環(huán)保技術(shù)在生態(tài)安全治理中的應(yīng)用與優(yōu)化\t

摘要：通過在12 hm2的污染工業(yè)場地開展為期18個月的實地應(yīng)用，結(jié)合數(shù)據(jù)建模分析了環(huán)保技術(shù)集成方案的效果。結(jié)果表明，優(yōu)化后的環(huán)保技術(shù)集成方案使土壤重金屬含量平均降低76.4%，地下水污染物濃度平均降低83.8%，生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)速度提高200%。研究證實，針對性優(yōu)化和集成應(yīng)用環(huán)保技術(shù)能顯著提升生態(tài)安全治理效果，為相關(guān)領(lǐng)域?qū)嵺`提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：微生物修復(fù)；納米零價鐵；人工濕地；重金屬污染；生態(tài)恢復(fù)

中圖分類號：X703 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-9500（2025）02-0-04

Application and Optimization of Environmental Protection Technologies in Ecological Security Governance

YUE Xinji

（Shanxi Zhide Ecological Environmental Protection Co.， Ltd.， Taiyuan 030032， China）

Abstract： By conducting an 18 month field application on a 12 hm2 polluted industrial site and combining data modeling analysis， the effectiveness of the integrated environmental protection technology solution was evaluated. The results showed that the optimized environmental protection technology integration scheme reduced the average heavy metal content in soil by 76.4%， the average concentration of groundwater pollutants by 83.8%， and increased the speed of ecosystem restoration by 200%. Research has confirmed that targeted optimization and integrated application of environmental protection technologies can significantly improve the effectiveness of ecological security governance， providing scientific basis for relevant field practices.

Keywords： microbial remediation; nano zero valent iron; artificial wetland; heavy metal pollution; ecological restoration

工業(yè)活動導(dǎo)致的重金屬污染嚴(yán)重威脅生態(tài)安全，需要開發(fā)與應(yīng)用高效的治理技術(shù)來應(yīng)對。微生物修復(fù)、納米材料強(qiáng)化及人工濕地系統(tǒng)在污染場地治理中各具優(yōu)勢，但單一技術(shù)難以應(yīng)對復(fù)雜的污染狀況。因此，探索多種技術(shù)的優(yōu)化組合或針對特定污染場景定制化應(yīng)用，成為提升生態(tài)安全治理效果的關(guān)鍵。

1 研究背景

工業(yè)化進(jìn)程加速導(dǎo)致重金屬污染日益嚴(yán)重，對生態(tài)系統(tǒng)和人類健康構(gòu)成重大威脅[1]。據(jù)中國生態(tài)環(huán)境部2023年報告，全國受污染耕地面積達(dá)2 000萬hm2，

其中重金屬污染占比超過30%。傳統(tǒng)修復(fù)方法如客土、鈍化等存在成本高、周期長、二次污染風(fēng)險等問題。微生物修復(fù)、納米材料強(qiáng)化和人工濕地系統(tǒng)等新興環(huán)保技術(shù)展現(xiàn)出廣闊前景，但在實際應(yīng)用中面臨效率低、適用性不強(qiáng)等挑戰(zhàn)。如何優(yōu)化這些環(huán)保技術(shù)并實現(xiàn)有效集成，以應(yīng)對復(fù)雜的污染場景，提高修復(fù)效率，降低治理成本，是生態(tài)安全治理領(lǐng)域急需解決的問題。

2 研究方法

2.1 污染場地特征

研究選取一處面積約12 hm2的廢棄工業(yè)場地作為試驗區(qū)[2]。該場地曾長期用于化工生產(chǎn)和金屬冶煉，導(dǎo)致土壤和地下水嚴(yán)重污染。通過系統(tǒng)采樣分析發(fā)現(xiàn)，土壤中鉛、鎘、砷等重金屬含量顯著超標(biāo)，最高點位超過國家標(biāo)準(zhǔn)限值的15倍。地下水污染也十分嚴(yán)重，多項指標(biāo)超過地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅲ類限值。場地植被稀疏，僅有少量耐污染植物零星分布，生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)單一且功能退化。

2.2 技術(shù)方案設(shè)計

技術(shù)方案設(shè)計以污染場地特征為基礎(chǔ)，采用微生物修復(fù)、納米材料強(qiáng)化及人工濕地系統(tǒng)的優(yōu)化集成方案[3]。針對高濃度重金屬污染區(qū)，引入特定耐受菌株并添加納米零價鐵，增強(qiáng)微生物活性和污染物穩(wěn)定化效果。在地下水流向下游，構(gòu)建多級人工濕地系統(tǒng)，采用“垂直流-水平流”復(fù)合結(jié)構(gòu)，種植蘆葦、香蒲等高效積累植物。同時，設(shè)計智能監(jiān)測系統(tǒng)，實時調(diào)節(jié)工藝參數(shù)。

