》报道：1974年以来，陕西华县的一个弹丸之地——龙岭村一直被癌症的阴影所笼罩。到目前为止，该村共死亡58人，死于癌症的29人，死于肺心病、脑血管病的22人，仅1人属于自然死亡。经查该地土壤主要受到铅和砷的污染，而当地村民食用的面粉则受到铅、砷、锌、铬4种元素的严重污染，豆角中镉、铅的含量分别为标准值的5.3倍及2.55倍，属严重污染的蔬菜。化验结果表明，家庭成员中患过癌症的头发中砷的含量是未患过癌症的7.28倍，因此砷很可能是癌症村致癌的主要原因。

  2  土壤重金属污染的来源

土壤中的金属主要来自矿山废水与交通运输

2.1土壤中金属离子主要来自矿山废水。

在矿山酸性废水处理过程中，不同的技术方法、工艺具有不同的特点，具体废水处理工艺的选择要针对矿山废水处理的实际，要求处理方法、技术经济合理、技术可靠、操作运行管理方便。虽金属矿山酸性废水处理处理技术的研究已经取得了显著的进展，在实际应用过程中还存在一定的问题，国内一些企业针对问题本身，实施了相应的方案、措施，并取得了较好的效果。

矿山酸性废水产生量大，而且具有长期性，长期的酸性废水的治理对矿山企业是巨大的经济负担，在酸性废水治理成熟处理技术的基础上，实施综合治理，降低酸性废水的处理量是矿山酸性废水治理的有效途径之一。有效预防金属矿山酸性废水的产生很重要，可以从源头上控制酸性废水的产生量，从而降低后续污水处理成本

 2.2交通运输对土壤重金属污染的影响

道路两侧土壤中的污染物主要来自汽车尾气排放及汽车轮胎磨损产生的大量含重金属的有害气体和粉尘的沉降，而污染元素则主要为Pb、Cu、Zn等元素。它们一般以道路为中心成条带状分布，强度因距离公路、铁路、城市以及交通量的大小有明显的差异。如在法国索洛涅地区A71号高速公路沿途重金属Pb、Zn、Cd严重污染。FAKAYODE和OWOLABI研究了尼日利亚不同交通密度公路边表层土壤中Pb、Cd、Cu、Ni和Zn的分布，结果表明，重金属含量在车流密度大的公路两侧土壤中要高于车流密度小的公路两侧土壤，且随着距公路距离的增大，重金属含量快速降低，到距公路50 m左右的地方，重金属含量基本降低到背景值水平。

   3土壤重金属污染修复技术

土壤重金属污染具有隐蔽性、长期性和不可逆性的特点。土壤中有害重金属积累到一定程度，不仅会导致土壤退化，农作物产量和品质下降，而且还可以通过径流、淋失作用污染地表水和地下水，恶化水文环境，并可能直接毒害植物或通过食物链途径危害人体健康。目前，世界各国对土壤重金属污染修复技术进行广泛的研究，取得了可喜的进展。具体有如下几种修复措施。

3.1 电动修复

电动修复是通过电流的作用，在电场的作用下，土壤中的重金属离子(如Pb、Cd、Cr、Zn等)和无机离子以电透渗和电迁移的方式向电极运输，然后进行集中收集处理。研究发现，土壤pH、缓冲性能、土壤组分及污染金属种类会影响修复的效果。

该方法特别适合于低渗透的粘土和淤泥土，可以控制污染物的流动方向。在沙土上的实验结果表明，土壤中Pb2+、Cr3+等重金属离子的除去率也可达90%以上。电动修复是一种原位修复技术，不搅动土层，并可以缩短修复时间，是一种经济可行的修复技术。

3.2 电热修复

电热修复是利用高频电压产生电磁波，产生热能，对土壤进行加热，使污染物从土壤颗粒内解吸出来，加快一些易挥发性重金属从土壤中分离，从而达到修复的目的。该技术可以修复被Hg和Se等重金属污染的土壤。另外可以把重金属污染区土壤置于高温高压下，形成玻璃态物质，从而达到从根本上消除土壤重金属污染的目的。

