地下水污染防控与环境生物技术的发展

王柱强

(1.中国地质大学(北京)，北京 100083； 2.北京中合福源人居环境科技有限公司，北京 100107)

改革开放以来，我国经济一直保持较高的增长速度，生产力得到极大解放，社会产品逐渐丰富，人民群众的生活水平得到大幅度提高。但是，由于未能有效处理好发展经济和保护环境之间的矛盾，环境污染也越来越严重，地下水污染问题日益突出，地下水污染防控形势越来越严峻。加强地下水污染防治工作，保障饮水安全，对全面建设小康社会、人与自然和谐，以及经济社会全面、协调和可持续发展，具有重要的现实意义和深远的战略意义。

1 当前我国地下水污染防控工作的现状

1.1 我国地下水污染的形势

我国地下水污染的主要来源，是城市生活污水及垃圾堆放、工业“三废”排放、农业大量使用化肥和农药等导致。据统计，我国大、中城市浅层地下水不同程度地遭受污染，其中约一半的城市市区地下水污染较严重；全国多数城市地下水水质呈下降趋势，部分城市浅层地下水已不能直接饮用，缺水城市和地区日益增多。污染严重区主要分布在大城市的中心地带、城镇周围区、排污河道两侧、地表污染水体分布区及引污水灌溉农田地区。地下水污染不仅检出组分越来越多，越来越复杂，而且污染程度和深度也在不断增加，有些地区深层水中已有污染物检出。地下水污染正由点污染、条带状污染向面上扩散，由浅层向深层渗透，从城市向周围蔓延。

1.2 地下水污染造成的危害

地下水遭受污染后，不但其自净能力极弱，会对生态环境造成严重影响，直接对人类及其活动造成危害。一是影响人体健康。 地下水污染后，会引起水中三氮含量的变化，饮用水中硝酸盐或亚硝酸盐含量过高，将严重影响人体尤其是婴儿健康，引发硝酸盐急性中毒，即正铁血红肮症。硝酸、盐氮、亚硝酸盐氮在人体中特定条件下，还会转化成致癌物——亚硝胺。受污染后的地下水硬度过高、苦涩难饮，会造成人体胃肠功能紊乱，导致呕吐、腹泻、胀气等症状。二是增大工业成本。尤其是我国北方地区，工业生产用水中，地下水占很大比重。地下水污染的直接表现是硬度升高。地下水硬度增高，会使工业锅炉炉内和管道上结垢，高硬度地下水还会对化工、制药、酿酒、发电、造纸等行业造成危害。据测算，锅炉内结l mm厚的水垢，需要多消耗4%左右的燃料。受污染的地下水硬度过高，就必须对硬水进行软化和纯化处理，从而增大了工业生产成本。同时，重金属污染也是地下水污染的重要来源，如沈阳市修建的东工地下水源地，由于电镀废水污染，铬含量超标31倍，仅使用9个月就被报废。三是导致农业减产，食品质量下降。长期用pH值过高的井水灌溉农田，会改变土壤结构，导致土壤板结，无法耕作。灌溉水中的硝酸盐含量过高，会减弱农作物抗病力，降低作物的质量和等级。粮食作物吸收过量的硝酸盐，会降低粮食中蛋白质的含量，营养价值下降；蔬菜作物则易腐烂，无法贮存和运输。受污染的井水中硫酸盐、氯离子含量过高，还会抑制农作物的生长，造成大面积减产，并使农作物的质量降低。

1.3 我国地下水污染防控的措施

近年来，国家越来越重视地下水污染防控工作，胡锦涛总书记在2003年中央人口资源环境座谈会上指出：“下大力气解决水资源不足和水污染问题。”温家宝总理在2005年政府工作报告中明确提出，要让人民群众喝上干净的水。国土资源部、环保部等部门做了大量的工作，力图遏制住我国地下水污染蔓延的趋势。很多企业也采取了不少化学和物理的方法处理地下水污染问题，但是由于多方面的原因，成效不是很明显。

