地下水污染修复综述

1、地下水污染修复技术研究综述【摘 要】本文简要说明我国地下水污染现状， 根据污染修复技术主要工作原理 将地下水污染修复技术分为四类， 即物理法修复技术、 化学法修复技术、 生物法 修复技术和复合修复技术， 将各种修复技术的工作原理、 运作流程、 优缺点和适 用范围做一阐释。 并针对我国地下水研究现状和存在的问题提出建议， 为地下水 资源保护和合理利用提供依据，为相关领域的研究提供参考。【关键词】地下水污染；地下水污染修复技术； PRB；P&T随着工业的发展和城市化进程的加快， 大气污染，水体污染和固体废物污染 严重，地表水体恶化，淡水资源缺乏，对地下水的过度开采，导致地下水污染问 题日益突出，因

2、此，研究地下水水体污染状况，监测地下水的水质变化，采用合 理经济的污染处理与防治技术， 对保护地下水资源， 实现经济社会可持续发展有 重要意义。1 地下水污染现状1.1 地下水污染现状 我国城市地下水普遍受到不同程度的污染， 北方城市地下水污染重于南方城 市。20 世纪 90 年代的调查显示 : 以地下水为水源的 18 个大城市中已有 17个 受到污染，河北省地下水污染面积已达 391.97km2，太原市受到不同程度污染的 水源数占 7.2%。南方城市地下水污染相对较轻，昆明市 2010年地下水检测结果 显示水样总合格率为 57.25%，少数地区仍保持良好地下水水质，如深圳市宝安 区地下水水质

3、分析显示其地下水源大部优良。最近的监测数据表明 : 全国地下水普遍受到污染，部分地区水质严重超标， 地下水污染呈加重趋势。 尤其是北方部分城市污染更加严重， 现已形成较大范围 的重污染区和严重污染区， 超标严重和超标率较高的指标为总大肠菌群、 氟化物、 硬度、氨氮、高锰酸盐指数等。此外越是经济发达地区，其有毒物质的种类和数 量往往也越多。 地表水的不断恶化， 加上长期以来形成的地下渗漏， 使得大量有 毒污染物赋存于地下水中，直接影响着人民群众的饮用水安全。1.2 地下水污染源1.2.1 工业污染源 工业的“三废”是地下水污染的最主要因素之一。 工业废水通过水循环直接污染地下水。 工业废水若不经

4、过处理而直接排入地 表水或地下水，都是导致地下水化学污染的主要原因。工业废气，如H2S、CQ CO SO、氮氧化物、工业粉尘、苯并芘等物质随 降雨沉降，通过地表径流进入水循环中，对地表水和地下水造成二次污染。工业废渣包括各类矿渣、 粉煤灰、 选矿场尾矿及污水处理厂的污泥等。 这些 废物中的污染物由于降水等的淋滤作用，进入水体，造成污染。1.2.2 城市污染源城市生活污水和生活垃圾是污染地下水的两大重要因素。 生活污水主要污染 指标是 SS、BOD、NH3-N、P、Cl 、细菌学指标等，生活污水一般是直排地表水， 通过水循环对地下水产生污染。 目前，生活垃圾多采用埋填法处理， 通过淋滤作 用渗滤

5、液会慢慢渗入地下，污染地下水。1.2.3 农业污染源由于农业活动而造成的地下水污染主要指畜禽养殖、 土壤中剩余农药、 化肥、 动植物遗体的分解以及不合理的污水灌溉等， 它们能够大量进入浅层地下， 其中 最主要的是畜禽养殖、农药、化肥的污染。1.2.4 其他其他人类活动和自然灾害也会影响地下水水质， 如果修建地铁， 开凿运河引 水，采矿等活动会改变地下水的水位， 影响地下水的流动， 进而影响地下水中污 染的扩散降解。地震火山等自然灾害会将地壳深处的某些有害物质带入地下水， 污染水体。1.3 地下水污染危害地下水污染是指人类活动使地下水的物理、 化学和生物性质发生了改变， 从 而限制了人们对地下水

