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幾種典型的土壤汙染修複技術綜述

发布日期:2014-04-28 14:38 文章作者:徐鐵兵 訪問量:? 字体 :[ 大 ][ 中 ][ 小 ]

徐鐵兵1*,梁靜1,孫玉豔1
(1.河北省環境科學研究院,河北,石家莊,050037
 
摘要:土壤汙染是當前重要的環境問題之一。隨著汙染場地的增多,如何安全有效地修複這些受汙染的土壤已成爲我國急需解決的環境問題。本文概述了目前國內外汙染土壤常用的修複技術及其研究進展,包括物理修複、化學修複和生物修複。各種修複技術各有所長、也各有所短。爲克服單一方法的缺點,發揮不同修複技術的長處,提出了加強研發汙染土壤綜合修複技術的建議。
關鍵詞:土壤汙染;重金屬;石油烴;持久性有機物(POPs);土壤修複技術
 
Abstrct:The soil contamination is a world-wide environmental problem. With the increasing area of polluted soil, safe and effective remendiation has become an urgent envrionmental problem. This paper introduces the remediation technologies and the research progress at home and abroad. These remediation technologies include physical, chemical and biological remediationVarious repair techniques, and each one has his good points. Each man has his limitations. In order to overcome the disadvantages of single method and play different repair technology strengths, the advice that strengthen research and develop comprehensive repairing technology of polluted soil is put forward.
Key words: soil pollution; heavy metal; petroleum hydrocarbon; POPs; Soil remediation technology
 
1 引言
土壤是人類賴以生存的主要自然資源之一,也是人類生態環境的重要組成部分。土壤是由礦物質、動植物殘體腐解産生的有機物質、土壤生物、水分和空氣等固、液、氣三相組成的。土壤介質是非均質的集合體,結構複雜,大量有機、無機膠體和氧化物相互交錯、混雜,介質表面上的存在電場和剩余力場,具有巨大的表面能,能與土壤液、氣相中的離子、質子、分子相互作用。與此同時,土壤中的生物體系非常豐富,包括微生物區系、微動物區系和動物區系,其中尤以微生物最爲活躍。土壤生物使土壤具有生物活性,是土壤形成、養分轉化、物質遷移、汙染物遷移轉化的重要參與者。此外,土壤中的有機和無機的氧化性和還原性物質構成了一個複雜的氧化還原混合體系,土壤在這些物質的共同作用下表現出一定的氧化-還原特性。土壤的氧化-還原性對土壤中物質的遷移轉化具有重要影響。土壤的這些性質,使土壤具備了一定的自淨能力,包括揮發、擴散、稀釋、吸附、生物降解、氧化還原等作用,對外來物質的進入體現出了一定的容量。
虽然土壤自身的净化作用可以减少土壤中汙染物的汙染程度, 但是如果进入土壤中的汙染物含量在数量和速度上超过土壤的自净能力, 即超过土壤的环境容量, 终将会导致土壤的汙染。土壤汙染在中國已成爲一個日益嚴重的問題。這些汙染場地的存在帶來了雙重問題:一方面是環境和健康風險;另一方面是阻礙了城市建設和地方經濟的發展。解決此問題最直接方法是場地修複[1]
 
