污染土壤修复技术展望课件.pptx
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- 污染 土壤 修复 技术 展望 课件
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1、 土壤修复是由土壤化学、土壤生物、植物营养、化学地理、农业化学、生物化学、环境化学、环境工程、环境信息等多分支学科交叉、综合、集成发展而来的。 土壤修复涉及物理学、化学、微生物学、植物学、水文学、农学、矿物学、工程学、信息学、计算机及管理学等科学。它的形成和发展与全球范围土壤污染的普遍性、严峻性和复杂性具有直接关系。 土壤修复在传统土壤化学等分支学科体系的基础上,借鉴汲取了大量相关学科的基本理论、方法和技术,逐步发展成为以污染场地/土壤特征、污染风险评估与预测、污染土壤控制与修复原理及技术研发应用、土壤修复效率及功能指示与标准、修复后土壤保育、综合管理和生物资源处理处置等为核心研究内容,并且具
2、有鲜明学科交叉特点的土壤学分支学科。 最近20年来的我国土壤修复方面文献的查询表明,1991一1997年期间的有关文章仅有3篇,1998一2000年则有35篇,而2001-2004年4年间迅猛增至300多篇。2005年到目前,近1000篇关于污染方面的文章。综观研究文献,我国土壤修复的研究范围已涉及植物、微生物、物理化学、电动以及多途径联合等修复,特别在重金属、有机物污染的植物修复机理与技术方面进行了较为广泛和深入的研究2009年5月11日,ISI Web of Knowledge上,主题词为:soil remediation ,99629962篇文献Bioremediation+soil 8
3、020篇文献Phytoremediation+soil 2796篇文献soil washing 4661篇文献2009年12月24日,ISI Web of Knowledge上,主题词为:soil remediation ,1252712527篇文献Bioremediation+soil 9842篇文献Phytoremediation+soil 3710篇文献soil washing 5331篇文献土壤修复面临的挑战和机遇v 我国环境保护、生态建设和循环经济对土壤修复分支学科的要求v 我国城市环境保护、生态建设和健康安全对土壤修复分支学科的要求v 我国土壤修复分支学科发展优势与国际先进水平的差
4、距 骆永明-土壤 我国土壤修复的整体研究水平与欧美澳日等国家相比仍有相当大的距离,主要表现在以下几个方面: 第一,土壤修复的基础理论与技术原理研究仍十分薄弱; 第二,土壤修复的系统性研究不多见;微生物修复、物理化学修复和基于土壤自身净化功能的自然缓解修复的研究虽然有所开展,但认识还十分有限。 第三,国家投入还有限,研究手段较落后; 第四,土壤修复的室内模拟研究较多,田间或场地修复研究很少。 一些修复技术、修复产品及相关设备缺乏市场运作机制。我国的土壤修复研究: 将不断拓展污染土壤研究视野,在加强单一污染、复合污染研究并进的同时,将把研究空间从场地或局地扩展到区域; 针对国家需求,将更多地关注污
5、染土壤的生态/健康风险评估、修复标准及综合管理对策; 把握科学前沿,加强土壤污染控制和修复的微观机理研究,促进土壤修复理论与技术创新; 积极研发一批适合中国特色具自主知识产权的土壤修复技术与设备,尤其复合/混合污染的联合修复技术。近期发展的战略原则 以统筹人与自然和谐发展为指导,以改善土壤环境质量、保障农产品安全和生态健康为基本出发点,以持久性毒害污染物污染土壤环境的风险评估、标准与修复为主攻目标,解决我国土壤环境污染中的重大问题; 关注国际上土壤环境学科研究的前沿领域,针对我国土壤环境污染中的突出问题,发挥土壤修复的学科优势,积极开展具有开拓性的相关基础研究; 引进先进的研究手段和修复技术,
