地下水污染修复的技术及方法

1、 地下水污染修复技术与方法地下水污染修复技术与方法2 总论总论3 地下水环境修复技术地下水环境修复技术治理不同污染介质的技术类型治理不同污染介质的技术类型 添加氧化添加氧化/还原剂后潜在的地球化学变化还原剂后潜在的地球化学变化 6 地下水污染修复中的地下水污染修复中的新材料新材料7 1、生物质、生物质8 1、生物质、生物质广泛存在于自然界的一种含氮多糖类生物性高分子，主要的来源为虾、蟹、昆虫等甲壳类动物的外壳与软体动物的器官（例如乌贼的软骨），以及真菌类的细胞壁等10 1、生物质、生物质11 2、地质材料、地质材料12 2、地质材料、地质材料13 2、地质材料、地质材料14 2、地质材料、地质

2、材料15 2、地质材料、地质材料n分布广，成本低分布广，成本低 n富含碳酸盐和粘土矿物，富含碳酸盐和粘土矿物，偏碱性，且具有大孔隙、偏碱性，且具有大孔隙、松软和较大湿陷性松软和较大湿陷性 n重金属（重金属（Cu、Cd、Pb、Zn、Cr、As）及非离）及非离子型有机污染物（甲苯）子型有机污染物（甲苯）马兰黄土马兰黄土离石黄土离石黄土17 主要修复方法主要修复方法1、监控条件下的自然衰减法、监控条件下的自然衰减法（MNA）19 监测条件下的自然衰减法监测条件下的自然衰减法（MNA, Monitored Natural Attenuation）美国美国EPA的定义的定义 l依赖自然衰减作用，在同其他

3、更有效的方法所用依赖自然衰减作用，在同其他更有效的方法所用时间相比属合理的时间限定内，使特定地点达到时间相比属合理的时间限定内，使特定地点达到修复目的修复目的 l包括污染物的生物降解、扩散、稀释、吸附、挥包括污染物的生物降解、扩散、稀释、吸附、挥发、及化学或生物固定、转化或破坏等发、及化学或生物固定、转化或破坏等 l这些作用在无人为干扰的可行条件下，这些作用在无人为干扰的可行条件下，能够降低能够降低土壤和地下水中的污染物的数量、毒性、迁移性、土壤和地下水中的污染物的数量、毒性、迁移性、体积或浓度体积或浓度2010-11-3021 监测条件下的自然衰减法监测条件下的自然衰减法优点优点 l污染物最

4、终能被转化成无毒的副产物污染物最终能被转化成无毒的副产物 l无须人为介入无须人为介入 l不会涉及到废物的重新产生或迁移不会涉及到废物的重新产生或迁移 l费用低费用低 l克服机械化修复设施所带来的局限克服机械化修复设施所带来的局限22 监测条件下的自然衰减法监测条件下的自然衰减法局限性局限性 l时间很长时间很长 l进行长期监测并负担相关费用，实施机构负责进行长期监测并负担相关费用，实施机构负责 l受当地水文地质条件的自然变化及人为因素的影响受当地水文地质条件的自然变化及人为因素的影响 l有利的水文和地球化学条件可能随着时间而发生变有利的水文和地球化学条件可能随着时间而发生变化，从而导致曾经化，从

5、而导致曾经稳定化了的污染物重新发生运移，稳定化了的污染物重新发生运移，对修复成果产生负面的影响对修复成果产生负面的影响 l含水层的各向异性可能使含水层的各向异性可能使场地特征复杂化场地特征复杂化 l生物降解的中间产物可能会比原来的化合物更毒生物降解的中间产物可能会比原来的化合物更毒23 主要的自然衰减作用主要的自然衰减作用非降解性作用非降解性作用 l仅引起污染物的仅引起污染物的浓度降低浓度降低，而系统中的污染物，而系统中的污染物总量并未改变总量并未改变的那些作用过程，包括水动力学的那些作用过程，包括水动力学弥散（机械弥散和扩散）、吸附、稀释和挥发弥散（机械弥散和扩散）、吸附、稀释和挥发等等 降

