污染土壤的修复技术

1第七章污染土壤的修复技术•本章摘要：根据国内外污染土壤修复技术发展的趋势，介绍了当前国内外污染土壤修复技术的主要类型、基本原理、技术要点及其实用实例，并扼要说明污染土壤修复技术选择的主要原则。•土壤修复是指利用物理、化学和生物的方法转移、吸收、降解和转化土壤中的污染物，使其浓度降低到可接受水平，或将有毒有害的污染物转化为无害的物质。从根本上说，污染土壤修复的技术原理可包括为：（1）改变污染物在土壤中的存在形态或同土壤的结合方式，降低其在环境中的可迁移性与生物可利用性；（2）降低土壤中有害物质的浓度。研究进展•美国在20世纪90年代用于污染土壤修复方面的投资有近1000亿美元。•污染土壤修复的理论与技术已成为整个环境科学与技术研究的前沿。•土壤的修复的过程相当漫长，当前解决土壤污染问题，需要有不同学科的科学家如土壤学、农学、生态学、生物地球化学、海洋科学以及涉及农业、林业、渔业等有关的生产单位和政府决策者的共同努力。•中国土壤污染已对土地资源可持续利用与农产品生态安全构成威胁。•全国受有机污染物污染的农田已达3600万公顷，污染物类型包括石油类、多环芳烃、农药、有机氯等；•因油田开采造成的严重石油污染土地面积达1万公顷，石油炼化业也使大面积土地受到污染；在沈抚石油污水灌区，表层和底层土壤多环芳烃含量均超过600mg/kg，造成农作物和地下水的严重污染。•全国受重金属污染土地达2000万公顷，其中严重污染土地超过70万公顷，其中13万公顷土地因镉含量超标而被迫弃耕。•据不完全调查，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。严重的土壤污染造成巨大危害。据估算，全国每年因重金属污染的粮食达1200万吨，造成的直接经济损失超过200亿元。政策•2012年3月份出台的《“十二五”规划纲要》将节能环保列为七大战略性新兴产业之首。其中，土壤修复是在环保产业的重点发展之列并明确提出要强化土壤污染防治监督管理。•根据《国家环境保护“十二五”科技发展规划》，“十二五”期间，国家治理重金属污染的投入将达595亿元，而用于防治土壤污染的全部财政资金将达数千亿元用于土壤污染防治领域。可以说，“十二五”期间，土壤修复行业面临较好的发展机遇。环保部牵头颁布的主要政策文件有：•《重金属污染综合防治“十二五”规划》《全国土壤环境保护“十二五”规划》•《污染场地土壤环境管理暂行办法》及相配套的多个“技术导则”7•习近平总书记就《中共中央关于全面深化改革若干重大问题的决定》向十八届三中全会作说明时指出“我们要认识到，山水林田湖是一个生命共同体，人的命脉在田，田的命脉在水，水的命脉在山，山的命脉在土，土的命脉在树。用途管制和生态修复必须遵循自然规律，如果种树的只管种树、治水的只管治水、护田的单纯护田，很容易顾此失彼，最终造成生态的系统性破坏。由一个部门负责领土范围内所有国土空间用途管制职责，对山水林田湖进行统一保护、统一修复是十分必要的。”8挑战•首先，中国目前的社会核心问题仍然是经济增长问题，环境污染治理与保护方面的投资，取决于污染治理和环境保护所带来的长期利益与经济增长带来的短期利益之间博弈的结果;•其次，与其他环保产业重点领域相比，尽管土壤修复历史欠账严重，经济可行性相对较高，但由于目前国内修复技术不够成熟，在法律和制度层面仍有待完善，未来发展仍然障碍重重。土壤修复技术发展趋势（1）在决策导向上，从基于污染物总量控制转变到基于污染风险评估；（2）在技术上，从单一的修复技术发展到多技术联合的原位修复技术、综合集成的工程修复技术；（3）在设备上，从固定式设备的异位修复发展到移动式设备的原位修复；（4）在应用上，发展到多种污染物复合或混合污染土壤的组合式修复技术；从单一厂址场地走向特大场地；从单项修复技术发展到大气、水体同步监测的多技术多设备协同的场地土壤-地下水一体化修复11污染土壤修复的可处理性研究所谓污染土壤修复的可处理性研究，是指在实际工程建设之前，进行的小试和中试实验研究，通过可处理性研究为土壤修复工程设计提出标准、费用和运行方案等。