土壤污染的生态修复方法

二、土壤污染

1.土壤污染概述

（1）土壤污染的概念

全国科学技术名词审定委员会：土壤污染（soil pollution）是指对人类及动、植物有害的化学物质经人类活动进入土壤，其积累数量和速度超过土壤净化速度的现象。

中国农业百科全书土壤卷：土壤污染（soil pollution）是指人为活动将对人类和其他生命体有害的物质施加到土壤中，致使某种有害成分的含量明显高于土壤原有含量，而引起土壤环境质量恶化的现象。

（2）土壤污染的过程

土壤环境中污染物的输入、积累和土壤环境的自净作用是两个相反而又同时进行的对立统一的过程，在正常情况下，两者出于动态平衡状态。

人类的各种活动产生的污染物质，通过各种途径输入土壤（包括施入土壤的肥料、农药），其数量和速度超过了土壤环境的自净作用的速度，打破了污染物在土壤环境中的自然动态平衡，使污染物的积累过程占据优势，导致土壤环境正常功能的失调和土壤质量的下降；或者土壤生态发声明显变异，导致土壤微生物区系的变化，土壤酶活性的减小；同时，由于突然土壤环境中污染物的迁移转化，从而引起大气、水体和生物的污染，并通过食物链，最终影响到人类的健康。

土壤污染有三大特点：

①隐蔽性和潜伏性

它对动物和人体的危害往往通过农作物包括粮食、蔬菜、水果或牧草，即通过食物链逐级积累危害，人们往往身受其害而不知所害，不像大气、水体污染一杯人直接觉察。

②不可逆性和长期性

土壤一旦遭到破坏就极难恢复，重金属元素对土壤的污染是一个不可逆过程，而许多有机化学物质的污染也需要一个相当长的降解时间。

③后果的严重性

然而土壤对污染物并非时被动的接受过程，它也有净化功能

2.土壤的自净作用

（1）自净作用的概述

土壤的自净作用是指在自然因素作用下，通过土壤自身的作用，是污染物在土壤环境中的数量、浓度或形态发生变化，活性、毒性降低的过程

正是由于土壤具有这种特殊功能，少量有机污染物进入土壤后，经生物化学降解可减低其会活性，变为无毒物质；进入土壤的重金属元素通过吸附、沉淀、配合、氧化还原等化学作用变为不溶性化合物，使得某些重金属元素暂时退出生物循环，脱离食物链。

（2）根据作用机理，分为四类。

①物理净化作用

土壤是一个多相的疏松多孔体，犹如天然的大过滤器。

固相中的各类胶体物质---土壤胶体又具有很强的表面吸附能力，进入土壤中的难溶性贵污染物被土壤机械阻留；可溶性污染物被土壤水分稀释，减少毒性，或被土壤固相表面吸附。

需要指出的是，物理进化作用只能使污染物在突然中的浓度降低，而不能从整个自然环境中消除，只是污染物的转移。某些污染物比如：农药可挥发或转化成气态物质在土壤空隙中迁移、扩散，以致迁移如大气，。

②物理化学净化作用

污染物的阳、阴离子与土壤胶体上原来吸附的阳、阴离子之间的离子交换吸附作用。一般土壤中带负电荷的胶体比较多，土壤对阳离子或带正电荷的污染物的净化能力较高。

但是，物理化学作用也只能使污染物在土壤溶液中的离子浓（活）度降低，相对地减轻危害，而没有从根本上将污染物从土壤环境中消除。该作用只是暂时的、不稳定的，同时，对于土壤本身来说，污染物在土壤环境中的积累过程，将产生严重的潜在威胁。

③化学净化作用

污染物进入土壤后，进过一系列的化学反应，如：凝聚与沉淀反应、氧化还原反应、络合-螯合反应、酸碱中和反应、水解和分解反应等等，使污染物转化成难溶性、难解离性物质，使危害程度和毒性减少，或者分解为无毒物或营养物质称为化学净化作用。酸碱和氧化还原反应起主导作用。

