地下水污染特征及其修复技术应用探析

尹秀贞

(中化地质矿山总局山东地质勘查院，山东 济南 250013)

中国地下水质量总体较好，具有南方优于北方、山区优于平原、深层地下水优于浅层地下水的特点。长期过量开采地下水，废、污水的非法排放，危险品的非法堆放，大面积、超量化肥和农药的使用，垃圾场的渗滤液的渗透，地下油罐的渗漏和环境突发事件等情况导致地下水正遭受着越来越严重的污染。根据《全国城市饮用水安全保障规划(2006-2020年)》数据，全国近20%的城市集中式地下水水源水质劣于Ⅲ类。部分城市饮用水水源水质超标因子除常规化学指标外，甚至出现了致癌、致畸、致突变污染指标[1][2]。地下水的复杂性、隐蔽性等特点，决定了地下水一旦受到污染，要恢复和治理是非常缓慢、非常困难的，有时甚至是不可能恢复的[3][4]。我国地下水污染的特点：区域性地下水污染日益突出；重点地区地下水污染日趋严重；典型污染场地对地下水质的影响明显增强[5]。开展地下水污染的调查，掌握污染情况，完善污染修复技术，制定实施地下水污染预防相关政策势在必行。

1 地下水污染的特征污染物

地下水污染物可分为重金属、无机污染物、有机污染物三种类型。(1)重金属：铜、锌、铅、镉、铬、镍、砷、汞、硒、锑、银、铊、铍的全量和六价铬含量等，常见的有砷，其次是铬和铅。(2)无机污染物：硝酸盐、亚硝酸盐、氨氮、硫酸盐、氯化物、氟化物等。(3)有机污染物：POPs、VOC、SVOCs(PAHs和PCBs)、有机溶剂和石油产物等，卤代VOCs最为多见。有机污染物常以水溶相和非水相液体(NAPLs)存在于地下水环境中。主要污染场地及特征污染物见表1。

表1 污染场地地下水中潜在特征污染物类型[6]

2 地下水污染修复技术分析

地下水污染修复技术主要有：电动力学技术、空气喷射、压力破裂、微生物修复、阻隔-隔离墙、原位化学氧化修复技术、井内曝气、监测自然衰减、多相抽提、渗透反应墙、植物修复、抽出-处理技术、原位热处理技术等[7][8]。笔者对常见的几种地下水修复技术及其应用进行简单分析。

2.1 地下水污染异位修复技术

2.1.1 抽取-处理修复技术

抽出-处理(pump and treatment，P&T)技术是修复受包括工业溶剂、重金属和石油等溶解性化学物质污染的地下水的常用方法[9]，将地下水中的溶解相污染物抽出地表，然后进行处理。通过不断地抽取污染地下水，使污染羽的范围和污染程度逐渐减小，并使含水层介质中的污染物通过向水中转化而得到清除[10]。抽出后的地下水可以利用的处理方法主要有生物法(活性污泥法、PCT、MBBR等)和物理化学法(活性炭吸附、离子交换、反渗透、化学沉淀、化学氧化等)两类[11]。该技术的修复效果受场地岩性、污染物形式、含水层厚度、抽水量、抽水方式、井布局、井间距、井数量等因素影响；且修复时间长，随着抽取的进行，处理效率下降，出现“拖尾”效应和“反弹”效应[12]，有时可以通过注入表面活性剂来增强效果[13]。其优点是见效快，适用于应急处理、污染源阻隔、高浓度污染物场地等情况，修复时需要结合其他技术联合使用。高能环境在我国腾格里沙漠和吉林采用该技术完成了污染场地的修复，取得了良好效果[14]。

2.1.2 多相抽提技术

多相抽提( multi-phase extraction，MPE)是一种通过使用真空提取等手段，同时抽取地下污染区域的土壤气体、地下水和自由相污染物到地面进行相分离、处理，以控制和修复土壤与地下水中有机物污染的修复技术。完整的MPE系统包含污染物抽提、分离和处理三部分。MPE技术具有对环境友好、修复效率高、对地面环境扰动较小、影响面积大以及适宜高浓度污染场地修复等优点。MPE技术应用时受抽提量、真空度、介质类别、污染物种类及存在形式等因素影响。

