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污染土壤修复


污染土壤修复

污染土壤修复是指通过物理、化学、生物、生态学原理,并采用人工调控措施,使土壤污染物浓(活)度降低,实现污染物无害化和稳定化,以达到人们期望的解毒效果的技术措施。理论上可行的修复技术有植物修复、微生物修复、化学修复、物理修复和综合修复等几大类。有些修复技术已经进入现场应用阶段并取得了较好的效果。污染土壤实施修复,对阻断污染物进入食物链,防止对人体健康造成危害,促进土地资源保护和可持续发展具有重要意义。关于该技术的研发主要集中于可降解有机污染物和重金属污染土壤的修复两大方面。

 

修复技术

 

物理修复技术

物理分离修复技术主要是应用在污染土壤中无机污染物的修复技术上,它最合适用来处理小范围的污染土壤,从土壤、沉积物、废渣中分离重金属,恢复正常功能。它的基本原理是根据土壤介质及污染物的物理特征,采用不同的方法将污染物质从土壤中分离出来,包括:依据粒径大小采用过滤或微过滤的方法进行分离:依据分布、密度大小采用沉淀或离心分离;依据磁性特征采用磁分离手段:依据表面特性采用浮选法进行分离等。多数物理分离修复技术都有设备简单,费用低廉,可持续高产等优点,但是在具体分离过程中,要考虑技术的可行性和各种因素的影响。包括要求污染物与土壤颗粒的物理特征的差异显著,特别是当土壤中有较大比例的黏粒、粉粒和腐殖质存在时很难操作等等。

蒸汽浸提修复技术是指利用物理方法通过降低土壤孔隙的蒸汽压,把土壤中的污染物转化为蒸汽形式而加以去除的技术,又可分为原位土壤蒸汽浸提技术、异位土壤蒸汽浸提技术和多相浸提技术。气提技术适用于地下含水层以上的包气带土壤;多相浸提技术适用于包气带好地下含水层。该技术适用于高挥发性化学污染土壤的修复。原位土壤蒸汽浸提技术适用于处理蒸汽压大于66.66Pa的挥发性有机化合物,如挥发性有机卤代物或非卤代物,也可适用于除去土壤中的油类、重金属、多环芳烃或二恶英等污染物:异位土壤蒸汽浸提技术适用于修复含有挥发性有机卤代物和非卤代物的污染土壤;多相浸提技术适用于处理中、低渗透型地层中的挥发性有机物。其显著特点是可操作性强,处理污染物的范围广,可由标准设备操作,不破坏土壤结构以及可回收利用有潜在价值的废弃物等。但在原位土壤蒸汽浸提技术的应用中,上下层土壤的异质性,特别是低渗透性和高地下水位的土壤等都成为其应用的限制因素。

稳定/固化修复技术指通过固态形式在物理上隔离污染物或者将污染物转化成化学性质不活泼的形态,通过降低污染物的生物有效性来消除或降低污染物的危害;可分为原位稳定、固化修复技术和异位稳定/固化修复技术。原位稳定/固化修复技术通常适用于重金属污染土壤的修复,一般不适用于有机污染物污染土壤的修复:异位稳定/固化修复技术通常适用于处理无机污染物质,不适用于半挥发性有机物和农药杀虫剂污染土壤的修复。其中,固化是指利用水泥一类的物质与土壤相混合将污染物包被起来,使之成颗粒状或大块状存在,进而使污染物处于相对稳定的状态。封装可以是对污染土壤进行压缩,也可以是由容器来进行封装。稳定是利用磷酸盐、硫化物和碳酸盐等作为污染物,将有害化学物质转化成毒性较低或迁移性和生物有效性较低的物质。但是该技术只是暂时地降低了污染物在土壤中的毒性,并没有从根本上去除其污染物,当外界条件改变时,这些污染物质还有可能释放出来污染环境。特别要注意在处理过程中使用过量处理剂泄漏的二次污染问题。

