第一作者:蒋小红,女,1979年生,硕士,助理工程师,从事土壤修复方面的研究工作。
污染土壤的物理/化学修复蒋小红喻文熙江家华曹卫承董 成(上海市环境科学研究院,上海200233) 摘要 将土壤污染物分为非卤代VOCs 、卤代VOCs 、非卤代SVOCs 、无机物等8大类型,并在分析污染土壤原位修复和异位修复两种方式不同特点的基础上,根据各种修复技术的不同作用原理,较为全面地介绍了目前国内外各种物理/化学修复的技术原理、适用性、局限性、实施时间及处理成本等,具体包括化学淋洗、蒸汽抽提、强化破裂、空气喷射、可渗透反应墙、固化/稳定化、电动学、物理分离、热解吸、玻璃化等修复技术。
针对几种常见的土壤污染类型,列举了一些可行的组合修复工艺。
关键字 污染土壤土壤修复原位修复异位修复土壤污染物Physical/chemical remediation of contamitated soil J iang X iaohong ,Yu Wenx i ,J iang J iahua ,Cao Weicheng ,Dong Cheng.(S hanghai A cadem y of Envi ronmental Science ,S hanghai 200233)Abstract : Soil contaminants are classified into 8group s here ,such as non 2halonated volatile organic carbons (VOCs ),halonated volatile organic carbons (VOCs ),non 2halonated semi 2volatile organic carbons (SVOCs ),inor 2ganics ,etc.After presenting the advantages and disadvantages of both in 2situ and ex 2situ remediations ,the mecha 2nism ,applicability and limitations of various treatment technologies of physical/chemical remediation are discussed in considerable details.Technologies such as soil washing ,soil vapor extraction ,permeable reactive wall ,stabilization/solidification ,thermal desorption ,vitrification ,etc.are all included here.A number of treatment trains are listed for some common contamination sites.K eyw ords : Contaminated soil Soil remediation In 2situ remediation Ex 2situ remediation Soil contaminants1 概 述1.1 背 景 20世纪90年代以来,世界各国投入了大量的人力和物力进行污染土壤和地下水修复的研究,并通过这些年的积极探索和深入研究,人们已在该领域取得了较大的进展和突破,开发了一系列的污染土壤修复技术。
各种技术在作用原理、适用性、局限性和经济性方面均存在各自的特点,一般而言,特定场合的污染土壤进行工程修复时,需根据当地的经济实力、土壤性质、污染物性质等因素,进行修复技术的合理选择和组合工艺的优化设计。
1.2 技术方法 污染土壤修复通常可采用原位修复和异位修复两种操作方式,其中异位修复又可分为现场处理和场外处理两种[1]。
比较原位修复和异位修复,前者由于不需挖掘和输送土壤,因此可节约处理成本,但其通常需要较长的实施周期,且由于土壤及含水层存在差异性,不能保证处理的一致性;后者所需的修复周期相对较短,且可通过匀化、筛分、连续搅拌等手段更好地控制处理的一致性,但其需要挖掘土壤,因此所需费用较高且需增加工程设施。
1.3 技术类型 根据作用原理的不同,污染土壤修复技术主要可分为植物修复、微生物修复和物理/化学修复等技术。
植物修复是利用植物自身对污染物的吸收、固定、转化和积累功能,以及通过为根际微生物提供有利于修复进行的环境条件而促进污染物的微生物降解和无害化过程,从而实现对污染土壤的修复[2,3]。
微生物修复指利用微生物的代谢过程将土壤中的污染物转化为二氧化碳、水、脂肪酸和生物体等无毒物质的修复过程。
植物修复和微生物修复均具有处理费用较低、可达到较高的清洁水平等优点,但均存在所需修复时间较长、受污染物类型限制等不足。
物理/化学修复是利用污染物或污染介质的物理/化学特性,以破坏(如改变化学性质)、分离或固化污染物,具有实施周期短、可用于处理各种污染物等优点[4]。
2 物理/化学修复技术 污染土壤的物理/化学修复可分为原位修复和异位修复两种方式。
2.1 原位修复2.1.1 土壤冲洗技术 土壤冲洗技术是指在水压的作用下,将水或含・012・有助溶剂的水溶液直接引入被污染土层,或注入地下水使地下水位上升至受污染土层,使污染物从土壤中分离出来,最终形成迁移态化合物。
