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土壤修复系统

  • 分类:专业技术
  • 发布时间:2020-12-05 16:00:58
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概要:
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一、中国土壤污染现状
1、总体情况
       全国土壤环境状况总体不容乐观,部分地区土壤污染较重,耕地土壤环境质量堪忧,工矿业废弃地土壤环境问题突出。工矿业、农业等人为活动以及土壤环境背景值高是造成土壤污染或超标的主要原因。
       全国土壤总的超标率为16.1%,其中轻微、轻度、中度和重度污染点位比例分别为11.2%、2.3%、1.5%和1.1%。污染类型以无机型为主,有机型次之,复合型污染比重较小,无机污染物超标点位数占全部超标点位的82.8%。
       从污染分布情况看,南方土壤污染重于北方;长江三角洲、珠江三角洲、东北老工业基地等部分区域土壤污染问题较为突出,西南、中南地区土壤重金属超标范围较大;镉、汞、砷、铅4种无机污染物含量分布呈现从西北到东南、从东北到西南方向逐渐升高的态势。
2、污染物超标情况
       (一)无机污染物
       镉、汞、砷、铜、铅、铬、锌、镍8种无机污染物点位超标率分别为7.0%、1.6%、2.7%、2.1%、1.5%、1.1%、0.9%、4.8%。

 

       

       (二)有机污染物
       六氯环己烷、DDT、多环芳烃3类有机污染物点位超标率分别为0.5%、1.9%、1.4%。

 


3、不同土地利用类型土壤的环境质量状况
       耕地:土壤点位超标率为19.4%,其中轻微、轻度、中度和重度污染点位比例分别为13.7%、2.8%、1.8%和1.1%,主要污染物为镉、镍、铜、砷、汞、铅、DDT和多环芳烃。
       林地:土壤点位超标率为10.0%,其中轻微、轻度、中度和重度污染点位比例分别为5.9%、1.6%、1.2%和1.3%,主要污染物为砷、镉、六氯环己烷和DDT。
       草地:土壤点位超标率为10.4%,其中轻微、轻度、中度和重度污染点位比例分别为7.6%、1.2%、0.9%和0.7%,主要污染物为镍、镉和砷。
       未利用地:土壤点位超标率为11.4%,其中轻微、轻度、中度和重度污染点位比例分别为8.4%、1.1%、0.9%和1.0%,主要污染物为镍和镉。
4、典型地块及其周边土壤污染状况
       (一)重污染企业用地
       在调查的690家重污染企业用地及周边的5846个土壤点位中,超标点位占36.3%,主要涉及黑色金属、有色金属、皮革制品、造纸、石油煤炭、化工医药、化纤橡塑、矿物制品、金属制品、电力等行业。
       (二)工业废弃地
       在调查的81块工业废弃地的775个土壤点位中,超标点位占34.9%,主要污染物为锌、汞、铅、铬、砷和多环芳烃,主要涉及化工业、矿业、冶金业等行业。
       (三)工业园区
       在调查的146家工业园区的2523个土壤点位中,超标点位占29.4%。其中,金属冶炼类工业园区及其周边土壤主要污染物为镉、铅、铜、砷和锌,化工类园区及周边土壤的主要污染物为多环芳烃。
       (四)固体废物集中处理处置场地
       在调查的188处固体废物处理处置场地的1351个土壤点位中,超标点位占21.3%,以无机污染为主,垃圾焚烧和填埋场有机污染严重。
       (五)采油区
       在调查的13个采油区的494个土壤点位中,超标点位占23.6%,主要污染物为石油烃和多环芳烃。
       (六)采矿区
       在调查的70个矿区的1672个土壤点位中,超标点位占33.4%,主要污染物为镉、铅、砷和多环芳烃。有色金属矿区周边土壤镉、砷、铅等污染较为严重。
       (七)污水灌溉区
       在调查的55个污水灌溉区中,有39个存在土壤污染。在1378个土壤点位中,超标点位占26.4%,主要污染物为镉、砷和多环芳烃。
       (八)干线公路两侧
       在调查的267条干线公路两侧的1578个土壤点位中,超标点位占20.3%,主要污染物为铅、锌、砷和多环芳烃,一般集中在公路两侧150米范围内。
5、土壤污染治理的难度
       一是土壤污染具有隐蔽性和滞后性,大气污染和水污染一般都比较直观,通过感官就能察觉,而土壤污染往往要通过土壤样品分析、农作物检测,甚至人畜健康的影响研究才能确定。土壤污染从产生到发现危害通常时间较长。
       二是土壤污染具有累积性,与大气和水体相比污染物更难在土壤中迁移、扩散和稀释,因此污染物容易在土壤中不断累积。
       三是土壤污染具有不均匀性,由于土壤性质差异较大,而且污染物在土壤中迁移慢,导致土壤中污染物分布不均匀,空间变异性较大。
       四是土壤污染具有难可逆性,由于重金属难以降解,导致重金属对土壤的污染基本上是一个不可完全逆转的过程。另外土壤中的许多有机污染物也需要较长的时间才能降解。
       因此,土壤污染一旦发生仅仅依靠切断污染源的方法则很难恢复,总体来说治理土壤污染的成本高、周期长、难度大。
二、污染土壤的修复技术
1、典型的土壤污染问题