12准备调查现场调查详细调查分析评价方法选定施工管理计划完成13可处理性研究的目标（1）评价整个过程的可行性；（2）确定修复可以达到的浓度；（3）确定处理过程的设计标准；（4）估算处理过程的设备和运行费用；（5）决定控制参数和最优化实施的限制条件；（6）评价物料供应处理技术与设备；（7）证实现场运行情况和污染物的最终归趋；（8）评价处理过程中存在的问题；（9）提供修复工程连续运行的最优化方法。14实验设计与实施在确的研究目的之前，需要促使可处理性研究开展的外部因素。这些因素包括：（1）管理部门的目的；（2）客户的要求；（3）污染物的危害程度；（4）污染地点的敏感性；（5）污染地点的政治敏感性；（6）时间计划的灵活程度；（7）项目预算的灵活程度。15实验设计与实施设计的基础（1）如何完成、量化和记录可处理性研究；（2）确定使用标准方案还是专门方案；（3）确定开展室内研究还是进行室外模拟；（4）确定实验方案和数据分析的质量控制水平；（5）确定使用的分析方法。16方案制定与实施可处理性研究分为三个阶段，第一个阶段是修复方法的筛选；第二个阶段是修复方法的挑选；第三个阶段是修复方法调查和可行性研究计划进行（中试）。一个可处理研究计划可以看作是一套分别进行的单项组合，这些项目是：（1）土著微生物对靶标污染物的降解转化能力；（2）接种微生物的强化降解能力；（3）环境参数的最佳适宜范围；（4）添加基质和电子受体的需求效果；（5）添加基质的充足和缺乏的循环过程；（6）是否需要补充电子供体;17（7）修复项目的预期时间;（8）不同条件下污染物的降解速率；（9）处理可达到的水平；（10）土水系统可能发生的反应和阻塞；（11）由于混合、表面活性剂和中间产物的积累而造成的毒性变化；（12）污染物的挥发程度;（13）不同优化措施下的费用-效益;（14）控制过程的监测频率；（15）运行限制条件。18第一节污染土壤修复技术及原理19污染土壤修复技术体系按修复场地分类（1）原位（insitu）修复：污染土壤气体提取法(SVE)；井中汽提法（In-wellVaporStripping）；生物通气；空气搅动法（AirSparging）原位冲洗、淋洗；加热方法；处理墙方法；原位稳定—固化方法；电动力学方法；原位微生物修复方法；植物－微生物联合修复方法等。20（2）异位（exsitu）修复：气提法；泥浆反应器修复；土壤耕作法；土壤堆腐；焚烧法；客土法；预制床；淋洗/萃取；淋洗－生物反应器联合修复；21原位修复异位修复优点①对土壤结构和肥力破坏小；②需要进一步处理和弃置的残余物少。①处理过程的条件控制较好；②与污染物的接触较好；③容易控制产生的废气和废物的排放。缺点①对处理过程产生的废气和废水控制较难；②通常需要较长的实施周期,且由于土壤及含水层存在差异性,不能保证处理的一致性①在处理之前需要挖土和运输；②会影响土壤的再使用；③费用一般较高。22按照技术类别分类（1）物理化学修复：加热方法；稳定固化法；淋洗；萃取；电动力学等（2）生物修复：微生物修复；生物通气、泥浆反应器、预制床等植物修复；湿地修复；菌根修复等；植物－微生物联合修复；菌根菌剂联合修复等；（3）物理化学－生物联合修复：淋洗－反应器联合修复等23污染土壤修复工作流程可处理计划系统分析应急对策长期对策净化处理稳定处理原位修复异位修复原位分解原位提取分离分解净化原位稳定异位稳定典型修复技术的流程24分类方法技术成熟性适合的目标污染物适合的土壤类型3)治理成本4)污染物去除（%）修复时间5)污染源植物修复Pa～f无关￥752年以上生物通风Fb～dD～I￥901～12个月生物堆Fa～dC～I￥751～12个月化学氧化（原位）Fa～f不详￥￥501～12个月化学氧化/还原（异位）Fa～f不