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问题
据统计,目前我国有2000万公顷耕地受到重金属污染,约占耕地总面积的1/5。其中,受矿区污染耕地200万公顷,石油污染耕地约500万公顷,固体废弃物堆放污染约5万公顷,“工业三废”污染近1000万公顷,污灌农田达330多万公顷。重金属土壤污染的严重程度以及可能造成的危害,使启动全国范围内土壤修复工作迫在眉睫。
重金属土壤污染修复领域在我国才刚刚起步,重金属污染事件的频发将催化该市场的启动。作为一家专业从事环境污染治理的企业,如何研发出先进的技术,强化自身在行业内的竞争力,同时延伸公司的产业链,增加经济与社会多方面效益,是永清环保面临的问题。
解决方案
作为一家环境污染处理公司,永清环保一直关注土壤修复领域,同时开展重金属土壤药剂的研发和生产销售,为湘江流域历史遗留重金属污染的治理提供技术支撑。永清环保土壤修复药剂使用的是自主研发的离子矿化稳定化技术。该项土壤修复技术具备原料易取得、制备方法简单、使用方法简便、治理效果好等优点。
离子矿化稳定化药剂能够与污染土壤中活性态重金属离子发生矿化反应生成原生态矿物类化合物,降低其生物吸收有效性和土壤浸出液毒性,防止重金属离子随地下水迁移,避免重金属离子对环境和人体健康造成威胁,具有对土壤和地下水中重金属离子长期稳定化功效。可应用的领域主要包括:重金属污染场地及底泥治理;重金属污染农田治理;垃圾焚烧发电厂飞灰稳定化处理等。
此项技术基于不同的重金属污染特性分析,选择并优化不同的稳定化药剂组合,各种药剂起到互补的作用,适用于复合型重金属污染土壤。离子矿化稳定化技术通过沉淀、化学吸附、氧化还原等方式与污染土壤中重金属离子发生反应生成稳定的矿石晶体,这种矿石晶体能在自然界中稳定存在,受环境因素影响小,稳定在矿石晶体中的重金属即使长时间处于在酸性环境下也不会重新析出,解决了稳定化重金属不能长期稳定存在的难题。
离子矿化稳定化药剂的投加比例相对较低,不会出现稳定化处理后废物体积大增,增加修复成本的现象。其主要成分为粘土类矿物、硫基化合物等,不含对环境产生污染的物质,与重金属作用也不产生新的二次污染物质,属环境友好型产品。目前永清环保掌握并工程化应用的土壤修复技术包括:挖掘填埋技术、固化/稳定化技术、气相抽提技术、热脱附技术、植物修复技术、微生物修复技术、土壤淋洗技术及氧化还原技术。
成效
经济效益
永清环保是国内唯一一家以自有技术生产重金属土壤修复药剂的环保上市公司,不仅为土壤修复提供上游原料,同时延伸了公司产业链,为公司提供新的利润增长点。2012年公司实现营业收入5.7亿元,同比增长65%。其中土壤修复业务收入同比增长266%,永清环保年报显示,2012年公司重金属土壤修复收入达7311.09万元,较上期大幅增加5311.09万元,已经成为公司的第二大业务,占比由2011年的5.8%提高到13%。
社会效益
2012年7月,永清环保“重金属污染土壤离子矿化稳定化修复技术研究与应用”通过湖南省科技厅组织的科技成果鉴定,并已申报两项国家发明专利。2012年10月投资3000万元成立全资子公司——永清环保药剂(湖南)有限公司,用于药剂生产。2013年6月3日,湖南省内首条重金属土壤修复药剂生产线正式投产运行并完成首批订单交货。这标志着永清环保填补了国内以自有技术生产重金属土壤修复药剂的空白,为土壤修复提供上游原料。
永清环保预计年产离子矿化稳定化药剂8万吨,可治理重金属污染土壤约140-260万吨,按污染土壤重重为1.8吨/立方米估算,可以修复污染土壤工程量为80-145万立方米,为生态文明建设提供强大助力。永清环保目前已实施或正在实施的重金属污染等环境修复项目有十余个。
展望
关键词:固废拆解;土壤污染;污染修复
DOI:10.16640/ki.37-1222/t.2016.14.100
0 引言
本文是以固废拆解对土壤所造成的污染及采取的治理方法为研究对象。首先我们以台州市路桥区固废拆解集中区域作为我们的实验基地,对该区域进行了长时间的调查研究,了解了固废拆解的现状,并对土壤进行了监测,了解了固废拆解对土壤所造成的主要污染物及污染程度,然后提出治理方案,并通过分析比较确定了土壤污染的修复目标、修复方法,随后进行了土壤修复实验,达到预期效果。最后针对治理过程中存在的问题提出改进建议。
1 土壤污染状况监测情况
1.1 布点设置
我们对已污染的选定区域表层土壤进行了调查筛选,通过网格法均匀布点取样检测,确定重点区块,并重新根据污染源调查情况,采取污染源为中心的放射状布点,对每个重点区块进行布点采样分析。
1.2 现状监测结果
根据监测分析结果,路桥区表层耕地土壤镉超标率最高,超标率达到41.7%;其次为铜,超标率达到32.3%;铅和锌的超标率分别达到20.5%和15.0%。在各乡镇街道中,超标情况最为严重的是峰江街道,其次为新桥镇,再次为主城区(包括路桥、路北、路南三个街道)。各乡镇街道及重点区域土壤重金属浓度如下:
2 污染土壤修复
2.1 修复方法
污染土壤的修复,不同污染类型的污染土壤具有不同的修复方法。针对有机污染土壤,国内外采用较多的方法有化学淋洗技术、热脱附技术、生物堆制技术、原位生物修复技术、热解焚烧技术等;针对重金属污染土壤,采用较多的技术有淋洗/浸提技术、生物修复技术、固化/稳定化技术等[2]。
本实验对选定区域土壤修复采用原位生物修复(动物、植物强化复合工艺)工艺为主,生物处理(化学淋洗)为辅的工艺技术。高浓度的地块预先采用化学淋洗的措施,达到中度或轻度污染浓度后再采用动物修复;修复动物为“大平二号”蚯蚓;中度和轻度污染采取作物试种,选择的植物修复品种为超积累植物芥菜。
2.2 修复实施效果
土壤污染修复后重金属浓度见下表3。
