环境修复原理与技术

环境修复原理与技术

1.环境修复原理与技术简介

环境修复,就是借助外界的作用力,使环境的某个受损的特定对象的部分或全部恢复成为原来初始的状态. 修复(remediation)本来是工程上的一个概念，顾名思义，它是指借助外界作用力使某个受损的特定对象部分或全部恢复到原初状态的过程。严格说来，修复包括恢复、重建、改建等三个方面的活动。恢复(restoration)是指使部分受损的对象向原初状态发生改变；重建(reconstruction)是指使完全丧失功能的对象恢复至原初水平；改建(renewal)则是指使部分受损的对象进行改善，增加人类所期望的“人造”特点，减小人类不希望的自然特点。

污染环境的修复技术包括物理方法、化学方法和生物方法等三大类。其中生物修复方法已成为环境保护技术的重要组成部分。生物修复是利用生物的生命代谢活动减少存于环境中有毒有害物质的浓度或使其完全无害化，使污染了的环境能部分或完全恢复到原始状态的过程。包括：1.污染土壤的生物修复。2.污染河流的生物修复。 3.污染湖泊的生物修复。 4.污染地下水的生物修复。5.污染海洋的生物修复。6.污染大气的生物修复。7.固体废物污染的生物修复。生物修复（Bioremedia tion）是环境工程领域刚刚兴起的一门新技术，用一种或多种微生物来降解土壤中的有机毒物，如农药、石油烃类和有机磷、有机氯等，使这类物质变成无毒的或变成二氧化碳，这个过程国际上叫“生物修复工程”。目前已成功应用于土壤、地下水、河道和近海洋面的污染治理。广义的生物修复，指一切以利用生物为主体的环境污染的治理技术。它包括利用植物、动物和微生物吸收、降解、转化土壤和水体中的污染物，使污染物的浓度降低到可接受的水平，或将有毒有害的污染物转化为无害的物质，也包括将污染物稳定化，以减少其向周边环境的扩散。一般分为植物修复、动物修复和微生物修复三种类型。根据生物修复的污染物种类，它可分为有机污染生物修复和重金属污染的生物修复和放射性物质的生物修复等。狭义的生物修复，是指通过微生物的作用清除土壤和水体中的污染物，或是使污染物无害化的过程。它包括自然的和人为控制条件下的污染物降解或无害化过程。植物修复：就是利用植物去

治理水体、土壤和底泥等介质中的污染的技术。植物修复技术包括六种类型：植物萃取、植物稳定、根际修复、植物转化、根际过滤、植物挥发等技术。微生物修复：即利用微生物将环境中的污染物降解或转化为其他无害物质的过程。动物修复：指通过土壤动物群的直接（吸收、转化和分解）或间接作用（改善土壤理化性质，提高土壤肥力，促进植物和微生物的生长）而修复土壤污染的过程。

2.主要修复方法与技术

2.1 土壤的修复

随着世界工业的迅速发展, 地球上许多地区的土壤都不同程度地受到重金属污染, 而且污染面积有不断扩大的趋势, 全世界每年排放H g 115万,t Cu40万,t Pb 500万,tMn 1500万,t N i 100万t(Adri2nao, 1997)。据我国农业部的调查, 我国遭受重金属污染的土地面积占污水灌区总面积的64.8% 。重金属污染已经成为土壤环境质量下降的重要因素之一(陈怀满和郑春荣, 1999; 林玉土壤重金属污染的生物修复以其低廉的成本、修复彻底等优点逐渐为人们所重视。生物修复技术主要包括植物修复及微生物修复技术。植物特别是超积累植物在污染环境治理的具体应用中存在很多局限性: 首先, 植物修复会受到植物生长速度和生物量的限制, 修复速度较慢; 其次, 植物修复会受到土壤类型、温度、湿度、营养等环境条件的制约; 另外,过高或过低的污染物浓度均能影响植物修复的效果。目前, 重金属污染土壤的治理工作已经成为国内外研究的重点, 从诸多有关重金属污染治理方面的文献中可以发现, 传统的治理措施多是采用物理、化学、物理化学方法( 邱廷省等, 2003; H a et a l. ,2009), 从修复效果和实用潜力上看, 这些技术虽然在一定程度上减少了重金属对土壤及生态环境的危害, 但是能耗大、存在二次污染等问题也限制了其在现场的应用。土壤重金属污染的生物修复以其低廉的成本、修复彻底等优点逐渐为人们所重视。生物修复技术主要包括植物修复及微生物修复技术。植物特别是超积累植物在污染环境治理的具体应用中存在很多局限性: 首先, 植物修复会受到植物生长速度和生物量的限制, 修复速度较慢; 其次, 植物修复会受到土壤类型、温度、湿度、营养等环境条件的制约; 另外,过高或过低的污染物浓度均能影响植物修复的效果。

