土地利用工程之污损土地改良改造工程Word文档下载推荐.docx
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污染土地物理改良改造是指通过物理过程的调节或控制,改变土壤的物理性状,使污染物得到有效控制,将污染物与土壤分离或转化为低毒或无毒物的改良改造过程。
主要的物理改良改造技术有客土和换土技术、蒸气浸提技术、玻璃化技术、固化/稳定化技术、电动力学技术、热处理等。
1.客土和换土技术
客土技术,即是向污染土壤中加入大量的干净土壤,覆盖在表层,使污染物浓度降低到临界危害浓度以下,或减少污染物与植物根系的接触,从而达到减轻危害的目的。
简而言之,换土技术就是把污染土壤取走,换人新的干净土壤。
该类方法改良改造效果显著,不受土壤条件限制。
但需大量的人力、物力,投资大,并且不会从根本上去除污染,会降低土壤肥力,需增加施肥量以补充肥力。
2.蒸气浸提技术
蒸气浸提技术是通过降低土壤中的蒸气压,将污染物以蒸气的方式排出土壤的改良改造技术。
主要用于去除不饱和土壤中的髙挥发性有机物和一些半挥发性有机物,如苯、汽油等。
基本原理是在污染土壤中通人清洁空气以产生驱动力,当气压降低时,利用土壤固相、液相和气相间的浓度差,将污染物转化为气态形式排出土壤的过程。
由于土壤理化性质对土壤蒸气浸提技术有很大的影响,因此在采用该技术前应对土壤孔隙度、湿度、容重、质地、有机质含量、空气传导率等进行测量。
3.玻璃化技术
玻璃化技术是将污染土壤髙温熔融形成玻璃体或固结成团的改良改造技术。
该技术既适合于原位处理,也适合于异位处理。
土壤熔融后污染物被固结于稳定的玻璃体中不在对其他环境产生污染,但同时也使土壤完全丧失了原有的生产力。
玻璃化作用对砷、铅、硒和氯化物的固定效率比其他无机污染物低。
玻璃化法处理费用较高,如欧美国家每吨土壤的处理费用约为300〜500美元,主要用于污染特别严重的土壤(曲向荣,2010)。
4.固化/稳定化技术
固化/稳定化技术是通过物理或化学的作用以固定土壤中污染物的一种技术措施,即向土壤中添加黏结剂,使污染土壤形成石块状固体的过程。
稳定化技术指通过化学物质与污染物之间的化学反应使污染物转化成为不溶态的过程。
稳定化技术不一定会改善土壤的物理性质,且稳定化技术也包括了某种程度的固化作用。
固化/稳定化技术可用于处理大部分无机污染物,也适用于部分有机污染物处理。
优点是可以同时处理被多种污染物污染的土壤,设备简单、易操作、费用低。
缺点是不能减少土壤中的污染物,只是限制了污染物对环境的有效性。
随着时间的推移,被固定的污染物可能会重新释放出来,对环境造成危害,因此它不具有长期有效性。
5.电动力学技术
电动力学技术是通过向土壤两侧施加直流电压形成电场梯度,土壤中的污染物在电解、扩散、电迁移、电泳、电渗透等的共同作用下,土壤溶液中的离子向电极附近富集,再通过沉淀/共沉淀、泵出、电镀或采用离子交换树脂等方法去除污染物。
电动力学法主要是针对低渗透性的、黏质的土壤,可以处理的污染物包括放射性核素、重金属、有毒阴离子(硝酸盐、硫酸盐)、氰化物、石油烃、炸药、卤代烃、非卤化污染物、多环芳烃等。
电动力学技术适合于处理金属污染的土壤。
6.热处理技术
热处理技术就是把已隔离或未隔离的污染土壤加热,使污染物受热分解。
该法多用于能够热分解的有机污染,如石油污染。
热处理技术主要从经济实用方面考虑产生热方式,主要有红外线辐射、微波和射频方式加热、管道输人水蒸汽,或打井通气使污染物挥发去除。
