1、污染土壤修复治理技术的研究上海市普陀区科学技术协会污染土壤修复治理技术的研究可行性研究报告 中船勘察设计研究院有限公司 2014年6月一、 项目概述（一）工程背景概述随着我国城市化进程的提速和围绕着城市的工业设施健全，城市周边土壤的污染程度日益加剧。具体表现在，一方面未经处理的工业废水，废气和废渣，空气粉尘所携带大量污染物，雨水对城市区域的冲刷携带的污染物最终会汇聚到土壤中和河道中。这些堆积的污染物会很容易地通过水循环，大气循环，食物链再一次进入到人体，危害健康。另一方面矿产资源的不合理开发及其冶炼排放、长期对土壤进行污水灌溉和污泥施用、人为活动引起的大气沉降、化肥农药的使用等原因，造成了土地
2、污染面积不断扩大，土壤污染日益严重。根据全国土壤污染调查结果，目前我国受污染的耕地约有1.5亿亩，占18亿亩耕地的8.3%，多是集中在经济较发达的地区。另根据国家环保部门组织的典型区域土壤环境质量状况探查研究显示，珠三角部分城市有近40%的农田菜地土壤重金属污染超标，其中10%属严重超标。据估算，全国每年因重金属污染的粮食达1200万吨，造成的直接经济损失超过200亿元。土壤污染具有隐蔽性、毒害性、累积性、长期性、多样性和滞后性的特点，被污染的土壤通过地下水或生物富集作用直接或间接地影响着人类健康。出于历史原因，中国土壤污染主体大多是各类国有工厂，经过多轮的改制重组，很多工厂产权归属关系已经多
3、次变化，即便产权明晰的，也很难有能力再去支付高额的土壤修复费用。因此，“谁污染，谁治理”这一环保行业的通行准则，在土壤修复行业根本行不通。目前少数比较成熟的商业化项目，主要依托于房地产，由房地产开发商买单。除此之外，绝大多数土壤修复项目主要依靠财政拨款或者银行贷款的方式进行。但今后面对大量的类似项目，完全依靠政府支付显然并不现实。鉴于此，目前的土壤修复多是场地的修复，耕地的修复因为难以找到买单人，修复的很少。欧美等发达国家城市，在郊区化和逆城市化的过程中，也曾出现大量因工业企业搬迁而废弃遗留下来的“棕地”。自20 世纪70 年代开始，欧美等发达国家采取了一系列措施应对这类环境问题，包括制定政策
4、法规、编制行业标准、设立修复基金、鼓励修复技术与装备创新等。我国对污染场地问题关注的比较晚，2004 年原国家环保总局才开始要求对搬迁遗留的污染场地必须进行监测和修复后方可再使用(“关于切实做好企业搬迁过程中环境污染防治工作的通知”环办2004 47 号)。同欧美等发达国家相比，我国在工业污染场地方面的法律法规体系、现状调查和特征分析、修复技术研发水平以及实际工程应用经验上还存在较大差距。上海西北角的普陀桃浦地区，是上世纪知名的老工业基地，众多化工、医药企业为桃浦乃至整个上海的经济、产业产值做出了杰出的贡献。但是不可避免的工业排放却也污染了区域环境，影响了桃浦的整体形象。今后十年，曾经污染严重
5、的上海老工业重镇桃浦将“再造一个漕河泾”，并实现城区再生、产业升级、环境修复的再生之路。未来桃浦有望通过新一代科技商务园区、地区级公共活动中心、多元化都市宜居社区和超大规模的生态型中央主题公园的分期建设，形成工作-生活-休闲-学习融为一体的发展格局，详见图1。图1 桃浦未来规划图根据所掌握的桃浦地区的资料，该地区分布以下工业类型：化学原料及化学品制造，造纸及纸制品，金属冶炼及延压加工，废弃资源和废旧材料回收加工，燃气生产和供应，生活垃圾和餐饮等，可能受到的污染类型有：挥发性有机物，半挥发性有机物，重金属，持久性有机污染物，农药，氯代有机物，有机物等。以往的研究发现，该地区土壤中发现的含量异常的
