土壤修复原理与技术,概念篇 环境修复的概念、对象和任务、类型、产生与发展 土壤的组成与作用、土壤的污染 原理篇 物理修复原理 化学修复原理 微生物修复原理 植物修复原理,提 纲,概念篇,修复（remediation）是一个工程上的概念，顾名思义，是指借助外界作用力使某个受损的特定对象部分或全部恢复到原初始状态的过程。 环境修复（environmental remediation）就是研究对被污染的环境采取物理、化学与生物学技术措施，使存在于环境中的污染物质浓度减少或毒性降低或完全无害化，使得环境能够部分或者全部的恢复到原始状态。 环境污染健康环境 环境修复和环境净化 环境修复”三废”治理,环境修复的概念,根据环境修复的概念可知，其对象是自然界中各种各样因为环境污染和破坏等而形成的环境问题，如污染的大气、水体、土壤等 任务是即使得污染的环境能够部分或者全部恢复到原始状态。,环境修复的对象和任务,根据环境修复的对象，环境修复可分为土壤环境修复、水体环境修复、大气环境修复、固体废物环境修复等几个类型。 根据环境修复的方法和技术手段，环境修复可分为工程修复、物理修复、化学修复、生物修复四大类型。 根据修复的形式，环境修复可分为原位修复和异位修复两个类型。,环境修复的类型,人们对环境质量越来越高的要求与随工业文明而来的环境污染和生态破坏之间的矛盾促使了环境修复学科的产生。污染预防工程、传统的环境工程（即“三废”治理工程）和环境修复工程分别属于污染物控制的产前、产中和产后三个环节，它们共同构成污染控制的全过程体系。 随着科学技术的发展，环境修复的理论研究不断深入，工程技术手段也不断更新，形成了目前物理、化学、生物多种方法共存的局面，并有由物理化学方法向生物方法发展的趋势。,环境修复的产生和发展,土壤环境,大 气 (空气迁移),水 体(水过程),生 物(生物过程),岩 石(风化过程),物质的组成、性质、结构,物质的平衡和循环,物理的 化学的 生物的,（土壤胶体表面本质和特性）,（水、 热、 能量）,物质的能量流动和平衡,土壤环境的地位、内涵与功能,大气与痕量气体交换,放,吸,CO2CH4H2SN2O,O2,水平衡、循环、转化,土 壤 （固、气、 液、生）,原、次生矿物、无机物组成,生物养分物质循环,动植物区系及微生物组成、有机物,水分性质与组成,大气与土壤气体组成,水循环平衡,支调生物过程,提供生物水、养分,地质循环地球皮肤,土壤污染的概念,土壤污染是指，人类活动产生的污染物进入土壤并积累到一定程度，引起土壤质量恶化、功能降低的现象。,1、有机物类：农药、除莠剂、酚、苯并芘、油类等。2、化学肥料：氮、磷、微量营养元素。3、重金属：镉、汞、铅、镍、铬、砷、铜、锌。4、放射性物质：铯-137、锶-90等。5、致病微生物：肠细菌、肠寄生虫、结核杆菌。,土壤污染物质,1）工业污染源：工业“三废”物质排放。2）农业污染源：化肥、农药、畜禽粪便。3）生活污染源：城乡生活废水、农家肥等。4）其它污染源（废弃物焚烧等）,土壤污染类型与来源,土壤污染的特点,1、隐蔽性和滞后性,2、累积性：持久性有机污染物（POPs）多氯联苯（PCBs）、多环芳烃（PAHs）、多氯代二苯并二噁英（PCDDs）和重金属等,3、不可逆性/持久性：难降解性污染物,4、环境迁移与扩散影响,5、食物链污染,原理篇,污染土壤的物理修复,物理分离修复 蒸气浸提修复 固定稳定化修复 电动力学修复 热力学修复,污染土壤的物理修复,物理分离修复,基本过程：,图1 物理分离修复的基本过程,物理分离修复,概念和原理,粒径分离（筛分） 干筛分、湿筛分、摩擦洗涤等 水力学分离 淘选机、机械粒度分级机、水力旋风分离器 密度（重力）分离 振动筛、螺旋富集器、摇床 脱水分离 过滤、压滤、离心、沉淀 泡沫浮选分离 磁分离,图2 物理分离修复设备,物理分离修复,特点和应用,物理分离技术主要应用在污染土壤中无机污染物的修复技术上，它最适合用来处理小范内射击场污染的土壤，从土壤、沉积物、废渣中分离重金属、清洁土壤、恢复土壤正常功能。 