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重金屬治理技術類型及其特點分析
發布時間：2014-08-30
一、重金屬治理技術類型及其特點分析
目前，針對重金屬污染土壤的治理技術主要有三種類型：物理法、化學法和生物法。
1.1物理法
通常包括客土法、熱解析和電動修復等。
(1)客土法
對于污染嚴重的土壤，采用機械挖掘、清理干凈，再用潔凈的客土回填。污染土壤被轉移到固體廢物填埋場經固化/穩定化處理后進行填埋處置，或者送往水泥窯處置。
對于污染較輕的土壤，通過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家土壤標準值之下；或者通過機械翻耕方式，將表層污染土壤與底層干凈土壤進行位置互換，原來的表層土壤成為新的底層土壤，原來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，從而達到減輕危害的目的。
優點：客土法對于污染重、面積小的土壤具有非常明顯的修復效果，治理效果明顯、徹底。缺點：對于大面積污染土壤的修復不僅需要大量的人力、物力，成本高，而且潔凈土壤的來源也難以保障。另外，客土法容易破壞土壤結構，導致土壤肥力下降，而且轉移到下層的重金屬污染土壤很容易導致重金屬的釋放、轉移進入地下水，造成新的地下水危害。
(2)熱解析法
通過對土壤加熱升溫，將揮發性污染物從土壤中解析出來，并進行收集、處理。目前，熱解析法主要用于有機物污染土壤的修復，如石油污染土壤。對于揮發性重金屬(主要是汞、硒)污染土壤修復，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左右進行，易使土壤有機質和結構水遭到破壞而喪失土壤功能。同時，揮發的汞蒸汽等進入大氣會造成二次污染。由于需要消耗大量能源，每立方米土壤的修復成本估計在1200~1500元人民幣左右。
(3)電動修復
將電極插入受污染土壤，通過施加微弱電流形成電場，利用電場產生的電滲析、電遷移和電泳等效應，驅動土壤中的重金屬粒子沿電場方向定向遷移，從而將重金屬富集至電極區進行集中處理或分離。電動修復技術是一種原位修復技術，可有效去除土壤中的重金屬，但該技術局限性非常明顯，僅適用于小面積的污染區土壤修復。對于大面積污染農田的修復而言，由于工藝復雜和成本高昂，該技術基本不具備可行性。
1.2化學法
根據土壤中重金屬的形態特點，通過在土壤中添加有機質或化學藥劑，經吸附、氧化還原、絡合、沉淀或者礦物學反應，改變重金屬在土壤中的存在形態，降低其在土壤環境中的遷移能力和生物可利用性，大幅度降低植物對重金屬的吸收能力，使植物中重金屬濃度滿足食品質量要求。常用的化學修復方法有原位化學穩定化、化學淋洗、萃取分離等。
(1)原位化學穩定化
通過向土壤中添加化學物質，改變重金屬的形態或價態，將重金屬轉化為不易溶解、遷移能力差且毒性更小的化合物或礦物相形態，使得土壤中的重金屬不再具有遷移性和生物有效性，植物對重金屬的吸收大幅度降低，對食品安全不再構成直接威脅。原位化學穩定化技術是工程中常用的修復技術。
原位化學穩定化要求科研人員根據土壤的物理、化學性質、重金屬的類型和賦存形態確定穩定化藥劑的配方，在保證重金屬穩定化的基礎上，確保化學藥劑對農田土壤不會帶來二次污染。
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優點：可以實現大面積污染土壤的快速修復，成本較低，工藝過程簡單。
缺點：被穩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定化的長期效果，針對不同質地類型的土壤和不同的重金屬賦存形態，必須采用不同的穩定化藥劑配方。對項目實施單位的科研實力要求很高。
