我国污染土壤修复研究现状与展望3

我国污染土壤修复研究现状与展望*

李培军

1,2**

刘 宛1 孙铁珩1,2 巩宗强1 付莎莎

1,3

(1中国科学院沈阳应用生态研究所,沈阳110016;2

沈阳大学环境工程重点实验室,沈阳110044;

3

中国科学院研究生院,北京100039)

摘 要 介绍了我国土壤污染的突出特点及其危害,回顾了污染土壤从清洁技术研究到物理、化学和生物修复研究的历程,总结了污染土壤修复取得的初步成果,提出了污染土壤修复的实质和系统技术方法。根据我国土壤污染的实际和修复需求,本文提出了当前本领域急需开展的研究内容,预测了污染土壤修复研究对环境科学相关学科的推动作用。关键词 污染土壤,修复,技术体系

中图分类号 X53 文献标识码 A 文章编号 1000-4890(2006)12-1544-05

Remediation of contaminated soil:Its present research situation and prospect.L I Peijun 1,2,L IU Wan 1,SU N T ieheng 1,2,GON G Zongqiang,F U Shasha 1,3(1I nstitute of A p p lied Ecology ,Chinese A cademy of Sci ences ,Sheny ang 110016,China;2Sheny ang U niver sity ,Key Labor atory f or Environmental Engineer ing Resear ch,S heny ang 110044,China;3Gr aduate Univer sity of Chinese A cademy of Sciences,Beij ing 100039,China).Chinese Jour nal of Ecology ,2006,25(12):1544~1548.

T his paper introduced the outstanding character istics and the harmfulness o f soil contamination,looked back t he resear ch course and summarized the theor etical and applied resear ch results in contaminated soil remedia tion,and brought forward the essence and technologic system of this remediat ion in China.Aimed at the ac tual conditions and demands of contaminated soil remediation,the urgent resear ch contents w ere sugg ested,and the promotion effect of related research on the development of environmental sciences was predicted.Key words contaminated so il,r emediatio n,technolog ic system.

*国家重点基础研究发展规划项目(2004CB418506)、国家自然科学重点基金(20337010)和国家高科技研究发展计划资助项目(2004AA649060)。**通讯作者

收稿日期:2005-07-18 接受日期:2006-09-28

1 引 言

土壤是人类社会生产活动的重要物质基础,是不可缺少、难以再生的自然资源。当前,我国土壤污染的形势已十分严峻,由土壤污染导致的农产品的生态安全问题已不容忽视。由于土壤对环境污染具有汇的作用,土壤中有毒有害化学品通过大气和水体传递,可危害人类和动物的生存繁衍与生命安全。这一过程可能比较隐蔽,但土壤污染已威胁人类的安全。

由于土壤污染的严重性及其修复的难度,以及对污染土壤修复的迫切性与需求,污染土壤修复已成为当今环境科学研究的热点与极具挑战性的领域。近20多年来,美国、德国、荷兰、英国等国家先后投入巨大的人力、财力,深入开展了污染土壤修复研究,在物理修复、化学修复和生物修复方面均取得显著进展,在一些技术应用方面已进入到商业化阶段。整个欧洲从事生物修复工程技术的研究机构和商业公司有近百个[1]。

众多的理论和实践证明,土壤污染在一定条件

下是可逆的,但需要投入一定的能量和物质。随着科学技术的进步,这种投入量可以降低到经济上接受的程度。本文根据我国土壤污染的特点与发展趋势,分析了污染土壤修复研究的迫切性;根据我国污染土壤修复的需求,提出了急需开展的相关研究内容,预测了其对环境科学与技术学科发展的贡献与推动作用。

2 我国的土壤污染与污染土壤修复

2 1 我国土壤污染现状与污染土壤修复的迫切性

我国土壤污染状况已开始对土地资源可持续利用与农产品生态安全构成威胁。全国受有机污染物(农药、石油烃和PAHs)污染的农田达3 6 107

hm 2

,其中农药污染面积约1 6 107hm 2,主要农产

品的农药残留超标率高达16%~20%。其中因油田开采造成的严重石油污染土地面积达1 104

生态学杂志Chinese Journal of Ecology 2006,25(12):1544~1548

hm2,石油炼化业也使大面积土地受到污染。在沈抚石油污水灌区,表层和底层土壤多环芳烃含量有的超过600mg kg-1,造成农作物和地下水的严重污染。全国受重金属污染的农业土地约为2 5 107hm2,其中严重污染土地超过7 105hm2,有1 3 104hm2土地因镉含量超标而被迫弃耕。我国土壤污染目前呈现如下特点: 污染面积增加明显,一些地区土壤污染由局部开始呈连续分布; 污染物种类增加,复合污染特点日益突出; 污染物含量呈增加趋势,在一些传统农业区,土壤中重金属镉超过国家二类土壤标准的面积达35 9%,超过国家一类土壤标准的面积达89 4%,且部分污染物来源尚未查清; 城市土壤污染严重,我国西南某城市土壤中汞含量超过国家标准100倍,在东北某城市工厂废弃地,土壤镉、铅含量也超标数百倍。必须指出的是,目前仍无适用于不同用途的城市土壤环境质量标准,与其相关的研究和标准的制定是该领域亟待解决的重要任务之一。

