污染土壤修复

污染土壤修复作者：龚亚炬指导老师：魏文侠摘要：土壤是人类赖以生存的主要资源之一，近年来，随着工业的快速发展和城市化规模的不断扩大，矿产资源的不合理开发及其冶炼排放、长期对土壤进行污水灌溉和污泥施用、人为活动引起的大气沉降、化肥农药的使用等原因，造成了土地污染面积不断扩大，土壤污染日益严重。2014年4月17日，环境保护部和国土资源部联合发布了《全国土壤污染状况调查公报》，公报显示全国土壤环境状况总体不容乐观，部分地区土壤污染严重，耕地土壤环境质量堪忧，工矿业废弃地土壤环境问题突出，全国土壤总的超标率为16.1%。土壤污染具有隐蔽性、毒害性、累积性、长期性、多样性和滞后性的特点，被污染的土壤通过地下水或生物富集作用直接或间接地影响着人类健康。因此土壤修复是十分有必要的，但是与土壤污染、场地修复有关的法律法规缺乏系统性和具有可操作性的细则，没有一套行之有效的修复技术体系，在大规模的土壤修复工程应用时，尚需解决诸如资金、政策、标准、技术等很多实际问题。关键词：污染土壤；土壤修复；政策法规；技术体系1.我国土壤修复相关政策及标准目前，我国涉及土壤保护的法律法规主要有《环境保护法》、《土地管理法》、《水土保持法》，在水、大气、固体废弃物污染防治法中，也对土壤环境保护有所涉及。但这些法律规定分散且不系统，可操作性不强，不能满足保护土壤环境的实际需要。在土壤监测标准方面，目前有《土壤环境监测技术规范》（HJ/T166-2004）、《地下水环境监测技术规范》（HJ/T164－2004）、水利部《水环境监测规范》（SL219－98）；在监控标准方面，有《地下水质量标准》（GB/T14848-93）、《土壤环境质量标准》（GB15618-1995）、《工业企业土壤环境质量基准》（HJ/T25-1999），已很少使用。其中我国唯一的《土壤环境质量标准》中，只包含了八种重金属、两种农药，且只针对农用地土壤保护，已经相当滞后。但我国土壤环境保护标准正在逐步完善，2014年环保部又相继发布了《污染场地风险评估技术导则》、《污染场地土壤修复技术导则》、《场地环境调查技术规范》和《污染场地环境监测技术导则》、《工业企业场地环境调查评估与修复工作指南》（试行）总之，目前我国的土壤污染状况缺乏比较全面系统的数据，相关标准体系也不完善，在土壤污染监测监控、环境风险评价及土壤修复技术等方面还未建立完备的技术指南及标准。2.国内外土壤修复技术的发展2.1欧美土壤修复技术的发展历程欧美土壤修复技术的发展历程分为3个阶段，（1）20世纪80年代以前，土壤治理方式为物理、化学修复，修复技术主要采用挖掘填埋、客土法、固化、稳定化、土壤气提、化学萃取；（2）20世纪80年代至21世纪初，土壤治理方式为物理、化学和生物修复，修复技术主要采用IMC（隔离、维护和控制、淋洗、化学萃取、化学氧化还原、玻璃固化和热脱附）（3）21世纪以来，土壤治理方式为物理、化学和生物修复，但已开始广泛关注高效低费的修复方法，研究重点为植物修复及自然转移和衰减。2.2我国发展历程我国土壤修复技术的研发历程分为4个阶段：（1）21世纪60年代以前，土壤治理方式为物理修复，主要通过填埋、刮土、复土等措施治理退化土地；（2）21世纪70-80年代，土壤治理方式为物理修复，主要是土地资源的稳定利用，相关基本环境工程的配套；（3）21世纪90年代，土壤治理方式为物理、化学和生物恢复，但主要修复技术是土地复垦，选用先锋植物#耐性植物恢复土壤特性；（4）21世纪以来，土壤治理方式为物理、化学和生物恢复，修复技术主要采用植物、微生物、动物、固化/稳定化、土壤气提#化学氧化还原、热脱附#淋洗、化学萃取等，其中以植物修复为研发应用重点。3.土壤修复技术3.1挖掘通过机械、人工等手段,使土壤离开原位置的过程。一般包括挖掘过程和挖掘土壤的后处理、处置和再利用过程。在场地修复的各个阶段和多种修复技术实施过程中都可能采用挖掘技术,如场地环境评估、修复活动中和后评估阶段。