更多内容请点击

物化法修复土壤重金属污染研究进展

罗军 ,  周春火 ,  何绍浪

现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (11) : 37 -41.

PDF (1299KB)
现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (11) : 37-41. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.11.008
技术进展

物化法修复土壤重金属污染研究进展

作者信息 +

Research progress on using physicochemical methods in remediating heavy metals-polluted soil

Author information +
文章历史 +
PDF (1329K)

摘要

介绍了客土换土、热处理、电动修复、化学淋洗和稳定固化等方法修复土壤重金属污染的研究现状,阐述了其技术机理。同时指出了目前物化修复技术的优势与不足及其适用范围,并展望了未来研究方向,以期为土壤污染物修复技术发展提供借鉴参考。

Abstract

This account presents the current research status of the methods,such as soil replacement,thermal treatment,electrokinetic remediation,chemical leaching,and stabilization-solidification,for remediating the soil polluted by heavy metals,and elaborates their technical mechanism.Meanwhile,it describes the advantages and disadvantages of current physicochemical remediation technologies along with their applicable scopes,and looks forward to the research directions in the future with the aim of providing reference for the development of soil pollutant remediation technologies.

关键词

土壤 / 机理 / 重金属 / 物化法

Key words

soil / mechanism / heavy metal / physicochemical method

引用本文

引用格式 ▾
罗军,周春火,何绍浪. 物化法修复土壤重金属污染研究进展[J]. , 2025, 45(11): 37-41 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.11.008

登录浏览全文

4963

注册一个新账户 忘记密码

随着工农业的快速发展和城市化进程的不断加快,大量污染废弃物不合理排放引发严重污染问题,致使人类可持续发展面临严峻挑战。通过废水、废气、废渣等形式进入土壤中累积所造成的重金属污染是土壤污染的主要类型之一。据有关资料显示,2014年全国土壤污染总的超标率为16.1%,其中重金属镉以7.0%的点位超标率位居无机污染物首位[1]。土壤重金属污染不仅破坏农田的生态环境,影响农作物产量和品质,而且沿着食物链累积产生毒性效应,对人体健康构成直接威胁。因此,如何防治土壤重金属污染多年来都是科研工作者的研究热点。
目前,土壤重金属污染修复技术有3大方向:一是降低土壤中重金属总含量,二是减少有效态含量,三是控制重金属进入食物链传递。由这3大修复路径所衍生的主要技术措施包括物化稳定、植物吸收、微生物修复、水分调控、选育良种、联合利用等。其中物化法主要包括客土换土、热处理、化学淋洗、稳定固化和电动修复等,因具有效果显著、技术可靠、成本较低等优势,已广泛用于各类重金属污染场地的处理。本文中综述了当前物化法修复重金属污染土壤的应用现状,阐述了其作用机理及修复过程中存在的不足,并对未来研究方向进行了展望,以期为土壤重金属污染物化修复技术发展提供借鉴参考。

1 客土换土法

客土换土技术是在污染土壤表面覆盖无污染土或者将污染土壤全部或部分置换为清洁土壤以稀释土壤中的镉浓度,达到减少镉对植物和生态系统危害的目的。该方法具有技术难度低、修复效果显著、适应范围广的优点,在我国、日本和其他国际地区均有实践案例。截至2012年,日本神通川流域通过对863 hm2受污染稻田进行换土,将镉土埋到25 cm深的地下,成功将稻米镉含量控制在0.08~0.09 mg/kg,低于0.2 mg/kg的安全标准,效果显著。客土换土前要对污染农田做好详细的调查和评估以进行科学的方案设计与施工,同时对修复后的农田做好定期监测与管理,确保土壤中镉的含量不再超标。
该技术的缺陷是工程量大,投资费用高,不同土壤间理化性质差异大导致土壤肥力下降等问题。据报道,日本客土换土工程历时33 a,耗资407亿日元(折合人民币200余万元/hm2),仅运土就需大卡车10万次。湖南某矿山地区将污染土壤表层(20~30 cm)与客土按照1∶1的比例进行混合,其中运土成本就超过10万元/hm2。另外,被移除的污染土壤容易引起二次污染,致使客土换土法难以在大面积治理上推广应用。

