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1、第五章 污染土壤修复技术,土壤环境学,目录,4.1物理修复技术4.2化学修复技术4.3植物修复技术4.4微生物修复技术,污染土壤的修复技术概念,污染土壤修复的目的：降低土壤中污染物的浓度、固定土壤污染物、将土壤污染物转化成毒性较低或无毒的物质、阻断土壤污染物在生态系统中的转移途径，从而减小土壤污染物对环境、人体或其他生物体的危害。污染土壤修复技术的发展历程：欧美等发达国家已经对污染土壤的修复技术进行了大量的研究，建立了适合于遭受各种常见有机和无机污染物污染的土壤修复方法，并已不同程度地应用于污染土壤修复的实践中。我国对污染土壤修复技术方面的研究是从20世纪70年代开始的，当时以农业修复措施的研
2、究为主。随着时间的推移，其他修复技术的研究(如化学修复技术和物理修复技术等)也逐渐展开。到了20世纪末，污染土壤的生物修复技术(包括植物修复技术和微生物修复技术)研究在我国也迅速开展起来。总体而言，虽然我国在土壤修复技术研究方面取得了可喜的进展，但在修复技术研究的广泛性和深度方面与发达国家还有一定的差距，特别是在工程修复方面的差距还比较大。,污染土壤修复技术分类,污染土壤修复技术根据其位置变化与否可分为原位修复技术(in-situ technologies)和异位修复技术(ex-situ technologies)。原位修复技术指对未挖掘的土壤进行治理的过程，对土壤没有什么扰动。这是目前欧洲最
3、广泛采用的技术。异位修复技术指对挖掘后的土壤进行处理的过程。按操作原理污染土壤修复技术可分为物理修复技术、化学修复技术、微生物修复技术和植物修复技术4大类。其中生物修复技术具有成本低、处理效果好、环境影响小、无二次污染等优点，被认为最有发展前景。,物理修复技术,物理修复技术主要包括：土壤蒸气提取技术、固化稳定化技术、玻璃化技术、热处理技术、电动力学修复技术、稀释和覆土。,土壤蒸气提取技术,土壤蒸气提取技术,土壤蒸气提取技术(soil vapor extraction，SVE)最早于1984年由美国Terra Vae公司研究成功并获取专利权。是指通过降低土壤孔隙的蒸气压，把土壤中的污染物转化为蒸
4、气形式而加以去除的技术。该技术适用于去除不饱和土壤中高挥发性有机组分(VOCs)污染的土壤，如汽油、苯和四氯乙烯等污染的土壤。,原位土壤蒸气提取技术,1)技术内涵利用真空通过布置在不饱和土壤层中的提取井向土壤中导入气流，气流经过土壤时，挥发性和半挥发性的有机物随空气进入真空井，气流经过之后，土壤得到了修复。通常，垂直提取井的深度为1.5m，已有的成功例子最深可达91 m。根据受污染地区的实际地形、钻井条件或者其他现场具体因素的不同，还可利用水平提取井进行修复。,原位土壤蒸气提取技术主要用于挥发性有机卤代物的处理修复，通常应用的污染物是那些亨利系数大于0.01或者蒸气压大于66.66Pa的挥发性
5、有机化合物。有时，也应用于去除土壤中的油类、重金属及其有机物、多环芳烃(PAHs)等污染物。由于原位土壤蒸气提取涉及向土壤中引入连续空气流，这样还促进了土壤环境中一些低挥发性化合物的生物耗氧降解过程。,根据修复工作目标要求，原位修复土壤体积、污染物浓度及分布情况、现场的特点(包括渗透性、各向异质性)、工艺设施的提取能力等条件的不同，原位土壤蒸气提取技术运行和维护所需时间为612个月不等。,应用条件,土壤理化性质对原位土壤蒸气提取技术的应用效果有很大的影响，主要影响因子有土壤容重、孔隙度、土壤湿度、土壤温度、土壤质地、有机质含量、空气传导率以及地下水深度等。经验表明，采取原位土壤蒸气提取技术的土
6、壤应具有质地均一、渗透能力强、孔隙度大、湿度小、地下水位较深的特点。,限制原位土壤蒸气提取技术应用效果的因素,(1)下层土壤的异质性会引起气流分配的不均匀；(2)低渗透性的土壤难于进行修复处理；(3)地下水位太高(12 m)会降低土壤蒸气提取的效果;(4)排出的气体需要进行进一步处理；(5)粘土、腐殖质含量较高或本身极其干燥的土壤，由于其本 身对挥发性有机物的吸附性很强，采用原位土壤蒸气提取时，污染物的去除效率很低；(6)对饱和土壤层的修复效果不好，但降低地下水位，可增加不饱和土壤层体积，从而改善这一状况。,成本,在美国，采用原位土壤蒸气提取技术修复污染土壤的成本，大致为2678美元m3，价格
