污染土壤的物理化學(xué)修復(fù)現(xiàn)狀與展望*

葉增輝 尹國(guó)勛

1 概述

中國(guó)土壤污染問(wèn)題已十分嚴(yán)重。據(jù)不完全調(diào)查,目前全國(guó)受污染的耕地約有1.5億畝,污水灌溉污染耕地3250萬(wàn)畝,固體廢棄物堆存占地和毀田200萬(wàn)畝,合計(jì)約占耕地總面積的1/10以上,其中多數(shù)集中在經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)的地區(qū)。據(jù)估算,全國(guó)每年因重金屬污染的糧食達(dá)1200萬(wàn)t,造成的直接經(jīng)濟(jì)損失超過(guò)200億元。土壤污染造成有害物質(zhì)在農(nóng)作物中積累,并通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體,引發(fā)各種疾病,最終危害人體健康。土壤污染直接影響土壤生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能,最終將對(duì)生態(tài)安全構(gòu)成威脅[1-3]。

土壤污染具有比較隱蔽、污染后很難恢復(fù)、污染后果嚴(yán)重、持久性強(qiáng)等特點(diǎn),因此必須對(duì)土壤污染的預(yù)防和污染土壤修復(fù)予以高度重視。

2 物理化學(xué)修復(fù)技術(shù)現(xiàn)狀

根據(jù)土壤的位置是否改變,污染土壤修復(fù)技術(shù)可以分為原位修復(fù)和異位修復(fù)兩種[4]。前者對(duì)污染物就地處置,使之得以降解和解毒,不需要建設(shè)昂貴的地面環(huán)境工程基礎(chǔ)設(shè)施和遠(yuǎn)程運(yùn)輸,操作維護(hù)起來(lái)比較簡(jiǎn)單,還可以對(duì)深層次污染的土壤進(jìn)行修復(fù)。而后者的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)較低,系統(tǒng)處理的預(yù)測(cè)性高于原位修復(fù)。

本文主要針對(duì)近年來(lái)國(guó)外在污染土壤現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)中應(yīng)用較多、效果較好的幾種物理化學(xué)修復(fù)技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。

2.1 原位修復(fù)

2.1.1 土壤淋洗技術(shù)

土壤沖洗技術(shù)是指借助能促進(jìn)土壤環(huán)境中污染物溶解或遷移作用的溶劑,通過(guò)水力壓頭推動(dòng)清洗液,將其注入到被污染土層中,然后再把包含有污染物的液體從土層中抽提出來(lái),進(jìn)行分離和污水處理的技術(shù)。主要用于處理重金屬、易揮發(fā)鹵代有機(jī)物以及非鹵代有機(jī)物,該技術(shù)是否有效、是否可實(shí)施,以及處理費(fèi)用的關(guān)鍵是土壤的滲透性,研究表明,水傳導(dǎo)系數(shù)大于10-3cm/s的土壤,推薦用該技術(shù),最好用于沙地或砂礫土壤、沖積土和濱海土等,因?yàn)樯百|(zhì)土不能強(qiáng)烈吸附污染物。質(zhì)地較細(xì)的土壤如紅壤、黃壤等與污染物之間的吸附作用較強(qiáng),需經(jīng)過(guò)多次沖洗才能奏效。另外,控制不當(dāng)時(shí),沖洗廢液可能會(huì)溢出控制區(qū)而產(chǎn)生二次污染。

2.1.2 原位化學(xué)氧化/還原修復(fù)技術(shù)

該技術(shù)主要是通過(guò)摻進(jìn)土壤中的化學(xué)氧化/還原劑與污染物所產(chǎn)生的氧化/還原反應(yīng),達(dá)到使污染物降解或轉(zhuǎn)化為低毒、低移動(dòng)性產(chǎn)物的一項(xiàng)修復(fù)技術(shù)。該技術(shù)修復(fù)工作完成后,一般只在原污染區(qū)留下了水、二氧化碳等無(wú)害的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物,通常處理其他方法無(wú)效的污染土壤,比如在污染區(qū)位于地下水深處的情況下。該技術(shù)主要用來(lái)修復(fù)被油類(lèi)、有機(jī)溶劑、多環(huán)芳烴、PCP、農(nóng)藥以及非水溶性氯化物等污染物污染的土壤。

2.1.3 原位固化/穩(wěn)定化土壤修復(fù)技術(shù)

