污染土壤的物理化學修復現狀與展望*

葉增輝 尹國勛

1 概述

中國土壤污染問題已十分嚴重。據不完全調查,目前全國受污染的耕地約有1.5億畝,污水灌溉污染耕地3250萬畝,固體廢棄物堆存占地和毀田200萬畝,合計約占耕地總面積的1/10以上,其中多數集中在經濟較發達的地區。據估算,全國每年因重金屬污染的糧食達1200萬t,造成的直接經濟損失超過200億元。土壤污染造成有害物質在農作物中積累,并通過食物鏈進入人體,引發各種疾病,最終危害人體健康。土壤污染直接影響土壤生態系統的結構和功能,最終將對生態安全構成威脅[1-3]。

土壤污染具有比較隱蔽、污染后很難恢復、污染后果嚴重、持久性強等特點,因此必須對土壤污染的預防和污染土壤修復予以高度重視。

2 物理化學修復技術現狀

根據土壤的位置是否改變,污染土壤修復技術可以分為原位修復和異位修復兩種[4]。前者對污染物就地處置,使之得以降解和解毒,不需要建設昂貴的地面環境工程基礎設施和遠程運輸,操作維護起來比較簡單,還可以對深層次污染的土壤進行修復。而后者的環境風險較低,系統處理的預測性高于原位修復。

本文主要針對近年來國外在污染土壤現場修復中應用較多、效果較好的幾種物理化學修復技術的研究進展進行了綜述。

2.1 原位修復

2.1.1 土壤淋洗技術

土壤沖洗技術是指借助能促進土壤環境中污染物溶解或遷移作用的溶劑,通過水力壓頭推動清洗液,將其注入到被污染土層中,然后再把包含有污染物的液體從土層中抽提出來,進行分離和污水處理的技術。主要用于處理重金屬、易揮發鹵代有機物以及非鹵代有機物,該技術是否有效、是否可實施,以及處理費用的關鍵是土壤的滲透性,研究表明,水傳導系數大于10-3cm/s的土壤,推薦用該技術,最好用于沙地或砂礫土壤、沖積土和濱海土等,因為砂質土不能強烈吸附污染物。質地較細的土壤如紅壤、黃壤等與污染物之間的吸附作用較強,需經過多次沖洗才能奏效。另外,控制不當時,沖洗廢液可能會溢出控制區而產生二次污染。

2.1.2 原位化學氧化/還原修復技術

該技術主要是通過摻進土壤中的化學氧化/還原劑與污染物所產生的氧化/還原反應,達到使污染物降解或轉化為低毒、低移動性產物的一項修復技術。該技術修復工作完成后,一般只在原污染區留下了水、二氧化碳等無害的化學反應產物,通常處理其他方法無效的污染土壤,比如在污染區位于地下水深處的情況下。該技術主要用來修復被油類、有機溶劑、多環芳烴、PCP、農藥以及非水溶性氯化物等污染物污染的土壤。

2.1.3 原位固化/穩定化土壤修復技術

原位固化/穩定化土壤修復技術是指防止或者降低污染土壤釋放有害化學物質過程的一組修復技術,通常用于重金屬和放射性物質污染土壤的無害化處理。常采用的方法為:先利用吸附質如黏土、活性炭等吸附污染物,澆上瀝青,然后添加某種凝固劑或粘合劑,使混合物成為一種凝膠,最后固化為硬塊,原位修復需要利用機械裝置進行深翻松動,通過高壓方式有次序地注入固化劑/穩定劑,充分混合后自然凝固,放出的氣體要通過出氣收集罩輸送至處理系統進行無害化處理后才能排放。該修復技術費用低廉,所形成的固體毒性降低,穩定性增強,加工設備容易轉移,所需的實施需要時間由幾周至幾個月不等,影響這一過程的主要因素有污染物種類的不同、土壤面積和深度的不同、土壤種類和地質條件的不同。

2.1.4 電動力學修復技術

電動力學修復技術利用插入土壤中的兩個電極,在污染土壤兩端加上低壓直流電場,在低強度直流電的作用下,水溶的或者吸附在土壤顆粒表層的污染物根據各自所帶電荷的不同而向不同的電極方向運動,土壤污染物在電極附近富集或被收集回收。該技術主要用于低滲透性土壤的修復,適用于大部分無機污染物,石油類以及一些石油類污染物最高去除率可達90%以上。該技術成功的關鍵在于污染物的溶解性和污染物從土壤膠體表面的脫附性能,并且土壤的含水率低于10%,處理效果大大降低。