土壤污染已造成严重的后果,全国每年因土壤污染而损失的粮食达1 2 1010kg。土壤污染导致农产品品质下降,危害人体健康。在沈阳市西部原张士镉污染区,糙米镉含量最高达到2 6mg kg-1,是食品中镉限量卫生标准(大米 0 2mg kg-1)的13倍;9种蔬菜平均含镉量为0 76mg kg-1,比对照区(0 135m g kg-1)高5 6倍。土壤污染还导致大气和水体环境污染。土壤污染具有典型的定时炸弹性质,一旦大面积爆发,将会对国家可持续发展造成难以估量的影响,因此必须对土壤污染的预防和污染土壤修复予以高度重视[4,11,12]。

2 2 污染土壤修复的内涵与技术体系

污染土壤修复是指利用物理、化学和生物方法,转移、吸收、降解和转化土壤中的污染物,使其浓度降低到可以接受的水平,或将有毒有害的污染物转化为无害的物质。污染土壤修复的技术原理包括:改变污染物在土壤中的存在形态或同土壤的结合方式,降低其在环境中的可迁移性与生物可利用性;降低土壤中有害物质的浓度。

根据工艺原理不同,污染土壤修复方法可分为物理、化学和生物3种类型。其中,物理方法主要包括物理分离法、溶液淋洗法、固化稳定法、冻融法和电动力法;化学方法主要包括溶剂萃取法、氧化法、还原法和土壤改良剂投加技术等[25]。生物修复方法是污染土壤修复的主体,可分为微生物修复、植物修复和动物修复3种[8,26],其中以微生物与植物修复应用最为广泛。同物理化学方法相比,生物修复具有可基本保持土壤的理化特性、污染物降解完全、处理成本低和应用广泛的特点。生物修复的局限性包括污染物种类的局限性、受环境因素的影响大、修复时间长等。可通过与物理化学方法相结合,来解决生物修复的局限性[6,27]。

2 3 污染土壤生物修复研究回顾

鉴于土壤污染的危害,世界各发达国家均开展了污染土壤治理与修复。最早大规模应用生物修复技术的是美国阿拉斯加(1989年)。油轮搁浅造成3 8 104t原油泄漏,当地采用多种物理、化学和生物的方法,治理原油污染。实践表明,3种方法以生物方法最为有效,在投入了特殊的氮、磷营养盐以后,促进了土著石油降解菌生长和繁殖,加速了油污的降解。荷兰在20世纪80年代花费了约15亿美元进行土壤修复工作,德国在1995年投资约60亿美元净化土壤。美国20世纪90年代用于污染土壤修复方面的投资约有数百亿到上千亿美元[1]。

我国从20世纪70年代起,以土壤植物系统污染生态学理论为基础,坚持生物修复为主、生物修复同物理化学修复相结合的技术路线,开展了有机、无机污染土壤的调查与修复研究。主要研究进展包括:1)针对石油污染物生物修复技术开展了降解微生物的筛选、驯化和活性监测,污染土壤残油的定量分析、生物降解过程中环境因子调控等。2)在石油污染物的生物降解性、降解机理、限制性因素以及降解动力学模型等方面取得了显著的研究成果。90年代以来,我国科技工作者综合生态学、土壤学、微生物学、生态毒理学、环境化学、工程学的理论和方法,以石油、多环芳烃(PAH s)和重金属污染土壤为研究对象,开展了生态毒理学、生物修复技术和污染生态工程技术研究,提出了以土壤为研究对象的生态毒理学实验方法,建立了以生物泥浆反应器和预制床堆腐技术为主体的有机污染土壤异位生物修复技术体系,为复合污染条件下土壤环境质量标准制定提供了理论依据[5,7,9,13]。研究发现,微生物固定化技术可以提高引进微生物在土壤中种群与数量的稳定性,可显著提高修复效率。经理想载体固定化的细菌和真菌,对PAHs的降解效率分别提高10% ~30%[3,20,21]。

目前,我国污染土壤修复研究正经历由实验室研究向实用规模过渡阶段,即将进入一个快速发展

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李培军等:我国污染土壤修复研究现状与展望