热处理修复技术是指通过直接或间接热交换,将污染介质及其所含的有机污染物加热到足够的温度(150~540℃),使有机污染物从污染介质挥发或分离的过程,按温度可分成低温热处理技术(土壤温度为150~315℃)和高温热处理技术(土壤温度为315~540℃)。热处理修复技术适用于处理土壤中挥发性有机物、半挥发性有机物、农药、高沸点氯代化合物,不适用于处理土壤重金属、腐蚀性有机物、活性氧化剂和还原剂等。玻璃化修复技术是对土壤及其污染物进行1600~2000℃的高温处理,使有机物和一部分无机化合物,如硝酸盐、磷酸盐和碳酸盐等以挥发或热解的形式从土壤中去除的过程。许多因素对这一技术的应用效果产生影响,包括:埋设的导体通路(管状、堆状):砾石含量超过20%;土壤加热引起的污染物向清洁土壤的迁移;易燃易爆物质的积累;土壤或污泥中可燃有机物的质量比例;固化的物质对今后土地利用与开发的影响等。

电动力学修复技术的基本原理,包括土壤中污染物的电迁移、电渗析、电泳和酸性迁移等电动力学过程。电动力学修复技术通常有几种应用方法;原位修复,直接将电极插入受污染土壤,污染修复过程对现场的影响最小;序批修复,污染土壤被输送至修复设备分批处理;电动栅修复,在受污染土壤中依次排列一系列电极用于去除地下水中的离子态污染物。与挖掘、上壤冲洗等异位技术相比电动力学技术对现有景观、建筑和结构等的影响,不会破坏土壤本身的结构,而且该过程不受土壤低渗透性的影响,并对有机污染物和无机污染物都有效。挖掘是指通过机械、人工等手段,使土壤离开原位置的过程。一般包括挖掘过程和挖掘土壤后的处理、处置和再利用过程。在场地修复的各个阶段和多种修复技术实施过程中都可采用挖掘填埋技术。但必须注意的是污染土壤异地转以后的扩散和二次污染的问题。

针对受到重金属污染的土壤进行修复,采用的物理修复方法主要有,重金属污染土壤电动修复,这是一种新兴的技术,处于实验室和小规模试验研究阶段,这种方法应用了离子的电动力学和电渗析原理,所以有的学者也称之为电渗析土壤修复,这种技术是在土壤处于酸性条件下,使用直流电对重金属进行清除处理,试验表明,在对土壤酸性条件下铅和镉都可被有效地清除,如果在土壤中使用盐酸溶液,则可对铅和镉达到很高比例的清除。这种技术的优点是在一些特殊的山区使用比较方便,因为对于土壤的处理,仅仅限于两个电极之间,不涉两极及以外地区的土壤。这种方法对于质地黏重的土壤效果良好,因为黏土表面有负电荷,同时在饱和及不饱和的土壤中都可应用。

 

化学修复技术

化学淋洗修复技术是指借助能促进土壤环境中污染物溶解或迁移作用的化学/生物化学溶剂,在重力作用下或通过水力压头推动清洗液,将其注入被污染土层中,然后再把包含有污染物的液体从土层中抽提出来,进行分离和污水处理的技术。清洗液是包含化学冲洗助剂的溶液,具有增溶、乳化效果,或改变污染物的化学性质。提高污染土壤中污染物的溶解性和它在液相中的可迁移性是实施该技术的关键。化学淋洗技术主要围绕着用表面活性剂处理有机污染物,用螯合剂或酸处理重金属来修复被污染的土壤。开展修复工作时,既可在原位进行修复,也可在异位进行修复。化学淋洗修复技术适用于各种类型污染物的治理,如重金属、放射性元素以及许多有机物,包括具有低辛烷/水分配系数的有机化合物、石油烃、羟基类化合物、易挥发有机物、PCBs以及多环芳烃等。

对地下水具有污染效应的化学物质经常在土壤下层较深较大范围内呈斑块状扩散,这使常规的修复技术往往难以奏效。一个较好的方法是构建化学活性反应区或反应墙,当污染物通过这个特殊区域的时侯被降解或固定,这就是原位化学还原与还原脱氯修复技术,多用于地下水的污染治理,是欧美等发达国家新兴起来的用于原位去除污染水中有害成分的方法。原位化学还原与还原脱氯修复技术需要构建一个可渗透反应区并填充化学还原剂,修复地下水中对还原作用敏感的污染物和一些氯代试剂,当这些污染物迁移到反应区(可渗透反应墙)时,或者被降解,或者转化成固定态,从而使污染物在土壤环境中的迁移性和生物可利用性降低。通常这个反应区设在污染土壤的下方或污染源附近的含水土层中。常用的还原剂有SO2、H2S气体等。一般在污染地下水的过流断面上,把原来的土壤挖掘出来,代之以一个可渗透反应的墙。可渗透反应墙墙体可以由特殊种类的泥浆填充,加入其他被动反应材料,如降解易挥发有机物的化学品,滞留重金属的螯合剂或沉淀剂,以及提高微生物降解作用的营养物质等。理想的墙体材料除了要能够有效进行物理化学反应外,还要保证不造成二次污染。