作为修复技术,挖掘只能作为修复方案的一部分,不能适用于传统的挖掘填埋技术方案。3.2土壤蒸气浸提土壤蒸气浸提(简称SVE)技术是去除土壤中挥发性有机污染物(VOCs)的一种原位修复技术。它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,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;抽取出的气体在地上经过活性炭吸附法以及生物处理法等净化处理,可排放到大气或重新注入地下循环使用。SVE具有成本低、可操作性强、可采用标准设备、处理有机物的范围宽、不破坏土壤结构和不引起二次污染等优点。苯系物等轻组分石油烃类污染物的去除率可达90%[25]。深入研究土壤多组分VOCs的传质机理,精确计算气体流量和流速,解决气提过程中的拖尾效应,降低尾气净化成本,提高污染物去除效率,是优化土壤蒸气浸提技术的需要。3.3热脱附技术热脱附是用直接或间接的热交换,加热土壤中有机污染组分到足够高的温度,使其蒸发并与土壤介质相分离的过程。热脱附技术具有污染物处理范围宽、设备可移动、修复后土壤可再利用等优点,特别对PCBs这类含氯有机物,非氧化燃烧的处理方式可以显著减少二英生成[21]。目前欧美国家已将土壤热脱附技术工程化,广泛应用于高污染的场地有机污染土壤的离位或原位修复,但是诸如相关设备价格昂贵、脱附时间过长、处理成本过高等问题尚未得到很好解决,限制了热脱附技术在持久性有机污染土壤修复中的应用[24]。发展不同污染类型土壤的前处理和脱附废气处理等技术,优化工艺并研发相关的自动化成套设备正是共同努力的方向。3.4透水性反应墙技术渗透反应墙技术。渗透反应墙是一种原位处理技术,在浅层土壤与地下水,构筑一个具有渗透性、含有反应材料的墙体,污染水体经过墙体时其中的污染物与墙内反应材料发生物理、化学反应而被净化除去。反应材料有:零价铁、有机废弃物、粘土矿物、磷酸盐等,要根据污染物选择具体材料。此技术常用于含氯有机试剂、As、重金属等,实践证明对含氯有机试剂污染的处理十分有效。当受污染的地下水流在自身水力梯度作用下通过反应墙时,水中有机污染物与墙体中活性材料发生物理、化学反应而被去除,从而达到土壤修复的目的。由于受污染水是利用重力作用流经反应墙,不需额外能量提供和地面处理系统,而且活性介质消耗很慢,有几年甚至十几年的使用寿命,反应墙一旦安装完毕,除某些情况下需要更换墙体反应材料外,几乎不需要其他运行和维护费用。3.5淋洗技术土壤淋洗修复技术是将水或含有冲洗助剂的水溶液、酸碱溶液、络合剂或表面活性剂等淋洗剂注入到污染土壤或沉积物中,洗脱和清洗土壤中的污染物的过程。淋洗的废水经处理后达标排放,处理后的土壤可以再安全利用。这种离位修复技术在多个国家已被工程化应用于修复重金属污染或多污染物混合污染介质。由于该技术需要用水,所以修复场地要求靠近水源,同时因需要处理废水而增加成本。研发高效、专性的表面增溶剂,提高修复效率,降低设备与污水处理费用,防止二次污染等依然是重要的研究课题。3.6氧化-还原技术土壤化学氧化-还原技术是通过向土壤中投加化学氧化剂(Fenton试剂、臭氧、过氧化氢、高锰酸钾等)或还原剂(SO2、Fe0、气态H2S等),使其与污染物质发生化学反应来实现净化土壤的目的[29,30,31]。通常,化学氧化法适用于土壤和地下水同时被有机物污染的修复。运用化学还原法修复对还原作用敏感的有机污染物是当前研究的热点。例如,纳米级粉末零价铁的强脱氯作用已被接受和运用于土壤与地下水的修复。但是,目前零价铁还原脱氯降解含氯有机化合物技术的应用还存在诸如铁表面活性的钝化、被土壤吸附产生聚合失效等问题[29],需要开发新的催化剂和表面激活技术。3.7固化-稳定化技术固化-稳定化技术是将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,对同时处理多种重金属复合污染土壤具有明显的优势。该处理技术的费用比较低廉,对一些非敏感区的污染土壤可大大降低场地污染治理成本。