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1、下篇：生物修复与生态工程下篇：生物修复与生态工程三三、土土壤壤污污染染与与修修复复 1 1 土壤中污染物的来源与危害土壤中污染物的来源与危害 2 2 污染土壤修复的现场调查与评价污染土壤修复的现场调查与评价 3 3 污染土壤修复的可处理性研究污染土壤修复的可处理性研究 4 4 污染土壤典型修复技术及原理污染土壤典型修复技术及原理1 土壤中污染物的来源与危害1.1 土壤污染的定义1.2 土壤污染的特点1.3 土壤中污染物的来源1.4 土壤污染的类型 1.5 土壤污染的危害土壤污染与修复o“绝对性绝对性”定义定义:由人类的活动向土壤添加有害化由人类的活动向土壤添加有害化合物，此时土壤即受到了污染合
2、物，此时土壤即受到了污染。这个定义的关键是这个定义的关键是存在有可鉴别的人为添加污染物。存在有可鉴别的人为添加污染物。o“相对性相对性”定义：定义：以特定的参照数据来加以判断，以特定的参照数据来加以判断，如以背景值加两倍标准差为临界值，若超过这一数如以背景值加两倍标准差为临界值，若超过这一数值，即认为该土壤为某元素所污染。值，即认为该土壤为某元素所污染。o“综合性综合性”定义：定义：不但要看含量的增加，还要看后不但要看含量的增加，还要看后果，即加入土壤的物质给生态系统造成了危害。果，即加入土壤的物质给生态系统造成了危害。土壤污染与修复o三种定义的出发点虽然不同，但有一点是共三种定义的出发点虽然
3、不同，但有一点是共同的，即认为土壤中某种成分的含量明显高同的，即认为土壤中某种成分的含量明显高于原有含量时即构成了污染。所以，于原有含量时即构成了污染。所以，土壤污土壤污染就是指人为因素有意或无意地将对人类或染就是指人为因素有意或无意地将对人类或其他生命体有害的物质施加到土壤中，使其其他生命体有害的物质施加到土壤中，使其某种成分的含量明显高于原有含量、并引起某种成分的含量明显高于原有含量、并引起土壤环境质量恶化的现象。土壤环境质量恶化的现象。土壤污染与修复o（1 1）隐蔽性或潜伏性）隐蔽性或潜伏性:水体和大气的污染比较直观，水体和大气的污染比较直观，严重时通过人的感官即能发现严重时通过人的感官
4、即能发现;而土壤污染则往往而土壤污染则往往要通过农作物包括粮食、蔬菜、水果或牧草以及摄要通过农作物包括粮食、蔬菜、水果或牧草以及摄食的人或动物的健康状况才能反映出来，从遭受污食的人或动物的健康状况才能反映出来，从遭受污染到产生恶果有一个相当长的逐步积累过程，具有染到产生恶果有一个相当长的逐步积累过程，具有隐蔽性或潜伏性。日本的第二公害病隐蔽性或潜伏性。日本的第二公害病痛痛病痛痛病6060年代发生于富山县神通川流域，直至年代发生于富山县神通川流域，直至7070年代才基本年代才基本证实是镉污染土壤所生产的证实是镉污染土壤所生产的“镉米镉米”所致。所致。o（2 2）不可逆性和长期性）不可逆性和长期性
5、:土壤一旦遭到污染后极难恢土壤一旦遭到污染后极难恢复，重金属元素对土壤的污染是一个不可逆过程，而许复，重金属元素对土壤的污染是一个不可逆过程，而许多有机化学物质的污染也需要一个比较长的降解时间，多有机化学物质的污染也需要一个比较长的降解时间，例如例如19661966年冬至年冬至19771977年春，沈阳年春，沈阳抚顺污水灌区发生的抚顺污水灌区发生的石油、酚类以及后来张土灌区的镉污染，造成大面积的石油、酚类以及后来张土灌区的镉污染，造成大面积的土壤毒化、水稻矮化、稻米异味，含镉量超过食品卫生土壤毒化、水稻矮化、稻米异味，含镉量超过食品卫生标准。经过十余年的艰苦努力，包括施用改良剂、深翻、标准。经