6、加强国内土壤修复自主创新能力,提升我国土壤污染与修复的研究水平和国际地位; 加强与相关学科如与生物学和毒理学的交叉,开拓与生态/健康相关的污染物的生态毒理学前沿研究领域,寻求土壤污染风险评估与修复技术的微观依据; 以污染场地(包括重污染的耕地、油田、矿产开采地、有机化工基地、放射核素及固体危险废物堆放场地等)和快速发展地区城郊土壤综合防治为重点,通过知识创新、技术集成、设备更新和工程示范,建立适合我国国情的基于风险评估的经济高效、环境友好的土壤环境修复理论和技术体系,为遏制或消除土壤污染、改善土壤生态和环境质量、保障农产品安全和人体健康提供科学知识和技术。土壤修复的前沿科技问题与重要方向 土壤
7、修复学科应以改善土壤环境质量、保障农产品安全和生态健康为主要出发点,以工矿企业场地污染土壤和高风险区农田污染土壤为主要研究对象,以重金属、石油、农药及持久性有毒有机物污染等为目标污染物,围绕如下前沿科技问题,开展方向性研究:v 场地土壤污染诊断、痕量毒害污染物鉴别及源解析。包括:土壤环境复合/混合污染的化学、生物学及生态毒理诊断,土壤环境质量指导值/标准;新型痕量毒害污染物的检测和鉴别,污染源识别和解析途径和方法等。v 污染场地/土壤污染风险表征和修复决策支持系统。包括:土壤污染物的形态和生物有效性,土壤污染的空间分布特征,不同土地利用方式下污染土壤的生态风险和健康风险评估,优先修复点位的确定
8、方法;修复决策支持系统;风险降低一环境效益一成本三位一体的评估模型等。v 污染土壤修复的过程、机理及其管理。包括:污染土壤的植物修复、微生物修复、物理化学修复、电动修复、催化修复、生态修复及其联合强化修复等过程和机理;自然缓解修复过程和机理; 修复过程的条件优化、效应指示和评价标准;土壤修复原理与规范,土壤修复政策、法律和法规等。v 土壤修复材料、关键技术和设备的研发、集成、示范和管理。包括:新型环境友好土壤修复材料或制剂的研究方法、筛选、结构表征和功能指示;修复效果、稳定性及风险评估:修复后土壤资源综合管理;修复材料与生物修复资源的综合利用和安全处理处置;成套关键技术集成、示范及推广应用等。
9、污染土壤修复技术的发展趋势污染土壤修复技术的发展趋势 从2000、2004 和2008 年连续3 届的土壤污染与修复国际会议主题与交流情况来看,在污染土壤修复决策上,它已从基于污染物总量控制的修复目标发展到基于污染风险评估的修复导向;在技术上,已从物理修复、化学修复和物理化学修复发展到生物修复、植物修复和基于监测的自然修复,从单一的修复技术发展到多技术联合的修复技术、综合集成的工程修复技术;在设备上,从基于固定式设备的离场修复发展到移动式设备的现场修复;骆永明化学进展2009.3 在应用上, 已从服务于重金属污染土壤、农药或石油污染土壤、持久性有机化合物污染土壤的修复技术发展到多种污染物复合或
10、混合污染土壤的组合式修复技术 已从单一厂址场地走向特大城市复合场地,从单项修复技术发展到融大气、水体监测的多技术多设备协同的场地土壤-地下水综合集成修复; 已从工业场地走向农田耕地,从适用于工业企业场地污染土壤的离位肥力破坏性物化修复技术发展到适用于农田耕地污染土壤的原位肥力维持性绿色修复技术。向绿色与环境友好的土壤生物修复技术发展利用太阳能和自然植物资源的植物修复、土壤中高效专性微生物资源的微生物修复、土壤中不同营养层食物网的动物修复、基于监测的综合土壤生态功能的自然修复,将是21 世纪土壤环境修复科学技术研发的主要方向。农田耕地土壤污染的修复技术要求能原位地有效消除影响到粮食生产和农产品质
