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(duì)現(xiàn)代土壤修復(fù)技術(shù)進(jìn)行總結(jié)、描述,主要包括電動(dòng)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(dòng)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(duì)土壤修復(fù)的前景進(jìn)行展望和建議。

關(guān)鍵詞:土壤修復(fù)技術(shù)

中圖分類號(hào):S156 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):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(wàn)物之母”,在人類繁衍、生活中扮演著重要的角色,但是長(zhǎng)期以來(lái),由于現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(dòng)產(chǎn)生的各種污染物絕大部分最終進(jìn)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(guó)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?cái)?shù)量保護(hù)面臨的任務(wù)異常艱巨,耕地質(zhì)量保護(hù)承擔(dān)的責(zé)任十分重大。土壤環(huán)境保護(hù)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(wèn)題。

2 土壤污染概況

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展與城市化的加速,工礦企業(yè)導(dǎo)致的場(chǎng)地污染變得十分嚴(yán)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(chǎng)地不斷產(chǎn)生。沒有處理的污染場(chǎng)地將是化學(xué)定時(shí)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(dòng)修復(fù)技術(shù)

電動(dòng)修復(fù)技術(shù)最先是由美國(guó)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(duì)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(guò)施加微弱電流形成電場(chǎng)?？障吨械牡叵滤蝾~外補(bǔ)充的流體可作為傳導(dǎo)的介質(zhì),污染物則在電場(chǎng)產(chǎn)生的各種電動(dòng)力學(xué)效應(yīng)下沿電場(chǎng)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(guò)電沉降、沉積等作用將污染物集中處理或分離。

電動(dòng)修復(fù)技術(shù)的特點(diǎn)是不需要投入化學(xué)藥劑,其過(guò)程對(duì)環(huán)境很少有負(fù)面影響,幾乎沒有二次污染。同時(shí),該技術(shù)對(duì)電荷缺乏的非極性有機(jī)物去除效果不好。

3.2 穩(wěn)定/固化

通過(guò)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(wú)機(jī)污染物質(zhì),不適用于有機(jī)污染物(比如半揮發(fā)性有機(jī)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(gè)具有滲透性、含有反應(yīng)材料的墻體,污染水體經(jīng)過(guò)墻體時(shí)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(jià)鐵、有機(jī)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(jī)試劑、As、重金屬等,實(shí)踐證明對(duì)含氯有機(jī)試劑污染的處理十分有效。

當(dāng)受污染的地下水流在自身水力梯度作用下通過(guò)反應(yīng)墻時(shí),水中有機(jī)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(dá)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(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用。

3.4 淋洗/浸提技術(shù)

淋洗技術(shù)是一種借助能促進(jìn)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(guò)水力壓頭推動(dòng)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(lái),進(jìn)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(jī)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(xì)的土壤。

浸提技術(shù)是利用物理方法通過(guò)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(jī)化合物,如揮發(fā)性有機(jī)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(jī)鹵代物和費(fèi)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(jī)物。

3.5 挖掘

通過(guò)機(jī)械、人工等手段,使土壤離開原位置的過(guò)程。一般包括挖掘過(guò)程和挖掘土壤的后處理、處置和再利用過(guò)程。在場(chǎng)地修復(fù)的各個(gè)階段和多種修復(fù)技術(shù)實(shí)施過(guò)程中都可能采用挖掘技術(shù),如場(chǎng)地環(huán)境評(píng)估、修復(fù)活動(dòng)中和后評(píng)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(guò)直接或間接熱交換,將污染介質(zhì)及其所含的有機(jī)污染物加熱到足夠的溫度(160～540℃),使有機(jī)污染物從污染介質(zhì)揮發(fā)或分離的過(guò)程,按溫度可分成低溫?zé)崽幚砑夹g(shù)(土壤溫度為160～315℃)和高溫?zé)崽幚砑夹g(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(jī)物、半揮發(fā)性有機(jī)物、農(nóng)藥、高沸點(diǎn)氯代化合物,不適用于處理土壤中重金屬腐蝕性有機(jī)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(fèi)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(guò)適當(dāng)?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(duì)環(huán)境無(wú)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(kuò)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(dòng)降低環(huán)境中有毒有害物質(zhì)的濃度或使其完全無(wú)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(dòng)物修復(fù)、微生物修復(fù)和植物修復(fù)。

生物修復(fù)機(jī)理是利用生物(主要是微生物、植物和動(dòng)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(guò)2種途徑來(lái)達(dá)到對(duì)土壤中重金屬的凈化作用:1)通過(guò)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(dòng)性和生物可利用性;2)通過(guò)生物吸收、代謝;達(dá)到對(duì)重金屬的削減、凈化與固定。

