污染土壤修復

污染土壤修復作者：龔亞炬指導老師：魏文俠摘要：土壤是人類賴以生存的主要資源之一，近年來，隨著工業(yè)的快速發(fā)展和城市化規(guī)模的不斷擴大，礦產(chǎn)資源的不合理開發(fā)及其冶煉排放、長期對土壤進行污水灌溉和污泥施用、人為活動引起的大氣沉降、化肥農(nóng)藥的使用等原因，造成了土地污染面積不斷擴大，土壤污染日益嚴重。2014年4月17日，環(huán)境保護部和國土資源部聯(lián)合發(fā)布了《全國土壤污染狀況調查公報》，公報顯示全國土壤環(huán)境狀況總體不容樂觀，部分地區(qū)土壤污染嚴重，耕地土壤環(huán)境質量堪憂，工礦業(yè)廢棄地土壤環(huán)境問題突出，全國土壤總的超標率為16.1%。土壤污染具有隱蔽性、毒害性、累積性、長期性、多樣性和滯后性的特點，被污染的土壤通過地下水或生物富集作用直接或間接地影響著人類健康。因此土壤修復是十分有必要的，但是與土壤污染、場地修復有關的法律法規(guī)缺乏系統(tǒng)性和具有可操作性的細則，沒有一套行之有效的修復技術體系，在大規(guī)模的土壤修復工程應用時，尚需解決諸如資金、政策、標準、技術等很多實際問題。關鍵詞：污染土壤；土壤修復；政策法規(guī)；技術體系 1.我國土壤修復相關政策及標準目前，我國涉及土壤保護的法律法規(guī)主要有《環(huán)境保護法》、《土地管理法》、《水土保持法》，在水、大氣、固體廢棄物污染防治法中，也對土壤環(huán)境保護有所涉及。但這些法律規(guī)定分散且不系統(tǒng)，可操作性不強，不能滿足保護土壤環(huán)境的實際需要。在土壤監(jiān)測標準方面，目前有《土壤環(huán)境監(jiān)測技術規(guī)范》（HJ/T166-2004）、《地下水環(huán)境監(jiān)測技術規(guī)范》（HJ/T164－2004）、水利部《水環(huán)境監(jiān)測規(guī)范》（SL219－98）；在監(jiān)控標準方面，有《地下水質量標準》（GB/T14848-93）、《土壤環(huán)境質量標準》（GB15618-1995）、《工業(yè)企業(yè)土壤環(huán)境質量基準》（HJ/T25-1999），已很少使用。其中我國唯一的《土壤環(huán)境質量標準》中，只包含了八種重金屬、兩種農(nóng)藥，且只針對農(nóng)用地土壤保護，已經(jīng)相當滯后。但我國土壤環(huán)境保護標準正在逐步完善，2014年環(huán)保部又相繼發(fā)布了《污染場地風險評估技術導則》、《污染場地土壤修復技術導則》、《場地環(huán)境調查技術規(guī)范》和《污染場地環(huán)境監(jiān)測技術導則》、《工業(yè)企業(yè)場地環(huán)境調查評估與修復工作指南》（試行）總之，目前我國的土壤污染狀況缺乏比較全面系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，相關標準體系也不完善，在土壤污染監(jiān)測監(jiān)控、環(huán)境風險評價及土壤修復技術等方面還未建立完備的技術指南及標準。2.國內外土壤修復技術的發(fā)展2.1歐美土壤修復技術的發(fā)展歷程歐美土壤修復技術的發(fā)展歷程分為3個階段，（1）20世紀80年代以前，土壤治理方式為物理、化學修復，修復技術主要采用挖掘填埋、客土法、固化、穩(wěn)定化、土壤氣提、化學萃?。唬?）20世紀80年代至21世紀初，土壤治理方式為物理、化學和生物修復，修復技術主要采用IMC（隔離、維護和控制、淋洗、化學萃取、化學氧化還原、玻璃固化和熱脫附）（3）21世紀以來，土壤治理方式為物理、化學和生物修復，但已開始廣泛關注高效低費的修復方法，研究重點為植物修復及自然轉移和衰減。