6、解性作用降解性作用 l包括包括生物降解生物降解和和非生物降解非生物降解作用作用 l生物降解生物降解对污染物的降解对污染物的降解起主导作用起主导作用，取决于取决于污染物的类型污染物的类型及及电子供体电子供体或或碳源碳源的可用性的可用性24 自然衰减作用的自然衰减作用的非非生物过程生物过程 物理过程物理过程 l对流对流：驱动地表下污染物运动的主要机制：驱动地表下污染物运动的主要机制 l弥散弥散：引起纵向、横向和垂向迁移；降低溶质的浓度：引起纵向、横向和垂向迁移；降低溶质的浓度 l扩散扩散：从较高浓度区域向较低浓度区域扩散：从较高浓度区域向较低浓度区域扩散 l挥发挥发：将污染物从地下水中去除，并转移

7、到土壤气相中：将污染物从地下水中去除，并转移到土壤气相中 l吸附吸附：固着在含水层介质上，将溶质从地下水中去除：固着在含水层介质上，将溶质从地下水中去除 l稀释稀释：可能增加电子受体的浓度，特别是溶解氧的浓度：可能增加电子受体的浓度，特别是溶解氧的浓度 化学过程化学过程 l水解与脱氢卤化作用水解与脱氢卤化作用:重要的自然衰减机理重要的自然衰减机理 2010-11-3025 水解反应水解反应取代反应取代反应 在反应中，化合物与水发生反应，卤代基被在反应中，化合物与水发生反应，卤代基被羟基（羟基（OH-）取代）取代 RX + HOH ROH + HX 有机化合物的水解反应常常生成醇类及烯烃有机化合

8、物的水解反应常常生成醇类及烯烃 化合物上的卤代基越多，水解反应发生的几化合物上的卤代基越多，水解反应发生的几率就越小，反应的速率也越慢率就越小，反应的速率也越慢2010-11-3026 脱氢卤化反应脱氢卤化反应 涉及到卤代烷烃的消除反应涉及到卤代烷烃的消除反应 在反应中，卤素原子从一个碳原子上在反应中，卤素原子从一个碳原子上去除，紧接着邻近碳原子上的一个氢去除，紧接着邻近碳原子上的一个氢原子也去除，而生成烯烃原子也去除，而生成烯烃 发生的可能性随着卤代基数量的增加发生的可能性随着卤代基数量的增加而增加而增加2010-11-3027 生物过程：内在生物降解作用生物过程：内在生物降解作用许多实验室

9、和野外研究显示许多实验室和野外研究显示 l地下环境中土生的微生物能降解许多有机化合物，如汽地下环境中土生的微生物能降解许多有机化合物，如汽油、煤油、柴油、航空燃料；氯代乙烯、氯代乙烷、氯油、煤油、柴油、航空燃料；氯代乙烯、氯代乙烷、氯代甲烷、氯苯等代甲烷、氯苯等 lNorris（1994）指出，）指出，99%的地区存在各种各样的能降的地区存在各种各样的能降解石油类碳氢化合物的微生物群落解石油类碳氢化合物的微生物群落 l地下水中，只有溶解或被吸附了的有机化合物，且对完地下水中，只有溶解或被吸附了的有机化合物，且对完成生物降解过程有用的其它化合物（例如：溶解氧、硝成生物降解过程有用的其它化合物（例

10、如：溶解氧、硝酸盐等）存在时，才会发生生物降解酸盐等）存在时，才会发生生物降解 l在生物降解过程中，产生的中间产物可能比原始化合物在生物降解过程中，产生的中间产物可能比原始化合物更有危害性更有危害性28 生物降解机制生物降解机制电子供体电子供体 l以相对还原态存在的化合物，包括自然有机物质、石油类碳以相对还原态存在的化合物，包括自然有机物质、石油类碳氢化合物、低氯代乙烯、乙烷、甲烷、以及氯代苯、溶解氢氢化合物、低氯代乙烯、乙烷、甲烷、以及氯代苯、溶解氢等等等等 电子受体电子受体 l以相对氧化态存在的单质或化合物，包括溶解氧、硝酸盐、以相对氧化态存在的单质或化合物，包括溶解氧、硝酸盐、铁（铁（I