原位化学氧化修复技术主要是通过掺进土壤中的化学氧化剂与污染物所产生的氧化反应,使污染物降解或转化为低毒、低移动性产物的一项修复技术。原位化学氧化技术不需要将污染土壤全部挖掘出来,而只是在污染区的不同深度钻井,将氧化剂注入土壤中通过氧化剂与污染物的混合、反应使污染物降解或导致形态的变化。成功的原位氧化修复技术离不开向注射井中加入氧化剂的分散手段,对于低渗土壤可以采取创新的技术方法,如土壤深度混合、液压破裂等方式对氧化剂进行分散。常用的氧化剂包括KMnO4、H2O2和臭氧气体等。KMnO4与有机物反应产生MnO2、CO2和中问有机产物,没有环境风险,MnO2比较稳定,容易控制;不利因素在于对土壤渗透性有负而影响。H2O2可以利用Fenton反应开展原位化学氧化技术产生的自由基(HO-)能无选择性地攻击有机物分子中的C-H键,对有机溶剂如酯、芳香烃以及农药等有害有机物的破坏能力高于H2O2本身。但由于H2O2进入土壤后立即分解成水蒸气和氧气,所以要采取特别的分散技术避免氧化剂的失效。

原位覆盖技术是用带有清洁剂的化学修复剂来覆盖污染土壤。可以通过灌溉将其浇灌或喷洒在污染土壤的表层;或通过注入并把液态化学修复剂注入亚表层土壤中。如果试剂会产生不良环境效应,或者所使用的化学试剂需要回收再利用,则可以通过水泵从土壤中抽提化学试剂。非水溶性的改良剂或抑制剂可通过人工撒施、注入、填埋等方法施入污染土壤。如果土壤温度较大并且污染物质主要分布在土壤表层,则适合使用人工撒施的方法。为保证化学稳定剂能与污染物充分接触,人工撒施之后还需要采取普通农业技术(例如耕作)把固态化学修复剂充分注入污染土壤的表层,有时甚至需要深耕。如果非水潜性的化学修复剂颗粒比较细,可以用水、缓冲液或是弱酸配制成悬浊液,用水泥枪或者近距离探针注入污染土壤。对于封锁地表污染物和显著地减少地底垃圾移动,覆盖是一种可信赖的技术。如果地面没有被冻结或没有饱和,覆盖可以在任何实际地点被建造并且相对迅速地被建造完成。大部分有效的单层覆盖物是由混凝土或沥青组成。覆盖物的厚度由估算居民数量、本地气候条件、污染物的类型和土壤条件决定。定期为沥青和混凝土线路提供地表保养,可以提高它们的寿命和效力。单层的覆盖只可以在一个较窄的地点条件和运用范围下适用。例如,南黏士或自然界土壤混合制造的沥青覆盖物是否被使用取决于最终修复完成的时间长度。另一个使用单层覆盖的潜在可能存在于这样的地区:土壤水分蒸发蒸腾损失总量大幅度超过降雨量的地区;或者被污染和近期可使用的地下水水源距离较远的地区。在这些情况下,可以考虑使用极低渗透性的土壤或者将覆盖物混合在冻结可达深度以下的自然土壤中,这样上层的土壤可以保护覆盖层不干裂。最初的6个月必须经常检测,因为问题常在这期间出现。使用几年后,应该有规律地进行定期检查。

