土壤有机污染修复技术研究现状与展望

土壤有机污染修复技术研究现状与展望

摘要：本文结合近年来国内外土壤修复技术研究现状，概括介绍了土壤修复技术的类型及其影响因素，讨论了它们在实际应用中所存在的问题并提出解决思路；着重介绍了土壤有机污染的修复技术，探讨其发展前景，并提出了研究方向。

关键词：土壤；有机污染；生物修复

第一章前言

近年来,随着工农业生产污染和人类活动强度增加,土壤污染面积不断扩大,污染程度不断加深。其中有机污染物是土壤中普通存在的主要污染物之一，可通过化肥及农药的大量施用、污水灌溉、大气沉降、有毒有害危险废物的事故性泄露等多种途径进人土壤系统，造成土壤严重污染和地表水及地下水次生污染，已引起各国政府及环境学界的广泛关注[1]。例如多氯有机物DDT带来的环境污染[2];农用污泥造成土壤的多环芳烃(PAHs)污染[3];农用地膜导致土壤的邻苯二甲酸酯(PAEs)污染[4]等。因此,土壤有机污染的清洁与安全利用成为了一个亟待解决的问题。目前,修复有机污染土壤环境的技术主要有物理修复、化学修复、电化学修复、生物修复技术等[5]。

第二章土壤有机污染修复技术类型与方法

2.1生物修复方法

2.1.1生物修复技术的概念

生物修复是一项清洁环境的低投资、高效益、便于应用、发展潜力较大的新兴技术。Hamer[6]将生物修复的概念定义为:“利用特定的生物(植物、微生物或原生动物)吸收、转化、清除或降解环境污染物，实现环境净化、生态效应恢复的生物措施。”生物修复包括两方面内容:(1)利用具有特殊生理生化功能的植物或特异微生物在原位修复污染场所(土壤或水体);(2)应用生物处理或生物循环过程，通过精心设计与合理应用阻断或减少污染源向环境的直接排放，将过去曾受到污染的场所通过生物过程得以恢复，或清除新近排放的污染物。

土壤的治理技术按处理种类分物理治理方法、化学治理方法、微生物治理方法及植物治理方法等。其中生物修复主要指后两种。环境污染物的生物处理、修复技术大致可分成3类[7]:(1)植物对污染物修复;(2)微生物对污染物修复;(3)植物-微生物的联合修复。按处理空间可分为原位生物修复(In-situ bioremediation)和异位生物修复(Ex-situ bioremediation)2种。原位生物修复是指对受污染的介质(土壤、水体)不作搬运或输送,而在原位污染地进行的生物修复处理,修复过程主要依赖于被污染地自身微生物的自然降解能力和人为创造的合适降解条件;异位生物修复是指将被污染介质(土壤、水体)搬运和输送到它处进行生物修复处理。

2.1.2植物修复技术

土壤有机污染植物修复机理见图1。

图1 土壤有机污染植物修复主要机理

研究表明[8],植物修复最为重要的一个方面,是“特异”植物根能释放出多种有利于有机污染物降解过程或对有毒金属起固定作用的有机化学物质,其中包括低分子化合物单糖、氨基酸、脂肪酸、维生素、酮酸以及高分子化合物多糖、聚乳酸和粘液等,它们与植物通过分泌和死亡细胞的脱落而向土壤释放的光合产物构成一个特异系统,即特异根圈,由此增加土壤有机质含量,可以改变有机污染物的吸附特性,从而促进它们与腐植酸的共聚作用。

另一方面，许多植物对污染物具有一定的同化能力。不过,不同植物之间同化毒性物质的能力存在着显著差异,其中同化能力强的植物才具有实际应用的价值。以1 kg植物鲜叶为例,同样条件下,普通枫树和胡颓子属植物对大气中苯的吸收量比桤木和榆树高数百倍,比白桑树和美洲椴高数千倍[9]。

