土壤与地下水污染修复主流技术：存在的问题及发展方向
土壤与地下水污染修复主要技术研究进展
周长松１,２,３，邹胜章１,２，朱丹尼１,２，卢丽１,２，樊连杰１,２，林永生１,２
(1.中国地质科学院岩溶地质研究所, 广西桂林541004; 2.自然资源部／广西壮族自治区岩溶动力学重点实验室, 广西桂林541004; 3.中国矿业大学环境与测绘学院，江苏徐州221116)
土壤与地下水污染修复主要技术研究进展.pdf
摘要
土壤和地下水是维持人类生存与发展的重要资源，对污染的土壤和地下水的修复治理，对维护生态协调、人体健康、资源可持续利用具有重要意义。本文在污染修复概念及污染修复技术发展阶段论述的基础上，对国内外有关土壤、地下水污染修复的主要技术及相应规范、标准等进行了总结，同时对目前存在的问题和未来发展方向进行论述，以期为土壤、地下水污染修复治理与环境保护提供思路。
结论抢先看
问题与展望
1 问题
1）土壤、地下水污染修复治理协同性差。中国相继颁布了《土壤污染防治行动计划》《水污染防治行动计划》等与土壤和地下水相关的行动计划、修复导则，但在实际执行过程中存在水土分离、各自为政的现象，在一定程度上降低了土壤、地下水污染修复质量，浪费了大量的财力、物力、人力。
2）土壤环境基准还不健全。土壤环境基准是土壤环境质量标准制定的基础，可科学反映土壤污染物的环境行为对相关受体的效应及其风险。中国土壤环境背景值和环境基准严重不足，难以满足科学制定土壤环境质量标准的需要。现有土壤环境质量标准基本上与全国土壤类型和土壤利用方式脱钩，难以支持国家及区域土壤环境标准化和差异化管理。
3）风险评估与风险管理存在明显局限性。在场地土壤和地下水健康风险评估模型计算上缺乏中国土壤中污染物的毒性和毒理参数，严重缺乏本土化参数，从而造成过于保守或过于宽松的风险控制值或修复目标值，难以有力、有效地支持科学的风险管控。目前，中国尚缺乏大量研究支持下能有效保护土壤生物安全和生态系统健康的生态风险评估方法和有效保护地下水安全的环境迁移风险评估方法。
2 展望
１）强化土壤－地下水一体化修复。污染物在土壤中不是固定不变的，随着土壤水分、土壤生物的活动等影响，污染物的状态、性质及位置都可能发生变化，由于污染物的迁移，土壤污染和地下水污染往往密不可分。因此，在修复土壤污染时，统筹考虑地下水污染修复。
２）深化组合修复技术和新兴技术的发展。土壤、地下水中污染物往往种类复杂、污染程度差异大，单一的修复技术往往很难达到修复目的，多技术组合的土壤、地下水修复模式已经成为当今水土污染修复的发展方向。今后，在土壤修复方面，进一步深化植物修复、微生物修复、土壤动物修复等绿色修复技术研究，将基因工程、酶工程、细胞工程等技术方法应用到土壤生物修复技术研发上，发展适用于不同土壤类型的根际生态修复技术，强化已有技术与新兴技术之间的组合；在地下水修复方面，加强PRB反应介质材料的研究，深化PRB与其他修复技术的组合，提升修复效果，降低后期维护成本。
３）形成中国土壤－地下水污染治理体系。中国土壤、地下水污染防治策略应针对中国社会经济发展中面临的重点区域、重点行业、重点污染物的土壤、地下水污染问题，以“保护优先、综合防控、改善质量、安全利用”为土壤－地下水污染防治出发点，构建基于“基准化监管”和“水土一体化修复”的土壤－地下水污染防治理论和技术创新、工程应用与管理支撑以及产业化发展的全链条式科技创新体系，建立多学科融合、多部门协同、产学研结合和国际合作的自主创新机制，培育具有市场开拓力和国际竞争的土壤、地下水修复企业，全面提升土壤、地下水污染防治科技水平，形成中国土壤、地下水污染治理体系。