但是对于稳定的化学物。如PCB(多氯联苯)、稠环芳烃、有机氯农药，以及塑料、橡胶等合成材料，则很难被化学净化。

④生物净化作用

有机污染物在微生物及其酶作用下，通过生物降解、被分解为简单的无机物而消散的过程。土壤生物（微生物、土壤动物）对污染物的吸收、降解、分解和转化过程与作物对污染物的生物性吸收、迁移、转化是土壤最重要的净化功能。

土壤的生物净化才是真正的净化。虽然能够净化大部分有机物以及一些无机污染物，但是，微生物不能净化重金属，反而可能使重金属在土体中富集，这也就是重金属为土壤环境最危险污染物原因。

总之，土壤的自净作用是各种化学过程共同作用、相互影响的结果，其过程相互交错，其强度的综合构成了土壤环境容量的基础。尽管土壤环境具有上述多种净化作用，而且也可通过多种措施来提高土壤环境的净化能力。但是土壤自净能力也是有一定限度的，这就涉及到土壤环境容量的问题，这里不再多讲。

3.土壤污染物种类

（1）土壤环境污染物质：输入土壤环境中的足以影响土壤环境正常功能，降低作物产量和生物学量，有害于人体健康的那些物质。

主要是指城乡工矿企业所排放的对人体、生物体有害的“三废”物质，以及化学农药、病源微生物等。

（2）分为四类

①无机污染物（见图）

②有机污染物（见图）

③土壤生物污染

定义：一个或几个有害的生物种群从外界环境侵入土壤，大量繁衍，破坏原来的动态平衡，对人类健康和土壤生态系统造成不良影响。

例如：未处理的粪便、垃圾、城市生活污水、医院污水、饲养场和屠宰场的污物等。尤其是传染病医院未经消毒处理的污水和污物。

④固体废弃物与放射性污染

固体废弃物包括工业废渣（煤灰、碎瓦碎块、玻璃、塑料）、污泥、城市垃圾等

放射性污染由于原子能工业的发展，核技术在农业、工业、医学广泛使用，使用过程中的核泄露造成的污染。

4.土壤污染的现状

据统计资料表明，1980年全国受“三废”污染的农田面积为267万hm2,1988年为670万hm2,1998年污染农田数量2000万hm2，约占耕地面积的1/5，造成直接经济损失200亿元，其中由于重金属污染而引起的粮食减产达1000万t/a，直接经济损失达100多亿元。

2000年全国2.2亿kg粮食调查发现，粮食中重金属Pb、Cd、Hg、As超标率占10%，在北京、沈阳、广州、天津、南京、兰州和上海等重点地区，土壤及地下水污染已经导致癌症等疾病的发病率和死亡率比没有污染的对照区高数倍到10多倍。全国出产的主要农产品中，农药残留超标率高达16%~20%，问题相当严重。

据赵其国院士介绍，江苏省最近的监测表明，小麦、大米、面粉中的铅检出率88.1%，超标率为21.4%，农残超标70%，其中甲胺磷超标50%，甲拌磷超标30%，乐果超标10%。在南京，目前优质一等耕地所占比例已不到10%，40%的耕地只能说是勉强合格。秦淮河流域地区汞超标，沿江地区则镉污染超标。像江心洲、八卦洲地区建议不能再种植大米、蔬菜、果品等农产品，应该以生态建设为主，像秦淮河流域则不太适合种植大米等农产品。

图片（关于土壤污染）

三、土壤修复技术

污染土壤修复的目的在于降低土壤中污染物的浓度、固定土壤污染物、将土壤污染物转化成毒性较低或无毒的物质、阻断土壤污染物在生态系统中的转移途径，从而较小土壤污染物对环境、人体或其它生物日的危害。

