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预测未来之污染土壤修复技术

来源:《环境工程学报》 点击:   2017-08-30 09:12:29

导读:《全国土壤污染状况调查公报》显示,耕地土壤点位超标率近20%,重污染企业用地、工业废弃地、采矿区等土壤污染点位超标率高于30%,严重威胁人体健康和农产品质量安全。

土壤污染已成为世界性环境问题。20世纪70年代开始,欧美等工业化国家为解决工矿企业遗留、搬迁等形成的“棕色地块”,陆续启动了污染场地、农田土壤、矿业开发污染土壤的治理项目,污染土壤修复技术应运而生。美国于20世纪80年代建立了“超级基金(Superfund)”项目用以支持土壤污染治理,研发了一系列污染土壤治理与修复技术,并逐渐进入产业化阶段。

与西方发达国家相比,我国土壤污染现状更为严峻。《全国土壤污染状况调查公报》显示,耕地土壤点位超标率近20%,重污染企业用地、工业废弃地、采矿区等土壤污染点位超标率高于30%,严重威胁人体健康和农产品质量安全。上世纪改革开放初期,由于我国对土壤污染问题重视程度不够,技术发展起步较晚,目前设备化能力薄弱,产业化程度很低,与国际上先进的污染土壤修复技术水平相比存在较大差距。但由于其在城市发展转型、区域产业布局与农产品质量安全保障中的重要作用,已引起了政府和全社会的广泛关注。

本研究采用文献计量学方法,以经验统计规律为核心,重点对比国内外技术发展水平、发展阶段及差距,实现土壤修复技术体系的量化与系统分析,阐述我国污染土壤修复技术的未来发展情况。

1数据与方法

1.1技术初选

目前,污染土壤修复的技术体系已基本形成,如采用物理方法的气体抽提/热脱附等有机物分离技术,采用化学方法的固化/稳定化等重金属污染物钝化技术,采用生物方法的功能微生物降解等有机物削减技术,还有很多对各种方法进行组合的集成技术。同时,适合不同地区及国家的土壤环境管理政策与法规也陆续实施,逐渐形成了以风险控制为核心的制度管理体系。

根据国内外文献与专利报道,检索到的污染土壤修复技术类型很多,但大多数是在原创技术基础上经过改进和调整的衍生技术。因此,参照国内外的技术分类方法,对改进、调整及组合了的衍生技术进行归类和剔除,并兼顾各类技术的重要性和典型性,筛选出12种重要技术,其技术主要特点和应用范围详见表1。

1.2文献统计方法

本研究以ISIWebofScience的ScienceCitationIndexExpanded引文索引数据库与作为外文相关文献检索的数据源,以CNKI中国期刊全文数据库、万方数据库及维普数据库作为中文相关文献检索的数据源,以ISIDerwentInnovationsIndex专利创新索引数据库作为外文专利检索的数据源,以中国知识产权局数据库与CNKI中国期刊全文数据库作为中文专利检索的数据源。

利用关键词设计检索式,检索式如下:TS=(SoilVaporExtractionandSoil)ORTS=(ThermalDesorp-tionandSoil)ORTS=(Incinerationandsoil)ORTS=(InSituChemicalOxidationandsoil)ORTS=(ElectrokineticRemediationand(heavymetalororganic))ORTS=(Bioremediationandsoilandpollution)ORTS=((soilflushingorsoilwashingorsoilleaching)and(heavymetaloromeorCrorcadmiumorCdorleadorPbornickelorNiorarsenicorAsormercuryorHgorcopperorCuorzincorZn))ORTS=((solidificationorstabilization)andsoiland(heavymetaloromeorCrorcadmiumorCdorleadorPbornickelorNiorarsenicorAsormercuryorHgorcopperorCuorzincorZn))ORTS=(phytoremediationandsoiland(heavymetaloromeorCrorcadmiumorCdorleadorPbornickelorNiorarsenicorAsormercuryorHgorcopperorCuorzincorZn))ORTS=((oxidationordeoxidizationorreductionorredox)andheavymetalandsoil)ORTS=((contaminatedsitesorcontaminatedsoilorcontaminatedland)and(GuidanceDocumentorreferencemanualorordinanceorGuidelinesorguide)and(protectionormanagementorEnvironmentalprotectionact)),及其中文形式。

检索1982—2012年间污染土壤修复的相关研究论文与专利。检索结果中需剔除中英文重复、一稿多发、会议论文及非学术类的查询结果。共检索到研究论文共18015篇,其中,(英文论文11990篇,中文论文6025篇),专利共11000件,其中,(英文专利10234件,中文专利766件),并针对各单项技术进行分类统计。

2结果与分析

2.1国内外技术发展历程

2.1.1国际技术发展历程

污染土壤修复技术从20世纪80年代开始一直保持了持续发展,但不同种类技术的发展历程有所差异。从国际研究论文数量的绝对增长量来看(图1),植物修复从90年代末成为研究热点,近10年增幅超过10%。气体抽提、焚烧等技术在经历了一个技术高峰期后,研发投入持续减少。而生物修复、化学淋洗等技术一直维持相对稳定的研究数量。

