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        土壤修復系統

        • 分類:專業技術
        • 發布時間:2020-12-05 16:00:58
        • 訪問量:0
        概要:
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        詳情

        一、中國土壤污染現狀
        1、總體情況
               全國土壤環境狀況總體不容樂觀,部分地區土壤污染較重,耕地土壤環境質量堪憂,工礦業廢棄地土壤環境問題突出。工礦業、農業等人為活動以及土壤環境背景值高是造成土壤污染或超標的主要原因。
               全國土壤總的超標率為16.1%,其中輕微、輕度、中度和重度污染點位比例分別為11.2%、2.3%、1.5%和1.1%。污染類型以無機型為主,有機型次之,復合型污染比重較小,無機污染物超標點位數占全部超標點位的82.8%。
               從污染分布情況看,南方土壤污染重于北方;長江三角洲、珠江三角洲、東北老工業基地等部分區域土壤污染問題較為突出,西南、中南地區土壤重金屬超標范圍較大;鎘、汞、砷、鉛4種無機污染物含量分布呈現從西北到東南、從東北到西南方向逐漸升高的態勢。
        2、污染物超標情況
               (一)無機污染物
               鎘、汞、砷、銅、鉛、鉻、鋅、鎳8種無機污染物點位超標率分別為7.0%、1.6%、2.7%、2.1%、1.5%、1.1%、0.9%、4.8%。

         

               

               (二)有機污染物
               六氯環己烷、DDT、多環芳烴3類有機污染物點位超標率分別為0.5%、1.9%、1.4%。

         


        3、不同土地利用類型土壤的環境質量狀況
               耕地:土壤點位超標率為19.4%,其中輕微、輕度、中度和重度污染點位比例分別為13.7%、2.8%、1.8%和1.1%,主要污染物為鎘、鎳、銅、砷、汞、鉛、DDT和多環芳烴。
               林地:土壤點位超標率為10.0%,其中輕微、輕度、中度和重度污染點位比例分別為5.9%、1.6%、1.2%和1.3%,主要污染物為砷、鎘、六氯環己烷和DDT。
               草地:土壤點位超標率為10.4%,其中輕微、輕度、中度和重度污染點位比例分別為7.6%、1.2%、0.9%和0.7%,主要污染物為鎳、鎘和砷。
               未利用地:土壤點位超標率為11.4%,其中輕微、輕度、中度和重度污染點位比例分別為8.4%、1.1%、0.9%和1.0%,主要污染物為鎳和鎘。
        4、典型地塊及其周邊土壤污染狀況
               (一)重污染企業用地
               在調查的690家重污染企業用地及周邊的5846個土壤點位中,超標點位占36.3%,主要涉及黑色金屬、有色金屬、皮革制品、造紙、石油煤炭、化工醫藥、化纖橡塑、礦物制品、金屬制品、電力等行業。
               (二)工業廢棄地
               在調查的81塊工業廢棄地的775個土壤點位中,超標點位占34.9%,主要污染物為鋅、汞、鉛、鉻、砷和多環芳烴,主要涉及化工業、礦業、冶金業等行業。
               (三)工業園區
               在調查的146家工業園區的2523個土壤點位中,超標點位占29.4%。其中,金屬冶煉類工業園區及其周邊土壤主要污染物為鎘、鉛、銅、砷和鋅,化工類園區及周邊土壤的主要污染物為多環芳烴。
               (四)固體廢物集中處理處置場地
               在調查的188處固體廢物處理處置場地的1351個土壤點位中,超標點位占21.3%,以無機污染為主,垃圾焚燒和填埋場有機污染嚴重。
               (五)采油區
               在調查的13個采油區的494個土壤點位中,超標點位占23.6%,主要污染物為石油烴和多環芳烴。
               (六)采礦區
               在調查的70個礦區的1672個土壤點位中,超標點位占33.4%,主要污染物為鎘、鉛、砷和多環芳烴。有色金屬礦區周邊土壤鎘、砷、鉛等污染較為嚴重。
               (七)污水灌溉區
               在調查的55個污水灌溉區中,有39個存在土壤污染。在1378個土壤點位中,超標點位占26.4%,主要污染物為鎘、砷和多環芳烴。
               (八)干線公路兩側
               在調查的267條干線公路兩側的1578個土壤點位中,超標點位占20.3%,主要污染物為鉛、鋅、砷和多環芳烴,一般集中在公路兩側150米范圍內。
        5、土壤污染治理的難度
               一是土壤污染具有隱蔽性和滯后性,大氣污染和水污染一般都比較直觀,通過感官就能察覺,而土壤污染往往要通過土壤樣品分析、農作物檢測,甚至人畜健康的影響研究才能確定。土壤污染從產生到發現危害通常時間較長。
               二是土壤污染具有累積性,與大氣和水體相比污染物更難在土壤中遷移、擴散和稀釋,因此污染物容易在土壤中不斷累積。
               三是土壤污染具有不均勻性,由于土壤性質差異較大,而且污染物在土壤中遷移慢,導致土壤中污染物分布不均勻,空間變異性較大。
               四是土壤污染具有難可逆性,由于重金屬難以降解,導致重金屬對土壤的污染基本上是一個不可完全逆轉的過程。另外土壤中的許多有機污染物也需要較長的時間才能降解。
               因此,土壤污染一旦發生僅僅依靠切斷污染源的方法則很難恢復,總體來說治理土壤污染的成本高、周期長、難度大。
        二、污染土壤的修復技術
        1、典型的土壤污染問題

