土壤修復技術進展及國外發展趨勢

周 駿，閆國杰，施曙東

(上海浦東路橋建設股份有限公司，上海 201210)

?

土壤修復技術進展及國外發展趨勢

周 駿，閆國杰，施曙東

(上海浦東路橋建設股份有限公司，上海 201210)

土壤環境作為人類生產生活的重要物質載體，在城市化進程快速發展的背景下，由于工業生產、農業灌溉等活動，必然加劇污染源不斷進入土壤環境，進而造成土壤、地下水質量的持續污染和惡化。目前，國內的土壤修復技術主要是以實驗研究為主，大規模的工程化應用尚未廣泛實現。而國外發達國家的土壤修復技術研究及工藝運營相對較為成熟，具有規?；こ虘玫膶嵺`經驗。

污染土壤；修復技術；國外發展趨勢

土壤污染是指由于人類活動產生的各種污染物通過各種途徑輸入土壤，其數量和速度超過了土壤的凈化能力，導致土壤的組成、結構和功能發生變化，從而使土壤的生態平衡受到破壞，正常功能失調，導致土壤的環境質量下降，影響作物的正常生長發育，并產生一定的水和大氣次生污染的環境效應，最終將危及人體健康以及人類生存和發展的現象。

目前，土壤修復技術主要包括污染土壤工程修復技術、物理修復技術、化學修復技術、生物修復技術。

1 國內修復技術

1.1 污染土壤工程修復技術

工程修復主要包括挖取土、混合土、交換土和深耕翻土等。主要是將污染土壤通過深翻到土壤底層，或者在污染土壤上覆蓋新圖，或者將污染土壤挖走換上未被污染土壤的方法。該方法可以降低土壤中污染物的濃度，但不會較少污染物的總量，是一種較為普通的修復方法。該技術處理穩定、無污染、技術可靠成熟；但是具有工作量大、不能徹底去除土壤中的污染物等缺點，并且要對污染土壤進行儲放和處理。

1.2 污染土壤物理修復技術

物理修復是指通過各種物理作用過程將環境中的污染物從污染土壤中去除或者分離的技術。以熱處理技術為主的物理修復是應用較為廣泛的，主要包括土壤蒸氣浸提、微波/超聲加熱、熱脫附等技術。

1.2.1 土壤蒸氣浸提技術

土壤蒸氣浸提(SVE)技術是將新鮮空氣通過注射井注入污染區域，利用真空泵產生負壓，注入的空氣流經污染區域時，解吸并夾帶土壤孔隙中的VOCs經由抽取井流回地上。該技術是一種原位修復技術，對土壤中揮發性有機污染物具有較高的去除效率，因而適用于生產有機物的化工廠、石油污染嚴重的場地。有人研究發現，蒸氣浸提技術應用于苯系物等輕組分石油烴類污染物，對該污染物的去除率可達90%[1]。

1.2.2 熱脫附技術

熱脫附技術是指通過直接或者間接的熱交換，使得土壤中的有機物組分升溫至足夠的溫度，使其發生蒸發作用并與土壤介質分離的過程。該技術具有污染物處理范圍寬(尤其對PCBs等含氯有機物的處理，可減少二噁英的生成)、設備可移動、修復后土壤可再生利用程度高等優點，尤其是在以持久性有機物污染為主的土壤修復過程中[2]。

