我国地下水污染现状及控制技术研究进展地下水污染现状

我国地下水污染现状及控制技术研究进展地下水污染现状我国地下水污染现状及控制技术研究进展王琪（云南大学环境科学与生态修复研究所暨云南生物资源保护与利用国家重点实验室培育基地，昆明650091）AdvancesinGroundwaterPollutionandItsPrevention-controlTechnologyinChinaWANGQi（InstituteofEnvironmentalScienceandEcologicalRestoration&KeyLaboratoryforConservationandUtilizationofBio-ResourceofYunnan,YunnanUniversity,Kunming650091）摘要地下水是水资源的重要组成部分,在国民经济发展中起着举足轻重的作用。随着社会和经济的发展,人们对地下水的依赖越来越强。然而由于人类对生产生活中所产生的固体、气体和液体废物的处置不当,从不同途径对地下水环境造成的污染越来越严重,有的已对人的正常生存造成很大的威胁。随着地下水污染的加剧，地下水污染的控制技术也越来越得到人们的重视。本文对我国地下水污染现状及主要的控制技术做了综述。关键词地下水污染、抽取-处理技术、渗透性反应墙技术、土壤气相抽提技术、空气注入修复技术AbstractAsoneofthemostimportantpartsofthewatersource,groundwaterplayakeyrollinthedevelopmentofthenationaleconomy.Withthedevelopmentofthesocietyandeconomy,peoplebeeincreasinglydependentongroundwater.Becauseofimpropertreatmentoftheformedsolid,gasandliquidrubbishbyhumanbeing,thegroundwaterenvironmenthasbeenpollutedmoreandmoreseriously,someresultinagreatthreateningfornaturalsurvivalofthehuman.Withtheintensificationofgroundwaterpollution,theprevention-controltechnologyisalsoincreasinglygainedattention.Thisarticlesummarizestheconditionofourcountry’sgroundwaterpollutionandthemainprevention-controltechnologies.Keywordsgroundwaterpollution;Pump-Treattechnology;PermeableReactiveBarriertechnology;SoilVaporExtractiontechnology;AirSpargingtechnology;1前言地下水资源既是水资源的重要组成部分，又是构成生态环境的重要因素，在经济社会可持续发展中具有重要的地位。全世界超过15亿的人口主要依靠地下水作为饮用水，我国水资源总量的1/3和全国总供水量的近20%地下水（薛禹群，张幼宽，xx）。但随着人口的增长和__的快速发展，对水资源的需求量也大幅度增长。近30年来，我国地下水的开采量以每年25亿立方米的速度递增，全国有400个城市开采地下水，40%的耕地部分或全部依靠地下水进行灌溉，地下水的供给量已经占到了全国总供水量的20%，北方缺水地区占到了52%，在华北和西北城市供水中占到了72%和66%（罗兰，xx）。根据中国地质环境检测院公布的信息,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。全国195个城市监测结果表明,97%的城市地下水受到不同程度污染，40%的城市地下水污染趋势加重；北方17个省会城市中16个污染趋势加重,南方14个省会城市中3个污染趋势加重（熊玲和鄢贵权，xx）。