地下水污染与防治

第六章地下水污染与防治第1页，共71页。6.1地下水污染概述6.1.1地下水污染的含义污染的属性：污染是人类活动的结果，还是包括天然的水文地质作用？污染的标准：以何种标准确定地下水是否受污染？明确的标准：地下水某些组分超过水质标准的现象；抽象的标准：“限制或阻碍了水的应用”，“适用性遭到破坏”第2页，共71页。

到底如何定义地下水污染，污染的含义是什么呢？污染属性成因（科学性）：天然环境和漫长地质历史过程中，地下水中某些组分在某些地方可能富集或者贫化，不适用于人类饮用或其它用途（卤水，咸水，高氟水，高砷水等）；人类活动的结果，也可能产生类似的现象。成因不同，不能混在一起。水质保护（实用性）：天然环境和漫长地质历史过程中某些地方某些组分含量高，是已经发生了的过程，是不能防止的；人类活动造成的组分含量增加，可以通过适当的措施，控制和防止。第3页，共71页。污染标准应用水质标准作为污染标准，在实用上不可取。因为判别地下水是否受污染的主要目的，是为了防止。而污染在许多情况下是一个渐变的过程，如果待污染组分超过水质标准才定为污染，就失去了预防的意义。

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地下水污染的含义

凡是在人类活动影响下，地下水水质朝着恶化方向发展的现象，统称为“地下水污染”。不管此种现象是否使水质恶化达到影响使用的程度，只要这种现象一发生，就应视为污染。天然水文地质环境中出现不宜使用的水质现象，不应视为污染，而应称为天然异常。第5页，共71页。8.1.2地下水污染的特点

1、隐蔽性污染物浓度低，往往无色无味，难以觉察和发现；2、难以逆转性由于含水层水交替缓慢，因此，污染的地下水往往难以自身净化恢复；地下水深埋地下，难于治理。

3、延缓性第6页，共71页。一、污染来源

污染来源众多，分类不同：1、按分布形式：点污染源、面（分散）污染源2、按成因：人为污染源，天然污染源

8.1.3污染物、污染来源及污染途径第7页，共71页。人为污染源（1）城市液体废弃物

包括生活污水工业废水及地表径流等；（2）城市固体废弃物

包括生活垃圾工业垃圾和污水处理厂的污泥等；（3）农业生产及采矿活动第8页，共71页。

天然污染源是指地下开采活动可能导致天然污染源进入开采含水层。天然污染源主要是海水以及含盐高和水质差的地下水。第9页，共71页。

二、地下水中的污染物

凡是人类活动导致进入地下水并使水质恶化的溶解物或悬浮物，无论其浓度是否达到使水质明显恶化的程度，均称为地下水污染物。地下水污染物种类繁多，按其性质可以分为三类，即化学污染物、生物污染物和放射性污染物。第10页，共71页。（一）化学污染物

化学污染物是地下水污染物的主要组成部分，种数多且分布广。为研究方便，按它们的性质亦可分为两类：无机污染物和有机污染物。第11页，共71页。1.无机污染物地下水中最常见的无机污染物是NO3-、NO2-、NH3、Cl-、SO42-、硬度、F-、CN-、总溶解固体物及微量重金属Cr、Hg、Pb、Cd和类金属As等。属于有直接毒害作用的无机污染物主要指非金属的氰化物、类金属砷和重金属中的汞、镉、铬、铅等，即国际上公认的六大毒性物质，现就其来源、污染特征及对人类的危害分别简述。第12页，共71页。

（1）非金属无机毒性物质—氰化物：剧毒物质，急性中毒抑制细胞呼吸，造成人体组织严重缺氧。排放含氰废水的工业主要有电镀、焦炉和高炉的煤气洗涤、金、银选矿和某些化学工业等，也是比较广泛存在的一种污染物。世界卫生组织（WHO）《饮用水水质准则》中要求，饮用水中氰化物含量不得超过0.07mg/l。美国EPA《国家饮用水水质标准》中规定，饮用水中氰化物含量不得超过0.02mg/l。我国饮用水标准规定，氰化物含量不得超过0.05mg/l；农业灌溉水质标准规定，氰化物含量不得超过0.5mg/l。第13页，共71页。

