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土壤修复主要技术

土壤修复新技术

  目前理论上可行的修复技术有物理修复技术、化学修复技术、微生物修复技术、植 物修复技术和综合修复技术等几大类,部分修复技术已进入现场应用阶段,并取得了较 好的效果。 对污染土壤实施修复, 阻断污染物进入食物链, 防止对人体健康造成的危害, 促进土地资源保护和可持续发展具有重要意义。目前,有关土壤修复技术的研究发展主 要集中于可降解有机物污染和重金属污染土壤的修复两个方面。 1 土壤污染修复技术分类 从不同角度,可以对土壤污染修复技术进行不同分类。 表 1 土壤污染修复技术分类

  图 4 固定/稳定化修复技术示意 (a)原位固定/稳定化修复 (b)异位固定/稳定化修复 异化固化/稳定化是将污染土壤挖出,与粘结剂(如水泥、火山灰、沥青和各种聚合 物等)混合形成凝固体而达到物理封锁或发生化学反应形成固体沉积物,从而达到降低 污染物活性的目的。该技术属于非常成熟的土壤修复技术之一,主要用于无机污染(包 括放射性物质)土壤的修复,一般不适于处理有机物和农药污染,不能保证污染物的长 期稳定性,且处理过程会显著增加产物体积。通常采用移动装置在现场进行浸提操作, 一台处理单元日处理能力一般为 7.6~380m3。 (4)热力学修复技术 热力学修复技术指利用高温所产生的一些物理和化学作用,如挥发、燃烧、热解, 去除或破坏土壤中有毒物质的过程。该技术常用于处理有机污染的土壤,如挥发性有机 物、半挥发性有机物、农药、高沸点氯代化合物,也适用于部分重金属污染的土壤,如 挥发性金属汞。但热处理技术不适用于大多数无机污染物、腐蚀性有机物、活性氧化剂 和还原剂等。其原理是通过直接或间接热交换,将污染介质及其所含的有机污染物加热 到足够的温度(150~540℃),使污染物从污染介质挥发或分离的过程,按温度高低可 分为低温热处理技术(土壤温度为 150~315 ℃)和高温热处理技术(土壤温度为 315~540℃)。该技术适用于处理土壤中挥发性有机物、半挥发性有机物、农药、高沸 点氯代化合物。

  孔装置和注射装置,将修复物质(如膨润土、干泥、灌浆、水泥等)注入土壤。然后利 用大型搅拌装置进行混合(图 4)。处理后的土壤留在原地,其上用清洁土壤覆盖。该 技术不适合有机污染土壤的修复,在实施过程中一般需要 3~6 个月,具体应视修复目标 值、待处理土壤体积、污染物浓度分布情况及地下土壤特性等因素而定。

  际微生物提供有利于修复进行的环境条件而促进污染物的微生物降解和无害化过程, 从 而实现对污染土壤的修复。微生物修复和植物修复均具有处理费用低、可达到较高的清 洁水平等优点,但在实际应用过程中存在生物适应性差、所需修复时间较长、受污染物 类型限制等不足。 2 污染土壤修复技术及工程实例分析 2.1 物理修复技术 物理修复技术是指通过对土壤物理性状和物理过程的调节或控制, 使污染物在土壤 中分离,转化为低毒或无毒物质的过程。 (1)土壤蒸汽浸提修复技术 土壤蒸汽浸提技术最早于 1984 年由美国 Terravac 公司研制成功并获得专利。它是 通过降低土壤空隙的蒸汽压,将土壤中的污染物转化为蒸汽形成排出土壤的修复技术, 可用于去除不饱和土壤中挥发性有机组分(VOCs)污染,适用于高挥发性有机物和一 些半挥发性有机物污染土壤的修复,如汽油、笨和四氯乙烯等污染的土壤。 土壤蒸汽浸提修复技术的基本原理是在污染土壤内引入清洁的空气产生驱动力, 利 用土壤固相、液相和气相间的浓度梯度,在气压降低的情况下,将其转化为气态的污染 物排出土壤的过程,土壤蒸汽提取系统示意如图 1 所示。利用真空泵将空气从污染土壤 中缓慢抽出, 从土壤中抽取携带了挥发性污染物的蒸汽, 再通过一个气/水分离器和废物 处理系统处理后排放。由于土壤空隙中挥发性污染ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ分压的不断降低,原来溶解在土壤 中或被土壤颗粒吸附的污染物不断的挥发出来以维持空隙中污染物的浓度。 土壤蒸汽浸 提修复技术可操作性强,设备简单,容易安装;对土壤结构破坏小;处理周期短,通常 6~24 个月即可;可以处理固定建筑物下的污染土壤;可以与其他技术结合使用。该技术 的缺点是只能处理不饱和的土壤,对饱和土壤和地下水的处理还需要其他技术。

