趙 玲,滕 應(yīng),駱永明
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我國有機(jī)氯農(nóng)藥場地污染現(xiàn)狀與修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展①
趙 玲,滕 應(yīng)*,駱永明
(中國科學(xué)院土壤環(huán)境與污染修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南京土壤研究所),南京 210008)
有機(jī)氯農(nóng)藥是一類毒性大、殘留期長,較難處理的一類化學(xué)品。有機(jī)氯農(nóng)藥生產(chǎn)企業(yè)搬遷遺留的污染場地是我國城市發(fā)展進(jìn)程中面臨的新環(huán)境問題。本文分析了我國有機(jī)氯農(nóng)藥污染場地中主要污染物種類及其殘留特征,介紹了歐美發(fā)達(dá)國家應(yīng)用于此類污染場地的修復(fù)技術(shù),著重評述了我國有機(jī)氯農(nóng)藥污染場地的修復(fù)技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用情況,并就今后該類場地修復(fù)發(fā)展提出建議。
污染場地;有機(jī)氯農(nóng)藥;有機(jī)磷農(nóng)藥;殘留特征;修復(fù)技術(shù)
我國曾是有機(jī)氯農(nóng)藥的生產(chǎn)和使用大國,《關(guān)于持久性有機(jī)污染物的斯德哥爾摩公約》首批列入控制的12種持久性有機(jī)污染物(POPs)中,有9種為有機(jī)氯殺蟲劑,即艾氏劑、狄氏劑、異狄氏劑、滴滴涕、六氯苯、七氯、氯丹、滅蟻靈、毒殺芬[1]。POPs由于其毒性、難降解性、生物累積性等在全球范圍內(nèi)受到廣泛關(guān)注。我國除艾氏劑、狄氏劑、異狄氏劑未生產(chǎn),七氯少量生產(chǎn)外,曾大量生產(chǎn)過滴滴涕、六氯苯、毒殺芬、氯丹和滅蟻靈。例如,有機(jī)氯農(nóng)藥六六六和滴滴涕在我國的總產(chǎn)量曾分別達(dá)490萬噸和46萬噸,占世界生產(chǎn)量的33%和20% 左右[2]。這使得生產(chǎn)和流通等環(huán)節(jié)都曾產(chǎn)生大量的污染場地。隨著簽署執(zhí)行斯德哥爾摩公約,大批農(nóng)藥生產(chǎn)和使用企業(yè)停產(chǎn)或搬遷后留下了大量受到有機(jī)氯農(nóng)藥污染的場地,成為環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)極大的潛在污染源,迫切需要治理。這些污染場地很多距離民居或水源地很近,處于生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)域。而企業(yè)搬遷后遺留于城市中心的工業(yè)場地又具有極高的土地開發(fā)價(jià)值,在商業(yè)開發(fā)過程中易產(chǎn)生二次污染問題。例如,2004年4月北京五號線地鐵工程宋家莊附近掘出含“六六六”、“滴滴涕”的污泥與土壤1萬多噸,后查明此地是北京農(nóng)藥廠原址[3]。由此可見,農(nóng)藥污染場地再開發(fā)過程中如果不注意二次污染防治,往往會(huì)造成嚴(yán)重的社會(huì)經(jīng)濟(jì)影響。
歐美等發(fā)達(dá)國家自20世紀(jì)70年代開始,針對發(fā)展過程中曾出現(xiàn)的大量因企業(yè)搬遷而廢棄遺留的工業(yè)污染場地的治理,研發(fā)并應(yīng)用了一系列卓有成效的修復(fù)技術(shù)[4-5],積累了較為豐富的污染場地修復(fù)經(jīng)驗(yàn)。我國自2001年以來,初步建立了部分重金屬、POPs、石油烴、農(nóng)藥污染土壤的修復(fù)技術(shù)體系[6],2009年設(shè)立了第一個(gè)關(guān)于典型工業(yè)場地污染土壤修復(fù)技術(shù)和示范的研發(fā)項(xiàng)目,其中就包括有機(jī)氯農(nóng)藥污染場地土壤淋洗和氧化修復(fù)技術(shù),這標(biāo)志著我國工業(yè)污染場地土壤修復(fù)技術(shù)研究與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的開始。但同歐美等發(fā)達(dá)國家相比,我國在工業(yè)污染場地方面的法律法規(guī)體系、現(xiàn)狀調(diào)查和特征分析、修復(fù)技術(shù)研發(fā)水平以及實(shí)際工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)上還存在較大差距[7]。污染場地土壤修復(fù)技術(shù)是決定污染場地修復(fù)成敗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。土壤修復(fù)技術(shù)的選擇不僅受場地污染特征、水文地質(zhì)條件、場地周邊條件等的影響,還受到政治、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等多種因素影響。雖然國外已經(jīng)建立了不少較為成熟的有機(jī)污染土壤的修復(fù)技術(shù),然而針對我國有機(jī)氯農(nóng)藥污染場地特征以及國情需要,仍需要研發(fā)和完善國外的土壤修復(fù)技術(shù),使之能實(shí)現(xiàn)更好的修復(fù)效果。因此,本文針對目前我國污染場地中有機(jī)氯農(nóng)藥的殘留特征,在分析國外有機(jī)污染土壤修復(fù)技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,重點(diǎn)評述我國在有機(jī)氯污染場地方面的技術(shù)研發(fā)現(xiàn)狀、實(shí)際應(yīng)用情況及其存在問題,并對今后有機(jī)氯農(nóng)藥污染場地治理與修復(fù)提出建議,以期為我國農(nóng)藥污染場地修復(fù)技術(shù)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展和政府決策提供科學(xué)依據(jù)。