(2)化學淋洗法利用清水或化學溶劑把重金屬從土壤(主要指輕質土或砂質土)中淋洗出來，俗稱給土壤洗澡。通過離子交換、沉淀、吸附和螯合等作用，把土壤中的重金屬轉移到淋洗液相中，再把含重金屬的淋洗液進一步處理，回收重金屬，并循環淋洗液。
土壤淋洗技術中最重要的是找到合適的淋洗劑。理想的淋洗劑應具備以下幾個條件：一是較高的穩定性，其自身不易隨時間和環境的改變而分解；二是較強的結合性，即通過專性吸附、沉淀或共沉淀等作用機制對重金屬離子有較高的吸附結合能，從而使重金屬離子鈍化或失活；三是環境友好性，不會破壞土壤的結構和性質，不會對植物形成新的毒害；四是可操作性，淋洗劑應成本低廉，可在實踐生產中大面積推廣應用；五是普適性，理想的淋洗劑不僅可鈍化某一種重金屬離子，而且還可修復重金屬復合污染的土壤。
目前常用的淋洗劑對不同土壤、不同作物以及不同重金屬離子的修復效果中依然存在著一定的問題。通常需要結合使用表面活性劑，淋洗劑的環境友好性沒法保證，使得化學淋洗后的土壤受到較為嚴重的二次污染。
優點：對水溶性重金屬的去除效率很高，可快速修復污染土壤。對于低污染土壤，通過化學淋洗可以使土壤重金屬濃度接近或達到土壤的使用標準要求。
缺點：淋洗劑的環境友好性難以保證；除了水溶性重金屬外，對其他形態的重金屬去除效率較低。
(3)萃取分離法
通過化學萃取洗滌的方法將土壤中各種形態(包括離子交換態、碳酸鹽態、鐵錳氧化態)的重金屬(如汞、鎘、鉛、砷、鉻、銅、鋅、錳等)以絡合物的形式萃取進入萃取劑溶液中，再通過化學交換實現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程，實現萃取劑的循環使用。修復后的土壤重金屬含量滿足國家農田土壤質量標準(GB15618-1995)要求。
萃取分離技術中最重要的是找到合適的萃取劑。理想的萃取劑應具備以下幾個條件：一是較強的重金屬結合能力。通過萃取劑與重金屬結合使重金屬從土壤顆粒表面溶解進入萃取劑中，實現重金屬與土壤的剝離。二是環境友好。殘留在土壤中的萃取劑易于降解，不會破壞土壤的結構和性質，不會對植物形成新的毒害。三是經濟性強，萃取劑成本低，可在實踐生產中大面積推廣應用；四是普適性強，理想的萃取劑可修復重金屬復合污染的土壤。
優點：可以快速、徹底修復重金屬污染土壤。
缺點：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生物修復法
生物修復是利用微生物或植物的生命代謝活動，對土壤中的重金屬進行富集或提取，通過生物作用改變重金屬在土壤中的化學形態，使重金屬固定或解毒，降低其在環境中的遷移性和生物可利用性。現階段常見的生物修復技術包括植物修復和微生物修復。
(1)植物修復
植物修復是利用某些植物能忍耐和超量積累某種重金屬的特性來清除土壤中的重金屬，其修復方式有以下幾種：植物提取、植物揮發和植物固定，其中最有前景的是植物提取技術。
植物修復技術具有一些明顯不足之處。主要表現在：
①超富集植物個體矮小，生長緩慢。由于生物量小，所以重金屬富集量小。修復周期太長，經濟上并不合理。這是目前限制超富集植物大規模應用于植物修復的最重要因素。
②植物修復土壤只能局限在植物根系所能延伸的范圍內，一般不超過20 cm土層厚度。
③超富集植物對重金屬具有較強的選擇性和拮抗性，即某種植物一般只對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其目標重金屬的吸收能力。但是，土壤重金屬污染多為幾種重金屬復合污染，且常常伴生有機污染，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，并應作為廢棄物妥善處置，后處理成本較高。
⑤目前已經發現的重金屬超富集植物多屬于野生植物，異地引種將對當地的生物多樣性構成潛在威脅。
(2)微生物修復
微生物修復是利用土壤中的某些微生物對一種或多種重金屬具有吸收、沉淀、氧化和還原等作用來降低土壤重金屬的毒性或者通過微生物來促進植物對重金屬的吸收。主要包含兩種技術：生物固定技術和生物氧化還原技術。
