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有关土壤修复技术概况

有关土壤修复技术概况

发布日期:2018-12-11 编辑: 点击:

土壤是人类赖以生存的重要资源,目前,我国土壤环境问题形势严峻。矿区开采、企业三废排放、化肥农药等农用化学品过量施用、畜禽粪便和垃圾处理不当,以及土壤酸化等造成土壤重金属和有机污染物污染问题日益突出。如何高效修复重金属污染土壤已成为修复领域关注的焦点问题。
那么,什么是重金属污染?怎么对重金属污染土壤进行修复?今天,大家一起来聊聊重金属污染土壤的修复技术
什么是土壤重金属污染?
土壤重金属污染(heavy metal pollution of the soil),是指因人类活动使得土壤中的微量金属元素含量超过背景值,因过量沉积而引起的含量过高,统称为土壤重金属污染。这些“重金属”包括汞、镉、铅、铬等毒性金属元素和类金属(如砷)等生物毒性显著的元素,以及有一定毒性的锌、铜、镍等元素。土壤重金属污染少量是因自然原因产生,其主要来源还是因人为活动,如工矿企业生产的废水、污泥等含重金属废物;农业生产中使用的农药、杀虫剂;冶炼企业和汽车排放废气的重金属沉降等。
土壤重金属污染对农业生产、人类食物、自然生态、水土环境、人居环境都会产生影响。近年来,随着“毒地”、“镉大米”等事件出现,我国对于重金属污染土壤修复的关注力度也在逐渐加大。重金属污染土壤元素难以被自然降解,只会发生形态的变化和迁移。因此,各种修复技术都是围绕“去除”这一核心来进行的。目前,重金属污染的修复主要有两种途径:
1、改变重金属的存在状态,降低其活性,使其钝化,脱离食物链,减小其毒性;
2、利用特殊植物吸取土壤中的重金属,然后将该植物除去或用工程技术将重金属变为可溶态、游离态,再经过淋洗,然后收集淋洗液中的重金属,从而达到回收重金属和减少土壤中重金属的双重目的。
一般来说,重金属污染土壤修复技术大致可以分为:物理修复、化学修复、生物修复以及联合修复等。
重金属污染土壤物理修复技术主要包括物理工程措施、玻璃化技术、淋洗法、冰冻土壤修复技术、电动力学法和蒸气浸提修复。
一、物理工程措施主要有排土、换土、去表土、客土和深耕翻土等措施。排土、换土、去表土和客土的修复施工工程量较大,且存在污土的处理问题。深耕翻土是采用深耕,上下翻动土壤层,降低表层土壤中的重金属含量。
物理工程措施中较常见的是客土和污土相结合,将一定量的干净客土和污土成比例混合,从而使得土壤中的重金属含量降低。深耕翻土在污染较轻的土壤修复过程较常见,客土和换土多用于重污染土壤修复工程。目前,一些发达国家在土壤污染较重的地区试行土壤重金属固化技术和挖土深埋包装技术。
二、玻璃化技术是在高温高压条件下,被重金属污染的土壤形成玻璃态结构,使得土壤中的重金属被固定稳定化。玻璃化技术能够从根本上去除土壤中重金属的污染,去除速度快,但技术工程量大,且费用较高,比较多的是用于对重金属污染很重的区域进行抢救性修复。
土壤淋洗是通过注入和抽吸淋洗液,淋洗液和污染的土壤充分混合,土壤中的重金属通过溶解、乳化和化学作用渗入到淋洗液中,随淋洗液的吸出而去除的修复技术。该技术是将淋洗液注入污染的土壤,再用泵将吸附过污染物的淋洗液抽吸处理,一般需要用清洁的淋洗液反复多次淋洗,然后对污染的淋洗液进行收集处理与回用。
冰冻土壤修复是围绕已知的污染源在地下以等距离的形式垂直安顿合适的管道,再在管道内输送入无害的冰冻剂,冻结土壤中的水分,形成地下冻土屏障,防止土壤中的重金属迁移扩散。