1.3 污染土壤化學修復技術

污染土壤的化學修復技術發展較早，一般具有修復周期短的特點。主要的化學修復技術有固化/穩定化修復技術、氧化還原修復技術、淋洗/浸提修復技術、電動修復技術等。

1.3.1 固化/穩定化技術

固化/穩定化技術是將污染土壤與某些具有聚結作用的黏結劑混合，進而達到污染物在污染介質中固定，使其處于長期穩定狀態，是較普遍應用于土壤重金屬污染的快速控制修復方法。固化技術是指通過物理化學、熱力學過程將土壤中的污染物(主要是重金屬離子)固定起來或者用惰性基材將其密封包實，或者將污染物質轉化成化學性質較為穩定的形態，進而阻止其在土壤環境中遷移、釋放和擴散過程的發生；而穩定化技術是將污染物轉化為不易溶解、遷移能力更弱或者毒性更小的化學形態來實現無害化的過程，降低對土壤環境的危害。張新艷等[3]研究表明：作為摻入固化劑中的沸石能夠促進含汞廢棄物的穩定化過程，當沸石的用量為0.3 g/g以上時，固化體浸出汞濃度低于國家標準，與未添加沸石相比，其處理效率增加近一倍。

1.3.2 氧化還原修復技術

氧化還原修復技術是指通過向污染土壤中添加化學氧化劑(Fenton試劑、臭氧、雙氧水、高錳酸鉀等)或者還原劑(二氧化硫、氧化亞鐵、氣態硫化氫等)，使其與重金屬、有機物等污染物發生化學反應，生成毒性更低或者易降解的小分子物質，從而實現土壤凈化的過程。Thomton[4-5]針對硫化氫原位修復六價鉻土壤污染進行研究，發現在以氮氣作為載氣的情況下，當六價鉻濃度為200 mg/kg，讓200 mg/kg和2000 mg/kg的硫化氫流經土壤柱進行反應；最后用去離子水淋洗土壤柱以分析六價鉻的去除效率，結果顯示90%的六價鉻失活。大量研究發現：具有強氧化性的1.5%高錳酸鉀對TCE和PCE均有很高的去除效果[6-7]；通過控制臭氧和萘酚的濃度比在5:1時，目標污染物的去除率可達到80%[8]。

1.3.3 淋洗/浸提修復技術

淋洗/浸提修復技術是指將含有沖洗助劑的水溶液、酸/堿溶液、絡合劑等淋洗劑注入到污染土壤中，進而通過一系列的物化反應過程將污染物質從土壤洗脫出來的過程。研究表明：以磷酸鉀作為基本淋洗劑，結合其它不同淋洗劑進行組合淋洗可顯著提高砷的去除率。在濃度為0.5 mmol/L、液固比為4 mL/g、淋洗時間為8 h及pH為4.3的最佳淋洗條件下，單獨使用磷酸鉀可使砷的去除率達到74%左右，若加入0.5 mmol/L的磷酸二氫鉀和氫氧化鈉混合劑進行二次淋洗，去除率可提高15%[9-10]。

1.3.4 電動力學修復技術

電動力學修復技術是在直流電壓形成的電場作用下，通過電化學和電動力學的復合作用(以電滲透、電遷移、電泳和擴散為主)驅動污染物沿電場方向富集到電極區，再將電極區集聚的污染物進行集中處理或者分離；或者通過電動效應增加土壤中的有機污染物、營養物和降解菌之間的傳質作用，提高土著或者外源微生物的降解效率，該技術是一種新興的原位修復技術。周東美等[11]通過添加幾種表面活性劑對含銅污染土壤的處理效果，研究結果表明添加乳酸可使銅的去除率高達76%。BOCOS等[12]通過在電場中添加0.2 mmol/L的檸檬酸等類Fenton試劑，研究其對菲、芘、熒蒽以及嘧霉胺降解率的影響，發現該體系比單一Fenton試劑的去除效率通過22%。

1.4 污染土壤生物修復技術

污染土壤生物修復技術是指利用土壤中的植物、動物和微生物等生物吸收、降解和轉化土壤中的污染物質，使得其含量降低到一定水平或者轉化為無害物質的方法。根據污染土壤生物修復主體的不同，可以分為植物修復技術、動物修復技術、微生物修復技術。顯然，生物修復技術相比較于其他修復技術，具有經濟成本低、無二次污染、能耗低、環境安全，適用于大面積的土壤修復工程。