前言
土壤和地下水是人类生产活动的重要物质基础，由于城市生活垃圾和工业“三废”的不合理处置，以及农药、化肥的大量使用，导致区域土壤、地下水污染状况日趋加重，对区域内居民饮水安全、粮食安全构成了严重威胁。为降低或清除土壤、地下水污染带来的危害，欧、美、日、澳等国家和地区于20世纪80年代制定了土壤污染修复计划、地下水污染修复计划，并在现场修复技术与工程应用上逐渐积累起丰富的经验。中国的污染土壤、污染地下水修复技术研究起步较晚，20世纪90年代才颁布《中华人民共和国水污染防治法》，2015年之后陆续实施《土壤污染防治行动计划》《水污染防治行动计划》等法规和标准。目前，中国在地下水污染修复法律、规范、标准等方面已经逐步完善，但在地下水污染修复技术研发与应用实践上，同欧美等国仍存在较大差距；在农用地土壤污染管控与修复技术上，中国与美、英、德、荷等发达国家并驾齐驱，但在建设用地方面，与欧美国家相比尚有距离。本文对现阶段国内外有关污染土壤和污染地下水常用的治理修复技术进行概括总结，以期为中国今后开展污染土壤和污染地下水修复治理工作提供参考。
土壤与地下水污染修复技术概述
1.1 土壤污染修复概念、修复技术发展阶段
土壤污染修复是指通过物理、化学、生物、生态学原理，采用人工调控措施，使土壤污染物浓度降低，实现污染物无害化和稳定化，以达到人们期望的解毒效果的技术措施。目前，国内外土壤污染修复技术的研发主要集中在“可降解有机污染物”和“重金属”污染土壤的修复，大致经历了“物化”修复阶段、“物化生”齐步发展阶段、以“生”为主高效环保阶段3个发展阶段（表1）。
1.2 地下水污染修复概念、修复技术发展阶段
地下水污染修复是指采用抽提、气提、生物修复、渗透反应墙等技术使受污染的地下水恢复到原有水质。目前，国内外地下水污染修复技术的研发主要集中在“原位修复”和“异位修复”阶段，大致经历了“自然衰减”监测阶段、“现代技术”探索阶段、“现代技术”发展阶段、“现代技术”高速发展阶段等4个发展阶段（表2）。
土壤污染修复主要技术研究进展
经过近50年来全球范围的研究与应用，包括生物修复、物理修复、化学修复及其组合修复技术在内的污染土壤修复技术体系已经形成，并积累了不同污染类型场地土壤综合工程修复技术应用经验，出现了污染土壤的原位生物修复技术和基于监测的自然修复技术等研究新热点。本文简要介绍国内外污染土壤修复主要技术研究现状。
2.1 生物修复技术
土壤污染生物修复技术包括植物修复、微生物修复、动物修复3种类型，涉及有机、重金属及放射性物质等污染物修复类型。植物修复技术是20世纪80年代发展起来的以利用植物净化功能进行土壤污染修复的一门技术，具体包括利用植物超积累功能的植物吸取修复、利用植物根系控制污染扩散和恢复生态功能的植物稳定修复、利用植物代谢功能的植物降解修复、利用植物转化功能的植物挥发修复、利用植物根系吸附的植物过滤修复等技术。目前被广泛的应用于受重金属（As、Cd、Cr、Cu、Zn、Ni、Pb等）、农药（有机氯、有机磷农药等）、石油、多环芳烃污染的土壤。近年来，随着分子生物学和基因工程技术研究的深入，植物杂交修复技术得到了新的发展，为寻找更多有效植物提供了路径。微生物修复技术是以有机污染物为碳源和能源或者与其他有机物质进行共代谢而降解有机污染物的一门技术，已在农药（有机氯、有机磷农药等）、石油污染土壤中得到了应用。目前，国内已研发了农药高效降解菌筛选技术、微生物修复剂制备技术和农药残留微生物降解田间应用技术，并筛选了大量的石油烃降解菌、复配了多种微生物修复菌剂、研制了生物修复预制床和生物泥浆反应器。目前，微生物修复技术与其他现场修复工程的嫁接和移植仍是有待深入研究的方面。
