劉忠義 楊 川 黃子濤 唐謀生

(湖南省環(huán)保廳輻射環(huán)境監(jiān)督站長沙 410014)

放射性污染土壤危害及其防治對策的探討

劉忠義 楊 川 黃子濤 唐謀生

(湖南省環(huán)保廳輻射環(huán)境監(jiān)督站長沙 410014)

本文闡述放射性污染土壤的危害,是人們生產(chǎn)、生活中不能忽視的問題,要采取有效措施進(jìn)行治理和修復(fù)。重點(diǎn)探討了間接防治、直接治理、采用耐輻射微生物、超積累植物和森林等修復(fù)技術(shù)的防治對策。只有通過有效方法進(jìn)行治理和修復(fù),才能起到阻截廢氣、廢液、廢渣進(jìn)入土壤,控制污染源,使污染土壤恢復(fù)原有的功能。

放射性;土壤污染危害;防治對策;植物修復(fù)技術(shù)

土壤和空氣、水一樣,是人類環(huán)境的基本要素之一,是人類賴以生存、生活和生產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)。土壤污染是指在人類生產(chǎn)和生活活動(dòng)中排出的有害物質(zhì)進(jìn)入土壤中,直接或間接地危害人畜健康的現(xiàn)象。土壤放射性污染的危害是由于放射性污染物進(jìn)入土壤后,進(jìn)入植物,通過食物鏈進(jìn)入人體,對人體內(nèi)臟產(chǎn)生傷害,同時(shí)產(chǎn)生遺傳效應(yīng)。因此,放射性污染土壤必須采取治理措施和修復(fù)技術(shù),來保護(hù)人類賴以生存、生活和生產(chǎn)的土壤。

1 放射性污染土壤的危害

放射性污染物質(zhì)散發(fā)在大氣、沉降于水源中,最后進(jìn)入土壤 (另有部分直接進(jìn)入土壤),而放射性元素半衰期長,其污染物進(jìn)入土壤后,危及生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定,進(jìn)入植物 (包括糧食作物、蔬菜、果樹),通過食物鏈進(jìn)入人體,威脅人類的生命健康和其他生物的生存 (如圖 1)。

圖 1 放射性物質(zhì)進(jìn)入人體途徑

1.1 放射性物質(zhì)進(jìn)入人體的主要途徑

存在于空氣中的放射性氣溶膠 (直徑 10-3μm～1μm的固體或液體顆粒)或放射性氣體經(jīng)呼吸進(jìn)入肺部。進(jìn)入肺部的放射性核素一部分轉(zhuǎn)移到體液中,一部分被呼出體外。另一部分到咽喉并被吞噬到消化道,經(jīng)消化道進(jìn)入人體;某些放射性物質(zhì),經(jīng)過皮膚或皮膚傷口進(jìn)入,例如氧化氯和碘的化合物可以通過完好的皮膚進(jìn)入人體,從皮膚傷口進(jìn)入的放射性物質(zhì)經(jīng)皮下組織直接進(jìn)入體液。在體液中的放射性核素,有一部分被排出體外,其余部分被沉積在與它相親和器官組織中。

1.2 對人體內(nèi)臟的傷害[1]

人體中對電離反應(yīng)最敏感的一些部位包括淋巴組織、骨髓、脾臟、生殖器和腸胃道,敏感性居中的有皮膚、肺、和肝臟。不同核素在人體內(nèi)的轉(zhuǎn)移情況及內(nèi)臟組織攝取情況是不同的,即使同一核素 (如239Pu)由于其物理化學(xué)狀態(tài)的不同,在體內(nèi)的轉(zhuǎn)移定位也是不同的,例如131I將深集于甲狀腺,有誘發(fā)甲狀腺癌的危險(xiǎn);239Pu濃集于肺和骨,239Pu,90Sr這些親骨性核素,進(jìn)入人體后有誘發(fā)骨肉瘤的危險(xiǎn);钚毒理學(xué)研究確認(rèn),吸入钚有誘發(fā)肺癌和肝癌的危險(xiǎn);137Cs集中在肌肉里,攝入后使全身受到照射。氡 (222Rn)溶解于脂肪細(xì)胞的能力比其周圍的骨髓高 16倍。溶解于脂肪細(xì)胞中的氡及其短壽命子體214Po和218Po衰變的α粒子向其周圍的骨髓和造血細(xì)胞釋放能量,造成骨髓中造血細(xì)胞的放射損傷,引發(fā)白血病;氡還是重要致癌物質(zhì),氡已成為人們心肺癌的主要原因。