物理技术改良改造污染土地效果彻底、稳定,是一种治本措施,适用于大多数污染物和土壤条件。
但投资大,易引起土壤肥力减弱,适用于小面积的重度污染区(李永涛和吴启堂,1997)。
(二)污染土地的化学改良改造技术|
污染土地的化学改良改造技术是指在污染土壤中加人化学试剂,使其与土壤中的污染物发生化学反应,如氧化、还原、酸碱、中和、聚合、沉淀等反应,从而使污染物从土壤中分离、转化、降解成无毒或低毒性物质。
典型的化学改良改造技术有化学淋洗技术、氧化/还原技术、溶剂浸提技术、施人改良剂或抑制剂等(环境保护部自然生态保护司,2011)。
1.化学淋洗技术
化学淋洗技术是借助能促进土壤环境中污染物溶解或迁移作用的溶剂,通过水力压头将其注人到被污染的土层中,然后再把包含有污染物的液体从土层中抽提出来进行分离和处理的技术。
这一技术可用来处理有机、无机污染物。
技术关键点是提高污染土壤中污染物的溶解性和它在液相中的可迁移性。
溶剂或化学助剂应该是具有增溶、乳化效果或能改变污染物化学性质的物质。
该技术适用于原位改良改造也适用于异位改良改造。
原位化学淋洗技术是指在污染现场直接向土壤施加淋洗剂,使其向下渗透,穿过污染土壤,通过解吸、溶解、螯合或络合等物理、化学作用,最终使污染物形成可迁移态化合物。
异位化学淋洗技术是把污染土壤挖掘出来用水或其他化学试剂进行清洗,去除污染物,再处理含有污染物的废水或废液,然后将洁净的土壤回填或运用于其他地点。
2.化学氧化/还原技术
化学氧化/还原技术是采用氧化/还原剂将土壤中的污染物氧化/还原为低毒产物。
化学氧化/还原技术不需要将污染土壤全部挖掘出,只是在污染区的不同深度钻井,然后通过井中的泵将氧化/还原剂注人土壤中,使氧化/还原剂与污染物充分接触、发生氧化/还原反应而被分解为无害物。
化学氧化/还原技术由氧化/还原剂、注射井、抽提井三要素组成。
在钻井之前要先通过测试土壤和地下水,研究地下土层的特征,探出污染区覆盖面积和实际地点。
化学氧化/还原技术主要用于处理被油类、有机溶剂、农药以及非水溶液氯化物及对还原敏感的元素等污染的土壤。
该技术的优点是改良改造完成后,一般只有水、二氧化碳等无害的化学反应产物。
3.溶剂浸提技术
溶剂浸提是一种利用溶剂将有害化学物质从污染土壤中提取出来进入有机溶剂中,而后分离溶剂和污染物的技术。
在分离过程中,土壤在溶剂中浸泡的时间,取决于土壤的特点和污染物的性质。
经过浸提后,污染物或者富集在蒸馏部分底部,或者吸附在介质中,可进一步处理。
滞留在土壤中的剩余溶剂可通过空气加热装置使其由液态变成气态而从土壤中逸出,冷却后又变成液态,达到循环再利用的目的。
4.施入改良剂或抑制剂
在土壤中施放改良剂或抑制剂主要是针对重金属污染土壤而言,部分措施也适用于有机污染的土壤改良改造。
施用改良剂或抑制剂可有效降低重金属的水溶性、扩散性和生物有效性,从而降低它们进人植物体、微生物和水体的能力,减轻它们对生态环境的危害。
此法属于原位改良改造技术,不需要搭建复杂的工程装备,是经济有效的污染土壤改良改造途径之一。
常用的改良剂有石灰性物质、有机物质、化学沉淀剂和离子颉颃剂。
改良剂措施改良改造效果及费用都适中,对于中度污染区不失为适宜的方法,如果与农业措施及生物措施结合使用效果会更好。
但要加强管理,以免被污染物再度活化。
(三)污染土地生物改良改造技术
污染土地的生物改良改造技术是20世纪80年代以来出现和发展起来的,主要是指依靠某些生物的活动和具有某些特性功能的微生物,使土壤或地下水中的污染物得以清除或降解,使其转化为无毒或低毒物质的过程。
