發(fā)布時(shí)間:2018-01-30
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污染土壤修復是指利用物理、化學(xué)或生物的方法,轉移、吸收、降解和轉化土壤中的污染物,使其濃度降低到可接受的水平,或將有毒有害污染物轉化為無(wú)害物質(zhì)的過(guò)程。污染土壤修復的研究起步于20世紀70年代后期,在過(guò)去的將近40年的時(shí)間里,歐、美、日、澳等國制定了大量的土壤修復計劃,并投資研究了大量土壤修復技術(shù)與設備,積累了豐富的現場(chǎng)修復技術(shù)與工程應用經(jīng)驗,成立了許多土壤修復公司和網(wǎng)絡(luò )組織,使土壤修復技術(shù)得到了迅猛發(fā)展。
1污染土壤修復技術(shù)
根據修復原理的不同,污染土壤修復可分為物理修復、化學(xué)修復和生物修復3種類(lèi)型。目前,污染土壤修復技術(shù)研究和應用已經(jīng)比較廣泛,包括冶金及化工等污染場(chǎng)地修復、農田污染土壤修復、礦區污染修復及油田污染等的修復,由于不同污染的土壤類(lèi)型和性質(zhì)的不同,使用的修復手段也不完全相同,并出現了一些修復技術(shù)手段的交叉融合使用。
1.1污染土壤物理修復技術(shù)
物理修復是指通過(guò)各種物理過(guò)程將污染物從污染土壤中去除或分離的技術(shù)。其中熱處理技術(shù)是應用于場(chǎng)地土壤有機物污染去除的主要物理修復技術(shù),常用的包括土壤蒸氣浸提、微波加熱、熱脫附等技術(shù)。
1.1.1熱脫附技術(shù)
熱脫附技術(shù)是指通過(guò)直接或間接的熱交換,加熱土壤中有機污染組分到足夠高的溫度,使其蒸發(fā)并與土壤介質(zhì)相分離的過(guò)程。熱脫附技術(shù)具有污染物處理范圍寬、設備可移動(dòng)、修復后土壤可再利用等優(yōu)點(diǎn),特別是對PCBs等含氯有機污染物,非氧化燃燒的處理方式可以顯著(zhù)減少二噁英的生成。目前,歐美國家已將土壤熱脫附技術(shù)工程化,廣泛應用于高濃度污染場(chǎng)地的有機物污染土壤的離位或原位修復,但是諸如相關(guān)設備價(jià)格昂貴、脫附時(shí)間過(guò)長(cháng)、處理成本過(guò)高等問(wèn)題尚未得到很好解決,限制了熱脫附技術(shù)在持久性有機物污染土壤修復中的應用。
1.1.2土壤蒸氣浸提技術(shù)
土壤蒸氣浸提技術(shù)是能有效去除土壤中揮發(fā)性有機污染物(VOCs)的一種原位修復技術(shù)。該技術(shù)是將新鮮空氣通過(guò)注射井注入污染區域,利用真空泵產(chǎn)生負壓,空氣流經(jīng)污染區域時(shí),解吸并夾帶土壤孔隙中的VOCs經(jīng)由抽取井流回地上;抽取出的氣體在地上經(jīng)過(guò)活性炭吸附法以及生物處理法等凈化處理,可排放到大氣中或重新注入地下循環(huán)使用。該方法具有成本低、可操作性強、可采用標準設備、處理有機物的范圍寬、不破壞土壤結構和不引起二次污染等優(yōu)點(diǎn)。應用該方法可使苯系物等輕組分石油烴類(lèi)污染物的去除率達90%。
1.1.3超聲/微波加熱技術(shù)
超聲/微波加熱技術(shù)是利用超聲空化現象所產(chǎn)生的機械效應、熱效應和化學(xué)效應對污染物進(jìn)行物理解吸、絮凝沉淀和化學(xué)氧化作用,從而使污染物從土壤顆粒上解吸,并在液相中被氧化降解成CO2和H2O或環(huán)境易降解的小分子化合。Song等研究表明,超聲波不僅能對土壤有機污染物進(jìn)行物理解吸,還能通過(guò)氧化作用將有機污染物徹底清除。張文等用超聲波凈化石油污染土壤,結果表明,超聲波技術(shù)可有效修復石油污染土壤。