我國曾是生產(chǎn)和使用六六六(HCH)的大國,20 世紀(jì)60 年代 HCH 產(chǎn)量為68 310 t、70 年代為171 672 t、80 年代為241 613 t[8]。我國存在多個(gè)歷史上生產(chǎn) HCH 的企業(yè)形成的污染場地,但有關(guān)這些污染場地的分布、數(shù)量、污染情況及其清理、修復(fù)情況的報(bào)道還較少,僅有部分報(bào)道廢棄農(nóng)藥廠場地中 HCH 殘留特征的。表 1 列出了國內(nèi)不同農(nóng)藥生產(chǎn)場地土壤中 HCH 含量。對比已報(bào)道的不同農(nóng)藥企業(yè)場地土壤中的 HCH 殘留濃度,除了有機(jī)氯農(nóng)藥生產(chǎn)企業(yè),在一些氯堿、氯酚和其他類型的農(nóng)藥企業(yè)場地中也能檢測到濃度較高的HCH。
表 1 國內(nèi)不同農(nóng)藥生產(chǎn)場地土壤中六六六含量
污染場地土壤中 HCHs 各同分異構(gòu)體的殘留濃度也存在著較大的差異。一般沒有新源輸入的污染場地,土壤中 HCHs 4 種異構(gòu)體檢出率和殘留濃度由高到低依次為β-HCH、α-HCH、δ-HCH、γ-HCH,這主要是因?yàn)棣?HCH 水溶性低且難以被生物降解,且環(huán)境中的α-HCH 能轉(zhuǎn)化為β-HCH,所以β-HCH 往往在土壤中有很高的殘留[22]。HCH 在污染場地區(qū)域內(nèi)的水平分布也存在差異,整體來看生產(chǎn)區(qū)域和存儲(chǔ)區(qū)域受到的污染最為明顯,這主要是生產(chǎn)過程中的“跑冒滴漏”影響,農(nóng)藥存放區(qū)的污染主要是因?yàn)樵缒贽r(nóng)藥原料和產(chǎn)品的存儲(chǔ)條件非常簡陋,常常以麻袋或紙袋包裝,包裝破損容易造成農(nóng)藥混入土壤,造成土壤的嚴(yán)重污染。此外,粉劑農(nóng)藥加工過程中產(chǎn)生的含有污染物質(zhì)的粉塵也會(huì)隨風(fēng)擴(kuò)散到廠區(qū)地面,也相應(yīng)地造成了土壤污染。胡柳梅等[18]報(bào)道了場地周圍100 m 處土壤中 HCH 濃度范圍是5.7 ~ 921 mg/kg,平均濃度為 271 mg/kg。一般,隨著距離場地遠(yuǎn)近程度不同,土壤中 HCHs 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨距離大小呈冪函數(shù)下降,說明場地周邊一定范圍內(nèi)有機(jī)氯農(nóng)藥污染較嚴(yán)重,在今后進(jìn)行場地清理和修復(fù)時(shí),不僅關(guān)注場地內(nèi),還需對場地周邊一定范圍內(nèi)的農(nóng)藥污染與環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)性進(jìn)一步關(guān)注。
場地土壤中的 HCH 除了水平分布呈現(xiàn)出生產(chǎn)車間和庫房高于其他區(qū)域,在土壤垂直分布上也呈現(xiàn)出不同的殘留特征。馬運(yùn)等[9]報(bào)道了 HCHs 生產(chǎn)企業(yè)的污染場地因存在極高濃度的污染物從滲漏點(diǎn)向深層土壤的垂直遷移,深層土壤的污染物濃度也相當(dāng)高??傮w趨勢上,HCHs 污染主要集中在表層及亞表層土壤;β-HCH 含量最高,遠(yuǎn)高于其他3 種異構(gòu)體[12];但是也存在因?yàn)槠髽I(yè)的生產(chǎn)車間改擴(kuò)建造成地層擾動(dòng)劇烈或庫存地面無硬化處理,導(dǎo)致中層土壤中 HCH 濃度高于表層、亞表層和深層土壤[15]。通常污染物在土壤中的淋溶快慢和持留主要與土壤中沙粒含量和有機(jī)質(zhì)含量有關(guān),在沙粒含量低、有機(jī)質(zhì)含量高的土壤中淋溶較慢,反之則較快。有機(jī)質(zhì)含量較高的淤泥質(zhì)黏土層會(huì)有利于土壤對 HCH 的吸附,也會(huì)增強(qiáng) HCH 在土壤中的累積持留。
1983 年起我國開始停止生產(chǎn)和限制使用滴滴涕(DDT)殺蟲劑。國內(nèi)絕大多數(shù)生產(chǎn)廠家已經(jīng)停產(chǎn)關(guān)閉,目前僅剩4 家企業(yè)進(jìn)行DDT 原粉生產(chǎn)和粉劑加工,DDT 僅被容許作為封閉生產(chǎn)三氯殺螨醇的中間體,或用于控制瘧疾[23]。DDT 生產(chǎn)企業(yè)在過去數(shù)十年的工業(yè)活動(dòng)中,其生產(chǎn)場地、有害廢棄物堆放和處理場地、產(chǎn)品存放倉庫等均可能受到嚴(yán)重污染。近年來也有一些污染場地中 DDT 在土壤空間分布的報(bào)道,表2比較了國內(nèi)不同污染場地土壤中 DDT 的含量。從目前已報(bào)道的國內(nèi)不同污染場地土壤中 DDT 的殘留濃度可以看出,DDT 原藥企業(yè)生產(chǎn)場地中污染狀況較為嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì),1995 年后 DDT 原粉生產(chǎn)量大體仍維持在 5 000 ~ 6 000 t/a[28],因此,DDT 企業(yè)的生產(chǎn)場地的污染狀況與環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)也是近年來關(guān)注的焦點(diǎn)。
表2 國內(nèi)不同污染場地土壤中滴滴涕含量