常用的固化稳定剂有飞灰、石灰、沥青和硅酸盐水泥等,其中水泥应用最为广泛。在美国的非有机物污染的超级基金项目中大部分采用固化-稳定化技术处理。我国一些冶炼企业场地重金属污染土壤和铬渣清理后的堆场污染土壤也采用了这种技术。国际上已有利用水泥固化-稳定化处理有机与无机污染土壤的报道。目前,需要加强有机污染土壤的固化-稳定化技术研发、新型可持续稳定化修复材料的研制及其长期安全性监测评估方法的研究。3.8植物修复技术从20世纪80年代问世以来,利用植物资源与净化功能的植物修复技术迅速发展[4,5]。植物修复技术包括利用植物超积累或积累性功能的植物吸取修复[6,7,8]、利用植物根系控制污染扩散和恢复生态功能的植物稳定修复[9]、利用植物代谢功能的植物降解修复[10]、利用植物转化功能的植物挥发修复[4]、利用植物根系吸附的植物过滤修复[4]等技术;可被植物修复的污染物有重金属、农药、石油和持久性有机污染物、炸药、放射性核素等。其中,重金属污染土壤的植物吸取修复技术在国内外都得到了广泛研究,已经应用于砷、镉、铜、锌、镍、铅等重金属以及与多环芳烃复合污染土壤的修复[6,7,11,12],并发展出包括络合诱导强化修复[13]、不同植物套作联合修复、修复后植物处理处置的成套集成技术[1]。这种技术的应用关键在于筛选具有高产和高去污能力的植物,摸清植物对土壤条件和生态环境的适应性。近年来,我国在重金属污染农田土壤的植物吸取修复技术应用方面在一定程度上开始引领国际前沿研究方向。但是,虽然开展了利用苜蓿、黑麦草等植物修复多环芳烃、多氯联苯和石油烃的研究工作,但是有机污染土壤的植物修复技术的田间研究还很少,对炸药、放射性核素污染土壤的植物修复研究则更少。植物修复技术不仅应用于农田土壤中污染物的去除,而且同时应用于人工湿地建设、填埋场表层覆盖与生态恢复、生物栖身地重建等。近年来,植物稳定修复技术被认为是一种更易接受、大范围应用、并利于矿区边际土壤生态恢复的植物技术,也被视为一种植物固碳技术和生物质能源生产技术;为寻找多污染物复合或混合污染土壤的净化方案,分子生物学和基因工程技术应用于发展植物杂交修复技术;利用植物的根圈阻隔作用和作物低积累作用,发展能降低农田土壤污染的食物链风险的植物修复技术正在研究。3.9微生物修复技术微生物能以有机污染物为唯一碳源和能源或者与其他有机物质进行共代谢而降解有机污染物。利用微生物降解作用发展的微生物修复技术是农田土壤污染修复中常见的一种修复技术。这种生物修复技术已在农药或石油污染土壤中得到应用。在我国,已构建了农药高效降解菌筛选技术、微生物修复剂制备技术和农药残留微生物降解田间应用技术;也筛选了大量的石油烃降解菌,复配了多种微生物修复菌剂,研制了生物修复预制床和生物泥浆反应器,提出了生物修复模式。近年来,开展了有机胂和持久性有机污染物如多氯联苯和多环芳烃污染土壤的微生物修复技术工作。分离到能将PAHs作为唯一碳源的微生物如假单胞菌属、黄杆菌属等,以及可以通过共代谢方式对4环以上PAHs加以降解的如白腐菌等。建立了菌根真菌强化紫花苜蓿根际修复多环芳烃的技术和污染农田土壤的固氮植物根瘤菌-菌根真菌联合生物修复技术。总体上,微生物修复研究工作主要体现在筛选和驯化特异性高效降解微生物菌株,提高功能微生物在土壤中的活性、寿命和安全性,修复过程参数的优化和养分、温度、湿度等关键因子的调控等方面。微生物固定化技术因能保障功能微生物在农田土壤条件下种群与数量的稳定性和显著提高修复效率而受到青睐。通过添加菌剂和优化作用条件发展起来的场地污染土壤原位、异位微生物修复技术有:生物堆沤技术、生物预制床技术、生物通风技术和生物耕作技术等。运用连续式或非连续式生物反应器、添加生物表面活性剂和优化环境条件等可提高微生物修复过程的可控性和高效性。目前,正在发展微生物修复与其他现场修复工程的嫁接和移植技术,以及针对性强、高效快捷、成本低廉的微生物修复设备,以实现微生物修复技术的工程化应用。3.10电动修复技术电动修复