6、重金属有：镉，铬，汞，镍，铅，铜，锌。 根据相关参考资料，按照1：10000的布置原则，桃浦区的8种重金属评价质量按图2图9所示： 图2 镉质量评级 图3 铬质量评级 图4 汞质量评级 图5 镍质量评级 图6 铅质量评级 图7 砷质量评级 图8 铜质量评级 图9 锌质量评级由以上8种重金属的质量评级，可看到镉、锌大部分区域处于二级标准，部分区域超二级标准；铬、汞、铅、铜基本上都处于二级标准；镍和砷处于一级标准。根据相关规范可知，不超过二级标准，表明清洁或者尚清洁，但予以警惕，及时找出和控制土壤污染源；超过二级标准，可进行深入详查，若有相关污染危害则进行整治。初步可以判断桃浦区受关注无机污染主要
7、为镉、锌和砷污染。另根据相关环评资料可知，桃浦地区也受挥发性和半挥发性有机污染。不管是无机污染还是有机污染，在场地调查时需进一步详查。（二）污染土治理的一般方法污染土的处置与修复应根据污染程度、分布范围、土的性质、修复标准、处理工期和处理成本等综合考虑。国内常见污染土修复治理方法很多，如物理，化学，微生物等修复技术，这些方法的适用范围及局限性如表1所示。国外经常使用的整治方法：生物通气法、化学方法，详情见图10图13。表1 常见的场地土壤修复技术优缺点对比修复技术类别修复内容及应用范围局限性换土技术被污染的土壤挖除并置换成干净的土壤，污染场地急需使用。技术成熟，但需占用大量场地，可能形成二次污
8、染。土壤淋洗技术利用流体淋洗出土壤中的污染物。适用于SVOCs、燃油和无机物，该技术提供回收金属和大范围清除有机和无机污染物的粗颗粒土的可能。细的土壤颗粒（如粉土和粘土）可能要求加入聚合物使它们从洗液中去除，复杂的废物混合物（例如金属与有机物混合）使洗液配方难以确定，土壤中的高腐殖质含量可能要求预处理，水流要求处理。微生物修复技术利用各类微生物对污染土壤中的有机物进行降解，最终产物是CO2和H2O。适用于各类油类污染物以及半挥发性及非挥发性有机物、燃料、PCP、杂芬油、PCBs等物质。适用于各类油类污染物以及半挥发性及非挥发性有机物、燃料、PCP、杂芬油、PCBs等物质。化学修复技术利用氧化还
9、原反应将土壤当中含有的危害性污染物转化成为低毒和无毒的化合物或者化学稳定性更高、迁移性更弱的新的化合物。主要用于氯化物处理和脱氧作用。在土壤透气度低或者土壤已分化的场地使用，成效不高。物理分离技术通过物理方式将污染土壤中的污染物从土壤当中转移出去，以达到修复的目的。适用各种有机污染和重金属污染。目前仍处于试验研究阶段，进行大规模的工程应用，仍需解决很多实际问题。植物修复技术借助植物对土壤当中的污染物进行吸收、转移、降解的方法。适用于土壤污染程度相对较低、面积广的场地。高温处理技术通过10000C左右的高温将污染物中的卤代化合物以及其它一些难融解的有机物进行热解焚毁并挥发出去。费用比较高，残留物
10、质有潜在的处理问题，对操作工艺的要求相对较高。图10 化学方法示意图该方法视不同场地，含有不同的污染物的情况而定。化学方法需要处理大量具有危险性的气化剂。部分受关注的化学污染物具有抗氧化能力。当时在土壤透气度低或者土壤已分化的场地使用这些方法，成效不高。图11 生物通气法原理示意图该方法被证实可以整治被石油碳氢化合物，不含氯的溶剂，部分除虫剂和其他有机化学品污染的土壤，该办法的成效受土壤湿度影响，透气度低的土壤会降低该方法的效用。图12 洗土法该方法需要大面积的场地，以便放置有关设备。处理后的土壤可以再利用，但有少量的残渣需要弃置。若土壤的腐殖质含量偏高，便需要作预先处理，但吸附在粘土型颗粒上