7、不算昂贵。项目管理、工程设计、承包商选择、办公支持、审批费用、厂区特征确定、可行性研究测试、运行合同和不可预见费用等，不在此列。,气体抽排井的分布、形状、深度、口径大小等需根据污染区的地质条件、地下水水位、污染范围等决定抽气管道的铺设基本分两种情况：竖直和水平,异位土壤蒸气提取技术,异位土壤蒸气提取技术是指利用真空通过布置在堆积着的污染土壤中开有狭缝的管道网络向土壤中引入气流，促使挥发性和半挥发性的污染物挥发进入土壤中的清洁空气流，进而被提取脱离土壤，这项技术还包括尾气处理系统。,异位土壤蒸气提取技术主要用于处理挥发性有机卤代物和非有机卤代物污染土壤的修复。异位土壤蒸气提取是对挖掘出来的土壤进
8、行批处理的过程，所以运行和维护所需时间依赖于处理速度和处理量。处理的速度与单批处理的时间和单批处理量有关。通常每批污染土壤的处理需要46个月，处理量与所用的设备有关，临时处理设备通常单批处理量大约为380m3。根据修复工作目标要求、污染物浓度及有机物挥发性大小、土壤性质(包括颗粒尺寸、分布和孔隙状况)，永久处理设备的处理能力通常要大一些。,固化稳定化技术,固化稳定化技术(so1idificationstabilization)是指通过物理的或化学的作用以固定土壤污染的一组技术。固化技术指向土壤添加黏结剂而引起石块状固体形成的过程。将低渗透性物质包被在污染土壤外面，以减少污染物暴露于淋溶作用的表
9、面，限制污染物迁移的技术称为包囊作用，也属于固化技术范畴。在细颗粒废物表面的包囊作用称为微包囊作用，而大块废物表面的包囊作用称为大包囊作用。稳定化技术指通过化学物质与污染物之间的化学反应使污染物转化成为不溶态的过程。稳定化技术不一定会改善土壤的物理性质。在实践上，商业的固化技术包括了某种程度的稳定化作用，而稳定化技术也包括了某种程度的固化作用，两者有时候是不容易区分的。,固化稳定化技术采用的黏结剂主要是水泥、石灰等，也包括一些有专利的添加剂。水泥可以和其他黏结剂(如飞灰、溶解的硅酸盐、亲有机的粘粒、活性炭等)共同使用。固化稳定化技术可以被用于处理大量的无机污染物，也可适用于部分有机污染物。优点
10、：可以同时处理被多种污染物污染的土壤，设备简单，费用较低。缺点：固化稳定化技术最主要的问题在于它不破坏、不减少土壤中的污染物，而仅仅是限制污染物对环境的有效性。随着时间的推移，被固定的污染物有可能重新释放出来，对环境造成危害，因此它的长期有效性受到质疑。,原位固化稳定化技术,原位固化稳定化技术就是用钻孔装置和注射装置，将修复物质注入土壤，而后用大型搅拌装置进行混合。处理后的土壤留在原地，其上可以用清洁土覆盖。,异位固化稳定化技术,异位固化稳定化技术指将污染土壤挖掘出来与粘结剂混合，使污染物固化的过程。处理后的土壤可以回填或运往别处进行填埋处理。许多物质都可以作为异位固化稳定化技术的粘结剂，如水
11、泥、火山灰、沥青和各种多聚物等。其中水泥及相关的硅酸盐产品是最常用的粘结剂。,例：,修复位点：加拿大安大略省一个沿湖的PCBs污染的土壤。污染状况：地表层土壤PCBs含量达到50700 mgkg。处理工程：使用两类粘结物质，l0的波特兰水泥与90的土壤混合，12的窑烧水泥灰加3的波特兰水泥与85的土壤混合。粘结剂和土壤在中心混合器中被混合，然后转移到弃置场所。该弃置场距地下水位2 m，计算表明，堆放处理后的土壤以后地下水中PCBs的可能浓度低于设计的目标浓度。处理成本是92英镑m3。,玻璃化技术,玻璃化技术是指使高温熔融的污染土壤形成玻璃体或固结成团的技术。从广义上说，玻璃化技术属于固化技术范
