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土壤有机污染修复技术研究现状及展望

2024-10-30 183 上传者：管理员

摘要：土壤的有机污染物可以转移到水、空气和生物体中，土壤中大量的有机污染物还可以改变土壤的理化性质、破坏当地的生态系统，对该地区的植物和动物造成直接或间接的毒性影响，对人体健康造成严重危害，因此，土壤有机污染问题引起人们的广泛关注。通过介绍污染土壤修复的各种技术，总结了几种常用的土壤有机污染修复方法，并且分析比较了各种方法的优缺点，其中联合修复是未来发展的新方向。

关键词：
修复技术
土壤
有机污染
理化性质
生态环境
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土壤是气体、液体、固体有机物和矿物质的复杂混合。土壤除了为动物、植物和微生物的生长发育提供必需的营养物质外，还储存着矿石、煤炭和石油，是人类生存和发展的基础[1]。然而，由于人类活动的进步与发展，采矿、工业和农业等人为活动产生并释放了大量有机污染物，对环境和人类健康造成严重的威胁。与水和空气污染相比，土壤污染长期以来一直被忽视。土壤中最常见的污染物主要分为无机和有机污染物。土污染成分复杂、修复难度大、有机污染土壤比例较高[2]。通常，土壤中的有机污染物有农药、酚类、氰化物、微塑料、总石油烃、卤化烃和多环芳烃。其中，总石油烃、卤化烃和多环芳烃在城市污染土壤中较为常见，具有持久性、高度稳定性、强疏水性，并随着时间的推移而积累。由于其相关的毒性、诱变性、致畸性和致癌性，其存在影响着所有生命形式。在建筑中直接使用这种未经修复的土壤，对人类健康和城市发展构成十分不好的影响[3]。

目前常用的土壤有机污染修复技术有物理修复、化学修复和生物修复。传统的物理修复方法效率更高，但成本高、见效慢。化学修复方法往往使用大量的化学物质，有机污染物的不完全降解产生有毒物质。相较于物理修复技术和化学修复技术，生物修复技术不会破坏生态系统，但修复过程非常缓慢、效率低，不能满足快速修复的需要[4]。

目前，大多数土壤有机污染修复技术都存在一些不足，需要对传统技术进行改进。因此，笔者综述了土壤有机污染修复技术的优缺点，并介绍了土壤有机污染修复技术的发展前景。

1、有机污染土壤物理修复技术

1.1 换土法

换土法用于物理清除受污染的土壤或沉积物。该技术可以有效降低土壤中污染物的浓度，但可能会改变土壤结构，导致土壤中的养分减少，从而影响作物的产量[5]。而且该方法成本投入大，只适用于污染面积较小的土壤。

1.2 热化法

热化学一般是指污染介质转移到特殊清洁装置或燃烧室后，在维护过程中，为损坏或去除杂质而暴露在高温下的异位处理。异位修复技术的主要优点是处理时间短、工艺清晰、混合工艺容易控制均匀、污染适中。但异位修复需要开挖，这会增加技术设备的维修费用[6],也会导致异味和安全运输等问题，主要包括热吸附、高温、降解和高温处理等。

1.3 玻璃化修复法

玻璃化修复法是利用电流在高温(1 600～2 000℃)下融化被污染的土壤，冷却形成玻璃。该产物是一种化学性质稳定且抗渗透性好的材料。高温处理可以破坏土壤的结构并去除有机污染物[7]。

2、有机污染土壤化学修复技术

2.1 氧化还原修复法

氧化还原法是利用氧化剂破坏或分解污染物中的分子结构。臭氧和过氧化氢是修复有机污染土壤中最常见的氧化剂，而过硫酸盐化学氧化近年来得到了广泛地关注[8]。过硫酸盐实际上是惰性的，其反应过程不会产生大量有害污染物，也不会转移污染物。与其他化学氧化剂相比，过硫酸盐更加环保，且过硫酸盐的自由基具有持久性，可以与有机物完全结合，提高降解效率[9]。然而，在采用过硫酸盐化学氧化法修复土壤时存在一些问题：首先，在原位化学氧化修复中，氧化剂在土壤中的活化效率往往低于实验室实验，因此，提高过硫酸盐氧化过程的稳定性和高效活化至关重要；其次，污染物的最佳混合比例和氧化剂量是不确定的，因为过硫酸盐对污染修复的需求量是不确定的，导致硫酸盐离子在环境中残留，对环境产生不利影响[10]。所以，如果不满足氧化反应的条件(如pH和浓度水平)以及渗透性土壤的存在，那么仅用氧化剂进行化学氧化很难达到满意的效果。

2.2 化学焚烧法

焚烧法可以用来去除土壤中的有机污染物，其原理是利用有机物在高温条件下易分解的特性，将受到有机物污染的土壤放入焚烧炉进行焚烧，从而达到去除有机污染物的效果[11]。虽然该方法能够将污染物彻底去除，但土壤的理化性质在高温条件下容易发生改变，使经过治理后的土壤难以进行再次利用。