2 热处理法

热处理修复技术是利用高温使土壤中的重金属污染物达到沸点并挥发,或使其由不稳定的可利用态转变为稳定的残渣态,从而达到去除或者钝化土壤中重金属的目的。根据作用机理和反应温度的不同可以分为蒸气提取、热脱附、熔融、焚烧、红外辐射等技术措施。各技术具体工作原理、处理温度、优缺点详见表1。
热提、热解吸是通过直接或者间接加热的方式使土壤中的重金属达到沸点而挥发出去,一般适用于沸点较低的重金属,如Hg、As、Pb等[2]。Wang等[3]发现土壤温度升高到700℃时,Zn和Cu的残留浓度会下降。但温度过高不仅会造成大量能量损失,而且会破坏土壤中营养物质和微生物结构,引起土壤肥力下降,因此作用温度一般在90~700℃。Ma等[4]研究发现,在热处理前向土壤中添加柠檬酸(CA),在400℃下处理60 min,可将土壤中的汞浓度从134 mg/kg降低到1.1 mg/kg,并且还将能量损失降低了35%,成功避免了高温带来的不利影响,原因可能是由于有机酸与Hg发生了氧化还原反应降低了沸点。
焚烧和熔融是利用高温条件改变土壤的理化性质,降低重金属迁移和利用性的方法,优点是时间短、效率高,缺点是处理温度过高,特别是玻璃化方法温度可以达到1 000~2 000℃,导致运行成本相对较高且不利于土壤生态功能的恢复[6]。
与其他工艺相比,热处理法具有安全、二次污染少、见效快等优点,综合考量处理效果和经济成本等因素,目前热解吸在实际应用中最为常见。

3 化学淋洗法

化学淋洗主要是利用无机或有机淋洗剂与镉发生化学反应,将镉从土壤中转移到溶液中,然后通过淋洗液的冲刷作用将镉去除的过程,反应机理主要包括络合、酸溶、离子交换、解吸、配位等。常见的几种淋洗剂如表2所示。化学淋洗效果受多种因素影响,包括土壤质地、pH、有机质含量、重金属形态、淋洗剂种类、淋洗浓度、淋洗时间、固液比等。无机淋洗剂以氯化钙(MgCl2)、氯化铁(FeCl3)、HNO3等较为常见。通常情况下,土壤pH越低,淋溶效果越好,原因是大多数重金属在低pH条件下以离子形式存在。马强等[7]用FeCl3、Fe(NO3)3、KCl、KNO3和HCl 5种溶液淋溶土壤Cd,结果发现FeCl3去除效果最好,去除率达到53.37%,这主要是由于FeCl3较低的pH引起的酸溶以及Fe3+的交换和Cl-的络和综合作用的结果。无机酸HCl的去除效果虽然较好,但实际应用中并不多,主要原因是会对土壤结构造成破坏,引起土壤肥力下降。
有机淋洗剂以乙二胺四乙酸(EDTA)为代表的人工螯合剂和以柠檬酸、草酸为代表的天然螯合剂在络和重金属方面使用较多。朱衍皇等[10]考察乙二胺四乙酸(EDTA)对复合污染土壤中重金属的去除能力,在一定条件下重金属Cd、Cu、Pb和Zn的去除率分别达到79.07%、59.80%、82.36%和46.37%,且显著增加了有机态和残渣态金属比例。但EDTA不易被生物降解而造成二次污染,限制了其推广应用。将EDTA与有机酸复配可提高重金属去除效果,Cheng等[12]发现当固液比为1∶10,初始pH 3.0,淋洗时间为6 h时,0.05 mol/L EDTA和0.2 mol/L酒石酸对Cu、Ni、Zn的去除率分别达到85.0%、78.9%、81.1%。天然有机酸有羧基、羟基、酚羟基等多种官能团,可以与重金属发生络合反应,最关键的是易生物降解,对环境危害较小,因而受到关注[11]。
表面活性剂具有润湿、增溶、分散、洗涤等特性,在修复土壤重金属污染上优势明显,近年来成为新兴研究方向。常用的表面活性剂有化学表面活性剂和生物表面活性剂。Grzywaczyk等[13]发现生物表面活性剂皂甙对Zn和Cu的去除率分别可达到86%和70%,鼠李糖脂在淋溶土中Zn去除率也可达到60%。徐小逊等[14]从驳骨丹、茵陈蒿、假酸浆和紫茎泽兰4种植物材料中提取淋洗剂去除土壤重金属Pb和Cd,发现增加淋洗剂浓度和延长作用时间可提高去除效果,而升高pH会增加土壤负电荷,抑制螯合物生成,从而减少重金属的迁移去除。生物表面活性剂具有绿色、高生物降解、低毒等特性,是一种理想的天然淋洗剂,相较于化学表面活性剂二次污染风险低,今后可开展进一步研究以提升提取效果和环境友好性。

