土壤污染及其修复核心技术.doc

第二章 污染物控制技术6 土壤污染及其修复技术6.1 土壤污染 26.1.1 土壤污染定义26.1.2 土壤污染类型和来源36.1.3 土壤污染特点56.1.4 土壤污染危害56.2 土壤污染及治理 66.2.1 国内土壤污染现状66.2.2 土壤污染治理76.3 修复技术 96.3.1 热力学修复96.3.2 热解吸修复技术96.3.3 焚烧法106.3.4 土地填埋法106.3.5 化学淋洗106.3.6 堆肥法106.3.7 植物修复106.3.8 渗入反映墙106.3.9 生物修复106 土壤污染及其修复技术6.1 土壤污染土壤是自然环境要素重要构成之一，它是处在岩石圈最外面一层疏松某些，具备支持植物和微生物生长繁殖能力，被称为土壤圈。土壤圈处在大气圈、岩石圈、水圈和生物圈之间过渡地带，是联系有机界和无机界中心环节。土壤是由固体、液体和气体三相共同构成多相体系。土壤固相涉及矿物质和有机质，其中矿物质约占土壤固体总重量90以上，而有机质约占固体总重量110。土壤液相是指土壤中水分及其水溶物。土壤中有无数孔隙布满空气，即土壤气相。典型土壤约有35体积是布满空气孔隙，因而土壤具备疏松构造。土壤具备两个重要功能，一是土壤作为一项极其宝贵自然资源，是农业生产基本，二是土壤对于外界进入物质具备同化和代谢能力。由于土壤具备这种功能，因此人们肆意开发土壤资源，同步将土地看作人类废物垃圾场，而忽视了对土地资源保护。由于这种因素，人类面临着土地退化、水土流失和荒漠化以及土壤污染等诸多问题。其中，土壤污染形势极为严峻。6.1.1 土壤污染定义 6.1.1.1 土壤背景值土壤背景值是指未受或少受人类活动特别是人为污染影响土壤环境自身化学元素构成及其含量。土壤背景值是各种成土因素综合伙用下成土过程产物，地球上不同区域，从岩石成分到地理环境和生物群落均有很大差别，因此实质上它是各自然成土因素（涉及时间因素）函数。由于成土环境条件仍在不断地发展和演变，特别是人类社会不断发展，科学技术和生产水平不断提高，人类对自然环境影响也随之不断地增强和扩展，当前已难以找到绝对不受人类活动影响土壤。因而，当前所获得土壤背景值也只能是尽量不受或少受人类活动影响数值。 研究土壤背景值具备重要实践意义。由于污染物进入土壤环境之后构成、数量、形态和分布变化，都需要与背景值比较才干加以分析和判断，因此土壤背景值是土壤环境质量评价，特别是土壤污染综合评价基本根据，是研究和拟定土壤环境容量，制定土壤环境原则基本数据，也是研究污染元素和化合物在土壤环境中化学行为根据。此外，在土地运用及其规划，研究土壤生态、施肥、污水灌溉、种植业规划，提高农、林、牧、副业生产水平和产品质量，食品卫生、环境医学等方面，土壤环境背景值也是重要参比数据。 国内在20世纪70年代后期开始进行土壤背景值研究工作，先后开展了北京、南京、广州、重庆以及华北平原、东北平原、松辽平原、黄淮海平原、西北黄土、西南红黄壤等土壤和农作物背景值研究。6.1.1.2 土壤环境容量土壤环境容量是针对土壤中有害物质而言。它是指在人类生存和自然生态不致受害前提下，土壤环境单元所容许承纳污染物质最大数量或负荷量。简言之，土壤环境容量事实上是土壤污染起始值和最大负荷值之间差值。若以土壤环境原则作为土壤所能承纳最大容许限值，则该土壤环境容量便是土壤环境原则值减去土壤背景值。在尚未制定土壤环境原则状况下，还可以通过土壤环境污染生态效应实验，加之考虑土壤环境耋净作用与缓冲性能，来拟定土壤环境容量。土壤环境容量可以在土壤环境质量评价、制定污水灌溉水质原则、污泥施用原则、微量元素累积施用量等方面发挥作用。