1.2污染土壤化學(xué)修復技術(shù)
污染土壤的化學(xué)修復技術(shù)發(fā)展較早,主要有土壤固化—穩定化技術(shù)、淋洗技術(shù)、氧化—還原技術(shù)、光催化降解技術(shù)和電動(dòng)力學(xué)修復技術(shù)等。
1.2.1固定/穩定化技術(shù)
固定/穩定化技術(shù)是指將污染物固定在土壤中,使其長(cháng)期處于穩定狀態(tài),防止或降低污染土壤釋放有害化學(xué)物質(zhì)的修復技術(shù)。該技術(shù)通過(guò)將特殊添加劑與污染土壤相混合,利用化學(xué)、物理或熱力學(xué)過(guò)程來(lái)降低污染物的物理、化學(xué)溶解性或在環(huán)境中的活潑性。該處理技術(shù)的費用比較低廉,對一些非敏感區的污染土壤可大大降低場(chǎng)地污染治理成本。常用的固化/穩定劑有飛灰、石灰、瀝青和硅酸鹽水泥等,其中水泥應用最為廣泛,國際上已有利用水泥固化/穩定化處理有機與無(wú)機污染土壤的報道。
固定/穩定化技術(shù)可以處理多種復雜金屬廢棄物,形成的固體毒性低,穩定性強,處置費用也較低,但其所需的儀器設備較多,如螺旋轉井、混合設備、集塵系統等。另外,污染物埋藏深度、土壤PH值和有機質(zhì)含量等都會(huì )在一定程度上影響該技術(shù)的應用及有效性的發(fā)揮。
固化/穩定化技術(shù)在美國處理各類(lèi)污染物已有40多年的歷史,有30%已完成的美國超級資助項目是用于污染源控制的,平均運行時(shí)間約為1個(gè)月,比其他修復技術(shù)(如土壤蒸氣提取、堆肥等)的運行時(shí)間短許多。固化/穩定化技術(shù)也應用于我國部分重金屬污染土壤和鉻渣清理后的堆場(chǎng)的修復,獲得了較好效果。
1.2.2淋洗/浸提技術(shù)
淋洗/浸提是將水或含有沖洗助劑的水溶液、酸/堿溶液、絡(luò )合劑或表面活性劑等淋洗劑注入到污染土壤或沉積物中,洗脫土壤中的污染物的過(guò)程。淋洗的廢水經(jīng)處理后達標排放,處理后的土壤可以再安全利用。這種離位修復技術(shù)在多個(gè)國家已被工程化應用于修復重金屬污染或多污染物混合污染介質(zhì)的處理。
同其他修復技術(shù)相比,淋洗/浸提技術(shù)的優(yōu)勢在于其可用來(lái)處理難以從土壤中去除的有機污染物,如PCBs、油脂類(lèi)等易于吸附或黏附在土壤中的物質(zhì),溶劑浸提技術(shù)可輕易去除該類(lèi)土壤污染物。該技術(shù)用水較多,修復場(chǎng)地要求靠近水源,需要處理廢水而增加成本。研發(fā)高效、專(zhuān)性的表面增溶劑、提高修復效率,降低設備與污水處理費用、防止二次污染等是該技術(shù)領(lǐng)域重要的研究課題。
1.2.3化學(xué)氧化—還原技術(shù)
化學(xué)氧化—還原技術(shù)是通過(guò)向土壤中投加化學(xué)氧化劑(Fenton試劑、臭氧、H2O2、KMnO4等)或還原劑(SO2、FeO、氣態(tài)H2S等),使其與污染物發(fā)生化學(xué)反應來(lái)實(shí)現凈化土壤的目的?;瘜W(xué)氧化法可用于土壤和地下水同時(shí)被有機污染物污染的修復。
運用化學(xué)還原法修復對還原作用敏感的有機污染物是當前研究的熱點(diǎn)。例如,納米級粉末零價(jià)鐵的強脫氯作用已被接受和運用于土壤與地下水的修復。但是,目前零價(jià)鐵還原脫氯降解含氯有機化合物技術(shù)的應用還存在諸如鐵表面活性的鈍化、被土壤吸附產(chǎn)生聚合失效等問(wèn)題,需要開(kāi)發(fā)新的催化劑和表面激活技術(shù)。