4 稳定固化修复技术

稳定固化修复技术是在土壤中加入稳定固化材料,通过调节和改变土壤理化性质及其沉淀作用、吸附作用、配位作用、有机络合和氧化还原等改变土壤中重金属形态,降低迁移性和生物有效性,达到土壤重金属稳定固化的目的。土壤稳定是指将活性态重金属钝化,转化为难溶或低毒态,以降低生态毒性与环境危害。土壤固化是指将重金属等污染物封存或吸附于材料中,抑制其流动与扩散。土壤稳定和固化之间紧密联系和相互补充,共同提高土壤修复效果和安全性。稳定固化材料如表3所示,按化学成分可分为有机钝化剂、无机钝化剂、新型纳米材料和复配钝化剂等。在我国南方地区石灰是改良酸性土壤和稳定固化重金属最常用的材料,对Cu、Cd、Pb和Zn等重金属均具有良好的稳定能力。张新帅等[15]则发现石灰还具有提高酸性磷酸酶等土壤酶活性,优化土壤微生物群落,提升土壤肥力的功能。这可能是石灰中和了pH和改善了土壤结构,有利于微生物的生存和活动。近年来,羟基磷灰石及其改性材料因性能显著得到广泛开发应用。来源广泛、易得、具有丰富孔隙结构和大量官能团的生物炭在研究中使用较多,受制于较高的制备和施用成本以及修复效果不稳定,生物炭在土壤重金属污染修复中并未广泛应用。目前,改性生物炭的研究方兴未艾,Yang等[16]利用FeCl3·6H2O和KMnO4制得改性铁锰改性生物炭(FMBC),与未改性相比,有效态Cd、Pb含量显著下降。离子印迹聚合物是一种新型的功能分子材料,是以目标离子为模板离子,通过配位和离子键等作用与功能单体结合形成的螯合物,因具有许多特定形状和大小孔,能够选择性地吸附与模板离子相同或相似的离子,在修复土壤重金属方面具有良好的应用前景。此外,优化复配不同固化稳定化材料以实现功能互补,是提升土壤重金属修复降本增效的重要路径。王科积等[17]发现生物炭、粉煤灰、汉白玉3种钝化材料不同复配对土壤Cd生物有效性均有明显的抑制作用,其中添加1.0%生物炭+0.5%粉煤灰+1.0%汉白玉效果最显著,小白菜Cd含量降幅达到24.39%。

5 电动修复技术

电动修复技术是一种原位修复技术,通过在污染土壤两端施加直流电场,利用电场效应驱动土壤基质内的重金属离子发生电渗透与电迁移,使其发生有效定向迁移并累积于电场的两极(常规为阴极与阳极区域)。富集后的重金属离子可以通过沉淀、抽出或离子交换等方法进一步去除,从而达到修复污染土壤的目的。电动修复机制主要包括电迁移和电渗透。肖惠萍等[24]电动修复几种不同类型的镉污染土壤,发现总Cd去除率依次为红壤>潮土>黑土>黄棕壤>水稻土,这可能是pH越低,电导率越高的缘故,这与Bahemmat等[25]以硝酸为阴极电解质提高了土壤中Co和Pb的去除率(73.84%和62.88%)结果相一致。Cai等[26]研究发现间断供电有助于强化电动解吸,与常规电动作用相比,土壤总镉和有效镉的去除率可分别提高10%和11%,这可能是因为间断供电有助于减少土壤中的极化现象。引入增溶剂如螯合剂和表面活性剂可提高电动修复效果,Wang等[27]发现生态友好型螯合剂海藻酸钠具有丰富的官能团,通过离子交换、络合等过程实现Cu2+和Zn2+总去除率分别达到95.69%和95.05%。表面活性剂鼠李糖脂可降低土壤表面张力,促进重金属离子从土壤解吸,提高迁移能力,从而助力电动修复效果提升[28]。
为弥补电动修复能耗高、修复效果不理想等不足,电动耦合其他技术联合修复成为可选选项。李敏等[29]发现植物-电动耦合技术去除土壤重金属较单一技术有较大提高,原因是电场促进了重金属向植物根系的迁移集聚和提高了植物的富集能力。此外,聚焦效应的缓解降低了能耗,节省了运行成本。马永松等[30]研究了不同电压梯度下电动-微生物法在修复石油和Ni污染土壤中的效果,结果表明,适宜的电场强度能够增强Ni的迁移能力和通过改善微生物活性来改变Ni的赋存状态,进而提高去除效率。

