預測未來之污染土壤修復技術

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《全國土壤污染狀況調查公報》顯示，耕地土壤點位超標率近20%，重污染企業用地、工業廢棄地、採礦區等土壤污染點位超標率高於30%，嚴重威脅人體健康和農產品質量安全。

土壤污染已成為世界性環境問題。20 世紀70 年代開始，歐美等工業化國家為解決工礦企業遺留、搬遷等形成的「棕色地塊」，陸續啟動了污染場地、農田土壤、礦業開發污染土壤的治理項目，污染土壤修復技術應運而生。美國於20 世紀80 年代建立了「超級基金(Superfund)」項目用以支持土壤污染治理，研發了一系列污染土壤治理與修復技術，並逐漸進入產業化階段。

與西方發達國家相比，土壤污染現狀更為嚴峻。《全國土壤污染狀況調查公報》顯示，耕地土壤點位超標率近20%，重污染企業用地、工業廢棄地、採礦區等土壤污染點位超標率高於30%，嚴重威脅人體健康和農產品質量安全。上世紀改革開放初期，由於對土壤污染問題重視程度不夠，技術發展起步較晚，目前設備化能力薄弱，產業化程度很低，與國際上先進的污染土壤修復技術水平相比存在較大差距。但由於其在城市發展轉型、區域產業布局與農產品質量安全保障中的重要作用，已引起了政府和全社會的廣泛關注。

本研究採用文獻計量學方法，以經驗統計規律為核心，重點對比國內外技術發展水平、發展階段及差距，實現土壤修復技術體系的量化與系統分析，闡述污染土壤修復技術的未來發展情況。

1. 1 技術初選

目前，污染土壤修復的技術體系已基本形成，如採用物理方法的氣體抽提/熱脫附等有機物分離技術，採用化學方法的固化/穩定化等重金屬污染物鈍化技術，採用生物方法的功能微生物降解等有機物削減技術，還有很多對各種方法進行組合的集成技術。同時，適合不同地區及國家的土壤環境管理政策與法規也陸續實施，逐漸形成了以風險控制為核心的制度管理體系。

根據國內外文獻與專利報道，檢索到的污染土壤修復技術類型很多，但大多數是在原創技術基礎上經過改進和調整的衍生技術。因此，參照國內外的技術分類方法，對改進、調整及組合了的衍生技術進行歸類和剔除，併兼顧各類技術的重要性和典型性，篩選出12 種重要技術，其技術主要特點和應用範圍詳見表1。

1. 2 文獻統計方法

本研究以 ISI Web of Science 的 Science Citation Index Expanded 引文索引資料庫與作為外文相關文獻檢索的數據源，以CNKI 期刊全文資料庫、萬方資料庫及維普資料庫作為中文相關文獻檢索的數據源，以 ISI Derwent Innovations Index 專利創新索引資料庫作為外文專利檢索的數據源，以知識產權局資料庫與CNKI 期刊全文資料庫作為中文專利檢索的數據源。

利用關鍵詞設計檢索式，檢索式如下：TS = (Soil Vapor Extraction and Soil) OR TS = (Thermal Desorp-tion and Soil) OR TS = (Incineration and soil) OR TS = (In Situ Chemical Oxidation and soil) OR TS = (ElectrokineticＲemediation and ( heavy metal or organic)) OR TS = (Bioremediation and soil and pollution) OR TS = ((soil flushing or soil washing or soil leaching) and ( heavy metal or chrome or Cr or cadmium or Cd or lead or Pb or nickel or Ni or arsenic or As or mercury or Hg or copper or Cu or zinc or Zn)) OR TS = ((solidification or stabilization) and soil and (heavy metal or chrome or Cr or cadmium or Cd or lead or Pb or nickel or Ni or arsenic or As or mercury or Hg or copper or Cu or zinc or Zn)) OR TS = ( phytoremediation and soil and (heavy metal or chrome or Cr or cadmium or Cd or lead or Pb or nickel or Ni or arsenic or As or mercury or Hg or copper or Cu or zinc or Zn)) OR TS = ((oxidation or deoxidization or reduction or redox) and heavy metal and soil) OR TS = ((contaminated sites or contaminated soil or contaminated land) and (Guidance Document or reference manual or ordinance or Guidelines or guide) and (protection or management or Environmental protection act))，及其中文形式。

