叶增辉 尹国勋

1 概述

中国土壤污染问题已十分严重。据不完全调查,目前全国受污染的耕地约有1.5亿亩,污水灌溉污染耕地3250万亩,固体废弃物堆存占地和毁田200万亩,合计约占耕地总面积的1/10以上,其中多数集中在经济较发达的地区。据估算,全国每年因重金属污染的粮食达1200万t,造成的直接经济损失超过200亿元。土壤污染造成有害物质在农作物中积累,并通过食物链进入人体,引发各种疾病,最终危害人体健康。土壤污染直接影响土壤生态系统的结构和功能,最终将对生态安全构成威胁[1-3]。

土壤污染具有比较隐蔽、污染后很难恢复、污染后果严重、持久性强等特点,因此必须对土壤污染的预防和污染土壤修复予以高度重视。

2 物理化学修复技术现状

根据土壤的位置是否改变,污染土壤修复技术可以分为原位修复和异位修复两种[4]。前者对污染物就地处置,使之得以降解和解毒,不需要建设昂贵的地面环境工程基础设施和远程运输,操作维护起来比较简单,还可以对深层次污染的土壤进行修复。而后者的环境风险较低,系统处理的预测性高于原位修复。

本文主要针对近年来国外在污染土壤现场修复中应用较多、效果较好的几种物理化学修复技术的研究进展进行了综述。

2.1 原位修复

2.1.1 土壤淋洗技术

土壤冲洗技术是指借助能促进土壤环境中污染物溶解或迁移作用的溶剂,通过水力压头推动清洗液,将其注入到被污染土层中,然后再把包含有污染物的液体从土层中抽提出来,进行分离和污水处理的技术。主要用于处理重金属、易挥发卤代有机物以及非卤代有机物,该技术是否有效、是否可实施,以及处理费用的关键是土壤的渗透性,研究表明,水传导系数大于10-3cm/s的土壤,推荐用该技术,最好用于沙地或砂砾土壤、冲积土和滨海土等,因为砂质土不能强烈吸附污染物。质地较细的土壤如红壤、黄壤等与污染物之间的吸附作用较强,需经过多次冲洗才能奏效。另外,控制不当时,冲洗废液可能会溢出控制区而产生二次污染。

2.1.2 原位化学氧化/还原修复技术

该技术主要是通过掺进土壤中的化学氧化/还原剂与污染物所产生的氧化/还原反应,达到使污染物降解或转化为低毒、低移动性产物的一项修复技术。该技术修复工作完成后,一般只在原污染区留下了水、二氧化碳等无害的化学反应产物,通常处理其他方法无效的污染土壤,比如在污染区位于地下水深处的情况下。该技术主要用来修复被油类、有机溶剂、多环芳烃、PCP、农药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/稳定化土壤修复技术

原位固化/稳定化土壤修复技术是指防止或者降低污染土壤释放有害化学物质过程的一组修复技术,通常用于重金属和放射性物质污染土壤的无害化处理。常采用的方法为:先利用吸附质如黏土、活性炭等吸附污染物,浇上沥青,然后添加某种凝固剂或粘合剂,使混合物成为一种凝胶,最后固化为硬块,原位修复需要利用机械装置进行深翻松动,通过高压方式有次序地注入固化剂/稳定剂,充分混合后自然凝固,放出的气体要通过出气收集罩输送至处理系统进行无害化处理后才能排放。该修复技术费用低廉,所形成的固体毒性降低,稳定性增强,加工设备容易转移,所需的实施需要时间由几周至几个月不等,影响这一过程的主要因素有污染物种类的不同、土壤面积和深度的不同、土壤种类和地质条件的不同。