2 土壤修複技術
2.1 幾種典型的土壤汙染問題
1)重金屬汙染
土壤重金屬來源廣泛,包括采礦、冶金和化工等工業排放的三廢和汽車尾氣,以及農藥和化肥的施用等[2]土壤中的重金屬元素按生物化學特性可分爲2類:一類是對作物和人畜有害的元素,如汞、镉、鉛及類金屬砷等,應減少其含量,使其不超過環境容量;另一類是在常量下對作物和人體有益,而過量時則出現危害的元素,如銅、鋅、鉻、錳及類金屬硒等,應控制其含量,使其有益作物生長和人體健康。
(2)石油汙染
石油汙染是指在石油的开采、炼制、贮运、使用过程中原油和各种石油制品进入环境而造成的汙染,土壤中的石油汙染物多集中在20 cm 左右的表层[3]。石油開采過程中産生的落地油和油田的接轉站、聯合站的油罐、沈降罐、汙水罐、隔油池的底泥,煉油廠含油汙水處理設施産生的油泥,也是我國油田土壤石油汙染的主要來源[4]汙染土壤中石油主要成分为C15-C36 的烷烃、多环芳香烃、烯烃、苯系物、酚类等,其中环境优先控制汙染物多达30 种[5]
(3)化肥汙染
在现代农业生产中,化学肥料是粮食增产的物质基础和农业生产资料的主体,成为农业生产主要的外来营养物质,化肥在粮食增产中的贡献率在40%-60%,稳定在50%左右。化肥中含有的有毒重金属、无机酸类和有机物等副成分或混杂成分,是汙染土壤的主要成分。其中重金属主要有铬、镉、汞、砷、铅、锌、镍、铜、钴、锰等,磷肥中含量最多;有机汙染物主要有邻苯二甲酸酯、硝基苯类、氯代烯类等,其次为醚类、胺类、多环芳烃、氯代烷类等;在21种肥料中,几乎全部检出邻苯二甲酸二甲酯、邻苯二甲酸正丁酯和邻苯二甲酸双酯;六氯环戊二烯和2,6-二硝基甲苯在大部分肥料中被检出[6]
4)农药汙染
據初步統計,我國至少有l300-1600萬hm2耕地受到农药汙染。有机磷和有机氯农药是造成土壤农药汙染的主要种类。2001年联合国环境规划署(UNEP)通过的《关于持久性有机汙染物的斯德哥尔摩公约》列出了12种优先控制持久性有机汙染物(POPs),其中农药占了9种(艾氏剂、六氯代苯、氯丹、灭蚁灵、狄氏剂、毒杀芬、DDT、异狄氏剂、七氯);另外,20种被列为潜在持久性有机汙染物中农药也占据了大部分[7]。據2000年國家質檢總局數據,全國47.5%的蔬菜農藥殘留超標,因農殘超標被退回的出口農産品金額達74億美元。
综合上述的各类汙染,不难得出,目前汙染土壤的主要汙染类型包括重金属和有机物,包括石油烃类,有机肥料以及农药中的持久性有机汙染物。
2.2 汙染土壤的修复技术
现有的油汙染土壤修複技術主要包括物理修复、化學修複和生物修複。主要修复途径包括:(1)降低土壤中汙染物的浓度;(2)改变汙染物的形态,使其固定或钝化从而降低其在环境中的迁移性;(3)从土壤中去除[8]
2.2.1 物理修复
20 世纪80年代以前,汙染土壤的治理方法仅限于物理和化学方法。早期的焚烧法、热修复法、换土法、隔离法、机械法等物理方法,要求高温、机械设备或更多人力等,成本较高,而且没有从根本上解决汙染问题,主要是使汙染物发生了转移,还需要对汙染物进一步处理。目前,这些物理方法多应用于一些突发性紧急事件,取而代之的电修复法、热解析法、土壤气相抽提法及CSP 法即净化土壤工艺等一批经济可行的新工艺、新技术逐渐成为研究热点[9]
电修复法将电极插入受汙染的地下水及土壤区域。在施加直流电后,形成直流电场,引起土壤孔隙水及水中的离子和颗粒物质沿电场方向进行定向的电渗析、电迁移和电泳运动,使土壤孔隙中的水和荷电离子或粒子发生迁移运动[10-11]。热解析法是通过对土壤加热升温,将挥发性汙染物从土壤中解析出来,并收集处理。主要应用于有机物修复。土壤气相抽提法
利用物理方法去除石油汙染土壤中挥发性或半挥发性石油组分的一种原位修复技术。CSP 法用含碳的物料(如:煤和焦炭)当作吸附物,在90 ℃和强烈搅拌下通过煤表面强力吸附烃基汙染物,然后用重选或浮选法将干净的土壤和吸附有烃基化合物的煤分开[12]
与传统的土壤修複技術相比,电修复具有人工少、接触毒害物质少、经济效益高、不破坏现场的生态环境等优点,更适合于治理渗透系数低的密质土壤。热解析法需要消耗大量的能量,易使土壤有机质和结构水遭到破坏,同时挥发的有害蒸汽进入大气造成二次汙染。土壤气相抽提法具有可操作性强、处理汙染物的范围宽、可由标准设备操作、不破坏土壤结构及可回收利用废物等优点。
2.2.2生物修複
生物修複是利用生物的生命代谢活动减少土壤中有毒有害物的浓度,使汙染土壤恢复到健康状态的过程。目前,治理汙染土壤的生物修複技术主要有3 类:微生物修複、植物修复、动物修复。
(1)微生物修複
微生物修複是利用土壤中的某些微生物对一种或多种汙染物具有吸收、沉淀、氧化和还原等作用来降低土壤重金属的吸收[13],降解复杂的有机物,修复被汙染的土壤。
