陈菲菲，丁佳锋，钟宇驰，王宇峰，刘建磊，刘 磊，张杭君＊

（1.杭州师范大学，浙江 杭州 310018；2.浙江卓锦环保科技股份有限公司，浙江 杭州 310000；3.浙江桃花源环保科技有限公司，浙江 杭州 310000）

土壤重金属污染是由于人类活动将重金属带到土壤中，造成现存或潜在土壤质量退化、生态与环境持续恶化的现象，重金属含量超过土壤自净能力，造成土壤污染，尤其是重金属离子。有研究显示我国受重金属污染的土壤面积，占全国耕地总面积的1/6[1]。我国重度、中度、轻度及轻微污染点位比例分别为1.1%、1.5%、2.3%及11.2%，总超标率为16.1%，主要污染物为镉、镍、铜、砷、汞、铅[2]。重金属离子具有三个特点：一是化学性质稳定，本身不能自行分解，不易被微生物降解，可长期在土壤中累积；二是具有较强的生理毒性和生物富集性，能通过食物链进入到人体内，在人体内不断积累和放大，导致人体中毒，进而威胁人类的健康；三是重金属污染还会导致土壤肥力退化、作物产量降低和作物品质下降，影响经济可持续发展。

近年来，土壤中重金属进行阻控处理受到越来越多的重视。传统的土壤修复措施只是针对金属矿、尾矿、废弃矿坑等重金属污染较为严重区域，而受实施环境、土壤性质、经济成本等条件的制约，实行的土壤修复措施极容易造成二次污染，采用阻控技术去除土壤中的重金属离子，不仅能降低成本，利用现有绿色资源，为资源综合利用提供新途径。

1 我国工业固体废弃物产生现状

依据国家相关数据统计分析得出，2010年我国因工业生产产生固体废弃物已达到20亿吨左右，预计在未来十年内我国的工业废弃物将达到30亿吨以上，下图是我国工业废弃物的产生量及综合利用趋势图。从统计资料来看工业固体废弃物的组成相对稳定其中以采矿、尾矿、燃料燃烧产生的工业废弃物最多，包括炉渣、赤泥等占总量的百分之八十左右。这与我国的矿物资源主要自我供给、开采量、金属冶炼量大有着密切关系。

图1 工业废弃物产生量及综合利用情况

目前我国已成为世界上固体废弃物产出量最多的国家之一。大部分废弃物被直接丢弃或者排放到环境中，导致大量废弃物堆积，造成了可利用资源的浪费，对生态环境造成了极大的影响[3]。利用其开发新型的生物材料、生化产品及替代石化产品和紧缺资源替代物的研究日益受到重视，不同的废弃物资源具有不同的可能利用率。

2 土壤重金属研究现状

土壤中的重金属主要有工业、农业以及城市污染源，来源途径多样。其中污水灌溉、工业排污、有机磷肥、氮肥及农药的不合理使用、汽车尾气和城市生活垃圾泛滥等对土壤的影响较大。重金属是土壤中最为常见的污染物，重金属离子会通过食物链进入动物体内和人体内，从而对动物和人类健康造成威胁。当重金属浓度超过一定程度时，会对植物生长产生抑制作用、损坏生物细胞膜、改变生物酶活性、影响细胞内正常的生理功能、并破坏生物体的DNA结构[4]。因此，对农田土壤重金属污染现状及其修复技术进行深入研究具有重大意义。

根据2014年国家环保部公布数据，在实际调查的630万km2土壤中，污染类型以重金属污染为主，重金属污染物超标点位数占全部超标点位数的82.8%，其中镉（Cd）、镍(Ni)、砷(As)、铅（Pb）、汞（Hg）、铜(Cu)、铬(Cr)、锌(Zn)等无机污染物点位超标率分别为7.0%、4.8%、2.7%、1.5%、1.6%、2.1%、1.1%、0.9%[5]。有机物污染次之，复合型污染比重较小。我国大部分农田土壤都受到不同程度的重金属污染。

