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1、背景

土壤污染被稱作“看不見的污染"，往往容易被人們忽視，據(jù)不調(diào)查，目前全國受污染的耕地約有1.5億畝，據(jù)估算，全國每年遭受重金屬污染的糧食達(dá)1200萬噸，造成的直接經(jīng)濟(jì)損失超過200億元。對于農(nóng)藥和有機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。但是，這些類型的污染問題在國內(nèi)確實存在，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，最終將對生態(tài)安全構(gòu)成威脅。

目前我國土壤污染調(diào)查主要采用在野外取樣回實驗室用分光光度計、原子吸收分光光度計（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)狀評估時往往需要花費大量時間在樣品處理和測量上，既費時又費力。
為配合國內(nèi)相關(guān)科研和監(jiān)測單位進(jìn)行土壤污染調(diào)查和評價，澤泉生態(tài)開放實驗室（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

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)場污染狀況評估
 * 對現(xiàn)場清理效果進(jìn)行抽查
 * 土壤無害化處理的監(jiān)控
2）便攜式地質(zhì)雷達(dá)測定系統(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)測污染處置程度
3）便攜式土壤污染探測系統(tǒng)(淺地表碳?xì)浠衔?VOC污染)
 * 快速而經(jīng)濟(jì)的現(xiàn)場原位監(jiān)測
 * 檢測和分析淺地表中的碳?xì)浠衔锖推渌袡C污染物
 * 快速和方便的檢測管線泄漏等
 * 農(nóng)業(yè)污染和垃圾填埋場的監(jiān)測

3 便攜式X熒光光譜儀
具備實驗室分析精度的現(xiàn)場便攜式X射線熒光光譜儀，能夠快速從土壤和沉積物中同時檢測出多達(dá)25種元素的含量，其中包括所有的8種美國資源保護(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

不同的元素會產(chǎn)生不同的特征性的X-射線熒光，根據(jù)計算特征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，不同元素的特征性X-射線熒光被儀器中的X-射線熒光探測器轉(zhuǎn)化為電信號，電信號又被放大并傳輸至微處理器進(jìn)行計數(shù)和運算，得出的元素含量值被儲存并顯示于操作屏幕。

3.2 傳統(tǒng)的土壤重金屬測量方法的缺陷
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驗室進(jìn)行消化處理后用分光光度計、AAS、ICP等儀器測量，導(dǎo)致科研人員、環(huán)境工作者、咨詢顧問以及其他環(huán)境專業(yè)人員，在鑒別大面積場地潛在污染物的范圍和邊界時，由于以下缺陷，難以快速進(jìn)行土壤污染監(jiān)測評價和預(yù)警：
 * 儀器體積龐大，無法在野外使用
 * 每次開機都需測定標(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)過嚴(yán)格的預(yù)處理（消化、過濾、稀釋）才可測量
 * 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
 * 外殼堅固，不受環(huán)境影響
 * 操作簡單、不需專人管理
 * 樣品預(yù)處理簡單，不需消化、過濾、稀釋
 * 樣品消耗量少，非破壞無損檢測
 * 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)典實驗室方法相關(guān)性高

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

方法2：酒精燃燒法，取大約20克土放入鋁盒中，加酒精至沒過土樣，燃燒酒精，經(jīng)數(shù)分鐘熄滅（約4分鐘），若土樣還沒有干，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)過篩，放入樣品杯中即可測量。

可見，便攜式X熒光光譜儀樣品的前處理比較簡單，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號元素鈦(Ti)到 94號元素钚(Pu)范圍內(nèi)的 25種基本元素
 * 檢測模式：

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

松散質(zhì)(顆粒狀)樣品檢測模式

薄層檢測模式，包括粉塵檢測模式，直徑為 37 mm 的過濾介質(zhì)檢測模式
用戶自定義薄層檢測模式
 * 數(shù)據(jù)存儲：最多可達(dá) 3000 個檢測數(shù)據(jù)(附帶 X 射線光譜)
 * X射線探測器：高性能的Si-PIN探測器，塞貝克效應(yīng)(Peltier)冷卻器

3.6 應(yīng)用實例
利用便攜式重金屬分析儀對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)查測定, 結(jié)果表明北二十里泡沉積物重金屬污染等級為Ⅲ級， 屬于中污染。（張思沖，大慶城郊濕地沉積物重金屬污染評價，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)測定系統(tǒng)
4.1地質(zhì)雷達(dá)測定系統(tǒng)探測污染的原理
該系統(tǒng)是利用高頻電磁波的反射來確定地下目標(biāo)體的位置與埋深，因為污染可能來自鹽堿、瀝出物、碳?xì)浠衔?，或者揮發(fā)性有機物（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)信號缺失，所以通過地質(zhì)雷達(dá)探測，在雷達(dá)波圖像中地質(zhì)雷達(dá)信號缺失的范圍，就是污染區(qū)域。