2.3 蒸汽浸提法

蒸汽浸提法的原理是将产生负压的蒸汽注入到发生有机污染物的土壤中，当蒸汽不断注入地下时，热量从蒸汽传递到注入井距离的增加，形成了3个不同的区域：蒸汽区、含有热水的变温区、含有冷流体的环境温度区。之后通过蒸汽流动带出土壤中具有挥发性的有机物质，以减少土壤中有机污染物的含量[12]。利用蒸汽浸提法将土壤中有机污染物抽取出来之后，需要利用活性炭对有机污染物进行全面吸附，从而降低土壤中各类有机污染物质含量[13]。

蒸汽浸提法与其他修复技术相比的优势在于，可用来处理难以从土壤中去除的有机污染物，如PCBs。油脂类易吸附或粘附在土壤中，处理难度很大，蒸汽浸提法可轻易去除该类土壤污染物。另外，该技术土壤处理费用较低，而且浸提溶剂可以循环再利用[14]。

3、有机污染土壤生物修复技术

3.1 微生物修复技术

3.1.1 生物通风

在这种技术中，氧气被输送到不饱和区以增加本地微生物的活性，从而强化生物修复。为了增强生物修复，还添加了营养物质和水分，以提高生物通风效率。该方法的目的是促进细菌在不饱和区将有机污染物转化为无害的形式。生物通风在各种原位生物修复技术中越来越受欢迎，用于恢复被轻型石油泄漏污染的场地。饱和区的送风率必须足够，这样才能促进VOCs的扩散以及非饱和区的最佳好氧微生物生长，同时还要控制VOCs上升到地表。一旦地下水位离处理表面足够近，生物通风就无效[15]。生物通风需要最佳的含水量范围和温度范围。处理成本因土壤类型及其表面积而异。

3.1.2 生物喷射

与生物通风一样，生物喷射技术涉及将空气注入地下土壤以改善微生物活性，从而刺激从污染场地去除污染物。生物通风的目标是通过空气注入到非饱和区，使挥发性有机化合物从饱和区上升。生物通风确保挥发性化合物从高饱和区均匀分散到低饱和区，以有效地刺激生物降解。根据土壤的渗透性和污染物的生物降解性，生物喷射被认为是有效的[16]。柴油和煤油污染的含水层或土壤通常采用生物喷射法处理，但其可用于更广泛的挥发性污染物。

3.1.3 生物刺激

生物刺激是通过刺激污染场所中天然存在的细菌的生长来启动生物修复的过程。这可以通过添加各种类型的营养物质来实现，如磷、氮、氧或碳和电子受体，即糖蜜。在厌氧环境中，可以通过添加电子供体(有机底物)来诱导卤化污染物的修复，从而允许天然微生物接受来自卤化污染物的电子[17]。

3.1.4 生物强化

生物强化与生物刺激略有不同，在生物刺激中，营养补充剂有助于填充本地细菌以促进细菌代谢。生物强化是添加加快污染物降解速度所需的外源微生物。废弃物有可能被污染地区已经存在的本地生物分解，但可能效率低下，而且性能下降速度较慢。作为生物强化的一部分，研究该地点存在的本地品种，以确定是否可以应用生物刺激[18]。在发现能够降解污染物的本地细菌后，使用营养补充剂来刺激培养物以增强降解。

3.2 植物修复

植物修复是通过高等植物对受污染的土壤或水进行生物修复。植物修复过程涉及多种修复机制，具体取决于污染的类型和数量。这些机制涉及降解、积累、提取、过滤、稳定和挥发。提取、转化和封存是去除重金属和放射性核素的常用方法。大多数有机污染物通过典型的植物修复进行根瘤菌介导、降解、稳定和挥发。然而，只有当使用一些独特的植物如柳树和苜蓿时，矿化才有可能[19]。

作为植物修复剂的植物必须具有一些重要特征：持久的根系和适应主要环境条件的能力，根系生长速度快、适应速度快，最重要的是达到所需清洁度所需的时间；植物必须具有抗病性和抗虫性。作为植物修复的一部分，污染物被根部吸收并转移到枝条上。此外，蒸腾作用和分配作用在易位和积累中起作用。尽管如此，该过程也会受到影响因素的影响，如污染物类型和植物类型。许多生长在污染地区的植物都是很好的植物修复剂[20]。因此，植物修复的成功主要依赖于通过增加内源或外源植物来增强在不清洁环境中生长的本地植物的降解潜力。

3.3 动物修复

由于蚯蚓在陆地生态系统中的重要作用和特定的生物学特征，被广泛研究与应用。如蚯蚓修复是一种利用蚯蚓生命周期(进食、挖洞、代谢、分泌)或与其他非生物和生物因素的相互作用来收集、提取、改变或分解土壤中污染物的动物修复系统[21]。蚯蚓通过提高土壤营养含量消除有毒物质，有助于净化受污染的土壤和农作物的生长。