土壤环境容量充分体现了区域环境特性，是实现污染物忘量控制重要基本。在此基本上人们可以经济、合理地制定污染物总量控制规划，也可以克分运用土壤环境纳污能力。 6.1.1.3 土壤污染定义土壤污染是指加入土壤污染物超过土壤自净能力，或污染物在土壤中积累量超过土壤基准量，而给生态系统乃至人类导致危害现象。土壤环境中污染物输入、积累和土壤环境自净作用是两个相反而又同步进行对立、统一过程，在正常状况下，两者处在一定动态平衡，在这种平衡状态下，土壤环境是不会发生污染。但是，如果人类各种活动产生污染物质，通过各种途径输入土壤，其数量和速度超过了土壤环境自净作用速度，打破了污染物在土壤环境中自然动态平衡，使污染物积累过程占据优势，可导致土壤环境正常功能失调和土壤质量下降；或者土壤生态发生明显变异，导致土壤微生物种类、数量或者活性变化，土壤酶活性减少。同步，由于土壤环境中污染物迁移转化，从而引起大气、水体和生物污染，并通足食物链最后影响到人类健康，这种现象属于土壤环境污染。因而，咱们说，当土壤环境中所含污染物数量超过土壤自净能力或当污染物在土壤环境中积累量超过土壤环境基准或土壤环境原则时，即为土壤环境污染。从土壤污染概念来看，判断土壤发生污染指标：是土壤自净能力，二是动植物直接、间接吸取而受害临界浓度。 6.1.2 土壤污染类型和来源6.1.2.1 土壤污染物分类（1）化学污染物：涉及无机污染物和有机污染物。无机污染物重要涉及汞、镉、铅、砷等重金属，过量氮、磷植物营养元素以及氧化物和硫化物等。有机污染物则涉及各种化学农药、石油及其桑解产物以及其她各类有机合成产物等。化学污染物是土壤污染物中最重要、影响也最强烈和广泛污染物，当前人们对于此类污染物污染效应、治理等有关研究进行得比较多。（2）物理污染物：指来自工厂、矿山固体废弃物如尾矿、废石、粉煤灰和工业垃圾等。（3）生物污染物：指带有各种病菌都市垃圾和由卫生设施排出废水、废物以及厩肥等。（4）放射性污染物：重要存在于核原料开采和大气层核爆炸地区，以锶和铯等在土壤中生存期长放射性元素为主。6.1.2.2 污染物来源（1）污水灌溉。用未经解决或未达到排放原则工业污水灌溉农田是污染物进入土壤重要途径。生活污水和工业废水中，具有氮、磷、钾等许多植物所需要养分，因此合理地使用污水灌溉农田，普通有增产效果。但污水中还具有重金属、酚、氰化物等许多有毒有害物质，如果污水没有通过必要解决而直接用于农田灌溉，会将污水中有毒有害物质带至农田，污染土壤。例如冶炼、电镀、燃料等工业废水能引起镉、汞、铬、铜等重金属污染；石油化工、肥料、农药等工业废水会引起酚、三氯乙醛、农药等有机物污染。污水灌溉和污水土地解决系统对土壤环境污染防治和生态环保都是需要研究重要土壤环境问题。（2）酸雨和降尘。工业排放二氧化硫、氟化物、臭氧、氮氧化物、碳氢化合物等有害气体在大气中发生反映而形成酸雨，以自然降水形式进入土壤，引起土壤酸化。国内酸雨区面积约占国土面积1/3。工业排放粉尘、烟尘等固体粒子及烟雾、雾气等液体粒子，在重力作用下以降尘形式进入土壤导致污染。例如，有色金属冶炼厂排出废气中具有铬、铅、铜、镉等重金属，对附近土壤导致污染；生产磷肥、氟化物工厂会对附近土壤导致粉尘污染和氟污染。大气酸沉降与土壤酸化，已成为全球性生态环境问题。（3）化肥农药。施用化肥是农业增产重要办法，但不合理使用，会使作物贪青、倒伏而减产，同步引起土壤中营养元素不平衡，形成土壤污染。例如长期大量使用氮肥，会破坏土壤构造，导致土壤板结，生物学性质恶化，影响农作物产量和质量。过量地使用硝态氮肥，会使饲料作物具有过多硝酸盐，妨碍牲口体内氧输送，使其患病，严重导致死亡。