三、电动修复技术是通过电流的作用,在电场的作用下,土壤中的重金属离子(如Pb、Cd、Cr、Zn等)以电透渗和电迁移的方式向电极运输,然后集中收集处理。电动修复方法特别适合于低渗透的粘土和淤泥土,可以控制污染物的流动方向。有研究发现,土壤pH、缓冲性能、土壤组分及污染金属种类会影响修复的效果。有研究者模拟Cd污染土壤,在电场强度为1V.cm-1的条件下研究修复效果,且较低的pH值和较高的氧化还原电位都有利于Cd的解吸并加速修复过程。
物理修复法是最通用的土壤修复法,广泛应用于各种污染土壤情况。根据不同土壤质地、通透性和污染物类型,以及具体的修复后土壤可再利用价值,就可以选择不同的土壤修复方法,在成本一定的情况下,达到良好的土壤修复效果。
相对于物理修复,重金属污染土壤的化学修复技术发展较早,主要有以下几种:
1. 土壤淋洗技术,可分为原位淋洗技术和异位淋洗技术两种。
(1)原位淋洗技术:在田间直接将淋洗剂加入污染土壤,经过必要的混合,使土壤污染物溶解进入淋洗溶液,而后使淋洗溶液往下渗透或水平排出,最后将含有污染物的淋洗溶液收集、再处理的技术。原位淋洗技术是为数不多的可从土壤中去除重金属的技术之一。
影响技术有效性的重要因素是土壤的性质,其中最重要的是土壤质地和阳离子交换量。最适于砂粒和砾石占50%以上的、阳离子交换量低于10cmol/kg的土壤。淋洗剂对于促进污染物从土壤的解吸并溶入溶液是不可缺少的。淋洗剂应是高效的、低价的、二次污染风险小的。常用的淋洗剂有水和化学溶液。溶液通常包括稀的酸、碱、螯合剂、还原剂、络合剂以及表面活性剂溶液等。1987~1988年间,荷兰曾采用该技术(原位土壤淋洗技术)对一个镉污染土壤进行处理。他们用0.001mol˙L-1 HCl对6000㎡的土地上大约30000 m的砂质土壤进行了处理。经过处理,土壤镉浓度从原来的20mg˙kg-1以上降低到1mg˙kg-1以下,处理费用大约50英镑˙m-3。
(2)异位淋洗技术:将污染土壤挖掘出来,用水或其他化学溶液进行清洗使污染物从土壤分离开来的一种化学处理技术。质地较轻的土壤适合于本技术,黏重的土壤处理起来比较困难。一般认为,黏粒含量超过30%~50%的土壤不宜采用本技术。
有机质含量高的土壤处理起来也很困难,因为很难将污染物分离出来。土壤清洗技术适用于各种污染物,如重金属、放射性核素、有机污染物等。美国的新泽西州,曾对19000t重金属污染的土壤和污泥进行了异位清洗处理。处理前铜、铬、镍的含量均超过10000 mg˙kg-1,处理后土壤中镍的平均浓度是25 mg˙kg-1,铜的平均浓度是110 mg˙kg-1,铬是73 mg˙kg-1。
2. 原位化学氧化技术:主要通过混入土壤的氧化剂与污染物发生氧化反应,使污染物降解成为低含量、低移动性产物的技术。
在污染区的不同深度钻井,利用泵将氧化剂注入土壤,从另一个井可将氧化剂抽提出来。含有氧化剂的废液可以重复使用。原位化学氧化修复技术适用于被油类、有机溶剂、多环芳烃、农药以及非水溶性氯化物所污染物的土壤。常用的氧化剂有K2MnO4、H2O2和O3,溶解氧有时也可以作为氧化剂。
1997年,在美国的阿拉巴马州,曾采用原位化学氧化修复技术对一个受到高密度非液相液体污染的黏质土壤进行处理。
3. 溶剂提取技术,这是一种异位修复技术。在该过程中,污染物转移进入有机溶剂或超临界液体,而后溶剂被分离进一步处理或弃置。溶剂提取技术使用的是非水溶剂,因此不同于一般的化学提取和土壤淋洗。
处理之前首先准备土壤,包括挖掘和过筛。过筛的土壤可能要在提取之前与溶剂混合,制成浆状。被溶剂提取出的有机物连同溶剂一起从提取器中被分离出来,进入分离器进行进一步分离。在分离器中由于温度或压力的改变,有机污染物从溶剂中分离出来。溶剂进入提取器中循环使用,浓缩的污染物被收集起来进一步处理,或被弃置。干净的土壤经过滤和干化,可以进一步使用或弃置。干燥阶段产生的蒸气应该收集、冷凝,进一步处理。