1.1 重金属污染
       采矿、冶金和化工等工业排放的三废、汽车尾气以及农药和化肥的使用都是土壤重金属的重要来源。按生物化学性质土壤中的重金属可以分为两类:第一类,对作物以及人体有害的元素,如汞、镉、铅及类金属砷等,因此,必须减少这些元素的含量使其不超过环境的容量;第二类,常量下对作物和人体有益而过量时出现危险的元素,如铜、锌、铬、锰及类金属硒等,应控制其含量,使其有益作物生长和人体健康。
1.2 石油污染
       石油污染是指在石油的开采、炼制、贮运、使用过程中原油和各种石油制品进入环境而造成的污染,土壤中的石油污染物多集中在20cm左右的表层。石油开采过程中产生的落地油和油田的接转站、联合站的油罐、沉降罐、污水罐、隔油池的底泥,炼油厂含油污水处理设施产生的油泥,也是我国油田土壤石油污染的主要来源。污染土壤中石油主要成分为C15-C36的烷烃、多环芳香烃、烯烃、苯系物、酚类等,其中环境优先控制污染物多达30种。
1.3 化肥污染
       化学肥料在现代化的农业生产中不仅是粮食增产的物质基础,更是农业生产资料的主体。在粮食增产中花费的贡献率在40%-60%,稳定在50%左右,但是化肥中的有毒重金属、有机物以及无机酸类等是造成土壤污染的主要来源。
1.4 农药污染
       据初步统计,我国至少有l300-1600万hm2耕地受到农药污染。造成土壤农药污染的主要是有机磷和有机氯农药。据2000年国家质检总局数据,全国47.5%的蔬菜农药残留超标,因农残超标被退回的出口农产品金额达74亿美元。
2、污染土壤的修复技术
       在土壤修复行业,已有的土壤修复技术达到一百多种,常用技术大致可分为物理、化学和生物等三种。物理修复是指通过各种物理过程将污染物特别是有机污染物从土壤中去除或分离的技术。主要包括土壤淋洗、热吸附、蒸气浸提、微波加热和异地填埋等技术。还包括多相抽提等技术,已经应用于苯系物、多环芳烃、多氯联苯等污染土壤的修复。相对于物理修复,污染土壤的化学修复技术发展较早,主要有土壤固化-稳定化技术、淋洗技术、氧化-还原技术、化学改良、光催化降解技术、电动力学修复技术和有机质改良等。土壤生物修复技术包括植物富集、微生物修复、生物联合修复和植物固定及降解等技术。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常见的一种修复技术。进入21世纪后生物修复技术得到迅速发展,成为绿色环境修复技术之一。由于我国土壤污染面积大,污染物质种类多,污染组合类型复杂等原因,单项修复技术往往难以达到预定修复目标,多种修复技术相结合是以后的发展方向。
       现有污染土壤的修复途径包括:第一,降低污染物在土壤中的浓度;第二,通过固化或钝化作用改变污染物的形态从而降低在环境中的迁移性;第三;从土壤中去除。下面介绍几种土壤的修复技术:
2.1 物理修复
       治理污染土壤的方法在20世纪80年代以前仅仅限于物理法和化学法。如早期的焚烧法、换土法以及隔离法等都要求高温、人力以及机械设备等,不仅成本很高,最主要的是没有从根本上解决污染问题,这些处理方法仅仅是使污染物发生了转移,对这些污染物还需要进一步的处理,目前这些方法仅仅应用于处理一些突发的紧急事件。而现在出现的一些经济可行的新技术、新工艺等逐渐成为了研究的热点,如:电修复法、土壤气相抽提法及CSP法、热解析法等。 电修复法:将电极插入到受污染的地下水或土壤区域,在直流电的作用下形成直流电场,则土壤中的离子和颗粒物质会沿着电场方向发生定向的电渗析、电泳运动以及电迁移,使土壤空隙中的荷电离子或粒子发生迁移运动;热解析法主要用于修复有机物,它是通过加热升温土壤,收集挥发性污染物进行集中处理;土壤气相抽提法是一种原位修复技术,主要是去除石油污染土壤中挥发性或半挥发性的石油组分;CSP法是用煤和焦炭等含碳的物料当作吸附物,在90℃和强烈搅拌下通过煤表面强力吸附烃基污染物,然后用重选或浮选法将干净的土壤和吸附有烃基化合物的煤分开。
       电修复法与传统的土壤修复技术相比具有经济效益高、不破坏现场生态环境以及接触毒物少的优点,更加适用于治理渗透系数低的密质土壤。而热解析法需要消耗大量的能力并且容易破坏土壤中的有机质和结构水,同时还会向空气会发有害蒸汽而造成二次污染。土壤土壤气相抽提法具有可操作性强、处理污染物的范围宽、可由标准设备操作、不破坏土壤结构及可回收利用废物等优点。

