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项目三：土壤修复技术
土壤修复是使遭受污染的土壤恢复正常功能的技术措施。在土壤修复行业，已有的土壤修复技术达到一百多种，常用技术也有十多种，大致可分为物理、化学和生物三种方法。20世纪80年代以来，世界上许多国家特别是发达国家均制定并开展了污染土壤治理与修复计划，因此也形成了一个新兴的土壤修复行业。
一、 理论知识体系
不同污染类型的土壤污染，其具体治理措施不完全相同，目前，重金属土壤的修复技术主要有工程措施，物理化学方法，植物修复方法以及微生物修复方法。通过理论知识的系统构建，了解常见土壤修复的方法原理，主要包括：
1、工程措施主要包括客土、换土和深耕翻土等措施。通过客土、换土和深耕翻土与污土混合，可以降低土壤中重金属的含量，减少重金属对土壤-植物系统产生的毒害，从而使农产品达到食品卫生标准。深耕翻土用于轻度污染的土壤，而客土和换土则是用于重污染区的常见方法，在这方面日本取得了成功的经验。工程措施是比较经典的土壤重金属污染治理措施，它具有彻底、稳定的优点，但实施工程量大、投资费用高，破坏土体结构，引起土壤肥力下降，并且还要对换出的污土进行堆放或处理。
2、物理化学方法是当前重金属污染土壤修复研究的热点，也是最为成熟工程上应用最为广泛的修复技术，主要包括固化/稳定化技术，土壤淋洗技术，电动修复技术和电热修复技术等。
3、固化/稳定化技术是通过固态形式在物理上隔离污染物或者将污染物转化成化学性质不活泼的形态，从而降低污染物质的毒害程度。如通过施加水泥等固化土壤重金属的固化修复技术，或向土壤投入无机或有机改良剂，改变土壤的酸碱性、氧化还原条件或离子构成情况，进而对重金属的吸附、氧化还原、拮抗或沉淀作用产生影响的稳定化技术。但固化/稳定化方法只是改变了重金属在土壤中的形态，不能使重金属真正的土壤中脱离，随着环境条件的改变，其生物有效性也可能变化，容易再度活化而危害土壤环境。
4、土壤淋洗技术是运用试剂与土壤固相中的重金属作用，形成溶解性的重金属离子或金属络合物，然后用清水把污染物冲至根层外，再利用含有一定配位体的化合物冲淋土壤，使之与重金属离子形成更稳定的络合物，或用带有阴离子的溶液，如碳酸盐、磷酸盐冲洗土壤，使重金属形成化合物沉淀。该项技术的关键是提取液的选择，既能提取重金属，又能不损害土壤结构。如果提取液选取不当，很可能造成二次污染。土壤淋洗修复技术具有适用范围广、见效快、处理容量大、效果显著等特点，具有较好的实际应用前景。
5、电动修复是指在污染土壤中插入电极对，并通以直流电，使重金属在电场作用下通过电渗析向电极室运输，然后通过收集系统将其收集，并作进一步的集中处理。电动力修复技术只适用于污染范围小的区域，但是受污染物溶解和解吸的影响，且不适于酸性条件。该项技术虽然在经济上是可行的，但是由于土壤环境的复杂性，常会出现与预期结果相反的情况，从而限制了其运用。
6、电热修复是利用高频电压产生电磁波，产生热能，对土壤进行加热，使污染物从土壤颗粒内解吸出来，加快一些易挥发性重金属从土壤中分离，从而达到修复的目的。该技术可以修复被Hg 和Se等重金属污染的土壤。另外可以把重金属污染区土壤置于高温高压下，形成玻璃态物质，从而达到从根本上消除土壤重金属污染的目的，也有效的防止了二次污染发生的可能性。
7、植物修复技术是利用天然植物及其根际微生物的生长代谢去除、转化和固定土壤中的重金属，从而实现地下水净化目的的技术，包括植物提取、植物挥发和植物稳定。植物提取即利用重金属超积累植物从土壤中吸取金属污染物，随后收割地上部并进行集中处理；植物挥发是利用植物根系吸收金属，并将其转化为气态物质挥发到大气中；植物稳定是通过金属在根部的积累沉淀或根表吸收来加强土壤中重金属的固化。植物修复技术适用于多数重金属的处理，应用性很强，适合大面积污染场地治理，但该处理对土壤条件要求较高，受环境因素限制较大，修复深度仅为根际范围，修复周期长，而且重金属浓度过高会显著抑制植物的正常生长。