刘之欣等人认为重金属污染土壤的生物修复技术是土壤污染整治的重要手段之一, 是近几年来国内外研究的热点, 同时也是现今土壤污染治理中环境友好、成本低廉的技术。论述了重金属污染土壤的植物2微生物联合修复的原理与形式, 介绍了此技术中土壤重金属污染物特性、植物本身生理生化特性及植物根际环境等影响因素的研究进展, 并讨论了植物2微生物联合修复今后的研究重点。王海鸥等人综述了根际微生物对重金属生物有效性的影响,促进植物生长的根际细菌和丛枝菌根真菌在植物修复中的作用,最后介绍了利用生物强化优化植物修复的方法和原则。石福贵等人则：通过盆栽试验，研究了鼠李糖脂和EDDS 对黑麦草生长与吸收土壤重金属Cu、Zn、Pb 和Cd，以及对土壤酶活性的影响。结果显示，向重金属复合污染土壤中施加1 g·kg-1 的鼠李糖脂将显著降低黑麦草地上部的生物量。EDDS 比鼠李糖脂具有更强的溶解土壤Cu、Zn、Pb 和Cd 的能力；同时施加1 g·kg-1 的鼠李糖脂和0.4 g·kg-1 的EDDS 大幅增加了土壤溶液中Cu、Zn、Pb 和Cd 的浓度，显著增加了黑麦草地上部植株中Cu、Zn、Pb 和Cd 的含量，促进了土壤脲酶和脱氢酶的活性。鼠李糖脂与EDDS 易生物降解，环境风险小，用于黑麦草修复重金属复合污染具有很大的修复潜力。

目前, 根据野外采集样本的分析, 全世界发现了约400种超积累植物, 最重要的超积累植物主要集中在十字花科, 世界上研究得最多的植物主要在芸苔属(Bra ssica )、庭芥属(Alyssuns ) 及遏蓝菜属(Thla spi) (邢前国等, 2003)。如在重金属污染土壤上种植天蓝遏蓝菜(Thla spi caerulescens), 可以吸收和积累土壤中非可溶性Cu、Zn、Pb(Mart?nez et a l. ,2006); AlNajar等( 2003)发现植物雨衣甘蓝(Bra ssi2ca olera cea var1 a cepha la ) 和屈草花属植物berisintermed ia )对T l有超积累作用, 其中地上部吸收的T l 18% 和21% 来自根际土壤的植物有效态部分,50% 和40%来自非可溶性部分。可见, 富集植物的生理特性使其具有独特的活化土壤中其他植物所不能吸收和利用重金属的能力, 并通过多种途径改变周围环境, 提高重金属的溶解性, 从而促进植物根系对重金属的吸收( Peters & Shem, 1992; 林庆宇,2008), 对于植物2微生物联合修复体系非常重要。重金属的生态环境效应与其总量相关性不显著, 从土壤物理化学角度来看, 土壤中重金属各形态是处于不同的

能量状态, 其生物有效性不在污染土壤中, 由于矿物和有机质成分对重金属的吸附,水溶态重金属所占份额不多。因此, 重金属的生物可利用性、其对植物和微生物的毒性和抑制机理都会影响重金属污染土壤植物修复的效率。

