劉明浩 花發(fā)奇

摘 要:本文分別從物理、化學(xué)以及生物等方面對現(xiàn)代土壤修復(fù)技術(shù)進行總結(jié)、描述,主要包括電動修復(fù)、穩(wěn)定/固化、透水反應(yīng)墻、淋洗/浸提、挖掘、熱處理、玻璃化技術(shù)等,以及動物、植物、微生物等生物修復(fù)技術(shù),并結(jié)合以上技術(shù)對土壤修復(fù)的前景進行展望和建議。

關(guān)鍵詞:土壤修復(fù)技術(shù)

中圖分類號:S156 文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2012)05(c)-0120-02

1 土壤修復(fù)的必要性

土地是“生命之基,萬物之母”,在人類繁衍、生活中扮演著重要的角色,但是長期以來,由于現(xiàn)代社會經(jīng)濟發(fā)展方式粗放、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和布局不合理,人類活動產(chǎn)生的各種污染物絕大部分最終進入土壤,致使土壤環(huán)境質(zhì)量及其安全性能日益下降。

中國耕地資源極其匱乏,用占世界7%的耕地養(yǎng)活占世界22%的人口,耕地數(shù)量保護面臨的任務(wù)異常艱巨,耕地質(zhì)量保護承擔的責任十分重大。土壤環(huán)境保護事關(guān)廣大人民群眾“菜籃子”、“米袋子”和“水缸子”的安全,是重大的民生問題。

2 土壤污染概況

隨著經(jīng)濟發(fā)展與城市化的加速,工礦企業(yè)導(dǎo)致的場地污染變得十分嚴重。由于產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與城市布局的變化與調(diào)整,有些化工、冶金等污染企業(yè)紛紛搬遷,加上一些企業(yè)的倒閉,污染場地不斷產(chǎn)生。沒有處理的污染場地將是化學(xué)定時炸彈,有必要妥善管理并加以修復(fù),使其得到合理利用。

3 污染土壤的物理、化學(xué)修復(fù)技術(shù)

3.1 電動修復(fù)技術(shù)

電動修復(fù)技術(shù)最先是由美國路易耶安那州立大學(xué)研究、開發(fā)的一種凈化土壤污染處理技術(shù),是一種原位修復(fù),主要是針對受污染的底透水系數(shù)土壤等的修復(fù),其基本原理是將電極插入受污染土壤區(qū)域,通過施加微弱電流形成電場?？障吨械牡叵滤蝾~外補充的流體可作為傳導(dǎo)的介質(zhì),污染物則在電場產(chǎn)生的各種電動力學(xué)效應(yīng)下沿電場方向定向遷移,在電極區(qū)附近發(fā)生氧化、還原反應(yīng),經(jīng)過電沉降、沉積等作用將污染物集中處理或分離。

電動修復(fù)技術(shù)的特點是不需要投入化學(xué)藥劑,其過程對環(huán)境很少有負面影響,幾乎沒有二次污染。同時,該技術(shù)對電荷缺乏的非極性有機物去除效果不好。

3.2 穩(wěn)定/固化

通過投加化學(xué)藥劑(石灰、瀝青或者硅酸鹽水泥等,其中水泥應(yīng)用最為廣泛)或者使用其他手段,使土壤在物理上隔離污染物或者在化學(xué)上轉(zhuǎn)化成不活潑的形態(tài),降低污染物的危害,防止產(chǎn)生二次污染(比如污染水源、濃縮物等),穩(wěn)定/固化技術(shù)同樣分為原位和異位修復(fù)技術(shù)。穩(wěn)定/固化技術(shù)通常適用于重金屬污染土壤的修復(fù),處理無機污染物質(zhì),不適用于有機污染物(比如半揮發(fā)性有機物和農(nóng)藥殺蟲劑)污染土壤的修復(fù)。

3.3 透水性反應(yīng)墻技術(shù)

滲透反應(yīng)墻技術(shù)。滲透反應(yīng)墻是一種原位處理技術(shù),在淺層土壤與地下水,構(gòu)筑一個具有滲透性、含有反應(yīng)材料的墻體,污染水體經(jīng)過墻體時其中的污染物與墻內(nèi)反應(yīng)材料發(fā)生物理、化學(xué)反應(yīng)而被凈化除去。反應(yīng)材料有:零價鐵、有機廢棄物、粘土礦物、磷酸鹽等,要根據(jù)污染物選擇具體材料。此技術(shù)常用于含氯有機試劑、As、重金屬等,實踐證明對含氯有機試劑污染的處理十分有效。