1.4.1 植物修復技術

植物修復技術是指利用植物、植物及其根際微生物體系對某種或者某些化學元素的忍耐和超量積累等特性，將污染土壤中的污染物質降解轉化為無毒物質的方法，是降低土壤中重金屬濃度和毒性的修復技術。包括利用植物植物吸取修復、植物穩定修復、植物降解修復、植物揮發修復、植物過濾修復等技術。該技術適用于以重金屬(砷、鎘、銅、鋅、鎳、鉛)和多環芳烴為主的污染土壤類型。研究表明，對土壤中的汞等重金屬具有活化作用的氨基酸、碳水化合物等物質可增大植物根部汞的吸收量[13-14]；有關硫代硫酸鹽等螯合劑強化植物修復土壤污染的研究發現，硫代硫化物可活化汞和提高植物根部對汞等重金屬的吸收量[15]。

1.4.2 動物修復技術

動物修復技術是指通過土壤中的某些低等動物群的直接或者間接作用，主要包括進食、消化、排泄、分泌和挖掘等活動，提高土壤中重金屬的活性，進而促進整個土壤體系中各群體對重金屬的吸收降解，達到修復土壤的目的。土壤中的蚯蚓等大型土生動物通過自身的新陳代謝作用吸收或富集土壤中的污染物，將部分污染物分解為低毒或無毒產物。Gudbrandsen等[16]利用蚯蚓對土壤中的汞等重金屬降解實驗發現，土壤中的蚯蚓對汞具有很強的耐受性，在汞污染高達幾百ppm環境里，仍具有很高的存活率。

1.4.3 微生物修復技術

微生物修復技術是指利用具有獨特生理特性的功能微生物群(主要包括土著微生物、外源微生物和基因工程菌等)，基于微生物自身的新陳代謝功能將土壤中污染物濃度降低一定水平，從而達到去除污染物質的修復方法。這其中涉及到由于微生物可以改變土壤環境的理化性質而降低有機污染物的有效性，間接起到污染土壤的修復作用。Wiatrowski等[17]通過厭氧細菌Shewanella oneidensis MR-1與土壤中汞的相互作用機理發現，在該厭氧菌的表面還原汞，實現了汞等重金屬的降解。

2 國內外土壤修復治理的發展趨勢

目前，國外土壤修復的趨勢已經有著較為清晰的發展方向。在污染土壤修復決策上，已從基于污染物總量控制的修復目標發展為基于污染風險評估的修復導向；在修復的工程設備儀器上，已從基于固定式設備的離場修復發展為移動式設備的現場修復；在污染土壤的修復技術上，已從修復周期較短的物理修復、化學修復和物理化學修復發展為生物修復、植物修復和基于監測的自然修復，即從單一修復技術發展為聯合修復技術；從適用于工業企業場地污染土壤的離位肥力破壞性物化修復技術發展到適用于農田耕地污染土壤的原位肥力維持性綠色修復技術。

2.1 土壤修復治理具體流程

階段一：資料調查階段

通過已知資料、對有關人員的訪談及現場勘察等方法，對目標場地存在土壤污染的可能性進行調查和評估。并且通過現場勘察，可以確定污染可能性較高的場所，制定階段二的調查計劃。該階段需要收集的資料包括：過去場地用途的相關資料、工廠生產等相關資料、以前土壤污染調查資料。

階段二：取樣詳細調查階段

通過檢測土壤樣品掌握目標場地的土壤污染情況。該階段一般先實施確認有誤污染的概況調查，如存在污染，則進一步進行詳細調查。有時候需要進行修復方案的確定，還需要針對實施范圍進行調查。目前的調查方法主要有表層土壤調查和鉆孔調查，并結合地下水流動解析等方法，制定恰當的修復計劃及修復方案。