大多数物理分离修复技术都有设备简单、费用低廉、可持续高产出等优点，但是在具体分离过程中，其技术的可行性，要考虑各种因素的影响。例如： 物理分离技术要求污染物具有较高的浓度并且存在于具有不同物理特征的相介质中； 筛分干污染物时会产生粉尘； 固体基质中的细粒径部分和废液中的污染物需要进行再处理。,蒸气浸提修复,概念和原理,图3 蒸气浸提修复原理,蒸气浸提技术是通过降低土壤空气蒸气压，把土壤中的污染物转化为蒸气的形式而加以去除，是通过物理方法去除不饱和土壤中挥发性有机组分（VOCs）污染的一种修复技术，适用于处理高挥发性的污染物。,蒸气浸提修复,特点和应用,蒸气浸提技术的主要优点包括：能够原位操作，比较简单，对周围的干扰能够限定在尽可能小的范围之内； 非常有效地去除挥发性有机物；在可接受的成本范围之内能够处理尽可能多的受污染的土壤； 系统容易安装和转移； 容易与其他技术组合使用。 浸提技术主要用于挥发性有机卤代物和非卤代物的修复，通常应用的污染物是那些亨利系数大于0.01或蒸气压大于66.7Pa的挥发性有机物，有时也应用于去除环境中的油类、重金属及其有机物、多环芳烃等污染物。在美国，蒸气浸提几乎已经成为修复受加油站污染的地下水和土壤的“标准技术。 限制土壤蒸气浸提技术应用效果的因素主要有下层土壤的异质性、土壤的渗透性、地下水位、排出的气体需要进行进一步处理等。,固定/稳定化修复,概念和原理,固化/稳定化修复技术是指防止或者降低污染土壤释放有害化学物质过程的一组修复技术，它是用物理/化学方法将污染物固定或包封在密实的惰性基材中，使其稳定化的一种过程。固化过程有的是将污染物通过化学转变或引入某种稳定的晶格中的过程；有的是将污染物用惰性材料加以包容的过程；有的兼有上述两种过程。 稳定和固定化技术处理的一般步骤包括：中和过量的酸度；破坏金属配合物；控制金属的氧化还原状态；转化为不溶性的稳定形态；采用固化剂形成稳定的固体形态物质。 磷酸盐、硫化物和碳酸盐等都可以作为污染物稳定化处理的反应剂。,固定/稳定化修复,图3 固定/稳定化修复原理,固定/稳定化修复,特点和应用,通常用于重金属和放射性物质污染土壤的无害化处理， 异位固化稳定化通常用于处理无机污染物质。对于受半挥发性的有机物质及农药杀虫剂等污染物污染的情况，异位固化稳定化进行修复的适用性有限。原位固化稳定化通常用于修复金属污染的介质。 固化与稳定化技术具有以下一些特点：需要污染土壤与固化剂稳定剂等进行原位或异位混合，与其他固定技术相比，破坏无机物质，但可能改变有机物质的性质；稳定化可能与封装等其他固定技术联合应用，并可能增加污染物的总体积； 固化稳定化处理后的污染土壤应当有利于后续处理； 现场应用需要安装全部或部分设施。 固化稳定化技术是少数几个能够原位修复金属污染介质的技术之一具有的优点包括： 可以处理多种复杂金属废物； 费用低廉； 加工设备容易转移； 所形成的固体毒性降低，稳定性增强； 凝结在固体中的微生物很难生长，不致破坏结块结构。,电动力学修复,概念和原理,电动力学修复技术的基本原理类似电池，利用插入介质（土壤或沉积物）中的两个电极在污染介质两端加上低压直流电场，在低强度直流电的作用下，水溶的或者吸附在土壤颗粒表层的污染物根据各自所带电荷的不同而向不同的电极方向运动：阳极附近的酸开始向介质的毛细孔移动，打破污染物与介质的结合键，此时，大量的水以电渗析方式在介质中流动，土壤等介质毛细孔中的液体被带到阳极附近，这样就将溶解到介质溶液中的污染物吸收至土壤表层得以去除。通过电化学和电动力学的复合作用，土壤中的带电颗粒在电场内定向移动，土壤污染物在电极附近富集或者被收集回收。