1.3 核輻射對人的遺傳效應(yīng)

核輻射的遺傳效應(yīng)是由于引起再生細(xì)胞的遺傳部分的變化所致。遺傳損傷是積累性的,對于受照射的本人并沒有任何明顯的損傷,但是對后代會(huì)有顯著的影響。造成的遺傳效應(yīng)的核素有137銫、14碳、90鋯、103釕和108釕及141鈰和144鈰。特別是137銫和14碳,由于這些放射性同位素是全身分布的,故它們能使生殖器受到照射。137銫釋放γ輻射時(shí),同時(shí)伴隨著137銫的γ光子的發(fā)射,14碳的放射性半衰期為 5760年,它不僅可以發(fā)射β粒子,從而產(chǎn)生遺傳危害,而且遺傳物質(zhì)中的14碳衰變成14氮后,會(huì)引起有害的生物化學(xué)影響,也能夠引起附加的遺傳效應(yīng)。

2 土壤放射性污染的防治對策

被放射性核素污染的土壤,其傳統(tǒng)的修復(fù)方法常破壞環(huán)境,因此,對土壤放射性污染的防治對策或修復(fù)技術(shù)是要視污染情況而定。目前采取的方法,大致分為間接防治法、直接治理法和生物修復(fù)技術(shù)三種。

2.1 土壤放射性污染的間接防治法

間接防治就是先采用機(jī)械物理、化學(xué)、電化學(xué)和物理化學(xué)聯(lián)合去污等方法對放射性污染水源、大型設(shè)備、車輛等進(jìn)行去污。然后將放射性污染物焚燒、固化、掩埋,不要讓放射性污染物質(zhì)進(jìn)入土壤。

2.1.1 機(jī)械物理法

目前主要有：吸塵法,用吸塵器吸除放射性污染物;擦試法,對污染面進(jìn)行遠(yuǎn)距離擦試或打磨,并可配備排氣凈化系統(tǒng);高壓噴射法,利用高壓噴頭射出水或者蒸氣,用機(jī)械力破壞污染層,達(dá)到去污目的;超聲波法,該法利用 18～l00kHz機(jī)械振動(dòng)在固液交界面產(chǎn)生空化作用達(dá)到去污目的。

2.1.2 化學(xué)法

化學(xué)法就是利用化學(xué)清洗劑溶解、疏松、剝離設(shè)備表面放射性拔紊污膩物,涂層,氧化膜層等,從而達(dá)到去污目的。所用化學(xué)藥品包括無機(jī)酸類、有機(jī)酸類、氧化還原類,螯合劑類、堿類、表面活性劑 (如烷基磺酸鹽、烷基吡啶等)以及溶劑、緩蝕劑、促進(jìn)劑等。清洗方式可用浸泡法、循環(huán)法、剝離膜法,從而去除放射性污染物。

2.1.3 電化學(xué)法

該法將去污部件作陽極,電解槽作陰極,在電流作用下污染表面層均勻溶解,污染核素進(jìn)入電解液中。該法去污效率高,電解液可重復(fù)使用,二次廢物量少,可用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜部件去污,可遠(yuǎn)距離操作。

2.1.4 物理——化學(xué)聯(lián)合去污法

該法利用化學(xué)藥劑的溶解作用加之機(jī)械力去除放射性污染物,例如,在化學(xué)浸泡法清洗時(shí)配以超聲波,在高壓射流水中加入化學(xué)藥劑等。

2.2 土壤放射性污染的直接治理法

目前土壤放射性污染直接治理法主要有：自然衰減消除法、化學(xué)處理法和物理填埋法。

2.2.1 自然衰減消除法

自然衰變可使放射性污染土壤降至可接受的程度。達(dá)到這種程度所需的時(shí)間取決于作為污染作用的一種或多種特定同位素的衰變率。對于半衰期短的放射性同位素,自然衰減消除是特別有效的。如89Sr(50.5d)、95Zr(64d)、103Ru(39.35d)、106Ru(368d)、131I(8.02d)、144Ce(284.8d)等經(jīng)過若干年后已經(jīng)全部消亡,殘留下來的是90Sr(28.5a),137Cs(30.17a)以及鈾、钚等壽命較長核素,在偏僻的試驗(yàn)區(qū)、核事故場地均可采用自然衰減消除法。

