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打开重金属土壤资源化大门

2017-02-21 10:27:08    来源: 中国国土资源报    作者:周飞飞

提要:“当前,高成本导致的许多地块无利可图是土壤修复产业发展的一大阻碍,而大力发展增值型土壤修复的关键,就是要从观念和技术上为污染土壤修复营造增值条件。”“在增值型修复技术的支持下,大量有害元素和有益元素复合重金属污染土壤,或许能够成为可利用、高收益的农业资源。”2月14日,中国地质调查局地科院矿产资源研究所在京组织召开增值型土壤修复研讨会,以资源利用与绿色发展为目标,探讨了增值型土壤修复的应用前景和发展发向。

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增值型修复,突破土壤修复产业发展的高成本桎梏

“今天要为大家介绍的这个土壤修复理念叫做‘增值型修复’,就是利用污染场地、污染土壤或污染介质中重金属的特殊性质,通过抑制负面效应和强化正面效应,营造增值条件,生产出高附加值的产品,让投资者可以快速从后继的产品中收回成本。”在中国地质科学院一间不大的会议室中,矿产资源研究所高级研究员、中国土壤修复产业联盟副理事长、吉林大学和北京化工大学客座教授陈明博士向多位环境修复行业企业老总和中科院相关单位的科研人员,阐述着自己最新的观点。

所谓“增值”说白了就是要“赚钱”,听起来简单粗暴,但却确确实实地切中了当前土壤修复市场的要害。

参加本次研讨会的,都是在土壤修复领域奋战多年的著名企业高管、行业协会专家和科技人员,大家心中格外清楚当前我国的土壤修复市场经济体量之惊人、发展空间之巨大。

这与国家对土壤污染这一事关国计民生重大环境问题的高度重视密切相关。尤其是去年6月国务院发布“土十条”之后,地方各级政府纷纷出台《土壤污染防治工作方案》,加上去年年底环保部推出《污染地块土壤环境管理办法》,以及首批中央土壤污染防治专项资金的到位,国家对土壤污染可谓打出了一连串的重拳。专家预测,与此相伴的土壤修复市场产值已高达4.6万亿元。

然而,有着前景光明的土壤修复产业,在现实中却并不活跃——我国土壤污染修复产业产值,尚不及环保产业总产值的1%,而在发达国家,这一比重达30%以上。

原因何在?

是成本居高不下对利润的削弱。

以著名的苏州化工厂土壤修复费用为例。

多年前,苏州环境科学研究所所长杨积德曾算过一笔账:原苏州化工厂污染地块600多亩,按60%的受污染面积进行治理,每亩666平方米,如挖5米深,即3330立方米,每立方米1.9吨,如每吨土修复需1000元左右,治理要20亿元;如按3米深进行治理,也要10多亿元。

去年,在高地价背景下,被迫闲置多年的苏州化工厂原址地块终于迎来了重新开发利用的转折。位于苏化厂地块最北端的苏州溶剂厂原址北区污染场地土壤治理项目开始实施,治理面积2.5万多平方米。按照计划,这片地块将平均往下挖3.5米,取出的泥土封装后运送到水泥厂进行水泥窑协同处置,更深的土层,采用一种叫原位热脱附技术,也就是给深层泥土加温,使有机物在高温下分解。整个修复的预算费用是2.8亿元,工期550天,估计在今年年底完成。

正是如此高昂的代价,横亘在土壤污染治理的国家行动中,导致了土壤修复市场资金供给的乏力。比如,广西获得的首批中央土壤污染防治专项资金是5.1亿元,《广西环境保护和生态建设“十三五”规划》显示,全区“十三五”期间土壤修复将投资27亿元。

“看上去不少,但与土壤修复的实际资金需求量相比,政府的引导资金只能是‘杯水车薪’,而且政府资金更偏重于公益性的区域土壤污染状况详查及评估,以及重点污染区的综合性治理。而美国的超级基金等土壤修复模式并不适用于我国,大量污染地块的修复和再开发,还需依靠市场予以消化。这也是我们针对投融资模式和产业链提出增值型修复的意义所在。”

祸害变资源,换个角度重新审视和开发重金属土壤

企业逐利而动。如果说,在地价高企的大城市,棕地开发在刨除土壤修复成本之后尚属有利可图,那么在广大的农村和偏远的山乡,对于那些没有区位优势、与房地产等高附加值产品相去甚远、商业利用价值低的污染土壤,或者重金属污染泛滥的矿山环境,是否可以通过增值型修复成为土壤修复市场的宠儿?