12、畴。玻璃化技术既适合于原位处理，也适合于异位处理。土壤熔融后，污染物被固结于稳定的玻璃体中，不再对其他环境产生污染，但土壤也完全丧失生产力。玻璃化作用对砷、铅、硒和氯化物的固定效率比其他无机污染物低。玻璃化技术处理费用较高，欧美国家每吨土壤的处理费用约为300-500美元，一般用于污染特别严重的土壤。,原位玻璃化技术,原位玻璃化技术(in-situ vitrification，ISV)指将电流经电极直接通人污染土壤，使土壤产生16002000的高温而熔融。经处理后，无机金属被结合在玻璃体中，有机污染物可以通过挥发而被去除。处理过程产生的水蒸气、挥发性有机物和挥发性金属，必须设置排气管道加以收集
13、并进一步处理。,现场电极大多为正方形排列，间距约为05m，插入土壤深度约为0.31.5 m，玻璃化深度约为6 m。,原位玻璃化技术修复污染土壤大约需要624个月。影响原位修复效果及修复过程中需要考虑的因素有：导体的埋设方式、砾石含量、易燃易爆物质的累积、可燃有机质的含量、地下水位和含水量等。美国的Battelle Pacific Northwest实验室最先使用这一方法处理被放射性核素污染的土壤。,异位玻璃化技术,异位玻璃化技术(ex-site vitrification)指将污染土壤挖出，采用传统的玻璃制造技术以热解和氧化或熔化污染物以形成不能被淋溶的熔融态物质。加热温度大约为1600200
14、0。有机污染物在加热过程中被热解或蒸发，有害无机离子被固定。熔化的污染土壤冷却后形成惰性的坚硬的玻璃体。,其他玻璃化技术,高温液体墙反应器、等离子弧玻璃化技术气旋炉技术等。,热处理技术,热处理技术(thermal treatment)就是利用高温所产生的一些物理或化学作用，如挥发、燃烧、热解，将土壤中的有毒物质去除或破坏的过程。热处理技术最常用于处理有机污染的土壤，也适用于部分重金属污染的土壤。挥发性金属如汞尽管不能被破坏，但可能通过热处理技术而被去除。最早的热处理技术是一种异位处理技术，但原位的热处理技术也在发展之中。,热处理技术使用的热源有多种：加热的空气、明火、可以直接或间接与土壤接触的
15、热传导液体。在美国，处理有机污染物的热处理系统非常普遍，有些是固定的，有些是可移动的。美国对移动式热处理工厂的地点有一些要求：要有l2 hm2的土地安置处理厂和相关设备，存放待处理的土壤、处理残余物以及其他支持设施(如分析实验室)；要交通方便；水电和必要的燃油要有保证。,热解吸技术,热解吸技术(thermal desorption)包括两个过程：污染物通过挥发作用从土壤转移到蒸气中；以浓缩污染物或高温破坏污染物的方式处理第一阶段产生的废气中的污染物。使土壤污染物转移到蒸气相所需的温度取决于土壤类型和污染物存在的物理状态，通常为150540。热解吸技术适用的污染物有挥发和半挥发有机污染物、卤化或
16、非卤化有机污染物、多环芳烃、重金属、氰化物、炸药等，不适用于多氯联苯、二噁英、呋喃、除草剂和农药、石棉、非金属、腐蚀性物质。,例,污染位点：在1992-1993年间，热解吸技术曾被用于处理美国密歇根州一个被4，4-亚甲基双2-氯苯胺污染的土壤。将污染土壤挖掘、过筛、脱水。土壤在热反应器中处理90min(245260)，处理后的土壤用水冷却，然后堆置于堆放场。排出的废气先通过纤维筛过滤，然后通过冷凝器以除去水蒸气和有机污染物。处理后的4，4-亚甲基双2-氯苯胺浓度低于1.6 mg/kg，处理费用是130230美元/t。,焚烧技术,焚烧技术(incineration)是指在高温条件下(800250
17、0)，通过热氧化作用以破坏污染物的异位热处理技术。典型的焚烧系统包括预处理、一个单阶段或二阶段的燃烧室、固体和气体的后处理系统。可以处理土壤的焚烧器有：直接点火和间接点火的Kelin燃烧器、液体化床式燃烧器和远红外燃烧器。其中Kelin燃烧器是最常见的。焚烧的效率取决于燃烧室的3个主要因素：温度、废物在燃烧室中的滞留时间和废物的紊流混合程度。大多数有机污染物的热破坏温度为11001200。大多数燃烧器的燃烧区温度为12003000。固体废物的滞留时间为3090 min。紊流混合十分重要，因为它使废物、燃料和燃气充分混合。焚烧后的土壤要按照废物处置要求进行处置。,焚烧技术适用的污染物包括挥发和半