        1.1 重金屬污染
               采礦、冶金和化工等工業排放的三廢、汽車尾氣以及農藥和化肥的使用都是土壤重金屬的重要來源。按生物化學性質土壤中的重金屬可以分為兩類:第一類,對作物以及人體有害的元素,如汞、鎘、鉛及類金屬砷等,因此,必須減少這些元素的含量使其不超過環境的容量;第二類,常量下對作物和人體有益而過量時出現危險的元素,如銅、鋅、鉻、錳及類金屬硒等,應控制其含量,使其有益作物生長和人體健康。
        1.2 石油污染
               石油污染是指在石油的開采、煉制、貯運、使用過程中原油和各種石油制品進入環境而造成的污染,土壤中的石油污染物多集中在20cm左右的表層。石油開采過程中產生的落地油和油田的接轉站、聯合站的油罐、沉降罐、污水罐、隔油池的底泥,煉油廠含油污水處理設施產生的油泥,也是我國油田土壤石油污染的主要來源。污染土壤中石油主要成分為C15-C36的烷烴、多環芳香烴、烯烴、苯系物、酚類等,其中環境優先控制污染物多達30種。
        1.3 化肥污染
               化學肥料在現代化的農業生產中不僅是糧食增產的物質基礎,更是農業生產資料的主體。在糧食增產中花費的貢獻率在40%-60%,穩定在50%左右,但是化肥中的有毒重金屬、有機物以及無機酸類等是造成土壤污染的主要來源。
        1.4 農藥污染
               據初步統計,我國至少有l300-1600萬hm2耕地受到農藥污染。造成土壤農藥污染的主要是有機磷和有機氯農藥。據2000年國家質檢總局數據,全國47.5%的蔬菜農藥殘留超標,因農殘超標被退回的出口農產品金額達74億美元。
        2、污染土壤的修復技術
               在土壤修復行業,已有的土壤修復技術達到一百多種,常用技術大致可分為物理、化學和生物等三種。物理修復是指通過各種物理過程將污染物特別是有機污染物從土壤中去除或分離的技術。主要包括土壤淋洗、熱吸附、蒸氣浸提、微波加熱和異地填埋等技術。還包括多相抽提等技術,已經應用于苯系物、多環芳烴、多氯聯苯等污染土壤的修復。相對于物理修復,污染土壤的化學修復技術發展較早,主要有土壤固化-穩定化技術、淋洗技術、氧化-還原技術、化學改良、光催化降解技術、電動力學修復技術和有機質改良等。土壤生物修復技術包括植物富集、微生物修復、生物聯合修復和植物固定及降解等技術。利用微生物降解作用發展的微生物修復技術是農田土壤污染修復常見的一種修復技術。進入21世紀后生物修復技術得到迅速發展,成為綠色環境修復技術之一。由于我國土壤污染面積大,污染物質種類多,污染組合類型復雜等原因,單項修復技術往往難以達到預定修復目標,多種修復技術相結合是以后的發展方向。
               現有污染土壤的修復途徑包括:第一,降低污染物在土壤中的濃度;第二,通過固化或鈍化作用改變污染物的形態從而降低在環境中的遷移性;第三;從土壤中去除。下面介紹幾種土壤的修復技術:
        2.1 物理修復
               治理污染土壤的方法在20世紀80年代以前僅僅限于物理法和化學法。如早期的焚燒法、換土法以及隔離法等都要求高溫、人力以及機械設備等,不僅成本很高,最主要的是沒有從根本上解決污染問題,這些處理方法僅僅是使污染物發生了轉移,對這些污染物還需要進一步的處理,目前這些方法僅僅應用于處理一些突發的緊急事件。而現在出現的一些經濟可行的新技術、新工藝等逐漸成為了研究的熱點,如:電修復法、土壤氣相抽提法及CSP法、熱解析法等。 電修復法:將電極插入到受污染的地下水或土壤區域,在直流電的作用下形成直流電場,則土壤中的離子和顆粒物質會沿著電場方向發生定向的電滲析、電泳運動以及電遷移,使土壤空隙中的荷電離子或粒子發生遷移運動;熱解析法主要用于修復有機物,它是通過加熱升溫土壤,收集揮發性污染物進行集中處理;土壤氣相抽提法是一種原位修復技術,主要是去除石油污染土壤中揮發性或半揮發性的石油組分;CSP法是用煤和焦炭等含碳的物料當作吸附物,在90℃和強烈攪拌下通過煤表面強力吸附烴基污染物,然后用重選或浮選法將干凈的土壤和吸附有烴基化合物的煤分開。
               電修復法與傳統的土壤修復技術相比具有經濟效益高、不破壞現場生態環境以及接觸毒物少的優點,更加適用于治理滲透系數低的密質土壤。而熱解析法需要消耗大量的能力并且容易破壞土壤中的有機質和結構水,同時還會向空氣會發有害蒸汽而造成二次污染。土壤土壤氣相抽提法具有可操作性強、處理污染物的范圍寬、可由標準設備操作、不破壞土壤結構及可回收利用廢物等優點。

