重金属治理技术类型及其特点分析

一、重金属治理技术类型及其特点分析

目前，针对重金属污染土壤的治理技术主要有三种类型：物理法、化学法和生物法。

1.1 物理法

通常包括客土法、热解析和电动修复等。

（1）客土法

对于污染严重的土壤，采用机械挖掘、清理干净，再用洁净的客土回填。污染土壤被转移到固体废物填埋场经固化/稳定化处理后进行填埋处置，或者送往水泥窑处置。

对于污染较轻的土壤，通过在土壤表层加入大量干净的客土后、翻耕混匀，使污染物浓度降低到国家土壤标准值之下；或者通过机械翻耕方式，将表层污染土壤与底层干净土壤进行位置互换，原来的表层土壤成为新的底层土壤，原来的底层土壤成为新的表层土壤，这样减少了污染物与植物根系的接触，从而达到减轻危害的目的。

优点：客土法对于污染重、面积小的土壤具有非常明显的修复效果，治理效果明显、彻底。缺点：对于大面积污染土壤的修复不仅需要大量的人力、物力，成本高，而且洁净土壤的来源也难以保障。另外，客土法容易破坏土壤结构，导致土壤肥力下降，而且转移到下层的重金属污染土壤很容易导致重金属的释放、转移进入地下水，造成新的地下水危害。

（2）热解析法

通过对土壤加热升温，将挥发性污染物从土壤中解析出来，并进行收集、处理。目前，热解析法主要用于有机物污染土壤的修复，如石油污染土壤。对于挥发性重金属（主要是汞、硒）污染土壤修复，理论上可以采用热解的方法。但是，由于热解析法需要在300°C左右进行，易使土壤有机质和结构水遭到破坏而丧失土壤功能。同时，挥发的汞蒸汽等进入大气会造成二次污染。由于需要消耗大量能源，每立方米土壤的修复成本估计在1200~1500元人民币左右。

（3）电动修复

将电极插入受污染土壤，通过施加微弱电流形成电场，利用电场产生的电渗析、电迁移和电泳等效应，驱动土壤中的重金属粒子沿电场方向定向迁移，从而将重金属富集至电极区进行集中处理或分离。电动修复技术是一种原位修复技术，可有效去除土壤中的重金属，但该技术局限性非常明显，仅适用于小面积的污染区土壤修复。对于大面积污染农田的修复而言，由于工艺复杂和成本高昂，该技术基本不具备可行性。

1.2 化学法

根据土壤中重金属的形态特点，通过在土壤中添加有机质或化学药剂，经吸附、氧化还原、络合、沉淀或者矿物学反应，改变重金属在土壤中的存在形态，降低其在土壤环境中的迁移能力和生物可利用性，大幅度降低植物对重金属的吸收能力，使植物中重金属浓度满足食品质量要求。常用的化学修复方法有原位化学稳定化、化学淋洗、萃取分离等。

（1）原位化学稳定化

通过向土壤中添加化学物质，改变重金属的形态或价态，将重金属转化为不易溶解、迁移能力差且毒性更小的化合物或矿物相形态，使得土壤中的重金属不再具有迁移性和生物有效性，植物对重金属的吸收大幅度降低，对食品安全不再构成直接威胁。原位化学稳定化技术是工程中常用的修复技术。

原位化学稳定化要求科研人员根据土壤的物理、化学性质、重金属的类型和赋存形态确定稳定化药剂的配方，在保证重金属稳定化的基础上，确保化学药剂对农田土壤不会带来二次污染。

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优点：可以实现大面积污染土壤的快速修复，成本较低，工艺过程简单。

缺点：被稳定化的重金属仍然存在于土壤之中，因此为了保证重金属稳定化的长期效果，针对不同质地类型的土壤和不同的重金属赋存形态，必须采用不同的稳定化药剂配方。对项目实施单位的科研实力要求很高。

（2）化学淋洗法利用清水或化学溶剂把重金属从土壤（主要指轻质土或砂质土）中淋洗出来，俗称给土壤洗澡。通过离子交换、沉淀、吸附和螯合等作用，把土壤中的重金属转移到淋洗液相中，再把含重金属的淋洗液进一步处理，回收重金属，并循环淋洗液。

