基于重金属污染的农业土壤修复技术探究

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  摘 要:经济发展与生态环境的保护始终是对立性的矛盾问题。近年,各地区的重金属污染事件普遍发生,严重威胁着人民群众的身体健康。而其中土壤重金属污染问题,相对来说是当前重金属污染问题的重灾区,是现阶段亟待解决的重点社会问题之一。本文首先阐述了我国农田土壤重金属污染对人体的危害,对农作物的生长发育情况、质量以及产量的恶性影响,分析其污染源的主要来源及其形成原因,而后主要介绍重金属污染农田土壤的各项修复技术,包括物理、化学、生物三大主流修复技术以及其他相关的修复与优化技术。而当重金属污染农田土壤修复活动开展之后,其整体效果是否达到预期目标,是否可直接复垦作为农田使用,后续农作物综合效益的产出可否达到标准水平,这些后续问题当是研究重点内容之一。而总的来说,现阶段覆盖到全国范围内的土地污染管控体系相对并不完善,其覆盖面不足、深入不够细致、落实成效具有较大的提升空间,因此应当深入到各实地,不断挖掘问题,切实基于污染农田土壤修复效果的现实需求出发,遵循全面性、深入性、客观性、切实性以及数据的易测性、可拓展评估性等原则制定针对性的管控体系。
  关键词:生态环境;土壤重金属污染;修复技术;管控体系
  一、农田重金属污染对农作物与人体健康的恶性影响
  (一)制约农作物的生长发育情况及降低产量
  调查显示,大部分情况下重金属污染过的土壤,对农作物的生长发育及品质产生较为显著的恶性影响[1]。例如,若土壤中含有Cd成分较多,则相对制约了油菜的光合作用活动,地上部的生长发育质量则受到相应的影响,其杆高、叶片数、叶幅以及产量均受到不同程度的弱化影响;再如花生,其直接连带到产量问题的的根瘤生长质量受到明显的降低;水稻地上部的干重与产量受到明显的降低。而若是土壤中含有Pb成分较多,玉米植株等的生长发育质量也受到直接的影响,产量会明显降低;而黄瓜的根系则会造成畸形生长发育,地上部分的生长发育情况受到直接影响,导致其产量下降;而若是含有Cr成分较多,Cr6+会直接影响玉米种子的发芽与第一阶段的成长效果,而损坏植株细胞膜,以损坏其组织结构与功能,而导致产量下降;而若是Cu成分较多,则直接影响水稻分蘖部位,减少每穗的颖花数,而导致产量减少。
  (二)影响了农作物的营养品质
  抑制农作物的生长发育与总体产量,相对来说只是基础影响,而重点在于影响了农作物的总体品质[2]。总体来看,Cd、Pb、Cr、Cu等重金属污染物质直接影响了农作物的品质。例如Cd会直接降低小白菜的叶绿素、还原糖以及维生素含量,而相对增高粗蛋白和粗纤维含量,导致口感与营养都受到不良影響。若Cr+的浓度超过10 mg/L,则直接降低玉米的活力指数,影响玉米的营养价值。
  (三)损坏人体健康而引发疾病
  农田土壤中的重金属物质通过融合在食物,而进行二次增发及其传播,被人体所食,而衍生各类疾病。若人体摄入镉物质,因此物质的生理性质与Ca类似,则会直接破坏人体的骨骼健康系统,导致一系列“骨痛病”的产生,重则产生高血压,最终引起心脑血管等重大疾病;若人体摄入Pb物质,则会直接引发贫血、肝肾炎、高血压、神经错乱等严重疾病;而摄入As物质,则会由于长时间积累而衍生结膜炎、黑变病以及角化过度等严重问题。而此外,部分重金属元素例如镉等物质若在人体内长时间积累,是其引发癌症的诱因之一。
  二、污染物的主要来源及其生成原因
  (一)主要来源
  (1)土壤重金属的污染问题,污水灌溉是最为普遍的问题,主要是将城市生活废水、工业废水等开展农业浇灌活动[3]。经过污水农业灌溉的土壤,很大程度上会造成盐碱化土地而板结变硬,同时,污染物质会严重破坏农田本身的性能产出程度。相关调查显示,用城市污水开展农业灌溉活动,可直接导致农田的土壤重金属超标,相对来说这是主要污染源,也是当前大环境来最为普遍、严重的的生态环境污染问题之一。例如河北、河南、天津等地区,其人口密度较大而工业活动较多等综合影响因素,重金属污染问题在相对于其他地区来说较为严重。天津市农田污染区的调查显示,其中农田土壤超出了国家规定的重金属污染元素范围的元素,主要包括有铅和、汞,而其中蔬菜种植的土壤中,铅元素竟然超过了国家规定的一半,汞元素额超出近1/3。