4.2 地質(zhì)雷達(dá)測定系統(tǒng)的特性

* 測試方便、操作簡單
 * 配置輕便適合不同測試場地
 * 測試結(jié)果直觀明了
 * 可現(xiàn)場確定目標(biāo)體的位置和埋深
 * 數(shù)據(jù)存儲為數(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污染范圍探測
污染物由填埋場滲漏到地下，通過地下水傳輸擴張；通過地質(zhì)雷達(dá)探測，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)探測土壤的污染面積

 

右上圖為最初探測的地質(zhì)雷達(dá)圖像。從圖可以看出地質(zhì)雷達(dá)信號缺失的范圍很大，信號缺失（被吸收）的范圍為污染區(qū)域。
右下為經(jīng)過五年的處置后，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）實時間隔性測量，環(huán)保部門可以同時有效的開展應(yīng)急補救措施

5 便攜式土壤污染探測系統(tǒng)

便攜式土壤污染探測系統(tǒng)在定位探測土壤揮發(fā)性有機物（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)域的新時代，它能提供高效的技術(shù)的土壤污染檢測，并具有的高精確度的數(shù)據(jù)。這是因為它是PID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 土壤污染探測系統(tǒng)的原理
該儀器通過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，其中光離子化檢測器用于監(jiān)測土壤揮發(fā)性有機物濃度，四通道紅外分析器用于測量碳?xì)浠衔?、CH4、CO2 濃度。

5.2 土壤污染探測系統(tǒng)的特性
 * 堅固的手持設(shè)計，一個人就可完成全部測量
 * 原位一次性快速測定土壤中揮發(fā)性有機物（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)境壓力等八個參數(shù)
 * 100 000個數(shù)據(jù)存儲，可設(shè)定自動采集
 * 紅外或RS232接口方便的將數(shù)據(jù)下載到您的電腦
 * 自動標(biāo)定，使標(biāo)定極其簡單
 * 與GPS連接，可顯示檢測的具體位置和時間，用于快速生成地表污染狀況的3D圖形

5.3 土壤污染探測系統(tǒng)的基本技術(shù)指標(biāo)
PID指標(biāo)：
 檢測限： 兩個范圍，0.1 ppm / 0.1ppb
 零點穩(wěn)定性：0.05 ppb
 響應(yīng)時間：0.08 s
 采樣時間：10次取樣/秒
 內(nèi)置200種化合物自動標(biāo)定曲線
 動態(tài)范圍：0.1 ppb - 4000 ppm
IR指標(biāo)：
 甲烷：0-500 000 ppm，檢測極限20 ppm
 石油碳?xì)浠衔铮?-500 000 ppm，檢測極限20 ppm
 二氧化碳：0-500 000 ppm，檢測極限20 ppm
 響應(yīng)時間：0.5 s
 采樣時間：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)用實例
應(yīng)用一：運用ECOPROBE 5確定出土壤污染區(qū)域，并從污染區(qū)的250個點中快速篩選出5個取樣到實驗室分析，進(jìn)一步確認(rèn)土壤污染程度

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

應(yīng)用三：斯洛伐克的一個加油站發(fā)生泄漏后，利用ECOPROBE 5檢測污染處置程度（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系統(tǒng)、地質(zhì)雷達(dá)測定系統(tǒng)以及便攜式XRF重金屬分析儀的強大測量/探測功能，涵蓋從淺地表到地下、從土壤有機污染物到土壤重金屬污染的監(jiān)測，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估
 * 超富集植物的選擇
 * 修復(fù)和治理效果評估
 * 對現(xiàn)場清理效果進(jìn)行抽查
 * 土壤無害化處理的監(jiān)控
 * 污染現(xiàn)場清理項目的監(jiān)控
 * 房地產(chǎn)基建前期及工業(yè)區(qū)環(huán)境評估

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)查和評估方面具有巨大的應(yīng)用潛力，所用儀器都是國際上普遍認(rèn)可和使用的儀器，同時測量結(jié)果與實驗室結(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地污染范圍和邊界而要收集和分析數(shù)以千計個樣品的艱巨任務(wù)。利用此系統(tǒng)監(jiān)測調(diào)查土壤污染是ICP、AAS、GC等常規(guī)分析方法的很好互補。相信這套解決方案將對土壤污染調(diào)查和評估工作以及進(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。