土壤污染調(diào)查1、背景土壤污染被稱作“看不見(jiàn)的污染”，往往容易被人們忽視，據(jù)不調(diào)查，目前全國(guó)受污染的耕地約有1.5億畝，據(jù)估算，全國(guó)每年遭受重金屬污染的糧食達(dá)1200萬(wàn)噸，造成的直接經(jīng)濟(jì)損失超過(guò)200億元

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1、背景

土壤污染被稱作“看不見(jiàn)的污染”，往往容易被人們忽視，據(jù)不調(diào)查，目前全國(guó)受污染的耕地約有1.5億畝，據(jù)估算，全國(guó)每年遭受重金屬污染的糧食達(dá)1200萬(wàn)噸，造成的直接經(jīng)濟(jì)損失超過(guò)200億元。對(duì)于農(nóng)藥和有機(jī)物污染等其他類型的土壤污染所導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失，目前尚難以估計(jì)。但是，這些類型的污染問(wèn)題在國(guó)內(nèi)確實(shí)存在，甚至也很嚴(yán)重。土壤污染造成有害物質(zhì)在農(nóng)作物中積累，并通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體，引發(fā)各種疾病，最終危害人體健康。土壤污染直接影響土壤生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，最終將對(duì)生態(tài)安全構(gòu)成威脅。

目前我國(guó)土壤污染調(diào)查主要采用在野外取樣回實(shí)驗(yàn)室用分光光度計(jì)、原子吸收分光光度計(jì)（AAS）、電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP-AES）、氣相色譜儀（GC）等儀器測(cè)量，科研和環(huán)境工作者在進(jìn)行土壤污染調(diào)查，確定污染范圍、邊界，進(jìn)行污染現(xiàn)狀評(píng)估時(shí)往往需要花費(fèi)大量時(shí)間在樣品處理和測(cè)量上，既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力。
為配合國(guó)內(nèi)相關(guān)科研和監(jiān)測(cè)單位進(jìn)行土壤污染調(diào)查和評(píng)價(jià)，澤泉生態(tài)開放實(shí)驗(yàn)室（Zealquest Laboratory for Ecological Research）推出一套“土壤污染調(diào)查的系統(tǒng)解決方案”，希望這套方案能為監(jiān)測(cè)和科研工作者的調(diào)查工作起到一定的幫助。

2 土壤污染調(diào)查的系統(tǒng)解決方案
2.1 功能
1) 原位、非破壞性進(jìn)行土壤污染調(diào)查
2) 確定土壤污染區(qū)域和范圍
3) 快速、大量篩選樣品,有效地對(duì)受污染區(qū)域進(jìn)行調(diào)查
4）為用戶改進(jìn)工作和修復(fù)計(jì)劃提供可靠依據(jù)
5）是ICP、AAS、GC等經(jīng)典分析方法很好的互補(bǔ)

2.3 所需設(shè)備及用途
1）便攜式XRF土壤重金屬分析儀（土壤重金屬污染）
 * 準(zhǔn)確勾勒土壤重金屬污染邊界
 * 現(xiàn)場(chǎng)污染狀況評(píng)估
 * 對(duì)現(xiàn)場(chǎng)清理效果進(jìn)行抽查
 * 土壤無(wú)害化處理的監(jiān)控
2）便攜式地質(zhì)雷達(dá)測(cè)定系統(tǒng) (地下碳?xì)浠衔?VOC污染)
 * 原位、快速圈定地下污染區(qū)域和范圍
 * 有效監(jiān)測(cè)污染處置程度
3）便攜式土壤污染探測(cè)系統(tǒng)(淺地表碳?xì)浠衔?VOC污染)
 * 快速而經(jīng)濟(jì)的現(xiàn)場(chǎng)原位監(jiān)測(cè)
 * 檢測(cè)和分析淺地表中的碳?xì)浠衔锖推渌袡C(jī)污染物
 * 快速和方便的檢測(cè)管線泄漏等
 * 農(nóng)業(yè)污染和垃圾填埋場(chǎng)的監(jiān)測(cè)

3 便攜式X熒光光譜儀
具備實(shí)驗(yàn)室分析精度的現(xiàn)場(chǎng)便攜式X射線熒光光譜儀，能夠快速?gòu)耐寥篮统练e物中同時(shí)檢測(cè)出多達(dá)25種元素的含量，其中包括所有的8種美國(guó)資源保護(hù)和回收法（RCRA）規(guī)定的金屬元素(As, Se, Ba, Cd, Cr, Ag, Hg, Pb)。