微生物修複易受各种环境因素的影响,温度、氧气、水分、pH等均可影响微生物活性从而影响修复效果。每种微生物菌株对影响生长和代谢的生物因子都有一定的耐受范围。如果某一环境中有几种参与生物修複的微生物,就比在同一环境中只有一种修复微生物的耐受范围要宽。但如果环境条件超出了所有定居微生物的耐受范围,微生物的修复作用就会停止[14]
(2)植物修複
1983年美国科学家Chaney首次提出了利用能够富集重金属的植物来清除土壤重金属汙染的设想,即植物修复技术。根据植物修复的机理和作用过程,汙染土壤的植物修复技术主要包括植物提取、植物挥发、植物稳定和植物降解4种基本类型。植物提取是利用耐受并能积累汙染物的植物吸收土壤环境中的汙染物,将它们输送并贮存在植物体的地上部分,通过种植和收割植物而去除土壤中汙染物。植物挥发是利用植物根系分泌的一些特殊物质使土壤中的汙染物转化为可挥发态,或者植物将土壤中的汙染物吸收到体内后将其转化为气态物质释放到大气中,从而净化土壤。植物稳定是指植物通过某种生化过程使汙染基质中汙染物的流动性降低,生物可利用性下降。植物降解,主要针对复杂有机物,是植物通过根系活动和分泌物与根际微生物的联合作用降解汙染物的生物化学过程。
植物提取修复技术是目前应用最多、最有发展前景的土壤汙染植物修复技术。植物挥发修复技术应用于修复汙染土壤,能有效去除土壤中的汙染物,但只限于挥发性物质,应用范围较小,而且是将汙染物转移到大气中,有没有环境风险有待于进一步研究,因此,在采用植物挥发修复技术时应持谨慎态度。植物稳定修复并没有从土壤中将汙染物去除,只是暂时将其固定,当土壤环境发生变化时汙染物仍可能重新活化并恢复毒性,因而,没有彻底解决土壤汙染问题[14]
(3)動物修複
动物修复技术指通过土壤动物群的直接(吸收、转化和分解)或间接作用(改善土壤理化性质,提高土壤肥力,促进植物和微生物的生长)而修复土壤汙染的过程。动物修复技术包括两方面内容:①将生长在汙染土壤上的植物体、粮食等饲喂动物,通过研究动物的生化变异来研究土壤汙染状况;②直接将土壤动物,如蚯蚓、线虫类饲养在汙染土壤中进行有关研究。目前,此技术在石油类汙染中应用的较多。
2.2.3化學修複
化學修複是通过土壤中的吸附、溶解、氧化还原、拮抗、络合螯合或沉淀作用,以降低土壤中汙染物的迁移性或生物有效性。常用的化學修複方法有固化、稳定化、萃取、化学氧化和淋洗。固化是将重金属汙染土壤按一定比例与固化剂混合,经熟化最终形成渗透性很低的固体混合物,从而将汙染物固封在固化体中,隔离汙染土壤与外界环境的联系,达到控制汙染物迁移的目的。稳定化是通过向土壤中添加化学物质,改变重金属的形态或价态,将汙染物转化为不易溶解、迁移能力或毒性小的状态或形式。萃取法根据相似相溶原理, 使用有机溶剂对石油汙染土壤中的原油进行萃取,然后对有机相进行分离,溶剂分离出来循环使用,回收油则用于回炼。向被汙染的土壤中喷撒或注入化学氧化剂,使其与汙染物质发生化学反应来实现净化的目的。淋洗法是用清水淋洗液或含有化学助剂的水溶液淋洗被汙染的土壤,使得汙染物清洗出去。
固化技术修复时间短、易操作,但会破坏土壤结构,而且需要使用大量的固化剂,只适用于汙染严重但面积较小的土壤。萃取法使油资源得到了回收利用,存在的问题是流程长,工艺复杂,处理费用高,该方法只对油污浓度较高的土壤适用。土壤洗涤法的能源消耗较低,处理费用也低,而且可以回收洗脱下来的原油,这不仅可以使被石油汙染的土壤得到初步净化,而且其经济效益也很可观。化学氧化法不必开挖土地,不破坏土壤结构, 可灵活应用于不同类型汙染物的处理,但操作比较复杂[15]
 
3結語
土壤修複技術是一项涵盖地质学、化学、物理学、材料学、生物学和环境学的多学科综合技术。近年来,对石油汙染土壤治理的研究很多,世界各国纷纷制定石油汙染土壤的修复与治理计划,并取得很大进展目前土壤重金属汙染物修复技术在探索中发展。物理修复、化學修複、生物修複技术本身都有明显的局限性。物理修复技术能量消耗高、需要专门设备、处理成本高、工作量大,只能处理小面积的汙染土壤;化学法处理易破坏土壤团粒结构、处理成本高、存在二次汙染的风险;生物修複存在过程缓慢、汙染物降解的有些中间产物毒性甚至超过其自身,场地条件和环境因素对修复效率的影响大,修复效果不稳定。为克服单一方法的缺点,发挥不同修复技术的长处,研究开发土壤汙染综合修复技术尤显重要。重点在不同生物技术的综合利用和开发物理、化学和生物联合修复工艺。
 
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作者简介:徐鐵兵(1973 -),男,工學碩士,高級工程師,研究方向爲環境影響評價和固體廢物資源化。Tel0311-89253571    E-mailxutb@foxmail.com 通訊地址:河北省石家莊市裕華區雅清街30號。

發布者:辦公室
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