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

(湖南省環保廳輻射環境監督站長沙 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

(湖南省環保廳輻射環境監督站長沙 410014)

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

放射性;土壤污染危害;防治對策;植物修復技術

土壤和空氣、水一樣,是人類環境的基本要素之一,是人類賴以生存、生活和生產的物質基礎。土壤污染是指在人類生產和生活活動中排出的有害物質進入土壤中,直接或間接地危害人畜健康的現象。土壤放射性污染的危害是由于放射性污染物進入土壤后,進入植物,通過食物鏈進入人體,對人體內臟產生傷害,同時產生遺傳效應。因此,放射性污染土壤必須采取治理措施和修復技術,來保護人類賴以生存、生活和生產的土壤。

1 放射性污染土壤的危害

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

圖 1 放射性物質進入人體途徑

1.1 放射性物質進入人體的主要途徑

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)或放射性氣體經呼吸進入肺部。進入肺部的放射性核素一部分轉移到體液中,一部分被呼出體外。另一部分到咽喉并被吞噬到消化道,經消化道進入人體;某些放射性物質,經過皮膚或皮膚傷口進入,例如氧化氯和碘的化合物可以通過完好的皮膚進入人體,從皮膚傷口進入的放射性物質經皮下組織直接進入體液。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 對人體內臟的傷害[1]

人體中對電離反應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。不同核素在人體內的轉移情況及內臟組織攝取情況是不同的,即使同一核素 (如239Pu)由于其物理化學狀態的不同,在體內的轉移定位也是不同的,例如131I將深集于甲狀腺,有誘發甲狀腺癌的危險;239Pu濃集于肺和骨,239Pu,90Sr這些親骨性核素,進入人體后有誘發骨肉瘤的危險;钚毒理學研究確認,吸入钚有誘發肺癌和肝癌的危險;137Cs集中在肌肉里,攝入后使全身受到照射。氡 (222Rn)溶解于脂肪細胞的能力比其周圍的骨髓高 16倍。溶解于脂肪細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胞釋放能量,造成骨髓中造血細胞的放射損傷,引發白血病;氡還是重要致癌物質,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

核輻射的遺傳效應是由于引起再生細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,但是對后代會有顯著的影響。造成的遺傳效應的核素有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,同時伴隨著137銫的γ光子的發射,14碳的放射性半衰期為 5760年,它不僅可以發射β粒子,從而產生遺傳危害,而且遺傳物質中的14碳衰變成14氮后,會引起有害的生物化學影響,也能夠引起附加的遺傳效應。

2 土壤放射性污染的防治對策

被放射性核素污染的土壤,其傳統的修復方法常破壞環境,因此,對土壤放射性污染的防治對策或修復技術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技術三種。

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械物理、化學、電化學和物理化學聯合去污等方法對放射性污染水源、大型設備、車輛等進行去污。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進入土壤。

2.1.1 機械物理法

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

2.1.2 化學法

化學法就是利用化學清洗劑溶解、疏松、剝離設備表面放射性拔紊污膩物,涂層,氧化膜層等,從而達到去污目的。所用化學藥品包括無機酸類、有機酸類、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、促進劑等。清洗方式可用浸泡法、循環法、剝離膜法,從而去除放射性污染物。

2.1.3 電化學法

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,污染核素進入電解液中。該法去污效率高,電解液可重復使用,二次廢物量少,可用于結構復雜部件去污,可遠距離操作。

2.1.4 物理——化學聯合去污法

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

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。達到這種程度所需的時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)等經過若干年后已經全部消亡,殘留下來的是90Sr(28.5a),137Cs(30.17a)以及鈾、钚等壽命較長核素,在偏僻的試驗區、核事故場地均可采用自然衰減消除法。

2.2.2 化學處理法

對于小規模放射性污染土壤的處理,如一般核事故、核工業污染土壤,采用化學處理法速度快,效果好。由于化學處理法成本高,對土壤的結構破壞大,不能單獨用于大區域土壤放射性污染的治理,通常需要與其他修復技術結合使用,同時,對處理產生的污水不得產生二次污染。

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、或將污染土壤挖走轉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系統隔離,減少對環境的影響,技術原理上比較簡單。

但物理填埋法在處理大規模,低劑量放射性污染處理時,有如下困難：一是挖掘、運輸及深埋含有放射性的泥土,工程量較大,成本高;二是運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會鏟掉已有的植被,恢復時間較長;四是收集起來的放射性泥土數量巨大,費用相當巨大。

2.3 土壤放射性污染的生物修復技術

土壤生物修復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、截持作用等修復技術。

2.3.1 利用耐輻射微生物的作用

隨著科技不斷發展進步,包括耐輻射微生物在內的極端微生物的特殊生命現象、生理特征、代謝機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放射性核素的含量;利用基因工程改良植物,能夠調整植物吸收、運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]發現,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胞中能夠分解重金屬的"MT"基因移植給薔薇、白楊等細胞,開發出能凈化包括放射性核素在內的重金屬污染的植物。因此,在一定程度上用菌根植物修復和開墾放射性核素污染的土壤是一個可行的對策。

據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"在內的各類耐輻射細菌、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、防止核電站放射性核素滲漏方面有可喜發展前景。

2.3.2 利用超積累植物的特性

資料表明,適用于植物修復技術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,主要是因為137Cs和90Sr都是水溶性的長壽命金屬核素,分別與營養元素 Ca、K的化學行為相近,而對Pu、U的超積累植物的物理化學性質比較特殊,研究較少。

切爾諾貝利事件之后,對137Cs和90Sr的植物修復進行了許多研究和試驗。發現反枝莧在大面積土壤放射性污染植物修復時可富集土壤中20.7%的137Cs,對發生切爾諾貝利事故附近的野生植物進行調查后發現,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技術主要有三種[3]：一是植物固化技術,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散進一步污染環境的可能性;二是植物提取技術,即利用某種放射性核素的超積累植物將土壤中的核素轉運出來,富集并搬運到植物根部可吸收部位和地上部位,待植物收獲后再進行處理,使土壤中放射性核素的含量降低到可接受水平;三是植物蒸發技術,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掉。

2.3.3 利用森林的吸附和截持作用

森林是陸地生態系統的重要組成部分,具有獨有的特點和功能,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擴散,因此,利用森林修復放射性核素污染的土壤具有重要的意義。

森林生態系統對放射性核素的容量大,當風經過林緣時,一部分越過林冠層,另一部分則透過林冠層,經林冠層過濾,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,產生所謂的邊緣效應。小塊森林比大面積的森林截持量大,有時高 30多倍。有數據證明,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期內,森林能截持95%～97%的放射性核素,特別對氣態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大的[4]。

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

3 結束語

土壤和空氣、水一樣,是人類環境的基本要素之一,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、生活和生產的物質基礎。被放射性核素污染的土壤：一是采取間接防治法,利用機械物理、化學、電化學和物理化學聯合去污等方法,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進入土壤;二是采取自然衰減消除、化學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系統隔離,不要產生二次污染;三是利用耐輻射微生物、超積累植物和森林的吸附、截持作用等修復技術,有些耐輻射細菌、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,就能達到對放射性核素污染土壤的修復和利用的目的。

[1]蔣江波,張立柱,唐謀生等.港口環境放射性污染與監測[M].北京,化學工業出版社,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[J].四川環境 ,2007,26(5)：93～95.

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

X52

A

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

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