7-污染土壤的环境修复技术

7.污染土壤的环境修复技术第一节土壤污染与污染土壤修复技术概述1.土壤污染概念●土壤污染：人类活动产生的污染物质通过各种途径输入土壤，其数量和速度超过了土壤净化作用的速度，破坏了自然动态平衡，使污染物质的积累逐渐占据优势，导致土壤正常功能失调，土壤质量下降，从而影响土壤动物、植物、微生物的生长发育及农副产品的产量和质量的现象。●土壤环境容量：一定的土壤环境单元，在一定范围内遵循环境质量标准，即维持土壤生态系统的正常结构，保证农产品的生物学产量与质量，也不使环境系统污染的土壤环境所能容纳污染物的最大负荷值。●土壤自净作用：在自然因素作用下，通过土壤自身的作用，使污染物在土壤环境中的数量、浓度或毒性、活性降低的过程。●土壤污染物质：最主要的是重金属和有机物，特别是持久性有毒有害有机污物（PTS）以及石油类。土壤污染的特点●隐蔽性或潜伏性从遭受污染到产生恶果需要一定时间和相当长的积累过程；●不可逆性和长期性特别是重金属元素引发的土壤污染●后果的严重性往往产生危害就是通过食物链直接影响动物和人体健康PTS污染海鸟粪是北极PTS主要污染源之一Science,2005,7-15PTS全球迁移二、PTS的迁移及危害PTS最终归宿PTS生态效应2.土壤污染修复技术概述（1）土壤修复技术：通过物理、化学、生物和生态学等的方法和原理，并采用人工调控措施，使土壤污染物浓（活）度降低，实现污染物无害化和稳定化，以达到人们期望的解毒效果的技术和措施。（2）分类与技术体系，应该来说，土壤修复技术体系目前较为成熟，方法也较多，趋势是原位技术比例日趋上升。下表统计来源自美国超级基金计划类别及所占比例技术方法及所占比例异位土壤修复（425）58%化学处理（10）1%；原地焚烧（42）6%；生物修复（49）7％；热解吸技术（61）8%；异地焚烧（94）13%；固定稳定化技术（137）19%原位土壤修复（314）42%土壤蒸汽浸提技术（196）26%；固定化稳定化技术（46）6%；生物修复（35）5%；土壤淋洗（16）2%；其他（21）3%（3）污染土壤修复现场的调查与评价污染物特性现场环境土壤生物过程修复过程与控制土壤修复的适应性污染物特性调查污染物的性质、污染物的浓度和分布、污染物迁移时间、预测化学品注入后的土壤化学反应等情况。现场环境调查地下水的地质概况、水文概况和水力条件、氧化－还原电位等。土壤生物过程微生物可利用的碳源和能源、可利用的受体和氧化还原条件、现有的微生物活性和可能的毒性和营养物的有效性等。修复的过程与控制评价流体的流向和流速、评价含水层导水率变化流体的流向、污染物迁移时间、养分迁移、捕获百分率和确定运行中注入或回收速率等。确定土壤修复的适应性（4）污染土壤修复的可处理性研究●概念：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。●目标：评价修复工程的可行性；确定修复可以达到的浓度；确定处理过程的设计标准；估算处理过程的设备和运行费用；决定控制参数和最优化实施的限制条件；评价物料供应处理技术与设备；证实现场运行情况和污染物的最终归趋；评价处理过程中存在的问题；提供修复工程连续运行的最优化办法。阶段：修复方法的筛选－修复方法的挑选－修复方法调查和可行性研究计划进行（中试）（5）污染土壤修复的工作过程第二节污染土壤的物理修复技术●物理修复技术作为一大类污染土壤修复技术，发展较大近年来。主要包括：物理分离、蒸汽浸提、固定/稳定化、玻璃化、低温冰冻、热力学和电动力学等。1.物理分离修复技术●依据污染物和土壤颗粒的特性，借助物理手段将污染物从土壤分离开来的技术。原理参考第二章●技术应用实例－射击场土壤污染2.蒸汽浸提修复技术●该技术通过抽气井产生真空，使形成一个压力或浓度梯度，并使气相中的挥发性有机物由抽气井抽出，从而使土壤中的挥发性或半挥发性污染物质得到去除。工程实施时，往往需要在地表面覆盖地形膜，以防止发生短路，并可增加抽气井的作用范围。