6、的应用。受工业污染的地下水中含有大量有毒有害物质， 如某些重金属会引起生理上的病变， 比如镉中毒之类的疾病。 其它有机污染物大 多有致畸致癌致突变作用。 城市生活污水及垃圾渗滤液中含有大量细菌， 饮用受 些污染的地下水会极易感染， 引起大量疾病； 污染严重的地下水有恶臭， 甚至影 响工业应用。地下水污染也会一定程度上引起土壤污染。2 地下水污染修复技术近年来，地下水污染治理特别是治理技术 （ 以下称修复技术 ） 研究逐渐引起国 内相关专家的重视。因此，地下水污染修复技术已成为当前国内外的研究热点。目前，随着地下水污染事件的不断发生及科研人员的不断努力， 地下水污染 修复技术在大量的实践应用中得

7、到了不断地改进和创新， 较典型的地下水污染修 复技术已经有十多种。 值得注意的是，各种污染修复技术的名称是不同的使用者、 管理者于不同的时间、背景命名的，既不利于推广使用，也不利于研究、检索和 管理，为便于表述和研究的需要， 本文初步将所涉及到的污染修复技术根据其主 要工作原理归并为四大类， 即物理法修复技术、 化学法修复技术、 生物法修复技 术和复合修复技术 （ 复合修复技术是兼有以上两种或多种技术属性的污染处理技 术） 。本文依据四类划分法和已有命名将各种修复技术的工作原理、运作流程、 优缺点和适用范围做一阐释。21 物理法修复技术物理法修复技术指技术的核心原理或关键部分是以物理规律起主导

8、作用的 技术，主要包括以下几种方法：水动力控制法、流线控制法、屏蔽法、被动收集 法、水力破裂处理法等。2.1.1 水动力控制修复技术水动力控制修复技术原理是建立井群控制系统， 通过人工抽取地下水或向含 水层内注水的方式， 改变地下水原来的水力梯度， 进而将受污染的地下水体与未受污染的清洁水体隔开。井群的布置可以根据当地的具体水文地质条件确定。 因 此，又可分为上游分水岭法和下游分水岭法。上游分水岭法是在受污染水体的上 游布置一排注水井，通过注水井向含水层注入清水，使得在该注水井处形成一个 地下分水岭，从而阻止上游清洁水体向下补给已被污染水体；同时，在下游布置一排抽水井将受污染水体抽出处理。而下

9、游分水岭法则是在受污染水体下游布置 一排注水井注水，在下游形成一个分水岭以阻止污染羽向下游扩散，同时在上游布置一排抽水井，将初期抽出的清洁水送到下游注入，最后将抽出的污染水体进 行处理。上下游分水岭法示意图分别见图 1、图2。图1上游分水岭法图2下游分水岭法2.1.2流线控制法Sale 等2 1995年提出了流线控制(flowpathman-agement)法。在 Agell K G3 设计的示意图中，设有一个抽水廊道、一个抽油廊道(设在污染范围的中心位置)、 两个注水廊道分布在抽油廊道两侧。首先从上面的抽水廊道中抽取地下水 ，然后 把抽出的地下水注入相邻的注水廊道内， 以确保最大限度地保持水

10、力梯度。同时 在抽油廊道中抽取污染物质，但要注意抽油速度不能高，但要略大于抽水速度。此外，陈秀成还介绍了屏蔽法、被动收集法。屏蔽法是在地下建立各种物 理屏障，将受污染水体圈闭起来，以防止污染物进一步扩散蔓延。常用的灰浆帷 幕法是用压力向地下灌注灰浆，在受污染水体周围形成一道帷幕， 从而将受污染 水体圈闭起来。被动收集法是在地下水流的下游挖一条足够深的沟道，在沟内布置收集系统，将水面漂浮的污染物质如油类污染物等收集起来，或将所有受污染的地下水收集起来以便处理的一种方法。其中物理屏蔽法、被动收集法多数应用在地下水污染物治理初期，作为一种临时控制方法。美国在治理地下水油污染时 应用被动收集法取得了较