它主要是利用土壤特定的微生物、根系分泌物、菌根和超富集植物等降解、吸收或固定土壤中的污染物,从而实现污染土壤改良改造的目的。
狭义的生物改良改造仅指微生物改良改造,广义的生物改良改造包括微生物改良改造和植物改良改造,有时也包括动物改良改造。
1、植物改良改造技术
污染土地植物改良改造技术是利用植物具有富集某种或某些化学元素的特性,或利用植物及其根际微生物体系将污染物降解转化为无毒物质的过程。
该技术主要偏向于重金属污染土壤改良改造。
重金属改良改造机理:
①植物吸收和挥发机理。
植物在吸收营养的过程中,由于某些重金属元素与营养元素具有相似的化学结构而被植物吸收,代谢成植物的成分之一,或通过气孔挥发到大气中。
②植物固定作用机理。
植物通过某种生化过程使污染基质中金属的流动性降低,生物可利用性下降,从而减轻有毒金属对土壤的毒性。
③植物根系活动及根际微生物的作用机理。
根系活动能活化土壤中的重金属,提高其生物有效性,植物根系对重金属的吸收主要与重金属的形态有关(张太平和潘伟斌,2003;
陈英旭,2008)。
植物改良改造技术的优点:
①植物的提取、挥发、降解作用可永久性地解决土壤污染。
②植物的稳定作用可防止污染土壤因风蚀或水土流失而带来的污染扩散问题。
③植物的蒸腾作用可防止污染物对地下水的二次污染。
④对环境扰动小,减少由于土壤清理造成的场地破坏。
⑤经植物改良改造的土壤,土壤肥力有机质含量增加,适于农作物种植。
⑥可回收植物累积的重金属,创造经济价值。
⑦操作比较简单、成本低,可在大面积污染土壤上使用。
2.微生物改良改造技术
微生物改良改造技术是指在人为优化的条件下,利用自然环境中的微生物或人为投加特效微生物的生命代谢活动,分解土壤中的污染物,改良改造污染土壤。
微生物改良改造土壤污染的作用机理:
①吸附富集作用。
通过细菌表面载有负电荷的静电吸附,和多种极性官能团的络合作用固定某些重金属离子。
②氧化/还原作用。
通过细菌的代谢活动氧化/还原某些重金属离子。
③淋滤作用。
通过氧化硫杆菌、氧化亚铁杆菌等提高氧化还原电位、降低酸度等作用,滤除土壤、污泥和沉积物中的重金属。
④成矿沉淀作用。
通过细菌分泌物可沉淀重金属离子,或者在细菌的成矿过程中伴随有重金属的共沉淀。
⑤协同效应。
以植物和根际微生物为研究对象的植物微生物联合改良改造技术可以将重金属富集到超富集植物体内,彻底清除土壤中的重金属(姜金华,2012;
李永涛和吴启堂,1997)。
近年来,将污水、大气等其他工业领域的污染治理技术引入土壤污染治理过程,为土壤污染改良改造研究开辟了新途径,如磁分离技术、阴阳离子膜代换法等。
虽然都还处于试验探索阶段,但积极吸收、转化新技术、新材料,在保证改良改造效果的基础上,降低改良改造成本,提高工程实用性,有着重要的实际意义。
二、损毁土地改良改造技术
损毁土地是指由于自然或人为因素导致土地表土丧失或整个土地毁坏而造成土地第一生产力的丧失。
不同的地区因其自然条件、土地利用方式等不同,损毁土地有不同的形式及内涵。
损毁土地类型按原地类别为划分依据,可分为损毁耕地、损毁园地、损毁林地、损毁草地、损毁建设用地等。
按损毁方式,可分为生产项目损毁土地(如采矿、采油等)、建设项目损毁土地(如公路、铁路建设等)及自然灾害损毁土地(如洪水冲毁、土地沉降等)高和平和于艳华,2010年;
杨尽等,2009;
国土资源部土地整治重点实验室,2013)。