 


2.2 生物修复
       在减少土壤中有毒有害物质浓度的时候利用生命的代谢活动使污染的土壤恢复到健康状态,这种修复土壤的方式为生物修复。目前有以下三类:
       ①微生物修复。土壤中的某些微生物对一种或多种污染物具有沉淀、吸收、氧化和还原的作用,微生物修复就是利用这种作用来降低土壤重金属的吸收、修复被污染的土壤和降解复杂的有机物。
影响微生物修复土壤的因素有很多,如温度、水分、pH以及氧气等。每种微生物对生物因子都会有一定的耐受范围,在同一个环境中,多种微生物就比一种微生物的耐受范围宽。如果环境的条件超过了所有定居微生物的耐受范围则微生物的修复作用就会停止。
       刚刚起步阶段的生物修复技术因具有成本低、操作简单、无二次污染、处理效果好且能大面积推广应用等优点备受关注。
       生物修复是一项清洁的低投资、高效益、便于应用、发展潜力较大的新兴技术,生物修复利用生物(包括植物、微生物和原生动物)的代谢功能,吸收、转化、清除或降解环境污染物,实现环境净化、生态恢复。从参与修复过程的生物类型来划分,生物修复包括微生物修复、植物修复、动物修复和联合修复等类型。
       微生物修复技术就是利用土壤中的土著微生物的代谢功能,或者补充具有降解转化污染物能力的人工培养的功能微生物群,通过创造适宜环境条件,促进或强化微生物代谢功能,从而降解并最终消除污染物的生物修复技术。
       微生物修复的实质是生物降解或者生物转化,即微生物对有机污染物的分解作用或者对无机污染物的钝化作用。利用微生物修复技术既可治理农药、除草剂、石油、多环芳烃等有机物污染的环境,又可治理重金属等无机物污染的环境;既可使用土著微生物进行自然生物修复,又可通过补充营养盐、电子受体及添加人工培养菌或基因工程菌进行人工生物修复;既可进行原位修复,也可进行异位修复。
       从目前来看,微生物修复是最具发展潜力的技术,但微生物个体微小,富集有重金属的微生物细胞难以从土壤中分离,还存在与修复现场土著菌株竞争等不利因素。近年来微生物修复研究工作着重于筛选和驯化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,并通过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,最终实现针对性强、高效快捷、成本低廉的微生物修复技术的工程化应用。
       ②植物修复。利用能够富集重金属的植物清除土壤重金属污染的设想是美国科学家Chaney在1983年首次提出的,这就是植物修复技术。污染土的植物修复技术根据植物修复的机理和作用过程可以分为4种基本类型:植物提取、植物挥发、植物稳定和植物降解。