2.2.2 化學(xué)處理法

對于小規(guī)模放射性污染土壤的處理,如一般核事故、核工業(yè)污染土壤,采用化學(xué)處理法速度快,效果好。由于化學(xué)處理法成本高,對土壤的結(jié)構(gòu)破壞大,不能單獨(dú)用于大區(qū)域土壤放射性污染的治理,通常需要與其他修復(fù)技術(shù)結(jié)合使用,同時(shí),對處理產(chǎn)生的污水不得產(chǎn)生二次污染。

2.2.3 物理填埋法,也叫換土法

它是一種有效的放射性污染土壤物理處理方法,是將污染土壤通過深翻到土壤底層、或在污染土壤上覆蓋清潔土壤、或?qū)⑽廴就寥劳谧咿D(zhuǎn)移至指定的場所填埋。物理填埋法能夠有效地將污染土壤與生態(tài)系統(tǒng)隔離,減少對環(huán)境的影響,技術(shù)原理上比較簡單。

但物理填埋法在處理大規(guī)模,低劑量放射性污染處理時(shí),有如下困難：一是挖掘、運(yùn)輸及深埋含有放射性的泥土,工程量較大,成本高;二是運(yùn)輸放射性泥土有可能造成二次污染;三是鏟除地表土的同時(shí)會(huì)鏟掉已有的植被,恢復(fù)時(shí)間較長;四是收集起來的放射性泥土數(shù)量巨大,費(fèi)用相當(dāng)巨大。

2.3 土壤放射性污染的生物修復(fù)技術(shù)

土壤生物修復(fù)放射性核素污染土壤可利用耐輻射微生物、超積累植物和森林的吸附、截持作用等修復(fù)技術(shù)。

2.3.1 利用耐輻射微生物的作用

隨著科技不斷發(fā)展進(jìn)步,包括耐輻射微生物在內(nèi)的極端微生物的特殊生命現(xiàn)象、生理特征、代謝機(jī)制等備受世界各國科技界的重視。如接種菌根真菌能夠顯著提高植株體內(nèi)放射性核素的含量;利用基因工程改良植物,能夠調(diào)整植物吸收、運(yùn)輸和對核素的耐受性,從而提高其富集放射性核素的能力。Entry·JA等[2]發(fā)現(xiàn),巴哈雀稗,宿根高粱和柳枝稷自身能吸收土壤中的137Cs和90Sr,接種菌根真菌摩西球囊霉和根內(nèi)球囊霉后,能增加每種草的地上部分生物量,提高植物組織中137Cs和90Sr的濃度和積聚率,尤其以摩西球囊霉接種宿根高粱效果最為明顯。接種后的草類有效除去了土壤中的放射性核素。另外,曾有研究人員將鯽魚細(xì)胞中能夠分解重金屬的"MT"基因移植給薔薇、白楊等細(xì)胞,開發(fā)出能凈化包括放射性核素在內(nèi)的重金屬污染的植物。因此,在一定程度上用菌根植物修復(fù)和開墾放射性核素污染的土壤是一個(gè)可行的對策。

據(jù)資料介紹目前有人研究已獲得耐 10000Gy～30000Gy輻射,包括"耐輻射奇異球菌"在內(nèi)的各類耐輻射細(xì)菌、放線菌、真菌共 1000余株,因此,耐輻射微生物在放射性污染生物修復(fù)、防止核電站放射性核素滲漏方面有可喜發(fā)展前景。

2.3.2 利用超積累植物的特性

資料表明,適用于植物修復(fù)技術(shù)的放射性核素主要有137Cs、90Sr以及 Pu和 U的同位素等。目前對超積累植物研究較多的是137Cs和90Sr,主要是因?yàn)?37Cs和90Sr都是水溶性的長壽命金屬核素,分別與營養(yǎng)元素 Ca、K的化學(xué)行為相近,而對Pu、U的超積累植物的物理化學(xué)性質(zhì)比較特殊,研究較少。

切爾諾貝利事件之后,對137Cs和90Sr的植物修復(fù)進(jìn)行了許多研究和試驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)反枝莧在大面積土壤放射性污染植物修復(fù)時(shí)可富集土壤中20.7%的137Cs,對發(fā)生切爾諾貝利事故附近的野生植物進(jìn)行調(diào)查后發(fā)現(xiàn),唇形科、菊科、木靈蘚科、薔薇科等科屬中的植物對 Cs的積累量大于1000Bq/kg,下表列出了某些放射性核素的超積累植物名稱或科屬。

