土壤修复技术进展及国外发展趋势

周 骏，闫国杰，施曙东

(上海浦东路桥建设股份有限公司，上海 201210)



土壤修复技术进展及国外发展趋势

周 骏，闫国杰，施曙东

(上海浦东路桥建设股份有限公司，上海 201210)

土壤环境作为人类生产生活的重要物质载体，在城市化进程快速发展的背景下，由于工业生产、农业灌溉等活动，必然加剧污染源不断进入土壤环境，进而造成土壤、地下水质量的持续污染和恶化。目前，国内的土壤修复技术主要是以实验研究为主，大规模的工程化应用尚未广泛实现。而国外发达国家的土壤修复技术研究及工艺运营相对较为成熟，具有规模化工程应用的实践经验。

污染土壤；修复技术；国外发展趋势

土壤污染是指由于人类活动产生的各种污染物通过各种途径输入土壤，其数量和速度超过了土壤的净化能力，导致土壤的组成、结构和功能发生变化，从而使土壤的生态平衡受到破坏，正常功能失调，导致土壤的环境质量下降，影响作物的正常生长发育，并产生一定的水和大气次生污染的环境效应，最终将危及人体健康以及人类生存和发展的现象。

目前，土壤修复技术主要包括污染土壤工程修复技术、物理修复技术、化学修复技术、生物修复技术。

1 国内修复技术

1.1 污染土壤工程修复技术

工程修复主要包括挖取土、混合土、交换土和深耕翻土等。主要是将污染土壤通过深翻到土壤底层，或者在污染土壤上覆盖新图，或者将污染土壤挖走换上未被污染土壤的方法。该方法可以降低土壤中污染物的浓度，但不会较少污染物的总量，是一种较为普通的修复方法。该技术处理稳定、无污染、技术可靠成熟；但是具有工作量大、不能彻底去除土壤中的污染物等缺点，并且要对污染土壤进行储放和处理。

1.2 污染土壤物理修复技术

物理修复是指通过各种物理作用过程将环境中的污染物从污染土壤中去除或者分离的技术。以热处理技术为主的物理修复是应用较为广泛的，主要包括土壤蒸气浸提、微波/超声加热、热脱附等技术。

1.2.1 土壤蒸气浸提技术

土壤蒸气浸提(SVE)技术是将新鲜空气通过注射井注入污染区域，利用真空泵产生负压，注入的空气流经污染区域时，解吸并夹带土壤孔隙中的VOCs经由抽取井流回地上。该技术是一种原位修复技术，对土壤中挥发性有机污染物具有较高的去除效率，因而适用于生产有机物的化工厂、石油污染严重的场地。有人研究发现，蒸气浸提技术应用于苯系物等轻组分石油烃类污染物，对该污染物的去除率可达90%[1]。

1.2.2 热脱附技术

热脱附技术是指通过直接或者间接的热交换，使得土壤中的有机物组分升温至足够的温度，使其发生蒸发作用并与土壤介质分离的过程。该技术具有污染物处理范围宽(尤其对PCBs等含氯有机物的处理，可减少二噁英的生成)、设备可移动、修复后土壤可再生利用程度高等优点，尤其是在以持久性有机物污染为主的土壤修复过程中[2]。

1.3 污染土壤化学修复技术

污染土壤的化学修复技术发展较早，一般具有修复周期短的特点。主要的化学修复技术有固化/稳定化修复技术、氧化还原修复技术、淋洗/浸提修复技术、电动修复技术等。

1.3.1 固化/稳定化技术

固化/稳定化技术是将污染土壤与某些具有聚结作用的黏结剂混合，进而达到污染物在污染介质中固定，使其处于长期稳定状态，是较普遍应用于土壤重金属污染的快速控制修复方法。固化技术是指通过物理化学、热力学过程将土壤中的污染物(主要是重金属离子)固定起来或者用惰性基材将其密封包实，或者将污染物质转化成化学性质较为稳定的形态，进而阻止其在土壤环境中迁移、释放和扩散过程的发生；而稳定化技术是将污染物转化为不易溶解、迁移能力更弱或者毒性更小的化学形态来实现无害化的过程，降低对土壤环境的危害。张新艳等[3]研究表明：作为掺入固化剂中的沸石能够促进含汞废弃物的稳定化过程，当沸石的用量为0.3 g/g以上时，固化体浸出汞浓度低于国家标准，与未添加沸石相比，其处理效率增加近一倍。