DDT 在不同污染場地中的分布特征較為相似,DDTs 總量在表層土壤中的含量最高,其濃度隨著土壤深度增加而急劇下降。DDT 分子量較高、體積較大、溶解度低,因此易被土壤膠體吸附,使其在土壤中垂向遷移不如 HCH 明顯。同一個(gè)廠區(qū)不同采樣點(diǎn)間 DDTs 濃度相差很大,從幾個(gè) mg/kg 到幾百個(gè) mg/kg 不等,這可能與廠區(qū)各采樣點(diǎn)所在功能區(qū)不同以及 DDT 在土壤中的遷移性相對較弱有關(guān)。DDT 各組成在土壤中的水平和垂向分布還與場地的表面硬化措施和土壤黏度有關(guān)[27]。對于場地 DDT 的組成,大多數(shù)污染場地土壤 4 種衍生物的檢出率由大到小依次為p,p'-DDD>p,p'-DDT>p,p'-DDE>o,p'-DDT。一般,DDT工業(yè)品中包含75% 的p,p'-DDT、15%的o,p'-DDT、5% 的p,p'-DDE、<0.5% 的p,p'-DDD 及其他物質(zhì)[29]。Hitch等[30]研究表明,DDT 在好氧條件下脫氯脫氫轉(zhuǎn)化為 DDE,在厭氧條件下還原脫氯降解為 DDD,由此可知,沒有新源輸入的情況下,隨著土壤深度的增加,場地的土壤處于相對厭氧環(huán)境,使得 DDT 在厭氧條件下還原脫氯轉(zhuǎn)化成 DDD,因此 DDD 檢出率和平均濃度較高。
六氯苯(HCB)在我國已有50 多年的生產(chǎn)歷史,是我國POPs 污染場地的主要污染物之一。目前已被列入環(huán)境內(nèi)分泌干擾物,其健康危害已引起廣泛的重視。對于污染場地土壤中HCB 濃度分布的研究報(bào)道還比較少。馬運(yùn)等[31]對我國一家 1958 年投產(chǎn)、年產(chǎn) 7 000 t 的 HCB 企業(yè)的生產(chǎn)場地不同深度土壤中的 HCB 濃度進(jìn)行了分析,縱觀整個(gè)污染場地HCB 的污染分布情況,生產(chǎn)車間附近污染嚴(yán)重,HCB 的最高濃度為25 911 mg/kg,平均為 4 944 mg/kg,在風(fēng)力作用下 HCB 濃度向東南方向擴(kuò)散;地下3 m 土層中HCB最高濃度為 369 mg/kg,平均為55 mg/kg,HCB 濃度較表土層迅速下降,HCB 污染中心位置與表土層對應(yīng);地下5 m 土層由于土壤質(zhì)地為黏土或淤泥質(zhì)黏土,HCB 濃度相對于地下3 m 土層反而升高,平均濃度為92.1 mg/kg,表明 HCB 在垂直方向的遷移和濃度與土壤有機(jī)質(zhì)含量相關(guān)。此外,陳志良等[16]報(bào)道了廣東某氯堿化工污染場地中HCB 的最高濃度達(dá)到62.3 mg/kg。劉海萍等[17]報(bào)道了我國天津某五氯酚鈉生產(chǎn)企業(yè)搬遷遺留場地土壤中有機(jī)氯農(nóng)藥的污染狀況,場地內(nèi)表層土中 HCB 的濃度高達(dá) 30 936 ~ 42 725 mg/kg;場地周邊100 m 處 HCB 的濃度范圍為571 ~ 1 450 mg/kg,檢出率為100%,是場地內(nèi) HCB 濃度的 2%,可見在場地周邊一定范圍內(nèi) HCB 的污染與《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15168―2008)中 HCB 工業(yè)用地標(biāo)準(zhǔn)值 3.0 mg/kg 相比仍較為嚴(yán)重,存在較大的安全隱患和風(fēng)險(xiǎn)。
據(jù)記載,我國于 20 世紀(jì) 50 年代開始研制氯丹,歷史上共有近 20 家小規(guī)模生產(chǎn)企業(yè),1974 年產(chǎn)量達(dá)到 465 t,1975 年逐步停產(chǎn)。由于南方地區(qū)白蟻危害十分嚴(yán)重,1988 年后又相繼建立了一些生產(chǎn)裝置,到 1999 年我國的氯丹原油產(chǎn)量達(dá)到 834 t,2004 年產(chǎn)量為 363 t。2001—2003 年期間氯丹原油產(chǎn)量的 95% 主要用于建筑物白蟻防治,4% 用于堤鎖防護(hù),1% 用于電線電纜保護(hù)[32]。我國滅蟻靈的生產(chǎn)研制始于 20 世紀(jì) 60 年代末,1975 年逐步停產(chǎn),1997 年因白蟻防治需要相繼建成生產(chǎn)裝置并投產(chǎn),2000 年滅蟻靈原粉產(chǎn)量達(dá)到31 t,2004 年產(chǎn)量為 15 t。滅蟻靈作為常用的毒殺白蟻的殺蟲劑,其在環(huán)境中不易進(jìn)行生物降解及化學(xué)轉(zhuǎn)化,在土壤中它具有很高的遷移性,能從濕的土壤及水體表面揮發(fā)出來,在模擬河流中不考慮懸浮固體及沉積物對它的吸附,其揮發(fā)半衰期約為 10.7 h,如考慮吸附的因素,其揮發(fā)半衰期約為 1 143 a[33]。
由于氯丹和滅蟻靈的生產(chǎn)工藝類似,生產(chǎn)裝置相同,因此兩種物質(zhì)往往同時(shí)在一個(gè)企業(yè)內(nèi)生產(chǎn)。目前有關(guān)污染場地中氯丹和滅蟻靈殘留狀況的報(bào)道較少。王琪等[34]報(bào)道了某超過十年生產(chǎn)氯丹和滅蟻靈歷史的化工廠污染場地土壤中,生產(chǎn)廠區(qū)表層土中氯丹濃度分布在2.1 ~ 2 928 mg/kg 之間,造成的表土污染面積與生產(chǎn)廠區(qū)的面積基本相當(dāng)。滅蟻靈濃度分布與氯丹濃度分布呈現(xiàn)相同規(guī)律,污染以生產(chǎn)車間為中心,向四周擴(kuò)散,并主要集中在生產(chǎn)車間的日常操作區(qū)。滅蟻靈濃度最大點(diǎn)也是氯丹濃度的最大點(diǎn),表土中滅蟻靈濃度范圍分布在0.3 ~ 61.9 mg/kg 之間,由于滅蟻靈的生產(chǎn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于氯丹,因此每個(gè)土樣中滅蟻靈的濃度均比氯丹小數(shù)十倍。氯丹和滅蟻靈隨水的淋溶作用存在明顯的豎直遷移,能擴(kuò)散到深層土壤中。廠區(qū)5 m 深和10 m 深土壤樣品中氯丹濃度為0.1 ~ 105.3 和0.1 ~ 5.2 mg/kg,可見氯丹的污染已超過10 m;滅蟻靈在5 m 和10 m 深土樣中的濃度分布在0 ~ 0.5 和0 ~ 0.6 mg/kg 之間,可見氯丹在深層土壤中遷移能力較弱,而滅蟻靈在土壤中垂直下滲能力相對較強(qiáng)。唐小亮等[35]報(bào)道了國內(nèi)某規(guī)模較大的氯丹和滅蟻靈生產(chǎn)企業(yè)搬遷場地表層土中氯丹和滅蟻靈的濃度分別為 0.1 ~ 67.6 和 0 ~ 10 mg/kg,平均濃度分別為 4.5 和 0.6 mg/kg。同樣,污染嚴(yán)重區(qū)域集中在生產(chǎn)車間附近,隨著離生產(chǎn)車間距離的增大,污染物濃度迅速降低。氯丹和滅蟻靈在土壤中有明顯的水平遷移,污染范圍與風(fēng)向呈現(xiàn)一定相關(guān)性。