         


        2.2 生物修復
               在減少土壤中有毒有害物質濃度的時候利用生命的代謝活動使污染的土壤恢復到健康狀態,這種修復土壤的方式為生物修復。目前有以下三類:
               ①微生物修復。土壤中的某些微生物對一種或多種污染物具有沉淀、吸收、氧化和還原的作用,微生物修復就是利用這種作用來降低土壤重金屬的吸收、修復被污染的土壤和降解復雜的有機物。
        影響微生物修復土壤的因素有很多,如溫度、水分、pH以及氧氣等。每種微生物對生物因子都會有一定的耐受范圍,在同一個環境中,多種微生物就比一種微生物的耐受范圍寬。如果環境的條件超過了所有定居微生物的耐受范圍則微生物的修復作用就會停止。
               剛剛起步階段的生物修復技術因具有成本低、操作簡單、無二次污染、處理效果好且能大面積推廣應用等優點備受關注。
               生物修復是一項清潔的低投資、高效益、便于應用、發展潛力較大的新興技術,生物修復利用生物(包括植物、微生物和原生動物)的代謝功能,吸收、轉化、清除或降解環境污染物,實現環境凈化、生態恢復。從參與修復過程的生物類型來劃分,生物修復包括微生物修復、植物修復、動物修復和聯合修復等類型。
               微生物修復技術就是利用土壤中的土著微生物的代謝功能,或者補充具有降解轉化污染物能力的人工培養的功能微生物群,通過創造適宜環境條件,促進或強化微生物代謝功能,從而降解并最終消除污染物的生物修復技術。
               微生物修復的實質是生物降解或者生物轉化,即微生物對有機污染物的分解作用或者對無機污染物的鈍化作用。利用微生物修復技術既可治理農藥、除草劑、石油、多環芳烴等有機物污染的環境,又可治理重金屬等無機物污染的環境;既可使用土著微生物進行自然生物修復,又可通過補充營養鹽、電子受體及添加人工培養菌或基因工程菌進行人工生物修復;既可進行原位修復,也可進行異位修復。
               從目前來看,微生物修復是最具發展潛力的技術,但微生物個體微小,富集有重金屬的微生物細胞難以從土壤中分離,還存在與修復現場土著菌株競爭等不利因素。近年來微生物修復研究工作著重于篩選和馴化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,并通過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,最終實現針對性強、高效快捷、成本低廉的微生物修復技術的工程化應用。
               ②植物修復。利用能夠富集重金屬的植物清除土壤重金屬污染的設想是美國科學家Chaney在1983年首次提出的,這就是植物修復技術。污染土的植物修復技術根據植物修復的機理和作用過程可以分為4種基本類型:植物提取、植物揮發、植物穩定和植物降解。