2.2 河流的修复

河流生态修复技术的主要理论基础是20 世纪50 年代德国创立的近自然河道治理工程学, 工程设计理念中吸收生态学的原理和知识, 改变传统的工程设计理念和技术方法, 使河流的整治要符合植物化和生命化的原理。在修复目标上, 强调河流自然的健康状态; 在修复方法上, 强调人为控制和河流的自我设计相结合吴明等人依据国内外近年来有关污染沉积物研究的相关成果, 阐述了潜在生态风险指数法、SEM/ AVS 法和沉积物质量基准法等对沉积物中重金属欧洲国家对阿尔卑斯山区的早期开发造成的大面积森林砍伐和植被破坏, 以及为治理水土流失, 泥石流等灾害而兴建的大规模的传统水利工程所引发的生物多样性降低, 人居环境质量的下降促成了人们对传统水利工程的反思。河流生态修复的概念最早是在德国提出的,它强调水利工程在具有防洪、供水、水土保持等基本功能的同时, 还应该达到接近自然的目的,特别强调河溪治理工程中的自然美学成分。伴随着工程实践和生态学理论的发展, 20 世纪50 年代德国正式创立了近自然河道治理工程学。其核心思想是河道的整治要符合植物化和生命化的原理。以河道原始的自然状态为受损河流修复的最终目标。有机污染物进行的主要生态风险评价方法。回顾了污染沉积物的物理、化学和生物3 大主要修复措施, 重点总结了生物修复技术中微生物修复、植物修复及植物- 微生物联合修复方面的研究进展。最后提出了研究展望和思考, 旨在为河流湖库沉积物及水体环境的污染风险评价及污染修复提供科学依据。苏冬艳等人对河流治理与修复技术进行了综述,将其归纳为物理、化学、生物修复技术三大类:物理技术包括人工曝气、引水冲污、底泥疏浚;化学技术包括化学除藻、重金属固定;生物修复技术包括微生物强化、植物强化、生物膜法。对每种技术的研究现状进行了简介和评价,并展望了这三类技术今后的发展方向。

吴洪兴等人指出河流的生态修复技术, 国外早已广泛应用, 而国内仍

处于起步和技术探索阶段, 当前的河流治理方式, 大都是采用传统水利措施, 实现了水资源的合理利用, 但缺乏与生态系统栖息地建设和景观建设的有机结合。通过嘉兴市近年来在河流生态修复技术方面的实践探索, 总结了该项技术的实施要点, 阐述了生态修复的主要措施, 并对几个项目实施后的效益情况进行简要分析, 展现了河流生态修复技术的广阔应用前景。

全球范围内的相关研究与实践正在不断地推动着生物修复理论和技术应用的快速发展, 生物技术已成为环境保护领域技术发展的重要生长点。然而, 生物修复技术毕竟才发展30 多年, 还有不成熟之处, 而且由于生物本身的生理特性, 使生物修复技术尚具有一定的局限性。相对水体、土壤污染的生物修复而言, 沉积物的修复更为复杂, 研究的也相对要少。因此, 一些污染机理仍然不甚清楚。生物修复是一个跨学科的领域, 需要植物学、土壤学、微生物学、生态学等方面专家的通力合作。生物修复技术本身又是一项复杂的系统工程, 要使生物修复技术成功并广泛地应用, 需要深入研究生物修复的机理和技术应用, 如发挥大型水生植物尤其是沉水植物在沉积物修复中的作用; 加强植物- 微生物联合修复技术的研究; 解决生物修复研究的技术转换难题等。我国湖泊河流众多, 且都受不同程度的污染。随着我国综合国力的增强、对污染物治理要求的提高以及治理手段的改进, 今后几十年内, 我国生物修复技术将会有质的发展, 生物修复技术必将具有广阔的应用前景。

2.3 尾矿的修复

尾矿库中堆积的尾矿对环境的污染具体表现在以下方面: (1)尾矿在选矿过程中经受了破磨, 体重减小, 表面积变大, 堆存时易流动和塌漏, 造成植被破坏, 伤人事故时有发生, 尤其在雨季极易引起塌陷和滑坡。(2)在气候干旱风大的季节或地区, 尾矿粉尘在大风推动下飞扬至尾矿坝周围地区, 造成土壤污染、土质退化, 甚至使周围居民致病。(3)尾矿成分及残留选矿药剂对生态环境的破坏加剧, 尤其是含重金属的尾矿, 其中的硫化物产生酸性水进一步淋浸重金属, 其流失将对整个生态环境造成危害, 而残留于尾矿中的氯化物、氰化物、硫化物、松醇油、絮凝剂、表面活性剂等有毒有害药剂, 在尾矿长期堆存时会受空气、水分、阳光作用和自身相互作用产