1.污染土壤修复技术分类

（1）按修复位置分类

根据其位置变化与否分为原位修复技术（in-situ technologies）和异位修复技术(ex-situ technologies)又称易位或非原位修复技术。

原位修复技术（in-situ technologies）对未挖掘的土壤进行治理的过程，对土壤没有什么扰动，这是欧洲最广泛采用的技术。

异位修复技术(ex-situ technologies)对挖掘后的土壤进行处理的过程。又可细分为原地（on site）处理和异地(off site)处理。

（2）按操作原理分类

物理修复技术

化学修复技术

植物修复技术

生物修复技术

2.污染土壤修复技术分述

（1）物理修复技术

①土壤蒸气提取技术（soil vapor extraction,SVE）

②固化/稳定化技术（solidification/stabilization）

③玻璃化技术(vitrification)

④热处理技术(thermal treatment)

⑤电动力修复技术（electrokinetic technologies）

⑥稀释（dilution）和覆土（covering with clean soil）

（2）化学修复技术

①土壤淋洗技术（soil flushing/washing）

②原位化学氧化技术（in-site chemical oxidation）

③化学脱卤技术（chemical dehalogenation）

④溶剂提取技术(solvent extraction)

⑤农业改良措施（agricultural remediation）

（3）植物修复技术

①植物提取作用（phytoextraction）

通过植物根系吸收污染物并将污染物富集于植物体内，而后将植物体收获、集中处置的过程。

作为植物提取修复用的植物必须对土壤中的一种或集中重金属具有特别强的吸收能力，即所谓超富集植物。

适合植物提取技术处理的污染物：金属（Ag、Cd、Co、Cr、Cu、Hg、Mo、Ni、Pb、Zn、As、Se）、放射性核素（90Sr、137Cs、239Pu、238U、234U）、非金属（B）。

截至1998年，世界上发现金属超富集植物430余种，其中镍富集植物最多，达317种，铜37种，钴28种，铅14种，镉只有一种。

国内发现的超富集植物：蜈蚣草（As），东南景天（Zn），商陆（Mn）

②根际降解作用（rhizodegradation）

土壤中的有机污染物通过根际微生物的活动而被降解的过程。

根际中聚集了大量的细菌、真菌等微生物和土壤动物。植物在生长过程产生分泌物，分泌物可以增加根际微生物群落并促进微生物的活性，从而促进微生物的降解。根际分泌物的降解会导致根际污染物的共代谢。

根际降解包含以下几个过程：

好氧代谢、厌氧代谢、腐殖质化作用。

处理对象：TPH（总石油）、多环芳烃、苯、农药、含氯溶剂、五氯苯酚、多氯联苯、表面活性剂等。

③植物降解作用（phytodegradation）

被吸收的污染物通过植物体内代谢过程而降解的过程，或污染物在植物产生的化合物的作用下在植物体外降解的过程。其主要机理是植物吸收和代谢。

植物降解的主要对象是有机污染物，例如：含氯溶剂（TCE），除草剂（阿特拉津、苯达松）、杀虫剂（有机磷农药）、炸药（TNT）等。

④植物稳定化作用（phytostabilization）

通过根系的吸收和富集、根际表面的吸附或植物根圈的沉淀作用而产生的稳定化作用；或利用植物或植物根系保护污染物，使其不因风、侵蚀、淋溶以及土壤分散而迁移的稳定化作用。

植物稳定化作用通过根际微生物活动、根际化学反应或土壤性质或污染物性质的化学变化而作用。

植物稳定化技术处理对象是重金属物质，如As、Cr、Cd、Cu、Pb、Zn、Hg等。

⑤植物挥发作用（phytovolatilization）

污染物被植物吸收后，在植物体内代谢和运转，然后以污染物或改变了得污染物形态向大气释放的过程。植物挥发作用对某些金属污染的土壤有潜在的修复效果。目前研究最多的是汞和硒的植物挥发作用。（