3.1 便攜式X熒光光譜儀的原理

不同的元素會(huì)產(chǎn)生不同的特征性的X-射線熒光，根據(jù)計(jì)算特征X-射線熒光的能量可以確定元素的含量；當(dāng)樣品被X射線照射時(shí)，不同元素的特征性X-射線熒光被儀器中的X-射線熒光探測(cè)器轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，電信號(hào)又被放大并傳輸至微處理器進(jìn)行計(jì)數(shù)和運(yùn)算，得出的元素含量值被儲(chǔ)存并顯示于操作屏幕。

3.2 傳統(tǒng)的土壤重金屬測(cè)量方法的缺陷
傳統(tǒng)的土壤重金屬污染調(diào)查主要采用在野外取樣回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行消化處理后用分光光度計(jì)、AAS、ICP等儀器測(cè)量，導(dǎo)致科研人員、環(huán)境工作者、咨詢顧問(wèn)以及其他環(huán)境專業(yè)人員，在鑒別大面積場(chǎng)地潛在污染物的范圍和邊界時(shí)，由于以下缺陷，難以快速進(jìn)行土壤污染監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)和預(yù)警：
 * 儀器體積龐大，無(wú)法在野外使用
 * 每次開機(jī)都需測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)曲線
 * 需要專業(yè)技術(shù)人員操作使用和管理維護(hù)
 * 樣品必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的預(yù)處理（消化、過(guò)濾、稀釋）才可測(cè)量
 * 使用和儀器維護(hù)成本高

3.3 便攜式X熒光光譜儀的特性
 * 儀器超便攜
 * 外殼堅(jiān)固，不受環(huán)境影響
 * 操作簡(jiǎn)單、不需專人管理
 * 樣品預(yù)處理簡(jiǎn)單，不需消化、過(guò)濾、稀釋
 * 樣品消耗量少，非破壞無(wú)損檢測(cè)
 * 使用及后期維護(hù)成本極低
 * 快速（約100秒/樣）、可進(jìn)行大量樣品高效快速篩選
 * 數(shù)據(jù)與經(jīng)典實(shí)驗(yàn)室方法相關(guān)性高

3.4 便攜式X熒光光譜儀在野外測(cè)量時(shí)的樣品前處理
方法1：把土樣放在鋁箔上在太陽(yáng)光下自然曬干，磨細(xì)過(guò)篩，放入樣品杯中測(cè)量；

方法2：酒精燃燒法，取大約20克土放入鋁盒中，加酒精至沒(méi)過(guò)土樣，燃燒酒精，經(jīng)數(shù)分鐘熄滅（約4分鐘），若土樣還沒(méi)有干，再滴加酒精進(jìn)行第二次燃燒，待樣品冷卻后，在碾缽中磨細(xì)過(guò)篩，放入樣品杯中即可測(cè)量。

可見(jiàn)，便攜式X熒光光譜儀樣品的前處理比較簡(jiǎn)單，是土壤重金屬污染野外調(diào)查快速篩選的。

3.5 便攜式X熒光光譜儀的基本技術(shù)參數(shù)
 * 分析范圍：從 22號(hào)元素鈦(Ti)到 94號(hào)元素钚(Pu)范圍內(nèi)的 25種基本元素
 * 檢測(cè)模式：

圖1 便攜式X熒光光譜儀測(cè)量土壤鉛污染的結(jié)果和實(shí)驗(yàn)室分析結(jié)果的相關(guān)系數(shù)

松散質(zhì)(顆粒狀)樣品檢測(cè)模式

薄層檢測(cè)模式，包括粉塵檢測(cè)模式，直徑為 37 mm 的過(guò)濾介質(zhì)檢測(cè)模式
用戶自定義薄層檢測(cè)模式
 * 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：最多可達(dá) 3000 個(gè)檢測(cè)數(shù)據(jù)(附帶 X 射線光譜)
 * X射線探測(cè)器：高性能的Si-PIN探測(cè)器，塞貝克效應(yīng)(Peltier)冷卻器

3.6 應(yīng)用實(shí)例
利用便攜式重金屬分析儀對(duì)大慶城郊濕地北二十里泡沉積物重金屬含量進(jìn)行了調(diào)查測(cè)定, 結(jié)果表明北二十里泡沉積物重金屬污染等級(jí)為Ⅲ級(jí)， 屬于中污染。（張思沖，大慶城郊濕地沉積物重金屬污染評(píng)價(jià)，農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境科學(xué)，2007，23（3）386-392）