1.3.2 氧化还原修复技术

氧化还原修复技术是指通过向污染土壤中添加化学氧化剂(Fenton试剂、臭氧、双氧水、高锰酸钾等)或者还原剂(二氧化硫、氧化亚铁、气态硫化氢等)，使其与重金属、有机物等污染物发生化学反应，生成毒性更低或者易降解的小分子物质，从而实现土壤净化的过程。Thomton[4-5]针对硫化氢原位修复六价铬土壤污染进行研究，发现在以氮气作为载气的情况下，当六价铬浓度为200 mg/kg，让200 mg/kg和2000 mg/kg的硫化氢流经土壤柱进行反应；最后用去离子水淋洗土壤柱以分析六价铬的去除效率，结果显示90%的六价铬失活。大量研究发现：具有强氧化性的1.5%高锰酸钾对TCE和PCE均有很高的去除效果[6-7]；通过控制臭氧和萘酚的浓度比在5:1时，目标污染物的去除率可达到80%[8]。

1.3.3 淋洗/浸提修复技术

淋洗/浸提修复技术是指将含有冲洗助剂的水溶液、酸/碱溶液、络合剂等淋洗剂注入到污染土壤中，进而通过一系列的物化反应过程将污染物质从土壤洗脱出来的过程。研究表明：以磷酸钾作为基本淋洗剂，结合其它不同淋洗剂进行组合淋洗可显著提高砷的去除率。在浓度为0.5 mmol/L、液固比为4 mL/g、淋洗时间为8 h及pH为4.3的最佳淋洗条件下，单独使用磷酸钾可使砷的去除率达到74%左右，若加入0.5 mmol/L的磷酸二氢钾和氢氧化钠混合剂进行二次淋洗，去除率可提高15%[9-10]。

1.3.4 电动力学修复技术

电动力学修复技术是在直流电压形成的电场作用下，通过电化学和电动力学的复合作用(以电渗透、电迁移、电泳和扩散为主)驱动污染物沿电场方向富集到电极区，再将电极区集聚的污染物进行集中处理或者分离；或者通过电动效应增加土壤中的有机污染物、营养物和降解菌之间的传质作用，提高土著或者外源微生物的降解效率，该技术是一种新兴的原位修复技术。周东美等[11]通过添加几种表面活性剂对含铜污染土壤的处理效果，研究结果表明添加乳酸可使铜的去除率高达76%。BOCOS等[12]通过在电场中添加0.2 mmol/L的柠檬酸等类Fenton试剂，研究其对菲、芘、荧蒽以及嘧霉胺降解率的影响，发现该体系比单一Fenton试剂的去除效率通过22%。

1.4 污染土壤生物修复技术

污染土壤生物修复技术是指利用土壤中的植物、动物和微生物等生物吸收、降解和转化土壤中的污染物质，使得其含量降低到一定水平或者转化为无害物质的方法。根据污染土壤生物修复主体的不同，可以分为植物修复技术、动物修复技术、微生物修复技术。显然，生物修复技术相比较于其他修复技术，具有经济成本低、无二次污染、能耗低、环境安全，适用于大面积的土壤修复工程。

1.4.1 植物修复技术

植物修复技术是指利用植物、植物及其根际微生物体系对某种或者某些化学元素的忍耐和超量积累等特性，将污染土壤中的污染物质降解转化为无毒物质的方法，是降低土壤中重金属浓度和毒性的修复技术。包括利用植物植物吸取修复、植物稳定修复、植物降解修复、植物挥发修复、植物过滤修复等技术。该技术适用于以重金属(砷、镉、铜、锌、镍、铅)和多环芳烃为主的污染土壤类型。研究表明，对土壤中的汞等重金属具有活化作用的氨基酸、碳水化合物等物质可增大植物根部汞的吸收量[13-14]；有关硫代硫酸盐等螯合剂强化植物修复土壤污染的研究发现，硫代硫化物可活化汞和提高植物根部对汞等重金属的吸收量[15]。

1.4.2 动物修复技术

动物修复技术是指通过土壤中的某些低等动物群的直接或者间接作用，主要包括进食、消化、排泄、分泌和挖掘等活动，提高土壤中重金属的活性，进而促进整个土壤体系中各群体对重金属的吸收降解，达到修复土壤的目的。土壤中的蚯蚓等大型土生动物通过自身的新陈代谢作用吸收或富集土壤中的污染物，将部分污染物分解为低毒或无毒产物。Gudbrandsen等[16]利用蚯蚓对土壤中的汞等重金属降解实验发现，土壤中的蚯蚓对汞具有很强的耐受性，在汞污染高达几百ppm环境里，仍具有很高的存活率。

1.4.3 微生物修复技术

微生物修复技术是指利用具有独特生理特性的功能微生物群(主要包括土著微生物、外源微生物和基因工程菌等)，基于微生物自身的新陈代谢功能将土壤中污染物浓度降低一定水平，从而达到去除污染物质的修复方法。这其中涉及到由于微生物可以改变土壤环境的理化性质而降低有机污染物的有效性，间接起到污染土壤的修复作用。Wiatrowski等[17]通过厌氧细菌Shewanella oneidensis MR-1与土壤中汞的相互作用机理发现，在该厌氧菌的表面还原汞，实现了汞等重金属的降解。