根据上表:第一阶段修复后植物修复区和动物修复区土壤中重金属铬、铜、铅的浓度均低于第一阶段修复目标值,达到了第一阶段预期目标;动物修复区,动物修复后蚓体中的重金属铬、铜、铅的浓度含量较高,修复后土壤中重金属铬、铜、铅的浓度明显降低,说明“大平二号”蚯蚓对重金属的吸附效果比较明显,在中度污染的地块采用动物修复技术是比较成功的。
3 结论
本研究通过对台州市路桥区固废拆解业的调查与了解,选定了主要拆解基地作为试验基地,对他们的土壤进行了监测,在全面了解台州市路桥区固废拆解业对土壤造成的污染现状的前提下,我们提出了生态修复方法,目前均取得了一定的成效。
参考文献:
[关键词]地质;土壤;重金属;污染;污染治理
中图分类号:X53 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2015)22-0286-01
土壤重金属污染是指土壤中重金属过量累积引起的污染[1]。过量重金属将对植物生理功能产生不良影响,使其营养失调。重金属难以在生态系统中转化、处理,并通过食物链层层传递最终在人体内积累,严重危害人类健康[2-3]。
1.土壤重金属污染的来源
土壤重金属污染存在大气、污水、固体废物、农药化肥等多种来源,不同来源的污染治理方法也存在明显差异。我国土壤重金属污染来源主要有以下几种:
1)大气沉降。冶金、重化工等工业过程会产生含有重金属的粉尘或气体排放到空气中,通过自然沉降和降水污染土壤。
2)污水污染。工业、生活污水如果未经处理就进行排放,将携带铅、铜等重金属元素进入河流或地下水中,影响人类、牲畜、农作物安全用水。
3)固体废弃物。生活、医疗、工业产生的固体废弃物在堆放或处理过程中,由于日晒、雨淋、水洗,重金属极易移动,以辐射状、漏斗状向周围土壤、水体扩散。
4)农用物资。农药、化肥和地膜长期不合理施用,导致土壤重金属污染。高毒农药含有铜和锌等重金属元素,一旦喷洒到农作物上难以转化、处理,造成粮食、水果重金属超标,造成食品不安全。
2.土壤重金属污染的地质因素分析
我国的南北方地理区域气候、经济发展差异,土壤地形、地质差异,将导致土壤重金属污染呈现地质因素特性。具体分析如下:
1)南北方差异
从污染分布情况看,南方土壤污染重于北方。我国南方地区经济较发达,尤其是有色金属产业、外贸加工业较为集中,导致土壤重金属超标严重。镉、汞、砷、铅4种无机污染物含量分布呈现从西北到东南、从东北到西南方向逐渐升高的态势。
2)耕地土壤污染特点
耕地土壤污染主要由于含有重金属的农资使用、工矿企业重金属排放物迁移污染,并且前者具有全国普遍性,这主要因为我国农药、地膜安全标准较低所致。根据统计,我国耕地土壤重金属超标率超过1/5,主要污染物为砷、铜、汞、铅、铬等,并且呈现污染程度逐渐加剧的趋势。
3)酸碱地质差异
我国热带、亚热带地区,广泛分布着各种红色或黄色土壤的酸性土壤。南方土壤受到气高温高、强降雨量影响,pH一般低于6,较强的酸性土壤对铜、锌等金属元素具有天然的吸附能力。而我国北方地区多呈现盐碱地质。不同酸碱度土壤对重金属元素的吸附能力也不相同。
4)矿山矿区差异
我国中南地区分布较多的金属矿山,由于采矿长流程、大滞后、多变量耦合工艺的影响,导致矿山不同区域土壤具有差异的重金属污染特性,因此需要针对不同矿区进行有针对性的分析,以标定重金属污染元素以及量级程度。不同矿区的污染程度、重金属元素具有明显差异。
3.基于地质因素考虑的土壤重金属污染治理方案
1)农药污染土壤的治理
对于农药、化肥、地膜等农资污染的耕地土壤可以采用热脱附技术进行治理以提高土壤的自我更新能力,保持土壤的活性。在采用该技术时需要控制两个参数指标即加热温度和保持时间以控制污染物在不同相之间的迁移转变,尤其是将重金属通过蒸发、排放、冷凝、剔除等处理至达标后进行无危害转移与安全排放,以避免土壤的二次污染。
2)盐碱土壤污染治理
在盐碱地的耕作过程中,利用粉垄螺旋钻头设置底层粉垄暗沟系统,利用天然降水的下渗运动,使土壤中的盐分下沉,并借助粉垄土壤疏松在氧气、微生物等作用下,使土壤中的部分盐分下移,增加了微生物对重金属、有机污染物等的吸着和转化。
3)土壤污染的固化稳定处理
土壤污染的固化稳定处理其原理为削弱土壤金属元素的迁移扩散能力,避免重金属污染的传递与二次污染以降低其危害,消除其对生态环境的进一步影响。需要指出的是该技术并不是消除重金属,而是隔绝其对其它环境的影响。图1显示固化稳定化处理在土壤修复治理方案中使用率达到22.2%。
4)酸性土壤的治理特点
酸性土壤对重金属元素的易污染程度由高到低依次为As Ni Pb Cu Cd Zn Cr Hg,空间分布不均匀程度由大到小依次为Cd As Pb Zn Cu Cr Ni Hg。Cd的含量与pH值呈正相,As的含量与F的含量呈正相关性,Cr、Hg的含量与F的含量呈负相关性,Cr、Cd的含量与海拔高度呈正相关性,Cu与As、Cu与Ni、Hg与Cr呈正相关性,Zn与Pb、As与Ni呈负相关性。
5)矿区污染土壤的治理特点
针对金属矿区土壤污染特性,有针对性的对其Zn、Pb、Cd、Cu和As等金属元素进行吸收、转化与格力处理。并且,根据矿山不同区位的污染程度设定不同等级的重金属处理标准,在有限污染处理成本的前提下实现矿山土壤综合治理的最优化效果。可见,针对矿区污染土壤的特点需要设计有针对性的处理方案。
4.结论
土壤重金属污染严重危害人类健康,且其污染治理受到污染源多样化、异质性影响存在较大难度,因此该课题受到国内外广泛关注。针对不同地质因素重金属污染的形式存在差异这一特点,提出基于地质因素考虑的土壤重金属污染治理方案。所提方案对开展土壤重金属治理工作具有借鉴意义。
参考文献
[1] 徐龙君,袁智.土壤重金属污染及修复技术[J].环境科学与管理.2006(08).