陈明的答案是:当然可以。因为,一些重金属污染的土壤也是资源。

人人喊打的重金属污染土壤怎么可能是资源?这是痴人说梦,还是异想天开?

对此,陈明的解释是,重金属也不都是“坏”的,比如硒和锌,不仅对人体有益,而且现在已经成为提升农作物品质、提升其价值的一个法宝,铜、钼、锰、钒等微量元素,也是人体健康之所需;比如缺铜,会导致白癜风、贫血、骨骼动脉毛发异常及脑障碍;缺钼,会直接导致近视、发育迟缓、龋齿、肾结石、克山病、大骨节病、食道癌等;而适量的锰元素,则可保证骨骼正常,并参与制造甲状腺素、激活人体酶、保障多种维生素发挥作用。一般认为,重金属中真正有害无益的“坏分子”主要是钡、铍、镉、汞、铅、锑、铊和铀等少量几个元素。其他金属元素被列为“污染物”的原因主要有三:一是人体必需的剂量不清楚;二是安全剂量范围窄,不易控制;三是相关科研成果不足。

实际上,我国有很大一部分重金属污染场地是有害元素和有益元素复合污染土壤分布区,比如甘肃的白银厂、云南的金鼎,还有江西、湖南的许多地方,都属铅锌类污染。

“铅超标当然不好,但锌多了并不是坏事。为什么不能把铅遏制住,而把锌留下,用来生产富锌农产品?”对于这样的思路,陈明称之为“抑害扬益”。

其实,早在多年前,面对工作中接触到的大量铅锌复合污染耕地,他就提出了这个疑问。于是,他查阅了大量国内外资料,发现欧美国家使用的硫化物法可以用来对铅锌复合污染耕地实施去铅留锌。

用化学试剂来稳定土壤重金属是基于“植物吸收重金属必须通过水”的认识,因此,若重金属的化合物或盐不溶于水,则他们难以向食物链迁移,因而具有较小的风险。有较多的重金属的磷酸盐、硅酸盐、碳酸盐和硫化物难溶于纯水,因此,有学者甚至公司直接用磷酸盐和硫化物或它们的混合物作为稳定化剂。

然而,不问地质背景和重金属种类而千篇一律地使用磷酸盐、硫化钠和硫代硫酸钠来修复重金属污染耕地被证明是失败的。一个最明显的问题是:硫化物、亚硫酸盐的易氧化性以及硫酸盐的易溶性。硫化物法修复后因氧化作用而产生的硫酸会导致土壤中更多的重金属被活化,因此它只适用于只有铅和锌两种元素污染的土壤,而不宜盲目扩大适用范围。

那么,土壤类型千差万别,不同地块的重金属污染物成分也各不相同,如何才能实现“抑害扬益”,最终使修复后的土地得到利用,甚至与功能农业相结合,成为能够产生巨大经济效益的农业资源?

陈明深信,技术是实现科学设想的突破口。

选择性吸附和晶化,立足地质特色研发增值型修复技术

土壤修复是使遭受污染的土壤恢复正常功能的技术措施。在土壤修复行业,已有的土壤修复技术已达到100多种,常用技术也有十多种,大致可分为物理、化学和生物三种方法。

国土资源部门的土壤修复技术当然立足自身行业特点与优势。

从上世纪末开始,国内一些科学家就已经开展土壤修复理论研究与实用技术研发。陈明研究土壤修复技术始于2001年。十余年里,在国土资源部和科技部的支持下,他与国家地质实验测试中心刘晓端研究员等人发挥地学学科优势,形成了一系列具有国土资源部门特色的土壤修复技术,即以“地球化学工程技术”为核心的若干种土壤修复剂及重金属污染土壤的电动修复技术。