4 便攜式地質(zhì)雷達(dá)測(cè)定系統(tǒng)
4.1地質(zhì)雷達(dá)測(cè)定系統(tǒng)探測(cè)污染的原理
該系統(tǒng)是利用高頻電磁波的反射來(lái)確定地下目標(biāo)體的位置與埋深，因?yàn)槲廴究赡軄?lái)自鹽堿、瀝出物、碳?xì)浠衔铮蛘邠]發(fā)性有機(jī)物（VOCs），而這些污染物質(zhì)的導(dǎo)電率比較高，容易吸收雷達(dá)電磁波而造成地質(zhì)雷達(dá)信號(hào)缺失，所以通過(guò)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)，在雷達(dá)波圖像中地質(zhì)雷達(dá)信號(hào)缺失的范圍，就是污染區(qū)域。

4.2 地質(zhì)雷達(dá)測(cè)定系統(tǒng)的特性

* 測(cè)試方便、操作簡(jiǎn)單
 * 配置輕便適合不同測(cè)試場(chǎng)地
 * 測(cè)試結(jié)果直觀明了
 * 可現(xiàn)場(chǎng)確定目標(biāo)體的位置和埋深
 * 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為數(shù)字格式和圖片格式兩種，可用后處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理

4.3 地質(zhì)雷達(dá)測(cè)定系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)
 * 系統(tǒng)特征參數(shù):>160 dB
 * 天線頻率范圍:500-1500 MHz
 * 可定義深度窗口：0.5、1、2、4 m
 * 采集速率：100 000 樣品/秒

4.4 應(yīng)用案例： 加拿大安大略省一市政垃圾填埋場(chǎng)污染范圍探測(cè)
污染物由填埋場(chǎng)滲漏到地下，通過(guò)地下水傳輸擴(kuò)張；通過(guò)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)，得知污染物的污染范圍和污染深度，為優(yōu)化選擇用于監(jiān)測(cè)與處置污染的水井位置提供依據(jù)。

應(yīng)用一：使用地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)土壤的污染面積

 

右上圖為最初探測(cè)的地質(zhì)雷達(dá)圖像。從圖可以看出地質(zhì)雷達(dá)信號(hào)缺失的范圍很大，信號(hào)缺失（被吸收）的范圍為污染區(qū)域。
右下為經(jīng)過(guò)五年的處置后，在同一位置的地質(zhì)雷達(dá)圖像。因污染物的減小或消失，雷達(dá)電磁波被吸收的范圍大大，圖像變得清晰透明，有效反映了污染的處置程度。

應(yīng)用二：用地質(zhì)雷達(dá)（GPR）實(shí)時(shí)間隔性測(cè)量，環(huán)保部門可以同時(shí)有效的開展應(yīng)急補(bǔ)救措施

5 便攜式土壤污染探測(cè)系統(tǒng)

便攜式土壤污染探測(cè)系統(tǒng)在定位探測(cè)土壤揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）和其他污染指示方面所具有的靈活性、便捷性和高質(zhì)量預(yù)示了這一領(lǐng)域的新時(shí)代，它能提供高效的技術(shù)的土壤污染檢測(cè)，并具有的高精確度的數(shù)據(jù)。這是因?yàn)樗荘ID光電離分析儀和選擇性IR紅外分析儀相結(jié)合的儀器。

5.1 土壤污染探測(cè)系統(tǒng)的原理
該儀器通過(guò)集成的高精度的光電離分析（photo-ionization analyzer，PID）和四通道紅外(infra-red analyzer，IR)分析單元，快速有效的分析各種揮發(fā)性氣體，其中光離子化檢測(cè)器用于監(jiān)測(cè)土壤揮發(fā)性有機(jī)物濃度，四通道紅外分析器用于測(cè)量碳?xì)浠衔?、CH4、CO2 濃度。

5.2 土壤污染探測(cè)系統(tǒng)的特性
 * 堅(jiān)固的手持設(shè)計(jì)，一個(gè)人就可完成全部測(cè)量
 * 原位一次性快速測(cè)定土壤中揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）甲烷、石油碳?xì)浠衔?、二氧化碳、氧氣、土壤溫度、樣品真空度和環(huán)境壓力等八個(gè)參數(shù)
 * 100 000個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，可設(shè)定自動(dòng)采集
 * 紅外或RS232接口方便的將數(shù)據(jù)下載到您的電腦
 * 自動(dòng)標(biāo)定，使標(biāo)定極其簡(jiǎn)單
 * 與GPS連接，可顯示檢測(cè)的具體位置和時(shí)間，用于快速生成地表污染狀況的3D圖形