1水文水资源
水文水资源学科分为水文极值理论与计算、水文预报理论与方法、水资源开发利用管理理论与方法等3个方向,目前是水科学研究中比较活跃的一个分支。
水文学研究的对象主要为大气、植被、地表、土壤及含水层中的水分运移和相互间的水分转化[1]。目前研究的重点和难点问题主要有:空间分布问题、水文尺度问题、稳定化数值算法问题、分布参数计算、区间入流反演、单宽入流过程的反推等。引入的新理论和新方法有神经网络模型、灰色模型、遗传算法、分形、混沌理论等。水文预报方法中数学模型的研究由黑箱模型发展到概念性模型,目前这一领域的研究主要集中在概念性模型的参数识别、模型参数的实时矫正技术;随着GIS(地理信息系统)空间信息处理技术及相应计算机软件、高性能微机工作站及数字地形高程(DEM)等技术的出现,使得与水文水环境有关的地理空间数据的获取、管理、分析、模拟和显示变为可能,开始出现了分布式物理水文模型和半分布式物理水文模型等新的洪水预报模型,其中,分布式物理水文模型将在近几年内有较快的发展。今后水文学的主攻方向将是区域尺度大气输入和分布式水文模型相耦合、新技术体系在流域水文学上的应用以及建立数学模型模拟人类活动影响下的地下、地表水质和水量的变化情况[1]。
水资源的优化配置一直是水资源高效利用需要讨论的议题之一,随着近几年来我国北方部分城市严重缺水以及洪、涝、旱等灾害的不断出现,使得该分支的发展越来越受到社会各界的普遍关注,如何使水资源充分发挥作用,使之有利于人类社会的发展成为众多学者为之努力的方向。为减轻洪涝灾害的发生,在分析流域水位径流资料的基础上修建防洪功能水库,通过建立调度决策支持系统减少灾害损失的发生,同时也考虑洪水资源化,将洪水引入到适当地方储存起来,供缺水时使用。长距离调水是我国解决水资源南北分布不均、北方城市严重缺水的重要手段,由此而来的如何合理建立水市场便成为急待解决的问题之一,有关水权、水价的形成机制以及效益补偿机制的建立成为该领域理论与实践研究的前沿课题,这一领域也体现了水资源学与管理学、经济学、社会学、法学等多学科交叉的特色。流域水资源管理从水资源工程的多目标开发和统一管理,逐渐发展为集地下水、地表水、湿地、水生生态系统于一体,统筹规划设计、实施和保护的流域水资源集成管理。以水资源系统工程、大系统多目标优化理论、决策分析以及协商理论和对话机制为基础建立的水资源管理决策支持系统为水资源统一协调管理提供了强有力的支持。
开源节流是解决水资源紧缺问题的主要途径。城市雨水资源化就是一个很好的节水思路。现在城市雨水大多是通过下水道直接进入城市排水系统中,在雨量较大时,常常造成排水不畅,引起城区滞水,给人们生活带来诸多不便。如能将这部分雨水充分利用,对缓解城市水资源短缺,减轻城市排水系统的压力将起到双重作用。
地表水和地下水的相互作用是科学家们所热切关注的话题,目前多从野外试验、示踪剂、模型模拟和仪器测量等方面研究地下水与地表水交错带上发生的各个过程及地下水在质和量上的相互作用。
数字地球、数字流域概念的提出,进一步推动了水文水资源科学的发展。地理信息系统(GIS)、全球定位系统(GPS)和遥感技术(RS),或称为“3S”系统,在水文水资源研究和应用领域的应用,使得开发整个流域的产汇流过程,对洪水演进和淹没进行三维空间的动态模拟仿真系统成为可能,这些技术的发展无疑对防洪部门的决策具有重要的参考价值。
2环境水利
环境问题是21世纪全世界各国所面临的重要问题之一,环境水利学科基础研究主要涉及到河流水环境、非点源污染防治及治理、水污染处理工程等方向。
河流水污染是近年来人们普遍关注的主要环境问题之一,我国河流水环境质量总体较差,有必要加强河流水质管理、治理污染和防止污染加剧。目前这方面的研究主要集中在:①研究河流水环境质量发展趋势。建立水环境质量监测网,跟踪研究水环境质量因子在河流中的变化情况,预测河流水环境质量的变化趋势;②河流水环境不确定性风险研究是世界性的难点和热点问题。由于河流的多用途性,使得河流水环境经常会遭到一些意想不到的破坏,而这种破坏是带有突发性和不确定性的,因此给河流水环境的风险研究提出了更高的要求;③建立河流生态环境预警系统。与河流水环境质量发展趋势相对应,如果某个或某些水环境质量因子的发展趋势向着河流生态环境质量恶化的方向发展,并接近生态环境可允许的边缘时,通过发出警报,使人们能够及时采取措施预防和治理;④河流水体的动态耗氧、复氧机理。研究河流的变化应尽量接近河流的天然情况,河流水体的动态耗氧、复氧过程正是基于此而提出的,研究河流水体的动态耗氧、复氧机理对于正确认识河流水体中氧气的耗用情况,进而研究河流水质的发展变化机理有重要意义;⑤江河生态环境最小需水量定量化理论和应用研究。江河生态环境是江河在长期的演化过程中形成和发展起来的较稳定的生态关系,研究江河生态环境最小需水量对保护自然界生态平衡、确定人类可引用的河水数量具有重要参考价值。
非点源污染方面的研究,集中在人类活动对地下水污染的预测和如何对污染物进行治理等方面。由于非点源污染需要综合和显示各种空间信息,利用GIS对空间数据的处理能力及模型的模拟能力,可研究不同的土地利用方式对流域水文和水质的影响。农业非点源污染是造成地表水富营养化的一个主要原因,研究湿地生态系统对农业非点源氮、磷等元素的削减能力,为减轻和控制富营养化提供依据。对湿地非点源污染的控制机理研究将对非点源污染的治理起到积极作用。
