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污染土壤修复技术及研究前沿与展望

来源:硅肥世界 点击:   2017-11-06 11:43:49

土壤污染具有隐蔽性、滞后性、积累性、持久性,土壤污染可直接导致农作物污染、食品污染,并随着食物链对人类造成危害,也可以直接接触人体,以颗粒物、气体、气溶胶等形式经口、鼻、皮肤进入人体,对人类造成危害。总之,土壤污染关系到人类健康和生态平衡问题。

由于我国关于土壤污染的环境保护措施和影响评价体系起步晚,加之土壤污染因其系统的复杂性、地域性和土壤中持久性有毒污染物的取样测试分析的复杂性、不稳定性等,限制着土壤污染相关研究的发展。

就目前来说,土壤污染环境监测是我国环境监测工作中的薄弱环节。现有的监测技术体系也存在诸多问题,比如土壤环境质量监测的评价及分析方法等技术体系尚不健全。现行标准中采用的技术方法较为落后等。

而且,我国土壤污染物种类繁多.按照污染物的性质对土壤污染进行分类,可分为重金属污染、有机物污染、生物污染及放射性污染等。各类污染物复合并存,土壤污染形势十分严峻。因此,不仅要大力加强土壤环境质量监测工作,逐步建立全国土壤环境监测网络。制定土壤环境污染预警制度,而且要加强污染土壤修复技术的研究,采取有效防治土壤污染的有效措施、改善土壤环境问题,是非常重要与紧迫的。

污染土壤的化学/物理修复原理及技术

固化一稳定化技术

固化一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,是应用较普遍的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。该技术的关键是固定剂和稳定剂的选择,目前国内外应用最多的固定剂是水泥 ]。而有研究报道的稳定剂还包括石灰、粉煤灰、明矾浆、钙矾石、沥青、钢渣、稻壳灰、沸石等 ,多为碱性物质,能提高系统的pH值.可与重金属反应产生氢氧化物沉淀。

例如,CCT重金属稳定化剂就拥有3个类别的药剂,针对不同重金属污染土壤选择性采用不同类别的稳定化修复药剂。其中。CCT01是一种普适用于绝大部分Cu、Zn、Ni、Ag、Hg、Fe等非变价重金属污染的稳定化剂.CCT02是一种适合于三价砷等需氧化后处理的重金属污染稳定化剂,而CCT03是一种适用于六价铬等需还原后处理的重金属污染稳定化剂。判断一种固化/稳定化方法对污染土壤是否有效.主要可以从处理后土壤的物理性质和对污染物质浸出的阻力两个方面加以评价。

土壤污染

土壤淋洗修复技术

土壤淋洗即利用提取剂将土壤中的固相重金属转移至液相中,含有提取剂的土壤经清水洗涤后归还原位再利用,富含重金属的废液则进行进一步的处理 。

土壤淋洗修复方法的关键在于寻找一种经济实用的淋洗剂,既能有效地去除各种形态的污染物。不会破坏土壤基本理化性质.又不会造成二次污染[n]。一般来说,淋洗剂可分为无机淋洗剂、螫合剂、表面活性剂、复配淋洗剂和氧化剂。在实际污染土壤的治理过程中,影响土壤淋洗修复技术的因素主要包括土壤的性质、污染物的性质及工艺操作条件等。

如影响淋洗效果的土壤性质主要是粒级分配、质地、有机质含量、阳离子交换能力等性质。污染物的性质如土壤中重金属的存在形态主要有有机态、可溶态、交换态和残渣态,这些形态按照淋洗效率从大到小的顺序排列为交换态>碳酸盐结合态>铁锰氧化物结合态>有机物结合态>残渣态。而以有效形式存在的重金属是土壤淋洗的重点。工艺操作条件主要包括搅拌强度、淋洗时间、固液比及淋洗温度。选取合适的淋洗工艺操作条件不仅有助于实现污染物的去除.同时也能降低修复成本。

重金属污染土壤的修复效果,并综述了不同淋洗剂对不同形态重金属淋洗效果,指出以天然有机酸因低生态毒性和高降解性而最具有研究前景。因此研发高效、专性的淋洗剂和优化工艺操作条件可提高修复效率,降低修复成本,防止二次污染等依然是重要的研究课题。

