用纳米级材料修复大面积土壤污染 这个你听说过吗？

土壤污染问题日益得到重视。近期，我国科学家针对酸性土壤重金属污染修复的研究取得重要进展，为治理酸性土壤和重金属污染提供一种新思路：利用黏土、生物炭等天然材料制备出一种复合纳米材料，材料呈多孔纳米网络结构，其不仅能够固定土壤中盐基阳离子，提高土壤pH值，从根本上修复酸性土壤，还能够还原、吸附土壤中的重金属离子。据悉，该项技术优先适用于农田地块，可使植物中六价铬的富集量降低60%。另外，经济上，这项材料亩均成本只要10元—30元，且使用便捷。相关成果以论文形式刊登于美国化学会绿色化学领域核心期刊《ACS可持续化学与工程》。
该课题组的负责人吴正岩告诉记者，该材料可以针对不同环境和土壤类型调整配方，以适用于矿山、工业用地、农田等条件。目前课题组发表的文章和专利中的技术优先适用于农田地块。同时，课题组正在研发工业重金属废水源头治理技术以及有机肥中重金属修复技术，重点治理对象为铬、镉、铜、砷等，预计1—2年后研发成功。
同时修复酸性土壤和重金属污染
随着全球经济的快速发展，含重金属的污染物通过灌溉、干湿沉降等多种途径进入土壤，造成土壤中重金属富集。其不但影响农产品产量与品质，而且涉及大气和水环境质量，并可通过食物链危害人类和动物的生命和健康。
目前，全世界平均每年排放汞约15000吨，铜约340万吨，铅约500万吨，锰约1500万吨，镍约100万吨。在我国，长三角、珠三角、环渤海等经济较发达地区，以及东北老工业基地等区域，都面临着土壤污染问题。
针对这一世界性难题，日前，中国科学院合肥物质科学研究院技术生物与农业工程研究所吴正岩课题组，于美国化学会绿色化学领域核心期刊《ACS可持续化学与工程》发表论文，提出了一种用于酸性土壤重金属污染修复的方法。
据介绍，研究团队利用黏土、生物炭等天然材料制备出一种复合纳米材料，材料呈多孔纳米网络结构，其不仅能够固定土壤中盐基阳离子，提高土壤pH值，从根本上修复酸性土壤。另外，这种材料可以有效控制六价铬的迁移，将六价铬转化为三价铬，降低农作物对六价铬的富集，有效缓解六价铬污染。
六价铬是世界公认的有毒致癌物，可以透过细胞膜刺激皮肤，使皮肤过敏，并对食道、呼吸道造成损害，通过食物链在人体内富集，引发一系列病变，严重威胁人类健康。近年来，随着冶金、金属加工、制革、颜料和有机合成等行业的发展，铬及其化合物被广泛应用，随之而来的大量含铬废水、废气及废渣被排放到环境中，引发环境问题。2014年由环保部和国土资源部发布的《全国土壤污染状况调查公报》中，铬的点位超标率有1.1%。
铬在自然环境中最常见的价态是三价和六价，而六价铬的毒性远高于三价铬。特别是六价铬被人体吸入后可能具有致癌性，而一般认为三价铬毒性较小或无显著毒性。
新型修复材料成本低使用方便
吴正岩向记者简要地介绍了制备这种复合纳米材料的方式：首先需要将原材料进行重力分层和辐照处理;然后进行有机修饰，并按照一定比例进行复配;最后进行筛分、造粒和分装，得到重金属修复剂产品。
据了解，这种新型的土壤修复材料亩均成本只要10元—30元，修复过程直接融入耕种流程之中，使用便捷。另外相较于传统修复方法，效率也有提高。另外这种材料易于加工，可制成粉剂、液剂或颗粒剂。
这项技术的效果在实验中已得到初步验证。在盆栽试验(指用盆钵栽培作物进行农业科学实验，常用于模拟
环境污染物对植物的危害)中，研究团队证实，使用这种修复材料，可以有效降低玉米对六价铬的摄取，对叶片的高度、叶绿素含量和玉米根长有积极的影响。
吴正岩告诉记者，除了盆栽试验外，研究团队还做了面积约为10平方米的小区试验，结果表明，该技术可以使植物中六价铬的富集量降低60%。他同时表示，今年将在江西、湖南、浙江等地进行大田试验。
值得注意的是，在2014年，吴正岩团队即已申请了“一种修复土壤重金属的功能性肥料及修复剂”专利。吴正岩告诉记者，这项专利与其新近发表的论文的技术相似，仅在配方和生产工艺存在一定差别。具体而言，论文中所述的是酸性土壤六价铬修复剂，而专利中的六价铬修复剂适用于普通土壤(即对土壤类型没要求)。
吴正岩介绍，酸性土壤大约占世界不冻土的30%，它能够造成农业减产，而且会激活重金属离子，加剧重金属对人体的危害和对环境的污染，已经成为我国乃至世界农业和环境领域亟待解决的关键问题。