详￥￥501～12个月热处理Fa～f,除了cA～I￥￥901～12个月土壤淋洗（原位）Fa～fF～I￥￥50～901～12个月土壤淋洗（异位）Fb～fF～I￥￥+901～6个月电动Pe～f不详￥￥￥50—气提技术Fa～bF～I￥75～906个月～2年挖掘Fa～fA～I￥951～3个月暴露途径帽封Fc～fA～I￥75～906个月～2年稳定/固化Fc，e～fA～I￥￥906～12个月垂直/水平阻控系统Fc～fA～I￥￥—2年以上受体改变土地利用方式Fa～fA～I￥——移走受体Fa～fA～I￥——注：1）成熟性：F-规模应用；P-中试规模。2）污染物类型：a-挥发性；b-半挥发性；c-重碳水化合物；d-杀虫剂；e-无机物；f-重金属。3）土壤类型：A-细粘土；B-中粒粘土；C-淤质粘土；D-粘质肥土；E-淤质肥土；F-淤泥；G-砂质粘土：H-砂质肥土；I-砂土。4）￥=低成本；￥+=低到中等成本；￥￥=中等成本；￥￥￥=高成本。5）修复时间为每种技术的实际运行时间，不包括修复调查、可行性研究、修复技术筛选、修复工程设计等的时间。6）“—”表示不确定原位修复异位修复我国土壤修复技术研究起步较晚，加之区域发展不均衡性，土壤类型多样性，污染场地特征变异性，污染类型复杂性，技术需求多样性等因素，目前主要以植物修复为主，已建立许多示范基地、示范区和试验区，并取得许多植物修复技术成果27第二节污染土壤修复技术分述一、物理修复技术（一）土壤蒸气提取技术（soilvaporextraction）土壤蒸气提取技术是一种通过布置在不饱和土壤层中的提取片，真空向土壤导入空气，空气流经土壤时，挥发性和半挥发性有机物随空气进入真空井而排出土壤，土壤中污染浓度因而降低的技术。有时也称为真空提取技术，属于一种原位处理技术，但在必要时也可用于异位修复。28适合的目标污染物：挥发性、半挥发性有机污染物；也可以用于促进原位生物修复。如，石油的轻产品（汽油）、二氯苯、氯仿等29气流气流UST鼓风机空气排放气体处理装置游离石油产物土壤蒸气提取系统示意图30土壤蒸气提取技术特点:可操作性强，设备简单，容易安装；对处理地点的破坏很小；处理时间较短，在理想条件下，6-24个月即可；可与其他技术结合使用；可以处理固定建筑物下的污染土壤缺点难得到90%以上的去除率；在低渗透土壤和有层理土壤上有效性不确定；只能处理不饱和带土壤。31影响因素：土壤渗透性土壤质地：土壤蒸汽提取技术效果，在砾质、砂质效果好；粉砂土、壤土的效果中；粘土效果差。裂隙多的土壤，渗透性大，效果好。具有水平层理的土壤，使蒸汽侧向流动，从而降低蒸汽提取效果。地下水位过高，可能淹没部分污染土壤和提取井，致使气体不流动。一般来讲，地下水位3.0m为宜，地下水位高于0.9m不宜，水位在0.9~3.0的，可采取空间控制措施，分区降低局部地下水位，分区提取污染物。土壤有机质对有机污染物的吸附能力很强，OM含量高，降低提取效果32有机污染物的挥发性：土壤蒸汽提取技术适用于这样的有机污染物：蒸汽压高于66.661Pa；或，沸点低于250~300℃；或，亨利常数大于1.013×107Pa33原位土壤蒸气浸提技术的影响因素（周启星，2004）条件有利因素不利因素污染物主要形态气态或蒸气态固态或强烈吸附于土壤蒸气压大于13332.2pa小于13332.2pa水中溶解度小于100mg/L大于1000mg/L亨利常数大于0.01（无量纲）小于0.01（无量纲）土壤温度大于20℃（通常需要额外加热）小于10℃（通常北方气候条件下）湿度小于10%体积大于10%体积空气传导率大于10-4cm/s小于10-6cm/s组成均匀不均匀土壤表面积小于0.1m2/g土壤大于1.0m2/g土壤地下水深度大于20m小于1m34（二）固化稳定化技术（solidification/stabilization）固化稳定化技术是指通过物理的或化学的作用以固定污染物的一组技术。固化技术指