11、的有机物质可能难以清除。（三）重点关注治理方法根据国内外目前常用的污染土壤修复方式，考虑到治理工程的时效性与经济性，结合目前单位的实际，选用以下四种方法，以供选择和参考，这也是本次科研的重点。1、换土技术“换土”是一种异位土壤修复技术，它包括异地填埋和异地水泥窑焚烧等。由于该方法见效快，对原址的开发建设进度影响小，另由于很多房地产开发商对于场地的开发有时间的限制，大多是3-6个月。所以目前在国内土壤修复被较多采用。它一般分为客土、换土、深层翻土等方法，详见图13。 客土是把未经污染的土壤加入到污染的土壤中，使表面土层的污染物含量降低来处理污染土壤的方法，减少对人类及自然界的危害。 换土是将污染
12、场地的土壤运输到其它地方，在移走的污染土壤场地上换上未污染的土壤。 深层翻土就是将受污染的土壤场地，用机械挖掘设备将深层的未被污染的土壤或是污染较轻的土壤，翻至场地表面，覆盖其污染的土壤。图13 换土修复技术为便于污染土壤外运，工程可采取分层分区倒退挖掘的方式进行施工，挖掘的土壤直接装车外运至接收点进行路基垫层铺设或者将转移后的土壤，为控制在转移后的污染发生扩散和二次污染的风险，可选择周期更为长的生物修复（修复场地面积大，不急于使用，修复实施方便，但维护植物总体费用较高）。施工中要严格控制污染土壤的去向，运输车辆进出场都需经确认程序，运输途中派专人负责巡查，以保证所有污染土壤全部运至指定接收点
13、处置。为了控制二次污染，施工区域车辆出场必须进行清洗，运输车辆出场全部进行覆盖，防止土壤洒落。如果土壤污染深度较深，在进行挖掘的过程，需进行必要的基坑设计以及相应的降水设计，但须注意场地降水的排放和处理。2、固化/稳定化（S/S）技术固化-稳定化技术是将污染物在污染介质中固定，使其处于长期稳定状态，是较普遍应用于土壤污染的快速控制修复方法。该技术可分为原位和异位稳定-固化修复技术。原位稳定-固化技术适用于重金属污染土壤的修复，一般不适用于有机污染物土壤的修复；异位稳定-固化技术通常适用于处理无机污染物质，不适用于半挥发性有机污染物和农药杀虫剂污染土壤的修复。该处理技术费用比较低廉，对一些非敏感
14、区的污染土壤可大大降低污染治理成本。常用的固化稳定剂有飞灰、石灰、沥青和硅酸盐水泥等，其中水泥应用最为广泛，详见图14。但其所需的设备较多，如螺旋转井、混合设备、集尘系统、大型储存池等。其作用机理及相关设备详见图15。另外，污染物埋藏深度、土壤pH值和有机质含量等都会在一定程度上影响该技术的应用以及有效性。图14 主要固化/稳定化材料图15 原位和异位稳定化机理和现场设备3、化学淋洗技术化学淋洗技术（soil leaching and flushing/washing ）是指借助能促进土壤环境中污染物溶解或迁移作用的溶剂，通过水力压头推动清洗液，将其注入到被污染土层中，然后再把包含有污染物的液
15、体从土层中抽提出来，进行分离和污水处理的技术。使用化学助剂提高土壤中污染物的溶解性或液相中的可迁移性是实施该技术的关键。图16 原位淋洗技术流程图该技术适用范围较广，主要围绕着使用表面活性剂处理有机污染物，用螯合剂或者酸处理重金属修复被污染的土壤。其可以在原位进行修复，也可以进行异位修复。原位土壤淋洗技术是通过在污染的场地使用注射井向土壤中注入淋洗剂，它主要是根据污染物分布的深浅，通过让淋洗剂的自身重力或是外界力使淋洗剂向下渗透与污染物发生化学反应。在此过程中含有污染物的溶剂可以通过提取井的方式回收，经处理达标后排放。该技术的装备主要由以下几个部分组成：污染区包围屏障系统，淋洗液施加系统，污染
16、物-淋出液收集系统，淋出液再生及循环系统，污染物处理及排放系统。淋洗的过程如图16所示。污染区包围屏障系统起到对污染区进行包围封闭，防止淋洗过程对周边地区的二次污染。该技术适用的污染物有：重金属（铬，镉，铅，铜，锌），芳烃（苯，甲苯，甲酚，苯酚），石油类，卤代试剂（TCE, 三氯烷），多氯联苯和氯代苯酚，原位淋洗技术流程图如图9所示。图17 异位淋洗技术流程图异位土壤淋洗技术实施过程如图17所示。其通常采用5个步骤。第1步：将受到污染的土壤进行挖掘。第2步：把挖掘出来的污染土壤进行物理分离，去除大块杂物，再分离出沙砾，黏土，将受污染的那部分土运输到指定的污染土壤处理设备处。第3步：在处理厂对污
