现代土壤修复技术综述

刘明浩 花发奇

摘 要:本文分别从物理、化学以及生物等方面对现代土壤修复技术进行总结、描述,主要包括电动修复、稳定/固化、透水反应墙、淋洗/浸提、挖掘、热处理、玻璃化技术等,以及动物、植物、微生物等生物修复技术,并结合以上技术对土壤修复的前景进行展望和建议。

关键词:土壤修复技术

中图分类号:S156 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)05(c)-0120-02

1 土壤修复的必要性

土地是“生命之基,万物之母”,在人类繁衍、生活中扮演着重要的角色,但是长期以来,由于现代社会经济发展方式粗放、产业结构和布局不合理,人类活动产生的各种污染物绝大部分最终进入土壤,致使土壤环境质量及其安全性能日益下降。

中国耕地资源极其匮乏,用占世界7%的耕地养活占世界22%的人口,耕地数量保护面临的任务异常艰巨,耕地质量保护承担的责任十分重大。土壤环境保护事关广大人民群众“菜篮子”、“米袋子”和“水缸子”的安全,是重大的民生问题。

2 土壤污染概况

随着经济发展与城市化的加速,工矿企业导致的场地污染变得十分严重。由于产业结构与城市布局的变化与调整,有些化工、冶金等污染企业纷纷搬迁,加上一些企业的倒闭,污染场地不断产生。没有处理的污染场地将是化学定时炸弹,有必要妥善管理并加以修复,使其得到合理利用。

3 污染土壤的物理、化学修复技术

3.1 电动修复技术

电动修复技术最先是由美国路易耶安那州立大学研究、开发的一种净化土壤污染处理技术,是一种原位修复,主要是针对受污染的底透水系数土壤等的修复,其基本原理是将电极插入受污染土壤区域,通过施加微弱电流形成电场。空隙中的地下水或额外补充的流体可作为传导的介质,污染物则在电场产生的各种电动力学效应下沿电场方向定向迁移,在电极区附近发生氧化、还原反应,经过电沉降、沉积等作用将污染物集中处理或分离。

电动修复技术的特点是不需要投入化学药剂,其过程对环境很少有负面影响,几乎没有二次污染。同时,该技术对电荷缺乏的非极性有机物去除效果不好。

3.2 稳定/固化

通过投加化学药剂(石灰、沥青或者硅酸盐水泥等,其中水泥应用最为广泛)或者使用其他手段,使土壤在物理上隔离污染物或者在化学上转化成不活泼的形态,降低污染物的危害,防止产生二次污染(比如污染水源、浓缩物等),稳定/固化技术同样分为原位和异位修复技术。稳定/固化技术通常适用于重金属污染土壤的修复,处理无机污染物质,不适用于有机污染物(比如半挥发性有机物和农药杀虫剂)污染土壤的修复。

3.3 透水性反应墙技术

渗透反应墙技术。渗透反应墙是一种原位处理技术,在浅层土壤与地下水,构筑一个具有渗透性、含有反应材料的墙体,污染水体经过墙体时其中的污染物与墙内反应材料发生物理、化学反应而被净化除去。反应材料有:零价铁、有机废弃物、粘土矿物、磷酸盐等,要根据污染物选择具体材料。此技术常用于含氯有机试剂、As、重金属等,实践证明对含氯有机试剂污染的处理十分有效。

当受污染的地下水流在自身水力梯度作用下通过反应墙时,水中有机污染物与墙体中活性材料发生物理、化学反应而被去除,从而达到土壤修复的目的。由于受污染水是利用重力作用流经反应墙,不需额外能量提供和地面处理系统,而且活性介质消耗很慢,有几年甚至十几年的使用寿命,反应墙一旦安装完毕,除某些情况下需要更换墙体反应材料外,几乎不需要其他运行和维护费用。

3.4 淋洗/浸提技术

淋洗技术是一种借助能促进土壤环境中污染物溶解或迁移作用的溶剂(常用的溶剂有水、甲醇、乙醇等),通过水力压头推动清洗液,将其注入被污染土层中,然后再将包含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。化学淋洗技术适用于水力传导系数大于10-3cm/s的多空隙、易渗透的土壤,如沙土、砂砾土壤、冲积土和滨海土;也适用于土壤粘粒含量低于25%、被重金属、放射性核素、石油烃类、挥发性有机物、多氯联苯和多环芳烃等污染的土壤;不适用于红壤、黄壤等质地较细的土壤。

浸提技术是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。汽提技术适用于地下含水层以上的包气带;原位多相浸提技术适用于包气带和地下含水层,亨利系数大于0.01或者蒸汽压大于66.66Pa的挥发性有机化合物,如挥发性有机卤代物和非卤代物,也可用于去除土壤中的油类、重金属、多环芳烃或二噁英等污染物;异位土壤汽提技术适用于修复含有挥发性有机卤代物和费卤代物的污染土壤;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。