土壤修复氧化一还原技术

化学氧化一还原技术是通过向土壤中投加化学氧化剂(Fenton试剂、过硫酸钠、过氧化氢、高锰酸钾等)或还原剂对土壤进行修复,常用的还原剂为含铁类还原剂(零价铁、纳米零价铁和亚铁类还原剂)、还原性硫化物(H2S、FeSx、硫代硫酸盐等)及一些具有还原活性的有机物。通常,化学氧化技术是向污染场地中加入化学氧化剂,依靠化学氧化剂的氧化能力。分解破坏污染环境中污染物的结构,使污染物降解或转化为低毒、低移动性物质的一种修复技术。

王孙峻等利用化学氧化技术中过硫酸钠作为氧化,在土壤修复过程中,通过污染物的浓度、污染物的分布、污染场地实际情况等决定过硫酸钠的用量,并对硫酸盐还原菌及其环境及土壤修复的影响进行了讨论,可实现污染场地的土壤修复,带来良好的修复效果和环境效益。目前,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。

郑建中等利用化学还原法在受铬污染土壤地下水系统修复过程中,通过将溶解度大、迁移性强的六价铬(Cr(VI))还原转化为稳定的三价铬(Cr(Ⅲ))氢氧化物,从而实现铬污染控制与修复的目的。同时,还原剂纳米级粉末零价铁的强脱氯作用已被接受和运用于土壤与地下水的修复。但是,目前零价铁还原脱氯降解含氯有机化合物技术的应用还存在诸如铁表面活性的钝化、被土壤吸附产生聚合失效等问题,因此,需要开发新的催化剂和表面激活技术。

光催化降解技

土壤光催化降解(光解)技术是一项新兴的深度土壤氧化修复技术,可应用于农药等污染土壤的修复。其中土壤质地、粒径、氧化铁含量、土壤水分、土壤pH值和土壤厚度等对光催化氧化有机污染物有明显的影响。如高孑L隙度的土壤中污染物迁移速率快,粘粒含量越低光解越快;自然土中氧化铁对有机物光解起着重要调控作用;有机质可以作为一种光稳定剂;土壤水分能调解吸收光带:土壤厚度影响滤光率和入射光率。

王阿楠利用光催化降解技术.使土壤中的有机污染物二苯砷酸(diphenylarsinic acid,DPAA)通过光转化,在紫外光照射下的光化学反应能有效地去除环境中的DPAA有机污染物。

污染土壤的生物修复原理及技术

传统物理化学修复技术对于治理严重污染土壤具有时间短、见效快等优点,但往往伴随着高能耗、高费用、二次污染等风险,因而一般不适用于大规模污染土壤的修复。近年来发展起来的利用特定植物或微生物修复污染土壤的生物修复方法因其绿色环保、高效、成本低等优点而受到广泛关注。

如迅速发展起来的纳米零价铁修复技术。纳米零价铁因其比表面积大、强还原性,且具有量子效应、比表面效应、体积效应等特性,对重金属、无机盐及有机污染物都具有较好的去除效果.逐渐被广泛用于重金属或有机化合物(多环芳烃等)污染土壤的修复。

生物修复是指利用生物的代谢活动及其代谢产物富集、降解或固定土壤中的污染物,从而恢复被污染土壤的生产或景观价值的一个受控或自发进行的生物学过程。土壤生物修复技术,包括植物修复、微生物修复、植物一微生物联合修复等技术,其中主要以植物修复和微生物修复为主。对于由不同类型的污染物污染的土壤,其修复方法不同。对于重金属污染土壤.科技人员采用植物修复技术在国内外进行了广泛研究,已应用于砷、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。这种技术的应用关键在于筛选具有高产和高去污能力的植物.摸清植物对土壤条件和生态环境的适应性。

近年来,我国研究者发现了海州香蕾、蓖麻、鸭跖草等铜超积累植物:能富集砷的蕨类植物—— 大叶井口边草等:能富集镍的植物290种,如地下株属、大戟属植物、木根草科植物等;可用于铅污染土壤的植物固定化技术的植物有金合欢维多利亚等。目前植物修复重金属污染土壤的研究还多集中在可用于特定重金属污染土壤修复的植物,可安全食用的对特定重金属具有低积累特性的农作物及用于重金属修复的植物富集机理和影响其吸收特性的因素方面。植物修复重金属技术,是一项绿色环保,成本低,非破坏性的土壤净化方法,不会造成二次污染,且具有一定的可行性等优点,在土壤重金属污染处理领域得到了广泛的研究和应用。

对于有机污染物污染土壤而言.如含有氯溶剂、苯、菲等多种有机污染的土壤.土壤中多数有机污染物能够被微生物降解转化为二氧化碳、水、脂肪酸等无毒物质,最终变成无害形态。基于土壤微生物能够降解有机污染物的特性。微生物修复已成为土壤有机污染修复的主要技术 。