11、量的微量有毒有害污染物,同时既不能破坏土壤肥力和生态环境功能,又不能导致二次污染的发生。发展绿色、安全、环境友好的土壤生物修复技术能满足这些需求,并能适用于大面积污染农地土壤的治理,具有技术和经济上的双重优势。从常规作物中筛选合适的修复品种,发展适用于不同土壤类型和条件的根际生态修复技术已成为一种趋势。应用生物工程技术如基因工程、酶工程、细胞工程等发展土壤生物修复技术,有利于提高治理速率与效率,具有应用前景从单项向联合、杂交的土壤综合修复技术发展土壤中污染物种类多,复合污染普遍,污染组合类型复杂,污染程度与厚度差异大。地球表层的土壤类型多,其组成、性质、条件的空间分异明显。一些场地不仅污染范围
12、大、不同性质的污染物复合、土壤与地下水同时受污染,而且修复后土壤再利用方式的空间规划要求不同。这样,单项修复技术往往很难达到修复目标,而发展协同联合的土壤综合修复模式就成为场地和农田土壤污染修复的研究方向,例如:不同修复植物的组合修复,降解菌-超积累植物的组合修复,真菌2修复植物组合修复,土壤动物-植物-微生物组合修复,络合增溶强化植物修复,化学氧化-生物降解修复,电动修复-生物修复,生物强化蒸气浸提修复,光催化纳米材料修复等。从异位向原位的土壤修复技术发展 将污染土壤挖掘、转运、堆放、净化、再利用是一种经常采用的离场异位修复过程。这种异位修复不仅处理成本高,而且很难治理深层土壤及地下水均受污
13、染的场地,不能修复建筑物下面的污染土壤或紧靠重要建筑物的污染场地。因而,发展多种原位修复技术以满足不同污染场地修复的需求就成为近年来的一种趋势。例如,原位蒸气浸提技术、原位固定-稳定化技术、原位生物修复技术、原位纳米零价铁还原技术等。另一趋势是发展基于监测的发挥土壤综合生态功能的原位自然修复基于环境功能修复材料的土壤修复技术发展 黏土矿物改性技术、催化剂催化技术、纳米材料与技术已经渗透到土壤环境和农业生产领域,并应用于污染土壤环境修复,例如利用纳米铁粉、氧化钛等去除污染土壤和地下水中的有机氯污染物但是,目标土壤修复的环境功能材料的研制及其应用技术还刚刚起步,具有发展前景。但是,对这些物质在土壤
14、中的分配、反应、行为、归趋及生态毒理等尚缺乏了解,对其环境安全性和生态健康风险还难以进行科学评估。基于环境功能修复材料的土壤修复技术的应用条件、长期效果、生态影响和环境风险有待回答基于设备化的快速场地污染土壤修复技术发展土壤修复技术的应用在很大程度上依赖于修复设备和监测设备的支撑,设备化的修复技术是土壤修复走向市场化和产业化的基础。植物修复后的植物资源化利用、微生物修复的菌剂制备、有机污染土壤的热脱附或蒸气浸提、重金属污染土壤的淋洗或固化2稳定化、修复过程及修复后环境监测等等都需要设备。尤其是对城市工业遗留的污染场地,因其特殊位置和土地再开发利用的要求,需要快速、高效的物化修复技术与设备。开发
15、与应用基于设备化的场地污染土壤的快速修复技术是一种发展趋势。一些新的物理和化学方法与技术在土壤环境修复领域的渗透与应用将会加快修复设备化的发展,例如,冷等离子体氧化技术可能是一种有前景的有机污染土壤修复技术,将带动新的修复设备研制。向土壤修复决策支持系统及后评估技术发展 污染土壤修复决策支持系统是实施污染场地风险管理和修复技术快速筛选的工具。污染土壤修复技术筛选是一种多目标决策过程,需要综合考虑风险削减、环境效益与修复成本等要素。欧美许多土壤修复研究组织如CLARINET、EUGRIS、NATOPCCMS等针对污染场地管理和决策支持进行了系统研究和总结。一些辅助决策工具如文件导则、决策流程图、