11、好效果，证明了被动收集法对轻质污染物治理的有效 性。宋敏等认为水力破裂法与土内水气抽提法、抽出处理技术、生物修复技术 结合使用效果更佳。2.2化学法修复技术地下水污染的化学修复技术指技术的核心流程使用化学原理的技术，归纳起来主要有两种方式，即有机粘土法 和电化学动力修复技术。2.2.1有机粘土法这是一种新发展起来的处理污染地下水的化学方法，可以利用人工合成的有机粘土有效去除有毒化合物。利用土壤和蓄水层物质中含有的粘土，在现场注入季铵盐阳离子表面活性剂，使其形成有机粘土矿物，用来截住和固定有机污染物， 防止地下水进一步污染，并配合生物降解等手段，永久地消除地下水污染5。有 机粘土法修复过程 7

12、：通过向蓄水层注入季铵盐阳离子表面活性剂，使其在现场 形成有机污染物的吸附区， 可以显著增加蓄水层对地下水中有机污染物的吸附能 力；适当分布这样的吸附区， 可以截住流动的有机污染物， 将有机污染物固定在 一定的吸附区域内。 利用现场的微生物， 降解富集在吸附区的有机污染物， 从而 彻底消除地下水的有机污染物。密西根州立大学的 Boyd 博士专门从事了这一方 面的研究 11 。他认为有机粘土可以扩大土壤和含水层的吸附容量， 从而加强原位 生物降解。2.2.2 电化学动力修复技术电化学动力修复技术是利用土壤、 地下水和污染电动力学性质对环境进行修 复的新技术。 它的基本原理： 将电极插入受污染的地

13、下水及土壤区域， 通直流电 后，在此区域形成电场。 在电场的作用下水中的离子和颗粒物质沿电力场方向定 向移动， 迁移至设定的处理区进行集中处理； 同时在电极表面发生电解反应， 阳 极电解产生氢气和氢氧根离子，阴极电解产生氢离子和氧气 6 。近年来电化学动力修复技术开始用以去除地下水中的有机污染物， 这种方法 用于去除吸附性较强的有机物效果也比较好。 最新的发展趋向是将电化学动力修 复技术与现场生物修复技术优化组合， 来克服各自的缺点， 从而提高有机污染物 的降解效率。 Acar 和 Marks12,13 分别研究了用电动力学方法为微生物输送营养元 素，例如氨氮和容易摄取的碳等。结果显示 : 在

14、高岭土中，当氨氮和硫酸根离子 浓度分别100 mg/L和200 mg/L时，其迁移速度大约是每天10 cm。电化学动力 修复技术既克服传统技术严重影响土壤的结构和地下所处生态环境的缺点， 又可 以克服现场生物修复过程非常缓慢、 效率低的缺点， 而且投资比较少， 成本比较 低廉。电化学动力修复技术非常适合作为一项现场修复技术，安装和操作容易， 既可用于饱和土壤水层， 也可用于含气层土壤， 不受深度限制， 不破坏现场生态 环境。但此技术到目前为止还不够成熟 , 许多方面还需进一步研究，包括污染物 迁移过程机理及限制因素等，还需要更多的实验数据和示范工程来验证。2.3 生物法修复技术所谓生物修复 （

15、 bioremediation）, 是指利用天然存在的或特别培养的生物 （ 植物、微生物和原生动物 ） 在可调控环境条件下将有毒污染物转化为无毒物质的 处理技术。现在发展起来的主要是原位生物修复技术。最早的地下水原位生物修复研究出现在1 975年对汽油泄漏的处理， Raymond通过注入空气和营养成分使地下水的含油量降低， 并由此取得专利 15 。经过多年 的发展 , 生物修复技术已经由细菌修复拓展到真菌修复、植物修复、动物修复 , 由有机污染物的生物修复拓展到无机污染物的生物修复。 目前使用比较成熟的当 属BS技术，该方法20世纪80年代中期最早应用在德国。由于生物降解在该技 术中做为主导控

16、制因素，因此定义为生物修复 （Biosparging） 技术（ 简称 BS 技 术）。该技术通常用来治理地下饱和带 （ 饱水带及毛细饱和带 ） 的有机污染，是处 理地下水及包气带土层有机污染的最新方法， 也是最有前途的方法。 其原理： 利 用微生物弱化污染物的毒性或把污染物转变成无毒性物质的处理方法。 微生物消 解有机化合物， 提供自身所需养分和能量， 将污染物分解为二氧化碳和水， 随着 微生物数量增长， 污染物被消解并逐渐减少， 微生物也因食物短缺逐渐减少进而 消失4 。此种方法在美国曾对四氯乙烯、三氯乙烯等污染物处理做过现场试验。 在荷兰 , 也曾用此方法处理含油污、苯、甲苯、含氯溶剂等污