研究人员发现.表面活性剂可以促进土壤中有机污染物解吸而进入土壤溶液,提高生物可利用度,可以被用作有机污染土壤植物修复的强化剂。我国微生物修复技术主要集中在筛选和驯化特异性高效降解微生物菌株,提高功能微生物在土壤中的活性、寿命和安全性,修复过程参数的优化和养分、温度、湿度等关键因子的调控等方面。此外,生物修复与其它的污染土壤修复技术相比,具有成本低、处理效果好,易于管理等优点。因而,利用植物修复有机污染土壤也具有一定应用前景。

植物一微生物联合修复技术是利用土壤一植物一微生物组成的复合体系来共同降解污染物,清除环境污染物的一种环境污染治理技术。将植物修复和微生物修复技术有机结合起来,是生物修复研究的新领域.对于提高生物修复效率具有重要意义。它具有诸多优点,如可以利用太阳能作驱动力;能量消耗和费用少:对环境的破坏小;可使用于大面积的污染治理等。对于有机污染物土壤,植物加微生物修复有机污染物土壤主要包括3种机制,即:植物直接吸收有机污染物并在植物组织中累积或代谢:植物释放的各种分泌物或酶类可促进有机污染物的生物降解;植物增强根际区的微生物的矿化作用。

有研究表明,土壤中的一些菌根真菌和其共生的微生物对有机污染物等起到矿化作用。如紫花苜蓿通过根际效应可以有效刺激土壤根际土著微生物活性和数量的增加,从而有效促进土壤PAHs降解.提高吸收率与矿化率。而且PAHs专性降解菌能明显促进紫花苜蓿对土壤中PAHs的降解。

植物与微生物联合修复技术在污染土壤修复过程地位重要,潜在发展前景良好,市场效能高。但在理论体系、修复机制和修复技术上还有许多不完善的地方。植物一微生物一有机污染物之间复杂的耦合作用导致难以阐明污染土壤植物一微生物联合修复过程降解机理。

污染土壤治理技术研究发展方向

经过近10多年来研究人员的研究与应用。包括物理修复/化学修复、生物修复及其联合修复技术在内的污染土壤修复技术体系已形成,并积累了治理污染土壤的综合工程修复技术应用经验,出现了污染土壤的原位生物修复技术和基于监测的自然修复技术等研究的新热点。未来污染土壤治理技术的研究着力从以下几个方面发展:

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1 向绿色的土壤生物修复技术发展

土壤生物修复对于环境的要求,如土壤性质、温度、pH值、营养条件等是比较严格的。这需要在实践过程中不断调整,最终找到一个最佳的条件。对于超富集植物,在适当的时候采收,并采取合理的处理处置方式。不仅可以避免二次污染,而且可以提高经济效益。因此,在今后的修复技术中,生物修复,特别是植物修复技术会成为主流。

2 向单项联合、杂交的土壤综合修复技术发展

例如植物一微生物的联合修复、综合氧化还原法、冲淋法和反应墙技术的新型原位复合修复技术以及植物修复与物理化学修复相结合等。

3 改进现有的技术及重视理论研究

对于植物修复.可以通过寻找、筛选、驯化更多更好的重金属富集植物。利用基因工程技术,将超富集植物的耐性基因移植到生物量大、生长迅速的植物中,使植物修复走向产业化。

对于微生物修复,可以通过基因重组,开发出抗逆性强、分解能力强的基因工程菌。同时,加大对生物修复技术的机理研究,深入研究植物一微生物相互作用的机理或是弄清植物的耐受性基因和富集重金属的原理。将有助于开发新的植物品种.提高植物修复系统的效率。在引入超富集植物之前,还要充分论证其是否会造成生物入侵等负面影响。

结论

污染土壤的修复是以去污染、复质量、再利用、保安康为目的。土壤修复往往是控污、减污、降毒、化险的综合净化过程,可使土壤恢复生产力、场地安全健康、矿区及湿地生态安全和景观美化。

目前土壤污染修复技术本身都有明显的局限性,物理修复技术存在能耗高、处理成本高、对设备要求高、工作量大等问题;化学修复技术易破坏土壤团粒结构、处理成本高、存在二次污染的风险;生物修复存在修复过程缓慢、污染物降解不完全导致二次污染等。为克服这些土壤修复技术的缺点,发挥不同修复技术的优点,需要加强对土壤污染防控修复技术的研究,重点是在不同土壤修复技术的综合利用和开发物理、化学和生物联合修复工艺。

文章来源:硅肥世界
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