农药能防治病、虫、草害，如果使用得当，可保证作物增产，但它是一类危害性很大土壤污染物，施用不当，会引起土壤污染。农作物从土壤中吸取农药，在根、茎、叶、果实和种子中积累，通过食物、饲料危害人体和牲口健康。此外，农药在杀虫、防病同步，也使有益于农业微生物、昆虫、鸟类受到伤害，破坏了生态系统，使农作物遭受间接损失。此外，长期使用农药导致病虫草害物种抗药性增强，导致农药投入量持续增长。（4）固体废物。土壤向来都作为废弃物解决场合。随着工农业生产发展和都市扩大化，固体废弃物种类和数量、成分日益增多和复杂化，如工矿业固体废弃物涉及金属矿渣、煤矸石、粉煤灰、都市垃圾、污泥等。例如，各种农用塑料薄膜作为大棚、地膜覆盖物被广泛使用，如果管理、回收不善，大量残膜碎片散落田间，会导致农田“白色污染”。这样固体污染物既不易蒸发、挥发，也不易被土壤微生物分解，是一种长期滞留土壤污染物。（5）汽车尾气。汽车使用含铅汽油，其排放废气中具有铅化合物，经雨水冲刷沉积于土壤中，导致铅污染。汽车尾气对土壤污染随着国内汽车拥有量增长而日益显现出来。6.1.3 土壤污染特点土壤污染特点重要有如下四个。（1）具备隐蔽性和滞后性。大气污染、水污染和废弃物污染等问题普通都比较直观，土壤污染不像大气与水体污染那样容易为人们所发现，由于土壤是更复杂三相共存体系。各种有害物质在土壤中，总是与土壤相结合，有为土壤生物所分解或吸取，从而变化其本来面目而被隐藏在土体里，或自土体排出且不被发现。当土壤将有害物输送给农作物，再通这食物链而损害人畜健康时，土壤自身也许还继续保持其生产能力而经久不衰。因此土壤污染往往要通过对土壤样品进行分析化验和农作物残留检测，甚至通过研究对人畜健康状况仿影响才干拟定。这也导致土壤污染从产生污染到浮现问题，普通会滞后很长时间。土壤污染隐蔽性和滞后性使结识土壤污染问题难度增长，以致污染危害持续发展。（2）土壤污染有累积性和地区性。污染物质在大气和水体中，普通都比在土壤中更容易迁移。这使得污染物质在土壤中并不像在大气和水体中那样容易扩散和稀释，因而容易在壤中不断积累而超标，同步也使土壤污染具备很强地区性。（3）土壤污染具备不可逆性。多数无机污染物，特别是金属和微量元素，都能与土壤有机质或矿质相结合，并长期地保存在土壤中。无论它们如何转化，也无法使其重新离开土壤。如被某些重金属污染土壤需要20010才可以恢复。（4）土壤污染治理艰难性。如果大气和水体受到污染，切断污染源之后通过稀释作厍和自净化作用也有也许使污染问题不断逆转，但是积累在污染土壤中难降解污染物则很难靠稀释作用和自净化作用来消除。土壤污染一旦发生，则很难恢复，治理成本较高、治理周期较长。 根据上述特点，土壤污染防止胜于治理。6.1.4 土壤污染危害土壤是各种污染物最后“宿营地”，土壤通过对污染物吸附、固定形成了对污染物富集作用，世界上90污染物最后滞留在土壤内。植物从土壤中选取吸取必须营养物，同步也被动地、甚至被迫地吸取土壤释放出来有害物质。土壤污染重要是通过它产品植物来体现其危害。植物吸取运用，有时能使污染物浓度达到危害自身或危害人畜水平，虽然没有达到毒害水平含毒植物性食品，只要为人畜食用，当它们在动物体内排出率低时，也可以逐日积累，由量变到质变，最后引起动物病变。土壤污染危害重要如下。（1）土壤污染导致食物品质不断下降。土壤是作物生长基本。当前，由于土壤污染因素导致许多地方粮食、蔬菜、水果等食物中镉、铬、砷、铅等重金属含量超标和接近临界值。有些地区污水灌溉已经使得蔬菜味道变差，易烂，甚至浮现难闻异味；农产品储藏品质和加工品质也不能满足深加工规定。（2）土壤污染危害人体健康。