受氯代烃类污染的地下水环境修复研究进展

1、收稿日期:2006-08-11基金项目:国家自然科学基金资助项目(10572090 , 上海市908专项(P J2 资助项目。作者简介:马长文(1979- , 女, 江苏宿迁人, 博士研究生。水污染防治受氯代烃类污染的地下水环境修复研究进展Remediation of Grou ndwater Con tamin ated by Chlorinated Hydrocarbons马长文 仵彦卿 孙承兴(上海交通大学环境科学与工程学院 上海 200240摘要 越来越多的地下水源正遭受氯代烃类有机物的污染, 氯代烃类的地下环境行为及其污染环境的修复技术是当前环境学界的一个热点。目前修复这类污染环境的

2、技术主要有抽出处理、渗透性反应墙和生物修复等。其中研究最多、应用最广的是利用表面活性剂强化抽出处理技术、零价铁降解氯代烃类的渗透性反应墙技术以及原位强化生物修复技术。零价铁反应墙如何长期稳定运行是目前的研究难题, 也是该技术的发展目标。强化生物修复是具有巨大发展潜力的一项新兴技术, 构建一个能同时降解多组分污染物的微生物生态群落并成功引入污染场地发挥最大功效, 是地下水环境生物修复技术研究中的难点, 也将是热点。关键词 氯代烃类 地下水 修复 研究进展Abstract Chlo rinated hydrocar bo ns ar e co ntaminating so il and g ro

3、undwater incr easing ly. T heir behavio rs in subsur face and the pollution remediation are the hot point in env ir onmental science and technolog y field. T he main remedial o ptions fo r these chlo rinated o rg anics in subsurface are pumping-and-treat, per meable r eact ive barr ier (PRB , bio re

4、mediatio n and so on. T he surfactant-enhanced remediation, Zer o-valent iron PRB and enhanced in-situ bio remediatio n are focused st rong ly and used w idely. It is a diff icult problem and a ho t point t o make zero -v alent barr ier wo rk effectiv ely fo r a lo ng ter m. Enhanced bior emediat io

5、n is a mo st potential r emedial t echnolog y, w hich is attracting mo re and mo re attention. H ow to build a biocommunity that can deg rade multifar ious contaminant s and then dr aw into po lluted place successfully w ill be the most diff icult problem.Key words Chlorinated Hydrocar bons G r ound

6、water Remediation Progress1 引言地下水是地球上最为重要的淡水资源之一。据统计, 超过一半的世界人口以地下水为饮用水源。但随着工农业的迅速发展, 越来越多的地下水被污染。其中有机污染是最常见且最难治理的一类, 已逐渐成为科学界的研究热点。四氯乙烯(PCE 、三氯乙烯(T CE 、氯仿等氯代烃类有机物, 在世界各地地下水中被频繁检出1, 2, 5。它们在工业上主要用作清洗剂、脱脂剂、有机合成中间体等, 日常生活中也很常见, 如衣物干洗剂的主要成分就是PCE 。这类氯代溶剂是非水相液体(NAPLs , 密度通常比水大、水溶性小、不易降解去除, 大部分具有致癌作用或潜在的

7、三致! (致癌、致畸、致突变 危害, 其中绝大部分已被各国列为优先控制的有毒有害有机污染物2, 一旦进入环境, 将对人类健康和生态环境产生长远的不利影响。鉴于地下环境受氯代烃类污染的广泛性以及氯代烃类污染物对环境生态的强危害性, 国外学者广泛开展了地下水环境中的氯代烃类污染的控制和修复技术研究。污染控制方法主要可分为物理控制、化学处理和生物修复三大类。现就目前氯代烃类污染地下水修复研究较多、应用较广的几种代表性修复技术评述如下。受氯代烃类污染的地下水环境修复研究进展 马长文2 抽出处理(Pumping -and -treat ment抽出处理法是治理地下水有机污染的常规方法, 是目前应用最普遍