国土资源部门在重金属污染土壤修复中的学科优势可以概括为以下三个方面。

一是将土壤重金属污染与地球化学、矿物学、矿床学和地质学原理结合起来,更加科学、完整地理解土壤重金属的“源、流、汇”,即重金属的物质来源、迁移转化过程与条件、和重金属的最后归宿,通过探索研究灾害链的组成、影响因素和阻断途径,形成有地学特色的修复理论。

二是模拟地质作用、成矿作用和表生演化的动力学条件与过程,开发新型修复技术,将“大体积、分散的”污染土壤的重金属重新聚集起来,形成“小体积、高度浓缩”的“人工矿床”,再通过“采矿”方式提取、甚至回收利用重金属。

三是在地质学、岩石学、矿物学和地球化学理论指导下,研发原位地球化学障技术,或生产土壤稳定化修复的新矿物材料,形成新的工艺流程和技术参数,获取新的修复效果。

现在已被土壤修复行业广泛认可的是黏土矿物对重金属元素的选择性吸附效果。

比如,层状硅酸盐矿物可以对某些特定的重金属离子进行专性吸附。根据蒙脱石、伊利石和高岭石对铜、铅、锌、镉、铬等重金属离子的吸附选择性实验结果表明:3种黏土矿物对5种重金属离子的吸附选择性明显;蒙脱石对铬、铜有很好的选择性;高岭石和伊利石对铬、铅有较好的亲和力;而这3种黏土矿物对锌的吸附能力均很弱。

在此基础上,陈明等人则利用改性黏土矿物的选择性吸附和退化过程中的选择性晶化特性,分别研发了专门用于铬—铅—镉复合污染、汞污染和铅—镉复合污染的土壤修复剂及其制备方法和使用方法。在北京、天津和福建,陈明科研团队的大田实验均获成功。就在不久前,经过严格审查和国际查新检索,这3种选择性土壤修复技术都获得了国家发明专利。

显然,这些选择性土壤修复技术是从科学和经济两个角度,对重金属污染土壤精细化修复可行性的成功验证,为增值型修复的实施提供了直接手段。

无论是陈明,还是参会的企业高管和科技同行都认为,任何修复技术和方法都不可能“包治百病”,在当前这个土壤修复技术的“战国时代”,土壤修复企业将会更加注重各种技术的适应性和长期效果,而各种技术研发者也将更多地关注自身优势的释放和成果本身在土壤修复技术体系中的位置,这也是土壤修复产业从粗犷走向精细的必然。

不过,对于组织这次增值型土壤修复研讨会的资源所和陈明土壤修复团队而言,与同行们研讨的目的也并不在于推销某种土壤修复技术,他们更希望与业内人士分享经技术初步验证后对进一步推动增值性修复的信心,从而吸引更多的同行着力于相关研究和创新性实践,为增值性修复的概念提供更多的技术支持。

“技术是为观念服务的”,陈明坚信他所倡导的“抑害扬益”增值型修复理念完全可以成为现实并值得推广。他透露,下一步,团队还将从多种组合类别的重金属污染土壤细分入手,继续研发相关技术,达到“把有害元素压制住的同时发扬有益元素”的目标,“不仅是受污染的耕地,尾矿、废渣、飞灰等都可以拿来应用,促进其资源化程度。这是发展方向”。

电动修复法,把重金属元素从土壤中“抓”出来

如果说,通过各种“抑害扬益”的技术方法修复污染土壤,实现的是土壤的资源化,那么,通过重金属污染土壤EK-SS修复技术,把本身就具有价值的重金属从土壤中分离出来,则是在修复土壤的同时对“把矿产资源吃干榨净”另辟蹊径的诠释。

