高濃度有機(jī)污染土壤處理技術(shù)研究進(jìn)展

張萬(wàn)虎 劉星濤(中國(guó)化學(xué)工程重型機(jī)械化有限公司，北京 102600)

0 引言

隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的持續(xù)調(diào)整、城市布局的逐漸改變，我國(guó)土地用地性質(zhì)逐漸發(fā)生變化，與此同時(shí)，土壤污染問(wèn)題也得到了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。在土壤中，有機(jī)污染物種類(lèi)相對(duì)較多，這會(huì)對(duì)人類(lèi)健康、生態(tài)環(huán)境造成不利影響、埋下安全隱患。

1 有機(jī)污染土壤相關(guān)概述

隨著全球合成化學(xué)品產(chǎn)量的逐年增長(zhǎng)，全球土壤有機(jī)污染也變得越發(fā)嚴(yán)重，現(xiàn)階段，土壤有機(jī)污染物主要為：石油污染、有機(jī)農(nóng)藥污染、染料、塑料制品、增塑劑、表面活性劑以及阻燃劑。石油污染主要為烷烴、環(huán)芳烴、烯烴、芳香烴；有機(jī)農(nóng)藥污染主要為有機(jī)磷農(nóng)藥、有機(jī)氯農(nóng)藥；染料有機(jī)污染主要來(lái)源于堆肥以及工業(yè)廢水排放，如苯胺等；塑料制品主要包含泡沫塑料、食品包裝、填充包裝以及快餐盒等，此類(lèi)污染物中的聚丙烯、聚苯乙烯等物質(zhì)可能會(huì)破壞土壤結(jié)構(gòu)，讓農(nóng)作物品質(zhì)及產(chǎn)量受到不利影響；增塑劑主要為鄰苯二甲酸二丁酯、鄰苯二甲酸異辛酯等；表面活性劑有機(jī)污染主要為烷基苯磺酸鹽，如果表面活性劑濃度過(guò)高，就會(huì)讓土壤黏粒穩(wěn)定性提升，導(dǎo)致水土產(chǎn)生流失現(xiàn)象；阻燃劑主要為多溴聯(lián)苯醚、有機(jī)磷酸酯等。

2 高濃度有機(jī)污染土壤處理技術(shù)研究進(jìn)展

2.1 高濃度有機(jī)污染土壤物理修復(fù)

2.1.1 熱脫附

在高濃度有機(jī)污染土壤物理修復(fù)工作開(kāi)展中，應(yīng)用熱脫附技術(shù)，通過(guò)提升溫度、降低粘度與吸附，提升溶解度的方法，可以對(duì)半揮發(fā)化合物、揮發(fā)化合物去除起到促進(jìn)作用，可以讓DNAPLS、NAPL 得到有效修復(fù)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)室研究，發(fā)現(xiàn)此種技術(shù)可以對(duì)揮發(fā)性、半揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs、SVOCs)實(shí)現(xiàn)99%的回收[1]?，F(xiàn)階段，依照技術(shù)原理差異，可以將熱脫附技術(shù)劃分為電阻加熱技術(shù)、熱傳導(dǎo)加熱技術(shù)以及熱蒸汽注入技術(shù)。結(jié)合學(xué)術(shù)界研究成果，可以發(fā)現(xiàn)熱脫附技術(shù)在對(duì)有機(jī)污染土壤進(jìn)行處理時(shí)，并不會(huì)具體選擇污染因子類(lèi)型，其具有較寬的處理范圍，與此同時(shí)，熱脫附處理技術(shù)對(duì)土壤自身具有一定性質(zhì)要求，且整體所需投入成本相對(duì)較高，在實(shí)際應(yīng)用中存在一定限制。

2.1.2 電動(dòng)修復(fù)