               植物提取主要是靠植物吸收土壤中的污染物,這些污染物運輸并儲存在植物體的地上部分,通過種植和收割植物而達到去除土壤中污染物的目的;植物揮發凈化土壤可以分為兩種方式:一是土壤中的污染物在植物根系分泌的特殊物質的作用下轉化為揮發態,其二是植物將土壤中的污染物吸收到體內在轉換為氣態物質釋放到大氣中;植物穩定是指植物通過某種生化過程使污染基質中污染物的流動性降低,生物可利用性下降;植物降解是通過植物根系分泌物與根際微生物聯合作用而達到降解污染物的生物化學過程,這種主要是處理復雜的有機物。
               以上幾種方式中植物提取修復是目前應用最多、最有發展前景的技術;而植物揮發修復技術僅僅限于揮發性物質,將這些污染物轉移到大氣中有沒有環境風險還不確定,因此應當謹慎采用;植物穩定修復僅僅是暫時固定污染物,當土壤環境發生變化時污染物可能將重新被激活而恢復毒性;因此,沒有徹底解決土壤污染問題。
               ③動物修復。動物修復技術主要是通過土壤動物群來修復受污染的土壤,分為直接作用:吸收、轉化和分解;間接作用:改善土壤理化性質,提高土壤肥力,促進植物和微生物的生長。動物修復技術包括兩方面內容:第一,生長在污染土壤上的植物體和糧食等飼喂動物,通過研究動物的生化變異來研究土壤的污染狀況;第二,直接將蚯蚓、線蟲類等飼養在污染土壤中進行研究。目前這項技術較多的應用在石油類污染中。

         

               植物修復技術是利用自然生長植物根系(或莖葉)吸收、富集、降解或者固定污染土壤、水體和大氣中的污染物的環境技術總稱。主要通過植物提取、植物蒸騰作用、根系過濾和植物鈍化來實現。植物修復技術目前主要利用對重金屬有富集特征的植物吸收或者吸附積累重金屬,達到從土壤中除去重金屬的目的。
               動物修復是利用土壤中蚯蚓等低等動物和其體內的微生物,在污染土壤中生長、繁殖等活動過程中對土壤中的污染物進行轉化和富集的作用,最后通過對這些動物集中處理,從而降低土壤中的污染物。土壤動物修復技術未來的發展方向是將土壤動物作為一種“催化劑”,將其放入被污染的土壤中,提高傳統生物土壤修復技術的修復速度和效率。
        聯合修復技術就是協同兩種或兩種以上修復方法,克服單項修復技術的局限性,實現對多種污染物的同時處理和對復合污染土壤的修復。該方法已成為土壤修復技術中的重要研究內容,其中植物—微生物聯合修復是最為廣泛采用的聯合生物修復技術。
               目前,重金屬污染土壤的植物—微生物聯合修復作為一種強化植物修復技術逐漸成為國際研究熱點,這種方式可以充分發揮各自的優勢,從而提高污染環境的修復效率。微生物可以輔助超積累植物修復重金屬污染土壤,其代謝過程可改變根際土壤重金屬的生物有效性,從而有利于超積累植物對重金屬的吸收和積累,微生物的代謝產物還可改善土壤生態環境。另外,微生物還能夠分泌植物激素類物質、鐵載體等活性物質,促進植物的生長。反之,植物根系分泌氨基酸、糖類、有機酸及可溶性有機質等可以被微生物代謝利用,促進微生物的生長,有利于提高植物—微生物聯合修復的效率。
               而在有機物污染土壤中,植物生長時,其根系提供了微生物生長的最佳場所,反過來,微生物的旺盛生長,增強了對有機污染物的降解,也使得植物有更好的生長環境,所以,植物—微生物聯合體系就能夠促進有機污染物的快速降解、礦化。
        2.3 化學修復