       植物提取主要是靠植物吸收土壤中的污染物,这些污染物运输并储存在植物体的地上部分,通过种植和收割植物而达到去除土壤中污染物的目的;植物挥发净化土壤可以分为两种方式:一是土壤中的污染物在植物根系分泌的特殊物质的作用下转化为挥发态,其二是植物将土壤中的污染物吸收到体内在转换为气态物质释放到大气中;植物稳定是指植物通过某种生化过程使污染基质中污染物的流动性降低,生物可利用性下降;植物降解是通过植物根系分泌物与根际微生物联合作用而达到降解污染物的生物化学过程,这种主要是处理复杂的有机物。
       以上几种方式中植物提取修复是目前应用最多、最有发展前景的技术;而植物挥发修复技术仅仅限于挥发性物质,将这些污染物转移到大气中有没有环境风险还不确定,因此应当谨慎采用;植物稳定修复仅仅是暂时固定污染物,当土壤环境发生变化时污染物可能将重新被激活而恢复毒性;因此,没有彻底解决土壤污染问题。
       ③动物修复。动物修复技术主要是通过土壤动物群来修复受污染的土壤,分为直接作用:吸收、转化和分解;间接作用:改善土壤理化性质,提高土壤肥力,促进植物和微生物的生长。动物修复技术包括两方面内容:第一,生长在污染土壤上的植物体和粮食等饲喂动物,通过研究动物的生化变异来研究土壤的污染状况;第二,直接将蚯蚓、线虫类等饲养在污染土壤中进行研究。目前这项技术较多的应用在石油类污染中。

 

       植物修复技术是利用自然生长植物根系(或茎叶)吸收、富集、降解或者固定污染土壤、水体和大气中的污染物的环境技术总称。主要通过植物提取、植物蒸腾作用、根系过滤和植物钝化来实现。植物修复技术目前主要利用对重金属有富集特征的植物吸收或者吸附积累重金属,达到从土壤中除去重金属的目的。
       动物修复是利用土壤中蚯蚓等低等动物和其体内的微生物,在污染土壤中生长、繁殖等活动过程中对土壤中的污染物进行转化和富集的作用,最后通过对这些动物集中处理,从而降低土壤中的污染物。土壤动物修复技术未来的发展方向是将土壤动物作为一种“催化剂”,将其放入被污染的土壤中,提高传统生物土壤修复技术的修复速度和效率。
联合修复技术就是协同两种或两种以上修复方法,克服单项修复技术的局限性,实现对多种污染物的同时处理和对复合污染土壤的修复。该方法已成为土壤修复技术中的重要研究内容,其中植物—微生物联合修复是最为广泛采用的联合生物修复技术。
       目前,重金属污染土壤的植物—微生物联合修复作为一种强化植物修复技术逐渐成为国际研究热点,这种方式可以充分发挥各自的优势,从而提高污染环境的修复效率。微生物可以辅助超积累植物修复重金属污染土壤,其代谢过程可改变根际土壤重金属的生物有效性,从而有利于超积累植物对重金属的吸收和积累,微生物的代谢产物还可改善土壤生态环境。另外,微生物还能够分泌植物激素类物质、铁载体等活性物质,促进植物的生长。反之,植物根系分泌氨基酸、糖类、有机酸及可溶性有机质等可以被微生物代谢利用,促进微生物的生长,有利于提高植物—微生物联合修复的效率。
       而在有机物污染土壤中,植物生长时,其根系提供了微生物生长的最佳场所,反过来,微生物的旺盛生长,增强了对有机污染物的降解,也使得植物有更好的生长环境,所以,植物—微生物联合体系就能够促进有机污染物的快速降解、矿化。
2.3 化学修复