成本26～78美元/m3●技术应用原位土壤蒸汽浸提技术异位土壤蒸汽浸提技术多相浸提技术所以这个技术成本使用太高，在中国当前还未见使用。●多相浸提技术－同时对地下水和土壤蒸汽进行提取，随着水位下降，浸提过程可以扩散到更广泛的地层。●两相浸提技术－高真空环境，受地下水影响大●两重浸提技术－低真空环境，受地下水影响小3.固化/稳定化技术●防止或者降低污染土壤释放有害物质的技术。●原位和异位两种●异位特别适用于重金属污染土壤修复●固定/稳定化通常采用的方法：首先，利用吸附质如黏土、活性炭和树脂等吸附污染物，浇上沥青；然后添加某种凝固剂或黏合剂（可用水泥、硅土、小石灰、石膏或碳酸钙），使混合物称为一种凝胶，最后固化为硬块，其结构类似矿石，使金属离子和放射性物质的迁移性和对地下水污染的威胁大为降低。●技术应用情况在美国superfund支持下，固化/稳定化应用较多，有近30年历史和经验，较为成熟。甚至有应用于水体底泥修复。4.玻璃化修复技术●原理：高强度能量输入条件下，使污染土壤熔化，将含有挥发性污染物的蒸汽回收处理，同时污染土壤冷却后成玻璃状固定。●早起用于核废料的玻璃化处理技术，逐渐应用于土壤。有原位和异位两种●原位玻璃化技术电极加热，适用于含水量较低，污染物深度小于6m的土壤。●异位玻璃化技术●技术应用可以破坏、去除污染土壤、污泥等泥土类物质中的有机污染物和固定化大部分无机污染物。主要包括：挥发性有机物、半挥发性有机物、其他无机物，包括金属和放射性污染。5.热力学修复技术●原理：利用热传导或热辐射等实现对污染土壤的修复。●高温加热修复技术，100度●低温加热修复技术，100度6.热解吸修复技术●原理：利用直接或间接热交换，通过控制热解吸系统的床温和物料停留时间有选择地使污染物得以挥发去除的技术。●连续给料系统●连续给料系统●批量给料系统●技术应用广泛用于挥发态有机物、半挥发态有机物、农药甚至是高沸点氯代化合物和二恶英等。但对无机物无效，比如重金属。在美国广泛应用。实际案例●美国新泽西州Wallington乳胶厂场地污染土壤修复工程●工程介绍●Wallington乳胶厂面积为9.67英亩，坐落在居住-工业混合区。从1951年到1983年，该厂曾生产天然和合成橡胶产品以及化学粘合剂。生产过程中大量有机溶剂被使用，包括挥发性有机物（VOCs），如丙酮，庚烷，正己烷，甲乙酮，二氯甲烷，以及多氯联苯（PCBs）。●从1986年到1987年，美国环保署从该污染场地清除1200桶溶剂桶和22个地下溶剂储藏罐。从1987年到1988年，发现该场地广泛被污染。1989年5月，该场地被添加到美国超级基金优先治理清单。1988年9月到1992年6月，该场地执行环评调研，确定场地32000立方码土壤和在排水运河旁边的2700立方码的土壤和泥沙受PCBs污染，PCBs最高含量为4000mg/kg；半挥发有机物为BREHP、PAHs等；重金属污染物为锑、砷。但是，到1999年3月才开始用热解吸法清除土壤中有机污染物。2影响技术性能和成本的因素技术性能和成本的关键影响因素是土壤基体性质。参数值土壤类型粘土/泥沙粘土含量/颗粒大小分布15-20%粘土含水量15-20%有机质含量0.5-3%pH7容重1.6吨/立方米3处理技术设备●系统热解吸单元是一个三重壳回转窑，其同心圆柱热源加热功率为40,000,000英热/小时。该系统组成结构示意图如下图。4技术参数运行参数值停留时间60分钟系统吞吐量225吨/天（平均）出口土壤温度900℉（典型）总运行时间7,047.4小时加热功率40,000,000英热/小时回转窑内的空气氧气含量低于4%5性能情况●比较修复目标浓度和处理后土壤污染物浓度可知系统运行的性能情况。