3.3 土壤淋洗

土壤固持金属的机制可分为两大类：一是以离子态吸附在土壤组分的表面；二是形成金属化合物的沉淀。土壤淋洗是利用淋洗液把土壤固相中的重金属转移到土壤液相中去，再把富含重金属的废水进一步回收处理的土壤修复方法。该方法的技术关键是寻找一种既能提取各种形态的重金属，又不破坏土壤结构的淋洗液。目前，用于淋洗土壤的淋洗液较多，包括有机或无机酸、碱、盐和螯合剂。Blaylock等检验了柠檬酸、苹果酸、乙酸、EDTA、DTPA对印度芥菜吸收Cd和Pb的效应。吴龙华研究发现EDTA可明显降低土壤对铜的吸收率，吸收率与解吸率与加入的EDTA量的对数呈显著负相关。土壤淋洗以柱淋洗或堆积淋洗更为实际和经济，这对该修复技术的商业化具有一定的促进作用。

3.4 化学修复

化学修复就是向土壤投入改良剂，通过对重金属的吸附、氧化还原、拮抗或沉淀作用，以降低重金属的生物有效性。该技术关键在于选择经济有效的改良剂，常用的改良剂有石灰、沸石、碳酸钙、磷酸盐、硅酸盐和促进还原作用的有机物质，不同改良剂对重金属的作用机理不同。施用石灰或碳酸钙主要是提高土壤 pH值，促使土壤中Cd、Cu、Hg、Zn等元素形成氢氧化物或碳酸盐结合态盐类沉淀。如当土壤pH> 6.5时，Hg就能形成氢氧化物或碳酸盐沉淀。廖敏等研究发现，在低石灰水平下，土壤有机质的羟基和羧基与 OH-反应，促使土壤可变电荷增加，有机结合态的重金属增多，并且Cd2+与CO2-3结合生成难溶于水的 CdCO3。在沈阳张士污灌区的试验表明，每公顷土壤施用1500～1875kg石灰，籽实含镉量下降50%。关于磷酸盐和硅酸盐固化土壤重金属的技术研究报道较多，一般认为该物质可使土壤中重金属形成难溶性的沉淀。如向土壤中投放硅酸盐钢渣，对Cd、Ni、Zn离子具有吸附和共沉淀作用。水田土壤中的Cd以磷酸镉的形式沉淀，磷酸汞的溶解度也很小。沸石是碱金属或碱土金属的水化铝硅酸盐晶体，含有大量的三维晶体结构和很强的离子交换能力，从而能通过离子交换吸附和专性吸附降低土壤中重金属的有效性。有机物可促使重金属以硫化物的形式沉淀，同时有机物中的腐殖酸能与重金属离子形成络合或螯合物以降低其活性。有人研究指出，利用一些对人体无害或有益的金属元素的拮抗作用，也可以减少土壤中重金属元素的有效性。

化学修复是在土壤原位上进行的，简单易行。但并不是一种永久的修复措施，因为它只改变了重金属在土壤中存在的形态，金属元素仍保留在土壤中，容易再度活化危害植物。

4土壤重金属污染修复技术研究展望

采用工程、物理化学和化学方法修复重金属污染土壤，具有一定的局限性，难以大规模处理污染土壤，并且能导致土壤结构破坏，生物活性下降和土壤肥力退化。农业生态措施又存在周期长，效果不显著的特点。生物修复是一项新兴的高效修复技术，具有良好的社会、生态综合效益，并且易被大众接受。因此，具有广阔的应用前景。以下几个方面将成为该领域研究的重点。

(1)超累积植物筛选与培育。超累积植物是在重金属胁迫条件下的一种适应性突变体，往往生长缓慢，生物量低，气候环境适应性差，具有很强的富集专一性。因此，筛选、培育吸收能力强，同时能吸收多种重金属元素，且生物量大的植物是生物修复的一项重要任务。

(2)分子生物学和基因工程技术的应用。随着分子生物技术迅猛发展，将筛选、培育出的超累积植物和微生物基因导入生物量大、生长速度快、适应性强的植物中去已成为现实，因此，利用分子生物技术提高植物修复的实用性方面将取得突破性进展。

(3)生物修复综合技术的研究。重金属污染土壤的修复是一个系统工程，单一的修复技术很难达到预期效果，必须以植物修复为主，辅以化学、微生物及农业生态措施，增加重金属的生物有效性，促进植物的生长和吸收，从而提高植物修复的综合效率。因此，生物修复综合技术将是今后重金属污染土壤修复技术的主要研究方向。