檢索1982—2012 年間污染土壤修復的相關研究論文與專利。檢索結果中需剔除中英文重複、一稿多發、會議論文及非學術類的查詢結果。共檢索到研究論文共18015 篇，其中，（英文論文11990 篇，中文論文6025 篇），專利共11000 件，其中，（英文專利10234 件，中文專利766 件），並針對各單項技術進行分類統計。

2. 1 國內外技術發展歷程

2. 1. 1 國際技術發展歷程

污染土壤修復技術從20 世紀80 年代開始一直保持了持續發展，但不同種類技術的發展歷程有所差異。從國際研究論文數量的絕對增長量來看( 圖1)，植物修復從90 年代末成為研究熱點，近10 年增幅超過10%。氣體抽提、焚燒等技術在經歷了一個技術高峰期后，研發投入持續減少。而生物修復、化學淋洗等技術一直維持相對穩定的研究數量。

如圖2 所示，基於近10 年的發文量與發文增幅的比較分析，植物修復、固化/穩定化、電動力修復是近10 年的新增熱點；生物修復、化學淋洗和制度控制作為傳統修復技術，其論文量增幅不大，但累計發文量較大，說明該類技術一直受到關注。

美國作為污染土壤修復技術的領先國家，其技術發展趨勢最值得關注。對美國污染場地管理與修復基金資助的污染土壤修復項目進行總結(《Superfund Remedy Report》)，可以看出發達國家的技術發展趨勢、應用程度與成熟度。

從污染物分類的治理技術來看，重金屬污染修復技術逐漸成為熱點，比重超過60%。這一方面是由於有機污染場地不斷減少，另一方面是有機污染物的自然降解使得低濃度污染場地集中治理的必要性減輕。但重金屬污染持續性加重，新增污染面積擴大，使得重金屬修復技術得到大幅度發展和應用。同時，物理技術減少，化學/生物及協同技術比重增加，原位修復技術應用數量不斷增加。

2. 1. 2 國內技術發展歷程

對國內技術逐年的文獻統計結果來看，國內技術主要從20 世紀90 年代開始，先期發展的技術包括化學淋洗、固定化、氧化/還原調控等以藥劑研發為主的技術，以及焚燒、氣體抽提等以設備或工藝引進的技術。本世紀初，隨著國際植物修復成為研究熱點，以及國內土壤修復相關政策與指導意見的出台，植物修復與制度控制成為國內關注的主要技術。

從近10 年的絕對發文量來看，從2000 年之後，植物修復、生物修復等技術的研究較為集中。從研究論文的相對增速來看，除論文總量相對較少的電動力修復、固化/穩定化技術外，植物修復技術是目前國內主要關注的研究熱點，論文增幅遠遠高於其他技術與總體平均水平(圖5)。

2. 2 技術水平評價

2. 2. 1 技術發展階段

國內外研究論文與專利數量的總體趨勢體現了污染土壤修復領域的發展趨勢及階段性變化。因此，根據污染土壤修復的主要12 項技術檢索結果，國際上從20 世紀80 年代末開始有污染土壤修復相關研究論文的集中發表，截至2012 年共發表了11990 篇，年發文量呈逐年上升發展趨勢，且可劃分為3 個階段(圖6)。

階段一，國際研究為滯漲期，相關論文從1989 年的1 篇增長到1997 年的398 篇，年均增長約為58 篇/年，國內研究此時開展很少；階段二，從1997—2002 年，國際研究進入成熟期，期間論文的發表量相對穩定；階段三，從2002—2012 年，國際研究又進入一個快速增長期，增幅為58 篇/年，該階段，中文研究也進入了一個快速發展期，論文增幅為92 篇/年，並在2012 年發表總量與國際研究論文數量持平。這與該時期科研投入力度加大有關，且受到科研考評機制等因素的影響。可以看出，已跨越第一階段，直接進入快速成長期。