2.2 物理修复技术
土壤污染物理修复技术主要包括客土法、换土法、深耕翻土法、隔离包埋法、热脱附、微波加热和蒸气浸提等（表3）。其中客土法、换土法、深耕翻土法本质上均是通过未污染的土壤来替换或混合已污染的土壤来达到降低污染的目的；隔离包埋法是通过人工固化的方法将污染区与非污染区进行分割控制污染扩散的方法；热脱附法和蒸气浸提法是通过改变土壤颗粒间温度、压力等因子，使得污染物与土壤分离的方法，分离后还需配合其他方法才能达到处理污染物的目的。热脱附法和蒸气浸提法是非传统的污染土壤物理修复技术，前者在优化前处理工艺、脱附废气处理技术、降低成套设备成本等方面是未来需要重点解决的问题，后者在揭示土壤不同组分VOCs的传质机理、解决气提过程中的拖尾效应、降低尾气净化成本、提高污染物去除效率等方面的突破是决定其进一步推广的关键。
2.3 化学修复技术
相对于物理修复，污染土壤的化学修复技术发展较早，主要有稳定／固化修复技术、电动力学修复技术、化学淋洗修复技术、氧化－还原技术、光催化降解技术、溶剂浸提修复技术等类型（表4）。其中稳定／固化修复技术只是暂时地降低了污染物在土壤中的毒性和移动性，一定条件下污染物还有可能再次释放到环境中；电动力学修复技术是处理污染土壤的一项新的化学技术方法，已进入现场修复应用阶段，发展电动强化的复合污染土壤联合修复技术将是未来需要研究的课题；化学淋洗修复技术已被多个国家工程化应用于修复重金属污染或多污染物混合污染介质，提高污染土壤中污染物的溶解性、降低污水处理费用、预防二次污染是该技术需要重点研究的课题；氧化－还原修复技术往往通过原位钻井注入氧化剂的方式来实现，而还原作用敏感的有机污染修复已成为研究重点；光催化降解技术对污染物的光降解研究大多限于单一组分，多种有机污染物的综合修复治理有待进一步研究；溶剂浸提修复技术目前还处于实验室小试阶段，有待进一步发展。
2.4 组合修复技术
组合修复技术就是通过两种或两种以上修复方法的联合来修复复杂土壤污染的技术。通过组合修复技术能够有效克服单项修复方法的局限性，已成为土壤修复技术中的重要研究内容。目前较为有代表性的组合修复模式有微生物／动物－植物联合修复技术、化学／物化－生物联合修复技术、物理－化学联合修复技术。其中，微生物（细菌、真菌）－植物、动物（蚯蚓）－植物联合修复是土壤生物修复技术研究的新内容；化学／物化－生物联合修复技术是发挥了化学或物理化学修复的快速和生物修复的非破坏性优势，是目前最具应用潜力的修复技术之一；物理－化学联合修复技术是适用于污染土壤离位处理的修复技术。
地下水污染修复主要技术研究进展
根据修复方式的不同可将地下水污染修复技术分为异位修复技术、原位修复技术和自然衰减技术３类。
3.1 异位修复技术
异位修复技术是通过收集系统或抽提系统将污染物转移到地面上，然后再进一步处理的技术。异位修复技术主要包括抽出处理和被动收集。其中，抽出处理技术是根据受污染的地下水分布情况，在污染场地布置一定数量的抽水井，用水泵抽提受污染的地下水，再利用地上的处理设备进行地下水污染治理的一门技术；该技术作为典型的地下水修复技术被最早投入使用，应用的重点是建设好地下水抽提井群系统，目前在国内外应用仍很广泛。被动收集技术是将地下水水面漂浮的污染物质（如油类污染物等）收集并处理，即在地下水流的下游挖一条足够深的沟道，将收集系统布置在沟道内；被动收集法对轻质污染物有较好的处理效果，目前在地下水油污染治理方面得到了广泛的应用。