3.5 挖掘

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的后处理、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能采用挖掘技术,如场地环境评估、修复活动中和后评估阶段。作为修复技术,挖掘只能作为修复方案的一部分,不能适用于传统的挖掘填埋技术方案。

3.6 热处理

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(160～540℃),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160～315℃)和高温热处理技术(土壤温度为275～540℃)。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,不适用于处理土壤中重金属腐蚀性有机物、活性氧化剂和还原剂等。

3.7 玻璃化技术

玻璃化技术是将重金属污染的土壤置于温高压条件下,形成玻璃态结构,使重金属固定于其中,稳定了土壤中的重金属。该技术可以从根本上消除土壤中重金属的污染且去除速度快,但其技术工程量大、费用高,常用于重金属重污染区的抢救性修复。

3.8 冰冻土壤技术

冰冻土壤修复是通过适当的管道布置,在地下以等距离的形式围绕已知的污染源垂直安放,然后对环境无害的冰冻溶剂送人管道而冻结土壤中的水分,形成地下冻土屏障,防止土壤或地下水中的污染物扩散。

4 污染土壤的生物修复技术

生物修复技术是利用生物的生命代谢活动降低环境中有毒有害物质的浓度或使其完全无害,从而使污染的土壤部分地或完全地恢复到原始状态。生物修复技术包括动物修复、微生物修复和植物修复。

生物修复机理是利用生物(主要是微生物、植物和动物)作用,削减、净化土壤中重金属或降低重金属毒性。这种技术主要通过2种途径来达到对土壤中重金属的净化作用:1)通过生物作用,改变重金属在土壤中的化学形态,使重金属固定或解毒,降低其在土壤环境中的移动性和生物可利用性;2)通过生物吸收、代谢;达到对重金属的削减、净化与固定。

4.1 动物修复技术

动物修复技术是利用土壤中某些低等动物如蚯蚓等吸收土壤中的重金属,从而在一定程度上降低污染土壤中重金属的含量。这种途径虽能在一定程度上减少土壤中重金属含量,但低等动物吸收重金属后可能再次释放到土壤中造成二次污染。研究表明,饲养在牛粪和生活垃圾中的蚯蚓对硒和铜元素的富集能力很强,且富集铜的能力比富集硒的能力强。

蚯蚓也能通过提高土壤重金属的活性使得植物吸收重金属的效率增加,通过模拟土壤污染试验发现蚯蚓活动能明显提高红壤Cu的生物有效性,使得红壤中DTPA提取态Cu的含量明显增加,从而提高植物对重金属的吸收和富积效率。

4.2 微生物修复技术

微生物修复技术是利用土壤中特定的一些微生物对重金属的吸收、沉淀、氧化还原等作用,降低土壤重金属毒性。某些微生物能代谢产生柠檬酸、草酸等物质,这他们能与重金属产生螯合或形成草酸盐沉淀,以便减轻重金属对环境的污染危害。大量研究已经证实,真菌可以通过分泌氨基酸、有机酸以及其他代谢产物来溶解重金属以及含重金属的矿物。研究发现,以土壤有机质或土壤有机质加麦秆作为微生物的碳源时,微生物并不促进铅、镉、锌、铜等重金属的溶解;如果在加入土壤有机质、麦秆的同时还加入容易被微生物利用的葡萄糖,经过一段时间后,未灭菌处理的淋洗液中重金属离子浓度明显高于灭菌处理的。某些微生物能够产生胞外聚合物,这些物质具有大量的阴离子基团,由于阴离子基团对重金属具有很强的亲合吸附性,有毒金属离子可以沉积在细胞的不同部位或结合到胞外基质上,或被轻度螯合在可溶性或不溶性生物多聚物上。

在重金属的胁迫下,某些微生物能通过自身的生命活动积极地改变环境中重金属的存在状态,其主要机理是微生物通过氧化、还原、甲基化和脱甲基化作用转化重金属,改变其毒性。

4.3 植物修复技术

1)植物提取修复技术。

植物提取修复指利用某些植物对某种重金属的超富集能力对重金属污染的土壤进行彻底修复。

根据植物聚集、吸收、运输、富集污染物的特性,植物修复可分为2种类型:第一种为连续吸收,就是把重金属富集植物种植于在污染土壤中;第二种螯合辅助吸收,即利用速生型重金属富集作物与螯合辅助剂配合,促进植物的吸收,比如说可吸收Pb,但是经研究表明,还达不到土壤修复的要求,如果在土壤中加入人工合成的螯合剂,则可大大增加芥菜对Pb的吸收。

