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重金屬治理技術(shù)類型及其特點(diǎn)分析
發(fā)布時(shí)間：2014-08-30
一、重金屬治理技術(shù)類型及其特點(diǎn)分析
目前，針對(duì)重金屬污染土壤的治理技術(shù)主要有三種類型：物理法、化學(xué)法和生物法。
1.1物理法
通常包括客土法、熱解析和電動(dòng)修復(fù)等。
(1)客土法
對(duì)于污染嚴(yán)重的土壤，采用機(jī)械挖掘、清理干凈，再用潔凈的客土回填。污染土壤被轉(zhuǎn)移到固體廢物填埋場(chǎng)經(jīng)固化/穩(wěn)定化處理后進(jìn)行填埋處置，或者送往水泥窯處置。
對(duì)于污染較輕的土壤，通過(guò)在土壤表層加入大量干凈的客土后、翻耕混勻，使污染物濃度降低到國(guó)家土壤標(biāo)準(zhǔn)值之下；或者通過(guò)機(jī)械翻耕方式，將表層污染土壤與底層干凈土壤進(jìn)行位置互換，原來(lái)的表層土壤成為新的底層土壤，原來(lái)的底層土壤成為新的表層土壤，這樣減少了污染物與植物根系的接觸，從而達(dá)到減輕危害的目的。
優(yōu)點(diǎn)：客土法對(duì)于污染重、面積小的土壤具有非常明顯的修復(fù)效果，治理效果明顯、徹底。缺點(diǎn)：對(duì)于大面積污染土壤的修復(fù)不僅需要大量的人力、物力，成本高，而且潔凈土壤的來(lái)源也難以保障。另外，客土法容易破壞土壤結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致土壤肥力下降，而且轉(zhuǎn)移到下層的重金屬污染土壤很容易導(dǎo)致重金屬的釋放、轉(zhuǎn)移進(jìn)入地下水，造成新的地下水危害。
(2)熱解析法
通過(guò)對(duì)土壤加熱升溫，將揮發(fā)性污染物從土壤中解析出來(lái)，并進(jìn)行收集、處理。目前，熱解析法主要用于有機(jī)物污染土壤的修復(fù)，如石油污染土壤。對(duì)于揮發(fā)性重金屬(主要是汞、硒)污染土壤修復(fù)，理論上可以采用熱解的方法。但是，由于熱解析法需要在300°C左右進(jìn)行，易使土壤有機(jī)質(zhì)和結(jié)構(gòu)水遭到破壞而喪失土壤功能。同時(shí)，揮發(fā)的汞蒸汽等進(jìn)入大氣會(huì)造成二次污染。由于需要消耗大量能源，每立方米土壤的修復(fù)成本估計(jì)在1200~1500元人民幣左右。
(3)電動(dòng)修復(fù)
將電極插入受污染土壤，通過(guò)施加微弱電流形成電場(chǎng)，利用電場(chǎng)產(chǎn)生的電滲析、電遷移和電泳等效應(yīng)，驅(qū)動(dòng)土壤中的重金屬粒子沿電場(chǎng)方向定向遷移，從而將重金屬富集至電極區(qū)進(jìn)行集中處理或分離。電動(dòng)修復(fù)技術(shù)是一種原位修復(fù)技術(shù)，可有效去除土壤中的重金屬，但該技術(shù)局限性非常明顯，僅適用于小面積的污染區(qū)土壤修復(fù)。對(duì)于大面積污染農(nóng)田的修復(fù)而言，由于工藝復(fù)雜和成本高昂，該技術(shù)基本不具備可行性。
1.2化學(xué)法
根據(jù)土壤中重金屬的形態(tài)特點(diǎn)，通過(guò)在土壤中添加有機(jī)質(zhì)或化學(xué)藥劑，經(jīng)吸附、氧化還原、絡(luò)合、沉淀或者礦物學(xué)反應(yīng)，改變重金屬在土壤中的存在形態(tài)，降低其在土壤環(huán)境中的遷移能力和生物可利用性，大幅度降低植物對(duì)重金屬的吸收能力，使植物中重金屬濃度滿足食品質(zhì)量要求。常用的化學(xué)修復(fù)方法有原位化學(xué)穩(wěn)定化、化學(xué)淋洗、萃取分離等。
(1)原位化學(xué)穩(wěn)定化
通過(guò)向土壤中添加化學(xué)物質(zhì)，改變重金屬的形態(tài)或價(jià)態(tài)，將重金屬轉(zhuǎn)化為不易溶解、遷移能力差且毒性更小的化合物或礦物相形態(tài)，使得土壤中的重金屬不再具有遷移性和生物有效性，植物對(duì)重金屬的吸收大幅度降低，對(duì)食品安全不再構(gòu)成直接威脅。原位化學(xué)穩(wěn)定化技術(shù)是工程中常用的修復(fù)技術(shù)。