               化學修復是通過土壤中的吸附、溶解、氧化還原、拮抗、絡合螯合或沉淀作用,以降低土壤中污染物的遷移性或生物有效性。常用的有以下幾種:
               第一,固化:為了控制污染物在土壤中的遷移,一般是將含有重金屬的污染土壤與固化劑按照一定的比例進行混合,熟化后形成滲透性較低的固體混合物,從而隔離了污染土壤與外界環境的影響將污染物固封在固化物中;
               第二,穩定化:將污染物轉化為不易溶解、遷移能力小以及毒性小的形式或狀態,主要是通過在土壤中加入化學物質改變重金屬的形態或價態實現的;
               第三,萃取法:使用有機溶劑對石油污染的土壤中的原油進行萃取主要是根據相似相溶原理進行的,萃取后對有機相進行分離,回收油用于回煉,而分離的溶劑循環使用。
               第四,淋洗法:受到污染的土壤經過清水淋洗液或含有化學助劑的水溶液淋洗出污染物。
               以上幾種方式各有自己的優勢和適用范圍,因此在處理污染土壤時應當根據實際情況選擇適宜的處理方式以達到預期的處理效果。如:固化適用于面積小但是污染嚴重的土壤;萃取法僅僅適用于受油污濃度較高的土壤;而化學氧化法雖然操作比較復雜但是可以靈活的應用于不同類型污染物的處理中。
        3、各土壤修復技術優缺點比較表
               在政府財政支持下我國開展了多個類型場地的修復技術設備研發。盡管可以羅列的土壤及地下水污染的修復技術很多但實際上經濟實用的修復技術很少。 土壤修復技術歸納起來常用的有以下幾種:
               1、熱力學修復技術,利用熱傳導,熱毯、熱井或熱墻等,或熱輻射,無線電波加熱等實現對污染土壤的修復。
               2、熱解吸修復技術,以加熱方式將受有機物污染的土壤加熱至有機物沸點以上使吸附土壤中的有機物揮發成氣態后再分離處理。
               熱解吸附技術是目前世界上最先進的污染廢棄物處理技術之一,主要處理對象為農藥污染土壤、油田含油廢棄物、罐底油泥等。其作業原理為利用污染廢棄物中有機物的熱不穩定性,通過非焚燒的間接加熱方式實現實現污染物與土壤的分離,并可將廢棄物中的固相、油相、水相、氣相絕大部分回收利用,從根本上實現無害化處理,因此該技術被廣泛應用于全球的油田廢棄物處理作業。

         