農(nóng)藥企業(yè)在生產(chǎn)中大量用到有機(jī)溶劑,包括苯類、鹵代烴類溶劑,甚至包括已經(jīng)列入環(huán)保部“雙高”(高污染、高環(huán)境風(fēng)險(xiǎn))名錄的溶劑,除了會(huì)因揮發(fā)造成無組織排放外,企業(yè)生產(chǎn)、生活還會(huì)排放一定量的揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)廢氣。同時(shí),由于大氣VOCs 不是國家相關(guān)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中的受控物質(zhì),長期以來在我國缺乏系統(tǒng)規(guī)范的監(jiān)測,對VOCs 的水平、組成變化及其環(huán)境影響也缺乏深入研究。因此,農(nóng)藥行業(yè)等工業(yè)區(qū)的VOCs 污染一直是研究工作的難點(diǎn)。章霖之等[36]調(diào)查了常州某農(nóng)藥生產(chǎn)場地土壤發(fā)現(xiàn),該場地土壤中揮發(fā)性有機(jī)物污染以苯系物和鹵代烴為主。苯系物濃度為 nd ~ 56.7 mg/kg,鹵代烴濃度為 nd ~ 1.1 mg/kg,有潛在風(fēng)險(xiǎn)。譚冰等[37]對河北省3 個(gè)代表性農(nóng)藥企業(yè)場地內(nèi)外土壤的苯系物進(jìn)行分析,3 個(gè)企業(yè)場地土壤中的苯系物,除苯和苯乙烯外,甲苯、乙苯、二甲苯均有檢出。苯系物總含量分別為673.5 ~ 32 363.5、nd ~ 6 461.8、461.7 ~ 8 740.8 mg/kg,檢出的甲苯和乙苯含量(4 619.5 ~ 7 234.3 和364.6 ~ 7 944.6 mg/kg)超過加拿大工業(yè)用地指導(dǎo)值(370 和82 mg/kg),場地生產(chǎn)區(qū)灰塵中二甲苯含量甚至超過荷蘭土壤干預(yù)值(17 000 mg/kg)。
有機(jī)氯農(nóng)藥場地的修復(fù)技術(shù)大多是從具有類似性質(zhì)的其他有機(jī)污染物的修復(fù)技術(shù)發(fā)展形成的[38]。歐美等發(fā)達(dá)國家對于污染土壤修復(fù)技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用經(jīng)歷了 3 個(gè)階段:①20 世紀(jì) 80 年代之前以物理、化學(xué)修復(fù)為主的土壤治理方式,主要采用的技術(shù)有挖掘填埋、客土法、固化/穩(wěn)定化、土壤氣提、化學(xué)萃??;②20 世紀(jì) 80 年代至 21 世紀(jì)初,發(fā)展為物理、化學(xué)和生物修復(fù)并重的土壤治理方式,主要采用隔離、維護(hù)和控制(IMC)、淋洗、化學(xué)萃取、化學(xué)氧化還原、玻璃固化和熱脫附;③21 世紀(jì)以來,雖然仍為物理、化學(xué)和生物修復(fù)并存的土壤治理方式,但已開始廣泛關(guān)注經(jīng)濟(jì)高效的修復(fù)方法,研究重點(diǎn)為植物修復(fù)及自然轉(zhuǎn)化和衰減[39]。表 3 列出了一些適用于有機(jī)污染土壤治理的修復(fù)技術(shù)。
目前,國外應(yīng)用較為成熟的 POPs 污染場地的原位修復(fù)技術(shù)主要有熱處理技術(shù)、土壤蒸汽抽提/地下水曝氣技術(shù)、玻璃化技術(shù)、微生物修復(fù)以及植物修復(fù)技術(shù)等。其中,SVE 和熱脫附技術(shù)是應(yīng)用最為廣泛的有機(jī)土壤修復(fù)技術(shù)[41],但是 SVE 技術(shù)多用于鹵代和非鹵代揮發(fā)性和半揮發(fā)性有機(jī)物的修復(fù)效果較好;而熱脫附技術(shù)對于處理鹵代有機(jī)物、非鹵代揮發(fā)性有機(jī)物以及高濃度疏水性液體等污染物有優(yōu)勢,但這項(xiàng)技術(shù)會(huì)破壞土壤結(jié)構(gòu)和生物系統(tǒng)。土壤淋洗有濃縮污染物的能力,適用于大多數(shù)有機(jī)污染物,也可作為其他技術(shù)的預(yù)處理,減少待處理的土壤體積,降低費(fèi)用[42]。應(yīng)用較為成熟的異位修復(fù)技術(shù)有高溫焚燒技術(shù)、低溫?zé)峤馕夹g(shù)、異位生物修復(fù)以及地下水抽出處理系統(tǒng)。而對半揮發(fā)性的有機(jī)氯農(nóng)藥而言,采用原位修復(fù)可能造成的氣體擴(kuò)散等二次污染風(fēng)險(xiǎn)低于異位修復(fù)。歐洲環(huán)境署2006 年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,采用原位修復(fù)技術(shù)的污染場地占43%,而采用異位修復(fù)技術(shù)的污染場地占42%,二者比重相當(dāng);在實(shí)際工程中,原位生物處理技術(shù)運(yùn)用得最多,達(dá)到22%,將污染土壤作為廢棄物而非可再生資源處理(如挖掘-處置技術(shù)、污染場地管制等)的工程項(xiàng)目在歐洲仍然占有較大比重,達(dá)到37%[43]。美國在2002—2005 年間60% 的污染源處理工程項(xiàng)目采用的是原位修復(fù)技術(shù),比1982—2005 年期間提高了13%[5],主要是由原位修復(fù)具有的無需挖運(yùn)土壤、修復(fù)成本低、適宜對深層污染介質(zhì)修復(fù)、對施工人員健康影響小等特點(diǎn)所決定;在所有原位污染源處理項(xiàng)目中,30% 以上采用的是土壤蒸汽抽提技術(shù),最近多相抽提和化學(xué)處理技術(shù)受到了更多關(guān)注,而現(xiàn)場焚燒技術(shù)因可能產(chǎn)生二次污染已無工程項(xiàng)目采用。