當受污染的地下水流在自身水力梯度作用下通過反應(yīng)墻時,水中有機污染物與墻體中活性材料發(fā)生物理、化學(xué)反應(yīng)而被去除,從而達到土壤修復(fù)的目的。由于受污染水是利用重力作用流經(jīng)反應(yīng)墻,不需額外能量提供和地面處理系統(tǒng),而且活性介質(zhì)消耗很慢,有幾年甚至十幾年的使用壽命,反應(yīng)墻一旦安裝完畢,除某些情況下需要更換墻體反應(yīng)材料外,幾乎不需要其他運行和維護費用。

3.4 淋洗/浸提技術(shù)

淋洗技術(shù)是一種借助能促進土壤環(huán)境中污染物溶解或遷移作用的溶劑(常用的溶劑有水、甲醇、乙醇等),通過水力壓頭推動清洗液,將其注入被污染土層中,然后再將包含污染物的液體從土層中抽提出來,進行分離和污水處理的技術(shù)?；瘜W(xué)淋洗技術(shù)適用于水力傳導(dǎo)系數(shù)大于10-3cm/s的多空隙、易滲透的土壤,如沙土、砂礫土壤、沖積土和濱海土;也適用于土壤粘粒含量低于25%、被重金屬、放射性核素、石油烴類、揮發(fā)性有機物、多氯聯(lián)苯和多環(huán)芳烴等污染的土壤;不適用于紅壤、黃壤等質(zhì)地較細的土壤。

浸提技術(shù)是利用物理方法通過降低土壤孔隙的蒸汽壓,把土壤中的污染物轉(zhuǎn)化為蒸汽形式而加以去除的技術(shù)。汽提技術(shù)適用于地下含水層以上的包氣帶;原位多相浸提技術(shù)適用于包氣帶和地下含水層,亨利系數(shù)大于0.01或者蒸汽壓大于66.66Pa的揮發(fā)性有機化合物,如揮發(fā)性有機鹵代物和非鹵代物,也可用于去除土壤中的油類、重金屬、多環(huán)芳烴或二噁英等污染物;異位土壤汽提技術(shù)適用于修復(fù)含有揮發(fā)性有機鹵代物和費鹵代物的污染土壤;多相浸提技術(shù)適用于處理中、低滲透型地層中的揮發(fā)性有機物。

3.5 挖掘

通過機械、人工等手段,使土壤離開原位置的過程。一般包括挖掘過程和挖掘土壤的后處理、處置和再利用過程。在場地修復(fù)的各個階段和多種修復(fù)技術(shù)實施過程中都可能采用挖掘技術(shù),如場地環(huán)境評估、修復(fù)活動中和后評估階段。作為修復(fù)技術(shù),挖掘只能作為修復(fù)方案的一部分,不能適用于傳統(tǒng)的挖掘填埋技術(shù)方案。

3.6 熱處理

通過直接或間接熱交換,將污染介質(zhì)及其所含的有機污染物加熱到足夠的溫度(160～540℃),使有機污染物從污染介質(zhì)揮發(fā)或分離的過程,按溫度可分成低溫熱處理技術(shù)(土壤溫度為160～315℃)和高溫熱處理技術(shù)(土壤溫度為275～540℃)。熱處理修復(fù)技術(shù)適用于處理土壤中揮發(fā)性有機物、半揮發(fā)性有機物、農(nóng)藥、高沸點氯代化合物,不適用于處理土壤中重金屬腐蝕性有機物、活性氧化劑和還原劑等。

3.7 玻璃化技術(shù)

玻璃化技術(shù)是將重金屬污染的土壤置于溫高壓條件下,形成玻璃態(tài)結(jié)構(gòu),使重金屬固定于其中,穩(wěn)定了土壤中的重金屬。該技術(shù)可以從根本上消除土壤中重金屬的污染且去除速度快,但其技術(shù)工程量大、費用高,常用于重金屬重污染區(qū)的搶救性修復(fù)。

3.8 冰凍土壤技術(shù)

冰凍土壤修復(fù)是通過適當?shù)墓艿啦贾?在地下以等距離的形式圍繞已知的污染源垂直安放,然后對環(huán)境無害的冰凍溶劑送人管道而凍結(jié)土壤中的水分,形成地下凍土屏障,防止土壤或地下水中的污染物擴散。

4 污染土壤的生物修復(fù)技術(shù)

生物修復(fù)技術(shù)是利用生物的生命代謝活動降低環(huán)境中有毒有害物質(zhì)的濃度或使其完全無害,從而使污染的土壤部分地或完全地恢復(fù)到原始狀態(tài)。生物修復(fù)技術(shù)包括動物修復(fù)、微生物修復(fù)和植物修復(fù)。

生物修復(fù)機理是利用生物(主要是微生物、植物和動物)作用,削減、凈化土壤中重金屬或降低重金屬毒性。這種技術(shù)主要通過2種途徑來達到對土壤中重金屬的凈化作用:1)通過生物作用,改變重金屬在土壤中的化學(xué)形態(tài),使重金屬固定或解毒,降低其在土壤環(huán)境中的移動性和生物可利用性;2)通過生物吸收、代謝;達到對重金屬的削減、凈化與固定。