表 1 某些核素及其超積累植物

放射性核素污染土壤的植物修復(fù)技術(shù)主要有三種[3]：一是植物固化技術(shù),即利用耐某種放射性核素植物降低該核素的活性,從而減少金屬被淋濾到地下水或通過空氣擴(kuò)散進(jìn)一步污染環(huán)境的可能性;二是植物提取技術(shù),即利用某種放射性核素的超積累植物將土壤中的核素轉(zhuǎn)運(yùn)出來,富集并搬運(yùn)到植物根部可吸收部位和地上部位,待植物收獲后再進(jìn)行處理,使土壤中放射性核素的含量降低到可接受水平;三是植物蒸發(fā)技術(shù),即植物從土壤中吸收放射性核素 (如氚),然后通過葉面作用將它們蒸發(fā)掉。

2.3.3 利用森林的吸附和截持作用

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,具有獨(dú)有的特點(diǎn)和功能,能夠富集大量的放射性核素和阻止放射性核素向周邊地區(qū)擴(kuò)散,因此,利用森林修復(fù)放射性核素污染的土壤具有重要的意義。

森林生態(tài)系統(tǒng)對放射性核素的容量大,當(dāng)風(fēng)經(jīng)過林緣時(shí),一部分越過林冠層,另一部分則透過林冠層,經(jīng)林冠層過濾,由于林冠接觸面大,能夠有效地吸附和保持放射性核素,并且絕大部分的放射性核素沉降在離林緣 500m的范圍內(nèi),產(chǎn)生所謂的邊緣效應(yīng)。小塊森林比大面積的森林截持量大,有時(shí)高 30多倍。有數(shù)據(jù)證明,放射性核素

(32P、40K、60C0、90Cr、106Ru、106Rn、137Cs、144Ce)往往通過森林植物體表面吸附而被森林截持,在放射性核素剛開始釋放的一定時(shí)期內(nèi),森林能截持95%～97%的放射性核素,特別對氣態(tài)和顆粒狀的放射性核素截持效果特別好;落葉樹種能截持年空氣沉降放射性核素總量的 10%～20%,針葉樹種能截持 20%～30%,因此,森林對放射性核素的截持和容量是相當(dāng)大的[4]。

在放射性污染區(qū)可以選擇柳樹作為短周期能源林進(jìn)行經(jīng)營,培育 2～3年就可收獲其生物量,作為燃料使用,以達(dá)到對放射性核素污染土壤的修復(fù)和利用的目的。

3 結(jié)束語

土壤和空氣、水一樣,是人類環(huán)境的基本要素之一,它處于大氣圈、水圈、巖石圈和生物圈之間的過渡地帶,是人類賴以生存、生活和生產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)。被放射性核素污染的土壤：一是采取間接防治法,利用機(jī)械物理、化學(xué)、電化學(xué)和物理化學(xué)聯(lián)合去污等方法,然后將放射性污物染焚燒、固化、掩埋,不要讓放射性污染物質(zhì)進(jìn)入土壤;二是采取自然衰減消除、化學(xué)處理和物理填埋等直接治理法,能夠有效地將污染土壤與生態(tài)系統(tǒng)隔離,不要產(chǎn)生二次污染;三是利用耐輻射微生物、超積累植物和森林的吸附、截持作用等修復(fù)技術(shù),有些耐輻射細(xì)菌、放線菌、真菌能耐 10000Gy～30000Gy輻射,某些超積累植物對 Cs的積累量大于 1000Bq/kg,森林能截持 95%～97%的放射性核素,通過綜合性防冶,就能達(dá)到對放射性核素污染土壤的修復(fù)和利用的目的。

[1]蔣江波,張立柱,唐謀生等.港口環(huán)境放射性污染與監(jiān)測[M].北京,化學(xué)工業(yè)出版社,2009,(6)：35～38.

[2]WatrudLS,ReevesM.Accumulationof137Csand90Srfrom contaminatedsoinbythreespeciesinoculatedwithmycorrhizal fungi[J].EnvironPollut,1999,104(3)：449～459.

[3]田軍華,曾敏,楊勇等.放射性核素污染土壤的植物修復(fù)[J].四川環(huán)境 ,2007,26(5)：93～95.

[4]VPKrasnow.Thedirectionandintensityof137Csfluxesinforestecosystems[J].ContaminatedForest,1999.

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A

1673-288X(2010)06-0033-04

劉忠義 (1964—),男,湖南冷水江人,工程師,主要研究方向是環(huán)境放射性污染治理與監(jiān)督管理。