这种土壤修复技术在实施过程中,不带入新的污染物,不产生二次污染,不会对土壤环境、农作物和周边环境以及人群健康产生不利影响,风险可接受。
土壤生物修复技术
土壤生物修复技术(Soil Bioremediation,也称生物恢复、生物整治等),其利用生物技术和方法来消除土壤污染并使土壤功能恢复。广义的土壤生物修复技术包括动物修复、植物修复和微生物修复。
1.动物修复中,最常使用的动物是蚯蚓。蚯蚓作为大型土壤动物,是土壤中的主要动物类型,其生物量占据土壤动物总量的将近三分之二。蚯蚓在土壤中的活动能够促进枝叶的降解、有机物质的分解和无机化,并为土壤增添部分速效成分,微生物活动对促进硝化细菌活动、改善土壤理化结构有积极作用。蚯蚓在重金属污染土壤修复中的作用,体现在蚯蚓对重金属的耐性、富集吸取以及活化作用。专家研究表明,蚯蚓对重金属有耐受性,并能够吸取土壤中的重金属,并对重金属有富集作用,可以利用蚯蚓处理土壤和污泥中的重金属污染问题。
2.植物修复指利用由植物本身及其根际圈微生物组成的体系清洁污染土壤,一般认为植物修复是利用重金属超积累植物提取土壤中的重金属,并从土壤中去除 。超积累植物(Hyperaccumulator)这一概念最先由Brooks提出,用于命名茎中金属镍的干重含量大于1000mg/kg的植物。目前对超积累植物的认定已经不局限于对金属镍的积累,凡是能超量积累一种或者同时超量积累几种重金属元素的植物,都被认定为超积累植物。世界上已被认定为超积累植物超过400种,三分之二以上对Ni超量积累。
根据修复植物在某一方面的修复功能,可将植物修复分为以下五种基本类型:植物降解修复(Phytodegradation)、根际圈生物降解修复(Rhizosphere biodegradation)、植物提取修复(Phytoextraction)、植物挥发修复(Phytovolatilization)和植物稳定修复(Phytostabilization)。
植物修复对成本、技术要求较低,操作也简便,如小花南芥对铅锌复合污染的治理、蜈蚣草对砷污染的治理等。但同时对植株的生物量和耐受性也提出更高要求,且受土质和气候的影响较大,总体来看,还是处于发展中的一项技术。
3.土壤微生物是土壤中不可或缺的生命体,微生物的丰度和密度可以指示污染土壤的生态系统的稳定性,并具备修复土壤的潜能。微生物修复是指,利用天然存在的或者培养的功能微生物群,在适宜环境条件下(一般指适于微生物生长繁殖的条件),促进或者强化微生物代谢功能,从而将污染物的毒性降低或者无害化的生物修复技术。微生物修复技术的研究工作主要有筛选和驯化生物菌株,提高功能微生物活性和安全性,延长微生物寿命等。
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可提高微生物修复过程的可控性和高效性。生物修复土壤技术研究已有一定的进展,但仍有许多技术和管理上的难题需要攻克。
联合修复技术
重金属污染土壤中,复合污染普遍,污染组合类型复杂,污染程度与厚度差异大,而且修复后土壤再利用方式的空间规划要求也多不相同。这样,单项修复技术往往很难达到修复目标,而协同两种以上的土壤联合修复技术就成为土壤污染修复的研究方向。
联合修复技术包括微生物-动物-植物联合修复、化学-生物联合修复、物理-化学联合修复、微波热解-活性炭吸附联合修复和溶剂萃取-光降解联合修复等。利用氮掺杂二氧化钛光催化技术修复农药污染土壤,也是土壤联合修复的一项新技术。
联合修复技术不仅可以提高污染土壤的修复速率与效率,而且可以克服单项修复技术的局限性,实现对多种污染物复合、混合污染土壤的修复。


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