重金属镉污染土壤修复技术综述与展望

文_曹晨昊 安庆师范大学

1 土壤镉污染的来源

镉污染的来源主要有工业废气、废水以及农药化肥污染。如电镀、油漆着色剂、塑料稳定剂、光敏元件的制备等工业废气中存在一定量的镉，它们会和粉尘一起随风扩散到工厂周围，通过降雨或沉降进入土壤。镀锌厂以及与塑料稳定剂、染料及油漆等生产有关的工厂产生的工业污水中含有大量的镉，这些废水如不经处理或者处理不达标，废水中的镉就会随着污灌进入土壤。另外，长期使用的含有镉的农药化肥、塑料薄膜也是土壤镉污染的重要来源。

2 镉对生态的危害

土壤和水体中镉的可溶部分，一般称可溶态或可交换态，它能被植物吸收，且可通过食物链进入人体。

2.1 对植物的危害

当镉进入植物并积累到一定程度，就会影响其生长发育、产量以及品质。据研究，当土壤中可溶态镉为0.43mg/kg时，水稻减产10%；为8.10mg/kg时，水稻减产达25%；稻米镉和土壤可溶态镉的相关系数达0.997,影响稻米的氨基酸及淀粉中的支链淀粉和直链淀粉比例改变，使其品质变差。

2.2 对人体及动物的危害

镉是人类和实验动物肺癌的肯定致癌物，已被国际癌症研究机构归类为第一致癌物。

3 土壤中镉的存在形态

土壤中的镉多是以化合物的形式存在，以二价简单离子或简单配位离子存在土壤溶液中。镉在旱地土壤中以CdCO3为主，在水淹土壤中则以CdS形式存在。不同母质的土壤，其Cd的化学形态不同，大多数石灰性土壤中Cd的形态占主导地位的是碳酸盐结合态的, 且碳酸盐结合态＞残渣态＞有机结合态＞交换态＞吸附态；红壤、棕壤中占绝对优势的是可交换态，铁锰氧化态和有机态含量很少,碳酸盐态和残留态含量居中。土壤中有机结合态的镉较少。

研究表明，国外土壤中镉的含量一般在0.01～0.2mg/kg,且多数存在于土壤表层，我国土壤中镉的含量平均为0.163mg/kg。

4 镉污染在土壤中热质迁移机制

镉进入土壤后，将会发生吸附、转化、迁移等过程。土壤胶体表面吸附镉离子主要通过专性吸附和电性吸附这2个途径，在可变电荷土壤中又以专性吸附为主。对镉离子的吸附主要受土壤的矿物特性、有机组成、土壤溶液的组成和pH等影响。有研究证明，土壤吸附镉离子受到土壤溶液pH的强烈影响，一般来说，pH升高会提高土壤对镉的吸附量，反之则下降。采用不同的土壤矿物和土壤胶体，pH对镉吸附的影响程度不一样，且这种影响也会随金属的种类和其本身的特性而异。阴离子通过与阳离子形成离子对和以络合物的形式影响阳离子的吸附；一些有机酸阴离子可与镉阳离子形成稳定络合物，从而影响镉离子在固—液相间的分布。

现有描述镉土壤吸附—解吸的机理模型采用吸附等温线法来研究，土壤中的背景镉元素占据了一部分吸附点位，但结合强度不一致，当外源重金属镉添加时，原来被吸附的重金属镉被解吸下来，被解吸的离子会与外源添加离子竞争吸附点位，在土壤液相和固相之间进行分配。镉污染物迁移的主要形式是其在土壤中的扩散和可溶性镉污染物随土壤水分的迁移。

5 土壤镉污染的治理与修复措施

5.1 物理措施

传统的镉污染土壤修复方法主要有排土、客土和深耕翻土等物理方法，就是去表层土并向污染土壤中加入大量干净的土壤，覆盖在表层或混匀，使污染物浓度下降到临界危害浓度以下，或减少污染物与根系的接触，这种物理措施被认为是改良土壤的根本措施。吴燕玉等在张士灌区调查土壤中镉的含量发现，77%～86.6%土壤镉积累在30cm以上的土层，去表层土可使稻米中镉含量降低50%。但是这种方法耗费大量资金、人力和物力，排出的污染土壤又很容易引起污染，而且土壤肥力会有所下降，目前国内很少有工程实施的报道。