损毁土地改良改造工程是通过工程技术手段对损毁土地进行改良改造使其恢复成可利用的有效土地,包括生境建设和群落建设两大内容。
生境建设是对地貌的重塑和土壤改良培肥,其核心在于“造地”,为生物群落建造一个良好的生境。
群落建设则包括植被重建和引入土壤微生物及动物,其核心内容是植被(刘越岩和刘成付,2005;
王霖矢等,2007)。
(一)地貌重塑
生产建设活动或自然灾害会使土地原有地貌发生变化,使其凹陷或凸起,以致于破坏土地的正常生产力,形成凹型或凸型地貌。
对于凹型地貌的重塑,通常采用填充和客土的方式。
对于凸型地貌重塑则采用土地平整、建梯田的方式。
目前矿山开采造成的土地损毁较为严重,对于矿山损毁土地的地貌重塑一般采用剥离一采矿一复垦一体化工程技术。
在编制矿山采掘方案时,综合考虑供矿和土地复垦要求,将采矿与复垦结合,统筹规划采剥作业与复垦作业。
即将矿区划分为若干区段和条带,按条带开采。
利用大型铲运机将剥离的条带岩石和表土“剥皮式”分开铲装,沿循环道路运行,在复垦条带分别按顺序“铺洒式”排放,岩石排放在下部,表土排放在上部,利用大型平地机进行平整,一次性达到复垦要求。
实现“边开采,边复垦”的良性循环。
(二)土壤改良培肥
1.土壤改良技术
土壤改良技术是对土壤团粒结构、pH值等理化性质的改良和对土壤养分、有机质等营养状况的改善,以提高土壤生产力,具体包括以下三种技术措施。
(1)物理性状改良。
土壤物理性状改良的目的是提高土壤的孔隙度、降低土壤容重和改善土壤结构。
在短期时间内,改良土壤物理性状可采用犁地和施用农家肥等方法。
此外,施用粉煤灰可增加土层保水能力和孔隙度;
降雨能有效地浸淋出土壤中的盐分。
(2)pH值改良。
对于酸性土壤可施用碳酸氢盐或石灰来提高土壤酸度,且能促进微生物活性,增加土壤中的钙含量,改善土壤结构,并减少磷被活性铁、铝等离子固定。
(3)营养状况改良。
土壤营养状况改良,可通过施用以下改良物进行:
①化学肥料,其合理施用是矿区复垦增产的有效措施,综合施加氮、磷、钾肥要比单施某一种肥料好。
②有机废弃物,可满足植物对养分持续吸收的需要,快速形成土地结构,增加土壤持水保肥能力。
③固氮植物,利用生物固氮(主要是豆科植物)是经济效益与生态效益倶佳的改良方法。
生物固氮在重金属含量较低的废弃地上潜力很大。
④绿肥,多为豆科植物,可提供多种有效养分,改善土壤理化性状,并能加快矸石风化速度。
⑤微生物,固定空气中的N素、参与养分转化、促进作物吸收养分、改进土壤结构、减少重金属毒害及提高植物的抗逆性等功能。
2.土壤培肥技术
土壤培肥是指土壤能同时、不断、协调供给植物正常生长所需要的水、肥、气、热的能力,是土壤的物理、化学和生物特性的综合表现,是土壤不同于成土母质的基本特性。
由于工矿区扰动后的地表大多是新生的、不成熟的“粗骨土”,在很大程度上承袭了母质的特性,其通气透水性、蓄水保水性、保肥供肥性经常发生矛盾,严重影响着植物的正常生长。
因此,必须通过土壤培肥,才能为植物提供良好的立地条件,也为恢复植被、提高土地生产力打下良好的基础。
土壤培肥是指通过各种农艺措施,使土壤的耕性不断改善、肥力不断提高的过程。
具体来讲,工矿区的土壤培肥就是通过人为措施加速岩石风化和生土熟化的过程,从而使土壤的颗粒、物理、化学、生物等性状逐渐趋于正常化。
(三)植被重建工程技术;
植被重建是指在因采矿及各项工程建设活动中的挖损、塌陷、堆垫地貌上,通过人为措施恢复原来的植被群落,或重新建立新的植物群落。