（2）类金属无机毒性物质—砷：三价砷的毒性大大高于五价砷，对人体来说，亚砷酸盐的毒性作用比砷酸盐大60倍。当饮水中砷含量大于0.05mg/l时，就会导致累积。砷还是致癌元素（主要是皮肤癌）。工业排放含砷废水的有：化工、有色冶金、炼焦、火电、造纸、皮革等，其中以冶金、化工排放砷量较高。世界卫生组织（WHO）《饮用水水质准则》中要求，饮用水中砷含量不得超过0.01mg/l。美国EPA《国家饮用水水质标准》中规定，饮用水中砷含量不得超过0.01mg/l。我国饮用水标准规定，砷含量不应大于0.05mg/l，农田灌溉标准为不大于0.05mg/l，渔业用水不超过0.1mg/l。

第14页，共71页。（1）波兰；（2）安大略湖，加拿大；（3）新西兰；（4）西班牙；（5）匈牙利；（6）美国俄勒冈州西部；（7）科尔多瓦，阿根廷；（8）Lagunera，墨西哥；（9）台湾；（10）Antofagasta，智利；（11）LassenCounty，美国中部；（12）斯里兰卡；（13）新斯科舍省，加拿大；（14）菲尔班克斯，阿拉斯加州（美国州名）；（15）MillardCounty，犹他州；（16）Fallon,内华达州（美国西部内陆州）；（17）内蒙古，中国；（18）新疆Utghur，中国；（19）孟加拉国；（20）西孟加拉邦，印度。全球有文献记录的地下水砷污染地区第15页，共71页。亚洲高砷地下水影响地区（1）新疆；（2）吉林；（3）辽宁；（4）内蒙古；（5）宁夏；（6）山西；（7）Jhelum,巴基斯坦；（8）Gujrat,巴基斯坦；（9）孟加拉国；（10）尼泊尔；（11）贵州，中国；（12）台湾，中国；（13）河内,越南；（14）缅甸；（15）老挝；（16）西孟加拉邦，印度（17）柬埔寨；（18）Ronphibun，泰国第16页，共71页。全球20多个国家存在地下水砷异常导致砷中毒的国家中，比较严重的是分布于亚洲的三个国家（图2），按顺序依次为孟加拉国、西孟加拉邦（WB，印度）和中国。局部地下水砷异常的国家越来越多，每年，都有来自亚洲国家的关于水砷污染的报道（图3）。由于砷不是实验室水质常规分析的元素，所以，漏掉了很多高砷水。饮水标准中砷含量的修订，导致许多国家的水质需要重新评价。第17页，共71页。全球典型地砷病区孟加拉国的砷中毒被认为是人类历史上最严重的水安全事件之一，将可能造成孟加拉国国1.3亿贫困人口中10％的成年人在未来死亡。饮用地下水砷的浓度最高达3.7mg/L。

Gausetal.(2003)对孟加拉国3534个饮用水井调查分析后，估计饮水砷>0.05mg/L高砷暴露人口大约为3500万人，饮水砷>10μg/L高砷暴露人口高达5700万。第18页，共71页。我国地方性砷中毒的类型与分布第19页，共71页。我国饮水型砷中毒分布特征统计显示：我国地方病多发生在环境保护较差及经济不发达的地区。全国592个国家扶贫工作重点县中，有576个是地方病流行的重病区。115万地方性砷中毒病区人口需要改水。第20页，共71页。

（3）重金属无机毒性物质：

1）汞（Hg）：无机汞进入人体后随血液分布于全身组织，在血液中遇氯化钠生成二价汞盐累积在肝、肾和脑中，在达到一定浓度后，毒性发作。甲基汞在体内约有15％累积在脑内，侵入中枢神经系统，破坏神经系统功能。

2）镉（Cd）：主要累积在肾脏和骨骼中，引起肾功能失调，骨质中钙被镉所取代，使骨骼软化，自然骨折，疼痛难忍。这种病潜伏期长，短则10年，长则30年，发病后很难治疗。镉主要来自采矿、冶金、电镀、玻璃、陶瓷、塑料等生产部门排出的废水。第21页，共71页。3）铬（Cr）：铬在水中以六价和三价二种形态存在，三价铬的毒性低，作为污染物所指的是六价铬。排放含铬废水的工业企业主要有电镀、制革、铬酸盐生产以及铬矿石开采等。

