現代土壤修復技術綜述

劉明浩 花發奇

摘 要:本文分別從物理、化學以及生物等方面對現代土壤修復技術進行總結、描述,主要包括電動修復、穩定/固化、透水反應墻、淋洗/浸提、挖掘、熱處理、玻璃化技術等,以及動物、植物、微生物等生物修復技術,并結合以上技術對土壤修復的前景進行展望和建議。

關鍵詞:土壤修復技術

中圖分類號:S156 文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2012)05(c)-0120-02

1 土壤修復的必要性

土地是“生命之基,萬物之母”,在人類繁衍、生活中扮演著重要的角色,但是長期以來,由于現代社會經濟發展方式粗放、產業結構和布局不合理,人類活動產生的各種污染物絕大部分最終進入土壤,致使土壤環境質量及其安全性能日益下降。

中國耕地資源極其匱乏,用占世界7%的耕地養活占世界22%的人口,耕地數量保護面臨的任務異常艱巨,耕地質量保護承擔的責任十分重大。土壤環境保護事關廣大人民群眾“菜籃子”、“米袋子”和“水缸子”的安全,是重大的民生問題。

2 土壤污染概況

隨著經濟發展與城市化的加速,工礦企業導致的場地污染變得十分嚴重。由于產業結構與城市布局的變化與調整,有些化工、冶金等污染企業紛紛搬遷,加上一些企業的倒閉,污染場地不斷產生。沒有處理的污染場地將是化學定時炸彈,有必要妥善管理并加以修復,使其得到合理利用。

3 污染土壤的物理、化學修復技術

3.1 電動修復技術

電動修復技術最先是由美國路易耶安那州立大學研究、開發的一種凈化土壤污染處理技術,是一種原位修復,主要是針對受污染的底透水系數土壤等的修復,其基本原理是將電極插入受污染土壤區域,通過施加微弱電流形成電場。空隙中的地下水或額外補充的流體可作為傳導的介質,污染物則在電場產生的各種電動力學效應下沿電場方向定向遷移,在電極區附近發生氧化、還原反應,經過電沉降、沉積等作用將污染物集中處理或分離。

電動修復技術的特點是不需要投入化學藥劑,其過程對環境很少有負面影響,幾乎沒有二次污染。同時,該技術對電荷缺乏的非極性有機物去除效果不好。

3.2 穩定/固化

通過投加化學藥劑(石灰、瀝青或者硅酸鹽水泥等,其中水泥應用最為廣泛)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上轉化成不活潑的形態,降低污染物的危害,防止產生二次污染(比如污染水源、濃縮物等),穩定/固化技術同樣分為原位和異位修復技術。穩定/固化技術通常適用于重金屬污染土壤的修復,處理無機污染物質,不適用于有機污染物(比如半揮發性有機物和農藥殺蟲劑)污染土壤的修復。

3.3 透水性反應墻技術

滲透反應墻技術。滲透反應墻是一種原位處理技術,在淺層土壤與地下水,構筑一個具有滲透性、含有反應材料的墻體,污染水體經過墻體時其中的污染物與墻內反應材料發生物理、化學反應而被凈化除去。反應材料有:零價鐵、有機廢棄物、粘土礦物、磷酸鹽等,要根據污染物選擇具體材料。此技術常用于含氯有機試劑、As、重金屬等,實踐證明對含氯有機試劑污染的處理十分有效。

當受污染的地下水流在自身水力梯度作用下通過反應墻時,水中有機污染物與墻體中活性材料發生物理、化學反應而被去除,從而達到土壤修復的目的。由于受污染水是利用重力作用流經反應墻,不需額外能量提供和地面處理系統,而且活性介質消耗很慢,有幾年甚至十幾年的使用壽命,反應墻一旦安裝完畢,除某些情況下需要更換墻體反應材料外,幾乎不需要其他運行和維護費用。

3.4 淋洗/浸提技術

淋洗技術是一種借助能促進土壤環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),通過水力壓頭推動清洗液,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,進行分離和污水處理的技術。化學淋洗技術適用于水力傳導系數大于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、揮發性有機物、多氯聯苯和多環芳烴等污染的土壤;不適用于紅壤、黃壤等質地較細的土壤。