2 环境生物技术的发展和应用

20世纪80年代，由现代生物技术和环境工程技术相结合的环境生物技术在欧美诞生。环境生物技术是直接或间接利用生物或生物体的某些组成部分或某些机能，建立降低或消除污染物产生的生产工艺，高效净化污染环境以及将污染物转化为资源的人工技术系统。凡是与生物技术结合,对环境进行监控、治理或修复、清洁生产、污染物资源化以及生物材料和能源开发等,均属于环境生物技术研究和应用的范畴。作为一门新型的边缘学科， 主要涉及生物技术、工程学、环境学和生态学等学科，不仅包含了生物技术所有的特点，还融合了环境污染防治工程以及其他工程技术。环境生物技术在治理污染、环境监测等方面，发挥着越来越重要的作用。

环境生物技术可分为低、中、高三个层次。低层次是指利用天然处理系统进行废物处理的技术，如氧化塘、人工湿地等，它能充分发挥自然界生物净化功能，投资运行费用低，易于管理。中层次是指传统的生物处理技术，如活性污泥法、生物膜法，及其在新的理论和技术背景下产生的强化处理技术和工艺，如生物流化床、生物强化工艺等，是当今污染物处理中应用最广泛的技术，是环保产业技术中的主力军。中层次技术本身也在不断改进，向高层次技术渗入。高层次技术是指以基因工程、酶工程等现代生物技术为基础的污染防控生物技术，如基因工程菌的构建等，为快速有效的污染治理与预防提供新的途径。

近10年来， 环境生物技术发展迅速，研究领域不断扩大。工程实践表明，其已成为解决复杂环境污染问题的有效手段之一。美国便把环境生物技术作为21世纪生物技术中六个主要研究领域之一,所培育的基因工程“超级菌”,可在几小时内降解自然菌种需1年才能降解的水上浮油;日本将嗜油酸单孢杆菌的耐汞基因转入腐臭单孢杆,使该菌株既能有效处理环境汞污染,又能将汞菌回收利用。由于用生物方法处理污染物的最终转化产物，大都是无毒无害、稳定的物质，如二氧化碳、水、氮气和甲烷等，且可一步到位，避免了污染物的多次转移。因此，生物技术又是一种消除污染安全而彻底的手段[2]。

目前，很多新技术和新方法如雨后春笋般不断涌现，现代生物技术在可持续发展中，发挥着越来越重要的作用。环境生物技术已经在水污染控制、大气污染治理、有毒有害物质降解、清洁可再生能源开发、废物处置与资源化、环境监测、环境友好材料合成、生态环境修复和清洁生产等领域，发挥着极为重要的作用，已经成为解决复杂环境问题的最有效、最经济的手段之一。

3 环境生物技术在污染源头控制中应用的案例

世界各地普遍存在酸性矿山废水问题，我国也相当严重，煤矿、金属矿山都存在此类问题。我国绝大部分金属矿山为原生硫化物矿床，无论是露采还是坑采，遗弃的大量硫化物废石，经过风化、淋溶，极易形成酸性矿山废水。如何有效解决矿山酸水防控问题，对于切实解决地下水然问题具有显著的意义。

3.1 矿山酸水的形成原因和危害

矿区、矿石堆和其他因含有金属硫化物的物质氧化而产生的酸水(简称“矿区酸水”或“酸水”，英文：Acid Mine Drainage，简称“AMD”)。酸性矿山废水的形成，主要通过以下途径：①矿床开采过程中，大量的地下水渗流到采矿工作面，这些矿坑水排至地表后，是酸性废水的主要来源。②矿石加工过程中，若是采用添加酸性药剂的选矿作业流程，所排放的废水是酸性废水和有害物质的重要来源。③矿山生产过程中，排放的大量含有硫化矿物的废石和尾矿，在露天堆放时不断与空气和水或水蒸汽接触，生成金属离子和硫酸根离子，当遇雨水或堆置于河流、湖泊附近时，所形成的酸性水会迅速大面积扩散。