8、的去污措施。例如在美国的上百个污染场址区, 对地下水采取抽出处理的约占75%3。该方法根据部分有机物密度小、易浮于地下水面附近的特点, 抽取含水层中地下水面附近的地下水, 从而把水中的有机污染物带回地表, 然后用地表污水处理技术净化抽取出的水。为了防止大量抽水导致的地面沉降, 或海水入侵, 还需把处理后的水返注入地下。由于地下水系统的复杂性和污染物在地下的复杂行为, 传统的泵抽-回灌处理法常出现拖尾和反弹现象, 导致净化时间长, 处理费用高, 而且它只对轻非水相液体(LNAPLs 污染物有较好的去除效果。上世纪90年代发展起来的表面活性剂增效修复技术(Sur factant-enhanced

9、remediation 使抽出处理技术的发展迈出一大步, 国外在这一领域开展了大量的研究工作2。表面活性剂增效修复技术是利用表面活性剂溶液对憎水性有机污染物的增溶作用和增流作用, 来驱替地下含水层中的NAPLs, 再经过进一步处理, 达到修复环境的目的。修复效率与表面活性剂胶团结构、有机物疏水性强弱、工程技术条件等因素有关。所使用的表面活性剂有阴离子表面活性剂、非离子表面活性剂等。但应该注意的是, 虽然表面活性剂容易降解, 但是部分残留在地下环境中的表面活性剂的降解产物具有潜在的危害性。3 渗透性反应墙(Permeable Reactive Bar rier, PRB可渗透性反应墙一般设置在含

10、水层中, 垂直于地下水流方向, 当地下水流在自身水力梯度作用下通过反应墙时, 污染物与墙体材料发生反应而被去除, 从而达到修复环境的目的。其修复效果受到污染物类型、地下水流速、其它水文地质条件等因素的影响。相对于抽出处理等传统方法, 渗透性反应墙具有能持续原位处理污染物(510年 、同时处理多种污染物、性价比相对较高等优点。早在20世纪80年代, 采用可渗透反应墙技术去除水体中的污染物的思想就由美国环保局提出, 但直到90年代该技术才逐渐得到发展4。在一些欧美国家, 研究者们已对其进行了大量的试验及工程技术研究, 并已投入商业应用, 取得了不错的效果5, 6。零价铁能降解氯代烃类百年前即被发现

11、, 但直到1990年初零价铁才被用于地下反应墙墙体材料, 并取得了极大的成功5。在过去的若干年里, 大量的试验研究和现场应用研究主要集中在零价铁对氯代有机物(如PCE 、TCE 的降解作用上6, 7。由于实际应用时铁的氧化产物容易在金属铁表面形成一层保护膜, 阻止金属铁表面和有机污染物之间的电子转移, 因此反应墙的去除效率会逐渐下降。基于此, 研究者们发展了一种双金属系统反应墙, 即在零价铁颗粒表面镀上第二种金属, 如镍或钯, 试验证明这类双金属系统可明显提高氯代烃类的降解速率8。纳米技术的发展给氯代烃类污染地下水环境的修复带来了一种新的颇具潜力的方法。纳米金属颗粒小, 粒径仅有1100nm

12、, 因此具有巨大的比表面积。目前利用纳米铁颗粒降解氯代烃类的研究大多数还处于实验室研究阶段, 只有E llio tt 等和Glazier 等做过几个中试研究并取得了良好的处理效果9。纳米技术的出现为地下水中氯代烃类污染修复技术开辟了一个新的发展方向。渗透性反应墙具有易被堵塞、地下水的氧化还原电位等天然环境条件遭破坏、工程措施及运行维护相对复杂等特点, 加上双金属系统、纳米技术成本较高, 这些因素阻碍了渗透性反应墙的进一步发展及大力推广。4 原位强化生物修复技术(In -sit u En hanced Bioremediation生物修复是指利用特定的生物吸收、转化或降解环境污染物, 从而修复被