  图 3 异位玻璃化示意图(引自 G. M. Pierzynski,1997) (3)固化/稳定化技术 固化/稳定化技术是指运用物理或化学的方法将土壤中的有害污染物固定起来, 或者 将污染物转化成化学物质不活泼的形态,阻止其在环境中迁移、扩散等过程,从而降低 污染物质的毒害程度的修复技术。 通常用于重金属和放射性物质污染土壤的无害化处理, 但其修复后场地的后续利用可能使固化材料老化或失效,从而影响其固化能力,触水或 结冰/解冻过程会降低污染物的固定化效果。 固化/稳定化技术可分为原位固化/稳定化和异位固化/稳定化。原位固化时,通过钻

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  图 5 电动力修复原理示意 电动力学修复技术可以用以抽地下水和土壤中的金属离子, 也可以对土壤中的有机 物进行去除。重金属离子等带电污染物可主要通过电迁移作用去除,而有机污染物的清 洗主要依赖于土壤间隙水分的电渗流动。此外,污染物还可吸附于胶体颗粒上,随其电 脉得到迁移。电动力学修复速度较快、成本较低,特别适用于小范围的黏质的多种金属 污染土壤和可溶性有机物污染土壤的修复;对于不溶性有机污染物,需要化学增溶,易 产生二次污染。 影响土壤电动力学修复效率的因素很多,包括电压和电流大小、土壤类型、污染物 性质、洗脱液组成和性质、电极材料和结构等。该技术特别适合于低渗透的黏土和淤泥

  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.细黏土;B.中粒黏土;C.淤质黏土;D. 黏质肥土;F.淤泥;G.砂质黏土;H.砂 质肥土;I.砂土。 4. ¥ =低成本;¥ =低到中低成本;¥ ¥ =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。

  热处理技术的热源有很多:加热的空气、明火以及可以与土壤直接或间接接触的热 传导液体等,在欧美国家,热处理技术应用比较广泛。该技术的缺点是黏粒含量高的土 壤处理比较困难,处理含水量高的土壤耗电量多。 (5)电动力学修复技术 电动力学修复技术最早是美国路易斯安那周立大学研究出的一种净化土壤污染的 方法,通过向土壤施加直接电流(每平方米几安培),在点解、电迁移、扩散、电渗透、 电脉等共同作用下,使土壤溶液中的离子向电极附近富集从而达到去除的过程。其基本 原理与电池类似,是利用插入土壤中的两个电极在污染土壤两端加上低压直流电场,在 低强度直流电的作用下,土壤中的带电颗粒在电场内作定向移动,土壤污染物在电极附 近富集或被收集回收,如图 5 所示。目标污染物包括大部分无机污染物、放射性物质及 吸附性较强的有机物。

  图 2 原位玻璃化技术示意(引自 Iskandar et al.,1997) 无机污染物如硝酸盐、硫酸盐和碳酸盐等得以挥发或热解,而从土壤中去除的过程,无 机物污染(如重金属和放射性物质等)被包覆在冷却后形成化学性质稳定的、不渗水的