從相應技術專利的年獲得數量來看，與技術研究相對應，國際技術的推廣與應用也存在3 個階段：階段一，20 世紀80 年代初研發的氣體抽提及熱脫附技術，專利數量快速增加；階段二，在90 年代中期進入實用階段，此時仍存於技術追蹤與基礎研究；階段三，部分新興技術開始應用后，從21 世紀初期開始，國際技術專利年獲得數量呈現遞減的趨勢，技術步入產業化階段，同階段中文專利數量儘管較少，但已進入到了一個相對的快速發展期。

2. 2. 2 技術研究程度比較

基於污染土壤修復的12 項主要技術國內外首篇研究論文報道年份的統計分析( 圖7)，國際研究時間平均超國內約12 年，根據技術研發投入、成熟程度、產業化情況，大致可分為三類研究方向。

第一類研究方向，起步早(20 世紀90 年代之前)，時間間隔長( ＞ 15 年)，該類研究相對成熟，已實現產業化和設備化，如氣體抽提；第二類研究方向，時間間隔較短( ＜ 10 年)、原理簡單、技術難度不大、研究成本低、易於追蹤，僅從論文數量開看，該類研究國內外差別不大，如生物修復、化學淋洗；第三類方向，時間間隔約10～15 年，具有新的思路和方法，便於實施應用，有可能實現產業化突破，如礦化穩定化，電動力修復等技術，值得大力跟蹤研發。

從中英文專利的首篇報道年份的時間差距來看，國際相關專利始於20 世紀80 年代末。經10 余年的發展，在20 世紀90 年代已經形成完整的修復技術體系，涵蓋了工藝、材料和設備等。而專利發展是始於本世紀初期，技術均有一定程度的發展，但發展程度不均，尚未形成技術體系(圖8)。

2. 2. 3 技術應用程度比較

針對污染土壤修復的國際專利數量相對較少。從在優先權使用的國際專利的聚類分析看來，結果並無顯著的聚類特徵。但在工藝與裝備方面，熱脫附及相關熱處理技術的專利較多，一方面該類技術在國際上已完全步入產業化階段，另一方面該類技術是目前有機污染場地修復的首選技術(圖10)。在藥劑與功能材料方面，以重金屬淋洗、穩定化等藥劑為主，也包括部分有機污染場地生物修復中的功能菌株與菌劑。這是由於研究投入相對較小，應用與產業化程度較低的藥劑與材料研發佔據了主要地位。雖然國內植物修復技術論文研究數量最多，但多集中在理論研究，工程實用性不足，產業化仍有待發展。國內污染土壤修復技術的專利技術要點少、應用範圍窄，這已成為污染土壤修復技術發展的瓶頸。

從專利景觀圖的分佈來看(圖10)，國際專利的技術體系已經成型，基本上涵蓋了有機污染物降解與重金屬鈍化的主流修復技術，包括傳統的物化技術和生物修復技術，以及新型的有機污染電動力修復技術。

與國際技術發展態勢有所不同，國內專利技術主要集中在有機物的熱脫附工藝以及重金屬的穩定化藥劑方面。雖然有機物污染土壤的生物修復和重金屬污染土壤植物修復的研究論文年發表量遠高於其他技術，但這兩類的專利數量較少( 圖10)。這表明對生物修復技術與植物修復技術的研究更側重於理論探索或室內實驗，實用性缺乏，並且重複性工作較多。導致本現象的深層次原因可能還與的科研投入體制和成果考核體系有關，如這2 項技術的科研條件要求不高，研究成本較低，容易刊發研究論文。整體而言，越是需要高標準、高投入、大團隊來進行研發的技術，國內與國外的差距越大。

