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土壤修复技术

土壤污染与修复技术

时间:2014年11月06日 信息来源:上海市市容和绿化管理局网站 作者:佚名 点击: 【字体:

 

 

我国已是世界上土壤污染最严重的国家之一,超过1.5亿亩的污染耕地以及数目众多的城市污染场地,无时无刻都在对十四亿人民的健康和国家的未来产生着巨大的威胁。
     2014417日,环境保护部和国土资源部发布了全国土壤污染状况调查公报。调查结果显示,全国土壤环境状况总体不容乐观,部分地区土壤污染较严重,耕地土壤环境质量堪忧。
     根据国务院决定,20054月至201312月,环境保护部会同国土资源部开展了首次全国土壤污染状况调查。调查的范围是除香港、澳门特别行政区和台湾省以外的陆地国土,调查点位覆盖全部耕地,部分林地、草地、未利用地和建设用地,实际调查面积约630万平方公里。
    本次调查中选择确定污染物的原则:一是影响农作物产量和品质的污染物;二是对人体健康有害的污染物。调查采用统一的方法、标准,基本掌握了全国土壤环境总体状况。

土壤环境现状

调查显示,全国土壤环境状况总体不容乐观,全国土壤总的点位超标率为16.1%,其中轻微、轻度、中度和重度污染点位比例分别为11.2%2.3%1.5%1.1%。从土地利用类型看,耕地、林地、草地土壤点位超标率分别为19.4%10.0%10.4%。从污染类型看,以无机型为主,有机型次之,复合型污染比重较小,无机污染物超标点位数占全部超标点位的82.8%
从污染分布情况看,南方土壤污染重于北方;长江三角洲、珠江三角洲、东北老工业基地等部分区域土壤污染问题较为突出,西南、中南地区土壤重金属超标范围较大;镉、汞、砷、铅4种无机污染物含量分布呈现从西北到东南、从东北到西南方向逐渐升高的态势。

土壤污染与修复技术

食品安全受到危险

与其他有机化合物的污染不同,重金属具有富集性,重金属污染很难自然降解,如铅、镉等重金属进入土壤环境,会长期蓄积并破坏土壤的自净能力,使土壤成为污染物的储存库。在这类土地上种植农作物,重金属能被植物根系吸收,造成农作物减产或产出重金属毒粮食毒蔬菜
而现行各地方政府农业部门的农产品质量安全检测中,重金属污染并非必须检测项。
农业部发布的2013年农产品质量安全国家专项监督抽查结果通报中看到,农业部对全国26个省(自治区、直辖市)的571个生产养殖基地、储藏保鲜库、生鲜乳收购站和运输车进行了抽样,抽检参数重点是农药残留和兽药残留(包括非法添加和禁限用),但并未看到对重金属的检测结果。
业内专家指出,城市郊区耕地及浇灌水源更易遭受城市工业污染,城市生活污水处理和垃圾填埋也在威胁着土壤的环境安全。而大中城市的蔬菜供应基地多围绕在城市周边,对这些基地进行污染排查与治理变得尤为重要。

政策导向

环保部将《土壤环境保护法》列为立法计划,且原则通过《土壤污染防治行动计划》,批准发布了《场地环境调查技术导则》(HJ 25.1-2014)、《场地环境监测技术导则》(HJ 25.2-2014)、《污染场地风险评估技术导则》(HJ 25.3-2014)、《污染场地土壤修复技术导则》(HJ 25.4-2014)和《污染场地术语》(HJ 682-2014)等5项污染场地系列环保标准等5项标准。
农业部下发《关于加强农产品质量安全全程监管的意见》,提出农业部将启动重金属污染耕地修复和种植结构调整试点,并联合环保、国土、水利等部门加强农业生产用水和土壤环境治理。今后将集中力量对农产品主产区、大中城市郊区、工矿企业周边等重点地区农产品产地环境进行定位监测,结合全国污染源普查,跟进开展农产品产地环境污染普查,摸清产地污染底数,探索建立农产品产地环境安全监测评价制度。
尽管政策标准层面尚处于初级阶段,但国家宏观政策长期支持土壤修复行业发展的大环境是无可置疑的。