1.2.4光催化降解技術(shù)
土壤光催化降解技術(shù)是一項新興的深度土壤氧化修復技術(shù),可應用于農藥等有機污染物污染土壤的修復。土壤質(zhì)地、粒徑、氧化鐵含量、土壤水分、土壤PH值和土壤厚度等對光催化氧化有機污染物有明顯的影響,如高孔隙度的土壤中污染物遷移速率快,黏粒含量越低,光解越快;土壤中氧化鐵對有機物光解起著(zhù)重要調控作用。
1.2.5電動(dòng)力學(xué)修復技術(shù)
電動(dòng)力學(xué)修復是通過(guò)電化學(xué)和電動(dòng)力學(xué)的復合作用(電滲、電遷移和電泳等)驅動(dòng)污染物富集到電極區,再進(jìn)行集中處理或分離的過(guò)程。即通過(guò)在污染土壤兩側施加直流電壓形成電場(chǎng)梯度,土壤中污染物質(zhì)在電場(chǎng)作用下通過(guò)電遷移、電滲流或電泳的方式被帶到電極兩端從而修復污染土壤。目前,電動(dòng)修復技術(shù)已進(jìn)入現場(chǎng)修復應用階段,我國也先后開(kāi)展了菲和五氯酚等有機污染土壤的電動(dòng)修復技術(shù)研究。
電動(dòng)修復速度較快、成本較低,特別適用于小范圍的粘質(zhì)的可溶性有機物污染土壤的修復,其不需要化學(xué)藥劑的投入,修復過(guò)程對環(huán)境幾乎沒(méi)有任何負面影響,與其他技術(shù)相比,電動(dòng)修復技術(shù)也更容易為大眾所接受。但電動(dòng)修復技術(shù)對電荷缺乏的非極性有機污染物去除效果不好,對于不溶性有機污染物,需要化學(xué)增溶,易產(chǎn)生二次污染。
1.3污染土壤生物修復技術(shù)
生物修復技術(shù)研究開(kāi)始于20世紀80年代中期,到20世紀90年代有了成功應用的實(shí)例。廣義的污染土壤生物修復技術(shù)是指利用土壤中的各種生物(包括植物、動(dòng)物和微生物)吸收、降解和轉化土壤中的污染物,使污染物含量降低到可接受的水平或將有毒有害的污染物轉化為無(wú)害物質(zhì)的過(guò)程。根據污染土壤生物修復主體的不同,分為微生物修復、植物修復和動(dòng)物修復3種,其中以微生物修復與植物修復應用最為廣泛。
狹義的污染土壤生物修復是指微生物修復,即利用土壤微生物將有機污染物作為碳源和能源,將土壤中有害的有機污染物降解為無(wú)害的無(wú)機物(CO2和H2O)或其他無(wú)害物質(zhì)的過(guò)程。
生物修復技術(shù)近幾年發(fā)展非常迅速,不僅較物理、化學(xué)方法經(jīng)濟,同時(shí)也不易產(chǎn)生二次污染,適于大面積污染土壤的修復。同時(shí)由于其具有低耗、高效、環(huán)境安全、純生態(tài)過(guò)程的顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn),已成為土壤環(huán)境保護技術(shù)的最活躍的領(lǐng)域。
1.3.1植物修復技術(shù)
植物修復技術(shù)是指利用植物忍耐和超量積累某種或某些化學(xué)元素的功能,或利用植物及其根際微生物體系將污染物降解轉化為無(wú)毒物質(zhì)的特性,通過(guò)植物在生長(cháng)過(guò)程中對環(huán)境中的金屬元素、有機污染物以及放射性物質(zhì)等的吸收、降解、過(guò)濾和固定等功能來(lái)凈化環(huán)境污染的技術(shù)。包括利用植物超積累功能的植物吸取修復、利用植物根系控制污染擴散和恢復生態(tài)功能的植物穩定修復、利用植物代謝功能的植物降解修復、利用植物轉化功能的植物揮發(fā)修復、利用植物根系吸附的植物過(guò)濾修復等技術(shù)。