電動(dòng)修復(fù)主要指的是在受污染土壤區(qū)域中插入電極，然后對(duì)微弱電流進(jìn)行施加以形成電場(chǎng)，以土壤空隙外加流體或現(xiàn)存水作為介質(zhì)，利用電勢(shì)梯度作用，隨流體介質(zhì)讓有機(jī)污染物形成定向移動(dòng)，以此來(lái)消除有機(jī)污染物的技術(shù)。就目前電動(dòng)修復(fù)研究進(jìn)展來(lái)看，當(dāng)前此技術(shù)已經(jīng)可以在現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)中進(jìn)行使用。電動(dòng)修復(fù)技術(shù)本身具有綠色環(huán)保特點(diǎn)，且投入成本相對(duì)較低，不會(huì)有二次污染情況產(chǎn)生，如果土壤為低滲透性土壤，那么此種技術(shù)可以起到良好修復(fù)效果，但值得注意的是，在應(yīng)用此技術(shù)時(shí)，應(yīng)保證陽(yáng)極材料耐腐蝕性滿(mǎn)足電動(dòng)修復(fù)要求，土壤含水率滿(mǎn)足污染因子遷移要求。

2.1.3 氣相抽提

氣相抽提主要指的是使用真空泵抽提讓負(fù)壓產(chǎn)生，通過(guò)讓空氣流過(guò)污染區(qū)域，可以讓土壤孔隙有機(jī)污染物得到解吸，并隨氣流帶出土壤，使用抽提設(shè)備可以對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)一收集。我國(guó)學(xué)者曾研究低溫條件下氣相抽提技術(shù)應(yīng)用效果，對(duì)于甲苯而言，其修復(fù)效率約為71.3%，對(duì)于苯而言，其修復(fù)效率約為89.8%，對(duì)于乙苯而言，其修復(fù)效率約為29.7%，對(duì)于鄰二甲苯而言，其修復(fù)效率約為14.4%[2]。一般情況下，氣相抽提對(duì)于揮發(fā)污染物去除具有較好應(yīng)用效果，且具有現(xiàn)場(chǎng)安裝操作簡(jiǎn)單、設(shè)備簡(jiǎn)易、修復(fù)場(chǎng)地?cái)_動(dòng)小、所需時(shí)間短的特點(diǎn)，但此技術(shù)對(duì)土壤特性要求較高，具體包含土壤滲透性、孔隙率、均質(zhì)性、含水率等多個(gè)方面，且在收集工作完成后，需要對(duì)氣體開(kāi)展科學(xué)處理。

2.1.4 空氣擾動(dòng)

空氣擾動(dòng)技術(shù)可以讓含水層揮發(fā)有機(jī)污染物得到有效去除，通過(guò)將氣體注入在飽和地層中，可以讓氣液中污染物出現(xiàn)濃度差，讓半揮發(fā)性、揮發(fā)性有機(jī)污染物進(jìn)入氣相，在浮力作用下，污染物會(huì)在氣體攜帶作用下上升，在達(dá)到非飽和區(qū)域后，利用SVE 方法，可以收集包氣帶抽屜井污染氣體，讓揮發(fā)性有機(jī)污染物得以去除。空氣擾動(dòng)技術(shù)最早在德國(guó)得到有效應(yīng)用，后在歐洲得到迅速推廣，其具有處理效率高、成本投入少的特點(diǎn)。

2.1.5 異位修復(fù)

異位修復(fù)技術(shù)主要指的是先挖掘污染土壤，然后將土壤送至處理裝置、處理廠中進(jìn)行科學(xué)處理的技術(shù)，此種技術(shù)可以將污染場(chǎng)地污染物進(jìn)行直接挖除，在高濃度有機(jī)污染場(chǎng)地中，此技術(shù)具有效果明顯特點(diǎn)，且可以避免地下水二次污染情況產(chǎn)生，但值得注意的是，異位修復(fù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性相對(duì)較差，在污染物集中處理過(guò)程中，往往需要利用焚燒處理方法。

2.1.6 STAR技術(shù)

STAR 技術(shù)的基礎(chǔ)是焚燒法，融合陰燃原理，可以在高濃度有機(jī)污染土壤處理中得到有效應(yīng)用，在土壤含水層介質(zhì)固體表面，通過(guò)附著可燃有機(jī)污染物，利用異相氧化燃燒，產(chǎn)生熱量可以為污染物燃燒持續(xù)性提供保證。在前期階段，需要對(duì)一定電能予以使用，讓煤焦油得以加熱點(diǎn)燃。此技術(shù)具有修復(fù)時(shí)間短、能源消耗低以及去除效率高的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)，應(yīng)保證高濃度有機(jī)污染土壤污染物自身具有可燃性，還應(yīng)保證空氣流速滿(mǎn)足要求，保證污染物陰燃反應(yīng)。