土壤淋洗技术中最重要的是找到合适的淋洗剂。理想的淋洗剂应具备以下几个条件：一是较高的稳定性，其自身不易随时间和环境的改变而分解；二是较强的结合性，即通过专性吸附、沉淀或共沉淀等作用机制对重金属离子有较高的吸附结合能，从而使重金属离子钝化或失活；三是环境友好性，不会破坏土壤的结构和性质，不会对植物形成新的毒害；四是可操作性，淋洗剂应成本低廉，可在实践生产中大面积推广应用；五是普适性，理想的淋洗剂不仅可钝化某一种重金属离子，而且还可修复重金属复合污染的土壤。

目前常用的淋洗剂对不同土壤、不同作物以及不同重金属离子的修复效果中依然存在着一定的问题。通常需要结合使用表面活性剂，淋洗剂的环境友好性没法保证，使得化学淋洗后的土壤受到较为严重的二次污染。

优点：对水溶性重金属的去除效率很高，可快速修复污染土壤。对于低污染土壤，通过化学淋洗可以使土壤重金属浓度接近或达到土壤的使用标准要求。

缺点：淋洗剂的环境友好性难以保证；除了水溶性重金属外，对其他形态的重金属去除效率较低。

（3）萃取分离法

通过化学萃取洗涤的方法将土壤中各种形态（包括离子交换态、碳酸盐态、铁锰氧化态）的重金属（如汞、镉、铅、砷、铬、铜、锌、锰等）以络合物的形式萃取进入萃取剂溶液中，再通过化学交换实现萃取剂再生和重金属离子的去除。再生后的萃取剂回用于萃取过程，实现萃取剂的循环使用。修复后的土壤重金属含量满足国家农田土壤质量标准（GB15618-1995）要求。

萃取分离技术中最重要的是找到合适的萃取剂。理想的萃取剂应具备以下几个条件：一是较强的重金属结合能力。通过萃取剂与重金属结合使重金属从土壤颗粒表面溶解进入萃取剂中，实现重金属与土壤的剥离。二是环境友好。残留在土壤中的萃取剂易于降解，不会破坏土壤的结构和性质，不会对植物形成新的毒害。三是经济性强，萃取剂成本低，可在实践生产中大面积推广应用；四是普适性强，理想的萃取剂可修复重金属复合污染的土壤。

优点：可以快速、彻底修复重金属污染土壤。

缺点：萃取剂的选择非常困难，既要满足重金属萃取分离的要求，又要满足生物降解和毒性残留的要求。

1.3 生物修复法

生物修复是利用微生物或植物的生命代谢活动，对土壤中的重金属进行富集或提取，通过生物作用改变重金属在土壤中的化学形态，使重金属固定或解毒，降低其在环境中的迁移性和生物可利用性。现阶段常见的生物修复技术包括植物修复和微生物修复。

（1）植物修复

植物修复是利用某些植物能忍耐和超量积累某种重金属的特性来清除土壤中的重金属，其修复方式有以下几种：植物提取、植物挥发和植物固定，其中最有前景的是植物提取技术。

植物修复技术具有一些明显不足之处。主要表现在：

①超富集植物个体矮小，生长缓慢。由于生物量小，所以重金属富集量小。修复周期太长，经济上并不合理。这是目前限制超富集植物大规模应用于植物修复的最重要因素。

②植物修复土壤只能局限在植物根系所能延伸的范围内，一般不超过20 cm土层厚度。

③超富集植物对重金属具有较强的选择性和拮抗性，即某种植物一般只对某一种重金属具有富集能力，而其它重金属的存在将明显降低该植物对其目标重金属的吸收能力。但是，土壤重金属污染多为几种重金属复合污染，且常常伴生有机污染，因此，用一种超富集植物难以全面清除土壤中的所有污染物。

④富集了重金属的超富集植物需收割，并应作为废弃物妥善处置，后处理成本较高。

⑤目前已经发现的重金属超富集植物多属于野生植物，异地引种将对当地的生物多样性构成潜在威胁。

（2）微生物修复

微生物修复是利用土壤中的某些微生物对一种或多种重金属具有吸收、沉淀、氧化和还原等作用来降低土壤重金属的毒性或者通过微生物来促进植物对重金属的吸收。主要包含两种技术：生物固定技术和生物氧化还原技术。