可被植物修復的污染物有重金屬、農藥、石油、持久性有機污染物、炸藥和放射性核素等。其中,污染土壤的植物吸取修復技術(shù)在國內外都得到了廣泛研究,已經(jīng)應用于砷、鎘、銅、鋅、鎳、鉛等重金屬以及與多環(huán)芳烴復合污染土壤的研究與修復,并發(fā)展出包括絡(luò )合誘導強化修復、不同植物套作聯(lián)合修復、修復后植物處理處置的成套集成技術(shù)。該技術(shù)應用的關(guān)鍵在于篩選具有高產(chǎn)和高去污能力的植物,摸清植物對土壤條件和生態(tài)環(huán)境的適應性。
污染土壤的植物修復技術(shù)與其他修復技術(shù)相比,有著(zhù)許多優(yōu)點(diǎn),如技術(shù)成本低、對環(huán)境影響小、能使地表長(cháng)期穩定、可在清除土壤污染的同時(shí)清除污染土壤周?chē)拇髿夂退w中的污染物,從而有利于改善生態(tài)環(huán)境。
1.3.2微生物修復技術(shù)
微生物修復是指利用天然存在的或篩選培養的功能微生物群(土著(zhù)微生物、外源微生物和基因工程菌),并在人為優(yōu)化的適宜環(huán)境條件下,促進(jìn)或強化微生物代謝功能,從而達到降低有毒污染物活性或降解成無(wú)毒物質(zhì)以修復受污染土壤的修復技術(shù)。另外,微生物也可通過(guò)改變土壤環(huán)境的理化特征降低有機污染物的有效性,從而間接起到修復污染土壤的作用。通常一種微生物能降解多種有機污染物,如假單胞桿菌降解DDT、艾氏劑、毒殺酚和敵敵畏等。因此,微生物已成為污染土壤生物修復技術(shù)的重要組成部分和生力軍。
目前,微生物修復研究工作主要體現在篩選和馴化特異性高效降解微生物菌株,提高功能微生物在土壤中的活性、壽命和安全性,以及修復過(guò)程參數的優(yōu)化和養分、溫度、濕度等關(guān)鍵因子的調控等方面。如:劉憲華等用分離篩選出的假單胞菌AEBL3降解呋喃丹,結果發(fā)現未加菌土壤呋喃丹在0—7cm土層中含量達90mg/kg,加菌土壤呋喃丹含量為48mg/kg,降解率達96.4%。
當前,微生物修復有機污染物的研究已進(jìn)入基因水平,通過(guò)基因重組、構建基因工程菌來(lái)提高微生物降解有機污染物的能力。在我國,已構建了有機污染物高效降解菌篩選技術(shù)、微生物修復制劑制備技術(shù)和有機污染物殘留微生物降解田間應用技術(shù)。蔣建東等通過(guò)同源重組法構建多功能農藥降解基因工程菌CD-mps和CDs-2mpd,在1~24小時(shí)內便可迅速降解甲基對硫磷(MP),呋喃丹也可在30小時(shí)內被完全降解。
1.3.3動(dòng)物修復技術(shù)
近幾十年來(lái),微生物修復和植物修復污染土壤已經(jīng)有了長(cháng)足的發(fā)展,但動(dòng)物修復污染土壤的研究相對很少。動(dòng)物修復是指通過(guò)土壤動(dòng)物群的直接(吸收、轉化和分解)或間接作用(改善土壤理化性質(zhì)、提高土壤肥力、促進(jìn)植物和微生物的生長(cháng))而修復土壤污染的過(guò)程。
土壤中的一些大型土生動(dòng)物,如蚯蚓和某些鼠類(lèi),能吸收或富集土壤中的污染物,并通過(guò)自身的代謝作用,把部分污染物分解為低毒或無(wú)毒產(chǎn)物。此外,土壤中豐富的小型動(dòng)物種群,如線(xiàn)蟲(chóng)綱、彈尾類(lèi)、稗螨屬、蜈蚣目、蜘蛛目、土蜂科等,均對土壤中的污染物有一定的吸收和富集作用,可以從土壤中帶走部分污染物。