水污染处理工程方向的研究愈来愈受到重视,地下水污染是水污染中较难解决的问题之一。我国地下水和土壤污染相当严重,主要污染物是重金属离子和有毒有害有机物,据调查,超过50%的城市地下水受到不同程度的污染。受污染士壤和地下水的修复技术基本上分两类:物理化学类型和生物学类型。物理化学类型包括隔离、泵抽取、地上处理、士壤清洗、萃取、固化和稳定化等;生物修复技术包括地上生物处理和地下现场生物修复等。物理化学类型能够彻底清除土壤和地下水中的污染,其缺点是严重影响士壤的结构和地下水所处的生态环境,而且成本非常高;相比,现场生物修复技术不会破坏生态环境,但是修复过程非常缓慢,效率低。目前出现了一种电动力学修复技术,既能修复受污染的土壤和地下水而又不会破坏生态环境,成为修复技术的发展方向[7]。水污染治理机理研究集中在:微生物措施研究,利用有益微生物保护水源;研究曝气生物滤池中的气液固三相流,提高污水处理效率;研究深层均质滤料滤池处理微污染水的氧化机理等方面。此外,水污染经济损失评估、湖泊富营养化机理、生态环境评价指标体系等方面也是环境水利学科研究的热点问题。
3农田水利
农田水利研究以农田节水、作物高产为中心,涵盖了节水灌溉理论与方法,节水灌溉综合技术体系,灌溉排水技术与方法等方面的研究。
土壤水与作物关系问题的研究是农田水利研究的基础,围绕着农田土壤水分的转化问题与农田水分的有效利用开展了大量的研究。土壤水研究现已从单学科走向多学科交叉,如水热和溶质的耦合运移,土壤-植物-大气连续体中的水热运移等。其研究特点亦从均质走向非均质,从点的研究走向面(或区域)的研究,从理论研究推进到应用研究。土壤水运移机理研究目前集中在优先流、土壤水参数的测定和确定、土壤水参数的空间变异性、土壤水分运动的随机模型等几个方面。
为缓解农业用水紧张状况或为了提高灌溉水利用率、提高水分生产效率、增加用水者的经济效益或减少劳动力和动力消耗而采取的节水措施主要有:①输配水过程:渠系改建、渠道防渗、管道化输水灌溉、灌区现代化管理;②田间输水过程:水平畦田灌、喷灌、滴灌、渗灌、小管出流、波涌灌(浑水波涌灌)、膜上(下)灌、有限灌溉(限水灌溉、非充分灌溉、调亏灌溉)、集雨灌溉;③作物吸收转化过程:坐水种、机械保墒、化学保墒、秸杆(薄膜)覆盖等。近来,节水灌溉出现的新概念、新方法还有:地下滴灌、微喷灌、节水控盐灌溉、控制性分根交替灌溉、微咸水灌溉[2]等。
灌区现代化管理是获得灌区系统的最优运行、充分发挥工程效益的良好手段。灌溉排水规律的复杂、水资源日趋紧张、综合利用供需矛盾的增加都需要加强灌溉排水系统的集中管理。自动化、GIS、GPS、RS、水情自动测报系统等技术的发展,为实现灌区管理现代化提供了技术支持。实现灌区现代化管理,首先要有灌溉工程控制设备的自动化,其次有先进的系统运行软件对系统控制问题进行决策,从而建立灌区现代化管理决策支持系统,指导灌溉用水过程。
水平畦田灌是田面非常平整条件下的畦灌,要求供水流量大、土地平整精度高。用传统技术难以满足其精度要求,必须在进行大地测量后,采用激光平地技术。该技术在美国等发达国家被称为是地面灌溉最重要的进展之一[8]。波涌灌溉利用了致密层在发展中不断减小田面糙率与土壤入渗特性这一客观规律,逐次为以后各周期的灌溉水流创造了一个加速水流推进与提高减渗效果的新界面。浑水波涌灌溉则是利用含沙量较高的水进行波涌灌概,能够起到更加明显的效果[4]。地下滴灌是目前节水效应最为显著的灌水方式之一,它具有微灌的所有优点,又在生态环境保护方面效果明显,将农、水和生态等学科交叉融合,统一考虑地下滴灌技术参数组合与作物生长发育和水肥利用的关系,能较好地协调土壤水、肥、气等状况,防止土壤板结,为作物创造良好的生长环境,具有明显的节水增产效益。目前该领域的研究主要集中在以提高水肥利用率及根区水分养分运移过程的效率为目标进行的地下滴灌灌水技术参数的优化试验研究。微喷灌具有节水、调节田间小气候等特点,缺点是受风影响大,飘逸损失多。目前,国内外微喷灌工程对水滴分布函数、飘逸蒸发系数研究不够。节水控盐灌溉制度设计模型以作物生长对土壤水盐状态的响应为依据,在分析作物水盐模型和大田水盐平衡理论的基础上,研究淡水、微咸水交替灌溉条件下灌溉制度的优化设计,是节水灌溉制度的一种新的设计方法[5]。控制性分根交替灌溉是一种局部根系受累时既能满足作物水分需求,又能控制蒸腾耗水的农田节水调控新思路[6]。微咸水是我国北方地区重要的水资源,实施微咸水灌溉对北方地区水资源的合理开发利用,提高作物产量,开辟新的灌溉水源、缓解我国北方缺水状况将有重要意义。节水灌溉综合技术体系也叫节水农业技术体系,是为充分利用降水和可用水资源采取水利措施、农业措施和管理措施,提高水的利用率和利用效率,达到农作物高产高效的成套技术。是一项包括水源、输水、田间供水、生物和管理等子系统构成的系统工程[8]。该技术体系可缓解水资源供需矛盾,促进高产、优质、高效农业发展。在排水控制涝渍和盐碱化方面,目前采用的方法有明沟排水、竖井排水、二元结构水文地质条件下的竖井排水、暗管排水、辐射井排水等,研究内容主要集中在对田块、排域的排水模数等方面。分析节水灌溉技术的不同尺度影响,地理信息系统(GIS)在节水评价中的应用也是当前研究的热点问题。
4小结
水科学的研究已经进入了一个全新的发展时期,研究的对象已经向微观和宏观两个领域的深层次发展,研究的尺度也呈现区域、流域、全球平行发展的态势,各尺度的转换问题研究是当今水科学研究的前沿课题之一。水科学与多学科的交叉仍然是水科学由理论转向实际的重要手段,高科技领域在水文水资源研究中的应用更加广泛;水资源评价已发展到在可持续发展思想指导下,不仅进行水量评价,而且包括水质、水资源保护、水资源经济、水资源管理等全方位评价的评价指标体系;水环境问题的研究中,点污染、线污染和面污染研究并举,并以非点源污染的研究领域有较大的开拓;加强了人类活动对水循环影响的研究;开发研制具有水文过程模拟、水污染控制、水资源规划与管理等功能的流域规划决策支持系统软件等。
致谢:本文除如下参考文献外,还参考了2001年国家自然科学基金委员会水利学科有关申请书的申请材料及部分专家评议意见,在此一并感谢。
参考文献
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[4]王文焰,等.浑水波涌灌溉的节水机理与效果.水利学报,2001,(5).