3.2 原位修复技术
原位修复技术是不破坏土体和地下水自然环境，对污染地下水进行原地修复，并不对污染物质进行搬运或运输的一类效果很好的修复技术。近年来，由于地下水原位修复技术具有处理费用低，地表处理设施少，污染物暴露率低，环境扰动性小等优点，已经成为一种很有前景的地下水污染修复技术。原位修复技术主要包括曝气技术、电动修复技术、化学氧化技术、生物修复技术和渗透反应墙技术（表５）。其中，曝气技术与土壤抽气技术一般是联合使用，是去除地下水和土壤中挥发性有机污染物的最有效方法之一；渗透反应格栅技术无需外加动力，节省地面空间，比抽取技术更为经济、便捷，其应用效果好坏的关键在于活性反应介质，如何有效拦截“污染斑块”中扩散出来的污染物、如何定期更换和处置反应介质、如何解决FeO等反应介质引入的二次污染等问题仍需要进一步研究。
3.3 自然衰减监测技术
自然衰减监测技术（又称为内在生物修复技术）是依赖修复场地的自然衰减作用，使污染物的浓度和总量得以减少，从而在合理的时间内使特定地点达到修复一门技术。该技术起步于20世纪90年代，通常与其他修复方式联合使用。在自然衰减过程中，往往涉及到物理、化学、生物等方面的各种作用过程，其中物理作用过程有稀释、弥散、对流、挥发、吸附、沉淀等；化学过程有氧化－还原、沉淀、水解等；生物过程主要为微生物的降解作用。由于微生物的降解作用能将污染物降解为无害物质，因此，微生物的降解作用是主要的自然衰减作用。通过自然衰减监测技术处理污染的地下水较少产生二次污染，对环境扰动性较小，有施工简单、易操作、费用低等优点，也有适用范围较小、修复期不固定等缺点。因此，该技术适用于污染程度较轻、自然衰减能力较强的地区。
中国土壤、地下水污染修复规范、标准、导则出台情况
1984年颁布的《中华人民共和国水污染防治法》，开启了中国水土污染修复治理的序幕。通过近40年的实践与探索，国家和地方政府相继出台和修订了系列的有关土壤、地下水污染修复的规范、标准、导则文件（表6），初步建成了中国土壤、地下水污染防治技术标准体系。
从国家层面来看，2014-2019年先后发布与修订的《场地环境调查技术导则》《场地环境监测技术导则》《污染地风险评估技术导则》《污染场地土壤修复技术导则》《污染场地术语》《建设用地土壤环境调查评估技术指南》《污染地块风险管控与土壤修复效果评估技术导则》《污染场地地下水修复技术导则（征求意见稿）》《污染地块地下水修复和风险管控技术导则》等9项污染场地和污染地块系列技术标准（表6），为各地开展场地环境状况调查、风险评估、修复治理提供技术指导和支持，有力地支撑了土壤、地下水污染防治法律体系建设；2015-2019年发布并修订的《地下水质量标准》《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》《土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准（试行）》，为1993-1995年发布的《地下水质量标准》《土壤环境质量标准》修订稿，是我国土壤、地下水污染防治技术标准体系建设的重要内容，反映了当前对土壤、地下水环境变化规律以及污染风险的认识程度，有力地支撑了《水污染防治行动计划》《土壤污染防治行动计划》，标志着我国对土壤、地下水环境的污染防治将进入兼顾保证土壤质量和控制环境风险的新阶段。