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污染土壤修復技術及研究前沿與展望
發表時間:2017-11-10  文字 〖 〗  閱讀次數:1872   [關閉窗口]
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土壤污染具有隱蔽性、滯后性、積累性、持久性,土壤污染可直接導致農作物污染、食品污染,并隨著食物鏈對人類造成危害,也可以直接接觸人體,以顆粒物、氣體、氣溶膠等形式經口、鼻、皮膚進入人體,對人類造成危害?傊,土壤污染關系到人類健康和生態平衡問題。

由于我國關于土壤污染的環境保護措施和影響評價體系起步晚,加之土壤污染因其系統的復雜性、地域性和土壤中持久性有毒污染物的取樣測試分析的復雜性、不穩定性等,限制著土壤污染相關研究的發展。

就目前來說,土壤污染環境監測是我國環境監測工作中的薄弱環節,F有的監測技術體系也存在諸多問題,比如土壤環境質量監測的評價及分析方法等技術體系尚不健全,F行標準中采用的技術方法較為落后等。

而且,我國土壤污染物種類繁多.按照污染物的性質對土壤污染進行分類,可分為重金屬污染、有機物污染、生物污染及放射性污染等。各類污染物復合并存,土壤污染形勢十分嚴峻。因此,不僅要大力加強土壤環境質量監測工作,逐步建立全國土壤環境監測網絡。制定土壤環境污染預警制度,而且要加強污染土壤修復技術的研究,采取有效防治土壤污染的有效措施、改善土壤環境問題,是非常重要與緊迫的。

污染土壤的化學/物理修復原理及技術

固化一穩定化技術

固化一穩定化技術是將污染物在污染介質中固定,使其處于長期穩定狀態,是應用較普遍的土壤重金屬污染的快速控制修復方法,對同時處理多種重金屬復合污染土壤具有明顯的優勢。該技術的關鍵是固定劑和穩定劑的選擇,目前國內外應用最多的固定劑是水泥 ]。而有研究報道的穩定劑還包括石灰、粉煤灰、明礬漿、鈣礬石、瀝青、鋼渣、稻殼灰、沸石等 ,多為堿性物質,能提高系統的pH值.可與重金屬反應產生氫氧化物沉淀。

例如,CCT重金屬穩定化劑就擁有3個類別的藥劑,針對不同重金屬污染土壤選擇性采用不同類別的穩定化修復藥劑。其中。CCT01是一種普適用于絕大部分Cu、Zn、Ni、Ag、Hg、Fe等非變價重金屬污染的穩定化劑.CCT02是一種適合于三價砷等需氧化后處理的重金屬污染穩定化劑,而CCT03是一種適用于六價鉻等需還原后處理的重金屬污染穩定化劑。判斷一種固化/穩定化方法對污染土壤是否有效.主要可以從處理后土壤的物理性質和對污染物質浸出的阻力兩個方面加以評價。

土壤污染

土壤淋洗修復技術

土壤淋洗即利用提取劑將土壤中的固相重金屬轉移至液相中,含有提取劑的土壤經清水洗滌后歸還原位再利用,富含重金屬的廢液則進行進一步的處理 。

土壤淋洗修復方法的關鍵在于尋找一種經濟實用的淋洗劑,既能有效地去除各種形態的污染物。不會破壞土壤基本理化性質.又不會造成二次污染[n]。一般來說,淋洗劑可分為無機淋洗劑、螫合劑、表面活性劑、復配淋洗劑和氧化劑。在實際污染土壤的治理過程中,影響土壤淋洗修復技術的因素主要包括土壤的性質、污染物的性質及工藝操作條件等。

如影響淋洗效果的土壤性質主要是粒級分配、質地、有機質含量、陽離子交換能力等性質。污染物的性質如土壤中重金屬的存在形態主要有有機態、可溶態、交換態和殘渣態,這些形態按照淋洗效率從大到小的順序排列為交換態>碳酸鹽結合態>鐵錳氧化物結合態>有機物結合態>殘渣態。而以有效形式存在的重金屬是土壤淋洗的重點。工藝操作條件主要包括攪拌強度、淋洗時間、固液比及淋洗溫度。選取合適的淋洗工藝操作條件不僅有助于實現污染物的去除.同時也能降低修復成本。

重金屬污染土壤的修復效果,并綜述了不同淋洗劑對不同形態重金屬淋洗效果,指出以天然有機酸因低生態毒性和高降解性而最具有研究前景。因此研發高效、專性的淋洗劑和優化工藝操作條件可提高修復效率,降低修復成本,防止二次污染等依然是重要的研究課題。