雖然生物修復技術等是國際重要的主流修復技術，但是國內研發出的技術仍有很多缺欠，如理論上創新不足，產業化方面實用性較差。為改善生物技術效率不高的問題，應重點發展組合型強化生物修復技術，即將其他的高效修復方法與生物技術相結合，形成協同性生物修復技術。

此外，是農業大國，但耕地近1 /5 的超標率，這要求修復技術發展與選擇時，要充分重視農田土壤的修復與風險防控。近年來，以鈍化(穩定化)、植物修復、生物修復為代表的農田污染土壤修復技術研發，論文發表量較高（圖1 和圖4 ），且隨著科技部、環保部和農業部等對農田污染土壤修復技術研發提供了持續性資助，國內外在技術研發上差距不大。但根據相關文獻報道，國內外農田污染土壤修復技術，普遍存在成熟度低、技術實用性差、成本較高等問題，技術研發仍處於實驗室研究階段，輔以小規模田間實驗，尚未進入產業化階段。因此，針對農田污染土壤面積大、土壤理化性質與污染物差別顯著等問題，應以風險防控與安全利用為目標，著重解決技術的適用性與成本等難題。

2. 3 技術發展態勢評價

根據上述國際技術的研究現狀、技術發展的階段性，以及技術的起始時間、發展歷程、產業化程度和應用推廣範圍的分析，可以將主要的污染土壤修復技術分為三大類(表2)：I 類技術相對成熟，已經實現產業化，該類技術包括有機污染物治理的氣體抽提、熱脫附和生物( 通風) 堆，以及重金屬治理的固化/穩定化和氧化/還原調控等技術；II 類技術正逐漸成熟，開始進入產業化階段，該類技術包括有機污染物治理的原位氧化和生物修復，以及重金屬治理的化學清洗和植物萃取等技術；III 類技術目前已有研究基礎，但仍處於探索階段，包括有機污染物的物化強化修復和化學淋洗技術，以及重金屬植物阻隔和電動力學修復技術。

借鑒國際污染土壤修復技術的發展經驗，基於國內技術的研發能力與水平(表3)，考慮污染農田和污染場地大量並存的國情與技術需求，應該：（1）發展針對有機污染的氣體抽提/熱脫附和生物修復、針對重金屬污染的穩定化和化學清洗等推廣技術；（2）發展針對有機污染治理的植物降解、針對重金屬治理植物萃取等示範技術；（3） 引領針對有機污染的物化強化修復、針對重金屬污染的植物阻隔等儲備技術。同時，研發高級氧化、脫附增溶、微生物調控、氧化/還原調控、化學活化和電動力修復等關鍵技術，與重點發展技術相互組合，進而形成強化型、協同型的高效技術，以此構建適合國情的污染土壤修復技術體系。

1)污染土壤修復技術研究始於20 世紀90 年代末期，由於起步較晚，無論是理論探索，還是技術研發，均與國外發達國家有較大差距，且在產業化領域更為突出。

2)發達國家污染土壤修復的技術成熟期始於20 世紀90 年代，因此中外技術的絕對差距並不十分巨大，制定和建立合理的國家鼓勵政策與市場引導機制，有可能在10～15 年內接近或趕上發達國家的總體水平。

3)與水、氣介質相比，土壤具有更顯著的生態環境特徵，因此在未來技術體系構建中，應更注重考慮的國情要素，在技術範圍選擇時，要充分體現農田土壤的修復與生態風險防控。

4)在國外技術走向成熟、國內水平快速提高的大形勢下，的污染土壤修復技術研發應並重系統集成與技術原創，既要重點支持適合產業應用的協同性系統技術，又要著眼於戰略發展的原始性創新技術。

5)在今後一段時間內，應重點研發抽提脫附、生物修復、植物降解、電動力修復、穩定化、化學清洗、植物萃取、植物阻隔等污染土壤修復技術，分別滿足推廣、示範和儲備等層面的需求。來源：農業環境科學，版權歸原作者所有，如有侵權請聯繫我們處理，謝謝。

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