植被重建中关键是植物的筛选与引种、植物的布局与配置和植物的栽植与管理。
1、植物的筛选与引种
理想种植方法的选择和植物品种有关。
植物品种繁多,种植方法也随之变化。
一般种植方法可分为播种、移植和扦插。
选择植物必须考虑下列因素:
气候与微气候、土壤条件、土地再利用方向、所需植被的种类。
掌握了这些情况,就能选出可用的植物品种。
一般筛选的原则是:
速生能力好、适应性强、根系发达、抗逆性好,优先选择固氮植物、当地优良的乡土品种优于外来速生品种;
树种选择宜突出生态功能,弱化经济价值。
具体而言,我国各矿区土地复垦的适宜植被差异较大,但多年生豆科牧草、一年生和两年生禾本科、茄科植物与刺槐、沙棘等乔灌木是主要的适选品种。
2、植物的栽植与管理
根据立地条件不同,常见种植种类有农业种植和林草种植。
农业种植包括农作物、蔬菜、果树等;
林草业种植包括草本(如牧草、杂草和花卉等)和木本(如乔本、灌木、藤本等)。
植被栽植工程设计包括混交方式、造林方式、整地方式和整地规格、造林密度或播种量、苗木规格等。
植保管理可以根据地区的性质和气候、土壤、物化性能、土地利用等特点做出考虑。
它与土地再利用的生产率和集约程度有关。
植被保护及管理包括田间管理、收割利用、种籽采收、合理放牧利用等以及幼林管护和成林管理。
(四)引入土壤微生物及动物
土壤微生物主要包括细菌、放线菌、真菌、藻类和原生动物等。
这些微生物大多在土壤中为腐生型,靠分解土壤中的有机物质来摄取能量和营养物质,所以在贫瘠的土中和“生土”中土壤微生物很少,在碎砾中土壤微生物更少。
随着土壤培肥和种植植物,即施入有机物质后土壤微生物逐渐增加并形成一定的群落。
当地面有植物时,动物才可栖身,所以复垦的废弃地初期的动物仅有少量鼠类等小动物,时间稍长就会生育繁殖。
当植物繁茂时,动物会自动移入、栖息,一般不用人工引人。
土壤微生物和动物的引人可使土壤生物群落迅速恢复,达到生物多样性,利用生物的作用改良改造损毁土地(周孝,2006)。
三、污损土地成土工程
成土工程即土体再造工程,是污损土地改良改造后仍不能满足使用要求,而在其表面再造一层人工土体,以便于种植。
目前,成土工程主要的方法有常规法、泥浆法和级配法。
1)常规法
常规法是直接将土壤搬运到改良改造过的土地上进行覆盖。
一般适用于水平或缓倾斜矿床露天开采破坏的土地上,包括排土场、尾矿场和露天坑。
2)泥浆法
泥浆法是将采集的土壤加水制成泥浆,然后覆盖在需要土壤的地块上。
地块大小为1〜2.5hm2,地块四周用黄土堆砌土堤,堤高在1.2m以上。
泥浆由管道运输,分阶段灌入地块内,一般先灌入0.5m厚的泥浆。
根据气候情况,每阶段间隔2〜8个月,以便下部地区的积水排干,使沉积的泥浆蒸发后成为黄土,然后再次灌入泥浆,黄土层厚1〜2m。
在配制泥浆时,加入水量因根据采集季节而定,土水比控制在1:
10范围内波动,最大时可达1:
3。
所形成的土地一般先经种植牧草和施肥,经过3〜5年时间能成为肥沃的土地。
此法适用于搬运距离较远,或用来改造贫瘠的农地、河滩地。
由于泥浆法会对土壤造成损害,目前较少使用。
3)级配法
采用不同级配的破碎岩石,形成“造林砂砾层”覆盖在原土表面,可适宜于植树。
人造土层由0.1〜2mm、2〜10mm、大于10mm破碎后的岩石级配而成。
级配人造土层中还可掺入垃圾、污泥、尾矿等。
“造林砂砾层”中粒级比例可视当地条件,如岩石硬度和掺入量而定。
同时,也可将砾石、沙和黏土进行级配,其规格(mm)为:
烁石>