浸提技術是利用物理方法通過降低土壤孔隙的蒸汽壓,把土壤中的污染物轉化為蒸汽形式而加以去除的技術。汽提技術適用于地下含水層以上的包氣帶;原位多相浸提技術適用于包氣帶和地下含水層,亨利系數大于0.01或者蒸汽壓大于66.66Pa的揮發性有機化合物,如揮發性有機鹵代物和非鹵代物,也可用于去除土壤中的油類、重金屬、多環芳烴或二噁英等污染物;異位土壤汽提技術適用于修復含有揮發性有機鹵代物和費鹵代物的污染土壤;多相浸提技術適用于處理中、低滲透型地層中的揮發性有機物。

3.5 挖掘

通過機械、人工等手段,使土壤離開原位置的過程。一般包括挖掘過程和挖掘土壤的后處理、處置和再利用過程。在場地修復的各個階段和多種修復技術實施過程中都可能采用挖掘技術,如場地環境評估、修復活動中和后評估階段。作為修復技術,挖掘只能作為修復方案的一部分,不能適用于傳統的挖掘填埋技術方案。

3.6 熱處理

通過直接或間接熱交換,將污染介質及其所含的有機污染物加熱到足夠的溫度(160～540℃),使有機污染物從污染介質揮發或分離的過程,按溫度可分成低溫熱處理技術(土壤溫度為160～315℃)和高溫熱處理技術(土壤溫度為275～540℃)。熱處理修復技術適用于處理土壤中揮發性有機物、半揮發性有機物、農藥、高沸點氯代化合物,不適用于處理土壤中重金屬腐蝕性有機物、活性氧化劑和還原劑等。

3.7 玻璃化技術

玻璃化技術是將重金屬污染的土壤置于溫高壓條件下,形成玻璃態結構,使重金屬固定于其中,穩定了土壤中的重金屬。該技術可以從根本上消除土壤中重金屬的污染且去除速度快,但其技術工程量大、費用高,常用于重金屬重污染區的搶救性修復。

3.8 冰凍土壤技術

冰凍土壤修復是通過適當的管道布置,在地下以等距離的形式圍繞已知的污染源垂直安放,然后對環境無害的冰凍溶劑送人管道而凍結土壤中的水分,形成地下凍土屏障,防止土壤或地下水中的污染物擴散。

4 污染土壤的生物修復技術

生物修復技術是利用生物的生命代謝活動降低環境中有毒有害物質的濃度或使其完全無害,從而使污染的土壤部分地或完全地恢復到原始狀態。生物修復技術包括動物修復、微生物修復和植物修復。

生物修復機理是利用生物(主要是微生物、植物和動物)作用,削減、凈化土壤中重金屬或降低重金屬毒性。這種技術主要通過2種途徑來達到對土壤中重金屬的凈化作用:1)通過生物作用,改變重金屬在土壤中的化學形態,使重金屬固定或解毒,降低其在土壤環境中的移動性和生物可利用性;2)通過生物吸收、代謝;達到對重金屬的削減、凈化與固定。

4.1 動物修復技術

動物修復技術是利用土壤中某些低等動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,飼養在牛糞和生活垃圾中的蚯蚓對硒和銅元素的富集能力很強,且富集銅的能力比富集硒的能力強。

蚯蚓也能通過提高土壤重金屬的活性使得植物吸收重金屬的效率增加,通過模擬土壤污染試驗發現蚯蚓活動能明顯提高紅壤Cu的生物有效性,使得紅壤中DTPA提取態Cu的含量明顯增加,從而提高植物對重金屬的吸收和富積效率。

4.2 微生物修復技術

微生物修復技術是利用土壤中特定的一些微生物對重金屬的吸收、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生檸檬酸、草酸等物質,這他們能與重金屬產生螯合或形成草酸鹽沉淀,以便減輕重金屬對環境的污染危害。大量研究已經證實,真菌可以通過分泌氨基酸、有機酸以及其他代謝產物來溶解重金屬以及含重金屬的礦物。研究發現,以土壤有機質或土壤有機質加麥稈作為微生物的碳源時,微生物并不促進鉛、鎘、鋅、銅等重金屬的溶解;如果在加入土壤有機質、麥稈的同時還加入容易被微生物利用的葡萄糖,經過一段時間后,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。某些微生物能夠產生胞外聚合物,這些物質具有大量的陰離子基團,由于陰離子基團對重金屬具有很強的親合吸附性,有毒金屬離子可以沉積在細胞的不同部位或結合到胞外基質上,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,某些微生物能通過自身的生命活動積極地改變環境中重金屬的存在狀態,其主要機理是微生物通過氧化、還原、甲基化和脫甲基化作用轉化重金屬,改變其毒性。