[5]张展羽.节水控盐灌溉制度的优化设计[J].水利学报,2001,(4).
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当前耕地土壤重金属污染现状和特征
综合多部门调查结果判断,目前我国重金属污染耕地面积约1.8~2.7亿亩,主要分布在我国南方湘、赣、鄂、川、桂、粤等省区,污染区域主要为工矿企业周边农区、污水灌区、大中城市郊区和南方酸性水稻土区等。土壤重金属污染具有以下特征:首先,土壤重金属污染具有隐蔽性和滞后性,一般是看不见摸不着的。因此,很多人都会问土壤污染到底是不是病?比如说重金属镉污染,都看不到镉,无法让地方政府和老百姓感觉到有害。除非有表观现象,或者有继发性的毒害事件,才会引起人们对土壤污染的关注。其次,土壤污染呈现的危害一般是潜伏和间接的。我在湖南做了一个案例,试图找到土壤污染与人体健康间的关系。在一个信息隔绝的小村子里,土壤受到了污染,但这个地方的水是干净的,老百姓吃的蔬菜也是干净的。通过连续三年的观察,没有发现两者的必然联系。后来查找了国际上很多相关研究,确实发现土壤污染对人体健康没有直接的关系。再次,土壤中的重金属具有积累性和地域性。我国大面积的土壤重金属污染已经有了报道,包括我们自己也做了研究,多半与水系有关,具有一定的流域性,如发生在湘江流域、西江流域的土壤污染。最后,土壤重金属污染具有不可逆性和难以修复的特点。耕地土壤重金属污染为什么非常复杂?一是污染来源非常复杂,灌溉水、大气沉降、农业投入品都会影响耕地土壤中的重金属含量。二是农业的种类繁多,有水田、旱地,有的种小麦、有的种菜。因为种类繁多,所以目标值比较多样化,这就导致修复非常复杂。三是在耕地污染治理方面,部门管理割裂。由于重金属污染影响的目标非常多样,不同部门的关注点不同,与耕地有关的有农业部、粮食局、质量监督局,还有环保部、水利部、国土部等,这种部门割裂导致了土壤治理的复杂性。
国际修复的经验
国际上,美国和日本这些国家对于土壤污染的认识至少比中国早二三十年。美国1935年开始有土壤保护法,1978年因拉弗河(Love Canal)污染事件促使了超级基金法案的诞生,开始对污染场地治理和管理。目前,国际上关于土壤修复的经验非常多,已经有了比较完整的技术体系。按照位置变化,有原位、异位、原地、异地处理;按操作来讲有物理、化学、生物、综合方法。具体的技术体系有挖掘、填埋等一系列技术方法。但是这些技术的发展基本上以物理化学为基础,大部分是不适合治理耕地污染的。在为数不多的案例中,日本“痛痛病”发源地污染土壤花了30~40亿来治理,采用的是客土法;台湾的这种案例采取的方法是翻耕稀释法,也就是大家俗称的深耕改土。
同时,我也检索了国内外相关的科技文章,2005年到2010年之间大部分都是生物修复、植物修复、钝化修复。2010年以后,技术开始多样化。但是,1600多篇文献中大概有一半是针对污染场地的,一半是针对耕地的。治理污染场地的方法比较多样化,但治理污染耕地技术就比较简单,多半是固化/稳定化。SCI检索的大部分文章都是停留在机理研究。在耕地研究方面,中国的研究非常多,国际上基本上没有。
国内修复技术进展
中国真正关注土壤污染应该是在“十二五”期间,2006~2008年大家开始关注土壤污染,大规模研究也是在“十二五”后期。有几件较有影响的事情,其中有2000年启动的“863”项目,和2014年启动的湖南“长株潭”试点。
“十五”期间的一个“863”项目中有关重金属污染修复技术,主要是开展超富集植物的筛选,国家大约投入1000万元来进行技术研究和产品开发。“十一五”期间,国家投入相对改变了,在矿山修复、石油污染修复、多环芳烃污染农田修复方面,大概投入了2000万元。之后,国家环保部在“十一五”末期开展工业场地修复,这个阶段农田修复反而被忽略了。“十二五”末期的“长株潭”试点和“十三五”的重点研发任务,对耕地污染的治理越来越重视,投入更多。目前内常用的技术体系主要有如下5种:
一是原位钝化技术。通过吸附、耦合、沉淀、氧化还原反应,把重金属变成不活泼的,减少植物对重金属的吸收。该技术主要产品就是钝化材料,现在已经开发得非常多。从原来非常简单的含磷物质,到现在的纳米材料等,还包括各种新型材料,这是我国目前研究的热点。
二是植物阻隔技术。就是种植低吸收品种,一种是通过常规的筛选方法,一种是通过选育方法,这种技术是非常有效的,能够大幅度降低重金属在农产品中的累积。例如,低吸收的水稻品种和常规的水稻品种的镉吸收量相差一倍;不同的蔬菜品种,镉的累积有很大的差别。
三是超富集植物提取技术。这是我国发展最早的、在世界上最有话语权的技术,就是在污染区种超富集植物。所谓超富集植物,就是植物地上部污染物的积累量大于根部的积累量。最早提出超富集植物的是一位国外科学家,国内最早研究超富集植物的是南京大学马奇英教授和中科院地理科学与资源研究所陈同斌研究员,他们发现了蜈蚣草。目前,有很多团队比如南土所、浙江大学在做超富集植物提取的相关研究,很有成效。
四是种植结构调整。针对中高风险的农田,也就是说在重金属污染的田地,种植不具备超富集植物能力的经济作物,切断重金属往植物转运。很多人考虑能源植物、经济作物、中草药等,但最关键的,种植结构调整要形成新兴的产业。
五是农艺调控措施。我推荐这种方法,这是目前很多区域做示范时采用的方法。这种方法比较简单,比方针对镉,长期淹水就能够降低镉,通过施磷肥能够明显降低植物中砷的吸收,通过调整PH值也能够改变。