2.2我國發(fā)展歷程我國土壤修復技術的研發(fā)歷程分為4個階段：（1）21世紀60年代以前，土壤治理方式為物理修復，主要通過填埋、刮土、復土等措施治理退化土地；（2）21世紀70-80年代，土壤治理方式為物理修復，主要是土地資源的穩(wěn)定利用，相關基本環(huán)境工程的配套；（3）21世紀90年代，土壤治理方式為物理、化學和生物恢復，但主要修復技術是土地復墾，選用先鋒植物#耐性植物恢復土壤特性；（4）21世紀以來，土壤治理方式為物理、化學和生物恢復，修復技術主要采用植物、微生物、動物、固化/穩(wěn)定化、土壤氣提#化學氧化還原、熱脫附#淋洗、化學萃取等，其中以植物修復為研發(fā)應用重點。3.土壤修復技術3.1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(huán)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(tǒng)的挖掘填埋技術方案。3.2土壤蒸氣浸提土壤蒸氣浸提(簡稱SVE)技術是去除土壤中揮發(fā)性有機污染物(VOCs)的一種原位修復技術。它將新鮮空氣通過注射井注入污染區(qū)域,利用真空泵產(chǎn)生負壓,空氣流經(jīng)污染區(qū)域時,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)過活性炭吸附法以及生物處理法等凈化處理,可排放到大氣或重新注入地下循環(huán)使用。SVE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。苯系物等輕組分石油烴類污染物的去除率可達90%[25]。深入研究土壤多組分VOCs的傳質機理,精確計算氣體流量和流速,解決氣提過程中的拖尾效應,降低尾氣凈化成本,提高污染物去除效率,是優(yōu)化土壤蒸氣浸提技術的需要。3.3熱脫附技術熱脫附是用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)并與土壤介質相分離的過程。熱脫附技術具有污染物處理范圍寬、設備可移動、修復后土壤可再利用等優(yōu)點,特別對PCBs這類含氯有機物,非氧化燃燒的處理方式可以顯著減少二英生成[21]。目前歐美國家已將土壤熱脫附技術工程化,廣泛應用于高污染的場地有機污染土壤的離位或原位修復,但是諸如相關設備價格昂貴、脫附時間過長、處理成本過高等問題尚未得到很好解決,限制了熱脫附技術在持久性有機污染土壤修復中的應用[24]。發(fā)展不同污染類型土壤的前處理和脫附廢氣處理等技術,優(yōu)化工藝并研發(fā)相關的自動化成套設備正是共同努力的方向。3.4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(jīng)過墻體時其中的污染物與墻內反應材料發(fā)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(jù)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(fā)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(jīng)反應墻,不需額外能量提供和地面處理系統(tǒng),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。3.5淋洗技術土壤淋洗修復技術是將水或含有沖洗助劑的水溶液、酸堿溶液、絡合劑或表面活性劑等淋洗劑注入到污染土壤或沉積物中,洗脫和清洗土壤中的污染物的過程。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。這種離位修復技術在多個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。由于該技術需要用水,所以修復場地要求靠近水源,同時因需要處理廢水而增加成本。研發(fā)高效、專性的表面增溶劑,提高修復效率,降低設備與污水處理費用,防止二次污染等依然是重要的研究課題。