原位化學(xué)穩(wěn)定化要求科研人員根據(jù)土壤的物理、化學(xué)性質(zhì)、重金屬的類型和賦存形態(tài)確定穩(wěn)定化藥劑的配方，在保證重金屬穩(wěn)定化的基礎(chǔ)上，確保化學(xué)藥劑對(duì)農(nóng)田土壤不會(huì)帶來(lái)二次污染。
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優(yōu)點(diǎn)：可以實(shí)現(xiàn)大面積污染土壤的快速修復(fù)，成本較低，工藝過(guò)程簡(jiǎn)單。
缺點(diǎn)：被穩(wěn)定化的重金屬仍然存在于土壤之中，因此為了保證重金屬穩(wěn)定化的長(zhǎng)期效果，針對(duì)不同質(zhì)地類型的土壤和不同的重金屬賦存形態(tài)，必須采用不同的穩(wěn)定化藥劑配方。對(duì)項(xiàng)目實(shí)施單位的科研實(shí)力要求很高。
(2)化學(xué)淋洗法利用清水或化學(xué)溶劑把重金屬?gòu)耐寥?主要指輕質(zhì)土或砂質(zhì)土)中淋洗出來(lái)，俗稱給土壤洗澡。通過(guò)離子交換、沉淀、吸附和螯合等作用，把土壤中的重金屬轉(zhuǎn)移到淋洗液相中，再把含重金屬的淋洗液進(jìn)一步處理，回收重金屬，并循環(huán)淋洗液。
土壤淋洗技術(shù)中最重要的是找到合適的淋洗劑。理想的淋洗劑應(yīng)具備以下幾個(gè)條件：一是較高的穩(wěn)定性，其自身不易隨時(shí)間和環(huán)境的改變而分解；二是較強(qiáng)的結(jié)合性，即通過(guò)專性吸附、沉淀或共沉淀等作用機(jī)制對(duì)重金屬離子有較高的吸附結(jié)合能，從而使重金屬離子鈍化或失活；三是環(huán)境友好性，不會(huì)破壞土壤的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，不會(huì)對(duì)植物形成新的毒害；四是可操作性，淋洗劑應(yīng)成本低廉，可在實(shí)踐生產(chǎn)中大面積推廣應(yīng)用；五是普適性，理想的淋洗劑不僅可鈍化某一種重金屬離子，而且還可修復(fù)重金屬?gòu)?fù)合污染的土壤。
目前常用的淋洗劑對(duì)不同土壤、不同作物以及不同重金屬離子的修復(fù)效果中依然存在著一定的問(wèn)題。通常需要結(jié)合使用表面活性劑，淋洗劑的環(huán)境友好性沒(méi)法保證，使得化學(xué)淋洗后的土壤受到較為嚴(yán)重的二次污染。
優(yōu)點(diǎn)：對(duì)水溶性重金屬的去除效率很高，可快速修復(fù)污染土壤。對(duì)于低污染土壤，通過(guò)化學(xué)淋洗可以使土壤重金屬濃度接近或達(dá)到土壤的使用標(biāo)準(zhǔn)要求。
缺點(diǎn)：淋洗劑的環(huán)境友好性難以保證；除了水溶性重金屬外，對(duì)其他形態(tài)的重金屬去除效率較低。
(3)萃取分離法
通過(guò)化學(xué)萃取洗滌的方法將土壤中各種形態(tài)(包括離子交換態(tài)、碳酸鹽態(tài)、鐵錳氧化態(tài))的重金屬(如汞、鎘、鉛、砷、鉻、銅、鋅、錳等)以絡(luò)合物的形式萃取進(jìn)入萃取劑溶液中，再通過(guò)化學(xué)交換實(shí)現(xiàn)萃取劑再生和重金屬離子的去除。再生后的萃取劑回用于萃取過(guò)程，實(shí)現(xiàn)萃取劑的循環(huán)使用。修復(fù)后的土壤重金屬含量滿足國(guó)家農(nóng)田土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB15618-1995)要求。
萃取分離技術(shù)中最重要的是找到合適的萃取劑。理想的萃取劑應(yīng)具備以下幾個(gè)條件：一是較強(qiáng)的重金屬結(jié)合能力。通過(guò)萃取劑與重金屬結(jié)合使重金屬?gòu)耐寥李w粒表面溶解進(jìn)入萃取劑中，實(shí)現(xiàn)重金屬與土壤的剝離。二是環(huán)境友好。殘留在土壤中的萃取劑易于降解，不會(huì)破壞土壤的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，不會(huì)對(duì)植物形成新的毒害。三是經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)，萃取劑成本低，可在實(shí)踐生產(chǎn)中大面積推廣應(yīng)用；四是普適性強(qiáng)，理想的萃取劑可修復(fù)重金屬?gòu)?fù)合污染的土壤。
優(yōu)點(diǎn)：可以快速、徹底修復(fù)重金屬污染土壤。