湖南重金属污染治理案例
2013年爆发的镉大米事件,严重影响了水稻生产和销售,造成不良影响,使“重金属污染问题”成为社会关注的焦点。2014年农财两部实施了“湖南重金属污染耕地修复及农作物种植结构调整试点”工作,近期我所作为委托方对试点工作进行第三方评估。湖南试点工作涉及耕地面积广、财政经费大、人口数量多,也是目前世界上规模最大的一个耕地污染治理工程。
耕地修复的总体原则就是“因地制宜、政府引导、农民自愿、收益不减”,主要修复技术就包括刚才讲到的5项技术。针对湖南重金属污染耕地,相关部门提出了“分区分类”治理方案,以农艺措施为主,实现“边修复边生产”。
湖南试点工作取得了不错的成效。就种植结构调整措施而言,从经济效益方面来说,我们发现不同替代作物的净收益差距还是很大的,其中蛋白桑的效益最好,其既可作为饲料,也可以作为蔬菜食用。从成本分析来看,人工成本投入是最大的,其次是物料成本和农机成本。
对于湖南试点工作情况,我们进行了大面积的访谈和问卷调查,访谈对象包括农民、种植大户、合作社等,发现目前试点工作还面临着一系列的问题:最关键问题是治理资金;技术落实不到位,导致整个试点面临着很大压力;社会力量,包括企业、合作社,总体上参与程度不够;修复方案设计与现实脱节。
关键词:污泥;处理处置;节能减排;研究现状
中图分类号:X703文献标识码:A文章编号:1674-9944(2012)12-0001-04
1污泥现状
近年来,随着国家经济的快速发展和节能减排政策的作用,我国城镇污水处理行业得到迅速发展,水环境治理取得显著成效。生物法是污水处理最常用的方法,而剩余污泥是其过程中的必然产物。剩余污泥易腐烂,有恶臭,并含有大量病原微生物、寄生虫卵或重金属等有害物质,如果不能得到有效的处理处置,很容易对地下水、土壤等造成二次污染,威胁环境安全和公众健康,影响国家节能减排战略实施的积极效果[1~4]。随着近年来我国环境保护的要求越来越高,污水处理率的增加,污泥产生量也不断地增加。2009 年,全国投入运行的城镇污水处理厂1992 座,处理污水量共计280 亿m3,产生污泥约2005 万t(含水率约80%)[5]。住建部《关于全国城镇污水处理设施2011年第4季度建设和运行情况的通报》显示,截至2011年年底,全国各市、县累计建成城镇污水处理厂3135座,污水日处理能力达1.36亿m3。全国正在建设的城镇污水处理项目达1360个,总设计能力约2900万m3/d,城市污水处理率达82.6% 。我国的剩余污泥处理处置压力十分巨大。另据不完全统计,全国城镇污水处理厂污泥只有小部分进行卫生填埋、土地利用、焚烧和建材利用等,大部分未进行规范化的处理处置。上海市的污泥处理处置只约占总污泥产生量的25%。因此,我国污水处理厂的污泥处理处置问题日趋严峻,研究污水污泥的处理处置对策迫在眉睫。
污泥处理处置的最终目标是实现污泥的减量化、稳定化、无害化和资源化[6]。从技术和操作层面上,污泥处理处置可以分为两个阶段:第一阶段是在污水处理厂区内对生污泥进行减量化、稳定化处理,其目的是为了降低污泥外运处置造成二次污染的风险;第二阶段是对处理后的污泥进行合理的安全处置,实现污泥无害化和资源化的的最终目的。
针对我国目前的污泥现状,本文对污泥的处理处置技术发展现状、污泥预处理技术的研究进展及存在的问题进行了综述,并提出几点建议,对于我国城市污水处理厂产生的剩余污泥的有效处理处置,具有重大的实际意义和参考价值。
2污泥处理处置技术的发展现状
2.1污泥处理技术
污泥处理就是对污泥进行浓缩、调理、脱水、稳定、干化等的加工过程[7]。随着我国污泥产生量的不断提高,污泥处理处置逐渐成为国内外关注的焦点。有效适当的污泥处理可以使污泥在处置中减少对环境造成的有害影响。
2.1.1污泥浓缩/脱水
目前,城市污水处理厂最常用的污泥浓缩方法主要为重力浓缩池和浮选浓缩池,其中重力浓缩池应用最多[8]。我国水处理工艺技术发展较快,与国际先进水平差距不大,其中污泥脱水技术也有了较大的提高,但污泥浓缩技术较为落后,相对工业发达国家普遍采用的专用污泥浓缩机,“两池”占地大、效率低、投资高、建造工期长、管理控制难,差距显著。
污泥脱水的传统方法主要是利用污泥干化场,使其自然干化,其主要缺点为占地面积大、环境卫生条件恶劣、适用地区范围小。目前在大型、开放性城市,已很少使用。由于环保要求,在我国污泥脱水技术研究已得到各方面的逐步重视,各种型式的脱水机械也在逐步开发制造,但仍不成熟,需要进一步提高脱水机械设计、制造和管理水平。目前常用的污泥脱水设备主要有真空过滤机、带式压滤机、离心脱水机、板框压滤机和回转脱水机等[9]。对于污泥脱水型式选择的条件,主要根据污泥的理化性质、进泥含水率、脱水后泥饼含水率、占地、一次性投资和运行费用等,进行综合比较考虑确定。
为便于污泥进一步处理处置,目前,我国有关部门要求将城市污水处理厂产生的污泥的含水率控制在60%以内。然而,目前尚缺少能耗较低、添加剂用量少、产能大且能对污泥连续进行处理的深度脱水设备。当前市场上出现的板框式深度脱水处理机在脱水方面能满足相关的要求,但其压榨时间较长(一个循环周期时间约3h45min)、不能连续出料、单台设备处理能力小、设备使用寿命较短、技术有待完善等缺点限制了其进一步的推广使用。