17、染土壤和淋洗液按照一定的固液比混合，然后放入淋洗反应器或是反应池中，通过搅拌等外力的辅助作用下让污染土壤和淋洗液发生化学反应作用。第4步：经过一定时间待土壤中的污染物由固相转移到液相的时候，可将液体通过自然蒸发或液体重力渗透分离。第5步：处理后的土壤可以投入到其他用途，而含有污染物的淋洗液则经过处理达标后排放或回收。该技术适用的污染物有：重金属，放射性元素及污染物（石油类碳氢化合物，易挥发有机物，PCBs，PAHs）。异位土壤淋洗技术较原位技术，更加灵活机动，淋洗设备是可运输的，可随时搭建的。但通过对原位和异位土壤淋洗修复技术的分析，它们都存在一些待改善的问题，见表2。表2 原/异位淋洗技术存
18、在的问题对比名称存在的问题原位淋洗技术对修复土地地质比较粘重，渗透性差的土壤修复处理效果不是很明显。还容易造成由淋洗剂中的化学成份再次污染土壤和深层地下水。异位淋洗技术将污染土壤运输到较远的异位淋洗工厂进行淋洗，整个修复时间较长，运输较麻烦，且对于大片的污染场地，工程量大费用高，不宜实现。4、植物修复技术植物修复技术（phytoremediation）是指利用植物的生命代谢来吸收并降解污染物。该种修复技术一方面可以有效的改变重金属在土壤中的存在形态，达到对重金属在土壤中的净化、减少和积累固定的作用，对有机物降解有机污染物质的途径主要有两条：一是将有机物吸收到植物体内，再将其降解；二是通过根分泌
19、物中的一些物质直接或间接的在根部将其降解。植物体对污染物的吸收，排泄和积累的动态过程，这个动态过程随环境条件（植物吸收，鳌合作用，温度，水分变化等）变化而变化。因此可以通过改变植物周边的环境来提高修复效率。植物修复机理如图18所示。图18 植物修复机理示意图针对重金属污染治理，可以采用超级积累植物，这种植物的概念在1977年被提出。这类植物具有超强吸收土壤中重金属的能力，其茎和叶的重金属含量可以是普通植物在同一生长条件下的100倍。有代表性的植物如表3所示。另外，植物根系对有机污染物吸收的强度不如对无机污染物如重金属的吸收强度大，植物根系对有机物的修复主要是依靠根系分泌物对有机污染物产生的络合
20、和降解等作用，以及根系释放到土壤中的酶直接降解作用。其中通过改变土壤的物理化学性质来调节污染物降解率，例如PAHs属于难降解性污染物，采用有机肥可以对污染物的降解有一定的促进作用。常用于治理污染的植物体及其相对应的污染物如表4所示。表3 部分超积累植物及其地上部重金属（干重）超积累植物积累的重金属含量/(mg/kg)蒿莽草属钴10200天蓝遏兰菜锌51600圆叶遏兰菜铅8200澳洲坚果属镉2400灯心草铬8670九节木属镍47500高山甘薯铜12300蜈蚣草砷5000表4 用于治理污染的植物体及其相对应的污染物植物名称所修复污染物结果研究参考麻风树Jatropha curcas燃煤灰，铅，镉，
21、砷 和 铬在飞灰里加入0.3g/kg的EDTA 时，可以加强对重金属的摄取，根部提升117%，茎部提升62%，叶子部分提升96%。另外麻风树可以在芽部积累镉，铅。随着土壤中的金属含量的增加，对砷，铬的生物积累作用会增强Santosh et al., (2009)Jamil et al., (2009)Mangkoediharjo and Surahmaida (2008)Carex exigua, 柳枝Panicum virgatum, 鸭茅状磨擦禾（饲料草）Tripsacumdactyloides,石油烃类在污染土上种植这些植物，一年后，70% 的污染物被去除Euliss et al.,(2