土壤修复技术主要分为3种类型：物理修复、化学修复和生物修复[6]。其中物理方法主要包括物理分离法、新土置换法、固化稳定法、蒸气抽提、空气喷射、热解吸以及电动力法等；化学方法主要包括溶剂萃取法、化学淋洗、氧化法、还原法以及钝化技术等；生物修复方法可分为微生物修复、植物修复与动物修复。表1分析比较了不同重金属修复技术的优缺点。

表1 重金属修复技术对比

3 不同阻控技术在土壤重金属修复中的应用

土壤修复是指将土壤中存在的污染物进行转化、转移、吸收或降解，从而达到恢复土壤正常功能、消除土壤毒害、使环境风险可控。

目前土壤改良修复技术常针对某单一土壤污染重金属，对于土壤中存在的多种重金属形成的复合污染修复有一定的局限性。本文着重讲以固体废弃物为原料，对土壤中重金属的进行阻控的研究。

3.1 生物炭法

利用废弃物修复重金属土壤的研究有许多，目前研究较多的是以固体废弃物为原材料，高温热解将其制备成生物炭，对土壤进行治理。

生物炭因其特有的发达的孔隙结构及表面官能团，对重金属有较强的吸附力且稳定性高，可将有毒重金属固定在生物炭内部，改变土壤中重金属的形态，使有效态含量减少、钝化土壤，在治理重金属污染土壤方面具有巨大潜力。有研究发现，生物炭改良样品还可降低植物对镍、锌、镉和铅的利用率。

畜禽粪便和固体废弃物是可用于生产生物炭的两大类生物质原料。有学者利用山核桃木和稻壳制备了生物炭，发现其对Pb和Cd具有良好吸附效果。随着棉纤维生物炭的施用量的增加，水稻各部位Cd含量及累积量都呈现下降趋势。添加生物炭不仅可以提高土壤中反硝化细菌丰度，还可显著提高土壤中氨氧化菌丰度。以小麦-玉米轮作试验为研究对象，发现生物炭可显著提高土壤脲酶、过氧化氢酶活性，可提高土壤微生物量碳氮含量，并显著增加了土壤三大类微生物类群的数量。

生物炭对污染土壤中重金属的迁移行为还具有较好的阻控作用，可明显降低污染土壤和水体中重金属的迁移性和毒性。使用由水稻秸秆制备的生物炭对Pb进行吸附的量，是使用原秸秆生物炭对Pb进行吸附的量的5倍～6倍。周建斌采用盆栽方法发现以微孔为主的棉秆炭不仅能够降低土壤中Cd的生物有效性，还可降低蔬菜中Cd的含量，提高蔬菜的安全性。生物炭对重金属迁移行为的阻控机制复杂，包括：物理吸附作用、络合化学沉淀和离子交换[7]。生物炭对重金属阻控机制复杂，应继续深入分析及探讨，以形成系统理论指导实践。

3.2 生物修复

生物修复是指利用植物或微生物的生命代谢活动，进行提取或富集土壤中的重金属，降低其在土壤中生物可利用性，包括植物修复（植物稳定、挥发和提取）、微生物修复和动物修复[8]。

生物修复技术与物理和化学修复技术相比，操作简便、处理效果好、不会造成二次污染、成本低，且对土壤环境的扰动小，在低浓度重金属离子的处理方面具有独特优势。研究发现对重金属污染的土壤进行投加植物、根系微生物、橄榄废物堆肥，进行共同修复具有可行性，可以提高植物耐性，且有利于绿色生产。

3.3 固体废弃物直接用作金属离子吸附剂

人们生产生活产生的废弃物主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，孔隙度高，比表面积大，可与金属离子发生物理吸附，能提供羟基、羧基等活性基团与重金属结合，另外有些农林废弃物还含有具有金属离子结合能力的活性物质，可作为重金属离子的高效吸附剂。