6、过十余年的艰苦努力，包括施用改良剂、深翻、清灌、客土、选择品种等各种措施，才逐步恢复其部分清灌、客土、选择品种等各种措施，才逐步恢复其部分生产力，付出了大量的劳力和代价。生产力，付出了大量的劳力和代价。土壤污染与修复o（3 3）后果的严重性）后果的严重性:由于土壤污染的隐蔽性或由于土壤污染的隐蔽性或潜伏性、以及它的不可逆性或长期性，因而往潜伏性、以及它的不可逆性或长期性，因而往往往通过食物链危害动物和人体的健康通过食物链危害动物和人体的健康。研究表。研究表明，土壤和粮食的污染与一些地区居民肝肿大明，土壤和粮食的污染与一些地区居民肝肿大之间有着明显的剂量之间有着明显的剂量反应关系，污灌引起的反应
7、关系，污灌引起的污染越严重，人群的肝肿大串越高。污染越严重，人群的肝肿大串越高。o 土壤污染源可分为土壤污染源可分为天然污染源和人为污染源天然污染源和人为污染源。后者是土壤污染研究和污染土壤修复的主要对后者是土壤污染研究和污染土壤修复的主要对象，而在这些污染源中，化学物质对土壤的污象，而在这些污染源中，化学物质对土壤的污染是人们最为关注的。染是人们最为关注的。o污染物进入土壤的途径按照所划分的土壤污染污染物进入土壤的途径按照所划分的土壤污染源可分为源可分为污水灌溉污水灌溉、固体废物的利用固体废物的利用、农药和农药和化肥、大气沉降物化肥、大气沉降物等。等。土壤污染与修复1.3 土壤中污染物的来源
8、大气沉降大气沉降(土壤酸化、多环芳烃和二恶英等土壤酸化、多环芳烃和二恶英等)污水排灌（重金属、多环芳烃等）污水排灌（重金属、多环芳烃等）化肥农药施用（硝酸盐、化肥农药施用（硝酸盐、PCB、DDT等）等）固体废物堆放处置（各种污染物）固体废物堆放处置（各种污染物）工业生产工业生产(石油、多环芳烃和重金属污染等石油、多环芳烃和重金属污染等)交通运输交通运输（汽油中添加的防爆剂四乙基铅随废气排出污染土（汽油中添加的防爆剂四乙基铅随废气排出污染土壤壤）全球物质循环全球物质循环o 土壤污染的类型目前并无严格的划分，如从土壤污染的类型目前并无严格的划分，如从污污染物的属性染物的属性来考虑，一般可分为有机物
9、污染、来考虑，一般可分为有机物污染、无机物污染、生物污染和放射性物质的污染。无机物污染、生物污染和放射性物质的污染。o（1 1）有机物污染）有机物污染:石油、有机农药等；石油、有机农药等；o（2 2）无机物污染：）无机物污染：重金属污染等；重金属污染等；o（3 3）生物污染：）生物污染：细菌、真菌等；细菌、真菌等；o（4 4）放射性污染：）放射性污染：放射性核素等。放射性核素等。土壤污染与修复o（1 1）影响人体和生物健康）影响人体和生物健康:土壤可以通过食物土壤可以通过食物链影响人体健康；链影响人体健康；o（2 2）影响农产品的产量和质量：）影响农产品的产量和质量：植物可从污染植物可从污染土
10、壤中吸收污染物，从而引起代谢失调，生长土壤中吸收污染物，从而引起代谢失调，生长发育受阻或导致遗传变异。发育受阻或导致遗传变异。o（3 3）影响生态系统安全：）影响生态系统安全：通过生态系统的能量通过生态系统的能量流动和物质循环影响整个生态系统。流动和物质循环影响整个生态系统。土壤污染与修复2 污染土壤修复现场的调查与评价开展生物修复之前需要对修复现场进行调查评价，开展生物修复之前需要对修复现场进行调查评价，确定生物修复的适应性。主要指标包括：确定生物修复的适应性。主要指标包括：污染物的污染物的性质；污染物的浓度和分布；现场的微生物活性；性质；污染物的浓度和分布；现场的微生物活性；现场的水力条件