3.2 国内外矿山酸性废水的处理现状

北美和欧洲对AMD治理已经开展了几十年，现有的AMD治理技术均针对矿区的出水，即已经通过AMD反应被酸化的水。主要技术包括碱中和、湿地、生物反应器、生物反应池、化学反应池、膜过滤等，通称为“被动治理技术”。AMD从矿区流出，进入这些设施，酸度被中和，重金属被沉淀，从而得到治理。基于AMD的产生根源，进水只要接触AMD源头物质，就会被酸化。因此，流经矿区等源头的水都将转化成酸水。

显然，被动治理技术的缺陷是：①面对几乎无限量的酸水。只要有水进入矿区，出水就是AMD。②这种治理周期无限，费用巨大。③被动处理还会产生很多沉淀反应生成的残渣，形成二次污染。④被动处理技术因为大都是地表露天设施，环境因素(如温度、降水、设备维护)会造成额外的技术障碍。

3.3 矿山酸水的生物源头处理(BST)法及应用

BST是目前最先进和经济的从源头消除酸水污染和长期防止酸水污染形成的技术。2004年在美国完成研发，该技术采用电磁遥感手段探测和确定酸水源头，然后通过科学添加生物和营养混合物，在源头培养生物强势，使微生物自动向AMD源头物质迁移，并在其表面形成复杂多层的生物膜和生化结构，充分阻挡和消耗被水溶解的氧气(DO), 阻断AMD源头物质产生酸化反应，从根源上防止AMD生成。同时，微生物种群中的部分种群消耗质子，提升水的pH值和沉淀溶解的重金属，进而将已经酸化的水治理到合格标准。表1为中和法、人工湿地法和BST法的对比情况。

表1 中和法、人工湿地法及BST法的对比

2005年，在美国田纳西某煤矿和亚利桑那某金矿，通过BST方法，成功将AMDpH值从2.0提升到7.5，并保持至少2年稳定在中性范围。重金属含量平均从>800 mg/L下降到几乎为零，达到美国环保署标准。在技术层面上，BST依赖生物手段解决环境问题，不造成附带污染，成本上与常规方法相比节省显著，且可起到积极的防止AMD生存的效果。

BST的主要功用：①将AMD酸水中和到中性范围，解除酸水污染的危害性；②沉淀去除酸水中的重金属，解除其毒性；③在AMD生成的源头形成稳定和有效的阻断层，从根本上阻止产生AMD的化学反应；④减少酸水中的硫酸根含量。

4 发展环境生物技术治理地下水污染的建议

环境生物技术及其相关产业，已成为全球经济发展中一个新的经济增长点。当今世界各国为解决工业文明与生态环境严重失调的矛盾,无不大力发展环境生物技术,积极培育环保新产业。与化学、物理等其他技术比较,利用环境生物技术治理地下水污染和遏制生态恶化趋势,可以保持经济、社会与环境的协调可持续发展，促进自然资源的可持续利用,具有效率高、成本低、反应条件以及无二次污染等显著优点，值得大力提倡。

一是要着力加强科技创新，加速环境生物技术产业化。瞄准环境生物技术的重大前沿问题和关键性、共同性、战略性核心技术领域，加速环境生物技术原始创新，取得一批具有自主知识产权的专利。重视已有科技成果的系统集成应用，大幅度提升集成创新能力。同时，要积极引进国外先进技术和经验，大幅度提高消化吸收和再创新能力。

二是要牢固树立人才资源是第一资源的观念，制定相应政策，把培养和引进尖子人才作为提升环境生物技术整体水平的关键和突破口，逐步建立一支以学科带头人、科研骨干和高级实验操作人员为主体的研发队伍。

三是要建立开放式产、学、研联盟，重点建设好一批瞄准环境生物技术发展前沿领域的重点实验室，建设好一批国际化、标准化、规模化环境生物技术创新平台、基地和工程技术中心，培育一批能够参与国际合作与交流的示范企业。

四是要通过立法措施，采用政府补贴的方式，运用价格杠杆推广环境生物相关技术和产品，强制性地在城市、矿山推广环境生物技术治理地下水污染；把发展环境生物技术作为中长期科技发展投入的重点，重点加大对原始创新性研究、关键技术和核心技术研发，以及基础设施、共性技术平台建设的支持力度，逐步建立和完善多渠道、全社会投资机制和体系，逐步健全环境生物科技创新体系。

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