城市土壤的重金屬污染及生物治理
隨著城市化在全球范圍內的飛速發展,以及城市人口的不斷增長,客觀上需要增加對城市生態環境的了解,以及研究城市生態環境與人類健康之間的相互關系。城市土壤是城市生態環境的重要組成部分,對城市的可持續發展有著重要意義。在城市環境中,各種各樣的人類活動,將大量的重金屬帶入城市土壤中, 造成這些元素在土壤中的積累,并通過大氣、水體或食物鏈而直接或間接地威脅著人類的健康甚至生命。因此,研究城市土壤的重金屬污染的來源、含量分布、化學形態、積累的生物效應及其污染的修復具有重要的意義。
1 現狀與來源
1. 1 現狀
20 世紀90 年代初期對上海市蔬菜及菜區土壤的研究結果表明,上海市蔬菜受到重金屬污染,尤以Cd 和Pb 污染為甚,超標率分別為13. 29 %和12. 0 %。上海市寶山區菜區土壤受到不同程度的重金屬污染, Cd 和Hg 為主要污染元素。戴軍等1995 年報道,廣州市約有9. 5 %的菜區土壤受重金屬污染,其中Cd、Pb 和As 的含量分別為廣東省土壤背景值的2. 77 、2. 97 和1. 40 倍。80 年代末期,周藝敏等的調查結果表明, 天津市菜地土壤的8 種重金屬元素(Cu 、Zn 、Pb 、Cr 、 Ni 、Cd 、Hg、As) 含量均高于本市農業土壤背景值的1 倍以上,尤以Cd 和Hg 最為嚴重,分別為背景值的5 倍和60 倍。90 年代中期的調查結果表明,沈陽市蔬菜也受到程度不同的重金屬污染,超標率較大的元素是Pb 和Hg ,其次是Zn 和Cd ; 蔬菜綜合超標率為 36. 1 % ,污染面積為3 600 hm2 。而沈陽市菜地土壤重金屬含量與其土壤背景值相比,Cd、Pb 、Zn 的平均值分別為背景值的7. 06 、3. 96 和3. 187 倍,表明了沈陽市菜地土壤已受到多種重金屬的復合污染。最近,馬往校等對西安市郊區蔬菜的可食部分中重金屬元素監測的結果表明, Pb 是西安市郊區蔬菜的主要污染元素, 超標率為48. 0 % ,最高超標6. 91 倍;Cr 和Cd 的污染僅表現在個別蔬菜中,超標率分別為4. 0 %和210 % , 最高超標分別為5. 20 倍和1. 32 倍。
1. 2 城市土壤重金屬污染的來源
土壤中重金屬污染物來源途徑有很多,也很廣,也很復雜。首先是母質本身含有重金屬,不同的母質在成土的過程中所形成的土壤含有的重金屬差異也很大。在城市土壤重金屬來源研究方面,認識到城市土壤中的重金屬一部分來源于成土母質,另一部分則為外源人為輸入。成土母質是城市土壤中重金屬含量的重要來源,是決定城市土壤中重金屬元素含量與分布特征的重要因素之一。例如,在北京市,目前土壤中 Cr 、Ni 的含量就主要受成土母質的影響,只是個別地區存在明顯的Cr 、Ni 含量嚴重偏高的現象。城市交通運輸則是城市土壤重金屬污染的另一個重要來源,汽車尾氣排放、輪胎添加劑中的重金屬元素均可影響到土壤中Pb 、Zn 、Cu 的含量,且這些元素的積累量都與交通流量有關。另外城市生活垃圾與工業廢棄物的堆放及填埋對其附近城市土壤中重金屬的含量與形態特征有著明顯的影響,其附近土壤中重金屬元素的含量與形態分布特征與垃圾中的重金屬含量及其有效態含量呈明顯的正相關。在不同工礦企業周圍,土壤重金屬含量還表現出明顯的特異性,如Zn 礦冶煉廠廢棄物的排放即可導致其周邊城市土壤Zn 含量特異。同時公園與花園綠化過程中污水、污泥堆肥的廣泛使用也明顯影響到城市土壤中的重金屬組成與含量。