18、挥发有机污染物、卤化或非卤化有机污染物、多环芳烃、多氯联苯、二噁英、呋喃、除草剂和农药、氰化物、炸药、石棉、腐蚀性物质等，不适用于非金属和重金属。所有土壤类型都可以采用焚烧技术处理。,电动力学修复技术,电动力学修复技术,电动力学修复技术(electrokenetic technologies)是指向土壤两侧施加直流电压形成电场梯度，土壤中的污染物在电解、电迁移、扩散、电渗透、电泳等的共同作用下，使土壤溶液中的离子向电极附近富集从而被去除的技术。所谓电迁移，就是指离子和离子型络合物在外加直流电场的作用下向相反电极的移动。电渗透使土壤中的孔隙水在电场中从一极向另一极定向移动，非离子态污染物会随着电
19、渗透流移动而被去除。,电泳是指带电粒子或胶体在电场的作用下发生迁移过程，牢固吸附在可移动粒子上的污染物可用该方式去除。在电动力学过程中最重要的发生在电极的电子迁移作用是水的电解作用：电解产生的氢离子在电迁移和扩散的作用下向阳极移动，降低了阳极附近的pH值。与此同时，电解产生的OH-向阴极移动，提高了阴极附近的pH值。富集于电极附近的污染物可以通过沉淀/共沉淀、泵出、电镀或采用离子交换树脂等方法去除。,电极是电动力学修复中最重要的设备。适合于实验室研究的电极材料包括石墨、白金、黄金和银。但在田间试验中，可以使用一些由较便宜的材料制成的电极，如钛电极、不锈钢电极或塑料电极。可以直接将电极插入湿润的
20、土体中，也可以将电极插入一个电解质溶液中，由电解质溶液直接与污染土壤或其他膜相接触。美国国家环保署(1998)推荐使用单阴极多阳极体系，即在一个阴极的四周安放多个阳极，以提高修复效率。较高的电流强度和较大的电压梯度会提高污染物的迁移速度，一般采用的电流密度是10100 mAcm2，电压梯度是0.5 Vcm。,电动力学技术可以处理的污染物包括重金属、放射性核素、有毒阴离子(硝酸盐、硫酸盐)、氰化物、石油烃(柴油、汽油、煤油、润滑油)、炸药、有机离子混合污染物、卤代烃、非卤化污染物、多环芳烃。但最适合电动力学技术处理的污染物是金属污染物。电动力学修复技术主要是针对低渗透性的、粘质的土壤。适合于电动
21、力学修复技术的土壤应具有如下特征：水力传导率较低、污染物水溶性较高、水中的离子化物质浓度相对较低。粘质土在正常条件下，离子的迁移很弱，但在电场的作用下得到增强。,电动力学技术对低渗透性土壤(如高岭土等)中的砷、镉、铬、钴、汞、镍、锰、钼、锌、铅的去除效率可以达到8595。但并非所有粘质土的去除效率都很高。对阳离子交换量高、缓冲容量高的粘质土而言，去除效率就会下降。要在这些土壤上达到较好的效率，必须使用较高的电流密度、较长的修复时间、较大的能耗和较高的费用。欧美国家电动力学技术处理土壤的费用大约为50120美元m3。影响原位电动力学修复过程的费用的主要因素是土壤性质、污染深度、电极和处理区设置的
22、费用、处理时间、劳力和电费。,稀释和覆土,稀释和覆土,将污染物含量低的清洁土壤混合于污染土壤以降低污染土壤污染物的含量，称为稀释(dilution)作用。稀释作用可以降低土壤污染物浓度，因而可能降低作物对土壤污染物的吸收，减小土壤污染物通过农作物进入食物链的风险。在田间，可以通过将深层土壤犁翻上来与表层土壤混合，也可以通过客土清洁土壤而实现稀释。,覆土(covering with clean soil)也是客土的一种方式，即在污染土壤上覆盖一层清洁土壤，以避免污染土层物进入食物链。清洁土层的厚度要足够，以使植物根系不会延伸到污染土层，否则有可能因为促进了植物的生长、增强了植物根系的吸收能力反而增加植物对土壤污染物的吸收。另一种与覆土相似的改良方法就是换土，即去除污染表土，换上清洁土壤。,优点：技术性比较简单，操作容易。缺点：不能去除土壤污染物，没有彻底排除土壤污染物的潜在危害；它们只能抑制土壤污染物对食物链的影响，并不能减少土壤污染物对地下水等其他环境部分的危害。这些措施的费用取决于当地的交通状况、清洁土壤的来源、劳动力成本等。,