2.1.4 电动力学修复技术

电动力学修复技术利用插入土壤中的两个电极,在污染土壤两端加上低压直流电场,在低强度直流电的作用下,水溶的或者吸附在土壤颗粒表层的污染物根据各自所带电荷的不同而向不同的电极方向运动,土壤污染物在电极附近富集或被收集回收。该技术主要用于低渗透性土壤的修复,适用于大部分无机污染物,石油类以及一些石油类污染物最高去除率可达90%以上。该技术成功的关键在于污染物的溶解性和污染物从土壤胶体表面的脱附性能,并且土壤的含水率低于10%,处理效果大大降低。

2.2 异位修复

2.2.1 化学淋洗

与原位化学淋洗技术不同的是,异位化学淋洗技术首先要把污染土壤挖掘出来,用水或溶于水的化学试剂来清洗、去除污染物,再处理含有污染物的废水或废液,处理后的土壤可以回用。该技术适用于各种类型污染物的治理,包括重金属、石油类碳氢化合物、易挥发有机物、PCBs以及PAHs等,但必须依照特定的污染土壤或沉积物“量身定做”,清洗液也需要经过仔细研究才能确定,如果土壤含有25%～30%的粘粒,将不考虑该项技术。

2.2.2 异位化学氧化/还原修复技术

同原位化学氧化/还原修复技术。

2.2.3 溶剂浸提技术

溶剂浸提技术通常也被称为化学浸提技术,是利用批量平衡法,采用溶剂将有害化学物质从污染土壤中提取出来或去除的技术。该技术克服了由土壤处理、污染物迁移、过程调节等技术瓶颈,使土壤中PCBs与油脂类等难以从土壤中去除的污染物处理成为现实,但不适于去除污染土壤中的重金属和无机污染物。适合采用该技术的最佳土壤条件是粘粒含量低于15%,湿度低于20%,粘粒含量和湿度过高,污染物被土壤胶体强烈的吸附。

2.2.4 化学脱卤技术

化学脱卤指向受卤代有机物污染的土壤中加入试剂,以置换取代污染物中的卤素或使其分解或部分挥发而得以去除。目标污染物包括卤代半挥发性有机物(SVOCs)和有机农药。其局限性在于:一些脱卤剂能与水起化学反应,高黏土含量及含水率会增加处理成本,且当卤代有机物浓度超过5%时需大量反应试剂。

2.2.5 异位固化/稳定化土壤修复技术

同原位固化/稳定化土壤修复技术,其所针对的土壤污染物质主要为无机物,一般不适于处理有机物和农药污染,不能保证污染物的长期稳定性,且处理过程会显著增加产物体积。

3 土壤修复技术展望

3.1 应注意对土壤自净作用的研究

当人们对物理、化学和生物修复给予更多关注时,土壤环境的自净功能常常被疏忽和遗忘。实际上,当污染物浓度限制在一定程度时,土壤本身的调节与净化功能也可使污染物得以去除。

3.2 警惕二次污染

物理化学和生物修复意味着把大量能量、化学品和生物体投入到被污染的环境介质和生态系统,在消除污染的同时,这种投入也有可能带来新的不良影响。

3.3 污染土壤修复技术的优化与组合

由于土壤污染大多属于复合污染,而单一修复方法难以解决复合污染土壤修复问题,所以不同修复方法的组合是污染土壤修复的实际需求。两种乃至多种方法的组合已难以用单一的物理、化学、生物名称来描述。把多种修复方法涵盖在统一系统之内,是污染土壤修复理论研究和应用的需要。修复方法的优化,不仅包括不同修复方法之间的优化组合,更包括了系统内在修复功能同外加修复功能的有机结合,其目标是寻求修复效果与投入的最佳结合。

今后修复技术发展方向应该从物理化学与生态相结合出发,修复土壤污染的同时,维护正常的生态系统结构和功能,实现绿色意义的污染土壤的修复。

[1]孙铁街,李培军,周启星.土壤污染形成机理与修复技术[M].北京:科学出版社,2005.

[2]周启星,宋玉芳.污染土壤修复原理与方法[M].北京:科学出版社,2004.

[3]高拯民.土壤—植物系统污染生态研究[M].北京:中国科学技术出版社,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.