地下水污染修复技术研究进展

骆 坤，夏平平

（武汉清达环保科技有限公司，湖北 武汉 430223）

在2020年，我国的水资源总量为31 605.2亿m3，其中，地下水资源总量为8 553.5亿m3，在水资源总量中占比为27.1%。而全国用水总量为5 812.9亿m3，由于新冠疫情以及降水等因素的影响，全国2020年用水总量比2019年减少了208.3亿m3，且全国2020年地下水源供水总量为892.5亿m3[1]，由以上数据可以看出，地下水资源十分重要。但随着我国社会经济的飞速发展，地下水污染的状况却变得十分严重，因此，对污染的地下水进行修复治理迫在眉睫。长时间以来，由于地下水遭到污染后修复难度较大，为此，国外开展了许多关于地下水污染修复的研究，而我国地下水污染修复相关的研究则相对较少。近年来，随着地下水污染修复技术发展比较迅速，我国在这方面也取得了较大进步。所以，污染地下水的修复也成为我国当前生态环境保护工作的重要内容之一，而地下水修复技术更是当前研究的热点之一。

1 修复技术

1.1 抽出-处理技术

抽出－处理技术是一种地下水异位修复技术。该技术是最普遍应用的地下水污染修复技术，即抽出污染场地被污染的地下水，然后同时进行处理。在实际应用该技术时，首先需要结合地下水污染的范围，设置一定数量的抽水井；然后用水泵从污染场地抽出被污染的地下水，并通过地上污水处理设施进行处理；最后根据污染场地的情况，再将处理达标后的地下水排入地表水体或者回灌到地下。近年来，抽出－处理技术在我国应用较为广泛。顾春杰[2]研究发现，利用抽出－处理修复技术修复某砷污染的地下水，修复后地下水中砷的浓度能有效达到修复目标值。因此，抽出一处理技术的应用较为广泛，主要用于处理重金属、有机氯化物以及苯类化合物。但该技术不适宜处理非水溶性的液态污染物。

在实际修复过程中，由于需要将地下水抽出并进行处理后回灌，因此，该技术处理成本较高，即地下水抽出的成本、污染地下水的处理成本、处理后回灌的成本以及系统维护的成本都比较高。需要注意的是，该技术在实施过程中如果不对污染源进行封闭，地下水的抽取停止时可能会产生拖尾与反弹现象。因此，要特别注意如何在污染场地内合理布设抽水井和预防拖尾及反弹的问题。另外，简单的污染场地可以通过计算来确定抽水井的位置和数量，而对于复杂的污染场地，则需要采用相关模型进行模拟后再确定抽水井的位置和数量。

1.2 生物修复技术

该技术是采用工程方法将地下水中的有毒、有害污染物用微生物（土著或外来微生物）进行降解，以及转化为二氧化碳和水，或转化为无害物质。主要是因为微生物能有效降解地下水中的重金属、有机污染物、氮、磷营养盐等无机污染物。但微生物对地下水中不同污染物的降解转化机理也不一样：如无机氮污染物生物降解的关键过程是反硝化作用；而地下水中的重金属污染物，则一般不能被微生物直接利用，主要通过氧化还原、甲基化以及去甲基化等作用而改变价态或被固定，从而转化为低毒或无毒物质。

通常，生物修复技术可分为天然生物修复和强化生物修复。其中，天然生物修复主要是指，不添加营养物直接利用土著微生物降解地下水中的污染物。而强化生物修复是利用自然环境中的微生物或投加特定微生物，以采用工程方法改善、限制生物修复速度的因素，将地下水中的污染物降解。欧美发达国家在20世纪就已开始广泛使用生物修复技术修复污染地下水，并且成功修复了许多污染场地的地下水。因此，生物修复技术是国内外的研究热点，该技术很有应用前景。李飞等[3]研究表明，利用生物修复方法修复浅层地下水的硝酸盐污染是可行的，而且，在碳源类型和碳氮比合适、环境适宜时，地下水中硝酸盐的去除效果较好。在实际应用中，该技术在处理能被生物降解的污染物时效果较好，能有效处理有机污染物以及农业氮肥污染，但不能用于处理难生物降解以及不溶性污染物。生物处理技术的优势在于，耗时较短，成本较低，修复范围较广；不足之处在于，在使用该技术时，毒性过大的有机污染物可能会抑制微生物，导致治理效果较差，所以采用该技术时要进行持续监控和维护。

1.3 PRB（可渗透反应墙）技术

在应用该技术时，要设置一个填充有活性反应介质的被动反应区，当地下水通过反应区时，污染物和反应介质通过发生物理、化学和生物降解作用，从而将地下水中的污染物降解。其工艺原理是，可渗透反应墙通过填充不同的反应介质，使污染物通过吸附、沉淀、氧化还原或生物降解作用而被去除。其中，当反应介质为吸附剂时，其能有效吸附地下水中的污染物而将其去除。常用的吸附剂包括沸石、活性炭、粉煤灰等。而在用吸附剂作为反应介质时，其对重金属、有机物、氨氮等地下水污染物的处理效果较好。