缺點(diǎn)：萃取劑的選擇非常困難，既要滿足重金屬萃取分離的要求，又要滿足生物降解和毒性殘留的要求。
1.3生物修復(fù)法
生物修復(fù)是利用微生物或植物的生命代謝活動(dòng)，對(duì)土壤中的重金屬進(jìn)行富集或提取，通過(guò)生物作用改變重金屬在土壤中的化學(xué)形態(tài)，使重金屬固定或解毒，降低其在環(huán)境中的遷移性和生物可利用性。現(xiàn)階段常見(jiàn)的生物修復(fù)技術(shù)包括植物修復(fù)和微生物修復(fù)。
(1)植物修復(fù)
植物修復(fù)是利用某些植物能忍耐和超量積累某種重金屬的特性來(lái)清除土壤中的重金屬，其修復(fù)方式有以下幾種：植物提取、植物揮發(fā)和植物固定，其中最有前景的是植物提取技術(shù)。
植物修復(fù)技術(shù)具有一些明顯不足之處。主要表現(xiàn)在：
①超富集植物個(gè)體矮小，生長(zhǎng)緩慢。由于生物量小，所以重金屬富集量小。修復(fù)周期太長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)上并不合理。這是目前限制超富集植物大規(guī)模應(yīng)用于植物修復(fù)的最重要因素。
②植物修復(fù)土壤只能局限在植物根系所能延伸的范圍內(nèi)，一般不超過(guò)20 cm土層厚度。
③超富集植物對(duì)重金屬具有較強(qiáng)的選擇性和拮抗性，即某種植物一般只對(duì)某一種重金屬具有富集能力，而其它重金屬的存在將明顯降低該植物對(duì)其目標(biāo)重金屬的吸收能力。但是，土壤重金屬污染多為幾種重金屬?gòu)?fù)合污染，且常常伴生有機(jī)污染，因此，用一種超富集植物難以全面清除土壤中的所有污染物。
④富集了重金屬的超富集植物需收割，并應(yīng)作為廢棄物妥善處置，后處理成本較高。
⑤目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的重金屬超富集植物多屬于野生植物，異地引種將對(duì)當(dāng)?shù)氐纳锒鄻有詷?gòu)成潛在威脅。
(2)微生物修復(fù)
微生物修復(fù)是利用土壤中的某些微生物對(duì)一種或多種重金屬具有吸收、沉淀、氧化和還原等作用來(lái)降低土壤重金屬的毒性或者通過(guò)微生物來(lái)促進(jìn)植物對(duì)重金屬的吸收。主要包含兩種技術(shù)：生物固定技術(shù)和生物氧化還原技術(shù)。
生物固定技術(shù)：重金屬被活的或死的微生物體吸附固定的過(guò)程。某些微生物如藍(lán)細(xì)菌、硫酸還原菌以及某些藻類能夠產(chǎn)生具有大量陽(yáng)離子基團(tuán)的胞外聚合物如多糖、糖蛋白等，并與重金屬形成絡(luò)合物。
生物氧化還原：利用微生物的活動(dòng)可對(duì)重金屬離子進(jìn)行氧化、還原、甲基化和脫甲基化作用，改變重金屬離子的氧化還原狀態(tài)，降低土壤環(huán)境中重金屬離子的生物有效性。
優(yōu)點(diǎn)：修復(fù)成本低，操作簡(jiǎn)單。
缺點(diǎn)：微生物修復(fù)的專一性強(qiáng)，其活性與溫度、水分、氧氣、pH值等土壤環(huán)境條件緊密相關(guān)，因此，很難同時(shí)修復(fù)多種復(fù)合重金屬污染土壤。此外，這種方法應(yīng)用難度大，目前尚未獲得突破性進(jìn)展，且停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段。
1.4各種技術(shù)的評(píng)價(jià)
(1)物理法中的客土法，需要大量干凈土壤進(jìn)行置換，土壤轉(zhuǎn)移量大，成本高。只適合于小面積污染土壤的治理。物理法中的其他方法(電解析法和熱解法)目前還停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段。
(2)化學(xué)法中的原位穩(wěn)定化方法在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用比較成熟，工程實(shí)施比較容易，成本可以接受。
化學(xué)法中的淋洗技術(shù)由于淋洗劑的環(huán)境友好特性難以滿足，尚不能大規(guī)模應(yīng)用于重金屬污染土壤的修復(fù)。
化學(xué)法中的萃取技術(shù)可以有效地將土壤中的重金屬萃取、分離，可以應(yīng)用于工業(yè)場(chǎng)地和農(nóng)田土壤的修復(fù)。