因此，了解地下水的污染现状及污染途径，加强对地下水的污染治理，开发相应的一些高新技术来挽救我们日益恶化的地下水环境，是我们当前所面临的一项迫切的任务。2地下水污染类型及污染在天然状态下，地下水具有一定的自净能力。含水层本身起着一个过滤器的作用，吸附和离子交换过程有助于降低水中的污染物浓度。淋滤的污染物质进入含水层，而含水层的水排泄时又把一些污染质带走，从而达到了某种平衡。人为的活动可能使这种平衡遭到破坏，改变了符合一定标准的地下水水质(包括它的物理、化学和生物性质)，使地下水的污染物的浓度超过规定的指标，使它不再适合原来的用途，我们就说地下水遭到了污染（杨强等，xx）。2.1地下水污染的类型造成地下水水质恶化的各种物质，都称为地下水污染物。地下水污染的种类㈠按理化性质可分为：物理污染物、化学污染物、生物污染物、综合污染物；㈡按形态可分为：离子态污染物、分子态污染物、简单有机污染物、复杂有机污染物、颗粒状污染物；㈢按污染物对地下水的影响特征可分为：感官污染物、卫生污染物、毒理学污染物、综合污染物（吕书君，xx）。2.2地下水污染的按引起地下水污染的自然属性可划分为：天然污染源(如地表污水体、地下高矿化度水或其它劣质水体、含水层或包气带所含的某些矿物等)和人为污染源。人为污染源又根据产生各种污染的部门和活动划分为：工业污染源、农业污染源、生活污染源、矿业污染源。按污染的几何形状特征可划分为：点污染源(如城市污染和工矿企业污水排放口等)、线污染源(如被污染的河流)，面污染源(如用污水灌溉等)，按污染物的运动特性划分为：固定源、移动源。从我国地下水现状污染情况看，地下水污染主要人类活动的影响。2.2.1工业污染源工业污染源主要指未经处理的工业“三废”，即废气、废水和废渣。工业废气如二氧化硫、二氧化碳、氮氧化物等物质会对大气产生严重的一次污染，而这些污染物又会随降雨落到地面，随地表径流下渗对地下水造成二次污染；未经处理的工业废水如电镀工业废水、工业酸洗污水、冶炼工业废水、石油化工有机废水等有毒有害废水直接流入或渗入地下水中，造成地下水污染；工业废渣如高炉矿渣、钢渣、粉煤灰、硫铁渣、电石渣、赤泥、洗煤泥、硅铁渣、选矿场尾矿及污水处理厂的淤泥等，由于露天堆放或地下填埋隔水处理不合格，经风吹、雨水淋滤，其中的有毒有害物质随降水直接渗入地下水，或随地表径流往下游迁移过程下渗至地下水中，形成地下水污染（罗兰，xx）。2.2.2农业污染源农业污染源主要土壤中的剩余农药、化肥和废污水灌溉等。一些常效农药如DDT、六六六等，由于它们在自然界比较稳定，在一定的时间内，会残留在土壤、水域及生物体内，并随着食物链逐步在人体内，引起一些不良后果（王慎等，xx）。常用的化肥有氮肥、磷肥、钾肥等，土壤中这些剩余的肥料将随下渗水一起淋滤渗入地下水中，引起地下水污染。污水灌溉虽然在一定程度上可以使土壤的含氮量增加，土壤肥力大大增加，但另一方面，因污水含有各种有毒有害物质，长期使用污水灌溉，可能引起对农作物、土壤及地下水的污染，甚至造成农作物的减产（吕书君，xx）。2.2.3生活污染源随着我国城镇化步伐的加快，生活垃圾与生活污水量激增，由于无害化处理率低，造成对陆地生态环境和水生态环境的严重污染。我国每年累计产生垃圾达720亿吨，占地约5.4亿平方米，并以每年占地约3000万平方米的速度发展，全国已有200多个城市陷入垃圾重围之中（赵章元，xx）。由于填埋技术的落后和选址不当，这些废物在生物降解和雨水淋滤的作用下，产生CL-、SO42-、NH4+、生化需氧量，总有机碳和悬浮固体含量高的淋滤液，并产生CO2和CH4，这些垃圾的随意堆放，最终以污水形式补给并污染地下水，特别我国地下水埋深较浅的广大地区（吕书君，xx；杨强等，xx）。2.2.4采矿活动污染由于采矿活动破坏了原有地质结构，使氧化环境加强，经过一系列反应，使水呈酸性会形成PH值低于6的酸性矿井水，酸性矿井水会下渗污染下伏含水系统，或者经排水污染地表水水源。同时由于矿坑排水降低了地下水，使原来处于饱和带的矿体岩转化为包气带，有些难溶矿物可转变为易溶矿物，经过风化、雨水渗入淋滤，或由于暂时停止抽水，水位回升时的溶解，是矿区地下水中增加某些成分，造成地下水水质恶化。