11、II）、氢氧化物、硫酸盐、二氧化碳、以及几种氯代烃溶）、氢氧化物、硫酸盐、二氧化碳、以及几种氯代烃溶剂等等剂等等 微生物促发并利用电子供体微生物促发并利用电子供体/电子受体的氧化还原过程，获取电子受体的氧化还原过程，获取能量，形成微生物群体，并降解有机物能量，形成微生物群体，并降解有机物2010-11-3029 生物降解类型生物降解类型1、有机化合物用作主要的、有机化合物用作主要的生长底物生长底物 l生物氧化反应生物氧化反应 l生物还原反应生物还原反应 l发酵反应发酵反应 2、共代谢、共代谢2010-11-3030 1、有机化合物用作、有机化合物用作生长底物生长底物 生物氧化反应生物氧化反应

12、l当微生物将有机化合物用作氧化还原总反应当微生物将有机化合物用作氧化还原总反应的电子供体（主要的生长基质）时，供应生的电子供体（主要的生长基质）时，供应生长的有机化合物就会发生微生物氧化反应长的有机化合物就会发生微生物氧化反应 l在有氧或厌氧条件下都会发生生物氧化反应在有氧或厌氧条件下都会发生生物氧化反应 l可溶性石油碳氢化合物（如可溶性石油碳氢化合物（如BTEX）、）、DCE、氯代乙烯、氯代苯等低氧化氯代化合物，都氯代乙烯、氯代苯等低氧化氯代化合物，都能被用作微生物新陈代谢的电子供体能被用作微生物新陈代谢的电子供体2010-11-3031 1、有机化合物用作、有机化合物用作生长底物生长底物

13、生物还原反应生物还原反应 l当微生物将有机化合物用作氧化还原总反应当微生物将有机化合物用作氧化还原总反应的电子受体（主要的生长基质）时，供应生的电子受体（主要的生长基质）时，供应生长的有机化合物就会发生微生物还原反应长的有机化合物就会发生微生物还原反应 lPCE、TCE、TCA、以及四氯化碳等氯代溶、以及四氯化碳等氯代溶剂剂 l在卤呼吸作用过程中，氯代碳氢化合物被直在卤呼吸作用过程中，氯代碳氢化合物被直接用作电子受体，而溶解氢则被直接用作电接用作电子受体，而溶解氢则被直接用作电子供体子供体32 1、有机化合物用作、有机化合物用作生长底物生长底物 发酵作用发酵作用 l在发酵反应中，有机化合物在反

14、应的第一步既起着在发酵反应中，有机化合物在反应的第一步既起着电子供体、也起着电子受体的作用电子供体、也起着电子受体的作用 l发酵过程是唯一不需要外部电子受体的反应发酵过程是唯一不需要外部电子受体的反应 l通过一系列的微生物催化下的内部电子迁移过程，通过一系列的微生物催化下的内部电子迁移过程，有机化合物被转化成了无毒的化合物有机化合物被转化成了无毒的化合物 l醋酸盐、水、二氧化碳、溶解氢等醋酸盐、水、二氧化碳、溶解氢等33 2、协同新陈代谢、协同新陈代谢 l污染物（特别是氯代溶剂）或新陈代谢污染物（特别是氯代溶剂）或新陈代谢的中间产物被酶或协同因子降解的过程的中间产物被酶或协同因子降解的过程 l

15、而酶或协同因子又正好是由有机体为了而酶或协同因子又正好是由有机体为了其它目的而产生的其它目的而产生的 l在某些情况下，协同新陈代谢降解可能在某些情况下，协同新陈代谢降解可能危害生产酶或协同因子的微生物危害生产酶或协同因子的微生物主要的自然衰减作用主要的自然衰减作用 主要的自然衰减作用主要的自然衰减作用 2、水力学方法、水力学方法2010-11-3037 水力学方法水力学方法1、排水系统排水系统 l重力排水、浅井群井、深井重力排水、浅井群井、深井 2、注地水系统注地水系统 l补给水塘、注水井补给水塘、注水井 3、设置低水力传导系数的屏障设置低水力传导系数的屏障 可单独或联合使用构成水动力屏障系统

16、可单独或联合使用构成水动力屏障系统2010-11-3038 水动力屏障系统水动力屏障系统1、重力排水、重力排水2010-11-3039 水动力屏障系统水动力屏障系统1、重力排水、重力排水2010-11-3040 水动力屏障系统水动力屏障系统1、重力排水、重力排水 l 2010-11-3041 水动力屏障系统水动力屏障系统1、重力排水、重力排水 l 2010-11-3042 水动力屏障系统水动力屏障系统2、抽水井、抽水井 l 2010-11-3043 水动力屏障系统水动力屏障系统2、抽水井、抽水井 l 2010-11-3044 水动力屏障系统水动力屏障系统2、抽水井、抽水井 l 2010-11-