人類工農業的生產活動造成對土壤的污染。歸納起來其來源有: ①工業污染源。主要是基礎工業特別是采礦和冶煉業是向環境中釋放重金屬的主要污染源。②生活污染源。生活垃圾中含有的重金屬能滲到土壤中;生活廢水中的有機物可以吸收重金屬,用這些水灌溉也可污染土壤。③農業污染源。主要是農藥、化肥等農資和不恰當的灌溉會造成土壤污染。④交通污染源。機車的燃料中所含的重金屬如對土壤的污染。⑤自然污染源。土壤母質土中的重金屬本身含量高,還有火山噴發造成的土壤污染。
1. 3 土壤重金屬污染的特征
重金屬在土壤中不易隨水淋溶,不易被生物降解, 具有明顯的生物富集作用,其主要是影響農作物的產量和質量來體現其危害的,因此土壤污染有較長的潛伏期。其具體特點為: ①隱蔽性; ②不可逆性; ③普遍性; ④表聚性。
2 重金屬污染治理的途徑
2. 1 物理工程措施
物理工程措施是利用物理(機械) 、物理化學原理治理重污染土壤且工程量比較大的一類方法。該類技術是利用重金屬主要污染土壤表層的特性。將表層被污染土壤去掉后,耕作活化下層土壤或覆蓋末被污染活性土壤的方法。該類方法是目前較徹底地清除污染土壤的重金屬的切實可靠的方法。將被污染表土去除后、原地土壤污染源的控制和土壤活化是非常重要的。并且被證明在土壤科學及環境科學上己有切實可行的辦法。
主要的方法有: ①客土、翻土、換土及去表土法; ② 電化學法; ③淋洗法; ④熱處理法; ⑤固化法; ⑥玻璃化法。
物理土程措施治理效果最為顯著、穩定,是一種治本措施,而且適應性廣,但投資大,存在二次污染及肥力降低問題,適于小面積的重度污染,積極引進、吸收、轉化新技術,新材料,在保證治理效果的基礎上,降低治理成本,提高工程實用性,有著重要的實際意義。
2. 2 農業措施
2. 2. 1 生物修復措施。生物修復是指利用生物的生命代謝活動減少土壤中有毒有害物的濃度或使其完全無害化,從而使污染了的土壤環境能夠部分地或完全恢復到原始狀態的過程。相同的表達有生物再生、生物恢復、生物清除或生物凈化。治理措施主要包括植物修復措施和微生物修復措施,因其具有效果好、投資省、費用低、易管理與操作、不產生二次污染等優點,日益受到人們的重視,成為污染土壤修復研究的熱點。
2. 2. 1. 1 利用某些特殊植物修復措施。植物修復措施是以植物忍耐和超量積累某種或某些化學元素理論為基礎,利用植物及其共存微生物體系清除環境中的污染物的一門環境治理技術,它是一門新興起的環境應用技術。該措施主要包括三方面: (1) 植物萃取:利用金屬積累植物或超積累植物將土壤中的金屬萃取出來,富集并按時運到植物根部可收割部分和植物地上的枝條部位。(2) 根際過濾:利用超積累植物或耐重金屬植物從污水中吸收、沉淀和富集有毒金屬。(3) 植物固化:利用耐重金屬植物或超積累植物降低重金屬的活性,從而減少重金屬被浸淋到地下水或通過空氣載體擴散進一步污染環境的可能性。
由此可見,植物治理措施的關鍵是找合適的超積累或耐重金屬植物。但植物修復措施也有局限性。如超積累植物通常生物量低,生長緩慢,對金屬有選擇性,不適合多種金屬復合污染的土壤。
2. 2. 1. 2 利用微生物修復措施。微生物治理是利用土壤中的某些微生物對重金屬具有吸收、沉淀、氧化和還原等作用,從而降低土壤中重金屬的毒性,有些微生物具有嗜重金屬性,利用微生物對重金屬污染區進行凈化,在水體污染處理中證明是一種很好方法。如果用于土壤環境的處理,可能會是一種行之有效的方法, 目前這方面己進行了積極研究。據報道,日本發現一種嗜重金屬菌,能有效地吸收土壤中的重金屬,但存在土壤與細菌分離這個比較棘手的問題。如果得到妥善的解決,將是一種有很大發展前景的處理方法。