6 结论和展望

土壤物化修复技术有多种,但每一种技术都不能适合所有土壤类型和重金属,均存在一定的优势和不足,要根据污染条件和修复需求选择,具体可从适用范围、成本、优缺点等方面进行综合评估,以确定最优技术方案。在重金属污染土壤修复中物化技术已被证实是一种有效的方法并取得了很多不错的应用效果,尽管还存在一些局限性,可通过其他措施予以突破。为此,今后可从以下几个方面开展进一步研究,以期拓宽应用场景。
(1)加大化学淋洗剂、固化稳定化材料等新型材料的研发力度,研制出既经济高效又兼顾生态效益与安全的外源添加剂,如改性材料,生物表面活性剂等,提高综合应用成效。
(2)推动绿色修复技术的发展和应用,如可再生能源供能,修复剂重复利用,探索修复过程中产生的废弃物资源化利用途径,如作为植物肥料、土壤改良剂,实现变废为宝,既减少二次污染,又提高经济性。
(3)加强联合其他技术修复研究,如与生物修复、植物修复相结合等,通过优势互补达到降低处理成本和可持续性修复的目的。
(4)加强物化技术在土壤污染物修复领域的田间示范试验,验证有效性。建立长期监测体系,利用人工智能、大数据和模型分析新技术对修复后土壤质量进行持续跟踪,以评估修复效果的稳定性和持久性。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用
[1]

郭丹丹. 生物炭和改性生物炭对重金属Pb2+、Cd2+的吸附性能研究[D]. 西安: 西安科技大学, 2020.
[2]

Dhaliwal S S, Singh J, Taneja P K, et al. Remediation techniques for removal of heavy metals from the soil contaminated through different sources:A review[J]. Enviro-nmental Science and Pollution Research, 2020, 27(2):1319-1333.
[3]

Wang P, Hu X, He Q, et al. Using calcination remediation tostabilize heavy metals and simultaneously remove polycyclic aromatic hydrocarbons insoil[J]. International Journal of Environmental Research and Public Health, 2018, 15(8):1731.

[4]

Ma F, Peng C, Hou D, et al. Citric acid facilitated thermal treatment:An innovative method for the remediation of mercury contaminated soil[J]. Journal of Hazardous Materials, 2015, 300:546-552.

[5]

Velusamy M, Chakali B, Ganesan S, et al. Investigation on pyrolysis and incineration of chrome-tanned solid waste from tanneries foreffective treatment and disposal:An experimental study[J]. Environmental Science and Pollution Research, 2020, 27:29778-29790.

[6]

Raffa C M, Chiampo F, Shanthakumar S. Remediation of metal/metalloid-polluted soils:A short review[J]. Applied Sciences, 2021, 11(9):4134.

[7]

马强, 卫泽斌, 吴启堂. 化学淋洗联合电动技术修复重金属污染土壤的效果及其机制[J]. 环境科学, 2023, 44(3):1668-1677.
[8]

Wang Z, Wang H, Wang H, et al. Effect of soil washing on heavy metal removal and soil quality:A two-sided coin[J]. Ecotoxicology and Environmental Safety, 2020, 203:110981.

[9]

许端平, 冯肖杰, 殷宏, 等. 硫酸氢钾对土壤细颗粒中重金属淋洗去除作用[J]. 安全与环境工程, 2023, 30(3):252-259.
[10]

朱衍皇, 张冰如. EDTA淋洗复合污染土壤的研究[J/OL]. 应用化工,(2024-11-19)[2025-01-16].https://doi.org/10.16581/j.cnki.issn1671-3206.20241119.001.

[11]

徐大勇, 洪亚军, 唐海, 等. 柠檬酸和谷氨酸N,N-二乙酸优化处理污泥重金属[J]. 化工学报, 2017, 68(6):2535-2545.

[12]

Cheng S, Lin Q, Wang Y, et al. The removal of Cu,Ni,and Zn in industrial soil by washing with EDTA-organic acids[J]. Arabian Journal of Chemistry, 2020, 13(4):5160-5170.