土壤污染会使污染物在植物体中积累，并通过食物链富集到人体和动物体中，危害人畜健康，导致功能异常和其她荷尔蒙系统异常、生殖障碍和种群下降、肿瘤和癌症、行为失常、免疫系统障碍以及性别混乱等症状和疾病等。当前，国内对这方面状况仍缺少全面调查和研究，对土壤污染导致污染疾病总体状况并不清晰，但是，从个别都市重点调查成果来看，状况并不乐观。（3）土壤污染导致严重经济损失。土壤污染可以导致作物减产，从而导致严重经济损失。（4）土壤污染导致其她环境问题。土地受到污染后，污染表土容易在风力和水力作用下分别进入到大气和水体中，导致大气污染、地表水污染、地下水污染和生态系统退化等其她次生生态环境问题。6.2 土壤污染及治理6.2.1 国内土壤污染现状6.2.1.1 土壤重金属污染 土壤重金属污染是国内土壤污染一种重要方面，国内大多数都市近郊土壤都遭受不同限度重金属污染。污水灌溉是国内土壤重金属污染重要因素。据国内农业部进行全国污灌区调查，在约140万公顷污水灌区中，遭受重金属污染土地面积占污水灌区面积64.8，其中轻度污染占46.7，中度污染占9.7，严重污染占8.4。国内每年因重金属污染而减产粮食1000多万吨，被重金属污染粮食每年多达1200万吨，共计经济损失至少200亿元。6.2.1.2 土壤有机污染当前国内土壤有机污染十分严重。例如，国内从1959年起在长江中下游地区用五氯酚钠防治血吸虫病，其中杂质二噁英已导致区域性污染，洞庭湖、鄱阳湖底泥中二噁英含量很高。有机氯农药已禁用了近，土壤中残留量已大大减少，但检出率仍很高。某些地区最高残留量仍在lmg/kg以上。同步，随着都市化和工业化进程加快，都市和工业区附近土壤有机污染也日益加剧。某钢铁集团四周农业土壤和工业区附近土壤调查成果表白，农业土壤中15种多环芳烃总量平均值为4.3mg/kg，且重要以4环以上具备致癌作用污染物为主，占总含量约85，仅有6采样点尚处在安全级。而工业区附近土壤污染远远高于农业土壤，其中多氯联苯、多环芳烃、塑料增塑剂、除草剂、丁草胺等高致癌物质都很容易在重工业区周边土壤中被检测到，并且超过国标多倍。由于土壤是植物和某些生物营养来源，因此土壤中有机污染物会通过食物链发生传递和迁移，当前动物和人类自身都遭受有机污染物污染和威胁。在有机污染物沿食物链传递和迁移过程中，含量逐级增长，其富集系数在各营养级中均可达到惊人限度。六六六和DDT作为高残留率农药于1983年已停止生产，随着时间推移，土壤中已几乎检测不到这两种剧毒农药残留，但在鱼类身上检测出含量却比土壤中高出了近100倍，而到了夜鹭、白鹭鸟卵中，这个含量被放大了100200倍。如太湖鸟类生物监测成果表白：太湖湖底淤泥中六六六未检测出，DDT为3.4ng/g，通过鱼类生物富集，六六六达到28.5ng/g，DDT达到270.7ng/g，最后到夜鹭、白鹭鸟卵中时，六六六可高达460.0ng/g，DDT可高达5626.7ng/g。此外，有毒有机污染物正在通过食物链危及人体健康，这些有机污染物长期贮存在人体中，并可通过母乳饲养间接转移给新生儿。6.2.1.3 土壤放射性污染近年来，随着核技术在工农业、医疗、地质、科研等各领域广泛应用，越来越多放射性污染物进入到土壤中，这些放射性污染物除可直接危害人体外，还可以通过生物链和食物链进入人体，在人体内产生内照射，损伤人体组织细胞，引起肿瘤、白血病和遗传障碍等疾病。如科研表白，氡子体辐射危害占人体所受所有辐射危害55以上，诱发肺癌潜伏期大多都在以上，国内每年因氡致癌约5万例。 6.2.1.4 汽车尾气对土壤污染汽车尾气中含铅物质对土壤污染逐渐加重，在道路两侧尤为严重。铅对土壤污染已深达30cm，地下30cm如下深度铅含量比较稳定，铅污染重要集中在表层30cm土壤，而这一深度往往正是农作物根系生长深度，这直接导致蔬菜等农作物中铅含量严重超标。