11、；现场的氧化还原电位；土壤和水现场的水力条件；现场的氧化还原电位；土壤和水的特性；养分的有效性等。的特性；养分的有效性等。现场评估必须回答这些现场评估必须回答这些问题，获得足够的数据，便于工程设计。问题，获得足够的数据，便于工程设计。2.1 现场调查（1）污染物的性质；）污染物的性质；（2）污染物的浓度与分布；污染物的浓度与分布；（3）地下水的水文概况；）地下水的水文概况；（4）地质概况。）地质概况。了解现场特性的目的一是收集使土壤修复过了解现场特性的目的一是收集使土壤修复过程最优化的信息，二是收集控制环境条件使之程最优化的信息，二是收集控制环境条件使之维持最佳条件的信息。因此，第一阶段是收集
12、维持最佳条件的信息。因此，第一阶段是收集有关修复原理的数据，第二阶段是收集有关工有关修复原理的数据，第二阶段是收集有关工程设计和过程控制等数据。程设计和过程控制等数据。2.2 生物过程评价（1）微生物可利用的碳源和能源；（2）可利用的受体和氧化还原条件；（3）现有的微生物活性和可能的毒性；（4）营养物的有效性；（5）现场环境条件。2.3 原位修复评价（1）了解污染物的类型和所在位置；（2）了解亚表层的地质和水文条件；（3）污染区的水文隔离；（4）最低传质可能的位置；（5）设计亚表层注入或抽取的系统；（6）预测化学品注入后的土壤化学反应；（7）建立过程控制的亚表层监测系统。2.4 过程控制评价（
13、1）流体的流向；（2）流速；（3）污染物迁移时间；（4）养分迁移；（5）评价含水层导水率变化；（6）确定运行中注入或回收速率。3 污染土壤修复的可处理性研究所谓污染土壤修复的可处理性研究，是指在实际工程建设之所谓污染土壤修复的可处理性研究，是指在实际工程建设之前，进行的小试和中试实验研究，通过可处理性研究为土壤前，进行的小试和中试实验研究，通过可处理性研究为土壤修复工程设计提出标准、费用和运行方案等。修复工程设计提出标准、费用和运行方案等。目的是节省修目的是节省修复项目建设工程的投资复项目建设工程的投资，一个造价千万美元的土壤修复工程，一个造价千万美元的土壤修复工程一般可处理性研究费用为一般可
14、处理性研究费用为520万美元，可以节省万美元，可以节省100万美万美元的工程建设费用。元的工程建设费用。准备调查准备调查现场调查现场调查详细调查详细调查分析评价分析评价方法选定方法选定施工管理施工管理计划完成计划完成3.1 可处理性研究的目标（1）评价整个过程的可行性；）评价整个过程的可行性；（2）确定修复可以达到的浓度；确定修复可以达到的浓度；（3）确定处理过程的设计标准；）确定处理过程的设计标准；（4）估算处理过程的设备和运行费用；）估算处理过程的设备和运行费用；（5）决定控制参数和最优化实施的限制条件；）决定控制参数和最优化实施的限制条件；（6）评价物料供应处理技术与设备；）评价物料供应
15、处理技术与设备；（7）证实现场运行情况和污染物的最终归趋；）证实现场运行情况和污染物的最终归趋；（8）评价处理过程中存在的问题；）评价处理过程中存在的问题；（9）提供修复工程连续运行的最优化方法。）提供修复工程连续运行的最优化方法。3.2 实验设计与实施 在明确研究目的之前，需要促使可处理性研究开展在明确研究目的之前，需要促使可处理性研究开展的外部因素。这些因素包括：的外部因素。这些因素包括：（1）管理部门的目的；）管理部门的目的；（2）客户的要求；客户的要求；（3）污染物的危害程度；）污染物的危害程度；（4）污染地点的敏感性；）污染地点的敏感性；（5）污染地点的政治敏感性；）污染地点的政治敏