生物固定技術：重金屬被活的或死的微生物體吸附固定的過程。某些微生物如藍細菌、硫酸還原菌以及某些藻類能夠產生具有大量陽離子基團的胞外聚合物如多糖、糖蛋白等，并與重金屬形成絡合物。
生物氧化還原：利用微生物的活動可對重金屬離子進行氧化、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，降低土壤環境中重金屬離子的生物有效性。
優點：修復成本低，操作簡單。
缺點：微生物修復的專一性強，其活性與溫度、水分、氧氣、pH值等土壤環境條件緊密相關，因此，很難同時修復多種復合重金屬污染土壤。此外，這種方法應用難度大，目前尚未獲得突破性進展，且停留在實驗室研究階段。
1.4各種技術的評價
(1)物理法中的客土法，需要大量干凈土壤進行置換，土壤轉移量大，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)目前還停留在實驗室研究階段。
(2)化學法中的原位穩定化方法在國內外的應用比較成熟，工程實施比較容易，成本可以接受。
化學法中的淋洗技術由于淋洗劑的環境友好特性難以滿足，尚不能大規模應用于重金屬污染土壤的修復。
化學法中的萃取技術可以有效地將土壤中的重金屬萃取、分離，可以應用于工業場地和農田土壤的修復。
(3)生物法中的植物修復技術由于修復時間太長、且不適合于復合重金屬污染的治理，一般很少應用于工業用地和農田土壤的修復。比較適合于重金屬礦山土壤的水土保持和生態恢復。
生態法中的微生物修復技術由于微生物的專一性受土壤環境的影響太大，使得該技術的實際應用還有很大的差距，目前尚停留在實驗室研究階段。
二、重金屬污染場地及污染土壤修復的相關技術應用分析
2.1工業污染場地
重金屬工業污染場地主要來源于城市建成區內工廠搬遷、老舊工廠倒閉、金屬冶煉企業不規范生產所致。對于這類場地的修復主要有以下幾種用途：住宅用地或商業用地、園林綠化用地。
2.1.1工業污染場地修復→用作住宅用地或商業用地
這種情況經常發生在城市擴建過程中。這類場地修復至少應該達到國家《展覽會用地土壤環境質量評價標準》(HJ350-2007)。
通常采用的技術包括：(1)客土法。需要大量干凈的土壤，對污染土壤進行置換。不僅成本高，而且污染土壤需要轉移、處置。
(2)重污染土壤清理+重金屬原位穩定化。經過詳細檢測，將污染場地重的重污染點土壤進行清理，經重金屬藥劑穩定化后該土壤可以用作路基填料。清理后的場地采用原位穩定化進行重金屬固定，使其不再浸出。
(3)采用土壤淋洗技術或者土壤重金屬萃取技術，將重金屬從土壤中分離出來，清洗干凈的土壤再回填。
對于上述(2)和(3)的選擇可以根據修復成本和環境風險評價來確定。
2.1.2工業污染場地修復→用作園林綠化用地
目前這類土壤修復尚無國家或者地方標準。為了減少重金屬對土壤的污染，其修復后的重金屬土壤浸出濃度應該達到國家地下水標準(GB14848-93)III類水質要求。目前比較合適的技術為重金屬原位化學固定化技術。
2.2農田污染土壤的修復
農田污染土壤的修復要求最為嚴格，有兩個標準需要滿足：《食用農產品產地環境質量評價標準》(HJ332-2006)和《土壤環境質量標準》(GB 15618-1995)。
由于《土壤環境質量標準》中對土壤中重金屬嚴格按照總量控制，只有化學法中的淋洗技術和萃取技術才有可能滿足此要求。
原位化學穩定化技術可以將土壤中的重金屬形態轉化為礦物相形態，使土壤重金屬的浸出濃度滿足《國家地下水標準》(GB14848-93)中的III類水質要求，從而使其糧食作物滿足《食用農產品產地環境質量評價標準》(HJ332-2006)要求，但是由于重金屬被原位固定在土壤之中，并沒有從土壤中分離出來，所以土壤中重金屬濃度難以滿足《土壤環境質量標準》(GB 15618-1995)要求。