此外矿区大量积存露天堆放的含硫化物等有害成分的煤矸石和废渣，经同化、淋溶、水蚀作用，形成酸性水流流入河道，渗入地下，使河川径流和浅层地下水遭受污染（王柱强，xx）。2.2.5自然污染?有些地区，由于特殊的自然环境与地质环境，地下水天然背景不良，有毒有害成分超标。我国部分地区分布有高砷水、高氟水、低碘水等。全国约有1亿多人在饮用不符合标准的地下水，使这些地区长期以来一直遭受砷中毒(皮肤癌)、地甲病、地氟病、克山病等地方病困扰（罗兰，xx）。2.2.6地下水超采引起的污染地下水超量开采引起地下水位持续下降，形成大面积的降落漏斗，改变了动力条件，引起水质不佳的浅层水越流补给深层水；同时含水层漏斗部分的氧化还原条件增强，促使土体中有机物分解，使二氧化碳分压增大，加之生活污染物进入土体，污染物中有机物质的分解也使二氧化碳分压增大的复合作用，促进土体中难溶的方解石、白云石的溶解,钙、镁离子转入地下水中，这是漏斗区总硬度升高的重要原因（倪深海等，xx）。3地下水污染的控制修复技术鉴于地下水有机污染的严重性，国外学者广泛开展地下水有机污染控制及就地恢复技术的研究。所谓“污染控制”是指采用各种防护策略和工程措施控制污染源，使其进入地下水系统的污染物减少到最低限度；或者是把已污染的地下水控制在一定范围内防止其扩散到未污染区（杨强，李金轩等，xx）。自开展地下水污染治理至今，地下水修复技术在大量的实践应用中得以不断改进和创新。目前，较典型的地下水污染修复技术主要有以下2种（张文静等，xx）：抽出-处理技术（异位处理技术）和原位处理技术。3.1抽出处理技术抽出处理(Pump-Treat)技术,简称P&T技术，P&T技术是最早出现的地下水污染修复技术，也是地下水异位修复的代表性技术。自20世纪80年代开展地下水污染修复至今，地下水污染治理仍以P&T技术为主。传统的P&T技术是把污染的地下水抽出来，然后在地面上进行处理。近年来，随着污染治理研究的不断深入，该技术已有了更广泛的含义，只要在地下水污染治理过程中对地下水实施了抽取或注入的，都归类为P&T技术（张文静等，xx）。P&T技术概念模型见图1。图1P&T技术概念模型P&T技术的修复过程一般可分为两大部分：地下水动力控制过程和地上污染物处理过程。该技术根据地下水污染范围，在污染场地布设一定数量的抽水井，通过水泵和水井将污染了的地下水抽取上来，然后利用地面净化设备进行地下水污染治理。在抽取过程中，水井水位下降，在水井周围形成地下水降落漏斗，使周围地下水不断流向水井，减少了污染扩散。最后根据污染场地的实际情况，对处理过的地下水进行排放，可以排入地表径流、回灌到地下或用于当地供水等（魏艳民，xx）。P&T技术适用范围广，对于污染范围大、污染晕埋藏深的污染场地也适用。但其自身也存在一些局限性：①当非水相溶液出现时，由于毛细张力而滞留的非水相溶液几乎不太可能通过泵抽的办法清除；②该技术开挖处理工程费用昂贵，而且涉及地下水的抽提或回灌，对修复区干扰大；③如果不封闭污染源，当停止抽水时，拖尾和反弹现象严重；④需要持续的能量供给，以确保地下水的抽出和水处理系统的运行，同时还要求对系统进行定期的维护与监测。3.2原位修复技术原位处理法是地下水污染治理技术研究的热点，不但处理费用相对节省，而且还可减少地表处理设施，最大程度地减少污染物的暴露，减少对环境的扰动，是一种很有前景的地下水污染治理技术（魏艳民，xx）。较典型的原位修复技术有：渗透性反应墙(PermeableReactiveBarrier)修复技术(简称PRB技术)、土壤气相抽提（SoilVaporExtraction）技术（简称SVE技术）、空气注入(AirSparging)修复技术(简称AS技术)、植物修复(Phytoremediation)技术以及原位稳定-固化技术。3.2.1渗透性反应墙修复技术PRB技术的修复原理是：沿地下水流方向，在污染场地下游安置连续或非连续的渗透性反应墙，使含有污染物质的地下水流经渗透墙的反应区，通过地下水与反应墙中添加剂的化学反应达到去除污染物质的目的，并利用PRB物理屏障阻止污染晕向下游进一步扩散（张文静等，xx）。其概念模型见图2。图2PRB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。