MPE技术适用于加油站、石化企业和化工企业等多种类型的污染场地，尤其适用于存在非水相液态污染物(NAPLs)情形的污染土壤与地下水的修复[15][16]。MPE技术在处理NAPLs类污染物时，抽取地下水形成地下水位降落漏斗，使NAPL向漏斗中心汇集，然后利用泵直接抽取NAPLs，同时可以激发土壤包气带污染物的好氧生物降解[17]，通过有效控制场地地下水位的降深及废水产生量，能有效防止修复过程中地下水的污染深度随NAPLs层的下降而出现增加，并节约废水处理费用[18]。

2.2 地下水污染原位修复技术

2.2.1 地下水循环井修复技术

地下水循环井(groundwater circulantion well，GCW)通过在内井曝气，形成的气水混合物不断上升，至循环井内井顶端后自由跌落，由外井上部穿孔花管反渗回含水层，气体则经气水分离器排出，在循环井的下部，由于曝气瞬间形成的井内外流体密度差异，井周围的地下水不断流入循环井，通过持续曝气，最终在循环井周围形成地下水的三维循环[19]。地下水中的挥发和半挥发性有机物由水相挥发进入气相，通过曝气吹脱作用去除，同时空气中携带的氧气溶解进入水相，并在浓度梯度作用下不断扩散，在循环井周围形成一个强化原位好氧生物降解区域。吸附或残留在介质孔隙中的有机物通过垂直水力冲刷作用逐渐解吸或溶解进入水相，通过物理化学方法或生物降解去除[20]。白静等人[21]对地下水循环井技术修复硝基苯污染含水层效果进行了模拟，硝基苯的浓度经历了快速下降-缓慢下降-浓度拖尾3个阶段，残留的硝基苯分布在远离循环井的区域，能够较好地修复硝基苯污染的地下水。

2.2.2 原位热处理技术

原位热处理(in-situ thermal treatment)技术是利用热能将污染物从地下水中去除，可将污染地下水加热至非常高的温度，促使污染物和地下水转化为气态，部分化学物质在加热过程就被破坏了，修复区域设置抽提井对污染地下水及其蒸汽混合物收集并抽提至地表进行处理。根据污染物的浓度和类型等采用汽水分离、吸收法、化学氧化法、活性炭吸附法或冷凝法等方法进行处理。加热方式主要有：蒸汽/热空气注入与抽提SEE、电阻加热ERH、热传导加热TCH、射频加热等[22]。原位热处理技术受土壤含水率、污染物所处深度、土壤类型、污染物种类、污染物与土壤的反应能力等因素限制，此外设备费用、处理费用较高。该技术能够快速处理各种类型的污染物，对处理地下水中的NAPL特别有效[9]。美国伊利诺伊州一处受三氯乙烯(TCE)、二氯乙烯(DCE)和石油烃污染的场地采用蒸汽注射与抽提技术进行原位修复，大部分监测井的TCE及DCE去除率均达到90%[23]。

2.2.3 可渗透反应屏障技术

可渗透式反应墙(permeable reactive barrier，PRB)技术是在地下安装一个填充有活性反应材料的被动反应区，当受污染地下水在自然水力梯度的作用下通过活性材料墙体时，溶解的有机物、重金属、核素等污染物与活性材料发生吸附、沉淀、氧化还原和生物降解反应而被去除，从而达到环境修复的目的[6][24][25]。PRB技术具有不需要动力，维护成本低，地表无处理设施等优点；其局限是反应介质的堵塞、介质的更换等。PRB可分为单处理系统PRB和多单元处理系统PRB，单处理系统PRB适用于污染物比较单一、污染物浓较低、污染羽规模较小的场地；多单元处理系统PRB适用于污染场地比较复杂，污染物种类较多的情况。PRB技术的部分活性介质见表2。

