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土壤和地下水污染的监控自然衰减修复技术研究进展

北极星环保网  来源:《中国环境科学》  作者:李元杰等  2018/5/13 9:33:41  我要投稿  

北极星环保网讯:我国土壤和地下水污染形势严峻,污染场地数量巨大、类型复杂,相应的管理和修复技术体系仍然滞后。监控自然衰减(MNA)作为一种基于污染风险管控的场地修复和长期监测方法,是土壤和地下水污染修复中较为经济和有效的方法之一,可以实现修复的成本效益最大化。近几年来MNA在美国污染场地修复中的应用比例约占30%左右,场地修复的平均成本为数十万美元。本文介绍了MNA方法的来源和发展,总结了MNA的国内外研究应用进展和相关的核心技术手段,与典型修复方法的成本进行了比较,以期为MNA相关的研究和应用提供参考借鉴。

研发科学合理、经济适宜的污染场地修复技术是当前我国土壤和地下水污染修复领域的重点研究方向之一。2016年5月31日,国务院发布了《土壤污染防治行动计划》(简称“土十条”),给出了我国土壤污染防治的任务和时间表。“土十条”并不意味着对所有污染场地都要进行全面修复,而是立足现阶段基本国情,着眼经济社会发展全局,以改善土壤环境质量为核心,以保障农产品质量和人居环境安全为出发点,坚持风险分析、分类管控、综合施策,促进土壤资源永续利用。土壤和地下水污染防治的一个主要原则是风险管控,即根据污染物的特征和扩散趋势,采用相应的技术措施评价、减缓或控制目标敏感点的风险,是国际上普遍认同的最经济、最合理的解决土壤和地下水污染问题的途径。

监控自然衰减(MNA)是国际上应用较广的“第二代”污染场地管理和修复方法(“第一代”为工程技术方法),其通过精确的监控技术,对污染物的自然降解作用进行准确的评估和预测,结合污染物自然衰减特征,设计基于风险管控的污染综合防控方案,从而降低污染场地的修复成本,规避工程风险。监控自然衰减作为成熟的场地修复技术,可以单独运用,也可以作为修复整体过程中的一个环节。目前,国内文献中对于监控自然衰减技术的适用对象、监测方法、降解途径机理、降解效率、成本效益分析等都有一定的研究,但是缺乏完整的工程应用案例。

本文系统介绍了监控自然衰减技术的来源与发展演变,分析了国内外的研究进展和应用情况,以及相应的技术手段,从应用角度对监控自然衰减技术的成本和优势进行了比较,为我国污染场地基于风险控制的修复技术方法的选取提供思路和借鉴。

1监控自然衰减技术的来源和发展

在19世纪污水和其他废物处理系统出现前,利用自然过程降解废弃物几乎是污染物净化的唯一方式。大自然把来自动植物的废物碎屑转化为可以循环再利用的产物,这是自然衰减理念的基础来源。在合适的环境条件下针对某些化合物,自然降解能够在一定时间内发挥净化作用达到设定的清理目标,这是自然衰减技术的科学依据。1950年,Zobell研究发现脂肪烃类污染物的生物降解作用显著,后来研究认为更复杂的脂环烃和芳香烃有着类似的降解机制。20世纪80年代,研究人员发现石油烃可以在地下有氧和无氧环境中进行生物降解,这促进了石油类等污染物自然衰减机制的研究和应用。

1978年爆发“拉夫运河事件”与1980年通过“超级基金法案”后,美国数万个污染场地的修复过程开始大规模使用工程技术手段,将污染物从土壤和地下水中去除。比如污染土壤采用客土法、异位焚烧法,污染地下水采用抽出处理法等。受工程技术手段中污染物暴露、施工环境影响,以及难以为继的巨额工程费用等因素制约,此时研究的趋势开始朝较低成本、能够自然发生且将污染物转变为无害化降解物的方向发展。这一阶段的研究对象大多着重于如苯系物(BTEX)等污染物。

20世纪90年代之后,污染物自然衰减的研究在美国开始兴起,并逐渐应用于污染场地修复实践,代替或者与工程修复技术联合使用以消除土壤和地下水中的污染。1990年,美国环保署国家应急计划报告中第一次提出“自然衰减”的概念,并受到政府组织和学界认同;同期的文献中也提及通过微生物的降解作用,可以在污染物迁移到下游敏感点前降低污染物浓度,控制对下游敏感点的风险。1999年美国环保署将有计划监控下的自然衰减修复方法称为监控自然衰减,这标志着监控自然衰减技术走向成熟,成为污染场地“第二代”管理和修复方法。

2国内外监控自然衰减的研究进展和应用

2.1监控自然衰减的定义

监控自然衰减是指在污染场地中,通过实施有计划的监测方案,依据场地自然发生的物理、化学及生物等作用(包括稀释、扩散、挥发、吸附、化学性或生物性稳定、生物降解以及放射性衰减等),使得土壤和地下水中污染物的数量、毒性、移动性降低到风险可接受水平,该方法除必要的场地控制和监测之外无需人为干预,自然衰减的降解机制如图1所示。

适合使用监控自然衰减方法的污染场地广泛,包括地下储油罐泄漏场地,垃圾填埋场地,工业污染场地等。适用的污染物主要有石油类、有机溶剂、苯系物(苯、甲苯、乙苯、二甲苯)等。

监控自然衰减相比其他主动修复手段具有成本较低、操作实施简便、环境影响小、绿色安全以及污染物降解彻底等特点,已经成为国外常用的场地污染修复方式。

2.2国外监控自然衰减的研究和应用进展

美国和欧洲对自然衰减修复方法的研究起步较早,积累了丰富成熟的科研和应用技术经验。

研究主要集中于自然衰减机理和影响机制、生物地球化学过程监测,以及如何建立指标体系来监控污染场地的自然衰减等方面。多个国家的环保机构和行业协会都制定了监控自然衰减修复的技术指南:1994年,美国空军发布了第一份汽油类污染场地实施自然衰减的技术方案;1998年美国环保署等机构编写了评价有机氯化物自然衰减的技术方案;2000年英国环境部发布了自然衰减的通用规程;2005年和2007年,美国环保署分别发布了甲基叔丁基醚(MTBE)自然衰减指南和无机污染物自然衰减指南。目前国外的监控自然衰减修复相关技术体系已经逐渐规范化,具有较强的可操作性,在自然衰减技术适用的污染场地类型和污染物种类、自然衰减过程的评价方法、监测数据的有效性分析、构建自然衰减的跟踪监测与长期监测系统、自然衰减的强化技术等方面都有持续和深入的研究进展。Amin等的研究显示,自然衰减修复方法可以适用于爆炸性污染物(2,4,6-三硝基甲苯(TNT))的污染场地,而且基于微生物作用的自然衰减过程对这类污染场地更加经济有效。Kohli等利用单体稳定同位素分析(CSIA)技术,研究了污染土壤和地下水中有毒污染物六氯环己烷的稳定同位素组成变化,评估了六氯环己烷的生物和非生物降解效率。Neuhauser等对1991年关闭的一处焦油污染场地进行了长达14年的自然衰减跟踪监控,发现萘等多环芳烃类污染物在自然降解作用下减少了99%,每年的质量降解速率为0.30(半衰期为2.3年)。该研究表明去除污染源后,利用监控自然衰减去除多环芳烃类污染物是可行的修复措施。

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