2.2 高濃度有機(jī)污染土壤化學(xué)修復(fù)

2.2.1 等離子體

等離子體為電離氣體，主要組成部分為自由基、高能電子、激發(fā)物質(zhì)以及光子，等離子體本身具有電中性特點(diǎn)，電子密度和正離子電子密度相等。通過(guò)外加電場(chǎng)作用，放電空間內(nèi)部會(huì)有大量離子、電子、激發(fā)態(tài)分子以及原子形成，在體系中，出現(xiàn)活性物質(zhì)會(huì)對(duì)空氣、土壤污染物分子起到一定作用。當(dāng)前，介質(zhì)阻擋放電、脈沖電暈放電出現(xiàn)低溫等離子體進(jìn)行污染土壤修復(fù)的技術(shù)得到了廣泛關(guān)注，等離子體技術(shù)本身具有效率高、能耗低、不會(huì)產(chǎn)生二次污染的優(yōu)點(diǎn)，但值得注意的是，等離子體技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中，制造精度、構(gòu)型設(shè)計(jì)以及嚴(yán)密要求相對(duì)較高，且當(dāng)前技術(shù)成熟度依然較為不足。

2.2.2 土壤淋洗

現(xiàn)階段，在有機(jī)物全面去除工作中，土壤淋洗技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，主要可劃分為助溶劑淋洗、表面活性劑淋洗兩種基本類(lèi)型。前者主要使用甲醇、正戊醇、水等，后者主要使用磺基硫拍酸二己酷鈉、吐溫80 等。美國(guó)環(huán)保署早在上個(gè)世紀(jì)90 年代就建設(shè)完成了移動(dòng)土壤沖洗系統(tǒng)，在難以控制、泄露危險(xiǎn)廢物場(chǎng)所中得到有效應(yīng)用。利用差異化種類(lèi)萃取劑，如酸、有機(jī)化合物、張力活性物質(zhì)等水溶液，可以讓土壤化學(xué)污染物得到有效去除。首先，需要混合攪拌萃取劑水溶液、污染土壤，在洗滌工作完成后，可以利用洗滌溶液分離、再生或送至垃圾填埋場(chǎng)。如我國(guó)學(xué)者就曾使用添加表面活性助劑的方法，以洗脫土壤有機(jī)污染物硝基苯，在化學(xué)淋洗后，發(fā)現(xiàn)土壤苯胺、硝基苯含量降低，洗脫效率達(dá)到85%到90%[3]。與此同時(shí)，我國(guó)學(xué)者應(yīng)用了NaCI、異丙醇、磺基硫拍酸二己酷鈉作為表面活性劑沖洗了含有氯代有機(jī)物、汽油有機(jī)物的土壤，發(fā)現(xiàn)去除率超過(guò)98.5%。土壤淋洗技術(shù)本身具有處理效率高、成本控制效果好的特點(diǎn)，可以對(duì)大批量污染土壤進(jìn)行科學(xué)處理，值得注意的是，在淋洗處理有機(jī)污染物過(guò)程中，需要科學(xué)選用淋洗劑，防止有二次污染情況產(chǎn)生。

2.2.3 還原氧化

通過(guò)將還原劑、氧化劑添加至污染土壤中，利用氧化還原反應(yīng)，可以轉(zhuǎn)化土壤污染物為無(wú)毒物質(zhì)、低毒性物質(zhì)?，F(xiàn)階段，如芬頓試劑、高錳酸鹽、過(guò)氧化氫、臭氧、過(guò)硫酸鹽等氧化劑，亞硫酸氫鈉、二亞硫酸鈉、多硫化鈣、硫酸亞鐵、零價(jià)鐵、二價(jià)鐵等還原劑得到了廣泛應(yīng)用。在技術(shù)研究中，發(fā)現(xiàn)臭氧作為氣體強(qiáng)氧化劑可以快速擴(kuò)散、吸附在土壤中，在土壤修復(fù)行業(yè)發(fā)展中，臭氧具有應(yīng)用前景廣闊、應(yīng)用效果好的特點(diǎn)。化學(xué)還原氧化技術(shù)本身具有反應(yīng)速度快、修復(fù)時(shí)間短的特點(diǎn)，可以有效分解污染物，值得注意的是，過(guò)多投入藥劑量可能會(huì)產(chǎn)生二次污染現(xiàn)象，工作人員應(yīng)對(duì)藥劑量進(jìn)行嚴(yán)格管控。