植物通过根、叶吸收环境中的有机污染物，经体内酶氧化降解作用、羟基化作用和分泌作用等实现对污染物的降解。同时，在一些植物根圈内,由于提供了一个为微生物生长和繁殖的良好环境，某些特殊微生物大量繁殖，其数量和种群结构多样化对加速外来污染物降解十分有利[10]。

2.1.3微生物修复技术

生物修复近年来发展尤为迅猛，在一定程度上给污染土壤的修复带来了技术上的革命，并对生态化学修复起到了关键的推动作用。其中，异位微生物修复包括生物反应器和处理床技术两大类型[11]。典型的生物反应器如生物泥浆反应器，

其主要技术环节是把预处理的土壤(去除粒径>4-5mm的大颗粒)用水调和至泥浆状后放人一带有机械搅动装置的目标反应器，然后对该反应器内的温度和pH进行调控并补充必要的营养和氧气，使污染物达到最大程度地降解。处理床技术目前主要有:(1)生物堆腐技术，它把污染土壤挖出并与起专性降解作用的微生物拌匀后堆成土堆，营养物质通过渗透的方法加入，污染物的降解条件则通过水分和氧气的供给进行优化;(2)生物农耕技术，它常常把污染土壤铺成一厚约0.5m的覆盖层，加人外来专性微生物或利用特异土著微生物，定期翻动以改善供氧条件，并适时补充水分和无机营养物质。

在西方发达国家，对原位微生物修复更为重视，主要包括:生物啜食法和生物通气法两项内容。(1)生物啜食法[12],主要采用本地微生物或实验室培养的具有特异功能的菌株降解污染物。采用把污染区域抽出加人营养物质和H202后再回灌到污染土壤，或经垂直井的慢速渗漏加入营养物质和氧气到污染土壤，优化降解的生态条件，特别是加人表面活性物质以降低污染物的毒性达到提高污染物降解能力。(2)生物通气法，结合蒸汽浸提技术优点，采用真空梯度井等方法把空气注人污染土壤以达到氧气的再补给，可溶性营养物质和水经垂直井或表面渗人予以补充。

2.2化学修复方法

化学修复是土壤有机污染修复的技术基础与工艺支撑。相对而言，污染土壤的化学修复发展较早，也比较成熟。其基本原理在于各种污染化学反应、物理化学反应或生物化学反应的应用及污染过程的控制。目前，应用到有机污染物去除领域的主要技术有:化学去卤法、化学还原法、化学氧化法和化学降解法等。

以一种新型的化学方法为例，污染物在进入土壤后,长时间受太阳辐射能发生光化学降解。污染物在土壤表面的光降解可分为直接光解和间接光解二类。污染物在土壤表面的直接光解速率依赖于目标污染物对太阳光谱的光吸收率以及化合物反应的量子产率。间接光解则需要光敏物质的存在才能进行[13],光敏剂和光猝灭剂分别作为光能的载体和受体,可改变污染物的光稳定性,加速或延缓污染物的光解,对污染物的毒性、残留、环境行为及环境安全评价和污染治理有重要作用。

从1978年农药的土壤光解性质成为美国国家环保局(USEPA)等机构对新农药注册的一项技术要求以来,土壤污染的光化学修复过程的研究就受到了极大的关注,并取得了一定的进展。

化学法在有机污染分析中也起着关键作用。土壤表面的吸附态有机物在被萃取过程中受到吸附-解吸平衡控制，其提取方法是分析工作中的薄弱环节。1995年Richter等提出了一种全新的萃取方法-加速溶剂萃取法[14]。其萃取速度快,溶剂用量少,操作简单,功能强大,萃取效率高,使用方便灵活,操作安全可靠,萃取残留少。因此，高效的化学分析手段在土壤修复中也起着重要的作用。

2.3物理修复方法

以石油产品渗漏污染土壤为例，其产生原因有地下贮罐的泄漏、输油管线的破裂、化工废弃物排入与油品溢出等，泄露的石油产品会造成土壤特性改变。土壤去除石油产品污染的方法之一是土壤通风去污技术。该技术是在土壤中打井引发空气流过污染土壤，使污染物能通过挥发而被清除。