6.2.1.5 固体废物类对土壤污染 在土壤环境中堆置固体废物也能对土壤导致污染，这种污染状况虽然没有重金属污染、有毒有机物污染那样严重，但依然是土壤污染治理中不容忽视一种问题。例如，沈阳市某公路两侧，由于附近建筑物、公路频繁施工，导致大量建筑垃圾掺杂在土壤中，导致沿线土壤质量趋于恶化，破坏了树木生存条件，不得不更换新土，以保证树木存活。6.2.2 土壤污染治理土壤污染表面上离百姓生活较远，事实上却与每个人身体健康息息有关。例如，粮食中重金属含量、蔬菜中农药残留、饮用水源安全状况，都会受到土壤环境质量直接影响。6.2.2.1 国内土壤污染治理形势在当前土壤污染形势日趋严峻状况下，国内已经充分结识到土壤污染严重性和危害性，逐渐开展了土壤污染研究、治理以及管理等多方面行动。国内于开展了全国初次土壤污染状况调查，以全面、系统、精确掌握国内土，污染真实状况，有效防治土壤污染，保证百姓身体健康。全国土壤污染状况调查范畴涉及除国内台湾省和港澳地区以外所辖所有陆地国土，调查重点区域是长三角、珠三角、环渤海湾地区、东北老工业基地、成渝地区、渭河平原以及重要矿产资源型都市。调查重要任务如下。（1）开展全国土壤环境质量状况调查与评价。在全国范畴内系统开展土壤环境现状调查，通过度析土壤中重金属、农药残留、有机污染物等项目含量及土壤理化性质，结合土地运用类型和土壤类型，开展基于土壤环境风险土壤环境质量评价。土壤环境质量状况调查重点区域是基本农田保护区和粮食主产区。（2）开展重点区域土壤污染风险评估与安全级别划分.把重污染公司周边、工业遗留或遗弃场地、固体废物集中解决处置场地、油田、采矿区、重要蔬菜基地、污灌区、大型交通干线两侧以及社会关注环境热点区域作为调查重点，查明土壤污染类型、范畴、限度以及土壤重污染区空间分布状况，分析污染成因，拟定土壤环境安全级别，建立污染土壤档案。（3）开展全国土壤背景点环境质量调查与对比分析. 在“七五”全国土壤环境背景值调查基本上，采集可对比土壤样品，分析来国内土壤背景环境质量变化状况。（4）开展污染土壤修复与综合治理试点。通过自主研发、引进吸取和技术创新，筛选污染土壤修复技术，编制污染土壤修复技术指南，开展污染土壤修复与综合治理试点示范。（5）建设土壤环境质量监督管理体系。制定适合国内国情土壤污染防治基本战略，提出国家土壤污染防治政策法规和原则体系框架，拟定土壤污染防治法草案，完善国家土壤环境监测网络。6.2.2.2 土壤污染治理办法防治土壤污染可以从源头和治理两方面着手，即一方面剪断土壤污染物来源，另一方面运用环境科学技术对污染土壤进行治理。从源头上控制土壤污染办法涉及如下几项。（1）科学地进行污水灌溉.工业废水种类繁多，成分复杂，有些工厂排出废水也许是无害，但与其她工厂排出废水混合后，就变成有毒废水。因而在运用废水灌溉农田之前，应按照农田灌溉水质原则规定原则进行净化解决，这样既运用了污水，又避免了对土壤污染。（2）合理使用农药，注重开发高效低毒低残留农药。合理使用农药，不但可以减少对土壤污染，还能经济有效地消灭病、虫、草害，发挥农药积极效能。在生产中，不但要控制化学农药用量、使用范畴、喷施次数和喷施时间，提高喷洒技术，还要改进农药剂型，严格限制剧毒、高残留农药使用，注重低毒、低残留农药开发与生产。（3）合理施用化肥，增施有机肥.依照土壤特性、气候状况和农作物生长发育特点配方施肥，严格控制有毒化肥使用范畴和用量。增施有机肥，提高土壤有机质含量，可增强土壤胶体对重金属和农药吸附能力。如褐腐酸能吸取和溶解三氯杂苯除草剂及某些农药，腐殖质能增进镉沉淀等。