  (2)土壤重金属污染来源于大气。大气中同样存在各类污染物,因并未沉降在地面,而长时间置于空气中,即为大气沉降,是其污染来源之一。因化工产品生产制造、石油天然气冶炼、汽车尾气、煤矿开采及等因素,其不断产生超标的大气污染物,而后随着干沉降或湿沉降融入到地表,大量积累之后则产生污染问题。因此我们知道,现代化城市的建设、一系列工业生产活动、人口数量的剧增等与土壤重金属污染的连带性的非常之紧密的[4]。据石家庄郊区农业蔬菜种植基地的重金属污染源调查显示,其中部分蔬菜含有大量的铬元素、砷元素以及钯元素等重金属物质,其主要成因在于土壤扬尘、污染气体的沉降等等。
  (3)农药污染。农业生产活动中,农药主要作用是杀菌、灭虫、除草等,而实现对农作物生长环境的维养。而因农药主要也是化学成分,融入到土壤之后,导致土壤板结在深层土壤中大量积聚,继而造成不同程度的土壤污染及其功能性破坏。我国农药产品却又被广泛使用,而其高效利用、规范使用的情况却不容乐观,失范操作普遍存在、违禁药物层出不穷等等,是造成土壤污染最直接的原因之一。
  (4)农膜与固体废料的污染。农业生产中农膜是广泛运用的辅助产品,其降解难度较大。相关调查显示,我国每年竟然高达近50万吨农膜残留物融入到土壤中,长期以来形成了透水透气性能较差的土壤层,严重破坏了土壤的功能性输出值。而固体废弃物的留置则是重灾区,调查显示,我国每年留置在土地中的固体废物总量竟然高达1000万吨,而并未进行对应的降解处理,长时间的堆积,对其土壤、生态环境以及农业生产活动都造成严重的恶劣影响。   (二)成因分析
  (1)人为原因是核心点。除了少部分因为其自然原因额造成农田土壤的重金属污染,绝大多数地区的农田土壤重金属污染问题,主要还是因为农民的不规范操作而导致[5]。其一,如上文提到的违规灌溉,直接使用废料、废水进行灌溉。其二,化肥的不规范施加。化肥中含有大量的重金属元素。尤其是磷肥的过度使用,或者使用并未经过重金属含量检测的化肥,而其质量不达标,重金属物质长期堆积在农田土壤。除此之外,部分重金属元素例如Cu、Zn、Mo等作为微量元素肥料的高质量成分,若含有重金属的微量元素化肥或是复合肥的使用方法不标准,也是导致农田土壤重金属污染的诱因之一。
  (2)工业生产活动的高速发展。主要是分为工业废料废五与、废气中重金属的不规范处理而导致其自由扩散、融合等导致重金属的大量累积,尤其是熔较低挥发极其容易的Hg元素的大量累积,还有煤矿开采、重金属冶炼过程中废料物的排放与大量堆积、
  (3)城市生活垃圾。现阶段,我国大部分城市生活垃圾都与工业废料物混合处理,而郊区的部分农民又有将城市废料作为废料的不良习惯[6]。其生活垃圾大量含有Cu、Pb、As、Cr、Hg等可引发污染的元素,而长期用城市垃圾开展施肥活动,直接降低土壤黏粒对重金属离子的附着作用,而促使农田土壤重金属污染情况的加剧。
  三、重金属污染农田土壤修复及安全利用技术
  (一)物理优化处理
  (1)土壤修复中换土、去表土、客土以及深耕翻土法。此手段主要应用于工作量较大、投入大而对小面积的土壤进行修复。首先是换土法,主要是将遭到污染的土壤刨开而换上新土;第二是客土,将遭受污染的土壤与干净土壤进行混合处理,而相对可调和减少重金属浓度,促使其形成低于土壤的污染程度;第三是去表土,主要是依据重金属污染土壤表层的特性,耕作火化地下的土壤;第四是深耕翻土法,此法与客土法相差无几,主要将土壤进行上下搅拌,适当拓展重金属的污染范围以实现污染浓度的降低。此法在国外得到了广泛应用。其成效较为显著,但其缺陷在于,开展所需的人力物力与财力等成本投入较大,以及“治标不治本”的特性,现今处于进一步研发试验中。