原位固化/穩(wěn)定化土壤修復(fù)技術(shù)是指防止或者降低污染土壤釋放有害化學(xué)物質(zhì)過(guò)程的一組修復(fù)技術(shù),通常用于重金屬和放射性物質(zhì)污染土壤的無(wú)害化處理。常采用的方法為:先利用吸附質(zhì)如黏土、活性炭等吸附污染物,澆上瀝青,然后添加某種凝固劑或粘合劑,使混合物成為一種凝膠,最后固化為硬塊,原位修復(fù)需要利用機(jī)械裝置進(jìn)行深翻松動(dòng),通過(guò)高壓方式有次序地注入固化劑/穩(wěn)定劑,充分混合后自然凝固,放出的氣體要通過(guò)出氣收集罩輸送至處理系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)害化處理后才能排放。該修復(fù)技術(shù)費(fèi)用低廉,所形成的固體毒性降低,穩(wěn)定性增強(qiáng),加工設(shè)備容易轉(zhuǎn)移,所需的實(shí)施需要時(shí)間由幾周至幾個(gè)月不等,影響這一過(guò)程的主要因素有污染物種類(lèi)的不同、土壤面積和深度的不同、土壤種類(lèi)和地質(zhì)條件的不同。

2.1.4 電動(dòng)力學(xué)修復(fù)技術(shù)

電動(dòng)力學(xué)修復(fù)技術(shù)利用插入土壤中的兩個(gè)電極,在污染土壤兩端加上低壓直流電場(chǎng),在低強(qiáng)度直流電的作用下,水溶的或者吸附在土壤顆粒表層的污染物根據(jù)各自所帶電荷的不同而向不同的電極方向運(yùn)動(dòng),土壤污染物在電極附近富集或被收集回收。該技術(shù)主要用于低滲透性土壤的修復(fù),適用于大部分無(wú)機(jī)污染物,石油類(lèi)以及一些石油類(lèi)污染物最高去除率可達(dá)90%以上。該技術(shù)成功的關(guān)鍵在于污染物的溶解性和污染物從土壤膠體表面的脫附性能,并且土壤的含水率低于10%,處理效果大大降低。

2.2 異位修復(fù)

2.2.1 化學(xué)淋洗

與原位化學(xué)淋洗技術(shù)不同的是,異位化學(xué)淋洗技術(shù)首先要把污染土壤挖掘出來(lái),用水或溶于水的化學(xué)試劑來(lái)清洗、去除污染物,再處理含有污染物的廢水或廢液,處理后的土壤可以回用。該技術(shù)適用于各種類(lèi)型污染物的治理,包括重金屬、石油類(lèi)碳?xì)浠衔铩⒁讚]發(fā)有機(jī)物、PCBs以及PAHs等,但必須依照特定的污染土壤或沉積物“量身定做”,清洗液也需要經(jīng)過(guò)仔細(xì)研究才能確定,如果土壤含有25%～30%的粘粒,將不考慮該項(xiàng)技術(shù)。

2.2.2 異位化學(xué)氧化/還原修復(fù)技術(shù)

同原位化學(xué)氧化/還原修復(fù)技術(shù)。

2.2.3 溶劑浸提技術(shù)

溶劑浸提技術(shù)通常也被稱(chēng)為化學(xué)浸提技術(shù),是利用批量平衡法,采用溶劑將有害化學(xué)物質(zhì)從污染土壤中提取出來(lái)或去除的技術(shù)。該技術(shù)克服了由土壤處理、污染物遷移、過(guò)程調(diào)節(jié)等技術(shù)瓶頸,使土壤中PCBs與油脂類(lèi)等難以從土壤中去除的污染物處理成為現(xiàn)實(shí),但不適于去除污染土壤中的重金屬和無(wú)機(jī)污染物。適合采用該技術(shù)的最佳土壤條件是粘粒含量低于15%,濕度低于20%,粘粒含量和濕度過(guò)高,污染物被土壤膠體強(qiáng)烈的吸附。

2.2.4 化學(xué)脫鹵技術(shù)