       化学修复是通过土壤中的吸附、溶解、氧化还原、拮抗、络合螯合或沉淀作用,以降低土壤中污染物的迁移性或生物有效性。常用的有以下几种:
       第一,固化:为了控制污染物在土壤中的迁移,一般是将含有重金属的污染土壤与固化剂按照一定的比例进行混合,熟化后形成渗透性较低的固体混合物,从而隔离了污染土壤与外界环境的影响将污染物固封在固化物中;
       第二,稳定化:将污染物转化为不易溶解、迁移能力小以及毒性小的形式或状态,主要是通过在土壤中加入化学物质改变重金属的形态或价态实现的;
       第三,萃取法:使用有机溶剂对石油污染的土壤中的原油进行萃取主要是根据相似相溶原理进行的,萃取后对有机相进行分离,回收油用于回炼,而分离的溶剂循环使用。
       第四,淋洗法:受到污染的土壤经过清水淋洗液或含有化学助剂的水溶液淋洗出污染物。
       以上几种方式各有自己的优势和适用范围,因此在处理污染土壤时应当根据实际情况选择适宜的处理方式以达到预期的处理效果。如:固化适用于面积小但是污染严重的土壤;萃取法仅仅适用于受油污浓度较高的土壤;而化学氧化法虽然操作比较复杂但是可以灵活的应用于不同类型污染物的处理中。
3、各土壤修复技术优缺点比较表
       在政府财政支持下我国开展了多个类型场地的修复技术设备研发。尽管可以罗列的土壤及地下水污染的修复技术很多但实际上经济实用的修复技术很少。 土壤修复技术归纳起来常用的有以下几种:
       1、热力学修复技术,利用热传导,热毯、热井或热墙等,或热辐射,无线电波加热等实现对污染土壤的修复。
       2、热解吸修复技术,以加热方式将受有机物污染的土壤加热至有机物沸点以上使吸附土壤中的有机物挥发成气态后再分离处理。
       热解吸附技术是目前世界上最先进的污染废弃物处理技术之一,主要处理对象为农药污染土壤、油田含油废弃物、罐底油泥等。其作业原理为利用污染废弃物中有机物的热不稳定性,通过非焚烧的间接加热方式实现实现污染物与土壤的分离,并可将废弃物中的固相、油相、水相、气相绝大部分回收利用,从根本上实现无害化处理,因此该技术被广泛应用于全球的油田废弃物处理作业。

 