5.3 土壤污染探測(cè)系統(tǒng)的基本技術(shù)指標(biāo)
PID指標(biāo)：
 檢測(cè)限： 兩個(gè)范圍，0.1 ppm / 0.1ppb
 零點(diǎn)穩(wěn)定性：0.05 ppb
 響應(yīng)時(shí)間：0.08 s
 采樣時(shí)間：10次取樣/秒
 內(nèi)置200種化合物自動(dòng)標(biāo)定曲線
 動(dòng)態(tài)范圍：0.1 ppb - 4000 ppm
IR指標(biāo)：
 甲烷：0-500 000 ppm，檢測(cè)極限20 ppm
 石油碳?xì)浠衔铮?-500 000 ppm，檢測(cè)極限20 ppm
 二氧化碳：0-500 000 ppm，檢測(cè)極限20 ppm
 響應(yīng)時(shí)間：0.5 s
 采樣時(shí)間：10次/秒
其它讀數(shù)：
 氧：0-100 %
 土壤溫度：±0.1℃，分變率0.01℃
 環(huán)境壓力/樣品真空度(mbar，Torr，psi，kPa)，精度0.1%

5.4 應(yīng)用實(shí)例
應(yīng)用一：運(yùn)用ECOPROBE 5確定出土壤污染區(qū)域，并從污染區(qū)的250個(gè)點(diǎn)中快速篩選出5個(gè)取樣到實(shí)驗(yàn)室分析，進(jìn)一步確認(rèn)土壤污染程度

應(yīng)用二：在波希米亞的一個(gè)鐵路終點(diǎn)站，油罐車傳送到地下儲(chǔ)油罐的運(yùn)輸管道泄漏以及破損的儲(chǔ)油罐造成了嚴(yán)重的輕質(zhì)有機(jī)污染物（LNAPL）污染，下圖是利用Ecoprobe 5確定的該點(diǎn)土壤氣體中油氣的濃度圖。

應(yīng)用三：斯洛伐克的一個(gè)加油站發(fā)生泄漏后，利用ECOPROBE 5檢測(cè)污染處置程度（左圖為污染清理之前的圖像，右圖為污染清理后的圖像）

 

6 土壤污染調(diào)查系統(tǒng)解決方案的應(yīng)用
這套土壤污染調(diào)查的系統(tǒng)解決方案綜合了土壤污染探測(cè)系統(tǒng)、地質(zhì)雷達(dá)測(cè)定系統(tǒng)以及便攜式XRF重金屬分析儀的強(qiáng)大測(cè)量/探測(cè)功能，涵蓋從淺地表到地下、從土壤有機(jī)污染物到土壤重金屬污染的監(jiān)測(cè)，可以廣泛的應(yīng)用于土壤調(diào)查領(lǐng)域：
 * 農(nóng)業(yè)立體污染調(diào)查
 * 土壤質(zhì)量調(diào)查
 * 綠色食品基地選址評(píng)估
 * 超富集植物的選擇
 * 修復(fù)和治理效果評(píng)估
 * 對(duì)現(xiàn)場(chǎng)清理效果進(jìn)行抽查
 * 土壤無(wú)害化處理的監(jiān)控
 * 污染現(xiàn)場(chǎng)清理項(xiàng)目的監(jiān)控
 * 房地產(chǎn)基建前期及工業(yè)區(qū)環(huán)境評(píng)估

7 展望
綜上所述，這套土壤污染調(diào)查的系統(tǒng)解決方案在土壤污染調(diào)查和評(píng)估方面具有巨大的應(yīng)用潛力，所用儀器都是國(guó)際上普遍認(rèn)可和使用的儀器，同時(shí)測(cè)量結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室結(jié)果有很好的相關(guān)性。這套系統(tǒng)解決方案減輕了科研和環(huán)境工作者由于要鑒別大面積場(chǎng)地污染范圍和邊界而要收集和分析數(shù)以千計(jì)個(gè)樣品的艱巨任務(wù)。利用此系統(tǒng)監(jiān)測(cè)調(diào)查土壤污染是ICP、AAS、GC等常規(guī)分析方法的很好互補(bǔ)。相信這套解決方案將對(duì)土壤污染調(diào)查和評(píng)估工作以及進(jìn)一步的土壤污染治理和修復(fù)工作起到巨大的推到作用。