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污染的土地如何做生态修复?

发布日期:2020/7/27 来源:雷竞技平台省环境保护协会 点击:45

01土地重金属污染的生态修复

(一)土地重金属污染的概念

重金属是指相对密度在4.0以上约60种元素或相对密度在5.0以上的45种元素。环境污染方面所指的重金属主要是指生物毒性显著的Hg,Cd,Pb,Cr,Zn,Cu,Co,Ni,Sn等以及类金属As,Se,还包括V,Be,Al等污染物。虽然Cu,Zn等重金属也是植物生长所必需的微量元素,但当它们进入土地中的量超过土地的自净能力,而且对土地、植物和动物造成损害时,土地就产生重金属污染。土地中Fe和Mn含量通常较高,但在一般情况下不构成对生物的污染。如果在强还原条件下,Fe和Mn所引起的毒害也需要特别关注。

在一般意义上,土地重金属污染主要指Cr,Cd,As,Pb,Hg,Cu,Ni,Zn等8大元素,这些元素在过量情况下有较大的生物毒性并可通过食物链对人类健康带来威胁。

(二)土地重金属污染的生态修复

土地重金属污染的生态修复技术,主要有下述工程修复技术、物理-化学修复技术、生物修复技术以及联合修复技术等(员学锋等,2018;张凤荣等,2006;李天杰等,1995)。

1)工程修复技术。土地重金属污染修复的工程技术主要有:

①客土技术。是在被污染的土地上覆盖上非污染土地。

②换土技术。是部分或全部挖除污染土地而换上非污染土地。

③水洗技术。是采用清水灌溉稀释或洗去重金属离子,使重金属离子排出地块以外或迁移至较深土层中。后两种方法都需要防止次生污染。

2)物理-化学修复技术。土地重金属污染修复的物理化学技术主要有:

①施用改良剂技术。指向土地中施加化学物质,以降低重金属的活性,控制重金属进入食物链。常用的改良剂有石灰、碳酸钙、磷酸盐、钢渣、膨润土、粉煤灰、沸石、胡敏酸、堆肥、鸡粪等改良剂。

②玻璃化技术。该技术是应用高温熔融使重金属玻璃化,对于处理As,Pb,Cr污染有较好效果。

③电动技术。在污染土地中插入阴阳电极并通以低强度电流,使重金属在电解、电迁移、电渗和电泳等的作用下在阳(或阴)极被移走。该技术适合于低渗透的黏土和淤泥土,但不适用于渗透性好、传导性差的沙性土。

④热解吸技术。将污染土地加热,使土地中挥发性较高的重金属受热挥发,主要用于金属汞的处理。

⑤固化/稳定化技术。应用化学改良剂或稳定剂和重金属间的吸附、离子交换、有机络合等相互作用,降低其迁移性和生物有效性,将其长期固定在土地中,是目前重金属污染土地生态修复经济有效的方法之一。常用的稳定剂包括石灰、赤泥、天然沸石、生物炭、土肥、泥炭、纳米吸附材料等。

⑥化学淋洗技术。向受到重金属污染的土地中加入有特殊化学成分的淋洗液,利用水利学或机械搅动土地颗粒洗脱污染物的方法。常用的淋洗溶剂有螯合剂、酸/碱溶液、络合剂、表面活性炭等。

3)生物修复技术。土地重金属污染修复的生物技术主要有:

①微生物修复技术。主要是利用某些特殊微生物对重金属有吸收、沉淀、氧化和还原等作用,从而降低土地中重金属的毒性。

②植物修复技术。主要是通过超富集植物富集土地中的重金属并转移到植物的可收割部分,从而达到修复土地中重金属的目的。目前已发现的超富集植物有700种以上,如羽叶鬼针草、酸模、香根草等铅超富集植物,印度芥菜、芸苔、芜菁等锌超富集植物等。

③动物修复技术。通过土地环境中的某些低等动物,如蚯蚓、鼠类等来吸收、降解或转移土地中的重金属,以达到修复目的。

④菌根修复技术。通过菌根真菌改变植物对重金属的吸收和转移,降低植物对重金属吸收的有效性和毒害性。

4)联合修复技术。它是将若干单项技术相互组合,发挥各自优势,以实现高效修复的目的。如生物联合修复、物理化学联合修复、基因工程联合修复等。

(三)土地重金属污染的防控措施

土地一旦遭到重金属污染,其修复是长期和困难的,成本也非常巨大。因此,土地污染的预防控制比治理修复更为重要。污染源的预防控制是避免土地污染的最根本和最重要的措施。目前主要的防控措施包括:

①发展清洁工艺。主要是从原料到产品最终处理的全过程中减少“三废”的排放量,以减轻对环境的影响。

②控制工业废弃排放。严格控制工业废弃的超标准排放,尽量减少废弃中重金属的含量。

③控制污水灌溉农田。严格禁止污水超标排放,尽量减少污染中重金属的含量。

④加强固体废弃物处置。部分垃圾、煤矸石和金属矿山尾矿库中含有大量的重金属,由于长期淋溶会进入土地,因此应加强含重金属废物如电池的回收和煤矸石山、尾矿山的绿化及整治。

⑤隔离法。使用各种防渗材料,如水泥、黏土、石板等,把污染土地与未污染土地或水体分开,以减少或阻止污染物扩散到其他土地或水体的做法。常用的方法有泥浆墙、地下冷冻等。

⑥加强土地水分管理。土地氧化还原定位在很大程度上控制着水田中重金属的行为,因而可以通过调节土地水分来控制农田中的重金属行为。如生长在氧化条件下的水稻,含镉量比生长在还原条件下的高得多,糙米中的含量可以相差6倍。这是由于不同氧化还原状态,某些重金属的形态是不相同的,尤其是易吸收态有较大差别所致。

(四)重金属污染土地的利用调整

对于已经被重金属污染的土地,上述生态修复措施的难度和成本都很高,但可以通过调整利用结构和采用适宜的复垦利用方式,来达到生态修复的目的。在通常情况下,污染土地利用的目标是非食用之物,如作为林业用途、绿地、停车场、仓储用地或旅游用地等。通过辅助采用表土剥离法、客土覆盖法等工程方法,实现土地生态修复治理的目的。

湖南省的田间小区试验表明,Cd污染土壤(全Cd含量1.08毫克/千克)改制玉米(早稻改种春玉米、晚稻改种秋玉米)皆可避开当季农产品的Cd污染风险,稻-玉轮作配合钝化措施可确保农产品的质量安全,而玉-稻轮作则可采用春玉米食用与晚稻作为富集植物修复Cd污染土壤的生态循环减控模式,实现农产品安全生产和修复Cd污染土壤的双重目的(谢运河等,2014)。湖北省大冶市重金属镉污染比较严重,局部地区超过正常标准80倍左右。通过镉污染稻田改种棉花,大大节约了修复成本,同时也阻断了镉向食物链转移(胡蓉等,2017)。湖北省另一项田间试验结果表明,水田改良区苎麻,地下根茎和地上茎叶镉累积率分别为258%和91%;旱地改良区改种苎麻,其地下根茎和地上茎叶镉累积率分别为315%和127%;水田和旱地苎麻总吸镉率为1.67%和2.21%。大田调查结果苎麻地下根茎和地上茎叶镉累积率分别为208%和83%,总吸镉率为1.45%。试验表明苎麻实际对水田和旱地土壤镉的降低率分别为2.65%和3.17%。耕地改种采用苎麻后,既可以切断镉随食物链对人体的危害,也具有很好的经济效益。

02 土地有机物污染的生态修复

(一)土地化学农药污染的生态修复

人类从20世纪40年代起开始使用农药除虫除草,每年挽回农业总产量15%左右的损失。世界上化学农药年产量已达数百万吨,品种超过1000种,常用的有250种左右。最早使用的农药为无机化合物。在1940年前后开始使用DDT和六六六等有机氯化合物农药,由于它们价格便宜,并具有长效杀虫能力,因而很快推广,成为最主要的农药品种。有机氯农药有积累性,不易降解,从60年代起许多国家开始禁止或限制使用,逐渐为50年代出现的有机磷农药所取代。但有些学者认为有机氯农药的毒性尚不能定论,有机氯除草剂还有应用。有机农药可分为有机磷农药、有机氯农药、有机氮农药、有机硫农药、有机金属农药,以及含硝基、酰胺、腈基、均三氮苯等基团的有机农药。在上述几大类有机农药中,论应用历史以有机氯农药为最长,论品种则以有机磷农药为最多。据统计,中国每年农药使用面积达1.8亿公顷,20世纪50年代以来使用的六六六达到400万吨、DDT达50多万吨,受污染的农田1330万公顷。农田耕作层中六六六、DDT的残留量分别为0.72×10-6和0.42×10-6;土壤中累积的DDT总量约为8万吨。粮食中有机氯的检出率为100%,小麦中六六六含量超标率为95%。20世纪80年代禁止生产和使用有机氯农药后,代之以有机磷、氨基甲酸酯类农药,但其中一些品种比有机氯的毒性大10倍甚至100倍,农药对环境的排毒系数比1983年还高,而且,这些农药虽然低残留,但有一部分与土壤形成结合残留物,虽然可暂时避免分解或矿化,但一旦由于微生物或土壤动物活动而释放,仍将产生难以估计的危害(杜蕙,2010)。