溶剂浸提修复技术是一种利用溶剂将有害化学物质从污染土壤中提取出来或去除的技术。PCBs等油脂类物质不溶于水,易吸附或黏贴在土壤上,处理比较困难。溶剂浸提技术能够克服这些困难,处理土壤中的PCBs与油脂类污染物占溶剂浸提修复技术是利用批量平衡法,将污染土壤挖掘出来并放黄在一系列提取箱(除出口外密封很严的容器)内,在其中进行溶剂与污染物的离子交换等化学反应。溶剂的类型依赖于污染物的化学结构和土壤特性。监测表明,土壤中的污染物基本溶解于浸提剂时,再借助泵的力量将其中的浸出液排出提取箱并引导到溶剂恢复系统中。按照这种方式重复提取过程,直到目标土壤中污染物水平达到预期标准。同时,要对处理后的土壤引入活性微生物群落和富营养介质,快速降解残留的浸提液。

生物修复技术

广义的生物修复指一切以利用生物为主体的环境污染的治理技术。

它包括利用植物、动物和微生物吸收、降解、转化土壤和水体中的污染物,使污染物的浓度降低到可接受的水平,或将有毒有害的污染物转化为无害的物质,也包括将污染物稳定化,以减少其向周边环境的扩散。生物修复也曾被称为生物恢复、生物清除、生物再生和生物净化等。一般分为微生物修复、植物修复和动物修复三种类型。根据生物修复的污染物种类,它可分为有机污染生物修复和重金属污染的生物修复和放射性物质的生物修复等。

微生物修复技术是指通过微生物的作用清除土壤中的污染物,或是使污染物无害化的过程。它包括自然和人为控制条件下的污染物降级或无害化的过程。微生物对有机污染土壤的修复是以其对污染物的降解和转化为基础,主要包括好氧和厌氧两个过程。完全的好氧过程可使土壤中的有机污染物通过微生物的降解和转化而成为CO2和H2O,厌氧过程的主要产物为有机酸与其他产物。然而有机污染物的降解是一个涉及许多酶和微生物种类的分步过程,一些污染物不可能被彻底降解,只是转化成毒性和移动性较弱或更强的中间产物 [1]  。

影响因子

污染物的性质

污染物在土壤中常以多种形态贮存,不同的化学形态有效性不同。此外,污染的方式(单一污染或复合污染)、污染物浓度的高低也是影响修复效果的重要因素。有机污染物的结构不同,其在土壤中的降解差异也较大。

环境因子

了解和掌握土壤的水分、营养等供给状况,拟订合适的施肥、灌水、通气等管理方案,补充微生物和植物在对污染物修复过程中的养分和水分消耗,可提高生物修复的效率。一般来说,土壤盐度、酸碱度和氧化还原条件与生物可利用性及生物活性有密切关系,也是影响污染土壤修复效率的重要环境条件。

对有机污染土壤进行修复时,添加外源营养物可加速微生物对有机污染物的降解。对PAHs污染土壤的微生物修复研究表明,当调控C:N:P为120:10:l时,降解效果最佳。此外,采用生物通风、土壤真空抽取及加入H2O2等方法对修复土壤添加电子受体,可明显改善微生物对污染物的降解速度与程度。此外,即使是同一种生物通风系统,也应根据被修复场地的具体情况而进行设计。

生物体本身

微生物的种类和活性直接影响修复的效果。由于微生物的生物体很小,吸收的金属量较少,难以后续处理,限制了利用微生物进行大面积现场修复的应用。因此,在选择修复技术时,应根据污染物的性质、土壤条件、污染的程度、预期的修复目标、时间限制、成本、修复技术的适用范围等因素加以综合考虑。微生物虽具有可适应特殊污染场地环境的特点,但土著微生物一般存在生长速度慢、代谢活性不高。在污染区域中接种特异性微生物并形成生长优势,可促进微生物对污染物的降解 [2]  。

发展趋势

1、向绿色与环境友好的土壤生物修复技术发展

利用太阳能和自然植物资源的植物修复、土壤中高效专性微生物资源的微生物修复、土壤中不同营养层食物网的动物修复、基于监测的综合土壤生态功能的自然修复,将是21世纪土壤环境修复科学技术研发的主要方向。农田耕地土壤污染的修复技术要求能原位地有效消除影响到粮食生产和农产品质量的微量有毒有害污染物,同时既不能破坏土壤肥力和生态环境功能,又不能导致二次污染的发生。发展绿色、安全、环境友好的土壤生物修复技术能满足这些需求,并能适用于大面积污染农地土壤的治理,具有技术和经济上的双重优势。从常规作物中筛选合适的修复品种,发展适用于不同土壤类型和条件的根际生态修复技术已成为一种趋势。应用生物工程技术如基因工程、酶工程、细胞工程等发展土壤生物修复技术,有利于提高治理速率与效率.具有应用前景。