寇永綱等通過(guò)研究污染土壤不同鉛濃度梯度下,蚯蚓在培養期內對鉛的富集量,結果表明,蚯蚓對鉛有較強的富集作用,且隨鉛濃度的增加蚯蚓體內的鉛含量也增加;蚯蚓培養期內吸收鉛量與鉛濃度梯度表現出極顯著(zhù)相關(guān)性。Zhou等研究發(fā)現食細菌線(xiàn)蟲(chóng)與土壤微生物相互作用可以促進(jìn)污染土壤中撲草凈的降解。但關(guān)于土壤微型動(dòng)物在污染土壤修復方面卻少有研究,今后還需進(jìn)一步加強對土壤微型動(dòng)物在污染土壤修復中作用的研究。
1.4污染土壤聯(lián)合修復技術(shù)
協(xié)同兩種或兩種以上修復方法,形成聯(lián)合修復技術(shù),不僅可以提高單一污染土壤的修復速率與效率,而且可以克服單項修復技術(shù)的局限,實(shí)現對多種污染物的復合污染土壤的修復,成為土壤修復技術(shù)的重要研究?jì)热荨?/span>
1.4.1物理—化學(xué)聯(lián)合修復技術(shù)
土壤物理—化學(xué)聯(lián)合修復技術(shù)是適用于污染土壤離位處理的修復技術(shù)。例如,利用環(huán)己烷和乙醇將污染土壤中的多環(huán)芳烴提取出來(lái)后進(jìn)行光催化降解,利用Pd/Rh支持的催化—熱脫附聯(lián)合技術(shù)或微波熱解—活性炭吸附技術(shù)修復多氯聯(lián)苯污染土壤;電動(dòng)力學(xué)—芬頓聯(lián)合技術(shù)用來(lái)去除污染黏土礦物中的菲;利用光調節的TiO2催化修復農藥污染土壤等。溶劑萃取—光降解聯(lián)合修復技術(shù)是利用有機溶劑或表面活性劑提取有機污染物后進(jìn)行光解的物理—化學(xué)聯(lián)合修復新技術(shù)。
1.4.2微生物/動(dòng)物—植物聯(lián)合修復技術(shù)
微生物(細菌、真菌)—植物、動(dòng)物(如蚯蚓、線(xiàn)蟲(chóng))—植物聯(lián)合修復是土壤生物修復技術(shù)研究的新內容。研究表明,種植紫花苜蓿和土壤微生物互作可大幅度降低土壤中多氯聯(lián)苯濃度;根瘤菌和菌根真菌雙接種能強化紫花苜蓿對多氯聯(lián)苯的修復作用;接種食細菌線(xiàn)蟲(chóng)可以促進(jìn)污染土壤撲草凈的去除。利用能促進(jìn)植物生長(cháng)的根際細菌或真菌,發(fā)展植物—降解菌群協(xié)同修復、動(dòng)物—微生物協(xié)同修復及其根際強化技術(shù),促進(jìn)有機污染物的吸收、代謝和降解是生物聯(lián)合修復技術(shù)新的研究方向。
1.4.3化學(xué)/物化—生物聯(lián)合修復技術(shù)
發(fā)揮化學(xué)或物理化學(xué)修復的快速優(yōu)勢,結合非破壞性的生物修復特點(diǎn),發(fā)展基于化學(xué)—生物修復的聯(lián)合修復技術(shù),是最具應用潛力的污染土壤修復方法之一。
化學(xué)淋洗—生物聯(lián)合修復是基于化學(xué)淋溶劑作用,通過(guò)增加污染物的生物可利用性來(lái)提高生物修復效率;利用有機絡(luò )合劑的配位溶出,增加土壤溶液中重金屬濃度,提高植物有效性,從而實(shí)現強化誘導植物吸取修復;化學(xué)預氧化—生物降解和臭氧氧化—生物降解等聯(lián)合技術(shù)已經(jīng)應用于污染土壤中多環(huán)芳烴的修復;電動(dòng)力學(xué)—微生物修復技術(shù)可以克服單獨的電動(dòng)修復或生物修復技術(shù)的缺點(diǎn),在不破壞土壤質(zhì)量的前提下,加快污染土壤修復進(jìn)程;硫氧化細菌與電動(dòng)綜合修復技術(shù)用于強化污染土壤中銅的去除;應用光降解—生物聯(lián)合修復技術(shù)可以提高石油中pahs污染物的去除效率。
2問(wèn)題與展望