3.6氧化-還原技術土壤化學氧化-還原技術是通過向土壤中投加化學氧化劑(Fenton試劑、臭氧、過氧化氫、高錳酸鉀等)或還原劑(SO2、Fe0、氣態(tài)H2S等),使其與污染物質發(fā)生化學反應來實現(xiàn)凈化土壤的目的[29,30,31]。通常,化學氧化法適用于土壤和地下水同時被有機物污染的修復。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。例如,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(chǎn)生聚合失效等問題[29],需要開發(fā)新的催化劑和表面激活技術。3.7固化-穩(wěn)定化技術固化-穩(wěn)定化技術是將污染物在污染介質中固定,使其處于長期穩(wěn)定狀態(tài),是較普遍應用于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(yōu)勢。該處理技術的費用比較低廉,對一些非敏感區(qū)的污染土壤可大大降低場地污染治理成本。常用的固化穩(wěn)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。在美國的非有機物污染的超級基金項目中大部分采用固化-穩(wěn)定化技術處理。我國一些冶煉企業(yè)場地重金屬污染土壤和鉻渣清理后的堆場污染土壤也采用了這種技術。國際上已有利用水泥固化-穩(wěn)定化處理有機與無機污染土壤的報道。目前,需要加強有機污染土壤的固化-穩(wěn)定化技術研發(fā)、新型可持續(xù)穩(wěn)定化修復材料的研制及其長期安全性監(jiān)測評估方法的研究。3.8植物修復技術從20世紀80年代問世以來,利用植物資源與凈化功能的植物修復技術迅速發(fā)展[4,5]。植物修復技術包括利用植物超積累或積累性功能的植物吸取修復[6,7,8]、利用植物根系控制污染擴散和恢復生態(tài)功能的植物穩(wěn)定修復[9]、利用植物代謝功能的植物降解修復[10]、利用植物轉化功能的植物揮發(fā)修復[4]、利用植物根系吸附的植物過濾修復[4]等技術;可被植物修復的污染物有重金屬、農(nóng)藥、石油和持久性有機污染物、炸藥、放射性核素等。其中,重金屬污染土壤的植物吸取修復技術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修復[6,7,11,12],并發(fā)展出包括絡合誘導強化修復[13]、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[1]。這種技術的應用關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。近年來,我國在重金屬污染農(nóng)田土壤的植物吸取修復技術應用方面在一定程度上開始引領國際前沿研究方向。但是,雖然開展了利用苜蓿、黑麥草等植物修復多環(huán)芳烴、多氯聯(lián)苯和石油烴的研究工作,但是有機污染土壤的植物修復技術的田間研究還很少,對炸藥、放射性核素污染土壤的植物修復研究則更少。植物修復技術不僅應用于農(nóng)田土壤中污染物的去除,而且同時應用于人工濕地建設、填埋場表層覆蓋與生態(tài)恢復、生物棲身地重建等。近年來,植物穩(wěn)定修復技術被認為是一種更易接受、大范圍應用、并利于礦區(qū)邊際土壤生態(tài)恢復的植物技術,也被視為一種植物固碳技術和生物質能源生產(chǎn)技術;為尋找多污染物復合或混合污染土壤的凈化方案,分子生物學和基因工程技術應用于發(fā)展植物雜交修復技術;利用植物的根圈阻隔作用和作物低積累作用,發(fā)展能降低農(nóng)田土壤污染的食物鏈風險的植物修復技術正在研究。3.9微生物修復技術微生物能以有機污染物為唯一碳源和能源或者與其他有機物質進行共代謝而降解有機污染物。利用微生物降解作用發(fā)展的微生物修復技術是農(nóng)田土壤污染修復中常見的一種修復技術。