4）铅（Pb）：铅离子与人体内多种酶络合，从而扰乱了机体多方面的生理功能，可危及神经系统、造血系统、循环系统和消化系统。铅主要含于采矿、冶炼、化学、蓄电池、颜料工业等排放的废水中。第22页，共71页。氟（冶金工业排放的“三废”、含氟磷灰石开采；天然来源）饮用水标准：1.0mg/L（最优浓度）氟含量低（<0.01mg/L），龋齿病；氟含量高（>1.5mg/L），斑釉症第23页，共71页。2.有机污染物

（1）生物易降解有机污染物—耗氧有机污染物：这一类污染物多属于碳水化合物、蛋白质、脂肪和油类等自然生成的有机物。这类物质是不稳定的，它们在微生物的作用下，借助于微生物的新陈代谢功能，都能转化为稳定的无机物。这一类污染物一般都无直接毒害作用，它的主要危害是其降解过程中会消耗溶解氧（DO），从而使水体DO值下降，水质变差。在地下水中此类污染物浓度一般都比较小，危害性不大。第24页，共71页。

（2）生物难降解有机污染物：这一类污染物性质均比较稳定，不易为微生物所分解，能够在各种环境介质长期存在。一部分生物难降解有机污染物能在生物体内积累富集、通过食物链对高营养等级生物造成危害性影响，蒸气压大，可经过长距离迁移至遥远的偏僻地区和极地地区，在相应的环境浓度下可能对接触该化学物质的生物造成有害或有毒效应。这一类有机污染物又称之为持久性有机染物（POPs），是目前国际研究的热点。第25页，共71页。

POPs一般具有较强的毒性，包括致癌、致畸、致突变、神经毒性、生殖毒性、内分泌干扰特性、致免疫功能减退特性等，严重危害生物体的健康与安全。

2001年5月23日，在瑞典首都斯德哥尔摩由127个国家的环境部长或高级官员代表各自的政府共同签署了《关于持久性有机污染物的斯德哥尔摩公约》（简称《POPs公约》，至今已有151个国家签署了该公约。《POPs公约》中首批控制的POPs共有三大类十二种化学物质：（1）杀虫剂和杀菌剂（2）多氯联苯（3）化学品的副产物。第26页，共71页。（二）生物污染物细菌：地下水中曾发现并引起水媒病传染的致病菌有：霍乱弧菌（霍乱病）、伤寒沙门氏菌（伤寒病）、志贺氏菌、沙门氏菌、肠道产毒大肠杆菌、胎儿弧菌、小结肠炎耶氏菌等。病毒：在地下水中曾发现的病毒主要是肠道病毒，如脊髓灰质炎病毒、人肠道弧儿病毒、甲型柯萨奇病毒、新肠道病毒、甲型肝炎病毒、胃肠病毒等，而且每种病毒又有多种类型，对人体健康危害较大。寄生虫：包括原生动物、蠕虫及真菌。在寄生虫中值得注意的有：梨型鞭毛虫、痢疾阿米巴和人蛔虫。第27页，共71页。（三）放射性污染物﹡MPC-MaximumPermissibleConcentration的英文缩写，即最大允许浓度。放射性核素半衰期（a）MPC﹡(pCi/ml)标准器官主要放射物生物半衰期3H12.263全身β粒子12d90Sr28.13骨骼β粒子50a129I1.7×1076甲状腺β粒子γ射线138d137Cs30.22全身β粒子γ射线70d226Ra16003骨骼α粒子γ射线45a289Pu244005骨骼α粒子200a第28页，共71页。三、地下水污染途径

是指污染物从污染源进入到地下水中所经过的路径，可以分为直接污染和间接污染研究地下水的污染途径有助于制定正确的防治地下水污染的措施。地下水污染途径复杂多样，以污染源的种类分为：污水渠道和污水坑的渗漏、固体废物堆的淋滤、化学液体的溢渗、农业活动的污染以及采矿活动的污染等等，这显得过于烦杂。按照水力学上的特点可分为四类：间歇入渗型；连续入渗型；越流型；和径流型。

第29页，共71页。第30页，共71页。a间歇入渗型b连续入渗型c越流型d径流型第31页，共71页。间歇入渗型（通过大气降水或灌溉水的淋滤，固体废物及包气带中的污染组分周期性地进入含水层）。连续入渗型（污染物随水的不断渗入而进入含水层）。农田、垃圾填埋场、矿山等污水坑、漏水排污管、受污染的地表水体第32页，共71页。越流型（污染物通过越流从一个含水层进入另一个含水层）。径流型（污染物通过各种途径以地下径流的形式进入含水层）。地下水通过弱隔水层、天窗及井管的越流废水处理井、岩溶管道、海水入侵第33页，共71页。8.2污染物在地下水系统中的物理.化学和生物过程