2.2 異位修復

2.2.1 化學淋洗

與原位化學淋洗技術不同的是,異位化學淋洗技術首先要把污染土壤挖掘出來,用水或溶于水的化學試劑來清洗、去除污染物,再處理含有污染物的廢水或廢液,處理后的土壤可以回用。該技術適用于各種類型污染物的治理,包括重金屬、石油類碳氫化合物、易揮發有機物、PCBs以及PAHs等,但必須依照特定的污染土壤或沉積物“量身定做”,清洗液也需要經過仔細研究才能確定,如果土壤含有25%～30%的粘粒,將不考慮該項技術。

2.2.2 異位化學氧化/還原修復技術

同原位化學氧化/還原修復技術。

2.2.3 溶劑浸提技術

溶劑浸提技術通常也被稱為化學浸提技術,是利用批量平衡法,采用溶劑將有害化學物質從污染土壤中提取出來或去除的技術。該技術克服了由土壤處理、污染物遷移、過程調節等技術瓶頸,使土壤中PCBs與油脂類等難以從土壤中去除的污染物處理成為現實,但不適于去除污染土壤中的重金屬和無機污染物。適合采用該技術的最佳土壤條件是粘粒含量低于15%,濕度低于20%,粘粒含量和濕度過高,污染物被土壤膠體強烈的吸附。

2.2.4 化學脫鹵技術

化學脫鹵指向受鹵代有機物污染的土壤中加入試劑,以置換取代污染物中的鹵素或使其分解或部分揮發而得以去除。目標污染物包括鹵代半揮發性有機物(SVOCs)和有機農藥。其局限性在于:一些脫鹵劑能與水起化學反應,高黏土含量及含水率會增加處理成本,且當鹵代有機物濃度超過5%時需大量反應試劑。

2.2.5 異位固化/穩定化土壤修復技術

同原位固化/穩定化土壤修復技術,其所針對的土壤污染物質主要為無機物,一般不適于處理有機物和農藥污染,不能保證污染物的長期穩定性,且處理過程會顯著增加產物體積。

3 土壤修復技術展望

3.1 應注意對土壤自凈作用的研究

當人們對物理、化學和生物修復給予更多關注時,土壤環境的自凈功能常常被疏忽和遺忘。實際上,當污染物濃度限制在一定程度時,土壤本身的調節與凈化功能也可使污染物得以去除。

3.2 警惕二次污染

物理化學和生物修復意味著把大量能量、化學品和生物體投入到被污染的環境介質和生態系統,在消除污染的同時,這種投入也有可能帶來新的不良影響。

3.3 污染土壤修復技術的優化與組合

由于土壤污染大多屬于復合污染,而單一修復方法難以解決復合污染土壤修復問題,所以不同修復方法的組合是污染土壤修復的實際需求。兩種乃至多種方法的組合已難以用單一的物理、化學、生物名稱來描述。把多種修復方法涵蓋在統一系統之內,是污染土壤修復理論研究和應用的需要。修復方法的優化,不僅包括不同修復方法之間的優化組合,更包括了系統內在修復功能同外加修復功能的有機結合,其目標是尋求修復效果與投入的最佳結合。

今后修復技術發展方向應該從物理化學與生態相結合出發,修復土壤污染的同時,維護正常的生態系統結構和功能,實現綠色意義的污染土壤的修復。

[1]孫鐵街,李培軍,周啟星.土壤污染形成機理與修復技術[M].北京:科學出版社,2005.

[2]周啟星,宋玉芳.污染土壤修復原理與方法[M].北京:科學出版社,2004.

[3]高拯民.土壤—植物系統污染生態研究[M].北京:中國科學技術出版社,1986.

[4]Bardos P.Current development in contaminated land treatment technology in the UK.J.Instn.Wat.&Envir.Mangt.1994,8(5):402-408.

[5]Buelt J J,Thompson L E.The in situ vitrification integrated rogram:focusing an innovative solution on environmental restoration needs.In:Proceedings of International Topical Meeting on Nuclear and Hazarous Waste Management.American Nuclear Society,Inc,1992:327-332.

[6]Angell K G.Air Sparging and Innovative Technique for Site Remediation,in Proceedings of First Annual Hazardous Materials and Environmental Management Conference,Atlanta,GA,1991:92-116.

[7]American Petroleum Institute(API),In-Situ Air Sparging,Publ 1628D,1996.

[8]Overview of thermal desorption technology.Contract Report CR 98.008-ENV.NAVAL Facilities Engineering Service Center.Port Hueneme.California 3043-4370.

[9]Thormas M,Ivory D S,Roote P G.Technology status report:in situ thermal-enhanced remediation.Ground-Water Remediation Technologier Analysis Center,2003,TS-03-02.