土地的化学农药污染,其生态修复技术主要包括物理修复技术、化学修复技术和生物修复技术。物理修复技术是指通过温度、电动力或者其他物理因素将农药污染物从土地中分离出来的修复技术,常用的有热脱附、蒸汽浸提、通风、固化和填埋等。化学修复技术主要包括化学淋洗技术、还原脱氯修复技术、氧化还原修复技术以及溶剂浸提等技术(鞠晓璇等,2016)。虽然物理和化学修复技术可以达到一定的效果,但其存在能耗大、环境不友好等问题。相对而言生物修复技术具有操作简单、处理费用低、效果良好、可以就地进行处理等优点,得到越来越多的广泛采用。生物修复技术主要包括微生物修复技术、植物修复技术和动物修复技术,前二者得到更广泛的采用。微生物修复主要是通过微生物的酶促反应,直接对农药产生降解作用;同时微生物还通过矿化作用、共代谢作用和种间协同代谢改变土壤的理化性质,而间接起到降解农药的作用。植物修复主要是利用植物积累、代谢、转化功能并与根际微生物协同作用,去除、转移或降解化学农药污染物。例如,顶孢霉菌和芽孢杆菌可降解有机磷农药,尖孢镰刀菌和白耙齿菌可降解有机氯农药,甘薯、芋头、豇豆、芦苇可修复被有机氯农药污染的土地,番茄、美人蕉、凤眼莲可修复被有机磷农药污染的土地(王新等,2016)。

(二)土地其他有机污染的生态修复

其他有机污染物主要是石油烃类污染,以及天然有机污染物和人工合成有毒有机物。天然有机污染物主要来自纤维工业,如纸浆厂、造纸厂、木材加工厂、纺织印染厂等工业废水,以及制糖工业、淀粉加工工业、发酵工业(如酒精厂、啤酒厂、味精厂、发酵法制药厂)等工业废水、废醪;人工合成有毒有机物,除有机农药以外,主要是:酚类物质、氧化物、多氯联苯、稠环芳烃、有机合成洗涤剂,以及含增塑剂、添加剂的废塑料和废橡胶等。这些有机物主要来自有机化工厂、炼油、炼焦等工业废水、废气、污泥;而城市垃圾、污水、污泥中既含有天然有机物,又含有人工合成有机物,成分复杂多变。其他有机污染物的生态修复技术,包括微生物修复技术、植物修复技术、植物-微生物联合修复技术、物理化学-生物耦合修复技术等,以及最新方法,如分子生物学技术中的变性梯度凝胶电泳和降解基因等。

物理方法主要包括热处理法、隔离法、换土法、焚烧法、空气吹脱法等。化学方法主要包括萃取法、土壤洗涤法、化学氧化法、光催化法、CSP法等。物理和化学方法通常被认为修复效果有限,费用高,且容易造成二次污染。相比较而言,生物修复方法依托生物对污染物的富集、吸收以及降解能力,可以避免物理和化学修复方法的上述缺陷,具有更广阔的应用前景。微生物原位修复技术,主要是通过投加营养物质促进某些微生物大量繁殖,投加表面活性剂和生物膨胀剂促进微生物对石油等有机污染物的降解,以及引入特异性微生物来吸收降解石油等有机污染物,去除其他土地有机污染物。微生物异位修复技术,主要是通过预制床法、堆肥法、生物反应器法等,对土地中其他有机污染物的去除过程在异地进行。植物修复技术的原理主要包括3个方面:植物对于有机物的直接吸收;植物的分泌物,如硝酸盐还原酶可以还原TNT等成分;植物通过提高根系微生物的数量和活性去除有机污染物。其中,植物能够直接吸收的组分主要为二甲苯、含氯有机溶剂和短链脂肪族化合物。在各类生态修复技术中,物理、化学和生物方法通常应当结合使用,会大大提高修复功效。