4.1 動(dòng)物修復(fù)技術(shù)

動(dòng)物修復(fù)技術(shù)是利用土壤中某些低等動(dòng)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(dòng)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(duì)硒和銅元素的富集能力很強(qiáng),且富集銅的能力比富集硒的能力強(qiáng)。

蚯蚓也能通過(guò)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(guò)模擬土壤污染試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)蚯蚓活動(dòng)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(duì)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(duì)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(duì)環(huán)境的污染危害。大量研究已經(jīng)證實(shí),真菌可以通過(guò)分泌氨基酸、有機(jī)酸以及其他代謝產(chǎn)物來(lái)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(jī)質(zhì)或土壤有機(jī)質(zhì)加麥稈作為微生物的碳源時(shí),微生物并不促進(jìn)鉛、鎘、鋅、銅等重金屬的溶解;如果在加入土壤有機(jī)質(zhì)、麥稈的同時(shí)還加入容易被微生物利用的葡萄糖,經(jīng)過(guò)一段時(shí)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(tuán),由于陰離子基團(tuán)對(duì)重金屬具有很強(qiáng)的親合吸附性,有毒金屬離子可以沉積在細(xì)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(guò)自身的生命活動(dòng)積極地改變環(huán)境中重金屬的存在狀態(tài),其主要機(jī)理是微生物通過(guò)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(duì)某種重金屬的超富集能力對(duì)重金屬污染的土壤進(jìn)行徹底修復(fù)。

根據(jù)植物聚集、吸收、運(yùn)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(jìn)植物的吸收,比如說(shuō)可吸收Pb,但是經(jīng)研究表明,還達(dá)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(duì)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(jī)汞和無(wú)機(jī)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(qiáng)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(duì)人類和生物具有一定的風(fēng)險(xiǎn)。

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(duì)無(wú)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(guò)空氣擴(kuò)散進(jìn)一步污染環(huán)境的可能性。其機(jī)理主要是通過(guò)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(dòng)性,并未減少土壤重金屬的含量,只是暫時(shí)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(dāng)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(yùn)行穩(wěn)定、處置費(fèi)用低、不產(chǎn)生二次污染和現(xiàn)場(chǎng)可操作性強(qiáng)的方法。目前世界各國(guó)對(duì)土壤重金屬污染修復(fù)技術(shù)進(jìn)行了廣泛的研究,取得了可喜的進(jìn)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(lái)方面,目前缺乏深入的研究。對(duì)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(wèn)題,目前還很難解決。另外,植物修復(fù)尚處于實(shí)驗(yàn)室和大田的試驗(yàn)、示范階段,缺乏污染土壤的修復(fù)實(shí)踐,與污染土壤修復(fù)產(chǎn)業(yè)化的形成相距甚遠(yuǎn)。在修復(fù)措施方面,應(yīng)積極尋找、篩選對(duì)重金屬具有超積累能力的植物,進(jìn)行超積累植物資源調(diào)查,了解其分布規(guī)律、生長(zhǎng)特點(diǎn)、生長(zhǎng)環(huán)境,收集并建立超積累植物的數(shù)據(jù)庫(kù)。

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(qiáng)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(jìn)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(jī)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(gè)綜合的復(fù)雜過(guò)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(gè)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(lái)構(gòu)成一個(gè)技術(shù)體系,做到融會(huì)貫通、游刃有余,以發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì),摒棄各自缺點(diǎn),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(shí),維護(hù)正常的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能,實(shí)現(xiàn)綠色意義的污染土壤的修復(fù),實(shí)現(xiàn)人和環(huán)境的和諧統(tǒng)一。修復(fù)污染土壤的同時(shí),必須盡量考慮工程實(shí)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(cuò)綜復(fù)雜,涉及物理、化學(xué)以及微生物、數(shù)學(xué)模型知識(shí),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(jìn)行分別對(duì)待,以實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐帶動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究,比如微污染、重金屬污染、有機(jī)污染物污染、油類污染等進(jìn)行區(qū)別對(duì)待,盡快推進(jìn)工業(yè)化進(jìn)程。

(4)在土壤修復(fù)的工作上,借鑒國(guó)內(nèi)外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn),學(xué)習(xí)、研究、消化、推廣、實(shí)踐先進(jìn)的土壤污染修復(fù)技術(shù),對(duì)于土地資源綜合利用,環(huán)境保護(hù)及可持續(xù)發(fā)展均具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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