沉淀反应是指填充的反应介质可以和污染物产生沉淀作用，进而将污染物去除，但污染物与反应介质生成的沉淀可能会使PRB形成堵塞。因此，解决PRB的堵塞问题十分重要，要定期对沉淀物进行清理，或添加能提高PRB渗透性的物质，以便于在一定程度上解决PRB堵塞问题。而氧化还原反应也是指地下水中的污染物与反应介质发生氧化还原反应，生成单质或不溶性化合物后被去除。生物降解反应是指反应介质通过微生物的作用对地下水中的污染物进行降解。

欧美国家在PRB技术和实际应用方面已经开展的研究较多，但我国在这方面起步相对较晚。目前，我国对PRB技术的研究主要是在实验室，而应用于工程研究的相对较少。张晟瑀等[4]研究表明，可采用火山渣为PRB的反应介质，其粒径为0.25～2.00 mm，对TPH和菲、萘、十八烷的去除率均可达到80%以上。在实际应用中，PRB技术无需使用泵和地面污水处理设施，可直接在原地处理污染的地下水，基本不占用地面，也不需要进行储存、运输以及清理等；PRB技术的成本居中。而且，PRB技术填充的反应介质能使用的时间较长，不用经常更换，因此，处理潜力也较大，既能长期有效地运行，也不会对生态环境造成不利影响。但PRB技术的反应介质需适时更换，且墙体易发生堵塞，而墙体介质材料安放时也有可能造成二次污染。因此，由于地下水中的污染物成分较复杂，所以往往会选择复合材料作为填充材料。

1.4 监测自然衰减技术

地下水污染场地能自然发生物理、化学以及生物作用，从而使污染物发生自然衰减。因此，监测自然衰减技术是一种利用自然衰减再加上有计划地监控，从而达到修复地下水中污染物的方法。在实际应用过程中，自然衰减是通过稀释、弥散、对流、吸附、沉淀、挥发、化学反应和生物降解等作用，降低地下水中污染物的浓度和毒性。所以，该技术的原理是，对流、弥散、稀释、吸附、沉淀、挥发等均为非破坏性作用，主要是稀释污染物，或使污染物由一种相转移到另一种相。通常，纯化学反应引起的衰减比较少，生物降解比较常见。但生物降解是一种破坏性作用，即污染物能被微生物降解为无害物质。

近年来，越来越多的地下水修复开始使用监测自然衰减技术，主要包括监测井系统、自然衰减性能评估系统、监测计划以及应急备用方案等。在实际应用中，该系统不需要太多的人为控制，只需必要的场地控制和监测。由于任何地下水污染场地都会发生自然衰减，但因为不同污染场地的污染物不同，并且环境条件也不一样，因此，自然衰减强度也存在差异。此外，国外关于监测自然衰减相关的研究比较多。目前，我国也开展了许多这方面的研究，特别是在石油烃、垃圾渗滤液和污水灌溉等污染场地的自然衰减方面研究较多。陈余道等[5]在实验室内制作了含水层物理模型，以开展污染地下水中BTEX各溶解组分自然去除的模拟研究，研究发现：苯、甲苯、乙苯和二甲苯都可以被自然去除，且去除甲苯和二甲苯比较容易，而去除苯则需要的时间较长。因此，监测自然衰减技术适用于易降解的有机物，成本也不高，对环境破坏比较小，但监测需要较长时间。

1.5 植物修复技术

该技术是一种通过植物对地下水中的有机物、重金属等污染物进行修复的技术。该技术修复地下水中的重金属主要是通过植物提取、根系过滤以及植物的稳定作用，以达到修复目。其中，应用植物修复地下水中的有机污染物，主要是通过植物降解、根系降解以及植物蒸腾作用达到修复目。目前，国内实际工程应用还比较少。经研究表明，通过种植杨树来修复受污染的地下水，且经过7年的修复，在其根部的吸收及生物活动作用下，地下水中三氯乙烯能被植物有效去除，同时，杨树还可以促进含水层中三氯乙烯的生物降解[6]。植物修复技术的优势在于，在修复有机物、重金属污染时效果较好，适用于埋深较浅的地下水污染地块；施工比较简便，成本比较低，不会引起二次污染，对环境产生的不利影响较小。因此，具有较好的应用前景，但不足之处是该技术的处理效率不高。

1.6 化学修复技术

该技术是向污染的地下水中投加某种化学试剂后，地下水中的污染物会和化学试剂发生化学反应，从而有效去除这些污染物。其中，原位化学氧化修复技术（ISCO）是比较常用的化学修复技术。在实际应用该修复技术时，是在被污染的地下水中投加氧化剂，使地下水中的污染物和投加的氧化剂发生氧化还原反应，以此将污染物分解或转化后被去除。而ISCO技术经常使用的氧化剂为芬顿试剂、过氧化氢、高锰酸盐、臭氧以及次氯酸盐等。另外，原位化学氧化修复技术可作为生物修复等其他技术前面的预处理。当原位化学氧化修复技术与其他修复技术组合使用时，能达到更好的修复效果。目前，我国有很多学者都开展了原位化学氧化修复技术方面的研究。崔朋等[7]研究表明，原位化学氧化修复技术在处理污染地块土壤，以及地下水中的苯酚类污染物时效果较好。