4.1 動物修復(fù)技術(shù)

動物修復(fù)技術(shù)是利用土壤中某些低等動物如蚯蚓等吸收土壤中的重金屬,從而在一定程度上降低污染土壤中重金屬的含量。這種途徑雖能在一定程度上減少土壤中重金屬含量,但低等動物吸收重金屬后可能再次釋放到土壤中造成二次污染。研究表明,飼養(yǎng)在牛糞和生活垃圾中的蚯蚓對硒和銅元素的富集能力很強,且富集銅的能力比富集硒的能力強。

蚯蚓也能通過提高土壤重金屬的活性使得植物吸收重金屬的效率增加,通過模擬土壤污染試驗發(fā)現(xiàn)蚯蚓活動能明顯提高紅壤Cu的生物有效性,使得紅壤中DTPA提取態(tài)Cu的含量明顯增加,從而提高植物對重金屬的吸收和富積效率。

4.2 微生物修復(fù)技術(shù)

微生物修復(fù)技術(shù)是利用土壤中特定的一些微生物對重金屬的吸收、沉淀、氧化還原等作用,降低土壤重金屬毒性。某些微生物能代謝產(chǎn)生檸檬酸、草酸等物質(zhì),這他們能與重金屬產(chǎn)生螯合或形成草酸鹽沉淀,以便減輕重金屬對環(huán)境的污染危害。大量研究已經(jīng)證實,真菌可以通過分泌氨基酸、有機酸以及其他代謝產(chǎn)物來溶解重金屬以及含重金屬的礦物。研究發(fā)現(xiàn),以土壤有機質(zhì)或土壤有機質(zhì)加麥稈作為微生物的碳源時,微生物并不促進鉛、鎘、鋅、銅等重金屬的溶解;如果在加入土壤有機質(zhì)、麥稈的同時還加入容易被微生物利用的葡萄糖,經(jīng)過一段時間后,未滅菌處理的淋洗液中重金屬離子濃度明顯高于滅菌處理的。某些微生物能夠產(chǎn)生胞外聚合物,這些物質(zhì)具有大量的陰離子基團,由于陰離子基團對重金屬具有很強的親合吸附性,有毒金屬離子可以沉積在細胞的不同部位或結(jié)合到胞外基質(zhì)上,或被輕度螯合在可溶性或不溶性生物多聚物上。

在重金屬的脅迫下,某些微生物能通過自身的生命活動積極地改變環(huán)境中重金屬的存在狀態(tài),其主要機理是微生物通過氧化、還原、甲基化和脫甲基化作用轉(zhuǎn)化重金屬,改變其毒性。

4.3 植物修復(fù)技術(shù)

1)植物提取修復(fù)技術(shù)。

植物提取修復(fù)指利用某些植物對某種重金屬的超富集能力對重金屬污染的土壤進行徹底修復(fù)。

根據(jù)植物聚集、吸收、運輸、富集污染物的特性,植物修復(fù)可分為2種類型:第一種為連續(xù)吸收,就是把重金屬富集植物種植于在污染土壤中;第二種螯合輔助吸收,即利用速生型重金屬富集作物與螯合輔助劑配合,促進植物的吸收,比如說可吸收Pb,但是經(jīng)研究表明,還達不到土壤修復(fù)的要求,如果在土壤中加入人工合成的螯合劑,則可大大增加芥菜對Pb的吸收。

2)植物揮發(fā)修復(fù)技術(shù)。

植物揮發(fā)修復(fù)技術(shù)是利用植物根系分泌的一些特殊物質(zhì)使土壤中的重金屬轉(zhuǎn)化為可揮發(fā)態(tài),或者植物將土壤中的重金屬吸收到體內(nèi)后將其轉(zhuǎn)化為氣態(tài)物質(zhì)釋放到大氣中,從而凈化土壤的一種修復(fù)技術(shù)。植物揮發(fā)要求被轉(zhuǎn)化后的鉛結(jié)合成難溶的磷酸鉛,使鉛固化而降低鉛的毒性;一些植物在體內(nèi)能將Se、As和Hg等甲基化而形成可揮發(fā)性的分子,從而釋放到大氣中;一些煙草和轉(zhuǎn)基因植物如擬南芥也能將有機汞和無機汞鹽轉(zhuǎn)化為氣態(tài)單質(zhì)汞;一些農(nóng)作物如水稻、花椰菜、卷心菜、胡蘿卜、大麥和苜蓿等和一些水生植物如大聚藻、香蒲等也有較強的吸收或揮發(fā)土壤或水中硒的能力。