22、008)蚕豆Vicia faba原油在60天里，47% 的污染物被降解Diab (2008)杨树 Populus tremula镉，锌这两类金属元素积累在叶子里，最大浓度达到35，2400mg/kg,Hassinen et al., (2009)芦苇，苜蓿 Ditch reed and Alfalfa液体沥青琼脂（石蜡，环烷）和土壤里含有PAHs在这两种植物的作用下，27个月之后，82% 的污染物被清除Muratova et al., (2003)牛尾草 Tall fescuePAHs36个月里，对苊，氟的清除效果明显Robinson et al., (2003)黑麦草，草木樨Rye gras
23、s and sweet clover天然气生产设备溢出的老化的PAHs12个月，对PAHs的清除明显，清除率达到9-24%Parish et al., (2004)另一方面可以提高城市的绿化率，鉴于桃浦地区新开工的中央绿地公园，占地约800亩，将成为本市外环以内最大的公园项目。可考虑在公园内部把换土遗留的污染土壤规划到公园一些游人不能靠近的区域采用植物修复的方法进行治理，因为植物修复的周期比较长，但是可以起到双赢的效果。植物修复的特点和优势： 效果永久性； 植物的稳定作用可以防止污染扩散； 植物的蒸腾作用可以防止地下水的二次污染； 经修复的土壤，有机质含量和土壤肥力会增加；成本低。缺点： 修复
24、植物对污染物的耐性有限； 污染土壤为有机和无机共同污染的情况下，一种修复植物往往无法满足要求； 植物根系往往集中在土壤表面，如草本植物多数集中于0-50 cm范围内，生长环境受光照和温度的影响，修复周期一般较长。二、项目目标、研究内容、和关键技术（一）项目目标本科研项目依托桃浦区污染土壤治理工程（洽谈中），针对不同的污染类型，采用不同的污染治理方法（重点关注治理方法）或者采用联合修复技术（协同两种或两种以上修复方法），更好的理解诸如固化/稳定化（S/S）技术的修复机理以及通过加固后的监测和检测，明确相应的掺量配合比或者修复的植物类型和总结相关的治理方法的施工经验，为以后类似污染土壤的修复积累宝
25、贵的经验。（二）研究内容国内有关污染土壤修复技术的研究还处在起步阶段，很多试验都处于实验室模拟阶段，而且尚没有人提出一套行之有效的修复技术体系。大规模的工程应用时，尚需解决很多实际问题，如投资费用高、环境因素影响、二次污染控制等。本科研项目立足于桃浦区污染土壤治理工程，根据不同的污染类型，形成一套行之有效的修复技术体系。为了更好的完成这一任务，领导专门设立工程咨询公司（负责整个污染土修复技术的指导和协调）、岩土施工部（负责野外取样作业）和岩土工程公司（负责污染土修复的施工）等三个实施项目部以及科技质量部统筹整个项目实施的质量。更重要的是目前我单位与上海化工研究院签订了战略合作框架，在土壤检测与
26、化验以及环境评估这个版块，上海化工研究院具有雄厚的实力。根据污染程度、分布范围、土的性质、修复标准、处理工期和处理成本等综合考虑，采用相关的污染土壤治理方法，掌握其修复机理，通过野外实施，同时加强检测和监测，形成相关的数据库，加以分析和总结，最终形成一整套修复技术的成功经验。具体研究内容如下所示：1、通过文献搜集、实地调研，掌握目前市场的需求，确定污染土治理课题的前沿性和创新性。2、明确污染土治理的整个流程，把相应工作包括前期场地调查、污染土取样、室内试验以及污染土治理施工进行针对性分解，落实到各个部门，也可与相应有资质的单位进行合作，搭建整个污染土治理工作的框架。3、通过工程咨询公司、岩土工