2 国内外土壤修复治理的发展趋势

目前，国外土壤修复的趋势已经有着较为清晰的发展方向。在污染土壤修复决策上，已从基于污染物总量控制的修复目标发展为基于污染风险评估的修复导向；在修复的工程设备仪器上，已从基于固定式设备的离场修复发展为移动式设备的现场修复；在污染土壤的修复技术上，已从修复周期较短的物理修复、化学修复和物理化学修复发展为生物修复、植物修复和基于监测的自然修复，即从单一修复技术发展为联合修复技术；从适用于工业企业场地污染土壤的离位肥力破坏性物化修复技术发展到适用于农田耕地污染土壤的原位肥力维持性绿色修复技术。

2.1 土壤修复治理具体流程

阶段一：资料调查阶段

通过已知资料、对有关人员的访谈及现场勘察等方法，对目标场地存在土壤污染的可能性进行调查和评估。并且通过现场勘察，可以确定污染可能性较高的场所，制定阶段二的调查计划。该阶段需要收集的资料包括：过去场地用途的相关资料、工厂生产等相关资料、以前土壤污染调查资料。

阶段二：取样详细调查阶段

通过检测土壤样品掌握目标场地的土壤污染情况。该阶段一般先实施确认有误污染的概况调查，如存在污染，则进一步进行详细调查。有时候需要进行修复方案的确定，还需要针对实施范围进行调查。目前的调查方法主要有表层土壤调查和钻孔调查，并结合地下水流动解析等方法，制定恰当的修复计划及修复方案。

阶段三：修复及监测阶段

根据污染场地土壤治理修复方案里确定的具体修复模式和技术路线，实施污染场地的具体土壤修复工程，使其浓度达到修复方案所确定的目标值。

土壤修复治理的具体流程示意图见图1。

图1 土壤修复治理具体流程示意图

2.2 国外土壤修复的发展历程及趋势

欧美等发达国家在土壤修复治理上主要历程：20世纪80年代以前以挖掘填埋、客土、固化/稳定化为主的物化处理修复；20世纪80年代至今，土壤修复治理主要以物化修复技术为基础，逐渐与高效低费用的生物处理技术相结合。

以日本在土壤修复治理方面为例，主要污染类型包括重金属污染、挥发性有机物污染、油污染等。

2.2.1 重金属污染修复

根据目标场地的布局、土壤性质和需修复土量，可选用性价比高的淋洗设备进行土壤修复。处理流程及工艺：在滚筒洗涤器内将污染土壤和水混合，通过冲击、磨耗等作用从粗粒径沙粒表面剥离和分散重金属等污染物，进一步向混合泥浆中添加酸或者碱进行清洗，将重金属溶解后从土壤中抽提，并通过添加沉淀剂、螯合剂等化学试剂进行适当处理，抽提后的土壤经过中和处理后成为净化土壤；而后，经过后续的分级工序，通过震动筛、脱水筛和旋风分离筛等设备分离出粗粒和微粒。其中，粗粒经过检测分析得到净化土，进行回收再利用；分离出的细微粒主要通过泡沫浮选法、磁选法和重选法进行金属回收利用。

主要工艺流程：清洗(清洗洗涤器)→分级(震动筛、脱水筛、旋风分离筛)→泡沫浮选、磁选、重选→金属回收

2.2.2 挥发性有机物污染修复

专用铁粉修复技术通过添加专用铁粉土壤修复剂，利用其对挥发性有机物的吸附、裂解等过程实现污染物的去除过程。技术上主要特点：微小的专用铁粉添加量即可实现修复；与挥发性有机物的反应速率快；与普通铁粉相比，不会产生复杂的中间体；对目标有机物的处理具有广泛性和无选择性。

厌氧微生物修复技术是指利用天然存在的或者筛选培养的厌氧功能微生物群(包括土著微生物、外源微生物和基因工程菌等)，以人为优化生长环境的条件为背景，促进或者强化微生物代谢功能，从而达到降低有毒污染物活性或者降解成无毒物质的修复技术。

微泡+臭氧修复技术是通过微泡和臭氧的剥离、氧化作用对污染土壤中的挥发性有机物进行分解和修复的过程。

2.2.3 油污染修复

低温热处理修复技术是利用热源将油污染土壤中油分挥发出来并收集，实现分离分解的处理过程，处理后的土壤可在原地进行再利用。适用于高浓度油污染场地。

生物修复技术是向油污染土壤中注入营养盐，使得土壤中微生物活化，进而通过微生物的新陈代谢等活动实现分解油分的修复技术，其处理后的土壤仍可在原地再利用。适用于扩散油污染的场地。

3 结 语

目前国内的土壤修复技术主要包括污染土壤工程修复技术、物理修复技术、化学修复技术、生物修复技术等，针对不同的土壤污染类型可选择合适的修复技术。随着国内经济的快速发展，污染土壤修复具有巨大的市场前景和市场需求，但我国在土壤修复技术、工程化实践运用、修复和监测设备上起步较晚，加之国内的法律、监管体系还不完善，因而需要进一步加快技术研发进程和制定相关的法律规程、技术标准。

[1] Khan F I, Husain T, Hejazi R. An overview and analysis of site remediation technologies[J]. Journal of environmental management, 2004, 71(2): 95-122.