如图2所示,基于近10年的发文量与发文增幅的比较分析,植物修复、固化/稳定化、电动力修复是近10年的新增热点;生物修复、化学淋洗和制度控制作为传统修复技术,其论文量增幅不大,但累计发文量较大,说明该类技术一直受到关注。

美国作为污染土壤修复技术的领先国家,其技术发展趋势最值得关注。对美国污染场地管理与修复基金资助的污染土壤修复项目进行总结(《SuperfundRemedyReport》),可以看出发达国家的技术发展趋势、应用程度与成熟度。

从污染物分类的治理技术来看,重金属污染修复技术逐渐成为热点,比重超过60%。这一方面是由于有机污染场地不断减少,另一方面是有机污染物的自然降解使得低浓度污染场地集中治理的必要性减轻。但重金属污染持续性加重,新增污染面积扩大,使得重金属修复技术得到大幅度发展和应用。同时,物理技术减少,化学/生物及协同技术比重增加,原位修复技术应用数量不断增加。

2.1.2国内技术发展历程

对国内技术逐年的文献统计结果来看,国内技术主要从20世纪90年代开始,先期发展的技术包括化学淋洗、固定化、氧化/还原调控等以药剂研发为主的技术,以及焚烧、气体抽提等以设备或工艺引进的技术。本世纪初,随着国际植物修复成为研究热点,以及国内土壤修复相关政策与指导意见的出台,植物修复与制度控制成为国内关注的主要技术。

从近10年的绝对发文量来看,从2000年之后,植物修复、生物修复等技术的研究较为集中。从研究论文的相对增速来看,除论文总量相对较少的电动力修复、固化/稳定化技术外,植物修复技术是目前国内主要关注的研究热点,论文增幅远远高于其他技术与总体平均水平(图5)。

2.2技术水平评价

2.2.1技术发展阶段

国内外研究论文与专利数量的总体趋势体现了污染土壤修复领域的发展趋势及阶段性变化。因此,根据污染土壤修复的主要12项技术检索结果,国际上从20世纪80年代末开始有污染土壤修复相关研究论文的集中发表,截至2012年共发表了11990篇,年发文量呈逐年上升发展趋势,且可划分为3个阶段(图6)。

阶段一,国际研究为滞涨期,相关论文从1989年的1篇增长到1997年的398篇,年均增长约为58篇/年,国内研究此时开展很少;阶段二,从1997—2002年,国际研究进入成熟期,期间论文的发表量相对稳定;阶段三,从2002—2012年,国际研究又进入一个快速增长期,增幅为58篇/年,该阶段,中文研究也进入了一个快速发展期,论文增幅为92篇/年,并在2012年发表总量与国际研究论文数量持平。这与该时期我国科研投入力度加大有关,且受到科研考评机制等因素的影响。可以看出,我国已跨越第一阶段,直接进入快速成长期。

从相应技术专利的年获得数量来看,与技术研究相对应,国际技术的推广与应用也存在3个阶段:阶段一,20世纪80年代初研发的气体抽提及热脱附技术,专利数量快速增加;阶段二,在90年代中期进入实用阶段,此时我国仍存于技术追踪与基础研究;阶段三,部分新兴技术开始应用后,从21世纪初期开始,国际技术专利年获得数量呈现递减的趋势,技术步入产业化阶段,同阶段中文专利数量尽管较少,但已进入到了一个相对的快速发展期。

2.2.2技术研究程度比较

基于污染土壤修复的12项主要技术国内外首篇研究论文报道年份的统计分析(图7),国际研究时间平均超国内约12年,根据技术研发投入、成熟程度、产业化情况,大致可分为三类研究方向。

第一类研究方向,起步早(20世纪90年代之前),时间间隔长(>15年),该类研究相对成熟,已实现产业化和设备化,如气体抽提;第二类研究方向,时间间隔较短(<10年)、原理简单、技术难度不大、研究成本低、易于追踪,仅从论文数量开看,该类研究国内外差别不大,如生物修复、化学淋洗;第三类方向,时间间隔约10~15年,具有新的思路和方法,便于实施应用,有可能实现产业化突破,如矿化稳定化,电动力修复等技术,值得大力跟踪研发。

从中英文专利的首篇报道年份的时间差距来看,国际相关专利始于20世纪80年代末。经10余年的发展,在20世纪90年代已经形成完整的修复技术体系,涵盖了工艺、材料和设备等。而我国专利发展是始于本世纪初期,技术均有一定程度的发展,但发展程度不均,尚未形成技术体系(图8)。

2.2.3技术应用程度比较

我国针对污染土壤修复的国际专利数量相对较少。从在中国优先权使用的国际专利的聚类分析看来,结果并无显著的聚类特征。但在工艺与装备方面,热脱附及相关热处理技术的专利较多,一方面该类技术在国际上已完全步入产业化阶段,另一方面该类技术是目前我国有机污染场地修复的首选技术(图10)。在药剂与功能材料方面,以重金属淋洗、稳定化等药剂为主,也包括部分有机污染场地生物修复中的功能菌株与菌剂。这是由于研究投入相对较小,应用与产业化程度较低的药剂与材料研发占据了主要地位。虽然国内植物修复技术论文研究数量最多,但多集中在理论研究,工程实用性不足,产业化仍有待发展。国内污染土壤修复技术的专利技术要点少、应用范围窄,这已成为我国污染土壤修复技术发展的瓶颈。