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广东：分类施策试点治理土壤污染
同样受到土壤污染困扰的广东，近年来将重金属污染防治与土壤污染治理相结合，在重金属污染综合防治、土壤污染调查、污染土壤治理修复试点示范等方面已开展一系列工作，并取得初步成效。
作为14个重金属污染防治重点省份之一，广东在“十二五”重金属污染防治考核中被评为良好等级。截至2015年，全省铅、汞、镉、铬、砷等主要重金属排放量分别较2007年减少28.2%、20.4%、22.2%、17.9%和28.5%，7个重点防控区已有5个实现重点重金属排放量比2007年减少15%的目标，非重点防控区全部实现了2015年排放量不超过2007年的目标。
广东省环境科学研究院总工程师肖荣波博士表示，土壤污染治理是长期的过程，国家“土十条”和去年底省政府印发的《广东省土壤污染防治行动计划实施方案》都把安全利用率作为土壤污染防治的一个核心指标。该指标强调的是污染土壤采取治理措施后，风险得到防控并能安全利用。例如轻度、中度污染耕地可以通过农艺调控、替代种植得以重新安全利用。根据环保部数据，全国耕地土壤点位超标率为19.4%，广东这个比例会更高一些。所以根据实际，把全省2020年和2030年的污染地块安全利用率的阶段目标分别定在90%和95%。
工业用地：向土壤添加改良剂稳定游离态重金属技术人员挥舞着铁铲，向机器添加泥土和化学药剂，机器发出阵阵轰鸣的同时，一撮撮经过充分混合的碎土从末端被排出、堆积……而一年前回填上混合碎土的土地，已重新长出植被。
这是记者在环保部华南环境科学研究所(下简称“华南所”)清远市龙塘镇泗合村的一处土壤修复试验场地所看到的情景。这里曾经是废旧金属拆解厂，被取缔后仍然遗留下土壤重金属污染。
“我们需要把受到污染的土壤挖掘出来进行晾晒，然后放置到机器中进行粉碎，并按一定比例与固化剂充分混合。接下来，经过一定时间的放置、养护后，再回填到原来的地方。”华南所技术人员告诉记者。
该土壤修复试验采用的是固化稳定技术，通过在土壤中添加改良剂，将其中处于游离态的重金属元素转化为化学性质不活泼的形态，使其稳定起来、难以在环境中迁移、扩散。按照华南所每周采样的结果显示，效果较为显著，“土壤中重金属的有效态减少了约50%—70%”。
田地：土壤改良、植物净化与调整种植结构结合耕地土壤的修复因为要尽可能地恢复其种植的功能，技术难度较高。当前广东部分地区已开始进行耕地污染修复试验，其中清远龙塘镇就是试点之一。
“我们将三处试验田分为轻度污染、中度污染和重度污染区。”为得到更好的实验数据及修复成果，华南所专门制定了“一区一策”的规划，即按照地区污染源、污染程度制定出更具针对性的治理办法。
位于民平村的试验田属于轻度污染的耕地，华南所的研究人员针对该地的情况调配施加了特殊的土壤改良剂并筛选出低吸收的水稻品种。目前该方法的效果已初步体现。轻度污染的农田在改良剂的作用下，种植低吸收水稻品种，可以出产符合安全标准的水稻。
据介绍，改良剂的原理是在耕地中添加化学药剂，能有效稳定土壤中的重金属，使其通过化学反应转变为不易被植物吸收的分子形态，达到减少重金属积累的效果。
对于受到中度污染的农田，华南所在民平村的试验田采取了低吸收作物与土壤改良双管齐下的办法。“我们从当地的水稻品种中筛选出两个早稻和两个晚稻品种，加以改良后种植到试验田中。此外，我们也挑选了一部分低吸收的玉米品种进行种植实验。”华南所专家介绍：“目前出产的作物均符合食品安全标准。”
重度污染耕地修复试验田位于定安村。过去建在村里田边的电线拆解小作坊，在清远市持续数年的整治行动中已被一一清除，但其对土壤遗留下的重金属污染则需要大力修复。华南所在此采用的修复技术属于植物提取修复技术范畴，即在农田里种植东南景天等超富集植物，通过其对重金属的富集作用净化受污染的土地;在种植作物方面，调整种植结构，挑选园艺类的经济作物，“建议不再种植可食用的农作物，修复的过程中尽量保持耕地的经济价值。”
矿山：中和土壤酸性实现大面积覆绿