16、智能化软件系统等已陆续出台和开发,并在具体的场地修复过程中被采纳。基于风险的污染土壤修复后评估也是污染场地风险管理的重要环节,包括修复后污染物风险评估、修复基准及土壤环境质量评价等内容。土壤污染类型多种多样,污染场地错综复杂,需要发展场地针对性的污染土壤修复决策支持系统及后评估方法与技术土壤污染修复技术局限性 修复剂或微生物/酶制剂带来的次生污染问题,并对土壤结构、土壤肥力和其他自然生态过程产生不可逆转的影响 加入到修复现场土壤环境中的微生物作用效果往往与试验结果有较大的出入,特别是由于其抗性差,难以很快适应,在土壤中的移动性能差,易受污染物毒性效应的抑制,导致作用效果明显下降 土壤异质性不仅
17、对技术本身的稳定性和有效性构成威胁,还对技术性能的有效监测产生显著影响 大多数超富集植物对污染物的吸收和积累过程极为缓慢,修复时间长,植物处理难周启星-污染土壤修复原理与技术 许多原位修复技术在完成对土壤污染物(特别是重金属)进行处理后,还存在着污染物及其降解产物的重新活化问题 基于污染物固定和生物有效性降低的处理方法的性能是否完全保证未来技术的发展方向 生态影响小 费用低,市场风险小 应用范围广 容易推广研究展望 复合污染土壤的修复 复合型重金属与有机污染超富集植物的筛选 污染土壤的联合修复 土壤污染毒理效应、缓解过程过程与分子机理 陆地土壤污染阻控新方法与新技术(综合考虑根际过程、根际吸收
18、、植物体内迁移转化和各种强化措施)周启星污染土壤修复原理与技术 污染土壤的修复,有赖于污染土壤生态毒理学研究的进展。联合毒性效应,新型疾病与污染土壤的关系、污染致毒过程与分子机理及生物标记、毒性试验方法的可比性与标准化问题和污染土壤的脱毒过程与缓解机理,它们是今后该领域主攻的重点。其主要内容包括: 新型疾病与环境介质(水、土壤和大气)污染的关系; 污染土壤的致毒过程、脱毒缓解及应用; 土壤污染生态过程及其化学的动力学; 化学污染物互作态及其对化学污染物的生态毒性与生物可利用性影响; 污染土壤修复基准; 生态系统化学污染阻控新方法与新技术。 土壤污染的缓解机理研究热点主要有:1)老化效应;2)根
19、际效应;3)固定或活化作用;4)微生物解毒作用;5)植物适应性反应 研究土壤中农药的结合残留,不同形态结构残留物在生物活性,结合残留物再次释放过程中土壤微生物生态效应及其安全性评价等,是今后可深入开展的研究内容。这些研究成果将为土壤中有毒有机污染物毒性的快速诊断、污染土壤的修复、监测,土壤环境质量评价及制定相关的环境标准提供科学依据研究新的污染土壤修复方法必须考虑如下问题 应能有效用于土壤复合污染修复 在考虑处理对象和研究环境条件时,尽可能模拟污染土壤的实际条件,最好在污染现场进行试验,以保证研究结果有良好的应用前景 为了不至于使修复费用过高,坚持生物修复为主,化学修复为辅,生物修复与化学修复
20、相结合 在已有研究基础上,研究污染土壤修复新原理,为建立新的修复工艺与技术打下基础当前污染土壤修复研究的重点复合污染土壤的溶剂淋洗/萃取-微生物修复v 筛选萃取剂,包括微生物菌液生物萃取剂、有机萃取剂、无机萃取剂、植物油脂萃取剂,并比较其对有机、无机污染物的萃取效果。v 研究土壤类型及理化性质对萃取效果的影响;不同萃取剂对不同类型污染土壤的修复效果,污染物从土壤向萃取液的转移过程。v 对于长期污染土壤,研究封锁与陈化程度对萃取的影响,不同萃取液和表面活性剂对土壤闭锁污染物的活化和修复效果。v 微生物方法作为萃取修复后续修复的可行性,包括土壤残余萃取剂对微生物活性和修复效果的影响,萃取过程对残余