 影响因素

因为土壤修复具有重投资的行业属性,且基本没有运营管理的长期回报,因此能否尽快建立完善的政策标准、界定可行的责任主体、形成创新的商业模式等,是促进土壤修复市场破土释放,并保障其长期和健康发展的关键所在。

风险管控

相对于对污染土壤的修复,更重要的是污染源控制和风险管控,要以不再形成新的污染为首要目标,并对已经形成的污染迅速和有效地加以风险控制,不再任其迁移和转化。

发展趋势

从以污染物总量控制为目标,到以污染风险评估和管控为导向,并通过制定和实施相应机制来刺激经济发展;从主要针对单一污染物或单一介质,到兼顾多种污染物复合或混合污染,并兼顾土壤、地下水、农田耕种和作物生长。

技术发展

虽然以土石方为主的异位填埋法具有快速、简便的特点,但并不适合于作为主流技术在全国大范围推广。目前亟待开发和推广低成本的依托综合集成和先进设备的原位修复技术,以及环境友好的植物修复技术。

污染土壤植物修复技术

技术要点:从20世纪80年代问世以来,利用植物资源与净化功能的植物修复技术迅速发展。植物修复技术包括利用植物超积累或积累性功能的植物吸取修复、利用植物根系控制污染扩散和恢复生态功能的植物稳定修复、利用植物代谢功能的植物降解修复、利用植物转化功能的植物挥发修复、利用植物根系吸附的植物过滤修复等技术;可被植物修复的污染物有重金属、农药、石油和持久性有机污染物、炸药、放射性核素等。其中,重金属污染土壤的植物吸取修复技术在国内外都得到了广泛研究,已经应用于砷、镉、铜、锌、镍、铅等重金属以及与多环芳烃复合污染土壤的修复,并发展出包括络合诱导强化修复、不同植物套作联合修复、修复后植物处理处置的成套集成技术。
    近年来,中国在重金属污染农田土壤的植物吸取修复技术应用方面在一定程度上开始引领国际前沿研究方向。但是,虽然开展了利用苜蓿、黑麦草等植物修复多环芳烃、多氯联苯和石油烃的研究工作,但是有机污染土壤的植物修复技术的田间研究还很少,对炸药、放射性核素污染土壤的植物修复研究则更少。
技术特点:植物稳定修复技术被认为是一种更易接受、大范围应用、并利于矿区边际土壤生态恢复的植物技术,也被视为一种植物固碳技术和生物质能源生产技术。

污染土壤物理修复技术

物理修复是指通过各种物理过程将污染物(特别是有机污染物)从土壤中去除或分离的技术。热处理技术是应用于工业企业场地土壤有机污染的主要物理修复技术,包括热脱附、微波加热和蒸气浸提等技术,已经应用于苯系物、多环芳烃、多氯联苯和二噁英等污染土壤的修复。
    1、热脱附技术
    技术要点:热脱附是用直接或间接的热交换,加热土壤中有机污染组分到足够高的温度,使其蒸发并与土壤介质相分离的过程。特别对PCBs这类含氯有机物,非氧化燃烧的处理方式可以显著减少二恶英生成。目前欧美国家已将土壤热脱附技术工程化,广泛应用于高污染的场地有机污染土壤的离位或原位修复。
技术特点:热脱附技术具有污染物处理范围宽、设备可移动、修复后土壤可再利用等优点,但诸如相关设备价格昂贵、脱附时间过长、处理成本过高等问题尚未得到很好解决,限制了热脱附技术在持久性有机污染土壤修复中的应用。

2、蒸气浸提技术
    技术要点:土壤蒸气浸提(简称SVE)技术是去除土壤中挥发性有机污染物(VOCs)的一种原位修复技术。它将新鲜空气通过注射井注入污染区域,利用真空泵产生负压,空气流经污染区域时,解吸并夹带土壤孔隙中的VOCs 经由抽取井流回地上;抽取出的气体在地上经过活性炭吸附法以及生物处理法等净化处理,可排放到大气或重新注入地下循环使用。
技术特点:SVE具有成本低、可操作性强、可采用标准设备、处理有机物的范围宽、不破坏土壤结构和不引起二次污染等优点。苯系物等轻组分石油烃类污染物的去除率可达90%