连绵的矿山因为土壤中金属的自然本底值就较高，土壤修复则需要通过覆绿防止水土流失，避免污染山下的河流。
蜿蜒的山路两旁是连绵的矿脉，原来光秃秃的山头现在已经有大半覆盖上了郁郁葱葱的植被。“这是大宝山矿区近年实施的尾矿堆土区生态恢复工程的结果。”大宝山矿业有限公司(以下简称“大宝山矿业”)环保部负责人说。据悉，由于区域土壤本底值偏高、再加上早期民间非法采矿遗留下的污染，因此大宝山矿业优先选择切断暴露途径，对矿山进行覆绿，通过水土保持控制污染扩散。
负责大宝山矿区覆绿工程的经理说，由于尾矿区的土壤基本由生产过程中产生的矿渣构成，土壤酸性强，重金属容易析出，因此之前种植的树木撑不了多久就枯萎了。覆绿项目工程组首先要在原来的尾矿区上撒上石灰中和土壤酸性，然后覆上一层50厘米厚的客土，最后选择松树、桉树等耐酸性较强、生长速度快、抗逆性强的树种种上。种上树之后，还必须定期进行洒水，定期撒石灰防止土壤反酸，枯死的树木要及时补种。
经过多年整治，大宝山约12万平方米的3个大型堆土区均成功覆绿，水土保持初见成效，也有效缓解了矿渣外流的情况。
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盘点修复土壤大招
对于不同类型的土壤，由于土壤本身的性质、重金属污染的形式、程度差别都很大，选择合适的修复方式显得尤为重要。据介绍，针对土壤重金属修复的方法很多，大体来分，主要有物理法、生物法和化学法。其中，物理法和部分化学法主要适用于矿山和工业用地，因为处理规模较小，成本较高;生物法和部分低成本化学法主要适用于农田，因为规模大、成本较低。
物理方式
客土法：在污染土壤表层加入非污染土壤，或将非污染土壤与污染土壤混匀，使得重金属浓度降低到临界危害浓度以下，从而达到减轻危害的目的。
换土法：将污染土壤部分或全部换去，换入非污染土壤。去表土法是根据重金属污染表层土的特性，耕作活化下层的土壤。
深耕翻土法:翻动土壤上下土层，使得重金属在更大范围内扩散，浓度降低到可承受的范围。
玻璃化技术:即将重金属污染土壤置于高温高压环境下，待其冷却后形成坚硬的玻璃体物质，这时土壤重金属被固定，达到阻抗重金属迁移的目的。但这项技术耗能太高，因此很少被使用，目前多用于处理核废料。
电动修复:即是向重金属污染土壤中插入电极，施加直流电压，导致重金属离子在电极附近富集，进而进行清理。这项技术在国内外的实验中都显示出较好的修复效果，特别是其使用方便的特点尤其突出。不过，其最大的问题是成本太高，因而各项研究多以实验性质为主，少有大面积使用。
化学方式
固化法:即向土壤中添加改良剂，使土壤中的重金属转化为低溶解性、低毒性或低移动性的物质，以减轻其危害。
可根据不同的土壤情况施放不同改良剂，例如常用的通过施用石灰来提高土壤pH值，从而减缓土壤重金属的潜在危害。改良剂的成本一般较低，但其并未将重金属从土壤中根本清除，因此需要进行长期的监测以防止重金属再次活化。
传统的改良剂，包括无机物，如磷酸盐、硅酸盐、石灰、赤泥、骨粉、沸石、钙镁磷肥等，以及有机物，如秸秆堆肥、泥炭和畜禽粪便等。
淋洗法：主要利用淋洗液冲刷被重金属污染的土壤，通过淋洗剂与重金属离子间的作用，将污染物与土壤分离。这种方法优点是费用较低，但同时也存在引入的清洗剂易造成二次污染的风险。可用于大面积、重度污染土壤的治理，尤其是在轻质土和砂质土中效果较好。
生物方式
利用动物、微生物或植物的生命代谢活动，削减土壤环境中的重金属含量或通过改变重金属在土壤中的化学形态从而降低其毒性。
据了解，自然界中存在一些植物，对某一种或几种重金属元素具有超富集能力，能将土壤中重金属元素通过植物根系转移到茎、叶、果实中，从而降低土壤重金属污染物含量，这种植物称为超富集植物，其对金属元素吸收量甚至超过一般植物100倍以上。
例如，将印度芥菜种植在重金属污染的土壤上，其对土壤中的铅、镉、铜、锌等元素具有特殊的吸收富集能力。随后将植物收获并进行妥善处理(如灰化回收)，即可减少土壤中重金属离子含量。
生物法的优势很明显：费用低、易于管理与操作、不产生二次污染，因而日益受到人们的重视。不过其缺点也同样明显：植物生长速度缓慢，若将污染土壤修复至正常标准，往往需要十数年乃至数十年时间。