污染土壤的修復治理是一個(gè)綜合的復雜過(guò)程,涉及眾多因素,單一的修復技術(shù)必然受到制約,影響修復效果。由于不同污染物本身的特性、污染場(chǎng)地的環(huán)境條件、各種修復技術(shù)都有一定的適用范圍、各個(gè)修復技術(shù)之間缺乏交融性等,導致不管是物理的、化學(xué)的,還是生物的修復方法與技術(shù)都不能完全修復某種污染,一種修復方法也不能修復所有種類(lèi)的污染物,到目前為止還沒(méi)有一種通用可行的污染土壤修復方法。
基于此,今后污染土壤修復的研究可在如下幾個(gè)方面開(kāi)展:
(1)植物修復技術(shù)。從植物的生理、栽培、遺傳的角度進(jìn)行研究,篩選能超量積累污染物的植物;改善植物吸收性能,發(fā)掘高效污染修復植物;開(kāi)展植物修復的機理研究,探索有效修復污染環(huán)境的植物修復技術(shù);應用分子生物學(xué)和基因工程技術(shù),鑒定和克隆抵抗重金屬或降解有機污染物的植物基因,通過(guò)轉基因技術(shù)創(chuàng )造一批新的植物品種,培育轉基因植物,從而構建出高效去除污染物的植物;其他,如污染物在植物體系中的遷移轉化規律、植物—微生物體系的作用規律、植物物種的搭配、工程設計規范及工程治理標準等,也是使植物修復技術(shù)最優(yōu)化的重要研究。
(2)微生物修復技術(shù)。運用分子生物學(xué)、遺傳學(xué)和基因工程等新理論、新技術(shù)分離和選育高效降解菌,培育基因工程菌,增強它們對污染物的降解能力,是提高土壤微生物修復效果的研究熱點(diǎn);通過(guò)工程化措施,利用土著(zhù)、外源微生物或基因工程菌進(jìn)行污染土壤的生物修復;基于微生物的復合修復:微生物—土壤物理改良、微生物—化學(xué)活化、微生物—動(dòng)物、微生物—植物、甚至于微生物—植物—動(dòng)物等多生命體的系統組合研究。
(3)酶學(xué)修復技術(shù)。利用已經(jīng)分離篩選出來(lái)的具有特定降解功能的微生物、植物,通過(guò)發(fā)酵工程及酶工程手段,提取、分離純化相關(guān)酶類(lèi)及酶系,制成酶制劑或生產(chǎn)固定化酶,用于有機污染場(chǎng)地的修復。
(4)生態(tài)修復技術(shù)。從生態(tài)學(xué)角度出發(fā),修復土壤污染的同時(shí),維護正常的生態(tài)系統結構和功能,實(shí)現綠色意義的污染土壤修復。在修復污染土壤時(shí),必須盡量考慮工程實(shí)施給環(huán)境帶來(lái)的影響,阻止次生污染的發(fā)生,或防止次生有害效應的產(chǎn)生。污染土壤生態(tài)修復研究的重點(diǎn)在于超積累植物和高效降解微生物的篩選及合理搭配、修復機理的探索和基于植物與微生物聯(lián)合修復的根際圈效應、以廣義生物修復為核心的聯(lián)合修復以及修復強化措施??梢灶A見(jiàn),污染土壤的生態(tài)修復將成為解決土壤污染問(wèn)題的根本技術(shù)。
(5)復合污染修復技術(shù)及綜合修復技術(shù)。一方面,由于土壤復合污染的普遍性、復雜性和特殊性,復合污染土壤的修復不可能單獨依靠一種修復措施就能徹底解決,往往需要多途徑、多方式的修復手段,可以將多種方法融合起來(lái)構成一個(gè)復合污染修復技術(shù)體系,以發(fā)揮各自?xún)?yōu)勢,摒棄各自缺點(diǎn);另一方面,即使是單一污染土壤,也必須綜合考慮各種因素,采用多種修復技術(shù)結合,形成適應于現場(chǎng)污染土壤狀況及條件、集多種方法優(yōu)點(diǎn)于一體的綜合修復技術(shù),以達到徹底修復污染土壤的目的。