农业生产中的直接产物包括堆肥、稻草以及畜禽粪便可直接施用于重金属污染土壤。这些直接产物可提高土壤pH，促进土壤中Cd、Zn、Cu、Pb等重金属形成碳酸盐、氢氧化物或者磷酸盐沉淀，抑制土壤中的重金属迁移能力。张亚丽等[9]发现添加来了猪粪的污染土壤中的有效态Cd降幅为15%，抑制效果最明显，麦秆和稻草约5%。在土壤中施加紫云英后，可显著降低土壤有效铜和镉的含量，同时降低稻草和谷粒中铜和镉的含量，向土壤中施加猪粪后也有相同的结果。

3.4 化学钝化修复

土壤重金属化学钝化修复技术指在土壤中添加钝化剂，通过氧化还原、沉淀、络合、离子交换和吸附等反应，来钝化土壤中的重金属，降低重金属迁移和生物有效性，使重金属由活性向稳定化形态转化，进而减少生物受体的毒性，修复重金属污染土壤的方法。化学钝化修复具有效率高、成本低、修复速度快、操作简单等优点，对于中低度污染土壤的修复有较好的应用前景。常用的钝化剂包括水泥、石灰性物质、炭材料、粘土矿物、火山灰、含磷材料、有机肥和农业废弃物等，其中有机物料不仅可以改良土壤，提供植物养分，还是土壤重金属吸附剂、络合剂。

目前常用的有机钝化剂主要包括畜禽粪便、有机堆肥、植物秸秆和城市污泥等。当香菇根或皂素废渣的添加浓度为30.0 g/kg时，对铅的阻控率可分别达到49%、19%，当皂素废渣的添加浓度为10.0 g/kg时，对Cd的阻控率可达到9%，这表明香菇根和皂素废渣对土壤中铅和镉的污染有一定的钝化阻控作用[10]。在污染土壤中加入农林废弃物会使土壤中的可交换态吸附钝化，并促进其向铁锰氧化态转化。将稻秆和稻壳生物炭施入土壤，短期内可以有效钝化重金属[11]。

4 展望

我国土壤重金属污染问题越来越严重，重金属污染问题备受重视，相比于传统的修复方法，以固体废弃物为原料，对土壤中重金属进行阻控处理，既可改善废物管理、减少污染与浪费、实现固体废弃物的资源化利用，同时又能够实现对土壤的有效治理，具有良好的社会、生态、经济效益和广阔的应用前景，因此未来应更加注重固体废弃物对土壤中重金属的阻控效应研究，可以从以下三方面进行深入研究。

4.1 加强固体废弃物对土壤重金属阻控机理研究

虽然目前已有许多针对固体废弃物阻控土壤中的重金属的研究，但是其机理并未十分明确，只有具备完备的基础理论知识，才能更好地利用废弃物对土壤重金属存在的相关问题进行处理，例如固体废弃物的使用与土壤重金属形态及其相互转化机理等，因此还应继续对其机理进行深入研究。

4.2 多种重金属污染物修复技术联合应用

我国土壤污染状况复杂，大部分土壤属于轻、中度污染农田，单一修复技术往往很难达到修复目标。使用固体废弃物可以提高土壤修复的效果，因此未来应加强对固体废弃物的研究，将其与其他修复技术联合应用，对土壤重金属污染修复进行更全面、更深入的探究，将固体废弃物与其他修复技术进行结合，弥补不足，发挥各修复技术优势，增加修复的经济效益。

4.3 发展固体废弃物资源化利用途径

目前，我国在固体废弃物的利用上还不足。未来还应继续发展固体废弃物发电、液化燃料等技术，研究出低成本的利用技术和应用设备，将实验室研究转向实地研究，将理论与实践结合起来，大力推广高效、低成本、清洁等固体废弃物再利用技术，为国际环保事业做出贡献。