16、感性；（6）时间计划的灵活程度；）时间计划的灵活程度；（7）项目预算的灵活程度。）项目预算的灵活程度。3.2 实验设计与实施3.2.1 设计的基础设计的基础（1）如何完成、量化和记录可处理性研究；如何完成、量化和记录可处理性研究；（2）确定使用标准方案还是专门方案；）确定使用标准方案还是专门方案；（3）确定开展室内研究还是进行室外模拟；）确定开展室内研究还是进行室外模拟；（4）确定实验方案和数据分析的质量控制水平；）确定实验方案和数据分析的质量控制水平；（5）确定使用的分析方法。）确定使用的分析方法。3.2 实验设计与实施3.2.2 方案制定与实施方案制定与实施可处理性研究分为三个阶段，可处理
17、性研究分为三个阶段，第一个阶段是修复方法的筛选；第一个阶段是修复方法的筛选；第二个阶段是修复方法的挑选；第三个阶段是修复方法调查第二个阶段是修复方法的挑选；第三个阶段是修复方法调查和可行性研究计划进行（中试）。和可行性研究计划进行（中试）。一个可处理研究计划可以一个可处理研究计划可以看作是一套分别进行的单项组合，这些项目是：看作是一套分别进行的单项组合，这些项目是：（1）土著微生物对靶标污染物的降解转化能力；土著微生物对靶标污染物的降解转化能力；（2）接种微生物的强化降解能力；）接种微生物的强化降解能力；（3）环境参数的最佳适宜范围；）环境参数的最佳适宜范围；（4）添加基质和电子受体的需求效果
18、；）添加基质和电子受体的需求效果；（5）添加基质的充足和缺乏的循环过程；）添加基质的充足和缺乏的循环过程；（6）是否需要补充电子供体）是否需要补充电子供体;3.2 实验设计与实施（7）修复项目的预期时间修复项目的预期时间;（8）不同条件下污染物的降解速率；）不同条件下污染物的降解速率；（9）处理可达到的水平；）处理可达到的水平；（10）土水系统可能发生的反应和阻塞；）土水系统可能发生的反应和阻塞；（11）由于混合、表面活性剂和中间产物的积累而）由于混合、表面活性剂和中间产物的积累而 造成的毒性变化；造成的毒性变化；（12）污染物的挥发程度）污染物的挥发程度;（13）不同优化措施下的费用）不同优
19、化措施下的费用-效益效益;（14）控制过程的监测频率；）控制过程的监测频率；（15）运行限制条件。）运行限制条件。4 污染土壤修复技术及原理4.1 污染土壤修复技术体系4.2 典型修复技术及原理4.1 污染土壤修复技术体系4.1.1 按修复场地分类（1）原位（原位（in situ）修复：修复：污染土壤气体提取法(SVE)；井中汽提法（In-wellVaporStripping）；生物通气；空气搅动法（AirSparging）原位冲洗、淋洗；加热方法；处理墙方法；原位稳定固化方法；电动力学方法；原位微生物修复方法；植物微生物联合修复方法等。5.1 污染土壤修复技术体系（2）异位（异位（ex si
20、tu）修复：修复：气提法；泥浆反应器修复；土壤耕作法；土壤堆腐；焚烧法；客土法；预制床；淋洗/萃取；淋洗生物反应器联合修复；4.1 污染土壤修复技术体系4.1.2 按照技术类别分类（1）物理化学修复）物理化学修复：加热方法；稳定固化法；淋洗；萃取；电动力学等加热方法；稳定固化法；淋洗；萃取；电动力学等（2）生物修复：）生物修复：微生物修复；生物通气、泥浆反应器、预制床等微生物修复；生物通气、泥浆反应器、预制床等 植物修复；湿地修复；菌根修复等；植物修复；湿地修复；菌根修复等；植物微生物联合修复；菌根菌剂联合修复等；植物微生物联合修复；菌根菌剂联合修复等；（3）物理化学生物联合修复：）物理化学生