该技术所需的运行和维护周期一般要4～9个月,主要用于处理地下水位线以上和饱和区的吸附态污染物,包括重金属、易挥发卤代有机物及非卤代有机物。
冲洗液通常在污染区域的上游注入,而溶有污染物的废液在下游通过抽提井抽出,并通过收集系统收集后排入废水处理子系统作进一步处理。
该技术一般要求处理土壤具有较高的渗透性,质地较细的土壤(如红壤、黄壤等)由于对污染物的吸附作用较强,需经过多次冲洗才能达到较好的效果。
另外,控制不当时,冲洗废液可能会逸出控制区而产生二次污染问题。
土壤冲洗修复所需费用主要由冲洗液中含有的表面活性剂种类及浓度决定。
据初步估计,其处理费用约为130～390美元/m3。
2.1.2 原位化学氧化修复技术 该技术是指将化学氧化剂注入土壤渗透层或/和地下水中,以氧化其中的污染物质。
可用于修复严重污染的场地或污染源区域,但对于污染物浓度较低的轻度污染区域,该技术并不经济。
该技术所需的工程周期一般在几天至几个月不等,具体因待处理污染区域的面积、氧化剂的输送速率、修复目标值及地下含水层的特性等因素而定。
其目标污染物包括:石油类、有机溶剂、多环芳烃(如萘)、农药及非水溶性氯化物(如三氯乙烯)等,通常这些污染物在土壤中长期存在,很难被生物降解。
2.1.3 原位化学还原修复技术 该技术是利用化学还原剂将污染物还原为难溶态,从而使污染物在土壤环境中的迁移性和生物可利用性降低。
该技术对于处理污染范围较大的地下水污染羽(Contaminant plume)非常有效,所需工程周期一般在几天至几个月不等,所需费用主要由药剂费、采样分析费、现场管理费及施工费等组成。
常用的还原剂包括:(1)SO2还原剂。
SO2还原剂可用于去除地下水中对还原作用敏感的污染物,包括铬酸盐、铀和锝以及一些氯化溶剂。
(2)H2S。
可用于修复被铬(Ⅵ)污染的土壤或地下水。
(3)Fe0胶体。
粉末Fe0能脱除很多氯化溶剂中的氯离子,将可迁移的氧化性阴离子(如CrO2-4和TcO-4)、氧化性阳离子(如UO2+2)转化成固态物质而难以迁移。
2.1.4 可渗透反应墙 可渗透反应墙可用于截留或原位处理迁移态的污染物,是指挖出土壤后,代以反应材料而形成的物理墙,墙体一般由天然材料和一种或多种活性材料混合而成[5]。
当污染物质随地下水向下游迁移并流经处理墙时,墙体中的活性物质将与其发生作用,导致污染物的降解或被截留固定。
无机和有机污染物均可以通过不同活性材料组成的反应墙得以固化或降解,包括有机物、重金属、放射性元素等。
但该技术不能保证所有扩散出来的污染物完全按处理的要求予以拦截和捕获,且外界环境条件的变化可能导致污染物重新活化。
该技术目前还仅用于浅层污染土壤(3～12m)的修复。
2.1.5 原位蒸汽抽提技术 该技术通过抽气井产生真空,使形成一个压力或浓度梯度,并使气相中的挥发性有机物由抽气井抽出,从而使土壤中的挥发性或半挥发性污染物质得到去除。
工程实施时,往往需要在地表面覆盖地形膜,以防止发生短路,并可增加抽气井的作用范围[6,7]。
该技术主要用于挥发性有机污染物(通常为亨利系数大于0.01或者蒸汽压大于66.66Pa的有机物)的处理,但要求土壤的质地均一、渗透性好、孔隙率大、湿度小且地下水位较低。
有时,该技术也用于去除土壤中的油类、有机金属、多环芳烃(PA Hs)或二噁英等污染物。
另外,由于原位蒸汽抽提技术在实施时向土壤中连续引入空气流,促进了土壤中一些低挥发性有机物的生物好氧降解过程。
根据要求的修复程度、修复土壤的体积、污染物浓度及分布、现场条件(如土壤渗透性、各向异质性等)、工艺设施的工作能力等情况的不同,该技术所需的实施时间为6～12个月,所需费用约为26～78美元/m3。
2.1.6 强化破裂技术 该技术是一种用于改善或提高其他原位修复技术处理效果的强化修复手段,其通过在低渗透或过分结实的土壤中产生裂缝以增加可供流体流通的通道数,从而有利于有害污染物通过抽气井抽出后进行后续处理,同时也可将修复物质如微生物、氧化剂等通过压力泵注入地下污染区以降解、破坏污染物,可有效减少抽提井的数量,并可节省修复时间和处理费用。
常用的强化破裂技术有:气动压裂(Pneu2 matic fract uring,PF)、爆破强化破裂(Blast2en2 hanced f ract uring,BF)和水压破裂(Hydro2f ract u2 ring,HF)技术,一般PF所需的费用约为8～12美元/t,H F所需的费用约为1000～1500美元/条(当每天产生4～6条裂隙时)。
该技术应用时需注意的是增加孔隙的同时可能会导致有害污染物的进一步扩散,且不能应用于地震活动频繁的场合。
2.1.7 空气喷射 空气喷射是指通过向受污染含水层注入高压空・112・气,使形成纵、横向气流通道,污染物则挥发随气流进入气体抽提系统。
为提高地下水和土壤间的接触及抽出更多地下水,在操作时需维持较高的气流流速[8,9]。
另外,除了可通过挥发而去除污染物外,还可增加溶解氧浓度,从而可增强好氧微生物的降解作用。
有时为突出生物降解作用,可降低空气喷射的气流流速,该技术常被称为生物喷射技术。
空气喷射修复技术主要用于处理中、高亨利常数(如高蒸汽压和低溶解性)的卤代和非卤代挥发性有机化合物(VOCs)及非卤代半挥发性有机物(SVOCs),所需的实施时间通常为6个月至2年,所需费用一般为150000～350000美元/hm2。