表3 常見的有機(jī)污染土壤修復(fù)技術(shù)[39-40]
我國土壤修復(fù)技術(shù)研究起步較晚,由于區(qū)域發(fā)展不均衡性以及土壤類型多樣性,污染場地特征變異性與污染類型復(fù)雜性等原因,全國各地針對工業(yè)污染場地開展了為數(shù)不多的修復(fù)工程,主要位于經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)城市,如北京化工三廠的土壤修復(fù)工程、常州市染化廠地塊污染場地土壤及地下水修復(fù)工程項(xiàng)目、江蘇省溧陽市光華化工有限公司 POPs 污染場地清理修復(fù)項(xiàng)目和蘭州市中國石油蘭州石化分公司硝基苯裝置拆除污染土壤修復(fù)工程等[44],但大部分修復(fù)工程采取的是挖掘和焚燒處置技術(shù),其二次風(fēng)險(xiǎn)高且處理成本高。目前,國內(nèi)對于有機(jī)氯農(nóng)藥污染場地修復(fù)研究較多的技術(shù)有土壤淋洗、化學(xué)氧化還原、熱脫附、土壤氣相抽提以及微生物修復(fù)等。
2.2.1 土壤淋洗技術(shù) 淋洗技術(shù)是將水、表面活性劑溶液或含有助溶劑的溶液直接作用于土壤或注入到地表以下,以洗脫或解吸附污染物的過程,是一種高效的修復(fù)方法。章瑞英等[45]運(yùn)用Tween60,Triton X-100 和十二烷基硫酸鈉(SDS)對高污染土壤中的DDTs 進(jìn)行淋洗修復(fù)研究,發(fā)現(xiàn)3 種淋洗劑對DDTs 最大洗脫率為40% 左右。田齊東等[46]也研究了這 3 種表面活性劑對有機(jī)氯農(nóng)藥生產(chǎn)企業(yè)工業(yè)場地污染土中氯丹,滅蟻靈、七氯、硫丹的增溶洗脫效應(yīng),結(jié)果顯示有機(jī)氯農(nóng)藥的洗脫率隨表面活性劑濃度的增加而增大,其中表面活性劑對土壤中氯丹、硫丹和七氯的去除率明顯高于滅蟻靈,TritonX-100 對滅蟻靈的去除率明顯高于SDS 和Tween80。Tween80 和TritonX-100 添加量為10 g/L、SDS 添加量為8.50 g/L 時(shí),對土壤中4 類有機(jī)氯農(nóng)藥的總?cè)コ首罡?,分別為32.8%、59.7% 和60.1%。Ye 等[47]運(yùn)用成本低廉且易獲得的有機(jī)溶劑花生油和甲基β-環(huán)糊精(MCD) 作為土壤淋洗劑,對武漢市某廢棄農(nóng)藥污染場地土壤進(jìn)行淋洗研究,發(fā)現(xiàn)使用100 ml/L 花生油和 25 g/L MCD 通過連續(xù) 4 次淋洗,土壤中DDTs、硫丹、六六六、七氯和氯丹的去除率都達(dá)到99%。雖然化學(xué)淋洗劑對 POPs 類農(nóng)藥的增溶洗脫效果較好,但淋洗劑普適性差、修復(fù)費(fèi)用昂貴、易造成二次污染的問題也制約其發(fā)展,研發(fā)和篩選更加環(huán)境友好、成本低廉和廣譜性的淋洗劑成為其研究熱點(diǎn)。生物表面活性劑因具有環(huán)境友好的特點(diǎn)而成為洗脫修復(fù)技術(shù)的首選洗脫劑。洪俊等[48]報(bào)道了生物表面活性劑鼠李糖脂對有機(jī)氯農(nóng)藥污染場地洗脫修復(fù)效果,初始濃度分別為8.41 和1.57 mg/kg 的氯丹和滅蟻靈的洗脫量隨鼠李糖脂濃度的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢;最佳洗脫工藝參數(shù)為鼠李糖脂濃度10 mmol/L,攪拌速度80 r/min,固液比1︰10,洗脫時(shí)間20 min,洗脫3 次,氯丹和滅蟻靈的洗脫量分別達(dá)到 6.5 和 0.23 mg/kg 左右,洗脫率為 77% 和 15%。
目前國內(nèi)對淋洗技術(shù)方面主要集中于實(shí)驗(yàn)室模擬的機(jī)制研究,包括不同表面活性劑對目標(biāo)污染物的增溶作用、影響修復(fù)效果的因素、對微生物降解的影響、與其他修復(fù)技術(shù)的聯(lián)用等。研發(fā)高效、專性的表面活性劑,與其他方法的聯(lián)合運(yùn)用,修復(fù)試劑的循環(huán)再利用,以及二次污染等問題也是淋洗技術(shù)需要解決的重要內(nèi)容。此外,修復(fù)前必須進(jìn)行翔實(shí)的現(xiàn)場調(diào)查和大量資料的收集以確定可行性,以防止污染物向未污染區(qū)域擴(kuò)散。
2.2.2 化學(xué)氧化還原修復(fù)技術(shù) 化學(xué)氧化還原修復(fù)技術(shù)是指將氧化劑(過硫酸鹽、Fenton試劑、臭氧、過氧化氫、高錳酸鉀等)或還原劑(零價(jià)金屬、亞鐵、硫系還原劑、多硫化物等)注入或摻進(jìn)地下環(huán)境中,通過氧化反應(yīng)或還原反應(yīng)破壞地下水或土壤中的污染物質(zhì)、使其降解成無毒或危害較小物質(zhì)的化學(xué)處理技術(shù)?;瘜W(xué)氧化還原修復(fù)以其修復(fù)效率高、對污染物的類型不敏感、易于同其他修復(fù)技術(shù)聯(lián)合使用等特點(diǎn),得到廣泛地研究與應(yīng)用。曹夢華等[49]以某農(nóng)藥廠舊址的實(shí)際污染土壤為對象,研究Fenton 氧化法對土壤中有機(jī)氯農(nóng)藥的去除效果,通過實(shí)驗(yàn)得出最優(yōu)工藝條件下,土壤中六六六、DDT 去除率均在80% 以上。萬金忠等[50]報(bào)道了陰/非離子表面活性劑強(qiáng)化微米 Cu/Fe 對實(shí)際污染場地土壤泥漿中有機(jī)氯農(nóng)藥的降解,對于土壤泥漿體系,偏酸性pH 對微米Cu/Fe 的還原活性有重要作用;加入TX-100 顯著促進(jìn)了微米Cu/Fe 雙金屬對土壤中有機(jī)氯農(nóng)藥的還原降解,在最佳處理?xiàng)l件下對γ-氯丹、硫丹、α-氯丹和滅蟻靈的降解率分別為83.5%、68.1%、86.8% 和70.1%。