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（薛敏等，xx）。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（熊雪萍等，xx）。3.2.2土壤气相抽提技术SVE是对土壤挥发性有机污染进行原地恢复、处理的一种新方法，它用来处理包气带中岩石介质的污染问题。使包气带土(或土-水)中的污染质进入气相，进而排出。SVE系统要求在包气带中设立抽气井(井群)，使用真空泵在地表抽取包气带中的空气，抽出的气体要经过除水汽和碳吸附后排入大气（赵勇胜，xx）。其概念模型见图3。图3SVE技术概念模型根据Michael等的研究工作（赵勇胜等，1994），随着包气带岩性的变化，SVE抽气井的有效半径为6～45m；当平均渗透系数为10-4cm/s时,SVE系统的深度可达7m。当然，SVE系统还可以增加一些措施进行改进，如：在地表进行覆盖以避免抽气井附近地表空气直接进入形成“短路”，在这种情况下，抽气井有效半径可以达到90m，可以在污染了的土壤附近设置空气补给井，以加强空气在包气带中的运动，或在补给井中加压注气，等等。3.2.3空气注入修复技术AS技术是在SVE技术的基础上发展起来的，20世纪80年代中期最早应用在德国随后迅速发展至美国以及欧洲的其他国家。近年来，AS技术已成为地下水原位处理技术的首选（张文静等xx）。其概念模型见图4。图4AS修复技术概念模型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，一般与SVE技术联合使用，其修复原理为：通过向地下注入空气，在污染晕下方形成气流屏障，防止污染晕进一步向下扩散和迁移，在气压梯度作用下，收集地下可挥发性污染物，并以供氧作为主要手段，促进地下污染物的生物降解（范伟等，xx）。修复过程中发生的质量迁移转化机制较复杂，在不同的修复阶段，控制修复速率和效率的机理也不同。另外，随着场所地质条件的变化，各种机理对AS技术修复作用的贡献也不同。AS技术具有如下特点：①设备简单，安装方便，易操作；②修复效率高，治理时间短，一般情况下修复期为1～4a；③更适于消除地下水中难移动处理的污染物；④现场原位修复，对修复点干扰小。该技术的局限性主要有以下几点：①对于非挥发性的污染物不适用；②受地质条件限制，不适合在低渗透率或高黏土含量的地区使用；③不能应用于承压含水层及土壤分层情况下的污染物治理。3.2.4植物处理技术植物处理方法(Phytoremedia-tion)使用植物来净化污染了的土壤和地下水。其优点是利用植物天然能力去吸收、聚积和降解土壤和水环境中的污染物。研究结果表明，植物处理方法可应用于多种污染物的处理，包括多数金属和放射性物质，各种有机化合物(如氯化溶剂、BTEX、PCBs、PAHs、农药、杀虫剂炸药、营养物质和表面活性剂)。根据，该方法适用于大面积低到中等表面土层(0～0.9m)污染的治理，以及大量的水体低浓度污染问题，而且处理目标要求也不十分严格的情形。对地下水原位处理的深度限于3m，但可通过低地、湿地进行异位处理（薛敏等，xx）。有5种植物处理方法：植物根部吸收法、植物吸取法、植物转化法、植物激化或植物辅助下的微生物降解、植物稳定方法（赵勇胜，xx）。3.2.5原位稳定-固化方法在已污染的包气带或含水层中注入可使污染物不继续迁移的介质，使有机或无机污染物达到稳定状态。污染物可以被介质凝固、粘合(固化)，或者由于化学反应使其活动性降低（赵勇胜，xx）。常用于重金属离子和放射性物质的稳定化和固化处理。一般的步骤包括：(1)中和过量的酸度；(2)破坏金属络合物；(3)控制金属的氧化还原态；(4)转化为不溶性的稳定形态；(5)采用固化剂形成稳定的固体形态物质（熊玲等，xx）。该方法要求对拟处理场地的水文地质条件非常了解,可应用于具有中等或较高渗透性能的地层。4小结与展望地下水是水资源的重要组成部分，在经济发展和社会进步中发挥着重要的作用。然而由于受到人类生产、生活的影响，地下水污染问题日益突出，严重威胁着人类的生存与发展。为保障人类的健康和经济社会的可持续发展，必须对地下水污染的治理及预防