2.3 效果評估方法

效果評估采用多維度、動態(tài)監(jiān)測方法。在土壤方面，按網(wǎng)格法布設(shè)采樣點，每季度采集一次樣品分析重金屬含量，并測定pH值、有機(jī)質(zhì)等指標(biāo)[4]。地下水監(jiān)測井沿污染羽流方向設(shè)置，每月取樣檢測污染物濃度和水文參數(shù)。生態(tài)恢復(fù)評估包括植被覆蓋度、物種多樣性指數(shù)計算以及土壤酶活性和微生物群落結(jié)構(gòu)分析。引入遙感技術(shù)，通過衛(wèi)星影像和無人機(jī)航拍，追蹤場地植被恢復(fù)狀況。數(shù)據(jù)處理運用地理信息系統(tǒng)和統(tǒng)計學(xué)方法，構(gòu)建污染物遷移轉(zhuǎn)化模型，綜合評估治理效果。

3 環(huán)保技術(shù)應(yīng)用與優(yōu)化

環(huán)保技術(shù)應(yīng)用與優(yōu)化包括微生物修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用與優(yōu)化、納米材料強(qiáng)化技術(shù)的應(yīng)用與優(yōu)化以及人工濕地系統(tǒng)的應(yīng)用與優(yōu)化。

3.1 微生物修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用與優(yōu)化

3.1.1 技術(shù)應(yīng)用

微生物修復(fù)技術(shù)主要利用具有重金屬耐受性和轉(zhuǎn)化能力的特定菌株進(jìn)行污染治理。通過實驗室馴化和野外分離獲得的鉛硫桿菌、鎘螯合芽孢桿菌以及砷氧化菌展現(xiàn)出優(yōu)異的污染物降解能力。在實際應(yīng)用中，需要先在專用培養(yǎng)基中活化和擴(kuò)繁菌株，確保足夠的菌體數(shù)量。隨后，采用定點注射方式將活化的菌液注入污染土壤，并通過環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)維持適宜的溫度、濕度及pH值，為微生物的生長和降解過程創(chuàng)造有利條件。在整個應(yīng)用過程中，定期采集土壤樣品檢測重金屬含量和微生物活性。微生物修復(fù)過程如圖1所示。

3.1.2 優(yōu)化措施

針對微生物修復(fù)技術(shù)在應(yīng)用中存在的效率不足等問題，開展了一系列優(yōu)化工作。通過基因工程手段改造菌株，強(qiáng)化金屬結(jié)合蛋白的表達(dá)，重金屬吸附能力提升40%。同時，在培養(yǎng)基配方中添加特定的有機(jī)營養(yǎng)物質(zhì)和生長因子，顯著提高了菌株的存活率和活性。在施用工藝方面，改進(jìn)了傳統(tǒng)的單點注入方式，采用網(wǎng)格式多點注入技術(shù)，確保菌株在土壤中均勻分布。另外，建立智能環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)，實時監(jiān)測和調(diào)節(jié)土壤環(huán)境參數(shù)，為微生物的持續(xù)降解活動提供了穩(wěn)定的環(huán)境支持。

3.2 納米材料強(qiáng)化技術(shù)的應(yīng)用與優(yōu)化

3.2.1 技術(shù)應(yīng)用

納米材料強(qiáng)化技術(shù)采用改進(jìn)的液相還原法合成納米零價鐵顆粒，獲得平均粒徑為30 nm的反應(yīng)材料。在實際應(yīng)用中，首先對納米零價鐵進(jìn)行表面改性處理，以提升其在土壤和地下水中的穩(wěn)定性和分散性[5]。通過專門設(shè)計的注入系統(tǒng)將改性后的材料輸送至污染區(qū)域，利用納米材料的還原性能實現(xiàn)對重金屬污染物的原位固定。材料注入后，建立了系統(tǒng)的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，跟蹤污染物的轉(zhuǎn)化過程和遷移規(guī)律。納米材料強(qiáng)化技術(shù)修復(fù)過程如圖2所示。