王利[51]研究了過硫酸鈉對武漢某高濃度 DDTs 污染場地土壤的正丙醇與羥丙基-β-環(huán)糊精洗脫液的氧化降解效果,發(fā)現(xiàn)當(dāng)過硫酸納濃度達(dá)到 800 mmol/L 時(shí),DDTs(251.4 ± 15.6 mg/kg)的去除率達(dá)到了 95%;熱活化 (50 ℃) 過硫酸鈉體系中,酸性 (pH = 3) 和中性 (pH = 7) 條件對 DDTs 的降解沒有顯著性差異,但是堿性 (pH = 12) 條件會(huì)抑制氧化過程;在體系中添加赤鐵礦會(huì)促進(jìn)反應(yīng)進(jìn)行,而添加菱鐵礦效果則相反。徐君君等[52]探討了土壤洗脫聯(lián)合光降解技術(shù)修復(fù)氯丹和滅蟻靈生產(chǎn)企業(yè)場地污染土壤的可行性,結(jié)果顯示Triton X-100、Tween 80 和HPCD 對復(fù)合污染土壤中氯丹和滅蟻靈均有較好的洗脫效果,且Triton X-100 能促使洗脫液中氯丹和滅蟻靈在500 W 汞燈照射 3 h 和1 h 后發(fā)生完全降解。
近年來,利用微波熱效應(yīng)修復(fù)污染土壤的新修復(fù)技術(shù)逐漸受到人們的關(guān)注,其中微波催化氧化修復(fù)土壤中 PCBs 污染場地土壤的效果顯著[53]。相比于淋洗或氣相抽提等修復(fù)技術(shù),微波催化氧化修復(fù)技術(shù)具有安全、無二次污染的優(yōu)勢;不同于化學(xué)添加修復(fù)方法會(huì)對土壤本體結(jié)構(gòu)和功能造成破壞,微波催化氧化修復(fù)技術(shù)對土壤的物化性質(zhì)影響較??;與微生物/植物修復(fù)只能對單一污染物進(jìn)行修復(fù)不同,微波催化氧化修復(fù)技術(shù)可以滿足不同有機(jī)污染土壤的處理要求。Yuan 等[54]使用微波修復(fù)技術(shù)對 HCB 污染土壤進(jìn)行修復(fù)研究,實(shí)驗(yàn)表明,在酸性條件下,HCB 的最高去除率為 95.6%;王世強(qiáng)等[55]研究了微波法對土壤中氯丹降解的影響,結(jié)果表明,微波法對氯丹去除率能達(dá)到 89%。戴博文等[56]采用微波催化氧化修復(fù)技術(shù)分別處理常州某農(nóng)藥廠和南通某化工廠有機(jī)氯污染場地土壤,結(jié)果顯示在微波功率 18 kW、微波輻射時(shí)間 20 min、土壤處理量 400 kg/h、土壤含水率 15%、活性炭添加量 0.03 kg/kg 的最佳條件下,實(shí)驗(yàn)裝置運(yùn)行穩(wěn)定,有機(jī)氯農(nóng)藥污染土壤中氯丹去除率可達(dá) 70% 左右;有機(jī)氯污染土壤中鄰二氯苯、石油烴總量、1,2-二氯乙烷、苯酚去除率分別可達(dá)到 99.9%、91.3%、98.5%、74.7%,處理后的土壤達(dá)到了 GB 15618-2008 中二級標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)用地要求。
2.2.3 熱脫附技術(shù) 熱脫附技術(shù)是通過加熱土壤使其中的有機(jī)污染物轉(zhuǎn)化為氣體,再通過特殊裝置對有害氣體進(jìn)行無害化處理的修復(fù)方法。熱脫附技術(shù)對揮發(fā)性有機(jī)物、PCBs、有機(jī)農(nóng)藥等具有良好的去除效果,對高污染場地有機(jī)污染土壤的修復(fù)具有優(yōu)勢。張新英等[57]選擇了北京某農(nóng)藥廠舊址的POPs 農(nóng)藥污染土壤,研究了不同溫度下熱脫附處理后土壤中DDTs 和HCHs 各組分的去除率以及土壤理化性質(zhì)的變化,發(fā)現(xiàn)熱脫附修復(fù)技術(shù)可有效去除土壤中POPs 農(nóng)藥,其中p,p'-DDE 與α-HCH 組分去除率受熱解吸溫度的影響比其他組分更為明顯。ΣHCH 與ΣDDT 在310 ℃、340 ℃時(shí)分別達(dá)到97%、99% 的去除率,且此時(shí)土壤中的污染物含量低于我國《展覽會(huì)用地土壤環(huán)境質(zhì)量評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》,此后去除率受溫度的影響不明顯。熱解吸溫度對修復(fù)后土壤的理化性質(zhì)有一定的影響,但是選擇適當(dāng)?shù)臒峤馕鼫囟葘ν寥赖目筛餍杂绊懹邢?,說明熱解吸技術(shù)可以用于POPs 污染土壤的修復(fù),是一種潛在的綠色修復(fù)技術(shù)。
胡孫等[58]運(yùn)用我國自主研發(fā)的SRO2A 異位熱脫附設(shè)備,對鎮(zhèn)江某化工搬遷遺留場地土壤中的六六六、滴滴涕、氯苯和汞進(jìn)行了中試修復(fù)試驗(yàn),當(dāng)熱脫附出土溫度為350 ℃,處理量為3 t/h,停留時(shí)間為30 min 時(shí),該設(shè)備對土壤中污染物的處理效果最佳,修復(fù)之后的污染物濃度低于場地修復(fù)目標(biāo)值,去除效率達(dá)到95% 以上。鄭桂林等[59]采用異位熱脫附技術(shù)對某化工搬遷場地中 HCH 進(jìn)行修復(fù),污染土壤 HCH 經(jīng)過熱脫附的處理,去除率高達(dá) 99% 以上,含量達(dá)到《建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選指導(dǎo)值》的要求;尾氣經(jīng)過多重處理,除塵率可達(dá) 99 %,氣體排放符合《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》。