4.3 植物修復技術

1)植物提取修復技術。

植物提取修復指利用某些植物對某種重金屬的超富集能力對重金屬污染的土壤進行徹底修復。

根據植物聚集、吸收、運輸、富集污染物的特性,植物修復可分為2種類型:第一種為連續吸收,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,促進植物的吸收,比如說可吸收Pb,但是經研究表明,還達不到土壤修復的要求,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Pb的吸收。

2)植物揮發修復技術。

植物揮發修復技術是利用植物根系分泌的一些特殊物質使土壤中的重金屬轉化為可揮發態,或者植物將土壤中的重金屬吸收到體內后將其轉化為氣態物質釋放到大氣中,從而凈化土壤的一種修復技術。植物揮發要求被轉化后的鉛結合成難溶的磷酸鉛,使鉛固化而降低鉛的毒性;一些植物在體內能將Se、As和Hg等甲基化而形成可揮發性的分子,從而釋放到大氣中;一些煙草和轉基因植物如擬南芥也能將有機汞和無機汞鹽轉化為氣態單質汞;一些農作物如水稻、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、香蒲等也有較強的吸收或揮發土壤或水中硒的能力。

采用植物揮發修復技術這種方法將污染物轉移至大氣,對人類和生物具有一定的風險。

3)植物固化修復技術。

植物固化指利用植物根際的一些特殊物質,使土壤中污染物轉化為相對無害的物質,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空氣擴散進一步污染環境的可能性。其機理主要是通過改變根際環境(DH、Eh)使得重金屬的形態發生改變,在植物的根部積累和沉淀,降低重金屬在土壤中的移動性,并未減少土壤重金屬的含量,只是暫時固定土壤重金屬,包括分解、螯合、氧化還原等多種反應。

4.4 生物修復技術展望

生物修復技術治理土壤污染,跟生物方法處理廢水一樣,是當前環境工程及科學研究領域研究的重要內容之一,是一種處理效率高、運行穩定、處置費用低、不產生二次污染和現場可操作性強的方法。目前世界各國對土壤重金屬污染修復技術進行了廣泛的研究,取得了可喜的進展,但在如何將植物修復、生物修復、物理修復和化學修復科學地結合起來方面,目前缺乏深入的研究。對植物修復中涉及的如何避免二次污染、有關植物收獲后如何處理的問題,目前還很難解決。另外,植物修復尚處于實驗室和大田的試驗、示范階段,缺乏污染土壤的修復實踐,與污染土壤修復產業化的形成相距甚遠。在修復措施方面,應積極尋找、篩選對重金屬具有超積累能力的植物,進行超積累植物資源調查,了解其分布規律、生長特點、生長環境,收集并建立超積累植物的數據庫。

植物修復能力不僅與植物特性有關,與植物的根際環境也密切相關。如果利用微生物改善植物根際環境,則將加強植物的修復功能;如果將適合某種污染的真菌接種在超累積植物,則可能促進植物的修復作用。植物一微生物修復系統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理等內容。

5 土壤修復工作展望

(1)污染土壤的修復治理是一個綜合的復雜過程,涉及眾多因素,因此,單一的修復技術必然受到制約,影響修復效果。以上這些土壤修復技術,雖然各自都有較好的修復效果,但是各技術都有一定的適用范圍的限制,而且各個修復技術之間缺乏交融性。所以我們要將多種方法融合起來構成一個技術體系,做到融會貫通、游刃有余,以發揮各自優勢,摒棄各自缺點,而解決常規技術難以湊效的難題,且修復效率高、效果好、二次污染小。

(2)現代修復技術發展方向應該是從生態學角度出發,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,實現人和環境的和諧統一。修復污染土壤的同時,必須盡量考慮工程實施給環境帶了的影響,阻止次生污染的發生,或防止次生有害效應的產生。

(3)土壤修復工作錯綜復雜,涉及物理、化學以及微生物、數學模型知識,很難做到盡善盡美。因此也可以根據土壤污染的程度和類型進行分別對待,以實驗、實踐帶動實驗研究,比如微污染、重金屬污染、有機污染物污染、油類污染等進行區別對待,盡快推進工業化進程。

(4)在土壤修復的工作上,借鑒國內外的先進經驗,學習、研究、消化、推廣、實踐先進的土壤污染修復技術,對于土地資源綜合利用,環境保護及可持續發展均具有重要的現實意義。

參考文獻

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