目前已经发现可以产生植物挥发的植物有：杨树（含氯溶剂）、紫云英（TCE）、黑刺槐（TCE）印度芥（Se）、芥属杂草（Hg）。（下点对应植物的图片）

该方法使用范围小，并有一定的二次污染风险，应用受一定限制。

（4）生物修复技术

①泥浆相生物反应器（slurry phase bioreactor）

溶解在水相中的有机污染物容易被微生物利用，而吸附在固体颗粒表面的有机污染物不容易被利用，因此将污染土壤制成浆状更有利于污染物的生物降解。泥浆相处理在泥浆反应器中进行。挖出的土壤加水制成泥浆，然后与降解微生物和营养物质在反应器中混合，添加适当的表面活性剂或分散剂可以促进吸附的有机污染物的解离，从而促进降解速度。处理后的泥浆被脱水，脱出的水要进一步处理以除去其中的污染物，然后可以被循环使用。

实例：

1992到1993年之间，美国的德克萨斯州曾采用该技术处理了一处被多环芳烃、多氯联苯、苯和氯乙烯污染的土壤。共处理大约30万t土壤和污泥，每吨土壤的处理费用大约是60

英镑。处理系统包括：通气系统、液态氧供应系统、化学物质供应系统、清淤及混合设备及生物反应器，经过十一个月的处理之后，苯浓度从608mg/kg降低到6mg/kg，氯乙烯从314m/kg 降低到16mg/kg。

②生物堆制法（biopiles）

③土地耕作法（land farming）

④翻动条垛法（Windrow turning）

属于异位生物处理过程。将污染土壤与膨松剂混合以改善结构和通气状况，堆成条垛。垛高1~2m，条垛地面要铺设防渗底垫以纺织渗漏液对土壤的污染。通常往土垛中添加一些物质如木片、树皮或堆肥，以改善垛内的排水和空隙状况。用机械进行翻堆，翻堆可以促进均匀性，为微生物活动提供新鲜表面，促进排水，改善通气状况，从而促进生物降解。

处理对象：挥发性、半挥发性、卤化和非卤化有机污染物、多环芳烃等污染土壤。

实例：

美国的俄勒冈州曾利用此法处理了被炸药（包括TNT）污染的土壤，土壤的质地从细砂土到壤质砂土。挖出的土壤先被过筛，然后与添加物混合。混合物种污染土壤占30%，牛粪占21%、紫云英占18%、锯屑占18%、马铃薯占10%、鸡粪占3%。每周翻堆3~7次，水分含量在30~40%之间，pH在5~9。40d以后，TNT浓度从原来的1600mg/kg降低至4mg/kg。同时比较了通气垛和非通气垛的处理效果，尽管通气垛温度较高，但非通气垛对污染物的去除效果却比较好。

⑤生物通气法（bioventing）

⑥生物注气法（biosparging）

四、总结

污染土壤修复技术选择的原则

（1）耕地资源保护原则

中国地少人多，耕地资源短缺，保护优先的耕地资源是头等大事。在进行修复技术的选择时，应尽可能地选用对土壤肥力负面影响小的技术，如植物修复技术、生物修复技术、有机-中性修复技术等。有些技术处理后土壤完全丧失生产力，如玻璃化技术、热处理技术、固化技术等，只能在污染严重、迫不得已的情况下采用。

（2）可行性原则

①经济方面的可行性

成本不能太高，在我国农村现阶段能够承受、可以推广。

②效应方面的可行性

修复后能达到预期目标，见效快。需要很长周期的修复技术，必须在土地能够长时间闲置的情况下实施。

（3）因地制宜原则

不能简单照搬国外的或者国内不同条件下同类污染处理的方式，在确定修复方案之前，必须对污染土壤做详细的调查研究，明确污染物的种类、污染程度、污染范围、土壤性质、地下水位、气候条件等。