階段三：修復及監測階段

根據污染場地土壤治理修復方案里確定的具體修復模式和技術路線，實施污染場地的具體土壤修復工程，使其濃度達到修復方案所確定的目標值。

土壤修復治理的具體流程示意圖見圖1。

圖1 土壤修復治理具體流程示意圖

2.2 國外土壤修復的發展歷程及趨勢

歐美等發達國家在土壤修復治理上主要歷程：20世紀80年代以前以挖掘填埋、客土、固化/穩定化為主的物化處理修復；20世紀80年代至今，土壤修復治理主要以物化修復技術為基礎，逐漸與高效低費用的生物處理技術相結合。

以日本在土壤修復治理方面為例，主要污染類型包括重金屬污染、揮發性有機物污染、油污染等。

2.2.1 重金屬污染修復

根據目標場地的布局、土壤性質和需修復土量，可選用性價比高的淋洗設備進行土壤修復。處理流程及工藝：在滾筒洗滌器內將污染土壤和水混合，通過沖擊、磨耗等作用從粗粒徑沙粒表面剝離和分散重金屬等污染物，進一步向混合泥漿中添加酸或者堿進行清洗，將重金屬溶解后從土壤中抽提，并通過添加沉淀劑、螯合劑等化學試劑進行適當處理，抽提后的土壤經過中和處理后成為凈化土壤；而后，經過后續的分級工序，通過震動篩、脫水篩和旋風分離篩等設備分離出粗粒和微粒。其中，粗粒經過檢測分析得到凈化土，進行回收再利用；分離出的細微粒主要通過泡沫浮選法、磁選法和重選法進行金屬回收利用。

主要工藝流程：清洗(清洗洗滌器)→分級(震動篩、脫水篩、旋風分離篩)→泡沫浮選、磁選、重選→金屬回收

2.2.2 揮發性有機物污染修復

專用鐵粉修復技術通過添加專用鐵粉土壤修復劑，利用其對揮發性有機物的吸附、裂解等過程實現污染物的去除過程。技術上主要特點：微小的專用鐵粉添加量即可實現修復；與揮發性有機物的反應速率快；與普通鐵粉相比，不會產生復雜的中間體；對目標有機物的處理具有廣泛性和無選擇性。

厭氧微生物修復技術是指利用天然存在的或者篩選培養的厭氧功能微生物群(包括土著微生物、外源微生物和基因工程菌等)，以人為優化生長環境的條件為背景，促進或者強化微生物代謝功能，從而達到降低有毒污染物活性或者降解成無毒物質的修復技術。

微泡+臭氧修復技術是通過微泡和臭氧的剝離、氧化作用對污染土壤中的揮發性有機物進行分解和修復的過程。

2.2.3 油污染修復

低溫熱處理修復技術是利用熱源將油污染土壤中油分揮發出來并收集，實現分離分解的處理過程，處理后的土壤可在原地進行再利用。適用于高濃度油污染場地。

生物修復技術是向油污染土壤中注入營養鹽，使得土壤中微生物活化，進而通過微生物的新陳代謝等活動實現分解油分的修復技術，其處理后的土壤仍可在原地再利用。適用于擴散油污染的場地。

3 結 語

目前國內的土壤修復技術主要包括污染土壤工程修復技術、物理修復技術、化學修復技術、生物修復技術等，針對不同的土壤污染類型可選擇合適的修復技術。隨著國內經濟的快速發展，污染土壤修復具有巨大的市場前景和市場需求，但我國在土壤修復技術、工程化實踐運用、修復和監測設備上起步較晚，加之國內的法律、監管體系還不完善，因而需要進一步加快技術研發進程和制定相關的法律規程、技術標準。

[1] Khan F I, Husain T, Hejazi R. An overview and analysis of site remediation technologies[J]. Journal of environmental management, 2004, 71(2): 95-122.

[2] Aresta M, Dibenedetto A, Fragale C, et al. Thermal desorption of polychlorobiphenyls from contaminated soils and their hydrodechlorination using Pd-and Rh-supported catalysts[J]. Chemosphere, 2008, 70(6): 1052-1058.