  坚硬玻璃体中;热解产生的水分和热解产物由气体收集系统收集后作进一步的处理。该 技术通常需要 6~24 个月才能完成,适用于修复含水量较低、污染物埋深不超过 6m 的 土壤,处理对象包括 放射性物质、有机物、无机物等多种干湿污染物,但不适于处理 可燃有机物含量超过 5%~10%的土壤(见图 2)。 异位玻璃化技术是指将污染土壤挖出, 利用等离子体、 电流或其他热源在 1600~2000℃ 高温下熔化土壤及其污染物,有机污染物在此高温下被热解或蒸发而去除,产生的水汽 和热解产物收集后由尾气处理系统进行进一步处理后排放。 熔化物冷却后形成的玻璃体 将无机污染物包覆起来,使其失去迁移性。该技术可用于破坏、去除污染土壤、污泥等 泥土类物质中的有机物和大部分无机污染物, 但实施过程中需控制尾气中有机物及一些 挥发性重金属,同时需进一步处理玻璃化后的残渣,否则可能导致二次污染问题(见图 3)。

  (1)按修复位置分 土壤污染修复技术可分为原位修复技术和异位修复技术。 原位修复技术指对未挖掘的土壤进行治理的过程,对土壤没有太大扰动。优点是比

  较经济有效,就地对污染物进行降解和减毒,无须建设昂贵的地面环境工程基础设施和 远程运输,操作维护较简单。此外,原位修复技术可以对深层次土壤污染进行修复;缺 点是较难控制处理过程中产生的“三废”。 异位修复技术是指对挖掘后的土壤进行修复的过程。 异位修复又分为原地处理和异 地处理两种,原地处理指发生在原地的对挖掘出的土壤进行处理的过程;异地处理指将 挖掘出的土壤运至另一地点进行处理的过程。 异位修复技术优点是对处理过程的条件控 制较好,与污染物接触较好,容易控制处理过程中产生的“三废”排放;缺点是在处理 之前需要挖土和运输,会影响处理过的土壤再使用,且费用通常较高。 (2)按操作原理分 物理修复技术和化学修复技术是利用污染物或污染介质的物理或化学特性, 以破坏 (如改变化学性质)、分离或固化污染物,具有实时周期短、可用于处理各种污染物等 优点,但均存在处理成本高,处理工程偏大的缺点。微生物修复技术指利用微生物的代 谢过程将土壤中的污染物转化为二氧化碳、 水、 脂肪酸和生物体等无毒物质的修复过程。 植物修复技术是利用植物自身对污染物的吸收、固定、转化和积累功能,以及通过为根 表 2 土壤修复技术评价参数表(环境保护部,2009)

  分类角度 土壤修复技术及解析 原位修复技术:对未挖掘的土壤进 行治理的过程,对土壤没有什么扰 动, 是目前欧洲最广泛采用的技术。 异位修复技术:对挖掘后的土壤进 行处理的过程。 再分类及解析 --原地处理:在原地对挖掘的土壤进行处理 异地处理: 将挖掘出的土壤运至另一地进行处理。 土壤蒸汽提取技术; 玻璃化技术; 固化/稳定化技术; 热力学修复技术; 电动力学修复技术; 客土、换土技术。 化学淋洗技术; 原位化学氧化技术; 化学脱卤技术; 溶剂提取技术; 土壤性能改良技术等。 泥浆相生物反应器; 生物堆置法; 土壤耕地法; 翻动条垛法; 生物通气法; 生物注气法。 植物提取技术; 根际降解作用; 植物稳定化作用; 植物挥发作用。

  图 1 土壤蒸汽提取技术示意(引自美国环境保护署) (2)玻璃化修复技术 玻璃化修复技术是指利用热能在高温下把固态污染物熔化为玻璃状或玻璃 —陶瓷 状物质,借助玻璃体的致密结晶结构,使固化体永久稳定。污染物经过玻璃化作用后, 其中有机污染物将因热解而被摧毁,或转化为气体逸出,而其中的放射性物质和重金属 则被牢固地束缚于已熔化的玻璃体内。 玻璃化修复技术即适用于原位处理,也适用于异位处理。原位玻璃化是指向污染土 壤插入电极,对污染土壤固体组分施加 1600~2000℃的高温处理,使有机污染物和部分

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