2)植物挥发修复技术。

植物挥发修复技术是利用植物根系分泌的一些特殊物质使土壤中的重金属转化为可挥发态,或者植物将土壤中的重金属吸收到体内后将其转化为气态物质释放到大气中,从而净化土壤的一种修复技术。植物挥发要求被转化后的铅结合成难溶的磷酸铅,使铅固化而降低铅的毒性;一些植物在体内能将Se、As和Hg等甲基化而形成可挥发性的分子,从而释放到大气中;一些烟草和转基因植物如拟南芥也能将有机汞和无机汞盐转化为气态单质汞;一些农作物如水稻、花椰菜、卷心菜、胡萝卜、大麦和苜蓿等和一些水生植物如大聚藻、香蒲等也有较强的吸收或挥发土壤或水中硒的能力。

采用植物挥发修复技术这种方法将污染物转移至大气,对人类和生物具有一定的风险。

3)植物固化修复技术。

植物固化指利用植物根际的一些特殊物质,使土壤中污染物转化为相对无害的物质,再由耐重金属植物或超积累植物降低重金属的活性,从而降低金属被淋滤到地下水或通过空气扩散进一步污染环境的可能性。其机理主要是通过改变根际环境(DH、Eh)使得重金属的形态发生改变,在植物的根部积累和沉淀,降低重金属在土壤中的移动性,并未减少土壤重金属的含量,只是暂时固定土壤重金属,包括分解、螯合、氧化还原等多种反应。

4.4 生物修复技术展望

生物修复技术治理土壤污染,跟生物方法处理废水一样,是当前环境工程及科学研究领域研究的重要内容之一,是一种处理效率高、运行稳定、处置费用低、不产生二次污染和现场可操作性强的方法。目前世界各国对土壤重金属污染修复技术进行了广泛的研究,取得了可喜的进展,但在如何将植物修复、生物修复、物理修复和化学修复科学地结合起来方面,目前缺乏深入的研究。对植物修复中涉及的如何避免二次污染、有关植物收获后如何处理的问题,目前还很难解决。另外,植物修复尚处于实验室和大田的试验、示范阶段,缺乏污染土壤的修复实践,与污染土壤修复产业化的形成相距甚远。在修复措施方面,应积极寻找、筛选对重金属具有超积累能力的植物,进行超积累植物资源调查,了解其分布规律、生长特点、生长环境,收集并建立超积累植物的数据库。

植物修复能力不仅与植物特性有关,与植物的根际环境也密切相关。如果利用微生物改善植物根际环境,则将加强植物的修复功能;如果将适合某种污染的真菌接种在超累积植物,则可能促进植物的修复作用。植物一微生物修复系统研究包括特定污染物的最合适微生物的筛选、植物一微生物相互作用机理等内容。

5 土壤修复工作展望

(1)污染土壤的修复治理是一个综合的复杂过程,涉及众多因素,因此,单一的修复技术必然受到制约,影响修复效果。以上这些土壤修复技术,虽然各自都有较好的修复效果,但是各技术都有一定的适用范围的限制,而且各个修复技术之间缺乏交融性。所以我们要将多种方法融合起来构成一个技术体系,做到融会贯通、游刃有余,以发挥各自优势,摒弃各自缺点,而解决常规技术难以凑效的难题,且修复效率高、效果好、二次污染小。

(2)现代修复技术发展方向应该是从生态学角度出发,修复土壤污染的同时,维护正常的生态系统结构和功能,实现绿色意义的污染土壤的修复,实现人和环境的和谐统一。修复污染土壤的同时,必须尽量考虑工程实施给环境带了的影响,阻止次生污染的发生,或防止次生有害效应的产生。

(3)土壤修复工作错综复杂,涉及物理、化学以及微生物、数学模型知识,很难做到尽善尽美。因此也可以根据土壤污染的程度和类型进行分别对待,以实验、实践带动实验研究,比如微污染、重金属污染、有机污染物污染、油类污染等进行区别对待,尽快推进工业化进程。

(4)在土壤修复的工作上,借鉴国内外的先进经验,学习、研究、消化、推广、实践先进的土壤污染修复技术,对于土地资源综合利用,环境保护及可持续发展均具有重要的现实意义。

参考文献

[1] 张从,夏立江.污染土壤生物修复技术.中国环境科学出版社,2000.12.北京.

[2] 污染场地土壤修复技术导则(征求意见稿).环保部发,2009.11.

[3] 骆永明,滕应.我国土壤污染退化状况及防治对策.土壤,2006.

[4] 周启星,宋玉芳.污染土壤修复原理与方法.科学出版社,2004.北京.