污染物去除主要涉及电迁移、电渗析、电泳和酸性迁移4种电动力学过程。,电动力学修复,图4 电动力学修复原理,电动力学修复,特点与应用,电动力学技术主要用于低渗透性土壤(由于水力传导性问题，传统的技术应用受到限制)的修复，适用于大部分无机污染物，也可用于对放射性物质及吸附性较强的有机物的治理。电动力学技术可以有效地去除土壤和地下水中的重金属离子，也可以去除土壤中强吸附性的极性有机化合物，如苯酚和乙酸等。 最新的发展趋向是将电动力学技术与其他技术相结合，强化电动力学修复。图5概括了电动力学技术强化的原理。电动力学技术与现场生物修复技术优化组合，用以现场降解和去除土壤和地下水中的有机污染物。在这种技术组合中，电动力学方法克服水力输送的缺点，有效地将营养物质输送至土壤微孔中去，或者将微生物输送至污染区域，从而促进微生物的生长，提高其降解土壤中有机物的效率。,电动力学修复,图5 电动力学生物强化修复,热力学修复,概念和原理,热力学修复技术涉及利用热传导(加热井和热墙)或辐射(如无线电波加热)实现对污染环境(如土壤)的修复，如高温(约l000)原位加热修复技术、低温(约100)原位加热修复技术和原位电磁波加热技术等。,热力学修复,热力学修复： 直接加热使污染物挥发或分解，间接加热使污染物挥发； 针对高浓度土壤污染。 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。,热力学修复,特点与应用,高温原值加热技术主要处理的污染物有半挥发性的卤代有机物和非卤代有机物、多氯联苯以及密度较高的非水质的液体有机物。低温原位加热处理的污染物主要有半挥发性的卤代物和非卤代物以及浓的非溶性的液态物质，挥发性有机物也可以用此方法进行处理。此外，原位电磁波加热修复技术属于高温原位加热技术，它利用高频电压产生的电磁波能量对现场土壤进行加热，利用热量强化土壤蒸气浸提技术，使污染物在土壤颗粒内解吸而达到修复污染土壤的目的。,污染环境的化学修复,化学淋洗修复 化学固定修复 化学氧化修复 化学还原修复 原位可渗透反应墙,污染环境的化学修复,化学淋洗修复,概念和原理,借助能促进土壤环境中污染物溶解或迁移的化学/生物化学溶剂，利用重力作用或通过水力压头推动淋洗液注入被污染的土层中，然后把含有污染物的液体从土层中抽提出来，进行分离和污水处理的技术。,图6 化学淋洗修复原理图,対象：重金属、农药、油等,化学淋洗修复,化学淋洗修复,淋洗液种类,化学淋洗可去除土壤中的重金属、芳烃和石油类等烃类化合物以及TCE、多氯联苯、氯代苯酚等卤化物。主要的淋洗液包括： 清水。可避免二次污染问题，但去除效率有限，主要用于溶于水的重金属离子的去除。 无机溶剂，如酸、碱、盐。通过酸解、络合或离子交换作用来破坏土壤表面官能团与污染物的结合。有成本低、效果好、作用快的优点，但破坏土壤结构，产生大量废液，后处理成本高等。 螯合剂。包括EDTA类人工螯合剂和柠檬酸、苹果酸等天然螯合剂，主要用于重金属的去除。人工螯合剂有二次污染问题，天然螯合剂应用前景广阔。 表面活性剂。用于重金属和疏水性有机污染物的去除。化学表面活性剂有二次污染问题，生物表面活性剂应用前景广阔。,单鼠李糖脂R1（左）和双鼠李糖脂R2（右）,EDTA,柠檬酸,图7 几种典型螯合剂和生物表面活性剂,化学固定修复,概念和原理,化学固定是在污染环境中加入化学试剂或化学材料，并利用它们调节污染环境条件、控制反应条件、改变污染物的形态、水溶性、迁移性和生物有效性，使污染物钝化，形成不溶性或移动性差、毒性小的物质而降低其在污染环境中的生物有效性，减少其向其他环境系统的迁移或结合其他修复技术手段永久地消除污染物，实现污染环境的化学修复。主要污染物对象为重金属，作用的机理主要包括吸附和离子交换作用、配合作用和共沉淀作用。,