03 土地固废物污染的生态修复

(一)土地固体废弃物的分类

所谓土地固废物,是土地固体废弃物的简称,主要是指社会生产、流通、消费等活动中被丢弃在土地上的固态和泥状赋存物质。按来源主要可以分为5大类:

①工业固体废弃物。包括冶金废渣、采矿废渣、染料废渣、化工废渣、建材工业废渣等。

②农业固体废弃物。主要是农作物收割、畜禽养殖、农产品加工过程中排出的大量废弃物。

③放射性固体废弃物。主要是核燃料生产加工、同位素应用、核电站、核研究机构、医疗单位、放射性废弃处理设施产生的废物。

④城市垃圾。主要是居民生活及机关团队和其他公共设施如医院、商店等产生的固体废弃物,包括废纸、厨房垃圾、废塑料、废电池等。

⑤有害固体废弃物。国际上称之为危险固体废弃物。这类废弃物除放射性物质以外,具有毒性、易燃性、反应性、腐蚀性、爆炸性、传染性,因而可能对人类的生活环境产生危害的废物(陈英旭,2001)。

(二)土地固体废弃物的修复

土地固体废弃物污染的生态修复,主要采用以下4个方面方法进行处置:

1)资源化法。通过各种方法从固体废弃物中回收或制取物质和能源,将废物转化为资源,同时达到生态修复目的的方法。具体利用途径主要包括:做工业原料、做能源回收、做土壤改良剂和肥料、做建筑材料、做包装材料直接利用等。

2)物化生处理法。固体废弃物通过物理的、化学的、生物的方法,以加速废弃物在环境中的再循环,使其减容化、无害化、稳定化和安全化的方法,称为物化生处理法:

①物理处理。是通过压实、破碎、分选、增稠、吸附、萃取等改变固化废弃物的结构,使之成为便于运输、储存、利用或处置的形态。

②化学处理。包括氧化、还原、综合、化学沉淀和化学溶出等方法,破坏固体废弃物中的有害成分从而达到无害化的一种方法。

③生物处理。主要是利用微生物通过好氧处理、厌氧处理、兼性厌氧处理等,分解固体废弃物中的可降解有机物,从而达到无害化、综合利用和生态修复的目的。

④热处理。是通过高温破坏和改变固体废弃物组成和结构,同时达到减容、无害化、综合利用和生态修复的目的。热处理方法包括焚化、热解、湿式氧化以及焙烧、烧结等。

⑤微波处理。使用微波技术对放射性废物、工业原油、污泥等进行处置,已达到生态修复的目的。

3)安全终端处置法。它是指固体废弃物的最终处置或安全处置,是固体废弃物污染控制的末端环节,主要包括海洋处置和陆地处置两大类:

①海洋处置。主要分为海洋倾倒与远洋焚烧两种,但随着海洋污染防治重要性认识的提高,海洋处置已受到越来越多的限制。

②陆地处置。包括土地耕作、工程库或贮留池贮存、土地填埋以及深井灌注几种。土地填埋法因其工艺简单、成本较低、适于处置多种类型的废物,目前已成为一种处置固体废物最常用的一种方法。按法律可分为卫生填埋和安全填埋等。用卫生填埋来处置城市垃圾,不仅操作简单,施工方便,费用低廉,还可同时回收甲烷气体,目前在国内外被广泛采用。在进行卫生填埋场地选择、设计、建造、操作和封场过程中,应着重考虑防止浸出液的渗漏、降解气体的释出控制、臭味和病原菌的消除、场地的开发利用等几个主要问题。国内外土地填埋已由原始废物的直接填埋转向填埋处理前先进行预处理,例如先经过焚烧,对焚烧残渣再进行填埋,这样可使填埋容积减少80%左右。

4)土地复垦利用。对固体废弃物堆场及其附近污染的土地进行复垦利用,是生态修复的重要路径。其主要方式是直接恢复植被,避免污染物向食物链转移,达到生态修复的目的。土地直接恢复植被一般包括5个阶段:可行性论证、复垦整地、植物品种选择、适地栽植和抚育管理。

该生态修复措施关键是要把握好两大内容:

①生境建设。包括地貌重塑工程、土体再造工程和土壤培肥工程,其核心是“造地”,即为生物群落建造一个良好的生境。

②群落建设。包括植物重建工程、微生物引入和发展、动物引入和发展。其核心是植被,即在建好的生境上建立人工植被,形成人工群落。




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