EK-SS技术属于电动修复法。

电动修复法是一种在上世纪90年代后才得到重视和发展的原位土壤修复技术,具有耗费人工少、接触有害物质少、经济性较高的特点,已引起国内外科学家的高度重视。该法处理重金属污染土壤的基本原理是:在受污染土壤中插入惰性电极,如石墨电极,并在两端施加直流电场,利用电场的迁移力,将重金属迁移到阴极室或阳极室,从而得到分离。

陈明团队研究的EK-SS技术也是利用电动力来完成的。具体说,就是以矿床学中的低温热液矿床成矿理论为基础,以电动力替代地质动力,以重金属活化剂代替成矿热液,以碱性带控制器模拟半开放成矿系统,以重金属捕获器模拟成矿的地球化学障,以重金属回收模拟矿床开采过程,通过模拟“低温热液成矿作用”的过程与物理化学条件,将分散于土壤中的铜、铅、锌、镉、汞、镉、镍和锑等阳离子重金属,以及砷、铬等阴离子重金属进行活化、定向迁移、沉淀富集和采集分离,使重金属与土壤彻底分离,从而实现重金属污染土壤的永久性修复。

陈明认为,EK-SS技术特别适用于具有商业开发前景的污染场地的修复和矿山环境的增值型修复。因为,为开发而进行的污染场地修复要求将污染物浓度降低到国家标准限值以下;而矿山环境污染问题更加复杂,污染物主要是重金属,其来源包括地质体本身、采矿过程、选矿过程和运输过程等,影响范围波及矿区、选矿厂、冶炼厂、运输道路及周边地区。若要最大程度地控制重金属污染威胁,难度十分巨大。“EK-SS技术的出现为解决这些问题的解决带来了曙光。”

与经典原位电动修复技术不同,EK-SS技术属于“原地异位”技术,即:将专门的可移动大型装备运抵污染场地现场,把待修复土壤挖掘出来装入装置,修复后几乎所有重金属的浓度均能降低到国家土壤环境质量标准的二级土壤限值以下。处理后的土壤经简单处理即可填入原位。“原地异位”的好处是:充分利用了电动力和重金属活化剂,几乎没有额外的电力和活化剂损耗;不必为埋设/回收电极及其他设施而反复挖掘;大大缩短了修复时间,提高了修复效率,并将修复成本降低到国外同类技术的50%~75%。

从实验室中的小试,到7个中试试验,再到矿山实地的试生产,陈明团队用大量的实践表明:EK-SS可同时处理多种有机—无机污染物,效果都非常好。

更重要的是,EK-SS还能提取残渣态金属。陈明介绍了将它应用于湖南浏阳某铜选矿厂原始矿石和尾矿砂的实验。“我们发现,铜品位为1.03%的原矿石和剩余铜品位为0.46%的尾矿砂经96小时处理后,其残余铜浓度为0.040~0.081%。”

“也就是说,EK-SS技术可以发展成一种新的选矿技术!”

陈明认为,从目前的技术条件看,EK-SS若能演进为选矿技术,至少有三方面的优势:一是选矿回收率比常用的浮选法要高得多;二是EK-SS技术处理过程虽然需要水,但处理后尾渣中的含水率为30%左右,几乎没有流淌的水,可为选矿厂节约大量的污水处理费;三是环境效益和社会效益十分明显,由于EK-SS可将矿石中以金属阳离子形式存在的镉、钴、铜、汞、铅、钼、镍、锑、锡、铊和锌等元素一次性全部提取,因此,对下游的污染将极大地减小。如果该技术得以实施,将可使目前大量因环保问题而关闭的矿山恢复生产。

尽管一种技术从实验室诞生到大规模推广应用还存在距离,但陈明对于这些技术的发展非常有信心,因为,通过增值型修复,可以将污染物转化为资源,将“赔本买卖”转化为可盈利的项目,将政府和企业“头疼的”治污难题转化为新的投资方向,“这将对土壤修复的可持续发展产生不可估量的促进作用”。

与许多成熟的技术相比,增值型土壤修复还很“年轻”,但陈明觉得,“有方向,在路上,对科学家而言,这就是人生的意义所在。”

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