13、污染环境, 实现环境净化、生态效应恢复的生物措施。生物修复技术可分为原位生物修复和异位生物修复, 或自然生物修复和强化生物修复。原位强化生物修复技术是通过向污染场地提供适宜的营养物质、电子受体及改善其它限制生物修复速度的因素, 达到提高生物修复速度、加速污染物降解的目的。关于氯代烃类污染的强化原位生物修复技术, 研究者们在探索生物降解机理、修复技术的影响因素等方面取得了许多积极成果10, 11。氯代烃类的生物降解机理主要有好氧降解, 厌氧转化以及共代谢, 如PCE 主要经过厌氧转化,环境保护科学 第33卷 第3期 2007年6月TCE 主要依靠共代谢方式降解。氯代烃类污染地下水的强化生物修复技

14、术, 关键的影响因素还是参与降解污染物的微生物, 这是该技术应用的前提。目前应用于这种技术的微生物基本上分为三大类:土著微生物, 外来微生物和基因工程菌。研究者对应用该技术所涉及到的微生物的培养、分离、驯化、识别和生物检测技术等方面成绩卓著10, 11。强化生物修复技术应用成功还需要有充足的碳源、能源、电子供/受体、营养物质如N 、P 、S 、微量金属元素和适宜的环境条件如温度、pH 值、盐度等。大多数研究者认为原位强化生物修复技术是修复治理大面积污染区域的一种有价值的方法。但该技术的具体实施应用也有其局限性:许多有机污染物在地下很难被降解, 通常需要驯化某些特定的微生物; 污染物的毒性有时会

15、抑制原有的微生物的活性; 污染含水层容易被过度生长的微生物所堵塞; 对于渗透性较差的含水层, 由于无法向那些活跃的微生物群体传递足够的营养物和氧, 原位生物修复技术则无法发挥最大效用; 另外, 原位生物修复技术要求有持续的监控和维护。5 存在的主要问题及展望地下水被氯代烃类污染的情况越来越常见, 修复技术也在不断发展中, 但是如何将不同的修复技术合理有效地应用于地下环境的修复, 还面临着许多问题。(1 目前的研究工作大多数是室内试验研究探索, 各种结论和理论公式还有待进一步检验。(2 种类越来越多的有机物进入环境, 某些受氯代烃类污染的地下环境中, 还共存着其它种类的污染物, 这些污染物共存时

16、的环境行为还不明确, 已有的技术路线和方法体系需不断更新拓展。(3 试验研究的目的是实际应用, 室内模拟野外环境的实验条件与现场真实情况存在巨大差异, 现场的治理工作也有其复杂性和不可控制性, 重视野外现场研究, 积极开展多学科专业人员的合作是修复技术研究取得进展的一项关键因素。氯代烃类污染的地下环境的修复, 目前收到明显成效又有广阔发展前景的是地下渗透性反应墙技术, 其中墙体材料是关键, 提高零价铁的利用率, 降低墙体材料的成本, 防止反应墙堵塞后效率下降, 采取有效工程措施使得反应墙长期稳定运行是当前及以后主要研究任务及发展方向。强化原位生物修复是具有巨大发展潜力的一项修复技术, 目前研究

17、者已经在单种有机物的降解机理、微生物的培养驯化及种类识别等方面取得了积极成果, 但是对于多组分有机物降解时的相互作用机理、能够同时降解共存的多组分污染物的微生物生态菌落的培养驯化、驯化后的生态菌落如何有效引入污染场地并发挥最大效用等等都是要努力解决的问题, 也是强化生物修复技术的发展方向。参 考 文 献1. National Resear ch Coun cil. Alternatives for Ground Water Cleanup M . W ashington D C. Academy Press , 1994. 315. 2. H arw ell, J effr ey H. S a

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