土壤修復氧化一還原技術

化學氧化一還原技術是通過向土壤中投加化學氧化劑(Fenton試劑、過硫酸鈉、過氧化氫、高錳酸鉀等)或還原劑對土壤進行修復,常用的還原劑為含鐵類還原劑(零價鐵、納米零價鐵和亞鐵類還原劑)、還原性硫化物(H2S、FeSx、硫代硫酸鹽等)及一些具有還原活性的有機物。通常,化學氧化技術是向污染場地中加入化學氧化劑,依靠化學氧化劑的氧化能力。分解破壞污染環境中污染物的結構,使污染物降解或轉化為低毒、低移動性物質的一種修復技術。

王孫峻等利用化學氧化技術中過硫酸鈉作為氧化,在土壤修復過程中,通過污染物的濃度、污染物的分布、污染場地實際情況等決定過硫酸鈉的用量,并對硫酸鹽還原菌及其環境及土壤修復的影響進行了討論,可實現污染場地的土壤修復,帶來良好的修復效果和環境效益。目前,運用化學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。

鄭建中等利用化學還原法在受鉻污染土壤地下水系統修復過程中,通過將溶解度大、遷移性強的六價鉻(Cr(VI))還原轉化為穩定的三價鉻(Cr(Ⅲ))氫氧化物,從而實現鉻污染控制與修復的目的。同時,還原劑納米級粉末零價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,目前零價鐵還原脫氯降解含氯有機化合物技術的應用還存在諸如鐵表面活性的鈍化、被土壤吸附產生聚合失效等問題,因此,需要開發新的催化劑和表面激活技術。

光催化降解技

土壤光催化降解(光解)技術是一項新興的深度土壤氧化修復技術,可應用于農藥等污染土壤的修復。其中土壤質地、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。如高孑L隙度的土壤中污染物遷移速率快,粘粒含量越低光解越快;自然土中氧化鐵對有機物光解起著重要調控作用;有機質可以作為一種光穩定劑;土壤水分能調解吸收光帶:土壤厚度影響濾光率和入射光率。

王阿楠利用光催化降解技術.使土壤中的有機污染物二苯砷酸(diphenylarsinic acid,DPAA)通過光轉化,在紫外光照射下的光化學反應能有效地去除環境中的DPAA有機污染物。

污染土壤的生物修復原理及技術

傳統物理化學修復技術對于治理嚴重污染土壤具有時間短、見效快等優點,但往往伴隨著高能耗、高費用、二次污染等風險,因而一般不適用于大規模污染土壤的修復。近年來發展起來的利用特定植物或微生物修復污染土壤的生物修復方法因其綠色環保、高效、成本低等優點而受到廣泛關注。

如迅速發展起來的納米零價鐵修復技術。納米零價鐵因其比表面積大、強還原性,且具有量子效應、比表面效應、體積效應等特性,對重金屬、無機鹽及有機污染物都具有較好的去除效果.逐漸被廣泛用于重金屬或有機化合物(多環芳烴等)污染土壤的修復。

生物修復是指利用生物的代謝活動及其代謝產物富集、降解或固定土壤中的污染物,從而恢復被污染土壤的生產或景觀價值的一個受控或自發進行的生物學過程。土壤生物修復技術,包括植物修復、微生物修復、植物一微生物聯合修復等技術,其中主要以植物修復和微生物修復為主。對于由不同類型的污染物污染的土壤,其修復方法不同。對于重金屬污染土壤.科技人員采用植物修復技術在國內外進行了廣泛研究,已應用于砷、鎘、銅、鋅、鎳、鉛等重金屬以及與多環芳烴復合污染土壤的修復,并發展出包括絡合誘導強化修復、不同植物套作聯合修復、修復后植物處理處置的成套集成技術。這種技術的應用關鍵在于篩選具有高產和高去污能力的植物.摸清植物對土壤條件和生態環境的適應性。

近年來,我國研究者發現了海州香蕾、蓖麻、鴨跖草等銅超積累植物:能富集砷的蕨類植物—— 大葉井口邊草等:能富集鎳的植物290種,如地下株屬、大戟屬植物、木根草科植物等;可用于鉛污染土壤的植物固定化技術的植物有金合歡維多利亞等。目前植物修復重金屬污染土壤的研究還多集中在可用于特定重金屬污染土壤修復的植物,可安全食用的對特定重金屬具有低積累特性的農作物及用于重金屬修復的植物富集機理和影響其吸收特性的因素方面。植物修復重金屬技術,是一項綠色環保,成本低,非破壞性的土壤凈化方法,不會造成二次污染,且具有一定的可行性等優點,在土壤重金屬污染處理領域得到了廣泛的研究和應用。