27、程公司、岩土施工部和科技质量部的分工协作，可进行前期场地调查、取样、试验和治理方案的试运行，然后可将实际操作过程遇到的问题进行归纳和总结，完成污染土治理工作的试运行。4、进一步完善整个污染土治理的生产工作，形成熟练可行的生产操作流程。（三）关键技术本课题作为工程实践与理论分析的综合性问题，如何将理论与工程实践有机的结合将是课题研究能否深入的关键。同时现场监测及检测数据的去粗取精，所分析的数据的合理性将直接影响后续分析的正确性。因此检测及监测数据的整理应全面、周到及对现场条件的了解是研究成败的关键。本科研项目主要根据修复治理后的检测和监测数据的采集，对污染治理机理及修复效果等进一步研究。三、技术
28、路线方案、课题分解本课题将沿着 “明确研究对象确定研究问题的意义把握研究问题的发展规律产品制备和研发产品推广”这一思路展开本课题的研究工作，具体的研究技术路线图19如下所示。 明确研究对象污染土修复技术的内容、发展现状与问题明确重点关注污染土修复技术在为污染土治理方面的前沿性 确定研究问题的意义各种重点关注污染土修复技术的创新性、重要性以及相应的效果把握研究问题的发展规律污染土修复技术的需求培育的模式需求分析：市场构成、市场主体的特征和市场形成规律产品制备与开发与相关有实力的高校和科研院所进行合作，研究与开发污染土修复技术的产品研发产品推广污染土修复技术制备后需向市场推广和运用，减少污染和增加
29、使用土壤面积。图19 技术路线根据工程监测及检测数据，从局部到全面的评估方法，分析测试数据，得出科研结果。课题分界如下：（一）野外取样作业野外取样作业按照时间节点主要分为场地调查取样、治理施工取样和工后检测取样。根据相关野外技术要求以及化验室的要求， 针对不同的污染深度和污染类型，采取不同的取样方式，可进行相关总结。（二）化验作业根据前期的场地调查以及野外取样样品，进行相关的化验作业，提交相应的数据，判断修复技术的有效性，这些数据非常宝贵，将有指导意义。（三）治理施工根据场地调查和环评资料，对重点关注污染修复技术进行筛选，确定相应修复技术，进行野外治理施工，可总结相关修复技术的施工经验。（四）
30、质量把关 整个治理过程根据相关规范和法规进行全程质量把关，及时进行总结和整改。四、组织方式及分工（一）科研项目工作措施1、根据研究进展和日程安排执行研究工作2、组织我院有丰富经验和责任感强的科研工作人员组成科研项目和技术工人承担本科研。3、制定详细的现场监测及检测方案，进行详细技术交底。（二）现场组织措施1、由本院总办、项目负责人等组成现场领导小组，负责现场技术指导工作。2、科研工作人员：本课题拟投入科研工作人员20人（包含合作单位），其中教授级高工3人，高级工程师5人，高级技师5人，硕士及以上4人，工程师3人。参考文献1. 香港受污染土地勘察及整治实务指南.2廖晓勇，崇忠义，阎秀兰，林丹.
31、城市工业污染场地：中国环境修复领域的新课题J. 环境科学，2011，32（3）：784793.3赵金艳，李莹，李珊珊，张爽. 我国污染土壤修复技术及产业现状J. 中国环保产业交流平台，2013：5357.4. 许丽萍，李韬，陈辉. 国内外污染土的修复治理现状A. 第二届全国岩土与工程学术大会论文集J. 科学出版社，2006 : 860863.5. 土壤环境监测技术规范（HJ/T 166-2004）.6. 傅世法，赵玉林. 污染土地基岩土工程勘察实例J.勘察科学技术，1991(6)：2226. 7. 土壤环境质量标准（修订）（GB15618-2008）.8. 岩土工程勘察规范（修订）（GB50021-2001）（2009年版）.9. 吕本儒，杨湘智. 采用换土法进行污染土壤异位修复的探讨J.环境与可持续发展,2013 (3)：108109. 10. 金一凡，周连杰，杰克，叶旭明. 污染土壤修复技术的探讨J.环境科技，2012，25（5）：6