物理作用

主要包括机械过滤及稀释作用，主要产生净化效应。过滤作用取决与介质的性质和污染物的大小；稀释作用使污染物浓度变低，但是没有去除；

第34页，共71页。8.2.2化学作用

主要包括吸附，溶解，沉淀，氧化还原，PH值影响，化学降解，光分解及挥发作用等。

第35页，共71页。一、吸附作用1.物理吸附作用

在孔隙介质中，由于岩石颗粒具有表面能，可以吸附水中的阳离子，特别是高度分散的粘性土颗粒，表面能很大，可以吸附大量的离子。此外，还会发生阳离子交换作用，使水中某些离子减少，而另一些离子增加。2.化学吸附作用

污水中的某些离子被介质吸附进入其结晶格架中，成为介质结晶格架的组成部分，它不可能再返回溶液，而使水中这些离子浓度减小。第36页，共71页。3.生物吸附作用微生物在地下水中运移情况，一方面取决于微生物在地下水中生存时间的长短，另一方面与岩石颗粒对其吸附性有关。由于岩石颗粒的表面能和静电力可以吸附大量的微生物。因此，生物（尤其是细菌）在地下水运移过程中浓度迅速降低，其迁移的距离一般不超过数百米。

第37页，共71页。二.溶解和沉淀1.溶解溶解和淋滤可使污染物由固相转为液相而污染地下水，是固体废弃物污染的主要形式。2.沉淀

沉淀在pH值和氧化还原电位改变时是一个可逆的过程，该过程会影响水的动力学特性和吸附性能。第38页，共71页。三.生物作用1.微生物的降解有机污染物在细菌作用下，从大分子分解为小分子，从有毒或有害转变为无毒或无害，最后转变为CO2，CH4，H2O等的过程；

铁细菌能够聚集铁和锰等离子；

硝化细菌和反硝化细菌能够根据地下水体的溶解氧变化，能够实现各形态氮的转化；

硫化细菌发生脱硫酸作用，生成硫化氢，其可与多种元素发生反应生成沉淀。

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2.植物摄取污染物可以作为植物的养分而被摄取。第40页，共71页。6.3我国地下水的污染现状

2009年由中国国家自然科学基金委和国土资源部下属的中国地质调查局联合资助的《中国地下水科学的机遇与挑战》一书介绍，在过去几十年内，为满足不断增加的用水需求，中国的地下水开采量以每年25亿立方米的速度递增。地下水储存量正以惊人的速度减少。

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由于地下水占到全国水资源总量的1/3。全国有近70%的人口饮用地下水，因此地下水也是重要的饮用水水源。但水体污染正加剧中国的地下水危机，中国地质调查局的相关专家在国际地下水论坛发言中提到，全国有90%的地下水都遭受了不同程度的污染，其中60%污染严重。

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在北方，地下水的超采比较严重，造成大面积地下水的漏掉。由于地下水比周边地区明显低，形成漏斗区，在压力作用下，周边的地表水进入这块区域，这使得地下水更容易受到污染。加上北方很多地方是沙土，形成渗漏，还有些企业直接将污水打到地下去，这些对地下水的污染非常严重。第43页，共71页。由于淮河出现各种化学和重金属的污染，淮河两岸不仅出现癌症的高发村，当地村民顽疾增多，而且后代还有不少畸形儿。这些多是金属和持久性化学物的污染所致，“现在污染关乎的已不是我们下一代人强壮不强壮的问题，而是能不能保住下一代的问题。”在取自长江上、中、下游不同城市的鲤鱼和鲶鱼体内，均测出了被称为“环境激素”的壬基酚和辛基酚。这两种物质可导致雌性性早熟等性发育和生殖系统问题，部分鱼体内还检测出了汞、铅和镉等重金属。第44页，共71页。