17、染物。目前污染土壤的异位生物修复技术包括 : 堆肥式处理法、预制床法、厌氧处理法、生物反应器法等几大类。地下水的异位生物修复技术还没有真正发展起来 相信能够在土壤异位修复技术的基础上加以改进 ，最终得以发展起来。2.4复合法修复技术复合法修复技术是兼有以上两种或多种技术属性的污染处理技术，其关键技术同时使用了物理法、化学法和生物法中的两种或全部。如渗透性反应屏 (Permeable Reactive Barrier)修复技术同时涉及物理吸附、氧化-还原反应、生物降解等几种技术；抽出处理(Pump-and-Treat)修复技术在处理抽出水时同时 使用了物理法、化学法和生物法；注气-土壤气相抽提技

18、术则同时使用了气体分 压和微生物降解两种技术。一般认为，几种原理并列性较强的技术才能被称为复 合技术。2.4.1渗透性反应屏修复技术渗透性反应屏(Permeable Reactive Barrier)修复技术简称PRB技术，PRB技术也是目前最为广泛应用的修复技术之一。PRB 是一个就地安装反应材料的反应修复区，反应材料应满足降解和滞留流经该屏障体的地下水中污染物组分的目 的。PRB技术的修复原理：顺着地下水的流动方向，在污染场址的下游安装渗透 性反应屏，使含有污染物质的地下水流经渗透屏的反应区，水中污染物通过沉淀、吸附、氧化)还原和生物降解反应得以去除，同时 PRB物理屏障可以阻止污染羽 状

19、体向下游进一步扩散。PRB系统如图3所示。图3 PRB系统示意图佃)续甲反应崔图4 FRB技术概念模型PRB技术一般根据不同污染场地特点，在反应墙中添加相应的化学试剂。通 常情况下，Fe是最为广泛应用的反应剂，其对常见的有机污染物及无机污染物 去除效果较好。另外，国外许多研究机构还针对一些特殊污染物进行 PRB技术添 加剂的实验研究。例如，采用 Fe2+、Fe3+或不含Fe的添加剂进行放射性污染物、 重金属、采矿酸水治理等。由此可见，针对 PRB技术所采用的反应剂种类，其修 复过程的控制机理也不同。在采用 PRB技术修复过程中，控制因素包括：化学脱 氯、pH值控制、氧化还原反应、吸附过程及生物

20、增强控制。PRB技术的工程设施较简单，安装操作可一次完成，大大降低了修复后期的 运转及维护费用。并且，可根据污染物场地特点及治理目标选择相应的修复设计方案，优化修复过程，提高修复效率。但是，该技术也存在一些局限性。与P&T技术相比较，工程设施投资较大。抽出处理工程所采用的钻井等设备在污染治理完毕以后还可 以用于其他方面，如地下供水、人工回灌等，而渗透性反应墙设施则不具备这一 条件。另外，渗透性反应墙修复工程一经投入，其设施就已固定在地下，很难再 对治理方案做出修改或改动。242抽出处理修复(Pump-and-Treat)技术抽出处理(Pump-and-Treat)技术，简称P&T技术，是最常规

21、的污染地下水治 理方法。P&T技术概念模型如图5所示。图5 P血T技术概念模型该方法是根据多数有机物由于密度小而浮于地下水面附近，根据地下水被污染的大致范围，通过抽取含水层中地下水面附近的地下水，把水中的有机污染物质带回地表，然后用地表污水处理技术处理抽取出的被污染的地下水。处理方法 与地表水的处理相同，大致可分为三类：1)物理法，包括：吸附法、重力分离法、 过滤法、反渗透法、气吹法和焚烧法。2)化学法，包括：混凝沉淀法、氧化还原 法、离子交换法、中和法。3)生物法，包括：活性污泥法、生物膜法、厌氧消化 法和土壤处置法等。为了防止由于大量抽取地下水而导致地面沉降，或海(咸)水入侵，还要把处理后