21、物联合修复：淋洗反应器联合修复等。淋洗反应器联合修复等。污染土壤修复工作流程污染土壤修复工作流程可处理计划系统分析应急对策长期对策净化处理稳定处理原位修复异位修复原位分解原位提取分离分解净化原位稳定异位稳定4.2 典型修复技术的流程及原理4.2 典型修复技术的流程及原理4.2.1 4.2.1 原位修复技术原位修复技术（1 1）生物通风技术：）生物通风技术：）生物通风技术：）生物通风技术：在受石油污染地区，土壤中的污染物降解会降低土壤中的氧气浓度，增加CO2浓度，进而抑制污染物进一步生物降解。因此，为了提高土壤中的微生物降解效率，可通过在污染场地打竖井并安装鼓风机和抽真空机向污染区域供给空气或氧
22、气。这项技术通常用在轻质石油类污染的土壤。4.2 典型修复技术的流程及原理4.2.2 4.2.2 异位修复技术异位修复技术（1 1）泥浆反应器技术）泥浆反应器技术）泥浆反应器技术）泥浆反应器技术泥浆法也称生物反应器法，是将污染土壤置于一专门的反应器中处理的方法。生物反应器处理的过程为：将挖出的石油污染土壤移到反应器内，加入3 9 倍的水混合，使其呈泥浆状，加入适量的营养盐、表面活性剂，并鼓入空气、剧烈搅拌使微生物与污染物充分接触和增加氧气浓度。为了提高降解速率，常在反应器先前处理的土壤中分离出已被驯化的微生物，并将其加入到准备处理的土壤中。含油土壤经处理后，液体部分可排入处置井（坑、池）或另作
23、他用（如回用），固体部分可施用于农田。4.2 典型修复技术的流程及原理生物反应器修复系统示意图4.2 典型修复技术的流程及原理4.2.2 4.2.2 异位修复技术异位修复技术（2 2）预制床法）预制床法）预制床法）预制床法：预制床的设计可以使污染物的迁移量减至最小，因为它具有滤液收集和控制排放系统。预制床的底面为渗透性低的物质，如高密度的聚乙烯或黏土。将污染土壤转移到预制床上，通过施肥、灌溉、调节pH，有时还加入微生物和表面活性剂，使其最适合污染物的降解。与同一区域的原位处理技术相比，预制床处理对3 环和3 环以上的多环芳烃的降解率明显提高。4.2 典型修复技术的流程及原理（3 3）土壤耕作法
24、）土壤耕作法）土壤耕作法）土壤耕作法：对石油污染的土壤进行翻耕，耕层深度为30cm 左右，同时向土壤中添加肥料、表面活性剂等物质并定期灌溉，从而尽可能地为微生物降解石油提供一个良好的环境，使其有充足的营养、水分和通气条件.土壤淋洗法対象：重金属、农药、油等车载式固定式淋洗机械分离装置30m3/h处理能力淋洗修复工程热处理：热处理：即向污染土壤通入热蒸汽或用低频加热的方法,促使污染物从土壤中挥发并回收再处理,対象：VOCs、水银、农药、油等；优点：可使VOCs完全实现无害化；日处理能力可达200t。实际工程污染土壤外热装置修复土壤焚烧装置烟囱热交换填埋热解气体化学试剂热处理典型流程：热处理典型流程：油污染土壤高浓度污染土壤低浓度污染土壤无污染土壤回填清洁土壤土壤淋洗表面活性剂污染土壤洗净土壤洗净水油水分离油层吸附处理或回收材料废弃材料水层排水处理排水处理处理水达标排放原位或异位生物修复营养盐加热系统污染土壤Air石油污染修复一般流程4.2 典型修复技术的流程及原理4.2.3 4.2.3 石油污染土壤修复石油污染土壤修复