生有害气体或酸性水, 加剧尾矿中重金属的流失, 流入耕地后破坏农作物生长或使农作物受污染, 使农作物中重金属含量成倍或十几倍地增加;流入水系又会使地面水体或地下水源受到污染, 毒害水生生物。(4)尾矿流入或排入溪河湖泊, 不仅毒害水生生物, 而且会造成其它灾害, 有时甚至涉及相当长的河流沿线。因此, 为保护人类生存环境的洁净与安全,减小矿业开发对自然生态的破坏, 尾矿库土地复垦已是矿业土地复垦工作的中心任务之一。

叶文玲等人分析了在金属矿山开发过程中的尾矿、废石等需要大面积的堆置场地,导致对土地大量占用和对堆置场地原有生态系统的破坏,并造成矿山废弃地土壤严重的重金属污染。以铜矿为例,说明了矿业废弃地重金属污染的产生及形态,重金属对植物的毒害作用和生态修复方法,介绍了国内外有关的研究进展,并指出目前尚未解决的问题及未来发展趋势。毕银丽等人指出采矿业在促进国民经济发展的同时, 也带来严重的环境问题。残留的大量尾矿不仅造成土地资源的浪费, 还严重污染了生态环境。尾矿的物理结构很差, 极端贫瘠、重金属含量高、具有极端pH 值, 致使植被难以覆盖, 生态修复困难。丛枝菌根真菌在矿区生态恢复中发挥了较好的效应, 能够促进宿主植物对矿质元素的吸收, 提高植物抗逆性, 尤其是对重金属的抗性。因此, 丛枝菌根真菌对于尾矿库的生态修复具有很大的应用潜力。刘惠新等人研究了矿产资源开发带来社会的繁荣与进步,同时也给环境带来破坏,特别是矿区土壤受到的影响最大。矿区土壤在矿山废水、粉尘以及矿山尾矿等的侵入下受到了不同程度的污染,给矿区的农业生态系统和人们的健康带来了危害。因此矿区污染的土壤修复研究已成为高度重视的问题。在此叙述了矿区尾矿的一般产生以及对环境造成的污染问题。分析了现今尾矿土壤的生物修复技术。王友保等人则研究指出为更好地应用草坪草进行铜尾矿废弃地的植物修复与治理,以狗牙根、高羊茅和三叶草为研究对象,通过对其根际与非根际土壤的取样分析,研究了3 种草坪草生长对大型铜尾矿废弃地土壤酶活性的影响. 结果表明:3 种草坪草根际环境显著地提高了土壤酶活性,减小了各样点之间土壤酶活性的差别,同时,3 种草坪草的生长及根际环境土壤酶活性的增加,提高了土壤中有效态铜含量的比率,使重金属Cu 向

易被植物吸收利用的形态转化,在一定程度上增加了Cu 的生物有效性,从而有效减少土壤中Cu 的污染,改良土壤环境. 高羊茅和三叶草比狗牙根具有更强的清除土壤Cu 的能力,二者根际环境造成土壤Cu 的降低量平均达到10.36 % 和7.78 % ,高于狗牙根的5.02%。

露天采场、废石场、尾矿库、塌陷地具有明显的时空变化特征,在生产期,只有永久边坡、平台可以进行生态修复,因此这类场地在生产运行期只能对这部分进行考核,在服务期满后应对整个场地进行考核。根据矿山不同场地生态修复特点,提出并构建矿山生态修复考核指标体系。该考核指标具有较强的可操作性和实用性,便于管理部门、研究设计部门、矿山企业使用。保护环境人人有责，让我们携起手来共同保护好我们生活的环境，不走发达国家的先污染后治理的老路，走出一条中国特色的可持续发展的道路。

叶骥

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2010.12.09