對于有機污染物污染土壤而言.如含有氯溶劑、苯、菲等多種有機污染的土壤.土壤中多數有機污染物能夠被微生物降解轉化為二氧化碳、水、脂肪酸等無毒物質,最終變成無害形態;谕寥牢⑸锬軌蚪到庥袡C污染物的特性。微生物修復已成為土壤有機污染修復的主要技術 。

研究人員發現.表面活性劑可以促進土壤中有機污染物解吸而進入土壤溶液,提高生物可利用度,可以被用作有機污染土壤植物修復的強化劑。我國微生物修復技術主要集中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,修復過程參數的優化和養分、溫度、濕度等關鍵因子的調控等方面。此外,生物修復與其它的污染土壤修復技術相比,具有成本低、處理效果好,易于管理等優點。因而,利用植物修復有機污染土壤也具有一定應用前景。

植物一微生物聯合修復技術是利用土壤一植物一微生物組成的復合體系來共同降解污染物,清除環境污染物的一種環境污染治理技術。將植物修復和微生物修復技術有機結合起來,是生物修復研究的新領域.對于提高生物修復效率具有重要意義。它具有諸多優點,如可以利用太陽能作驅動力;能量消耗和費用少:對環境的破壞小;可使用于大面積的污染治理等。對于有機污染物土壤,植物加微生物修復有機污染物土壤主要包括3種機制,即:植物直接吸收有機污染物并在植物組織中累積或代謝:植物釋放的各種分泌物或酶類可促進有機污染物的生物降解;植物增強根際區的微生物的礦化作用。

有研究表明,土壤中的一些菌根真菌和其共生的微生物對有機污染物等起到礦化作用。如紫花苜蓿通過根際效應可以有效刺激土壤根際土著微生物活性和數量的增加,從而有效促進土壤PAHs降解.提高吸收率與礦化率。而且PAHs專性降解菌能明顯促進紫花苜蓿對土壤中PAHs的降解。

植物與微生物聯合修復技術在污染土壤修復過程地位重要,潛在發展前景良好,市場效能高。但在理論體系、修復機制和修復技術上還有許多不完善的地方。植物一微生物一有機污染物之間復雜的耦合作用導致難以闡明污染土壤植物一微生物聯合修復過程降解機理。

污染土壤治理技術研究發展方向

經過近10多年來研究人員的研究與應用。包括物理修復/化學修復、生物修復及其聯合修復技術在內的污染土壤修復技術體系已形成,并積累了治理污染土壤的綜合工程修復技術應用經驗,出現了污染土壤的原位生物修復技術和基于監測的自然修復技術等研究的新熱點。未來污染土壤治理技術的研究著力從以下幾個方面發展:

詳情

1 向綠色的土壤生物修復技術發展

土壤生物修復對于環境的要求,如土壤性質、溫度、pH值、營養條件等是比較嚴格的。這需要在實踐過程中不斷調整,最終找到一個最佳的條件。對于超富集植物,在適當的時候采收,并采取合理的處理處置方式。不僅可以避免二次污染,而且可以提高經濟效益。因此,在今后的修復技術中,生物修復,特別是植物修復技術會成為主流。

2 向單項聯合、雜交的土壤綜合修復技術發展

例如植物一微生物的聯合修復、綜合氧化還原法、沖淋法和反應墻技術的新型原位復合修復技術以及植物修復與物理化學修復相結合等。

3 改進現有的技術及重視理論研究

對于植物修復.可以通過尋找、篩選、馴化更多更好的重金屬富集植物。利用基因工程技術,將超富集植物的耐性基因移植到生物量大、生長迅速的植物中,使植物修復走向產業化。

對于微生物修復,可以通過基因重組,開發出抗逆性強、分解能力強的基因工程菌。同時,加大對生物修復技術的機理研究,深入研究植物一微生物相互作用的機理或是弄清植物的耐受性基因和富集重金屬的原理。將有助于開發新的植物品種.提高植物修復系統的效率。在引入超富集植物之前,還要充分論證其是否會造成生物入侵等負面影響。

結論

污染土壤的修復是以去污染、復質量、再利用、保安康為目的。土壤修復往往是控污、減污、降毒、化險的綜合凈化過程,可使土壤恢復生產力、場地安全健康、礦區及濕地生態安全和景觀美化。

目前土壤污染修復技術本身都有明顯的局限性,物理修復技術存在能耗高、處理成本高、對設備要求高、工作量大等問題;化學修復技術易破壞土壤團粒結構、處理成本高、存在二次污染的風險;生物修復存在修復過程緩慢、污染物降解不完全導致二次污染等。為克服這些土壤修復技術的缺點,發揮不同修復技術的優點,需要加強對土壤污染防控修復技術的研究,重點是在不同土壤修復技術的綜合利用和開發物理、化學和生物聯合修復工藝。


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