采用植物揮發(fā)修復(fù)技術(shù)這種方法將污染物轉(zhuǎn)移至大氣,對人類和生物具有一定的風險。

3)植物固化修復(fù)技術(shù)。

植物固化指利用植物根際的一些特殊物質(zhì),使土壤中污染物轉(zhuǎn)化為相對無害的物質(zhì),再由耐重金屬植物或超積累植物降低重金屬的活性,從而降低金屬被淋濾到地下水或通過空氣擴散進一步污染環(huán)境的可能性。其機理主要是通過改變根際環(huán)境(DH、Eh)使得重金屬的形態(tài)發(fā)生改變,在植物的根部積累和沉淀,降低重金屬在土壤中的移動性,并未減少土壤重金屬的含量,只是暫時固定土壤重金屬,包括分解、螯合、氧化還原等多種反應(yīng)。

4.4 生物修復(fù)技術(shù)展望

生物修復(fù)技術(shù)治理土壤污染,跟生物方法處理廢水一樣,是當前環(huán)境工程及科學(xué)研究領(lǐng)域研究的重要內(nèi)容之一,是一種處理效率高、運行穩(wěn)定、處置費用低、不產(chǎn)生二次污染和現(xiàn)場可操作性強的方法。目前世界各國對土壤重金屬污染修復(fù)技術(shù)進行了廣泛的研究,取得了可喜的進展,但在如何將植物修復(fù)、生物修復(fù)、物理修復(fù)和化學(xué)修復(fù)科學(xué)地結(jié)合起來方面,目前缺乏深入的研究。對植物修復(fù)中涉及的如何避免二次污染、有關(guān)植物收獲后如何處理的問題,目前還很難解決。另外,植物修復(fù)尚處于實驗室和大田的試驗、示范階段,缺乏污染土壤的修復(fù)實踐,與污染土壤修復(fù)產(chǎn)業(yè)化的形成相距甚遠。在修復(fù)措施方面,應(yīng)積極尋找、篩選對重金屬具有超積累能力的植物,進行超積累植物資源調(diào)查,了解其分布規(guī)律、生長特點、生長環(huán)境,收集并建立超積累植物的數(shù)據(jù)庫。

植物修復(fù)能力不僅與植物特性有關(guān),與植物的根際環(huán)境也密切相關(guān)。如果利用微生物改善植物根際環(huán)境,則將加強植物的修復(fù)功能;如果將適合某種污染的真菌接種在超累積植物,則可能促進植物的修復(fù)作用。植物一微生物修復(fù)系統(tǒng)研究包括特定污染物的最合適微生物的篩選、植物一微生物相互作用機理等內(nèi)容。

5 土壤修復(fù)工作展望

(1)污染土壤的修復(fù)治理是一個綜合的復(fù)雜過程,涉及眾多因素,因此,單一的修復(fù)技術(shù)必然受到制約,影響修復(fù)效果。以上這些土壤修復(fù)技術(shù),雖然各自都有較好的修復(fù)效果,但是各技術(shù)都有一定的適用范圍的限制,而且各個修復(fù)技術(shù)之間缺乏交融性。所以我們要將多種方法融合起來構(gòu)成一個技術(shù)體系,做到融會貫通、游刃有余,以發(fā)揮各自優(yōu)勢,摒棄各自缺點,而解決常規(guī)技術(shù)難以湊效的難題,且修復(fù)效率高、效果好、二次污染小。

(2)現(xiàn)代修復(fù)技術(shù)發(fā)展方向應(yīng)該是從生態(tài)學(xué)角度出發(fā),修復(fù)土壤污染的同時,維護正常的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能,實現(xiàn)綠色意義的污染土壤的修復(fù),實現(xiàn)人和環(huán)境的和諧統(tǒng)一。修復(fù)污染土壤的同時,必須盡量考慮工程實施給環(huán)境帶了的影響,阻止次生污染的發(fā)生,或防止次生有害效應(yīng)的產(chǎn)生。

(3)土壤修復(fù)工作錯綜復(fù)雜,涉及物理、化學(xué)以及微生物、數(shù)學(xué)模型知識,很難做到盡善盡美。因此也可以根據(jù)土壤污染的程度和類型進行分別對待,以實驗、實踐帶動實驗研究,比如微污染、重金屬污染、有機污染物污染、油類污染等進行區(qū)別對待,盡快推進工業(yè)化進程。

(4)在土壤修復(fù)的工作上,借鑒國內(nèi)外的先進經(jīng)驗,學(xué)習、研究、消化、推廣、實踐先進的土壤污染修復(fù)技術(shù),對于土地資源綜合利用,環(huán)境保護及可持續(xù)發(fā)展均具有重要的現(xiàn)實意義。

參考文獻

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