同步，增长有机肥还可以改进土壤微生物流动条件，加速生物降解过程。（4）施用化学改良剂。在受重金属轻度污染土壤中施用抑制剂，可将重金属转化成为难溶化合物，减少农作物吸取。惯用抑制剂有石灰、碱性磷酸盐、碳酸盐和硫化物等。例如，在受镉污染酸性、微酸性土壤中施用石灰或碱性炉灰等，可以使活性镉转化为碳酸盐或氢氧化物等难溶物，改良效果明显。由于重金属大某些为亲硫元素，因此在水田中施用绿肥、稻草等，在旱地上施用适量硫化钠、石硫合剂等有助于重金属生成难溶硫化物。对于砷污染土壤，可施加硫酸铁和氯化镁等物质使之生成难溶物减少砷危害。6.2.2.3 土壤修复技术为理解决日益严重土壤污染问题，许多科研人员开始研究土壤污染治理技术。在20世纪70年代后期，以土壤环境化学为基本土壤治理技术应运而生。这项技术不但对土壤污染进行治理使其不危及人类健康，更着力于恢复土壤功能，因而名为土壤修复技术。土壤修复运用物理、化学、数学、生物、信息和管理等科学技术原理和办法，重要研究土壤污染监测与诊断，污染土壤中污染物时空分布、环境行为及形态效应；研究污染土壤生态健康风险和环境质量指标；研究污染物容纳、遏制、消减、净化办法及其过程和机理；研究土壤修复安全性、稳定性及原则；研究修复后提供无污染土壤及其修复过程风险评估办法和原则，创立土壤污染控制和修复理论、办法和技术及其工程应用与管理规范，为土壤资源可持续运用、农产品安全、环保、人类健康保障提供理论、办法、技术及工程示范。 土壤修复基本办法就是采用各种技术与手段，将污染土壤中所含污染物质分拜别除、吸附固定、回收运用或者将其转化为无害物质，使土壤得到恢复。从科学原理上，土壤污染修复涉及物理修复、化学修复和生物修复。从污染土壤类型和优先修复目的污染物上，重金属污染土壤修复和有机污染土壤修复是研究重点。6.3 修复技术6.3.1 热力学修复运用热传导，热毯、热井或热墙等，或热辐射，无线电波加热等实现对污染土壤修复。6.3.2 热解吸修复技术以加热方式将受有机物污染土壤加热至有机物沸点以上使吸附土壤中有机物挥发成气态后再分离解决。6.3.3 焚烧法将污染土壤在焚烧炉中焚烧，使高分子量有害物质?挥发性和半挥发性，分解成低分子烟气通过除尘、冷却和净化解决使烟气达到排放原则。6.3.4 土地填埋法将废物作为一种泥浆将污泥施入土壤通过施肥、灌溉、添加石灰等方式调节土壤营养、湿度和pH值保持污染物在土壤上层好氧降解。6.3.5 化学淋洗借助能增进土壤环境中污染物溶解或迁移化学/生物化学溶剂在重力作用下或通过水头压力推动淋洗液注入到被污染土层中，然后再把具有污染物溶液从土壤中抽提出来，进行分离和污水解决技术。6.3.6 堆肥法运用老式堆肥办法，堆积污染土壤，将污染物与有机物，稻草、麦秸、碎木片和树皮等、粪便等混合起来，依托堆肥过程中微生物作用来降解土壤中难降解有机污染物。6.3.7 植物修复运用农业技术改进土壤对植物生长不利化学和物理方面限制条件，使之适于种植，并通过种植优选植物及其根际微生物直接或间接吸取、挥发、分离、降解污染物，恢复重建自然生态环境和植被景观。6.3.8 渗入反映墙是一种原位解决技术，在浅层土壤与地下水，构筑一种具备渗入性、具有反映材料墙体，污染水体通过墙体时其中污染物与墙内反映材料发生物理、化学反映而被净化除去。6.3.9 生物修复运用生物，特别是微生物催化降解有机污染物，从而修复被污染环境或消除环境中污染物一种受控或自发进行过程。 其中微生物修复技术是运用微生物，土著菌、外来菌、基因工程菌，对污染物代谢作用而转化、降解污染物，重要用于土壤中有机污染物降解。通过变化各种环境条件如，营养、氧化还原电位、共代谢基质，强化微生物降解作用以达到治理目。