3.2.2 優(yōu)化措施

為提高納米材料的治理效果，實施了多方面的優(yōu)化措施。通過嚴(yán)格控制反應(yīng)溫度、pH值等工藝參數(shù)，使納米零價鐵粒徑保持在最佳范圍，確保較大的比表面積。采用羧甲基纖維素鈉進(jìn)行表面修飾，成功解決了納米顆粒易團(tuán)聚的問題，材料分散性提高300%。新型注入設(shè)備的開發(fā)顯著改善了材料的滲透性能，擴(kuò)大了有效作用范圍。多點監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的建立為精準(zhǔn)投放提供了數(shù)據(jù)支持，既保證了治理效果，又實現(xiàn)了用量優(yōu)化，使材料成本降低30%。

3.3 人工濕地系統(tǒng)的應(yīng)用與優(yōu)化

3.3.1 技術(shù)應(yīng)用

人工濕地系統(tǒng)采用“垂直流-水平流”復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計，由三級串聯(lián)的濕地單元構(gòu)成（見圖3）。每個單元包含垂直流和水平流子單元，填充物選用沸石和生物炭的混合介質(zhì)，同時種植蘆葦、香蒲等耐受性強(qiáng)的本土植物。在運行過程中，污水首先經(jīng)過預(yù)處理后進(jìn)入系統(tǒng)，通過垂直流和水平流的交替作用，結(jié)合植物吸收和微生物降解作用，實現(xiàn)污染物的多級處理。系統(tǒng)出水經(jīng)智能監(jiān)測系統(tǒng)實時檢測，確保處理效果。

3.3.2 優(yōu)化措施

基于實際運行數(shù)據(jù)分析，優(yōu)化人工濕地系統(tǒng)。通過水力學(xué)模擬和試驗驗證，將水力停留時間調(diào)整至72 h，顯著提高了污染物去除效率。在填料優(yōu)化方面，經(jīng)過多組配比試驗，確定了沸石和生物炭3∶2的最佳混合比例。植物配置優(yōu)化增加了深根系物種的比例，加強(qiáng)了根際微生物的作用。同時，添加專門培育的微生物制劑，提升系統(tǒng)的整體處理能力。智能化控制系統(tǒng)的建立實現(xiàn)了水量、水質(zhì)的實時調(diào)節(jié)，確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和處理效果的持續(xù)提升。

4 環(huán)保技術(shù)集成方案效果分析

4.1 土壤重金屬去除效率

不同處理方法的土壤重金屬去除效率對比如表1所示。通過對比發(fā)現(xiàn)，環(huán)保技術(shù)集成方案高于單一技術(shù)的去除效率，顯著提高了土壤重金屬的去除率。長期監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，土壤中重金屬含量持續(xù)下降，18個月后穩(wěn)定在國家標(biāo)準(zhǔn)限值以下。

4.2 地下水質(zhì)量改善

使用環(huán)保技術(shù)集成方案后，地下水質(zhì)量改善效果顯著，污染物濃度呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢。地下水質(zhì)量指標(biāo)變化趨勢如表表2所示，重金屬污染物濃度在

6個月內(nèi)快速下降，隨后趨于穩(wěn)定。地下水pH值逐步回歸正常范圍，有利于水生生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)。

4.3 生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)評估

使用環(huán)保技術(shù)集成方案后，生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)效果顯著，表現(xiàn)為植被覆蓋度和生物多樣性的明顯提升。生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)主要指標(biāo)變化如表3所示，植被覆蓋率從初始的15%增加到80%以上，出現(xiàn)了多種本土植物自然生長。土壤微生物群落結(jié)構(gòu)趨于多樣化，功能酶活性增強(qiáng)。野生動物物種數(shù)量逐年增加，其中鳥類和昆蟲種類增加最為明顯。

5 結(jié)論

研究通過優(yōu)化集成微生物修復(fù)、納米材料強(qiáng)化及多級人工濕地系統(tǒng)，有效解決了重金屬污染場地的生態(tài)安全問題。該環(huán)保技術(shù)集成方案顯著提高了污染物去除效率，加速了生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)。未來，研究將聚焦于開發(fā)智能控制系統(tǒng)以動態(tài)調(diào)節(jié)技術(shù)參數(shù)，探索生物強(qiáng)化劑在極端環(huán)境下的應(yīng)用，并構(gòu)建生態(tài)修復(fù)全過程的數(shù)字孿生模型，為建立更加精準(zhǔn)、高效的生態(tài)安全治理體系奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2024-12-16

作者簡介：岳新積（1964—），男，山西應(yīng)縣人。研究方向：生態(tài)安全治理。