从地方层面来看，北京市、重庆市两个直辖市是最早开始场地修复探索的区域，在探索前进的过程中，陆续发布了一系列的标准、规范，为其他省市提供了宝贵的经验。随后经济较为发达的长三角、珠三角等地区，结合本区实际状况，也陆续规范了场地修复行业的发展，如2016年湖南省发布的《重金属污染场地土地修复标准（DB43T1165-2016）》、2017年8月浙江省发布的《污染地块治理修复工程效果评估技术规范（征求意见稿）》、2020年河北省发布的《河北省农田土壤重金属污染修复技术规范（征求意见稿）（DB13/-2020）》，对国家层面的标准、规范形成了很好的呼应和补充。
问题与展望
5.1 问题
1）土壤、地下水污染修复治理协同性差。中国相继颁布了《土壤污染防治行动计划》《水污染防治行动计划》等与土壤和地下水相关的行动计划、修复导则，但在实际执行过程中存在水土分离、各自为政的现象，在一定程度上降低了土壤、地下水污染修复质量，浪费了大量的财力、物力、人力。
2）土壤环境基准还不健全。土壤环境基准是土壤环境质量标准制定的基础，可科学反映土壤污染物的环境行为对相关受体的效应及其风险。中国土壤环境背景值和环境基准严重不足，难以满足科学制定土壤环境质量标准的需要。现有土壤环境质量标准基本上与全国土壤类型和土壤利用方式脱钩，难以支持国家及区域土壤环境标准化和差异化管理。
3）风险评估与风险管理存在明显局限性。在场地土壤和地下水健康风险评估模型计算上缺乏中国土壤中污染物的毒性和毒理参数，严重缺乏本土化参数，从而造成过于保守或过于宽松的风险控制值或修复目标值，难以有力、有效地支持科学的风险管控。目前，中国尚缺乏大量研究支持下能有效保护土壤生物安全和生态系统健康的生态风险评估方法和有效保护地下水安全的环境迁移风险评估方法。
5.2 展望
１）强化土壤－地下水一体化修复。污染物在土壤中不是固定不变的，随着土壤水分、土壤生物的活动等影响，污染物的状态、性质及位置都可能发生变化，由于污染物的迁移，土壤污染和地下水污染往往密不可分。因此，在修复土壤污染时，统筹考虑地下水污染修复。
２）深化组合修复技术和新兴技术的发展。土壤、地下水中污染物往往种类复杂、污染程度差异大，单一的修复技术往往很难达到修复目的，多技术组合的土壤、地下水修复模式已经成为当今水土污染修复的发展方向。今后，在土壤修复方面，进一步深化植物修复、微生物修复、土壤动物修复等绿色修复技术研究，将基因工程、酶工程、细胞工程等技术方法应用到土壤生物修复技术研发上，发展适用于不同土壤类型的根际生态修复技术，强化已有技术与新兴技术之间的组合；在地下水修复方面，加强PRB反应介质材料的研究，深化PRB与其他修复技术的组合，提升修复效果，降低后期维护成本。
３）形成中国土壤－地下水污染治理体系。中国土壤、地下水污染防治策略应针对中国社会经济发展中面临的重点区域、重点行业、重点污染物的土壤、地下水污染问题，以“保护优先、综合防控、改善质量、安全利用”为土壤－地下水污染防治出发点，构建基于“基准化监管”和“水土一体化修复”的土壤－地下水污染防治理论和技术创新、工程应用与管理支撑以及产业化发展的全链条式科技创新体系，建立多学科融合、多部门协同、产学研结合和国际合作的自主创新机制，培育具有市场开拓力和国际竞争的土壤、地下水修复企业，全面提升土壤、地下水污染防治科技水平，形成中国土壤、地下水污染治理体系。