[3] 張新艷, 王起超. 含汞有害固體廢棄物的固化/穩定化技術研究進展[J]. 環境科學與技術, 2009, 32(9): 110-115.

[4] Thornton E C, Miller R D. In situ gas treatment technology demonstration test plan[R]. Westinghouse Hanford Co., 1996.

[5] 于穎, 周啟星. 污染土壤化學修復技術研究與進展[J]. 環境污染治理技術與設備, 2005, 6(7): 1-7.

[6] Gates D D, Siegrist R L, Cline S R. Chemical oxidation of volatile and semi-volatile organic compounds in soil[R]. Oak Ridge National Lab., TN (United States), 1995.

[7] West O R, Cline S R, Holden W L, et al. A full-scale demonstration of in situ chemical oxidation through recirculation at the X-701B site[R]. Oak Ridge National Lab., TN (United States), 1997.

[8] Masten S J, Davies S H R. Efficacy of in-situ for the remediation of PAH contaminated soils[J]. Journal of Contaminant Hydrology, 1997, 28(4): 327-335.

[9] 陳燦, 陳尋峰, 李小明, 等. 砷污染土壤磷酸鹽淋洗修復技術研究[J]. 環境科學學報, 2015, 35(8): 2582-2588.

[10]Chen T, Fan Z, Lei M E I, et al. Effect of phosphorus on arsenic accumulation in As-hyperaccumulator Pteris vittata L. and its implication[J]. Chinese Science Bulletin, 2002, 47(22): 1876-1879. [11]Zhou D M, Cang L, Alshawabkeh A N, et al. Pilot-scale electrokinetic treatment of a Cu contaminated redsoil[J]. Chemosphere, 2006, 63(6): 964-971.[12]Bocos E, Fernández-Costas C, Pazos M, et al. Removal of PAHs and pesticides from polluted soils by enhanced electrokinetic-Fenton treatment[J]. Chemosphere, 2015, 125: 168-174.

[13]Carrasco-Gil S, Siebner H, LeDuc D L, et al. Mercury localization and speciation in plants grown hydroponically or in a natural environment[J]. Environmental science & technology, 2013, 47(7): 3082-3090.

[14]Esteban E, Deza M J, Zornoza P. Kinetics of mercury uptake by oilseed rape and white lupin: influence of Mn and Cu[J]. Acta physiologiae plantarum, 2013, 35(7): 2339-2344.

[15]Debeljak M, van Elteren J T, Vogel-MikuK. Development of a 2D laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry mapping procedure for mercury in maize (Zea mays L.) root cross-sections[J]. Analytica chimica acta, 2013, 787: 155-162.

[16]Gudbrandsen M, Sverdrup L E, Aamodt S, et al. Short-term pre-exposure increases earthworm tolerance to mercury[J]. European Journal of Soil Biology, 2007, 43: S261-S267.

[17]Wiatrowski H A, Ward P M, Barkay T. Novel reduction of mercury (II) by mercury-sensitive dissimilatory metal reducing bacteria[J]. Environmental science & technology, 2006, 40(21): 6690-6696.

Study on Progresses of Soil Remediation Technologies and Development Trend Aboard

ZHOUJun,YANGuo-jie,SHIShu-dong

(Shanghai Pudong Road & Bridge Construction Co., Ltd., Shanghai 201210, China)

Based the rapid development of urbanization process, the soil environment, as an important carrier of production and living, was contaminated seriously accompanied by industrial production and agriculture irrigation, leading to the worse contaminated fertilizer and groundwater environment. At present, the technologies for contaminated soils remediation at home was staying mainly laboratory investigation and large-scale engineering application was not realized. However, the advanced remediation technologies and engineering practical experience were relatively mature aboard.

contaminated soil; remediation technology; development trend aboard

周駿(1991-)，男，碩士研究生，專業方向為水處理技術。

X53

A

1001-9677(2016)022-0012-04