[2] Aresta M, Dibenedetto A, Fragale C, et al. Thermal desorption of polychlorobiphenyls from contaminated soils and their hydrodechlorination using Pd-and Rh-supported catalysts[J]. Chemosphere, 2008, 70(6): 1052-1058.

[3] 张新艳, 王起超. 含汞有害固体废弃物的固化/稳定化技术研究进展[J]. 环境科学与技术, 2009, 32(9): 110-115.

[4] Thornton E C, Miller R D. In situ gas treatment technology demonstration test plan[R]. Westinghouse Hanford Co., 1996.

[5] 于颖, 周启星. 污染土壤化学修复技术研究与进展[J]. 环境污染治理技术与设备, 2005, 6(7): 1-7.

[6] Gates D D, Siegrist R L, Cline S R. Chemical oxidation of volatile and semi-volatile organic compounds in soil[R]. Oak Ridge National Lab., TN (United States), 1995.

[7] West O R, Cline S R, Holden W L, et al. A full-scale demonstration of in situ chemical oxidation through recirculation at the X-701B site[R]. Oak Ridge National Lab., TN (United States), 1997.

[8] Masten S J, Davies S H R. Efficacy of in-situ for the remediation of PAH contaminated soils[J]. Journal of Contaminant Hydrology, 1997, 28(4): 327-335.

[9] 陈灿, 陈寻峰, 李小明, 等. 砷污染土壤磷酸盐淋洗修复技术研究[J]. 环境科学学报, 2015, 35(8): 2582-2588.

[10]Chen T, Fan Z, Lei M E I, et al. Effect of phosphorus on arsenic accumulation in As-hyperaccumulator Pteris vittata L. and its implication[J]. Chinese Science Bulletin, 2002, 47(22): 1876-1879. [11]Zhou D M, Cang L, Alshawabkeh A N, et al. Pilot-scale electrokinetic treatment of a Cu contaminated redsoil[J]. Chemosphere, 2006, 63(6): 964-971.[12]Bocos E, Fernández-Costas C, Pazos M, et al. Removal of PAHs and pesticides from polluted soils by enhanced electrokinetic-Fenton treatment[J]. Chemosphere, 2015, 125: 168-174.

[13]Carrasco-Gil S, Siebner H, LeDuc D L, et al. Mercury localization and speciation in plants grown hydroponically or in a natural environment[J]. Environmental science & technology, 2013, 47(7): 3082-3090.

[14]Esteban E, Deza M J, Zornoza P. Kinetics of mercury uptake by oilseed rape and white lupin: influence of Mn and Cu[J]. Acta physiologiae plantarum, 2013, 35(7): 2339-2344.

[15]Debeljak M, van Elteren J T, Vogel-MikuK. Development of a 2D laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry mapping procedure for mercury in maize (Zea mays L.) root cross-sections[J]. Analytica chimica acta, 2013, 787: 155-162.

[16]Gudbrandsen M, Sverdrup L E, Aamodt S, et al. Short-term pre-exposure increases earthworm tolerance to mercury[J]. European Journal of Soil Biology, 2007, 43: S261-S267.

[17]Wiatrowski H A, Ward P M, Barkay T. Novel reduction of mercury (II) by mercury-sensitive dissimilatory metal reducing bacteria[J]. Environmental science & technology, 2006, 40(21): 6690-6696.

Study on Progresses of Soil Remediation Technologies and Development Trend Aboard

ZHOUJun,YANGuo-jie,SHIShu-dong

(Shanghai Pudong Road & Bridge Construction Co., Ltd., Shanghai 201210, China)

Based the rapid development of urbanization process, the soil environment, as an important carrier of production and living, was contaminated seriously accompanied by industrial production and agriculture irrigation, leading to the worse contaminated fertilizer and groundwater environment. At present, the technologies for contaminated soils remediation at home was staying mainly laboratory investigation and large-scale engineering application was not realized. However, the advanced remediation technologies and engineering practical experience were relatively mature aboard.

contaminated soil; remediation technology; development trend aboard

周骏(1991-)，男，硕士研究生，专业方向为水处理技术。

X53

A

1001-9677(2016)022-0012-04