1(66%);
粗沙1〜0.5(17%);
中沙0.5〜0.25(11%);
细沙0.25〜0.05(4%);
淤泥0.05〜0.002(1%)及黏土(1%)。
这种级配土层中最适宜种植豆科,使土壤能够更好地恢复生产力,一般只需10年时间即可解决以氮为主的植物养分问题。
此外,泥煤、锯末、粉碎麦秆、树叶、粪肥等组合都可构成人工土,并且这种人工土壤可种植农作物。
四、污损土地利用工程
(一)污损土地利用原则
根据当地自然环境与社会经济发展情况,按照技术科学合理、经济可行、综合效益最佳和便于操作的要求,结合污损土地特征和实际情况,污损土地利用应坚持如下原则:
因地制宜原则、土地集约利用原则、保护生态环境原则、切实保护耕地原则、公众参与原则、一致性原则。
(二)污损土地利用评价
根据对污损地区土地利用潜力因素和地区客观发展情况的调查,对污损土地进行适宜性评价、可垦性评价和潜力评价,以便对可利用土地数量与质量做出科学的认识、比较、鉴定和划分等级,从而为土地利用及其结构调整提供科学决策。
1、污损土地适宜性评价
土地适宜性评价是根据土地的自然和社会经济属性,研究土地对预定用途的适宜与否、适宜程度及其限制状况。
通过评价阐明区域土地适宜于各行业生产(农、果、林、水产养殖等)、适用于城市建设和利用不合理的土地资源的数量、质量及其分布,从而为区域土地利用结构和布局的调整、土地利用规划分区等提供科学依据(胡振琪,2010)。
首先,根据土地构成的各要素及污损土地特性,明确污损土地的评价单元;
其次,根据利用目标明确污损土地利用对土地条件的要求,匹配土地用途与土地质量;
再次,根据一定的标准划分土地适宜类与等级;
最后,提交评价成果。
评介结果包括土地利用现状与分析、土地适宜性评价的程序和方法说明,对土地利用类型的描述、环境影响说明、替代方案的社会经济可行性分析等。
相关图件包括土地利用现状图、土地利用总体规划图、相关土地资源要素图、土地适宜性分类图、土地适宜性等级图等。
2.污损土地可垦性评价
污损土地可垦性评价是指对污损土地各因素进行评价,以确定污损土地改良改造利用的先后顺序和土地利用方向,主要包括污损机制分析、确定污染物类型及来源、土地损毁方式、污损土地稳定性、污损土地改良改造利用对环境的影响评价、工程适宜性、评价单元分析等。
污损土地可垦性评价结果是确定项目立项与否的依据,是选择技术工艺的基础。
可垦性评价参评因子赋值见表7-1。
表7-1可垦性评价参评因子赋值表
污损土地可垦性的综合分析
(7-1)
式中,S为待复垦区可垦性综合分析值;
Pi为评价单元i的可垦性分析值;
N为评价单元数。
利用式7-1算评价单元的可垦性综合分析结果。
3.土地利用潜力评价
1)农用地利用评价
对农用地结构进行综合描述与分析。
按农用地利用现状状况调查结果,分析其现状、面积及类型、用地结构的演化、地区分布差异,指出农用地利用特点与主要存在的问题。
农用地利用潜力估算方法:
式中,adi为典型样区新增耕地系数(%);
Adi为典型样区沟渠、道路、林网、田坎、坟地、零星建设用地和未利用地等面积之和占典型样区面积的比例(各坡度级别样区分别计算)(%);
Abi为设定的与典型样区同坡度类型除去集约利用水平较高的耕地中沟渠、道路、林网、田坎等面积之和占耕地面积的比例;
Si为与典型样区同坡度级的待整理耕地区面积(hm2)。
2)建设用地利用评价.
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