               3、焚燒法,將污染土壤在焚燒爐中焚燒,使高分子量的有害物質?揮發性和半揮發性,分解成低分子的煙氣經過除塵、冷卻和凈化處理使煙氣達到排放標準。
               4、土地填埋法,將廢物作為一種泥漿將污泥施入土壤通過施肥、灌溉、添加石灰等方式調節土壤的營養、濕度和pH值保持污染物在土壤上層的好氧降解。對于可以用土壤酸度計檢測土壤ph值與濕度,用土壤EC計檢測土壤EC值,查看土壤改良效果。
               5、化學淋洗,借助能促進土壤環境中污染物溶解或遷移的化學/生物化學溶劑在重力作用下或通過水頭壓力推動淋洗液注入到被污染的土層中,然后再把含有污染物的溶液從土壤中抽提出來,進行分離和污水處理的技術。
               6、堆肥法,利用傳統的堆肥方法,堆積污染土壤,將污染物與有機物,稻草、麥秸、碎木片和樹皮等、糞便等混合起來,依靠堆肥過程中的微生物作用來降解土壤中難降解的有機污染物。
               7、植物修復,運用農業技術改善土壤對植物生長不利的化學和物理方面的限制條件,使之適于種植,并通過種植優選的植物及其根際微生物直接或間接吸收、揮發、分離、降解污染物,恢復重建自然生態環境和植被景觀。
               8、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,污染水體經過墻體時其中的污染物與墻內反應材料發生物理、化學反應而被凈化除去。
               9、生物修復,利用生物,特別是微生物催化降解有機污染物,從而修復被污染環境或消除環境中污染物的一個受控或自發進行的過程。 其中微生物修復技術是利用微生物,土著菌、外來菌、基因工程菌,對污染物的代謝作用而轉化、降解污染物,主要用于土壤中有機污染物的降解。通過改變各種環境條件如,營養、氧化還原電位、共代謝基質,強化微生物降解作用以達到治理目的。
        各技術成本比較如下圖所示:

        各種修復技術的特點及適用的污染類型:


               雖然土壤的修復技術很多,但沒有一種修復技術可以針對所有污染土壤。相似的污染狀況不同的土壤性質、不同的修復需求,也會限制一些修復技術的使用。另外,大多數修復技術對土壤或多或少帶來一些副作用。
        土壤修復技術是一項涵蓋地質學、化學、物理學、材料學、生物學和環境學的多學科綜合技術。近年來,對石油污染土壤治理的研究很多,世界各國紛紛制定石油污染土壤的修復與治理計劃,并取得很大進展目前土壤重金屬污染物修復技術在探索中發展。物理修復、化學修復、生物修復技術本身都有明顯的局限性。物理修復技術能量消耗高、需要專門設備、處理成本高、工作量大,只能處理小面積的污染土壤;化學法處理易破壞土壤團粒結構、處理成本高、存在二次污染的風險;生物修復存在過程緩慢、污染物降解的有些中間產物毒性甚至超過其自身,場地條件和環境因素對修復效率的影響大,修復效果不穩定。為克服單一方法的缺點,發揮不同修復技術的長處,研究開發土壤污染綜合修復技術尤顯重要。重點在不同生物技術的綜合利用和開發物理、化學和生物聯合修復工藝。
        4、土壤修復的產業鏈條
               我國土壤污染的總體形勢嚴峻。另外,土壤污染類型還呈現出新老污染物并存、無機有機復合污染的局面。據不完全統計,全國每年因土壤污染而減產糧食1000萬噸,因重金屬污染的糧食達1200萬噸,造成直接經濟損失超過200億元。
               搞好土壤修復,有一個很長的產業鏈條,為環保產業發展提供了想像空間。一是土壤修復監測市場,主要是政府購買服務。“土十條”出臺并全面實施后,將啟動全國土壤污染狀況詳查,需要社會組織幫助政府摸清家底,完善土壤信息系統,建立大數據平臺,搞好土壤污染監測服務。二是土壤修復咨詢服務,包括場地調查、風險評估、方案設計、工程監理和成果轉化等。特別是方案設計需要掌握土壤修復先進技術,一般由從事這一工作的科研院所、高等院校和專門研發機構擔當。三是土壤修復裝備制造。土壤修復涉及氣相抽提、土壤曝氣、土壤淋洗、溶劑浸提、活性炭吸附和地下水抽提處理等技術裝備。這些技術裝備的設計、制作和營銷將形成新的產業群體。四是土壤修復工程。由土壤修復工程公司對污染場地、礦山土地和耕地等污染場所采取技術措施進行修復。

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