从专利景观图的分布来看(图10),国际专利的技术体系已经成型,基本上涵盖了有机污染物降解与重金属钝化的主流修复技术,包括传统的物化技术和生物修复技术,以及新型的有机污染电动力修复技术。

与国际技术发展态势有所不同,国内专利技术主要集中在有机物的热脱附工艺以及重金属的稳定化药剂方面。虽然有机物污染土壤的生物修复和重金属污染土壤植物修复的研究论文年发表量远高于其他技术,但这两类的专利数量较少(图10)。这表明我国对生物修复技术与植物修复技术的研究更侧重于理论探索或室内实验,实用性缺乏,并且重复性工作较多。导致本现象的深层次原因可能还与我国的科研投入体制和成果考核体系有关,如这2项技术的科研条件要求不高,研究成本较低,容易刊发研究论文。整体而言,越是需要高标准、高投入、大团队来进行研发的技术,国内与国外的差距越大。

虽然生物修复技术等是国际重要的主流修复技术,但是国内研发出的技术仍有很多缺欠,如理论上创新不足,产业化方面实用性较差。为改善生物技术效率不高的问题,我国应重点发展组合型强化生物修复技术,即将其他的高效修复方法与生物技术相结合,形成协同性生物修复技术。

此外,我国是农业大国,但耕地近1/5的超标率,这要求我国修复技术发展与选择时,要充分重视农田土壤的修复与风险防控。近年来,以钝化(稳定化)、植物修复、生物修复为代表的农田污染土壤修复技术研发,论文发表量较高(图1和图4),且随着我国科技部、环保部和农业部等对农田污染土壤修复技术研发提供了持续性资助,国内外在技术研发上差距不大。但根据相关文献报道,国内外农田污染土壤修复技术,普遍存在成熟度低、技术实用性差、成本较高等问题,技术研发仍处于实验室研究阶段,辅以小规模田间实验,尚未进入产业化阶段。因此,针对我国农田污染土壤面积大、土壤理化性质与污染物差别显著等问题,应以风险防控与安全利用为目标,着重解决技术的适用性与成本等难题。

2.3我国技术发展态势评价

根据上述国际技术的研究现状、技术发展的阶段性,以及技术的起始时间、发展历程、产业化程度和应用推广范围的分析,可以将主要的污染土壤修复技术分为三大类(表2):I类技术相对成熟,已经实现产业化,该类技术包括有机污染物治理的气体抽提、热脱附和生物(通风)堆,以及重金属治理的固化/稳定化和氧化/还原调控等技术;II类技术正逐渐成熟,开始进入产业化阶段,该类技术包括有机污染物治理的原位氧化和生物修复,以及重金属治理的化学清洗和植物萃取等技术;III类技术目前已有研究基础,但仍处于探索阶段,包括有机污染物的物化强化修复和化学淋洗技术,以及重金属植物阻隔和电动力学修复技术。

借鉴国际污染土壤修复技术的发展经验,基于国内技术的研发能力与水平(表3),考虑我国污染农田和污染场地大量并存的国情与技术需求,应该:(1)发展针对有机污染的气体抽提/热脱附和生物修复、针对重金属污染的稳定化和化学清洗等推广技术;(2)发展针对有机污染治理的植物降解、针对重金属治理植物萃取等示范技术;(3)引领针对有机污染的物化强化修复、针对重金属污染的植物阻隔等储备技术。同时,研发高级氧化、脱附增溶、微生物调控、氧化/还原调控、化学活化和电动力修复等关键技术,与重点发展技术相互组合,进而形成强化型、协同型的高效技术,以此构建适合我国国情的污染土壤修复技术体系。

3结论

1)我国污染土壤修复技术研究始于20世纪90年代末期,由于起步较晚,无论是理论探索,还是技术研发,均与国外发达国家有较大差距,且在产业化领域更为突出。

2)发达国家污染土壤修复的技术成熟期始于20世纪90年代,因此中外技术的绝对差距并不十分巨大,制定和建立合理的国家鼓励政策与市场引导机制,有可能在10~15年内接近或赶上发达国家的总体水平。

3)与水、气介质相比,土壤具有更显著的生态环境特征,因此在未来技术体系构建中,应更注重考虑我国的国情要素,在技术范围选择时,要充分体现农田土壤的修复与生态风险防控。

4)在国外技术走向成熟、国内水平快速提高的大形势下,我国的污染土壤修复技术研发应并重系统集成与技术原创,既要重点支持适合产业应用的协同性系统技术,又要着眼于战略发展的原始性创新技术。

5)在今后一段时间内,我国应重点研发抽提脱附、生物修复、植物降解、电动力修复、稳定化、化学清洗、植物萃取、植物阻隔等污染土壤修复技术,分别满足推广、示范和储备等层面的需求。

文章来源:《环境工程学报》
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