有机物种类修复目标浓度(mg/kg)PCBs1BEHP463,3’-Dichlorobenzidene1.4Arsenic20表修复后土壤污染物的浓度（采样频率为1个样品/250立方米）有机物种类修复目标浓度(mg/kg)PCBs0.16BEHP0.373,3’-Dichlorobenzidene检测不到Arsenic1.63表修复目标浓度北京化工三厂土壤修复项目国内首例土壤修复项目●北京化工三厂作为化工生产基地近五十年，土壤中含有四丁基锡、邻苯二甲酸二辛酯、滴滴涕和重金属铅、镉等大量有害化学物质。2005年根据北京市规划委员会文件[2005规意选字0356号]，该场地被规划为宋家庄经济适用房项目建设用地。●建设方：北京建工环境修复有限责任公司●项目时间：2007年●地点：北京市丰台区宋家庄●土壤类型：化工污染土壤●主要污染物：四丁基锡、邻苯二甲酸二辛酯、滴滴涕、重金属铅、镉等有害化学物质●主要修复技术：水泥窑焚烧固化处理技术、阻隔填埋处理技术●处理规模：6.5万m3●处理目标：居住用地标准●修复后的北京化工三厂土壤各项指标经北京市环保局检测，均符合居民土壤健康风险评价建议值标准，该工程为国内首例污染土壤修复项目。第三节污染土壤的化学修复技术●化学修复技术：选择合适的化学修复剂（氧化剂、还原剂、沉淀剂、解吸剂和增溶剂等）加入土壤，使污染物与修复剂发生一定化学反应而被降解或解毒的技术。●主要包括：土壤性能改良、溶剂浸提、化学氧化、化学还原、化学淋洗等。1.土壤性能改良修复技术●适用于重金属污染，有时候又叫做重金属钝化。●改良土壤性质使污染物转变为难迁移、低活性物质或从土壤中去除。●施用改良剂：石灰、有机物（泥炭）或黏土矿物、离子拮抗剂、化学沉淀剂●技术应用降低重金属在土壤中的移动性，而降低淋溶实验中土壤淋洗液的金属含量，从而减少环境和人类健康的暴露风险。技术应用实例参见P1752.化学氧化修复技术●使用钻井，然后用泵将化学氧化剂注入土壤，使氧化剂和污染物发生氧化反应，降解或转化为低毒、低迁移性产污的技术。●化学氧化修复工作完成后一般只在原污染区留下随和二氧化碳等产物，且不需将泵出液体送到专门的处理系统进行处理，具有省时、经济优点。●氧化剂分散系统示意图技术关键就在于如何让氧化剂均匀分散到土壤中。●技术应用在美国应用化学氧化主要在小规模上取得较多的成功原位修复。3.化学还原与还原脱氯修复技术●原理：利用化学还原剂将污染物还原为难溶态，从而使污染物在土壤环境中的迁移性和生物可利用性降低的一项污染土壤原位修复技术。●一般用于污染物在地下较深范围很大区域成斑块扩散，对地下水构成污染，且用常规技术难以奏效的污染修复。●通常是通过向土壤注射还原剂创建一个化学活性反应区域或反应墙，当污染物通过这个区域时被降解和固定。●常用还原剂●系统设计一系列井位依次使用，将还原剂依次注入土壤介质4.化学淋洗修复技术●原理：借助能促进土壤环境中污染物溶解或迁移的化学/生物化学溶剂,在重力作用下或通过水力压头推动淋洗液注入到被污染土层中,然后再把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。●设计方式剖面与平面布置示意图如下●异位化学淋洗技术●技术应用教材P182-183有3个实例，分别是原位化学淋洗、异位化学淋洗的案例。应该说是相当成功的案例。5.溶剂浸提修复技术●原理：利用溶剂将污染物从污染土壤中提取出来或去除的技术。●比较安全、快捷、有效、便宜和易于推广。●技术应用：在美国成功用于多氯联苯、二恶英和有机农药污染土壤的修复。●一案例中对PCBs的去除从20000mg/kg减少到1mg/kg，对二恶英去除率达99.9%，费用为165~600美元/t第四节污染土壤的生物修复技术●生物修复技术：利用生物，通过人为调控，将土壤中有毒有害污染物吸收、分解或转化为无害物质的过程。●主要包括：原位/异位微生物修复技术和植物修复技术等。1.有机污染物的生物修复有机污染物的生物修复：利用生物降解或吸收有机污染物，从而修复被有机污染物污染的环境。污染物的两个性质：生物可降解性和生物可利用性。决定修复效果决定修复可以选择的手段土壤有机污染生物修复的作用机理和机制1.作用机理：利用生物的降解或吸收作用。2