這種生物修復技術已在農(nóng)藥或石油污染土壤中得到應用。在我國,已構建了農(nóng)藥高效降解菌篩選技術、微生物修復劑制備技術和農(nóng)藥殘留微生物降解田間應用技術;也篩選了大量的石油烴降解菌,復配了多種微生物修復菌劑,研制了生物修復預制床和生物泥漿反應器,提出了生物修復模式。近年來,開展了有機胂和持久性有機污染物如多氯聯(lián)苯和多環(huán)芳烴污染土壤的微生物修復技術工作。分離到能將PAHs作為唯一碳源的微生物如假單胞菌屬、黃桿菌屬等,以及可以通過共代謝方式對4環(huán)以上PAHs加以降解的如白腐菌等。建立了菌根真菌強化紫花苜蓿根際修復多環(huán)芳烴的技術和污染農(nóng)田土壤的固氮植物根瘤菌-菌根真菌聯(lián)合生物修復技術。總體上,微生物修復研究工作主要體現(xiàn)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(shù)的優(yōu)化和養(yǎng)分、溫度、濕度等關鍵因子的調控等方面。微生物固定化技術因能保障功能微生物在農(nóng)田土壤條件下種群與數(shù)量的穩(wěn)定性和顯著提高修復效率而受到青睞。通過添加菌劑和優(yōu)化作用條件發(fā)展起來的場地污染土壤原位、異位微生物修復技術有:生物堆漚技術、生物預制床技術、生物通風技術和生物耕作技術等。運用連續(xù)式或非連續(xù)式生物反應器、添加生物表面活性劑和優(yōu)化環(huán)境條件等可提高微生物修復過程的可控性和高效性。目前,正在發(fā)展微生物修復與其他現(xiàn)場修復工程的嫁接和移植技術,以及針對性強、高效快捷、成本低廉的微生物修復設備,以實現(xiàn)微生物修復技術的工程化應用。3.10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(fā)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(shù)土壤等的修復,其基本原理是將電極插入受污染土壤區(qū)域,通過施加微弱電流形成電場?？障吨械牡叵滤蝾~外補充的流體可作為傳導的介質,污染物則在電場產(chǎn)生的各種電動力效應下沿電場方向定向遷移,在電極區(qū)附近發(fā)生氧化、還原反應,經(jīng)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(huán)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4.我國土壤修復技術研發(fā)與應用我國污染場地土壤修復技術研發(fā)與應用路線見圖5,由圖5可知，目前我國污染土壤修復技術體系主要由生物和物化修復技術組成，其中，植物修復技術研究始于20世紀90年代，發(fā)展于2000年以后，是目前研究最多，發(fā)展最快，應用最廣的修復技術。“十一五”后期，國家863計劃和北京市等地方政府才開始支持土壤氣提、化學氧化還原、熱脫附、淋洗等物化修復設備的研發(fā)。至今為止，我國污染場地修復設備多停留在科研裝備開發(fā)或實驗樣機中試階段，修復設備的產(chǎn)業(yè)化應用甚少。關于自然轉移和衰減的土壤修復技術目前鮮見相關報道。4.土壤修復面臨的問題4.1修復技術難以工程化針對當前的土壤修復產(chǎn)業(yè)，有專家直言，我們的土壤修復還停留在“換土”階段。其實，所謂“換土”，是一種異位土壤修復技術，它包括異地填埋和異地水泥窯焚燒等。由于上述方式見效快，對原址的開發(fā)建設進度影響小，目前在國內土壤修復，被較多采用。但是，在產(chǎn)業(yè)發(fā)展較為成熟的西方國家，異地填埋和水泥窯焚燒技術并不是行業(yè)修復的主流，他們較多采用的是固化與穩(wěn)定化、熱脫附、生物修復、化學氧化還原等效率高、風險低、系統(tǒng)預測性高的異位修復方法。目前研發(fā)的土壤修復技術約有五六種，但大多數(shù)技術還處在研發(fā)和示范階段，很少能夠真正運用于實際的場地修復中，沒有形成真正工程化和商業(yè)化的實用技術。