通常，原位化学氧化修复技术所需要的反应条件比较温和，污染物去除也较快，修复也较为彻底。但使用氧化剂可能会产生新的有毒物质，所以，可能会引起二次污染。而且，污染地块的水文地质条件可能会影响化学物质传输，比如在渗透性较差的地方，氧化剂的注入以及传输可能都会受到影响。

1.7 电动修复技术

电动修复技术是利用电动力学修复地下水中的污染物。采用电动修复技术时，要在污染的地下水中置入电极，这是因为地下水中污染物所带的电荷不一样，所以，污染物在电场作用下会往不同电极方向移动，最终在电极区域富集而被分离。目前，国外许多发达国家在电动修复技术的基础和应用方面开展了大量研究，我国也有许多学者开展了这方面的研究，与发达国家相比，我国在电动修复应用方面开展的研究还比较少。段祥宝等[8]研究表明，地下水中的铬能通过电动修复技术去除，且去除效果较好，但电压的大小会直接影响地下水中铬的迁移转化，从而影响修复的效果和能耗。

电动修复技术在处理石油烃、重金属以及高密度非水溶性有机物等地下水污染时效果较好。该技术的优势在于，不会破坏地层结构，对修复地块干扰小，成本较低，操作比较简单，但目前该技术还不够成熟，还需进一步开展实验和验证该技术在污染物迁移转化过程的机理及限制因素。

1.8 物理处理技术

物理处理技术是一种通过物理手段修复污染地下水的技术。常用于修复地下水的物理处理技术主要包括：水动力控制法、屏蔽法和被动收集法。其中，水动力控制法是通过建立井群系统，在抽出地下水或往地下注水后，地下水的水力梯度会发生变化，从而分隔污染地下水和清洁地下水。水动力控制法一般用作临时性的控制方法，能在早期修复及防止地下水污染物的扩散蔓延。因此，该技术适用于地质条件相对简单、污染物迁移速度较慢的区域。而屏蔽法是通过在地下水中建立物理屏障将污染水源封闭控制，实现控制污染源，避免扩散。灰浆帷幕法是屏蔽法的一种，在采用灰浆帷幕法时，要向地下灌注灰浆，使地下水中形成帷幕结构，从而达到全方位控制有机污染水源的目的。除此之外，泥浆阻水墙、板桩阻水墙也属于屏蔽法。在实际应用中，屏蔽法常被用作临时性控制方法使用。被动收集法是通过在污染地下水的下游开挖沟道，以及在沟内设置收集系统，从而对漂浮的污染物质（如油类污染物等）进行收集，或收集被污染的地下水。因此，采用被动收集法处理轻质污染物时效果比较好。

1.9 原位曝气技术

原位曝气技术是一种通过曝气处理地下水中挥发性有机污染物的技术。该技术是将一定体积的压缩空气泵入污染地下水中，使地下水中的挥发性有机污染物挥发出来进而被有效去除。目前，原位曝气技术发展比较迅速，受到了各国研究人员的关注。王志强等[9]研究发现，采用原位曝气技术去除地下水中的污染物主要是依靠气流的提升，所以，地下水中的气流分布直接影响污染物的去除效果，且在气流分布密度高的区域石油去除率最高。原位曝气技术的优势在于，设备安装以及操作都比较简单，成本也较低，但见效较快。因此，该技术主要适用于孔隙率比较大的场地，以及去除易挥发的有机污染物。

2 发展方向

在众多的地下水污染修复技术中，PRB技术和生物修复技术是非常有前景的技术，将会是未来的研究热点，也会得到更加广泛的应用。随着地下水修复技术的进步，单一技术也已不能满足当今地下水污染控制的要求，因此，多种技术的组合使用是未来的主要发展方向。如PRB－电动组合修复技术、电动－微生物组合修复技术、原位化学氧化－PRB组合修复技术等组合技术将得到越来越广泛的应用。而且在实际应用中，多种技术组合的使用能更好发挥出各种技术的优势，从而提高修复效率，降低修复成本，但也要及时解决现有组合修复技术中存在的问题。

3 结语

目前，我国地下水污染场地的数量较多，地下水的污染形势也较为严峻，如何更好的修复这些地下水污染场地是生态环境保护工作的难点。同时，由于地下水污染修复治理难度较大，而且地下水污染控制与修复涉及多个学科，因此，在实际修复过程中，应结合污染场地的具体情况来选择合适的修复技术。而相关技术人员也需在地下水污染控制与修复技术原理，以及相关模型模拟等方面开展更广泛的研究，并不断探索新的修复技术，以提升地下水污染修复技术的效率和效果。