  (2)土壤淋浴法。此手段,主要是使用清洁药剂而有效去除污染物质,因此清洁助剂的选用与有效使用则是关键问题[8]。此修复方法相较于以上几种方法来说,其最大优势在于可轻松应用污染面积较大、污染情况较为恶劣的土壤,特别是对于轻质土与沙质土的改善效果相对来说是最佳,而其渗透系数较低的效果相对较差。淋浴后的淋浴液维养处理,同样是关键的技术问题,现阶段主要常采用等离子置换、电解质化学以及转移络合技术等方法,可有效回收洗液中的重金属物质,正常情况下可回收土壤中约为50-55%的重金属离子。但此手段同样存在应用难点,即是对淋浴液的要求较高,其成本投入也是问题之一,同时,淋浴液会衍生污染地下水的问题以及过度吸收土壤的营养成分。
  (3)热解吸法。此方法,主要是在土壤中进行直接或间接加热,温度的不断增高,而促使充分扩散土壤中的重金属物质,例如重金属离子或其他调和成分,再对其进一步进行降解处理。据相关试验显示,通过对加热解吸法的规范使用下,可有效去除污染土壤中约10%左右的Hg,但法存在问题是能耗较大,而整体修复成本则相继增大。
  (4)玻璃技术法。此法,最早是用于处理核废料,其开展形式为:将遭受污染的土壤进行高温处理,待其冷却人形成较为坚硬的类玻璃体物质,此时期重金属物质已被有效锁定,即有效降低土壤污染程度。而此法存在缺陷在于,其开展过程中电能消耗较大,综合成本较高,且同样存在“治标不治本”的问题,无法有效去除被锁定的重金属,现阶段还未进行广泛推行,处于进一步研发中。此外,对于污染土壤所开展的的物理、化学修复方法,还包括电动修复法、固化&稳定化修复以及离子拮抗技术等,每种方法都拥有其独特的优势与缺陷所在,因此土壤修复工作存在失衡的问题,有机结合联合使用是当前研究重点。
  (二)化学处理技术
  主要是向土壤中融入固化剂、有机质、化学试剂、天然矿物等物质,而改善土壤pH值、Eh 等,再经过氧化处理、还原转化、沉降、附着、制约、络合或螯合等程序有效抑制或直接降低污染物质的生物有效性,其主要操作工艺为药剂清洗、稳定固化以及有机物质的改善优化等。其中药剂清洗技术,其包含有可增强重金属可溶性的药剂溶液,而净化遭到污染的土壤,促使附着在土壤颗粒上的重金属同步形成可溶解性的等离子或金属&药剂螯合物,将土壤中重金属物质及时转移至溶液中,再同步施加重金屬废液净化处理技术,以切实降低土壤的污染程度;广泛应用的工艺例如EDTA,对土壤中各类重金属可起到有效的络合作用。其金属络合物在土壤环境中相对稳定,对生物的毒性伤害较小而几乎没有;稳定固化技术,则是在遭受污染的土壤中融入化学药剂以此改善土壤的PH、EH等理化物质,通过吸附或矿化重金属而改善改重金属在土壤中的生存形态,继而有效降低其生物活动的功能性输出与转化性。其技术,多用于原位或异位修复,其具有修复速度快、修复效果优良、恢复周期短等特点,而再同步应用隔离封存技术,特别适用于遭到重度污染的污染土壤修复工作。
  (三)生物修复技术
  此技术,主要是结合无害动物、有益微生物以及植物降低重金属有害物质的含量。就其性能产出的本质来说,生物修复技术与化学处理存在相近之处,同样是吸附且锁定重金属物质。植物修复技术,主要通过提取植物有益物质、植物扩散以及植物锁定等手段,其中提取、扩散是通过植物化合作用去除重金属物质,而锁定则是抑制或直接降低重金属的功能输出的有效性及其毒性挥发。微生物修复技术,主要是结合微生物而吸附、沉淀、氧化转化还原重金属与,以此抑制或一定程度上降低重金属的毒性挥发效能。动物修复,则是促使无害动物进行土壤中重金属物质的自主吸收,而该方法相对来说局限性较大,无法精准掌控。从大环境的应用成效来看,生物技术因其成本投入较少、安全风险较低的特性,是当前土壤修复技术的重点研发方向之一。其同样存在弊端,虽然其成本投入不高而可有效优化环境,但也存在“治标不治本”的问题,其处理重金属的性能存在局限性,对单一植物的修复范围、效果较小,而同时需要其种植周期也相对较长,对农业生产活动产生了直接性的制约影响。   四、重金属超标农用地安全利用管控的对策建议