上海市城市排水有限公司与上海交通大学结合目前污泥深度脱水压滤机存在的问题,开发了一套可使污泥易于脱水的预处理技术(添加相当于脱水污泥总量为5%~6%的污泥改性剂)和一套可连续对污泥进行脱水的新型带式压滤试验机(处理能力为20~30t/d)。污泥通过改性剂预处理并经过连续带式压滤后,含水率可从80%~85%降低到50%~55%左右,能满足与后续污泥处置衔接的要求。该设备是在原有带式压滤设备基础上发展而来的,其构成具有如下特点。
(1) 滤带。要求其具有较高的抗拉强度、耐曲折、耐酸碱、耐温度变化等特点,同时还应考虑污泥的具体性质,选择国外进口的适合的编织纹理,具有良好的透气性能及对污泥颗粒的拦截性能的污泥滤带。
(2)辊压筒的调偏系统。通过气动装置自动纠偏。
(3)滤带的张紧系统:由气动系统来控制,滤带张力一般控制在0.3~0.7MPa,常用值为0.4MPa。
(4)带速控制。不同性质的污泥对带速的要求各不相同,即对任何一种特定的污泥都存在一个最佳的带速控制范围,在该范围内,脱水系统既能保证一定的处理能力,又能得到高质量的泥饼。
(5)连续带式压滤脱水机受污泥负荷波动的影响较小,并具有出泥含水率较低、运行稳定、管理控制相对简单、对运转人员的素质要求不高等特点。
(6)运行电耗。该设备能耗较小,每吨脱水污泥从含水率80%降到55%以下时,电耗约为9~12kW·h。
2.1.2污泥消化稳定技术
在我国,存在着“重水轻泥”的现象,所以与国外相比,我国污水处理厂污泥稳定化程度低,据调查,2600多座污水处理厂中只有近60座配有污泥厌氧消化设施,而其中正常运行的不到20座[10]。
污泥消化稳定技术主要有好氧消化和厌氧消化两种,在设备方面,厌氧消化主要依靠国外进口设备,污泥好氧堆肥技术和设备主要为自主开发,并且已经实现产业化。厌氧消化是目前国际上最为常用的污泥生物处理方法,适用于大型污水厂,通常可使污泥减量30%以上,使污泥稳定易于脱水,具有良好的有机物降解率(40%~60%),回收能源,运行成本低,总污泥量减少, 净能量消耗低,病原体活性低,消化后产品适合农用,应用性广;但也存在操作难度高、初次投资高、安全问题等缺点。
2.2污泥处置方式
污泥处置是指污泥以某种形态在环境中消纳的方式。常见的污泥处置方式主要有:卫生填埋、焚烧、土地利用、建材利用等[11,12]。在我国,污泥的土地填埋占了较大比例,且最终出路是进入垃圾填埋场,也有填海,有的进入水塘堆放,对环境造成严重的二次污染[12]。最适合我国的污泥处理方式是土地利用。
2.2.1卫生填埋
卫生填埋是目前我国普遍采用的污泥处置方法,但由于脱水污泥的含水率较高及填埋场对污泥剪切力的要求,污泥进填埋场的含水率必须小于40%,有机质含量低于30%[11],并且现在很多垃圾填埋场拒收污泥入场。近年来很多处置污泥的填埋场增设了深度脱水/固化或石灰稳定设施,来实现污泥有效卫生填埋。
污泥卫生填埋始于20世纪60年代,到目前为止已经发展成为一项比较成熟的污泥处置技术。按 2004 年我国的污水处理能力统计,我国各个污水厂每天产生约7000 t 的污泥饼,70%以上是弃置,20%是填埋,不到10%的是通过堆肥等技术处理后回用于土地[13]。该种污泥处置方法的主要优点有:操作简单、投资费用小、处理费用低、适应性强;但是也存在占地面积大、潜在地污染土壤和地下水等缺点。随着我国城镇化建设带来的对土地的大量需求和污泥产生量的剧增,造成目前剩余污泥填埋难以找到适宜的场所。此外,远距离运输成本越来越高。种种不利因素都限制了污泥填埋,致使其不会成为污泥最终处置的发展方向。
2.2.2污泥干化
近年来污泥干化系统设备的国产化发展很快,但投产主要干化项目如北京、上海、重庆、深圳、苏州等地均采用进口设备。干化焚烧现在采用的主要工艺有流化床工艺(如上海石洞口污水处理厂)[14]和污泥喷雾干化焚烧(如浙江绍兴和萧山)[15]。污泥协同焚烧是污泥热处理的发展趋势之一,国内已在北京、嘉兴、广州等地的水泥厂和发电厂实现了规模化工程示范应用[15]。
污泥的常见热干化系统主要有直接干化(流化床干化、转鼓干化)、间接干化(薄层干化、浆式干化)和辐射干化(带式干化、螺旋式干化)等[16]。污泥通过焚烧(鼓泡流化床)实现污泥稳定燃烧,使有机物全部碳化,杀死病原体,使污泥彻底实现无害化,但其系统复杂,专业技术要求高。污泥干化焚烧与其他方法相比具有的突出优点是:污染物最终处理效果好,污泥体积最小化,不存在重金属和合成有机物污染问题,处理速度快,干化后可就地焚烧,减少长距离运输,污泥焚烧炉渣制砖比干化污泥制砖更安全。但是也存在一些缺点:工艺复杂,牵涉多个行业,设备不成熟,成本高,可能产生二噁英等有毒气体,焚烧烟气处理成本较大。目前,国内工程实例主要有上海石洞口污水厂、浙江富阳市污泥焚烧厂、深圳宝安污泥干化焚烧厂、重庆市污泥干化焚烧厂(与水泥混烧)、北京市污泥干化焚烧厂(与水泥混烧)、成都市污泥干化焚烧厂。
2.2.3土地利用
污泥的土地利用主要是指将经过脱水和无害化处理的污泥用于农田、林地和园林绿化,还可以用于土地的复垦以及沙化或荒漠化土地的改良等,是污泥资源化的一种处置方式。