由于熱脫附處理過程要求專業(yè)的設(shè)計(jì)和操作、能耗較高、會(huì)使土壤物理結(jié)構(gòu)變差,以及土壤水分、質(zhì)地均影響蒸發(fā)過程,因而該技術(shù)在脫附工藝和設(shè)備研發(fā)方面尚需改進(jìn)。但另一方面,熱脫附技術(shù)能夠快速、有效、穩(wěn)定地去除土壤中的污染,且不需要添加藥劑,從而避免土壤受到二次污染。考慮到農(nóng)藥污染場地敏感性、治理任務(wù)的急迫性、周邊居民的人體健康安全問題,原位熱脫附技術(shù)是較為適宜的修復(fù)技術(shù)之一。
2.2.4 土壤氣相抽提技術(shù) 土壤氣相抽提(SVE)及其衍生技術(shù)是工業(yè)污染場地應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)之一。該技術(shù)是將新鮮空氣通過注射井注入到污染區(qū)域,再通過抽提井在污染區(qū)域抽氣,將揮發(fā)性有機(jī)污染物從土壤中解吸至氣相并引至地面上處理的原位修復(fù)技術(shù)。SVE具有成本低、可操作性強(qiáng)、不破壞土壤結(jié)構(gòu)等特點(diǎn),適用于絕大多數(shù)揮發(fā)性有機(jī)物在非黏質(zhì)土壤中的污染治理,修復(fù)效果可達(dá)到90%[60]。而對于低揮發(fā)性有機(jī)污染物,SVE 可以通過氣體的流動(dòng),改善其微生物原位修復(fù)的條件,也有一定的作用。
王彭等[61]采用土壤氣相抽提原位修復(fù)技術(shù)將污染場地包氣帶中的揮發(fā)性和某些半揮發(fā)性污染物抽出,修復(fù)8 個(gè)月后主要污染物苯在土壤中的去除率達(dá)95.2% ~ 99.9%,在土壤有機(jī)廢氣中苯的去除率達(dá)80.7%。抽提出的有機(jī)廢氣濃度高(>1 000 mg/m3)時(shí)采用催化燃燒技術(shù)進(jìn)行處理,當(dāng)修復(fù)系統(tǒng)運(yùn)行一定時(shí)間,土壤氣體濃度達(dá)不到催化燃燒技術(shù)所需濃度時(shí),通過進(jìn)氣管路切換采用蜂窩狀活性炭吸附脫附裝置進(jìn)行吸附處理,吸附一定時(shí)間活性炭飽和后借用催化燃燒技術(shù)的催化燃燒室對活性炭進(jìn)行脫附,脫附后的活性炭可重復(fù)利用。處理后氣體的濃度滿足北京市廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)(苯排放濃度<100 mg/m3),可直接排空。
2.2.5 微生物修復(fù)技術(shù) 微生物修復(fù)技術(shù)就是微生物以有機(jī)污染物為唯一碳源和能源或者與其他有機(jī)物質(zhì)進(jìn)行共代謝從而降解土壤、污泥、固體廢物以及地下水中有機(jī)污染物的方法。劉輝等[62]以乙酸為碳源,探討了水淹法厭氧降解某染料廠污染土壤中 HCB 的效果,結(jié)果表明,初始pH 對土壤中 HCB 的降解率影響最大。在初始pH 為5,反應(yīng)溫度為45 ℃,固液比為1︰1 的最佳反應(yīng)條件下,六氯苯(2.0 ~ 2.8 mg/kg)的降解率最高達(dá)到52.6%。雷梅等[63]研究了不同的碳源添加對工業(yè)污染場地土壤中 HCHs 和 DDTs 的降解影響,結(jié)果顯示添加 3 種不同的有機(jī)修復(fù)劑都能顯著促進(jìn) HCHs 和 DDTs 的降解。與DDTs 相比,HCHs 較易降解。90 d 內(nèi),ΣHCH(73.37 ~ 85.71 mg/kg)的降解率最高可達(dá)81%,降解率比未添加修復(fù)劑的對照提高了19% ~ 52%;相同處理中ΣDDT(91.68 ~ 119.79 mg/kg)降解率最高可達(dá)到51%,與未添加修復(fù)劑的對照相比提高了39% ~ 45%。就不同碳源的有機(jī)修復(fù)劑而言,C/N 最高,且含水率最低的修復(fù)劑的促進(jìn)效果最好。
堆肥是農(nóng)藥污染土壤的一種常用的生物修復(fù)方法。Daramend 工藝是一種原位、異地均可的堆肥技術(shù)[64]。該技術(shù)是將堆料循環(huán)地進(jìn)行好氧和厭氧堆肥過程。添加 Daramend 調(diào)理劑、水和多種金屬元素,利用土著的好氧和兼性微生物消耗氧氣,可創(chuàng)造強(qiáng)還原性環(huán)境。我國西南某有機(jī)氯農(nóng)藥廢棄場地土壤采用 Daramend 藥劑反應(yīng) 40 d 后,HCH 和 DDT 濃度分別從 4 664 和 24 107 mg/kg 降解到 1 和 5.0 mg/kg,降解率分別達(dá)到了 91.1% 和 89.8%。
我國已經(jīng)開始采取措施來控制污染場地,并結(jié)合一些污染場地的再開發(fā)開展了修復(fù)工程與示范[65](表 4),但采用的修復(fù)技術(shù)主要是異位處理,包括挖掘-填埋處理和水泥窯共處置、生物修復(fù)技術(shù)等。
表4 我國已開展的有機(jī)氯農(nóng)藥污染場地修復(fù)工程
這些工程案例為我國有機(jī)氯農(nóng)藥污染場地的修復(fù)和再開發(fā)提供了寶貴的工程管理經(jīng)驗(yàn),但是現(xiàn)狀反映出的沒有專門的污染場地評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系、修復(fù)工程之間的處理標(biāo)準(zhǔn)選取不一等問題,也要求我國在污染場地管理方面盡快建立和完善監(jiān)管體系、政策法規(guī)體系和技術(shù)保障體系,積極研發(fā)能夠商業(yè)化應(yīng)用的原位修復(fù)等技術(shù),以實(shí)現(xiàn)對污染場地的無害化處理的修復(fù)要求。