1997年12月，澳大利亚东南部一个企业发生了石油溶剂油的泄漏事件，约3 000 L石油溶剂油渗漏到企业附近的土壤中，主要的污染物是溶解甲苯、乙苯、二甲苯和C6-C36的烷烃。采用隔水漏斗导水门式渗透反应墙，经过10个月的治理，对单环芳烃C6-C36烃类的平均去除效率为54%～79.5%[27]。

2.2.4 原位微生物修复技术

原位微生物修复技术是利用土著微生物和注入驯化降解菌群，通过好氧降解或厌氧降解去除溶解于地下水中和吸附在含水层介质上的有机污染物。可通过往地层中注入氧气和营养物质满足微生物好氧降解需要的氧气和营养物质，来提高处理效果。宜用于低浓度污染物、污染物可生化性好、地层渗透性好的污染场地。该技术具有操作简单、经济、对环境扰动小、很少造成二次污染等优点；其局限性在于受电子受体浓度和营养物质的限制，微生物降解缓慢，达到降解目标的时间受到限制。张胜等人[28]采用优化土著微生物菌群的生物技术进行修复陕北黄土区石油污染地下水实验研究，经过28～37 d的微生物修复，地下水中石油的降解率为27.47%～92.46%，而无菌对照中的石油含量变化在5%以内，说明微生物能够降解地下水中石油污染物。

表2 可应用于PRB技术的部分活性反应介质[26]

2.3 监控式自然衰减技术

监控式自然衰减(monitored natural attenuation，MNA)是一种利用自然过程来分解地下水中污染物的技术，通过对地下水的监测，以确认在合理的时间范围内，污染物自然衰减的程度足以达到保护受体和修复目标。衰减过程包括土壤颗粒的吸附、污染物的生物降解、污染物的挥发、稀释和弥散等过程。MNA方法适用于污染程度低的场地，如：严重污染场地的外围，或污染源很小的情形。可通过风险评价具体判断MNA技术是否可行，如果污染物的自然衰减速率大于污染物的迁移速率，应用自然衰减方法是有效可行的[12]。

MNA技术的优点：1)将污染物最终转化成无害的副产物；2)对周围的环境无破坏性；3)处理费用相对较低；4)不需要设备的安装和维护[29]。其局限在于修复时间较长，风险较大的场地不能单独使用。王威等人[30]对东北某石油类污染场地(TPH超标近10倍)开展场地勘察、室内实验、溶质运移模拟等研究工作，结果表明污染物以自然衰减作用为主，污染晕的中心始终在场地的中心区域，迁移距离较小，MNA技术能在相对较短的修复时间内达到理想的修复效果。

2.4 联合修复技术

部分污染场地的污染物种类多或地质条件复杂，单一的修复技术很难完成修复任务，或者即使能够完成，其修复费用也会非常高，因此，联合修复技术的使用是非常必要的。通过分析污染物的特征及污染程度、场地水文地质条件、污染场地的修复目标、污染场地修复完成后的功能使用规划及其类似工程的实践经验，结合现行主要修复技术的适用范围及其技术可行性，综合考虑经济条件，可提出优化的联合修复技术方案。

根据单个修复技术使用的时序或区域位置，联合修复方案可以分为 “串联”型和 “并联”型。多个修复技术的“串联”型联合修复方案中，使用时具有先后顺序，如：抽取/处理-原位空气扰动-原位微生物修复；多个修复技术的“并联”则没有先后顺序，可以同时在污染场地上开展，如：污染中心区域采用微生物强化修复，同时在污染场地外围低浓度区采用监测下的自然衰减方法[12]。

3 结语

地下水的污染日趋严重，防治工作势在必行，切实做到“预防为主，防治结合”，主要从政策、技术、宣传、资金等层面推进防治工作的开展。应尽快开展地下水修复技术的开发研究工作，寻找适用、经济、技术可行、无二次污染的生态修复技术。尽快构建地下水污染修复体系，指导修复工作的开展，同时需要合理确定地下水修复目标，在实现生态文明的同时，保障社会经济的可持续发展。

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