21、有机污染物生物可给性的效应,萃取工艺和生物修复工艺的最佳偶合方式。李培军-污染土壤修复研究现状与展望优势降解微生物与土著微生物共存条件与固定化方法v研究引进微生物同土著微生物的竞争机制和引进微生物的退化原因,探讨引进微生物同土著微生物稳定的共存条件和生态环境的调控因子。v将微生物细胞和酶固定化方法应用于污染土壤修复,研究用于有机复合污染土壤原位修复和异位修复的细胞固定化方法,筛选适用的固定化载体,比较复合污染条件下微生物的固定方式。v 研究固定化条件下微生物的形态学与生理学特性,分析固定化介质中污染物扩散以及同微生物作用的过程,建立微环境下生物膜反应动力学模型。v 研究加氧酶、过氧化物酶、漆酶
22、及其固定化在难降解有机物污染修复中的作用,探讨其最佳固定化条件、催化活性、抗逆性以及在厌氧与兼性条件下对有机氯和多环芳烃的修复效果。研究过氧化酶催化修复土壤污染的最适环境条件。高分子量多环芳烃与有机氯的光降解与生物修复联合作用机理v 研究不同光谱对土壤多环芳烃和多氯联苯降解效果差异,光源和光照强度对多环芳烃降解效果的影响,不同分子量多环芳烃和多氯联苯对光降解的敏感程度,土壤介质中多环芳烃等污染物光降解的反应动力学与主要中间产物,土壤矿物对光降解的催化作用与调控。v 探讨土壤类型和污染物浓度对光降解效果的影响、环境条件对光降解的作用与影响、光降解同生物修复的最佳耦合条件。复合污染条件下植物与微生
23、物协同修复原理v 深入研究复合污染条件下植物和菌根真菌对典型有机污染物的修复作用,能同时降解多环芳烃和多氯联苯菌根真菌的筛选。研究菌根真菌-宿主植物-菌根根际微生物对污染物的协同作用机理,在烃类和联苯类污染物存在下假薄壁组织的形成及其对污染物降解的作用,菌根根际微生物种群、密度、生理活性与稳定性,不同污染物种类和浓度对菌根根际物质和能量流动的影响,菌根对典型污染物降解的指示标记物。v 研究重金属与多环芳烃复合污染条件下菌根真菌对重金属的抗性及其特性表述指标,重金属存在条件下菌根真菌对有机污染物的净化功能,以及菌根真菌对有机无机复合污染的修复功能。土壤复合污染的化学还原-微生物降解修复原理v 重
24、点研究土壤介质中多氯联苯降解的优势菌和共代谢底物筛选,缺氧与厌氧条件下多氯联苯降解的电子受体和碳源选择,厌氧修复动力学过程,厌氧修复的中间产物及其毒性。v 比较多氯联苯污染土壤厌氧修复与厌氧-好氧修复的机理和修复效果,不同多氯联苯组分和场地电子供体对修复的影响,电子供体与电子受体的投配时间与配置,场地条件对修复效果的影响。v 对比不同价态金属对还原脱氯的影响,研究注入速率和浓度变化对脱氯的影响,以及场地条件特别是pH 和Eh对脱氯的作用 适用有机复合污染土壤修复的生物反应器机理v 利用微生物细胞固定化技术,研究有机污染土壤修复的生物反应器(BSR),探讨污染土壤连续性修复的可能性。反应器类型以
25、搅拌泥浆反应器和流化床反应器为主。v 研究反应器中细胞的固定化方法与微生物模块,泥浆中固体物和营养物的最佳配比,细胞存活率的要求与再生,反应条件与流速控制。采用化学物理方法同生物方法相结合,应将生物方法放在末端,因为物理化学修复方法往往意味着资源的回收,而生物修复对于消除物理、化学方法对土壤理化性质带来的某些影响可能十分有益。 若干重点污染物的土壤环境基准 同水和大气环境质量标准相比,土壤的有关标准仍然是不完善的。一些国家如美国、英国、德国、荷兰等已经给出一些重点污染物的污染控制建议标准。而我国在这一方面则刚刚起步。 随着土壤污染和污染土壤修复研究的开展,人们必然会提出这样的问题,即:土壤污染
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