(3)生物法中的植物修復(fù)技術(shù)由于修復(fù)時(shí)間太長(zhǎng)、且不適合于復(fù)合重金屬污染的治理，一般很少應(yīng)用于工業(yè)用地和農(nóng)田土壤的修復(fù)。比較適合于重金屬礦山土壤的水土保持和生態(tài)恢復(fù)。
生態(tài)法中的微生物修復(fù)技術(shù)由于微生物的專一性受土壤環(huán)境的影響太大，使得該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用還有很大的差距，目前尚停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段。
二、重金屬污染場(chǎng)地及污染土壤修復(fù)的相關(guān)技術(shù)應(yīng)用分析
2.1工業(yè)污染場(chǎng)地
重金屬工業(yè)污染場(chǎng)地主要來(lái)源于城市建成區(qū)內(nèi)工廠搬遷、老舊工廠倒閉、金屬冶煉企業(yè)不規(guī)范生產(chǎn)所致。對(duì)于這類場(chǎng)地的修復(fù)主要有以下幾種用途：住宅用地或商業(yè)用地、園林綠化用地。
2.1.1工業(yè)污染場(chǎng)地修復(fù)→用作住宅用地或商業(yè)用地
這種情況經(jīng)常發(fā)生在城市擴(kuò)建過(guò)程中。這類場(chǎng)地修復(fù)至少應(yīng)該達(dá)到國(guó)家《展覽會(huì)用地土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(HJ350-2007)。
通常采用的技術(shù)包括：(1)客土法。需要大量干凈的土壤，對(duì)污染土壤進(jìn)行置換。不僅成本高，而且污染土壤需要轉(zhuǎn)移、處置。
(2)重污染土壤清理+重金屬原位穩(wěn)定化。經(jīng)過(guò)詳細(xì)檢測(cè)，將污染場(chǎng)地重的重污染點(diǎn)土壤進(jìn)行清理，經(jīng)重金屬藥劑穩(wěn)定化后該土壤可以用作路基填料。清理后的場(chǎng)地采用原位穩(wěn)定化進(jìn)行重金屬固定，使其不再浸出。
(3)采用土壤淋洗技術(shù)或者土壤重金屬萃取技術(shù)，將重金屬?gòu)耐寥乐蟹蛛x出來(lái)，清洗干凈的土壤再回填。
對(duì)于上述(2)和(3)的選擇可以根據(jù)修復(fù)成本和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)來(lái)確定。
2.1.2工業(yè)污染場(chǎng)地修復(fù)→用作園林綠化用地
目前這類土壤修復(fù)尚無(wú)國(guó)家或者地方標(biāo)準(zhǔn)。為了減少重金屬對(duì)土壤的污染，其修復(fù)后的重金屬土壤浸出濃度應(yīng)該達(dá)到國(guó)家地下水標(biāo)準(zhǔn)(GB14848-93)III類水質(zhì)要求。目前比較合適的技術(shù)為重金屬原位化學(xué)固定化技術(shù)。
2.2農(nóng)田污染土壤的修復(fù)
農(nóng)田污染土壤的修復(fù)要求最為嚴(yán)格，有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)需要滿足：《食用農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(HJ332-2006)和《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618-1995)。
由于《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)土壤中重金屬嚴(yán)格按照總量控制，只有化學(xué)法中的淋洗技術(shù)和萃取技術(shù)才有可能滿足此要求。
原位化學(xué)穩(wěn)定化技術(shù)可以將土壤中的重金屬形態(tài)轉(zhuǎn)化為礦物相形態(tài)，使土壤重金屬的浸出濃度滿足《國(guó)家地下水標(biāo)準(zhǔn)》(GB14848-93)中的III類水質(zhì)要求，從而使其糧食作物滿足《食用農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(HJ332-2006)要求，但是由于重金屬被原位固定在土壤之中，并沒(méi)有從土壤中分離出來(lái)，所以土壤中重金屬濃度難以滿足《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618-1995)要求。