17、3045 水动力屏障系统水动力屏障系统2、抽水井、抽水井 l 2010-11-3046 水动力屏障系统水动力屏障系统3、抽水和注水系统、抽水和注水系统 l 2010-11-3047 水动力屏障系统水动力屏障系统3、抽水和注水系统、抽水和注水系统 l 2010-11-3048 水动力学方法水动力学方法不足不足 l许多污染物在水中的溶解度相当低，极难从许多污染物在水中的溶解度相当低，极难从地下冲洗出来；地下冲洗出来； l污染物通过扩散进入地下水滞留区，冲洗十污染物通过扩散进入地下水滞留区，冲洗十分困难；分困难； l将吸附在土壤上的污染物冲洗下来是一个相将吸附在土壤上的污染物冲洗下来是一个相当慢的过

18、程。当慢的过程。 l由于含水介质的的差异，很难预测污染物和由于含水介质的的差异，很难预测污染物和水运动的路径水运动的路径49 抽出抽出-处理法处理法(Pump And Treatment)50 抽出抽出-处理法处理法(Pump And Treatment)3、反应性渗透墙反应性渗透墙（PRB） 53 反应性渗透墙反应性渗透墙（PRB, Permeable Reactive Barrier） 定义定义 l是一种原地处理技术是一种原地处理技术 l将含将含适当反应物质适当反应物质的可渗墙的可渗墙横跨横跨在污染物羽状在污染物羽状流束的流束的流径流径上。当被污染的水流经墙体，污染上。当被污染的水流经墙体

19、，污染物或被去除，或被降解，污染被清除后的水向物或被去除，或被降解，污染被清除后的水向下游流动下游流动Case study 1 PRB to Intercept Contaminants in landfill leachate, USAmid 1930s to 1981municipal & industrial55 反应性渗透墙的设计反应性渗透墙的设计 重点考虑：重点考虑： 墙高：处理带的深度墙高：处理带的深度 墙宽：污染物与墙体填充材料的作用时间墙宽：污染物与墙体填充材料的作用时间 填料：降解污染物的有效性、渗透性、可再生性、填料：降解污染物的有效性、渗透性、可再生性、成本等成本

20、等 成本核算成本核算56 连续反应墙的局限性连续反应墙的局限性 l由于替换成本过高，反应墙难以被移走由于替换成本过高，反应墙难以被移走 l通过阶段性通过阶段性添加营养物添加营养物或或对地球化学条对地球化学条件进行改性件进行改性等手段进行等手段进行有效维护有效维护对于连对于连续反应墙来说是不可能的或在实践上是续反应墙来说是不可能的或在实践上是行不通的行不通的57 漏斗漏斗-门系统：反应性渗透门系统：反应性渗透墙与防渗墙技术的结合墙与防渗墙技术的结合 漏斗漏斗-门系统门系统 lMcMurtry和和Cherry（1994） l用墙的用墙的防渗部分防渗部分将地下水引至由反应物组成将地下水引至由反应物组

21、成的相对狭窄的区域的相对狭窄的区域 l防渗部分可通过防渗部分可通过泥浆墙和可密封的板桩泥浆墙和可密封的板桩等几等几种途径构成种途径构成 l反应部分反应部分“门门”可以具有不同的几何形状可以具有不同的几何形状和维度，门可以含有多个处理区，每个区处和维度，门可以含有多个处理区，每个区处理特定的污染物理特定的污染物58 59 漏斗漏斗-门系统设计门系统设计考虑的主要因素考虑的主要因素 l被污染的水在反应物中的滞留时间被污染的水在反应物中的滞留时间 地下水达到目标浓度需要经过的滞留时间地下水达到目标浓度需要经过的滞留时间 天然地下水的流速天然地下水的流速 l漏斗与门的宽度比漏斗与门的宽度比l地下水流经