5.2 化学措施

化学措施有两种策略，一是降低土壤镉的溶解性，减少其生物毒性和在植物体内的积累；二是利用酸性化学物质或某些螯合剂增加土壤镉的移动性，通过灌溉或降水将表土层的镉淋洗到底土层，使耕作土壤得到净化。目前研究较多且在实际中得到应用的是第一种策略，广泛应用的方法是向土壤添加改良剂、表面活性剂、金属拮抗剂等，而磷酸盐、石灰、硅酸盐被认为是处理土壤镉污染的常用物质。杨景辉研究表明，施用磷酸盐类物质可使重金属镉形成难溶性的磷酸盐。李明德等通过人工模拟污染、盆栽试验的方法，研究了海泡石对镉污染土壤的改良效果，结果表明海泡石能显著促进空心菜的生长，抑制空心菜对镉的吸收，降低空心菜植株内镉的浓度，同时由于海泡石具有很大的表面积和较大的吸附量，可降低土壤镉的有效性，海泡石可作为镉污染土壤的改良剂。Gworek用膨润土合成沸石等硅铝酸盐作为添加剂钝化土壤中重金属镉，显著降低了受镉污染土壤中镉的作用浓度。化学措施操作简便,但在比较严重的污染地区，则很难将作物可食部分的镉含量降低到可以接受的水平。

5.3 生物措施

利用某些特定的动植物和微生物可以较快地吸走或降解土壤中的污染物达到净化土壤的目的。成杰民等研究表明，在镉污染的土壤上，引进蚯蚓显著增加了黑麦草地上部的生物量，接种菌根不仅能促进黑麦草对镉的吸收，而且还能促进镉从植物根部向地上部转移，由于接种蚯蚓可以提高菌根的侵染率，所以二者具有促进镉向地上部转移的协同作用，这对于重金属镉污染土壤的生物修复具有十分重要的意义。苏德纯等认为油菜溪口花籽有较强的耐镉特性和吸收镉的能力，是一种可用于修复镉污染土壤的超积累种质资源。刘云国等研究表明，月季花等花卉植物对重金属镉具有很强的富集作用，在试验观测期间，植物平均每天吸收镉1.7576mg/L，且生长发育良好，也可以作为镉污染生物整治的植物，而且不进入食物链，不会对人体产生危害。有试验表明，龙葵对镉的富集特性符合镉超积累植物的基本特征，是镉污染土壤植物修复的一种新材料，在镉污染环境的修复方面具有良好的应用前景。

5.4 生态措施

生态措施是充分利用生物(植物）的抗逆基因，使生物最大限度地适应污染环境，以降低环境对生物的胁迫作用，在协调生物与环境的相互关系中获取符合需求的产品和生产效益。生态措施的最终目标是实现污染土地的安全与高效的农业利用。例如通过控制土壤水分状况，使土壤作物有一个较为稳定的滞水期，可以减少镉进入植物体内的含量；使用有机肥，增加土壤有机质有利于改良土壤结构，可以促进土壤中镉形成硫化物；在镉污染土壤区选择种植耐镉污染的作物，以降低镉污染的危害，或改变耕作制度，在重度镉污染区种植非食用植物；而在治理比较困难的情况下，改变土地的使用类型，将其改为建筑用地，绿化用地等非农用地。

5.5 电动修复

电动修复是一个多学科的研究领域，原理是通过向污染土壤的两侧施加直流电压，使得土壤中的孔隙水和污染物带电，土壤中的带电污染物在电场的作用下向电极两端聚集。该技术已用于镉污染土壤的修复。Apostlols G等探讨了添加十二烷基硫酸钠和天然表面活性剂腐殖酸对电动修复土壤中镉污染的影响。结果表明，2种物质可以促进修复过程中镉的去除。该技术具有采用化学试剂少、能耗低、修复完善等优点，是具有良好发展前景的绿色修复技术。但是该技术受影响的因素较多，例如电极材料和结构、土壤的类型、电流的大小等，会在一定程度上影响修复的效果。

6 结语

土壤镉污染的治理修复是当前环境科学领域的研究热点和难点之一。国内外虽研发出多种镉污染修复措施，也取得一些进展，但这些修复措施在应用中仍存在一定的局限性。

首先，应严格控制污染源，预防或减少带来镉污染的工业生产，禁用污水灌溉，减少农田使用污泥等固体垃圾，控制和降低磷肥中的镉含量。其次，应采取合理有效的措施进行治理，减少土壤镉污染给人类健康带来的危害。生物修复土壤镉污染一直以来被认为是最具有应用前景的修复措施。迄今为止，已发现的超富集植物种类不少，寻找生物量大且富集量高的镉超富集植物应是努力的方向，实际应用中则还应考虑各种植物的搭配，植物修复局限性的克服，有关土壤及微生物资料的收集等。另外，可在土壤镉污染地区选种一些抗镉污染强的作物，以降低含镉农作物进入食物链从而避免对人类造成的危害，同时还可以筛选出在可食用部分累积污染物少的品种，以用于进一步选育抗镉污染的新品种。