污染状况似乎尚未显示出好转的趋势。“根据中国地质环境监测院公布的信息，目前，我国地下水污染呈现由点到面、由浅到深、由城市到农村的扩展趋势，污染程度日益严重。

第45页，共71页。6.4地下水污染防治6.4.1地下水资源保护措施1.一般性技术措施（1）制定城乡规划时，应把环境目标、指标、措施作为整体列入规划。（2）工矿企业选址时考虑地下水污染的可能性；（3）防止地下水管道渗漏；第46页，共71页。6.4地下水污染防治（4）改进生产工艺，减少“三废”排放；（5）当取水层位上、下存在劣质水层或水体时，要严格控制地下水源地的开采量和开采降深，沿海地区尤为注意；（6）已经形成的严重污染，要采取堵塞和截流措施；第47页，共71页。6.4.1地下水资源保护措施2.建立水源地卫生防护制度（1）戒严带：取水构筑物附近30米范围内，并建立卫生检查制度；（2）限制带：在单井或井群的影响半径范围内，不得使用工业废水或生活污水灌溉和施用难降解或剧毒的农药，不得修建渗水厕所、渗水坑、不得堆放废渣或铺设污水渠道，并不得从事破坏深层土层的活动；（3）监视带：经常进行流行病学的观察，以便补救。

第48页，共71页。

水源地卫生防护带的确定

生活饮用水地下水水源保护区、构筑物的防护范围及影响半径的范围，应根据生活饮用水水源地所处的地理位置、水文地质条件、供水的数量、开采方式和污染源的分布，由供水单位及其主管部门会同卫生、环保及规划设计、水文地质部门研究确定。第49页，共71页。6.4.1地下水资源保护措施3.建立地下水质监测网点

1）监测网点的布置及监测内容；第50页，共71页。6.4.1地下水资源保护措施

第51页，共71页。6.4.1地下水资源保护措施4.加强立法建设和公众宣传

2）公众宣传

第52页，共71页。6.5地下水环境生态修复技术原位修复异位修复第53页，共71页。一、地下水原位修复技术原位？——是在基本不破坏土壤和地下水自然环境的条件下，将受污染的地下水原位进行修复。可分为：原位工程修复原位自然修复第54页，共71页。1.1工艺类型包气带：位于地球表面以下、潜水面以上的地质介质。包气带污染修复常采用生物曝气法。第55页，共71页。潜水层和承压层水污染修复：一种工艺是向地下水层钻井注入空气，提供氧气，同时利用回收井，抽取地下水，进行循环；通过渗透，提供微生物需要的各种营养。氧气氧气第56页，共71页。潜水层和承压层水污染修复：第二种工艺，是利用曝气井和抽提井组合，在注入空气的同时，在另一侧，抽提蒸气和空气，加快循环。蒸汽空气空气空气第57页，共71页。潜水层和承压层水污染修复：第三种方法是使用暂时的物理屏障以减缓并阻滞污染物在地下水中的进一步迁移，该方法在一些受有毒有害污染物污染的地点已取得成功的经验。第58页，共71页。PRB主要由透水反应介质组成,通常置于地下水污染羽状体下游,与地下水流垂直。污染物去除机理包括生物和非生物两种,污染地下水在自身水力梯度作用下通过PRB时,产生沉淀、吸附、氧化还原和生物降解反应,使水中污染物得到去除。第59页，共71页。1.2提高修复效率的措施①可以采用纯氧代替空气或者过氧化氢，提高DO的浓度。②也可以采用硝酸盐代替氧和过氧化氢作为电子受体。③可以注入甲烷，提高甲烷细菌的活性。④采用厌氧、好氧和共代谢组合的方法。

第60页，共71页。1.3设计中需要注意的问题①最佳氧化还原条件的创造和维护，最佳地质条件如pH值、DO和温度等；②有效投加方式；③微生物和营养物质等在水平和垂直方向的传递和分布。总之，投加、传质和混合是原位修复技术成功的关键环节。第61页，共71页。2原位自然修复

原位自然生物修复是利用土壤和地下水原本就存在的自然野生微生物降解土壤和地下水中污染物。第62页，共71页。1.1自然生物修复反应参数自然生物修复的能力可以根据现场的一些参数进行估计，以苯污染修复为例，主要的生物反应和相应的参数详细列如下：第63页，共71页。（一）好氧生物氧化

7.5O2＋C6H6→6CO2＋3H2O

质量比:O2:C6H6=3.1:1

每消耗1mg/L的DO就可以降解0.32mg/L的苯。如果背景DO是4.0mg/L，好氧降解的容量是0.32×4／1=1.28mg/L。第