[13]

Grzywaczyk A, Smułek W, Smułek G, et al. Application of natural surfactants for improving the leaching of zinc and copper from different soils[J]. Environmental Technology & Innovation, 2021, 24:101926.
[14]

徐小逊, 腾艺, 杨燕, 等. 4种植物水浸提液对铅镉污染土壤的淋洗效果[J]. 农业环境科学学报, 2019, 38(8):1954-1962.
[15]

张新帅, 张红宇, 黄凯, 等. 石灰与生物炭对矿山废水污染农田土壤的改良效应[J]. 农业环境科学学报, 2022, 41(3):481-491.
[16]

Yang S, Xiao Q, Li B, et al. Insights into remediation ofcadmium and lead contaminated-soil by Fe-Mn modified biochar[J]. Journal of Environmental Chemical Engineering, 2024, 12(3):112771.

[17]

王科积, 韩熙, 张锡洲, 等. 钝化材料复配对镉污染土壤中镉的固定效果[J]. 核农学报, 2020, 34(2):433-441.

[18]

Odom F, Gikunoo E, Arthur E K, et al. Stabilization of heavy metals in soil and leachate at Dompoase landfill site in Ghana[J]. Environmental Challenges, 2021, 5:100308.

[19]

张军, 陈勇, 邱诚. 镉污染农田土壤钝化效果及对土壤结构影响研究[J]. 环境保护与循环经济, 2021, 41(6):46-50,61.
[20]

毛志强, 杨在文, 孙璐, 等. 纳米羟基磷灰石修复镉锌复合污染紫色土效果初探[J]. 四川环境, 2020, 39(3):1-5.
[21]

郎乾乾, 李艳梅, 夏宇, 等. 玉米秸秆水热生物炭施用对土壤重金属Cd生物有效性和微生物群落的影响[J]. 农业环境科学学报, 2024, 43(6):1303-1311.
[22]

Tan H, Wang C, Li H, et al. Remediation of hexavalentchromium contaminated soil bynano-FeS coated humicacid complex in combination with Cr-resistant microflora[J]. Chemosphere, 2020, 242:125251.

[23]

李杰, 赵转军, 马翔邦, 等. 优化水铁矿-腐殖酸复合材料对镉、铅污染土壤的稳定化[J]. 环境化学, 2022, 41(8):1-10.
[24]

肖惠萍, 涂琴韵, 吴龙华, 等. 几种典型土壤对电动修复镉污染效果的影响[J]. 环境工程学报, 2017, 11(2):1205-1210.
[25]

Bahemmat M, Farahbakhsh M. Catholyte-conditioning enhanced electrokinetic remediation of Co and Pb polluted soil[J]. Environmental Engineering and Management Journal, 2015, 14(1):89-96.

[26]

Cai Z, Sun Y, Deng Y, et al. Enhanced electrokinetic remediation of cadmium (Cd)-contaminated soil with interval power breaking[J]. International Journal of Environmental Research, 2022, 16(3):1-9.

[27]

Wang Y, Han Z, Li A, et al. Enhanced electrokinetic remediation of heavy metals contaminated soil by biodegradable complexing agents[J]. Environmental Pollution, 2021, 283:117111.

[28]

周建, 魏利闯, 詹芳蕾, 等. 生物表面活性剂及其与柠檬酸联合用于污泥重金属电动修复[J]. 湖南大学学报:自然科学版, 2019, 46(6):109-119.
[29]

李敏, 赵博华, 于禾苗, 等. 植物-电动耦合修复重金属污染土的效能及其强化机制[J]. 土木与环境工程学报:中英文, 2024, 46(5):26-37.
[30]

马永松, 李琋, 罗廷, 等. 电动微生物法修复石油和镍污染土壤的研究[J]. 环境科学与技术, 2019, 42(8):201-208.

基金资助

国家自然科学基金项目(56120002)

江西省教育厅科技研究项目(GJJ2405210)

AI Summary AI Mindmap
PDF (1299KB)

198

访问

0

被引

导航
相关文章

AI思维导图

/

〈 〉

京ICP备09035943号-37
版权所有 ©《现代化工》编辑部
地址：北京市朝阳区安定路33号化信大厦B座206　邮政编码：100029
编辑部电话：010-64444090　E-mail:mci@cncic.cn
技术支持：北京玛格泰克科技发展有限公司