化學(xué)脫鹵指向受鹵代有機(jī)物污染的土壤中加入試劑,以置換取代污染物中的鹵素或使其分解或部分揮發(fā)而得以去除。目標(biāo)污染物包括鹵代半揮發(fā)性有機(jī)物(SVOCs)和有機(jī)農(nóng)藥。其局限性在于:一些脫鹵劑能與水起化學(xué)反應(yīng),高黏土含量及含水率會(huì)增加處理成本,且當(dāng)鹵代有機(jī)物濃度超過(guò)5%時(shí)需大量反應(yīng)試劑。

2.2.5 異位固化/穩(wěn)定化土壤修復(fù)技術(shù)

同原位固化/穩(wěn)定化土壤修復(fù)技術(shù),其所針對(duì)的土壤污染物質(zhì)主要為無(wú)機(jī)物,一般不適于處理有機(jī)物和農(nóng)藥污染,不能保證污染物的長(zhǎng)期穩(wěn)定性,且處理過(guò)程會(huì)顯著增加產(chǎn)物體積。

3 土壤修復(fù)技術(shù)展望

3.1 應(yīng)注意對(duì)土壤自?xún)糇饔玫难芯?/h3>

當(dāng)人們對(duì)物理、化學(xué)和生物修復(fù)給予更多關(guān)注時(shí),土壤環(huán)境的自?xún)艄δ艹３１皇韬龊瓦z忘。實(shí)際上,當(dāng)污染物濃度限制在一定程度時(shí),土壤本身的調(diào)節(jié)與凈化功能也可使污染物得以去除。

3.2 警惕二次污染

物理化學(xué)和生物修復(fù)意味著把大量能量、化學(xué)品和生物體投入到被污染的環(huán)境介質(zhì)和生態(tài)系統(tǒng),在消除污染的同時(shí),這種投入也有可能帶來(lái)新的不良影響。

3.3 污染土壤修復(fù)技術(shù)的優(yōu)化與組合

由于土壤污染大多屬于復(fù)合污染,而單一修復(fù)方法難以解決復(fù)合污染土壤修復(fù)問(wèn)題,所以不同修復(fù)方法的組合是污染土壤修復(fù)的實(shí)際需求。兩種乃至多種方法的組合已難以用單一的物理、化學(xué)、生物名稱(chēng)來(lái)描述。把多種修復(fù)方法涵蓋在統(tǒng)一系統(tǒng)之內(nèi),是污染土壤修復(fù)理論研究和應(yīng)用的需要。修復(fù)方法的優(yōu)化,不僅包括不同修復(fù)方法之間的優(yōu)化組合,更包括了系統(tǒng)內(nèi)在修復(fù)功能同外加修復(fù)功能的有機(jī)結(jié)合,其目標(biāo)是尋求修復(fù)效果與投入的最佳結(jié)合。

今后修復(fù)技術(shù)發(fā)展方向應(yīng)該從物理化學(xué)與生態(tài)相結(jié)合出發(fā),修復(fù)土壤污染的同時(shí),維護(hù)正常的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能,實(shí)現(xiàn)綠色意義的污染土壤的修復(fù)。

[1]孫鐵街,李培軍,周啟星.土壤污染形成機(jī)理與修復(fù)技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2005.

[2]周啟星,宋玉芳.污染土壤修復(fù)原理與方法[M].北京:科學(xué)出版社,2004.

[3]高拯民.土壤—植物系統(tǒng)污染生態(tài)研究[M].北京:中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社,1986.

[4]Bardos P.Current development in contaminated land treatment technology in the UK.J.Instn.Wat.&Envir.Mangt.1994,8(5):402-408.

[5]Buelt J J,Thompson L E.The in situ vitrification integrated rogram:focusing an innovative solution on environmental restoration needs.In:Proceedings of International Topical Meeting on Nuclear and Hazarous Waste Management.American Nuclear Society,Inc,1992:327-332.

[6]Angell K G.Air Sparging and Innovative Technique for Site Remediation,in Proceedings of First Annual Hazardous Materials and Environmental Management Conference,Atlanta,GA,1991:92-116.

[7]American Petroleum Institute(API),In-Situ Air Sparging,Publ 1628D,1996.

[8]Overview of thermal desorption technology.Contract Report CR 98.008-ENV.NAVAL Facilities Engineering Service Center.Port Hueneme.California 3043-4370.

[9]Thormas M,Ivory D S,Roote P G.Technology status report:in situ thermal-enhanced remediation.Ground-Water Remediation Technologier Analysis Center,2003,TS-03-02.