污染土壤化学/物化修复技术

相对于物理修复,污染土壤的化学修复技术发展较早,主要有土壤固化-稳定化技术、淋洗技术、氧化2还原技术、光催化降解技术和电动力学修复等。

1、固化-稳定化技术

技术要点:固化-稳定化技术是将污染物在污染介质中固定,使其处于长期稳定状态,是较普遍应用于土壤重金属污染的快速控制修复方法,对同时处理多种重金属复合污染土壤具有明显的优势。美国环保署将固化/稳定化技术称为处理有害有毒废物的最佳技术。中国一些冶炼企业场地重金属污染土壤和铬渣清理后的堆场污染土壤也采用了这种技术。国际上已有利用水泥固化-稳定化处理有机与无机污染土壤的报道。
固定化技术是将污染物囊封入惰性基材中,或在污染物外面加上低渗透性材料,通过减少污染物暴露的淋滤面积达到限制污染物迁移的目的;稳定化是指从污染物的有效性出发,通过形态转化,将污染物转化为不易溶解、迁移能力或毒性更小的形式来实现无害化,以降低其对生态系统的危害风险。
技术特点:固化产物可以方便地进行运输,而无需任何辅助容器;而稳定化不一定改变污染土壤的物理性状。固化技术具有工艺操作简单、价格低廉、固化剂易得等优点,但常规固化技术也具有以下缺点,如固化反应后土壤体积都有不同程度的增加,固化体的长期稳定性较差等。

2、氧化-还原技术

技术要点:土壤化学氧化-还原技术是通过向土壤中投加化学氧化剂(Fenton 试剂、臭氧、过氧化氢、高锰酸钾等)或还原剂(SO2Fe0、气态H2S等),使其与污染物质发生化学反应来实现净化土壤的目的。通常,化学氧化法适用于土壤和地下水同时被有机物污染的修复。运用化学还原法修复对还原作用敏感的有机污染物是当前研究的热点。

污染土壤联合修复技术

协同两种或以上修复方法,形成联合修复技术,不仅可以提高单一污染土壤的修复速率与效率,而且可以克服单项修复技术的局限性,实现对多种污染物的复合P混合污染土壤的修复,已成为土壤修复技术中的重要研究内容。

1、微生物/动物-植物联合修复技术

技术要点:微生物(细菌、真菌)-植物、动物(蚯蚓)-植物联合修复是土壤生物修复技术研究的新内容。筛选有较强降解能力的菌根真菌和适宜的共生植物是菌根生物修复的关键。种植紫花苜蓿可以大幅度降低土壤中多氯联苯浓度。根瘤菌和菌根真菌双接种能强化紫花苜蓿对多氯联苯的修复作用。利用能促进植物生长的根际细菌或真菌,发展植物2降解菌群协同修复、动物2微生物协同修复及其根际强化技术,促进有机污染物的吸收、代谢和降解将是生物修复技术新的研究方向。

2、物理-化学联合修复技术

技术要点:土壤物理-化学联合修复技术是适用于污染土壤离位处理的修复技术。溶剂萃取-光降解联合修复技术是利用有机溶剂或表面活性剂提取有机污染物后进行光解的一项新的物理-化学联合修复技术。例如,可以利用环己烷和乙醇将污染土壤中的多环芳烃提取出来后进行光催化降解。此外,可以利用PdPRh支持的催化2热脱附联合技术或微波热解-活性炭吸附技术修复多氯联苯污染土壤;也可以利用光调节的TiO2催化修复农药污染土壤。