污泥土地直接利用因投资少、能耗低、运行费用低、有机部分可转化成土壤改良剂成分等优点,被认为是最有发展潜力的一种处置方式。科学合理的土地利用,可减少污泥带来的负面效应。一方面,污泥的肥效可以有效改善土壤的肥力,促进植物生长。我国是农业大国,将处理后的污泥作为肥料或土壤改良剂,不但可以节省大量的污泥终端处置费用,而且可以为肥力低下的农田增添有机质,实现农业生态环境的良性循环。因此,污泥的土地利用是一种符合我国国情的污泥处置方法,在我国污泥农用应具有比较好的前景[17]。另一方面,林地和市政绿化的利用因不易造成食物链的污染而成为污泥土地利用的有效方式。污泥用于严重扰动的土地(如矿场土地、森林采伐场、垃圾填埋场、地表严重破坏区等需要复垦的土地)的修复与重建,减少了污泥对人类生活的潜在威胁,既处置了污泥又恢复了生态环境,也是污泥土地利用的一个重要方面。
但由于污泥中含有的有害物质,如不经严格的无害化处理,容易对人体以及环境造成较大的影响。如污泥中的一些难降解有机污染物,且毒性很强,一旦进入土壤,势必对土体造成危害。另外,污泥中的重金属,随着污泥施加次数的增加逐渐会在土壤中累积,我国几个较大污水厂的污泥都存在个别重金属含量超出农用标准的问题[18],废水污泥中的病原体存活时间一般不超过一年,而重金属( 如镉、铅、砷) 将可能在环境中长期存在。因此,如果要实现污泥农用,需要经过严格无害化处理才可以大面积推广。
由于我国关于污泥土地利用的政策法规还不明确,真正意义上的土地安全利用比例还十分有限。
2.2.4建材利用
污泥建材利用是提高污泥利用附加值和物理处置利用率的最佳方式之一,可以有效减少污泥中的有害物质对环境的危害,具有极大的发展潜力和极高的研究价值,是未来污泥资源化利用的重要方式。污泥中除了有机物外还含有20%~30%的无机物,主要是含Ca、Si、Al、Fe 等元素的矿物质[19],与许多建筑材料原材料的成分非常相近,因此可以分别利用污泥中的无机成分和有机成分制造建筑材料。目前污泥建材利用主要有污泥制沥青、制砖、制陶粒、制混凝土、制生态水泥、制生化纤维板等[18,19]。在重庆、上海等地已经建设了利用污泥制备陶粒和烧结砖的生产线,有力地推动了污泥建材资源化。
从可持续发展和循环经济发展的角度来看,污泥建材资源化是污泥利用的重要甚至是根本方向,因为污泥的建材资源化不仅利用污泥量大,而且污泥建材生产和利用过程对环境影响最小。如果能在排污末端将污泥的处理工艺与建筑材料生产前端的原材料制备工艺结合起来,使经过处理的污泥能够直接用于烧制建筑材料,将会极大地降低污水污泥的利用成本并促进污水污泥的建材资源化利用。根据国内外研究发现,污泥烧成制品将是污泥建材资源化非常重要的方向。
3污泥预处理技术的研究进展
从20世纪70年代起,包括物理、化学、生物以及其联用的方法对污泥进行预处理的研究报道开始相继出现[20]:物理法主要有高温水解[21]、冻融处理 [22]、超声波[23]、电子束[24]、高压射流及球磨[20]等;化学法主要有Fenton[25]、湿式氧化法[25]、酸碱处理[26,27]、臭氧氧化法[20]、双氧水氧化法[28]等;生物法主要有高温微好氧消化[29]、高温好氧消化[30]等。其中,物理、化学法及其联用措施大多能大幅提高污泥消化性能,但从目前情况看,其处理成本较高,操作难度大,离实际应用尚有较大距离,而生物法预处理尽管也具有类似作用且运行费用较低,但存在处理时间较长、效率较低等缺点[20]。因此,在如何大幅提高污泥处理处置效率的前提下,选择合适的预处理方式对污泥进行预处理,是当今研究的热点之一。
4污泥处理处置存在的问题和原因
从目前污泥处理处置的情况来看,主要存在着以下几个方面的问题:(1)污泥处理率及污泥设施配套率低。仅从上海市来看,污泥处理设施的规模仅占目前污泥量的25%左右[31], 且大部分设施因为年久失修、老化及标准低下等原因已经停止运行;
(2)现今城市污水厂的污泥多采用简单的浓缩、脱水技术处理,且大都未进行无害化处理;
(3)我国农村,农民更加习惯于施用化学肥料,致使污泥土地农用等具有较好前景的处置方式得不到推广和应用。因此,如何更好地处理处置剩余污泥已成为城市管理部门提高管理水平的重要研究内容之一。
另一方面,由于我国污水处理厂的污泥最终处置技术路线不明确、投资和运行资金不到位、法规监管体系不完善等原因,导致污泥处理处置未真正实现稳定发展。且由于长期的“重水轻泥”认知错误,使污泥处置问题被长期搁置,发展相当滞后,污泥造成的二次污染问题日显突出,污泥的问题已到了不容忽视的地步。
5对污泥处理处置发展的几点建议
污泥处理处置方法的选择,需要综合考虑环境生态效益与处理处置成本经济效益之间的均衡。从发达国家污泥处理处置的发展趋势分析,今后污泥处理处置的方向将以土地利用和能源利用为主,污泥填埋的比例将大幅度降低。我国的污泥处理处置可以在参考国外发达国家经验的基础上,逐步实现污泥处理处置的稳定减量化和资源化,并做到以集约化处理为主,分散处理为辅,处置以填埋、焚烧、资源化利用为主,近远期相结合,分期、分步实施。我国是一个农业大国,污泥的农田林地利用可以作为主要的有效利用途径,同时,也要发展研究其他的资源化途径,如直接或间接作为燃料、热分解制油等能源化利用途径。污泥焚烧作为最彻底的处理处置方式,在国外,特别是西欧和日本已得到了广泛的应用,欧洲将来有30%的污泥土地利用、70%热能利用。在国内,由于其一次性投资和处理成本大、焚烧烟气需进一步处理等问题而一直未得到应用。
在我国, 污水厂污泥传统的处置方式是将污泥适当浓缩或脱水处理后直接进行农用等处置,这种处理处置方式的弊端是显而易见的,目前正面临着往安全、可靠、可持续的方向转变。因此,借鉴国外目前有关经验十分必要。
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