2、从单项向联合、杂交的土壤综合修复技术发展

土壤中污染物种类多,复合污染普遍,污染组合类型复杂,污染程度与厚度差异大。地球表层的土壤类型多,其组成、性质、条件的空间分异明显。一些场地不仅污染范围大、不同性质的污染物复合、土壤与地下水同时受污染,而且修复后土壤再利用方式的空间规划要求不同。这样,单项修复技术往往很难达到修复目标,而发展协同联合的土壤综合修复模式就成为场地和农田土壤污染修复的研究方向,例如:不同修复植物的组合修复,降解菌一超积累植物的组合修复,真菌-修复植物组合修复,土壤动物-植物-微生物组合修复,络合增溶强化植物修复,化学氧化-生物降解修复,电动修复-生物修复,生物强化蒸气浸提修复,光催化纳米材料修复等。

3、从异位向原位的土壤修复技术发展

将污染土壤挖掘、转运、堆放、净化、再利用是一种经常采用的离场异位修复过程。这种异位修复不仅处理成本高,而且很难治理深层土壤及地下水均受污染的场地,不能修复建筑物下面的污染土壤或紧靠重要建筑物的污染场地。因而,发展多种原位修复技术以满足不同污染场地修复的需求就成为近年来的一种趋势。例如,原位蒸气浸提技术、原位固定一稳定化技术、原位生物修复技术、原位纳米零价铁还原技术等。另一趋势是发展基于监测的发挥土壤综合生态功能的原位自然修复。

4、基于环境功能修复材料的土壤修复技术发展

黏土矿物改性技术、催化剂催化技术、纳米材料与技术已经渗透到土壤环境和农业生产领域,并应用于污染土壤环境修复,例如利用纳米铁粉、氧化钛等去除污染土壤和地下水中的有机氯污染物。但是,目标土壤修复的环境功能材料的研制及其应用技术还刚刚起步.具有发展前景。但是,对这些物质在土壤中的分配、反应、行为、归趋及生态毒理等尚缺乏了解,对其环境安全性和生态健康风险还难以进行科学评估。基于环境功能修复材料的土壤修复技术的应用条件、长期效果、生态影响和环境风险有待回答。

5、基于设备化的快速场地污染土壤修复技术发展

土壤修复技术的应用在很大程度上依赖于修复设备和监测设备的支撑,设备化的修复技术是土壤修复走向市场化和产业化的基础。植物修复后的植物资源化利用、微生物修复的菌剂制备、有机污染土壤的热脱附或蒸气浸提、重金属污染土壤的淋洗或固化一稳定化、修复过程及修复后环境监测等等都需要设备。尤其是对城市工业遗留的污染场地,因其特殊位置和土地再开发利用的要求,需要快速、高效的物化修复技术与设备。开发与应用基于设备化的场地污染土壤的快速修复技术是一种发展趋势。一些新的物理和化学方法与技术在土壤环境修复领域的渗透与应用将会加快修复设备化的发展,例如,冷等离子体氧化技术可能是

一种有前景的有机污染土壤修复技术(未发表资料),将带动新的修复设备研制。

6、向土壤修复决策支持系统及后评估技术发展

污染土壤修复决策支持系统是实施污染场地风险管理和修复技术快速筛选的工具。污染土壤修复技术筛选是一种多目标决策过程,需要综合考虑风险削减、环境效益与修复成本等要素。欧美许多土壤修复研究组织如CLARINET、EUGRIS、NATOPCCMS等针对污染场地管理和决策支持进行了系统研究和总结。一些辅助决策工具如文件导则、决策流程图、智能化软件系统等已陆续出台和开发,并在具体的场地修复过程中被采纳。基于风险的污染土壤修复后评估也是污染场地风险管理的重要环节,包括修复后污染物风险评估、修复基准及土壤环境质量评价等内容。土壤污染类型多种多样,污染场地错综复杂,需要发展场地针对性的污染土壤修复决策支持系统及后评估方法与技术  。

 

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