8、微生物修复技术也逐渐得到人们的重视，有些微生物具有嗜重金属性，利用微生物对重金属污染介质进行净化，在水体污染中被证明是一种很好的方法。如果用于土壤环境的处理，可能是一种行之有效的方法，目前已进行了积极研究。据报道，日本发现一种嗜重金属菌，能有效的吸收土壤中的重金属，但存在着土壤与细菌分离的难题。如果得到妥善的解决，将是一种很有发展前景的处理方法。
二、 实践知识体系
熟悉和掌握土壤污染治理的流程。能对常见的土壤污染，如重金属污染提供解决方案。
图表1：土壤修复流程图
三、 创新知识体系
随着土壤污染研究的深入以及投入力度的不断加大，土壤修复在部分西方国家正发展成为一个新兴的环境产业。1998年9月，第16届国际土壤学大会在法国Motepellier召开。在这次盛况空前的大会上，土壤修复问题成为大会的一个热点。
其中，土壤重金属污染及治理是主要解决的问题之一，课程体系通过引入土壤污染及治理的内容，进一步完善了课程体系，也为学生从事相关创新创业活动提供了支撑。重金属以其在土壤中难降解、毒性强、具有积累效应等特征受到科学家们的广泛关注,已成为多学科研究的活跃领域。重金属污染的治理途径主要有两种:一是改变重金属形态,使其由活化态转变为稳定态;二是从土壤中去除重金属,使其存留浓度接近或达到背景值。现有的重金属污染土壤修复技术主要包括换土法、化学修复、生物修复、电修复和热修复等。
常用的物理及物理化学方法有热解法、电化学法和提取法等。如对于挥发性的重金属汞,采用加热的方法可将其从土壤中去除;对于渗透性不高,导电性较差的粘性土壤中的Cu、Cr、As,根据电流能破坏金属—土壤键的原理,可应用电化学的方法予以去除。Brewster等曾用铁板作阳极,根据电解产生的亚铁离子经氧化后可产生水和铁氧化物的原理,使地下水中的重金属与水和铁氧化物形成共沉淀而将其去除。提取法是利用试剂和土壤中的重金属相互作用,形成溶解性的重金属离子或金属—试剂络合物,从提取液中回收重金属,并循环利用提取液。近来的研究表明,表面活性剂利用其吸附作用,对土壤中的重金属阳离子具有良好的解吸效果,但对环境产生影响,目前趋向于利用易降解、无毒性的生物表面活性剂.
化学治理就是向污染土壤中投入改良剂、抑制剂,增加土壤有机质、阳离子代换量和粘粒的含量,改变土壤的理化性质,使土壤重金属发生氧化、还原、沉淀、吸附、抑制等作用,以降低重金属的生物有效性。化学治理措施优点是治理效果和费用适中,缺点是容易再度活化。
生物措施是利用某些特定的动、植物和微生物,较快的吸收或降解土壤中的污染物,从而达到净化土壤的目的生物修复的途径主要有两条:
(1)通过在污染农田中种植植物,利用其自身具有特定生理机制对重金属加以吸收、富集或与重金属结合成不具有生物活性的化合物,从而去除或降低重金属的毒性。但其重金属生物载体可能产生二次污染,至今也未找到有效的解决途径。
(2)利用微生物沉积、氧化和还原等作用,降低或消除重金属对土壤污染的研究,是目前环境科学研究中比较活跃的领域之一。但此法应用难度较大,目前尚未获得突破性进展。
在西方发达国家,为了降低污染土壤修复的成本并提高修复的效率,对原位微生物修复更为重视。目前,主要的技术包括:
(1)生物啜食法,它主要采用本地微生物或实验室培养的具有特异功能的菌株降解污染物,采用把污染的地下水抽出加人营养物质和氧气(通常是过氧化氢或过氧化氢物)后再回灌到污染土壤中,或经垂直井的慢速渗漏,加人营养物质和氧气到污染土壤中,以优化降解生态条件,特别是加入表面活性物质等一些化学物质,以降低污染物的毒性来达到提高污染物的生物降解能力;
(2)生物通气法,它结合了蒸汽浸取技术的优点,采用真空梯度井等方法把空气注人污染土壤中,以达到氧气的再补给,可溶性营养物质和水则经垂直井或表面渗入的方法予以补充。这两种方法结合了微生物修复和化学修复的内涵和优点,符合生态化学修复的原理和发展方向。更确切地说,这两种方法更趋于向生态化学修复领域迈进。