22、门的速度地下水流经门的速度l地下水在反应区内流动的距离地下水在反应区内流动的距离l地下水适当的滞留时间地下水适当的滞留时间2010-11-3060 填料：反应物填料：反应物（1）控制）控制无机污染物无机污染物的化学屏障的化学屏障 l通过通过氧化还原反应氧化还原反应来去除电化学性质活跃的物质，来去除电化学性质活跃的物质，零价铁；零价铁； l通过添加剂（通过添加剂（pH）使一些污染物）使一些污染物沉淀沉淀，碎石灰；，碎石灰； l通过激发通过激发生化过程生化过程来去除污染物，有机物来去除污染物，有机物脱氮脱氮2010-11-3061 填料：反应物填料：反应物（2）有机污染物的生物降解）有机污染物的生

23、物降解 lKao和和Bordon(1992)进行了土柱实验，用进行了土柱实验，用双层反应性双层反应性渗透墙渗透墙来去除地下水中的来去除地下水中的BTEX （苯系物；苯、甲苯、乙苯、二甲苯；二甲苯）l装置装置：墙：墙上端上端水流经过由水流经过由充满营养物质（充满营养物质（N和和P）的混）的混凝土凝土泥砖组成，泥砖组成，下面下面是一层是一层泥炭泥炭 l原理原理：当被污染的水流经泥砖时，营养物质被释放，：当被污染的水流经泥砖时，营养物质被释放，引发引发脱氮作用脱氮作用来降解来降解BTEX。泥炭被作为介质来吸附流。泥炭被作为介质来吸附流经泥砖层的低浓度经泥砖层的低浓度BTEX 2010-11-3062

24、 填料：反应物填料：反应物（3）机污染物的非生物降解）机污染物的非生物降解 l加拿大加拿大Robert Gillham教授的课题组近年教授的课题组近年来的杰出贡献，使得利用来的杰出贡献，使得利用零价金属零价金属来提高来提高卤卤化的有机污染物化的有机污染物的非生物降解速率成为现实的非生物降解速率成为现实 2010-11-3063 借助于数值模型设计借助于数值模型设计2010-11-3064 借助于数值模型设计借助于数值模型设计2010-11-3065 借助于数值模型设计借助于数值模型设计2010-11-3066 借助于数值模型设计借助于数值模型设计2010-11-3067 借助于数值模型设计借助

25、于数值模型设计2010-11-3068 借助于数值模型设计借助于数值模型设计2010-11-3069 施工施工 l将地沟挖掘到适当深度，用反应物回填将地沟挖掘到适当深度，用反应物回填 l如挖掘深度远低于地下水位，地沟的墙会坍如挖掘深度远低于地下水位，地沟的墙会坍塌，为此，使用可密封的板桩来支护墙塌，为此，使用可密封的板桩来支护墙 l主要缺点主要缺点 如果地沟经过被污染的地区，被挖掘出的物质如果地沟经过被污染的地区，被挖掘出的物质可能需要转移至有害废物处置场可能需要转移至有害废物处置场防渗墙防渗墙安装 反应器现场监测76 如何选择修复方法如何选择修复方法1、时间、时间 lMNAPRBPAT 2、

26、成本、成本 lPATPRBMNA Regulatory threshold调节阈值distance of GW flowTimeContaminant risk/load污染物污染物风险风险/负荷负荷MNA only (low cost)PRB (intermediate cost)SR (high cost)Combined(intermediate cost) 2010-11-3077 生物修复法：植物生物修复法：植物&微生物微生物运用植物和与之相关的微生物来原位处理运用植物和与之相关的微生物来原位处理受到污染的水与土壤，它是能够有效、便受到污染的水与土壤，它是能够有效、便宜清除多

27、种有机和无机废物的新技术宜清除多种有机和无机废物的新技术 从本质上而言，植物修复法是运用人类的从本质上而言，植物修复法是运用人类的主动性，来提高自然区的自然衰减，它是主动性，来提高自然区的自然衰减，它是介于工程方法和自然衰减之间的一种方法介于工程方法和自然衰减之间的一种方法78 植物修复法的机制植物修复法的机制降解降解 转移转移 固定（可容性）固定（可容性） 79 1、污染物的降解、污染物的降解植物通过呼吸作用提供了更多的氧气进入植物通过呼吸作用提供了更多的氧气进入土壤，加快了土壤中细菌的活性，同时，土壤，加快了土壤中细菌的活性，同时，通过他们的根系来为土壤的细菌提供营养，通过他们的根系来为土壤的细菌提供营养，使细菌更有效的降解污染物使细菌