2. 2. 2 利用某些低等動物修復措施。土壤中的某些低等動物(如蚯蚓和鼠類) 能吸收土壤中的重金屬,因而能一定程度地降低污染土壤中重金屬的含量。K. Czamowaka 等人對華沙交通要道附近3 個草坪采集土壤和蚯蚓進行測定,土壤中Cu 、Pb 、Zn 、Cd 的含量分別為26～53 、170～180 、170～250 和0. 62～1. 1 mg/ kg , 而相應的富集系數為0. 56 、0. 36 、7. 3 和17. 1 ,可見,蚯蚓對鋅和鎘有良好的富集作用,楊居榮等用威廉環毛蚯蚓進行試驗,發現向土壤投加Hg10mg/ kg 蟲融引能存活;投加As100～300mg/ kg 及同時投Cd 、Cu 、Pb 各10 、300 和300mg/ kg 沙氏蚯蚓己不能成活。蚯蚓對重金屬的富集系數以砷為最大,其次為Cd 、Hg、Cu 。由此可見,在重金屬污染的土壤中放養蚯蚓,待其富集重金屬后,采用電激、清水等方法驅出并集中處理,對重金屬污染土壤也有一定的治理效果。
生物措施的優點是實施較簡便、投資較少和對環境擾動少,缺點是治理效率低(如超積累植物通常都矮小、生物量低、生長緩慢且周期長) ,不能治理重污染土壤(因高耐重金屬植物不易尋找) 和被植物攝取的重金屬因大多集中在根部而易重返土壤等,生物措施對重金屬進行治理是當前環境科學研究的重要領域之上, 生物修復作為一種治理效率高,治理費用低和現場可操作性強的方法,可廣泛應用于礦山復墾,改良重金屬污染的土壤、凈化土礦廢水,適合在發展中國家采用。但該措施仍有不少問題。在“誰污染誰付費”的環保政策監督下將具有很大的市場潛力。大范圍推廣使用該項技術還有相當多的問題有待解決。還需要從植物學、微生物學、生態學、環境化學、遺傳學、土壤學、找礦學、基因工程技術等多學科入手,作好以下基礎工作: 對重金屬具有較強解毒、吸附能力的生物的分離與培育技術;超量積累和耐性植物資源的篩選;植物吸收、富集和穩定化重金屬的機制研究等問題的研究。
綜上所述,重金屬污染土壤治理技術的研究和應用雖有一定的發展,仍尚處在試驗開發階段。方法也很多,生物修復措施應該說隨著研究的不斷深入具有很好的發展前景,并且己成為當今世界各國有關學者一研究的熱點之一。但重點應放在選育對重金屬吸附能力強日_易生長的動植物品種上;農業措施治理效果比較差些,與生物、工程措施配合使用效果會更好;工程措施效果顯著、穩定,但應積極引進、吸收和轉化新技術、新材料,以提高該技術的工程實用性。同時由于各種方法的作用和適用范圍各不相同,但又互相聯系, 互相補充,應因地制宜,綜合應用,怎樣研制一種投資小、周期短、見效快、穩定性強、副作用小、治理徹底和適用性廣的土壤污染治理方法,是當前環境土作者的迫切任務,在選擇修復技術時,應根據污染物的性質 (如種類、形態、濃度等) 、土壤條件(如p H ,滲透性、地下水位等) 、污染的程度、預期的修復目標、時間限制、成本、修復技術的適用范圍等因素加以綜合考慮,選擇合適的修復技術或其組合,在實際應用中兩個甚至兩個以上修復技術的組合可以取長補短,達到高效、低耗的雙重效果。
參考文獻
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