美国经典案例

土壤资源化利用推进污染场地修复

20世纪中叶,宾夕法尼亚州阿帕拉契山脉脚下的帕尔默顿小镇因多年的锌金属冶炼,造成了严重的土壤和地下水污染。新泽西锌业公司多年倾倒的累计超过三千万吨的矿渣堆积成了占地数百英亩、高达数十米的矿渣山,并因长年雨水冲刷产生了高污染的渗滤液,严重影响附近河流与地下水;此外,因工厂烟囱经年累月排出含有高浓度重金属的粉尘,全镇表层土壤和地下水均受到严重的重金属污染(表1),附近三千英亩山地也因此几乎寸草不生;而植被缺失造成的严重水土流失,又加剧了污染物在环境中的扩散和对附近居民健康的威胁。

土壤污染与修复技术

面对刻不容缓的环境风险缓释需求,联邦环保局于1991年起首先通过超级基金项目垫付费用,使修复得以启动(表2)。在项目初期,面对有限的预算,环保局广泛采用一种由稳定化污泥、粉煤灰和生石灰组成的人造土壤调节剂覆盖失去植被的山坡和矿渣山区域。其后,环保局又使用堆肥替代污泥。在每一片区域阶段性完工后,又将适宜当地气候的植物种子和肥料通过卡车和飞机被抛洒到地表。迄今,植被得到了初步恢复,据估计,已有近30万吨土壤调节剂被用于该部分修复,耗资逾千万美元。

土壤污染与修复技术

由于西厂区原址表层土壤重金属浓度普遍达到了危险废物的程度,环保局禁止任何异地修复措施,以防止不受监控的非法倾倒填埋。环保局最终批准以客土覆盖为主,植物修复为辅的修复方案,以充足的客土消除雨水渗透造成的地下水污染并降低污染物扩散风险,并以客土中较高的pH实现重金属一定程度的稳定化。
    帕尔默顿小镇跨越三个世纪的污染和修复,留给人们很多的经验和教训,而环保产业和技术在长达三十年的时间里发生了巨大的变化,使得原本在项目初期难以实施的修复成为了可能。
    如何控制污染扩散风险,在推进修复的同时保证环境和居民健康则是考验管理者的关键。在这方面,各州环保局主要采取了以下三方面的措施:一是联合执法,打击非法倾倒,落实谁污染,谁负责原则。各州环保局联合其他执法机构从经济和环保等多角度联合执法,才使得非法倾倒的活动逐年减少。合理开展资源化利用,避免修复和固废处置费用无节制的攀升是控制非法活动获得足够经济利益最有效的经济手段;而《综合环境反应,赔偿与责任法》则成为了环保局追讨修复费用最有力的法律武器。
    二是设置合理的技术准则,多个州政府推出完善的技术准则。如加州环保局在2008年发布了《重金属污染土壤成熟修复技术指南》,规范土壤资源化利用。目前,土壤资源化利用的典型流程为:客土产出场地风险评估、确立修复目标以及挖掘和回填计划;客土接收场地基于最终土地的用途,再确定最高污染物浓度和表层无污染客土的最小覆盖厚度;运输过程中的追踪联单管理;双方场地后续监测等等。
    三是广泛与具备资质的从业人员和公司合作。完善的技术准则意味着复杂且漫长的风险评估、方案设计和审批过程。为了在保证修复质量的同时提高修复速度,各州一般要求修复方案设计和执行的人员,必须是经过严格考试并经政府注册的技术人员(如美国各州承认的注册职业工程师,或新泽西,马萨诸塞等数州独有的注册场地修复专业人员)以及具备良好资质和充足责任保险的工程/咨询公司负责人等。这类技术人员和公司在修复过程中作为第三方咨询人员,在很大程度上代替环保局对修复过程进行质量和风险控制。而环保局则集中有限的人力来抽查修复项目、控制总体风险。最早采用该项政策的马萨诸塞州在改良修复审批流程后,使得全州修复进度加快了近10倍,而且仅有约1%的项目在抽查后被认定为修复不达标。
    严苛的执法、合理的技术准则加上充分利用其人力资源,是美国得以成功实践土壤资源化利用、推进污染场地修复的关键因素。

 

 

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