4、有机污染土壤电动力学修复技术

电动力学修复是一种很有前途的土壤有机修复技术，尤其适用于低渗透土壤的修复。电动力学修复的实施涉及将电极插入土壤以包围污染区域，并在电极上施加低电位，诱导污染物通过电迁移、电渗透和电泳等主要传输过程迁移到电极上，电迁移和电泳是指带电粒子向带相反电荷的电极移动，而电渗透是由表面电荷引起的电场中空隙流体的运动，通常从阳极向阴极移动，以增强污染物的去除[22]。电动力学的效率取决于污染物的分子大小、离子迁移率、污染物浓度和类型、给定土壤中的溶解度、电荷、总离子浓度、土壤中的位置和形态以及土壤中有机质的有效性[23]。

5、有机污染土壤联合修复技术

5.1 物理和化学联合修复

物理和化学修复方法利用污染物的特性，通过分离、固定和改变现有状态，促进污染物从土壤中去除。这2种方法具有周期短、操作简单、适用范围广等优点。同时，他们也有一点缺点，价格昂贵、容易造成二次污染、破坏土壤性质。与单一的修复方法相比，物理和化学联合修复方法可显著提高效率，降低了修复成本[24],可以作为一种新的土壤修复方法。

5.2 动植物修复技术

动植物修复技术中最常用的动物是蚯蚓，其能够在高浓度有机污染土壤中生存，且可以通过促进土壤微生物扩散的方式强化有机物的降解。此外，其还能够通过摄取、消化、排泄等活动提高有机污染物的生物可利用度，该方式能明显提高多环芳烃降解菌数量、土壤中生物酶活性以及生物多样性。

动植物修复对土壤的扰动很小并且可以有效防止土壤侵蚀。植物可通过吸收、降解、固定、转化和挥发等作用实现对污染场地土壤的有效修复。目前，该研究主要集中在植物对土壤酶活性、根际微生物数量和群落结构的影响等方面[25]。因其成本较低，相较于其他污染场地土壤修复技术具有较大潜能。但该技术同样存在修复时间长、效率低的劣势。另外，植物所能触及到的土壤范围不大，在实际应用中容易受到限制。

5.3 微生物联合修复技术

在过去的10几年里，随着对土壤植物修复机制的了解，植物修复研究得到广泛地关注。植物对有机污染物修复主要依赖于根系分泌物对有机污染物的络合降解和根系释放到土壤中的酶直接降解。然而，污染物的植物毒性会抑制植物生长，降低生物修复的效率，通过生物增强可实现促进植物发育[26]。由于微生物具有降解有机污染物的功能，利用微生物作为生物强化的辅助手段在生物修复领域得到越来越多的应用[27]。

植物为微生物提供营养和栖息地，直接或间接地促进植物的生长和健康。此外，植物可以分泌某些独特的酶和其他天然活性物质来降解根际的有机污染物。针对不同的污染物提出了不同的机制。同时，在植物-微生物联合修复过程中，环境因素也不容忽视。如微生物需要水和营养物质才能生长，而低水分限制了营养物质的生长和吸收。然而，高含水量降低了土壤颗粒之间的孔隙度，减少了氧气的运输[28]。

5.4 化学与电动力联合修复技术

化学氧化法与电动力修复技术相结合已成为研究热点。考虑2种技术相结合的主要原因是单纯的电动力修复需要相当长的时间才能从土壤中去除污染物。相对于化学氧化技术，由于土壤性质和缓冲能力对污染物去除的强烈影响，化学氧化对老化土壤的修复效果会大大降低[29]。此外，土壤中的有机质会消耗氧化剂，因此氧化技术不适用于有机质含量高的土壤。

在此，对有机污染土壤的各类修复方法进行了全面的综述和总结。分析了其分类、优缺点。不同类型修复方式的优缺点如表1所示。

表1 不同类型修复方式的优缺点[30-33]

6、结论与展望

随着人口和经济的快速增长，农业实践、能源开发、城市化和工业转移加剧了土壤的有机污染。单一的物理、化学、生物等修复技术各有优缺点，很难达到令人满意的修复效果。因此，多种修复方法的结合已经成为一个热门的研究课题[34]。由于土壤性质的差异和污染物的多样性，联合修复方法的适用范围比单一修复方法更广。联合修复方法可以结合各种单一修复方法的优缺点，从而有效降低其局限性。联合修复技术是极具发展前景的研究方向，有效整合现有技术，有助于开发出新颖高效的修复技术，在未来有机污染土壤修复中具有广阔的应用前景[35]。

参考文献:

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文章来源:张海波.土壤有机污染修复技术研究现状及展望[J].现代化工,2024,44(S2):76-80.