  (一)完善管理体系
  现阶段,生态环境管理部门已建立了土壤污染处理的专项团队,对此各省市应当跟紧上层发展步伐而加快步伐成立或完善自己的土壤污染处理转向组织,同时应当尽可能的扩大执法权,增强其执法力度,以此实现更强硬的处置违规排污的企业或个人,并施以重罚,切实提高土地污染管理部门的公信力与绝对权威性。其次是进一步明确各级职能部门的职权范围,需签订追责协议书,编制且完善土壤污染管控工作的运行方案,以及优化土壤环境改良与保护效果的评估、考核体系,应实行季度或年度制的考核、追责手段,稳固且提升政府在土壤环境保护工作的主导地位。
  就横向拓展发展视角来看,应加快步伐建立起政府一级管理部门、一线执法部门、民间环保组织以及公民四位而联合一体的的联动管理机制,其实发挥多方量。而就纵向垂直发展来看,则是完善由上到下的上层管理部门到基层地方的一体化的管理体系。而同时,应加对民间环境保护组织的扶持力度,其组织的人多、力量集中、能动性强,当是辅助污染管控活动的有效助力;自然资源管控部门,应需同步制定或优化全国农业用地的重金属污染处理及防治规划的实际运行方案,各根据其实际情况而出台对应的运行方案,再提取其重点内容所在,促进土壤修复之后的二次再生利用的实质性与高效性,以此有效推进土地资源的可持续稳固利用发展;农业部门,对土壤环境应当进行长期的指标检测与评估,实现全面性、真实可靠性、客观性与实质性,而再建立或优化可做到实时同步更新的全国覆盖范围内的环境质量监测网络,出台污染处理与防治的技术指南、具体实施的引导细则与模拟方案,落实全面覆盖、细致深入。
  (二)完善相关制度体系
  (1)应发展全面市场管理,建立或完善土壤污染处理、防治基金。就各国土壤污染治理成效来看,充足的资金保障无疑当是治理活动顺利且高效、高质量开展的核心影响因素。现阶段,我国环境治理的经费主要依靠财政拨款,而加之对污染者的追责力度不强。因此进行基础的罚款以外,再落实其责任主体制与治理责任及其范围,让其参与后续维养工作,从污染源的管控到引导的全过程,落实“污染担责与污染维养”的双向效能。而逐步完善与市场联动开展的活动机制,淘汰成本大而实质性不强的项目,而对效果优异的项目予以扶持与二次拓展,由市场活动促进治污工作的稳固及其高层次发展,以此提高农业生产的经济效益及其社会效益,而同时也促进生态环境的进一步优化。
  (2)应大力开展全员协同参与。首先是意识的培养,让群众正确认识到壤污染的危害性,以及保障土壤质量的益处所在,促使其规范使用农膜、农药以及化肥等,虽无法做到全面解决,但却也是可以大幅度的降低后期污染处理的难度。其次是赋予群众的监督维护权,应建立相应的福利机制,激励群众对违规违法活动予以检举,而需注意的是要做好对群众的保护工作。有效的辅助监管,构建有效的基层预防力量,提高职能部门执法活动的实质性与高效性。总体来说,通过建立全员参与制、加大双向监督职能,以此可有效激励非政府组织机构自发性的参与污染处理与防治活动,一方面是直接提高基本法的全面落实,一方面则是促进土壤质量的培养质量。
  (2)应构建信息公开与可拓展体系,首先是必须长期进行监测活动,对污染治理活动的综合成效定期进行数据与工作记录的公开,并保障一定程度的拓展性,即使其自发性的提出建议。如此以此,一方面是保障了公民对污染情况与工作成效的知情权,一方面则是充分利用其信息的可拓展性,提高群众的关注程度、有效参与性,即可有效促进污染治理工作的高效、高质量的开展。而同时,再强化《土壤污染防治行动计划》落实的实质性成效,加快步伐建立或完善土壤污染类型、土壤环境质量监测信息系统及其评估指标体系,重点在于全面覆盖、细致深入到各阶段的各工作节点。
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