22、的水注入地下水中， 同时可以加速地下水的循环流动， 从 而缩短地下水的修复时间。其适用范围广和修复周期短的优点最为突出，一个很典型的例子就是某市运 输粗苯的车辆侧翻，造成粗苯泄漏污染了附近两口灌溉井， 现场采取了抽水处理 法,井内水污染很快得到控制，并在短时间内水质恢复到受污染前的水平。由于液体的物理化学性质各异，P&T技术只对有机污染物中的轻非水相液体 (lightnon-aqueous phase liquids)去除效果很明显，而对于重非水相液体(de nsitynon-aqueous phase liquids)来说，治理耗时长而且效果不明显。243注气-土壤气相抽提(SEV)技术注气

23、-土壤气相扌由提 (air sparg in g-soil vapor ex-tract ion)技术,简称SVE技术,Agell、Brown等通过实验方法验证注气-土壤气相抽提技术的有效性。 实验过程中抽气压力为 0.9个大气压，为了防止污染性气体在地下水中的迁移， 注气-抽气气压比应在4:1-10:1之间。McCray等也对注气-土壤气相抽提修复 技术进行数值模拟。早期SVE技术主要用于非水相液体 (non-aqueous phaseliquids,NAPLs)污染物的去除，目前也陆续应用于挥发性农药污染物充分分散等 不含NAPL的土壤体系。目前，发达国家已经将其与相关的修复技术结合起来，

24、形成了互补的SEV增强技术。国内研究起步较晚，实验室土柱通风实验的研究目前已做了不少工作， 但对场址调查、现场试验性测试、中试研究工作做的不够。3各种修复技术的优缺点及适用范围(详见表1)滾1各种降复技术的忧缺点及适用范国拽术融協优点缺戊设篙前单、运行应本低瞩那污聲制期防山衿染亞“i地的术丈址矶罢件隈制：运刈紙力大于术的小却 7J Txi|pJ?A物矿笊放果妨；祥去故半咼.沔坠徇航处州效业英融*原理简如上 技贰舉求不高迄打阑車低；只能用于曲區比廣太怖K批后育川物讨染泠理.理燉年扃，偉灶网Mfei.iMUll.醺用滴单；创tk下水污卑的印|治列效黑Rifi用于污舉范憎较水的地J唤対地F水中直也三

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27、做果覗明显，而时F玄眾武 和液件来说靛理証时仪而儿迪果平明显；地卜-木 稱统的口专祎件疑污決掬城在地I；水乖绒中的直移 过取此報父枭：蔺定朗对场地设备检祥毎护，电忻 虜本牧応-工屋汚蛰埼地血机、水文她质為件的PU制：匡程.1:琏 遴牲，皓构矗土壇守层的母哨；注土填中注兀的 出#伽I：t时间冒I未确宦；R适用于非水相i#粹 污嶷物棚押蛊性机农釣的上矗、4问题与建议地下水污染与防治中存在如下的问题：相关的法律法规机制不健全，不完善； 政府的管理不责任不明确，缺乏协调机制；缺少地下水污染监测体系；地下水污 染与防治的技术多种理论研究，相关经济实用技术研究不足。建议：完善地下水保护法律法规，明确责任，

28、实现不同行政区域协调防治污 染；共同治理污染，建设完善的全国或地区地下水监测网络， 为地下水污染与防 治提供科学的数据；加强对地下水污染实用技术的研究， 并积极推广应用；地下 水修复技术以及其他多种修复技术的联合应用已成为当前地下水污染治理发展 的主要趋势。目前我国地下水污染治理形势不容乐观， 地下水水质呈下降趋势，全国约有 7000万人仍在饮用不符合饮用标准的地下水。中国地下水资源紧缺和资源浪费 的状况同时并存，我国有关地下水污染治理研究应用还处于起步阶段，还有待于更进一步加强，地下水的污染修复问题将越来越受到重视。参考文献1陈秀成 ,曹瑞钰 .地下水污染治理技术的进展 J. 中国给水排水 .2001. 2 Sale T, David A. Mobile NAPLrecovery: conceptual, field, and mathematical consideration.Groundwater.1997.3 Agell K G.In situ remedial methods:air sparging.