自從2016年國務(wù)院公布《土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃》(簡稱“土十條”),彰顯了國家為切實(shí)加強(qiáng)土壤污染防治,逐步改善土壤環(huán)境質(zhì)量的重大決心。而按照國外相關(guān)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行保守估計(jì),我國的農(nóng)藥污染場地在1 200個(gè)以上[66]。目前,我國農(nóng)藥污染場地修復(fù)治理方面存在著修復(fù)技術(shù)種類單一,大多數(shù)修復(fù)技術(shù)還只是處于實(shí)驗(yàn)室小試以及現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)階段,工程化應(yīng)用進(jìn)展緩慢等問題,現(xiàn)有的修復(fù)技術(shù)不能滿足污染場地土壤修復(fù)的巨大市場需求。因此,結(jié)合國外污染場地修復(fù)經(jīng)驗(yàn)以及工業(yè)場地修復(fù)技術(shù)和成套設(shè)備的需求,我國農(nóng)藥污染場地修復(fù)技術(shù)研究與應(yīng)用在以下幾方面需要加強(qiáng):
1)農(nóng)藥污染場地中有機(jī)污染物是最主要的修復(fù)對象,但這類場地中不僅有機(jī)污染物組分復(fù)雜多樣,而且還存在其他類型的污染物,因此,單一的修復(fù)技術(shù)往往難以勝任這類場地的修復(fù),需要研發(fā)多技術(shù)聯(lián)合的原位修復(fù)技術(shù)、綜合集成的工程修復(fù)技術(shù)。
2)由于我國污染場地修復(fù)工作起步晚,目前大多數(shù)修復(fù)技術(shù)都處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段,技術(shù)的實(shí)用性和工程應(yīng)用缺乏,現(xiàn)場實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累缺乏,因此,今后修復(fù)技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用方面需要發(fā)展多種污染物復(fù)合或混合污染土壤的組合式修復(fù)技術(shù),從單一類型場地修復(fù)走向復(fù)雜場地修復(fù),從單一介質(zhì)類型的修復(fù)技術(shù)發(fā)展到大氣、水體同步監(jiān)測的多技術(shù)、多設(shè)備協(xié)同的場地土壤-地下水一體化修復(fù)。
3)我國針對污染場地修復(fù)注重修復(fù)技術(shù)的開發(fā),而對修復(fù)設(shè)備和裝備的研發(fā)不足。目前用于工業(yè)場地修復(fù)的設(shè)備嚴(yán)重缺乏,主要依靠引進(jìn)歐美等發(fā)達(dá)國家的成套修復(fù)技術(shù)和裝備,費(fèi)用昂貴,且受到國外知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)的制約。而考慮到國內(nèi)土壤類型多樣、污染場地復(fù)雜、污染特征差異、修復(fù)要求的不同,現(xiàn)成的技術(shù)裝備可能缺乏適宜性。因此,加強(qiáng)研發(fā)適合國情的修復(fù)設(shè)備應(yīng)作為今后我國污染場地土壤修復(fù)領(lǐng)域的工作重心之一。
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Status of Organochlorine Pesticide Contaminated Sites in China and Advances in Site Remediation
ZHAO Ling, TENG Ying*, LUO Yongming
(Key Laboratory of Soil Environment and Pollution Remediation, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China)
Organichlorine pesticides are highly toxic, persistent andrecalcitrant chemicals.Contamination of industrial lands with organochlorine pesticides is a new environmental problem in China during the process of urban development. This paper analyzed the categories and residual characteristics of pesticides at contaminated sites, summarized the remediation technologies for organochlorine pesticide contaminated sites in developed countries, discussed in detail the major remediation technologies and case studies for pesticide contaminated sites in China, and proposed the suggestions on reuse of pesticide contaminated sites in the future.
Contaminated site; Organochlorine pesticides; Organophosphorus pesticide; Residual characteristic; Remedia-tion technology
國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41571308) 和江蘇省自然科學(xué)杰出青年基金項(xiàng)目 (BK20150049)資助。
(yteng@issas.ac.cn)
趙玲(1977—),女,江蘇金湖人,博士,副研究員,主要從事有機(jī)污染土壤修復(fù)研究。E-mail: zhaoling@issas.ac.cn
10.13758/j.cnki.tr.2018.03.001
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