生物固定技术：重金属被活的或死的微生物体吸附固定的过程。某些微生物如蓝细菌、硫酸还原菌以及某些藻类能够产生具有大量阳离子基团的胞外聚合物如多糖、糖蛋白等，并与重金属形成络合物。

生物氧化还原：利用微生物的活动可对重金属离子进行氧化、还原、甲基化和脱甲基化作用，改变重金属离子的氧化还原状态，降低土壤环境中重金属离子的生物有效性。

优点：修复成本低，操作简单。

缺点：微生物修复的专一性强，其活性与温度、水分、氧气、pH值等土壤环境条件紧密相关，因此，很难同时修复多种复合重金属污染土壤。此外，这种方法应用难度大，目前尚未获得突破性进展，且停留在实验室研究阶段。

1.4 各种技术的评价

（1）物理法中的客土法，需要大量干净土壤进行置换，土壤转移量大，成本高。只适合于小面积污染土壤的治理。物理法中的其他方法（电解析法和热解法）目前还停留在实验室研究阶段。

（2）化学法中的原位稳定化方法在国内外的应用比较成熟，工程实施比较容易，成本可以接受。

化学法中的淋洗技术由于淋洗剂的环境友好特性难以满足，尚不能大规模应用于重金属污染土壤的修复。

化学法中的萃取技术可以有效地将土壤中的重金属萃取、分离，可以应用于工业场地和农田土壤的修复。

（3）生物法中的植物修复技术由于修复时间太长、且不适合于复合重金属污染的治理，一般很少应用于工业用地和农田土壤的修复。比较适合于重金属矿山土壤的水土保持和生态恢复。

生态法中的微生物修复技术由于微生物的专一性受土壤环境的影响太大，使得该技术的实际应用还有很大的差距，目前尚停留在实验室研究阶段。

二、重金属污染场地及污染土壤修复的相关技术应用分析

2.1 工业污染场地

重金属工业污染场地主要来源于城市建成区内工厂搬迁、老旧工厂倒闭、金属冶炼企业不规范生产所致。对于这类场地的修复主要有以下几种用途：住宅用地或商业用地、园林绿化用地。

2.1.1 工业污染场地修复→用作住宅用地或商业用地

这种情况经常发生在城市扩建过程中。这类场地修复至少应该达到国家《展览会用地土壤环境质量评价标准》（HJ350-2007）。

通常采用的技术包括：（1）客土法。需要大量干净的土壤，对污染土壤进行置换。不仅成本高，而且污染土壤需要转移、处置。

（2）重污染土壤清理+重金属原位稳定化。经过详细检测，将污染场地重的重污染点土壤进行清理，经重金属药剂稳定化后该土壤可以用作路基填料。清理后的场地采用原位稳定化进行重金属固定，使其不再浸出。

（3）采用土壤淋洗技术或者土壤重金属萃取技术，将重金属从土壤中分离出来，清洗干净的土壤再回填。

对于上述（2）和（3）的选择可以根据修复成本和环境风险评价来确定。

2.1.2工业污染场地修复→用作园林绿化用地

目前这类土壤修复尚无国家或者地方标准。为了减少重金属对土壤的污染，其修复后的重金属土壤浸出浓度应该达到国家地下水标准（GB14848-93）III类水质要求。目前比较合适的技术为重金属原位化学固定化技术。

2.2 农田污染土壤的修复

农田污染土壤的修复要求最为严格，有两个标准需要满足：《食用农产品产地环境质量评价标准》（HJ332-2006）和《土壤环境质量标准》（GB 15618-1995）。

由于《土壤环境质量标准》中对土壤中重金属严格按照总量控制，只有化学法中的淋洗技术和萃取技术才有可能满足此要求。

原位化学稳定化技术可以将土壤中的重金属形态转化为矿物相形态，使土壤重金属的浸出浓度满足《国家地下水标准》（GB14848-93）中的III类水质要求，从而使其粮食作物满足《食用农产品产地环境质量评价标准》（HJ332-2006）要求，但是由于重金属被原位固定在土壤之中，并没有从土壤中分离出来，所以土壤中重金属浓度难以满足《土壤环境质量标准》（GB 15618-1995）要求。