       3、焚烧法,将污染土壤在焚烧炉中焚烧,使高分子量的有害物质?挥发性和半挥发性,分解成低分子的烟气经过除尘、冷却和净化处理使烟气达到排放标准。
       4、土地填埋法,将废物作为一种泥浆将污泥施入土壤通过施肥、灌溉、添加石灰等方式调节土壤的营养、湿度和pH值保持污染物在土壤上层的好氧降解。对于可以用土壤酸度计检测土壤ph值与湿度,用土壤EC计检测土壤EC值,查看土壤改良效果。
       5、化学淋洗,借助能促进土壤环境中污染物溶解或迁移的化学/生物化学溶剂在重力作用下或通过水头压力推动淋洗液注入到被污染的土层中,然后再把含有污染物的溶液从土壤中抽提出来,进行分离和污水处理的技术。
       6、堆肥法,利用传统的堆肥方法,堆积污染土壤,将污染物与有机物,稻草、麦秸、碎木片和树皮等、粪便等混合起来,依靠堆肥过程中的微生物作用来降解土壤中难降解的有机污染物。
       7、植物修复,运用农业技术改善土壤对植物生长不利的化学和物理方面的限制条件,使之适于种植,并通过种植优选的植物及其根际微生物直接或间接吸收、挥发、分离、降解污染物,恢复重建自然生态环境和植被景观。
       8、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。
       9、生物修复,利用生物,特别是微生物催化降解有机污染物,从而修复被污染环境或消除环境中污染物的一个受控或自发进行的过程。 其中微生物修复技术是利用微生物,土著菌、外来菌、基因工程菌,对污染物的代谢作用而转化、降解污染物,主要用于土壤中有机污染物的降解。通过改变各种环境条件如,营养、氧化还原电位、共代谢基质,强化微生物降解作用以达到治理目的。
各技术成本比较如下图所示:

各种修复技术的特点及适用的污染类型:


       虽然土壤的修复技术很多,但没有一种修复技术可以针对所有污染土壤。相似的污染状况不同的土壤性质、不同的修复需求,也会限制一些修复技术的使用。另外,大多数修复技术对土壤或多或少带来一些副作用。
土壤修复技术是一项涵盖地质学、化学、物理学、材料学、生物学和环境学的多学科综合技术。近年来,对石油污染土壤治理的研究很多,世界各国纷纷制定石油污染土壤的修复与治理计划,并取得很大进展目前土壤重金属污染物修复技术在探索中发展。物理修复、化学修复、生物修复技术本身都有明显的局限性。物理修复技术能量消耗高、需要专门设备、处理成本高、工作量大,只能处理小面积的污染土壤;化学法处理易破坏土壤团粒结构、处理成本高、存在二次污染的风险;生物修复存在过程缓慢、污染物降解的有些中间产物毒性甚至超过其自身,场地条件和环境因素对修复效率的影响大,修复效果不稳定。为克服单一方法的缺点,发挥不同修复技术的长处,研究开发土壤污染综合修复技术尤显重要。重点在不同生物技术的综合利用和开发物理、化学和生物联合修复工艺。
4、土壤修复的产业链条
       我国土壤污染的总体形势严峻。另外,土壤污染类型还呈现出新老污染物并存、无机有机复合污染的局面。据不完全统计,全国每年因土壤污染而减产粮食1000万吨,因重金属污染的粮食达1200万吨,造成直接经济损失超过200亿元。
       搞好土壤修复,有一个很长的产业链条,为环保产业发展提供了想像空间。一是土壤修复监测市场,主要是政府购买服务。“土十条”出台并全面实施后,将启动全国土壤污染状况详查,需要社会组织帮助政府摸清家底,完善土壤信息系统,建立大数据平台,搞好土壤污染监测服务。二是土壤修复咨询服务,包括场地调查、风险评估、方案设计、工程监理和成果转化等。特别是方案设计需要掌握土壤修复先进技术,一般由从事这一工作的科研院所、高等院校和专门研发机构担当。三是土壤修复装备制造。土壤修复涉及气相抽提、土壤曝气、土壤淋洗、溶剂浸提、活性炭吸附和地下水抽提处理等技术装备。这些技术装备的设计、制作和营销将形成新的产业群体。四是土壤修复工程。由土壤修复工程公司对污染场地、矿山土地和耕地等污染场所采取技术措施进行修复。

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