2.3 高濃度有機(jī)污染土壤生物修復(fù)

2.3.1 植物修復(fù)

使用植物忍耐、超量吸收積累某些化學(xué)元素特點(diǎn)，或使用植物、根際微生物吸收作用、降解作用、過(guò)濾作用、固定作用可以降解轉(zhuǎn)化污染物為無(wú)毒物質(zhì)，讓環(huán)境得到有效凈化。經(jīng)過(guò)研究、試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)植物修復(fù)技術(shù)具有明顯優(yōu)勢(shì)，利用植物萃取、揮發(fā)及降解，可以去除土壤污染物，和其他修復(fù)技術(shù)相比，此技術(shù)可以避免場(chǎng)地破壞及環(huán)境擾動(dòng)情況產(chǎn)生，同時(shí)還可以讓土壤肥力、有機(jī)質(zhì)含量得以增加。值得注意的是，植物修復(fù)技術(shù)的修復(fù)深度存在一定限制，修復(fù)周期相對(duì)較長(zhǎng)，且對(duì)污染場(chǎng)地要求相對(duì)較嚴(yán)。

2.3.2 微生物修復(fù)

使用一定措施，可以利用微生物完成土壤有害物質(zhì)降解工作、轉(zhuǎn)化工作與去除工作，現(xiàn)階段，微生物修復(fù)技術(shù)主要包含投加外源降解微生物技術(shù)、強(qiáng)化土地微生物降解技術(shù)兩種形式。結(jié)合研究進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)對(duì)于土壤DDT 來(lái)說(shuō)，芽孢桿菌屬、諾卡氏菌屬、棒桿菌屬均具有良好降解效果，而對(duì)于土壤PAHs，固定化黃孢原毛平革菌可以起到一定修復(fù)作用。微生物修復(fù)技術(shù)同樣可以避免二次污染現(xiàn)象產(chǎn)生，但所需作用周期相對(duì)較長(zhǎng)，且對(duì)環(huán)境條件要求相對(duì)較高，在具體應(yīng)用中，工作人員應(yīng)對(duì)有機(jī)污染土壤情況進(jìn)行全面分析，重點(diǎn)分析內(nèi)容包含土壤溫度情況、土壤pH 值、土壤營(yíng)養(yǎng)情況以及土壤濕度等，保證微生物修復(fù)技術(shù)選擇合理性[4]。

在20 世紀(jì)70 年代，部分國(guó)家就開(kāi)始使用生物修復(fù)技術(shù)，在地下水或污染土壤中，通過(guò)注入微生物、優(yōu)勢(shì)菌種可以有效發(fā)揮共代謝作用，讓污染物得到有效降解。與此同時(shí)，使用生物強(qiáng)化技術(shù)，對(duì)優(yōu)勢(shì)菌種進(jìn)行注入，還可以讓污染場(chǎng)地修復(fù)效率得到進(jìn)一步提高。例如，在石油烴類(lèi)、衍生物(如乙醚、汽油、燃油、乙醇)高濃度有機(jī)污染土壤中，使用生物修復(fù)技術(shù)就可以取得良好應(yīng)用效果。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，結(jié)合高濃度有機(jī)污染土壤處理技術(shù)研究進(jìn)展，現(xiàn)階段，熱脫附、電動(dòng)修復(fù)、氣相抽提等物理修復(fù)技術(shù)，等離子體、土壤淋洗以及還原氧化等化學(xué)修復(fù)技術(shù)，植物修復(fù)、微生物修復(fù)等生物修復(fù)技術(shù)在我國(guó)高濃度有機(jī)污染土壤處理中得到了有效應(yīng)用，且具有良好的發(fā)展前景。