原因之一就在于實踐少，即使一些新技術被采用，開發(fā)商對于處置周期仍然十分嚴格，修復公司也只好將土壤運到別處。作為適用條件極強的技術來說，土壤修復技術的理論都非常簡單，關鍵是如何設計一個合適的工程技術手段，把實驗室的成果應用到現(xiàn)實中。從目前來看，與國外發(fā)達國家相比，國內土壤修復企業(yè)的研發(fā)力量十分不足。污染場地無論采用何種修復技術，都必須適合中國國情，“不能簡單地說原位技術就一定比異位技術好，國外的技術就一定適用于中國。必須綜合考量經(jīng)濟和環(huán)境等各方面因素，從修復的效果、資金、周期以及公眾的可接受程度等方面綜合評估，具體問題具體分析，做出權衡利弊的選擇”。4.2避免過度修復目前沒有制定明確的修復目標國家標準，應實行風險管理和風險評估。當前，我國污染場地修復產(chǎn)業(yè)剛剛起步，資金不多、技術不足。但我國目前在土壤修復領域沒有制定明確的修復目標國家標準。地方政府在做決策時，無從參考。為了保險起見，只能參考目前已經(jīng)制定出的一些標準，而這些標準往往過于嚴格，超出了這塊土壤修復應修復的目標值。如果所有的修復都按照這么嚴格的標準，按照中國現(xiàn)有的經(jīng)濟發(fā)展水平，我們將無法承擔污染場地的修復費用，也沒有必要。美國的污染場地數(shù)量有29萬～40萬塊，但并不是每一塊都進行了修復。有的污染場地，通過采取風險管理和風險防范的措施，對其進行了無害化管理。然而，“在我國，風險管理的理念還沒有被廣泛接受，大家對污染場地認識還處在一個起步階段，缺乏對污染的風險評估辦法。因此污染場地修復，應因地制宜。因為修復土壤的資金需求很大，少則幾千萬元，多則十幾億元。實行風險評估，其實是根據(jù)場地實際的污染狀況和未來的規(guī)劃需要，看是否需要修復，修復到什么程度，提出一個合理的解決辦法?！拔覀儜撏黄扑⒋髿獾墓芾硭悸罚盐廴緢龅匦迯偷墓芾砀嗟鼗陲L險評估上。這也是國外用幾十年的發(fā)展總結出來的經(jīng)驗。5.修復技術展望在污染土壤修復決策上,它已從基于污染物總量控制的修復目標發(fā)展到基于污染風險評估的修復導向;在技術上,已從物理修復、化學修復和物理化學修復發(fā)展到生物修復、植物修復和基于監(jiān)測的自然修復,從單一的修復技術發(fā)展到多技術聯(lián)合的修復技術、綜合集成的工程修復技術;在設備上,從基于固定式設備的離場修復發(fā)展到移動式設備的現(xiàn)場修復;在應用上,已從服務于重金屬污染土壤、農(nóng)藥或石油污染土壤、持久性有機化合物污染土壤的修復技術發(fā)展到多種污染物復合或混合污染土壤的組合式修復技術;已從單一廠址場地走向特大城市復合場地(mega-citysite),從單項修復技術發(fā)展到融大氣、水體監(jiān)測的多技術多設備協(xié)同的場地土壤-地下水綜合集成修復;已從工業(yè)場地走向農(nóng)田耕地,從適用于工業(yè)企業(yè)場地污染土壤的離位肥力破壞性物化修復技術發(fā)展到適用于農(nóng)田耕地污染土壤的原位肥力維持性綠色修復技術。在我看來，（1）目前我國土壤修復的各種技術都有特定的應用范圍和局限性。尤其是物理、化學的方法，容易導致土壤結構破壞，土壤養(yǎng)分流失和生物活性下降。甚至許多企業(yè)為了縮短修復時間，修復工程變成了“挖土方”工程，造成土壤修復產(chǎn)業(yè)的紊亂。這一切是由于缺乏國家層面系統(tǒng)性的建設規(guī)劃，沒有對具體需求、存在問題、整個建設投資規(guī)模的指標加以量化；標準規(guī)范不完整。因此政府應該進行引導產(chǎn)業(yè)發(fā)展，讓相關制度日趨完善，法律法規(guī)更加細化、可執(zhí)行。（2）另外生物修復尤其是植物修復目前是環(huán)境友好的修復方法，但土壤污染多是復合型污染，植物修復也面臨技術難題。此外，我國土壤修復的設備大部分依賴進口，缺乏自