地下水污染治理与防治技术研究

黄婉娟

（惠州市环境科学研究所，广东 惠州 516001）

引言

地下水容易受到自然和人工合成的有机或无机污染物的污染。地下水中的有机物浓度一般为几毫克/升到几十至几百微克/升，且分布不均。自然和人为活动都可能导致这些污染物的产生。因此，地下水中有机物和重金属污染物的治理已成为一个重要而又紧迫的课题。相关人员充分利用物理、化学和生物等多种可靠的原位修复方法进行治理，并不断进行修正和评估，以提高治理效率。

1 地下水污染物分析

1.1 地下水污染的总体情况

在全球范围内，越来越多的国家开始广泛采用地下水作为可替代的水资源，以满足日益增长的水资源需求。地下水是人类赖以生存和发展的最重要的资源之一，它具有分布广、埋藏浅、水质好、易补给以及水量稳定等特点。随着我国人口的不断增加，地下水在饮用水、工业和灌溉等领域的应用比例已经达到了约90%的惊人水平。随着城市化进程的加速和社会经济的不断发展，人们对淡水的需求不断攀升，导致全球范围内的干旱和缺水问题日益严重。本文通过分析我国水资源状况，探讨我国地下水资源面临的问题与挑战。根据研究结果，我国长期以来不可持续的干预行为导致干旱地区的地下水资源枯竭，从而对居民和工业用水的供应构成了威胁，同时也对农作物的生长造成了潜在危害。目前我国大部分城市都处于水资源短缺状态[1]，随着地下水位的下降，地表径流源源不断地注入地下含水层，导致了严重的生态环境变迁。近年来，地下水的过度开采也造成了许多问题，其中包括生态破坏及地面沉降等。研究发现中国60%以上的地下水因管理不善受到污染。图1所呈现的是地下水的构成，其由上层滞水、潜水和承压水三个部分组成。地下水作为一种资源，其主要作用就是储存并提供生活用水。在全国水质调查中，多种有害污染物被检测出来，其中铁、锰和砷是地下水中最常见的元素，而工农业活动是导致地下水污染的重要因素。受水文地质条件影响，各地区不同程度地受到地下水污染的危害。随着我国经济的蓬勃发展，对地下水的需求日益增长，但由于缺乏科学的规划和管理，导致一些地区的地下水位持续下降，这对当地的经济和社会可持续发展构成了严重制约。

图1 地下水的地质分布示意图

1.2 工业废水对地下水的污染

工业活动所排放的污染物已成为地下水的主要污染源。随着我国经济建设和社会发展速度不断加快，大量工业废水及生活污水进入地下水系统中，导致地下水水位下降、水质恶化等一系列问题的出现。这些污染物在地下迁移过程中发生了物理、化学等变化，因此它们对地下水环境的影响具有不可忽视的重要性。在生产化石燃料以供发电的过程中，地下水可能会受到污染，石油烃类可以与其他有机化合物结合成聚合物，从而改变地下水的化学特征。此外，地下水污染源还包括工业生产过程中释放的有毒有害气体和粉尘，这些物质对环境和人类健康造成了威胁。

深入研究地下水中有毒有害物质的来源和迁移规律，具有极其重要的意义。污染对地下水资源的分布产生了长期影响，随着我国经济建设步伐的加快，各种污染源不断增多，使得城市地下水环境质量逐年下降，造成水质恶化和生物多样性的减少。近年来过度开采地下水引起的地面沉降，已经给居民生活造成很大危胁[2]。目前国内外学者已经针对不同种类有毒金属元素在地下水中的含量分布规律展开大量的实验研究工作。砷是一种广泛分布于全球七十多个国家地下水中的有害物质，砷主要以化合物形式存在，它与其它金属离子形成的络合物也属于有毒物质，地下水中的砷含量超标不仅会对人体健康造成威胁，还会导致农作物产量及农产品品质下降。水和生物在自然界是不可分割的整体，随着生活水平不断提高，人们对水质安全也越来越重视，而地下水属于重要的水资源之一[3]。

2 污染物的影响作用机制

多项工业实验证实，地下水中存在的硝酸盐可能是砷氧化的主要来源机制，这一现象表明硝酸盐的存在对地下水中砷的含量产生了影响。本文将讨论地下水砷污染及硝酸盐作用下的砷生物毒性效应。根据图2所示数据，可以清晰地观察到硝酸盐浓度的上升与砷浓度的下降之间存在密切的对应关系。尽管水系统处于缺氧状态，但硝酸盐具有作为工艺末端电子受体的特性，因此其能够刺激砷的生成。本文探讨地下水中氮、磷等物质在不同处理方式下对地下水中砷化物形成的影响，以了解地下水环境中硝酸盐对砷迁移转化机制的作用。以前的研究表明，硝酸盐的作用导致砷元素被吸附到地下水中的铁氧化物表面。我们观察到在硝酸盐加入之后，铁氧化物被还原为氢氧化亚铁而使其含量增加，并证明了这种改变可能会导致对环境有影响的砷含量降低。在水中去除硝酸盐后，铁和砷的含量可以作为试验前的观测条件。此外，国内的研究表明，添加硝酸盐可以有效减少地下水中砷的污染。因此我们推测可能有一个新的途径可以降低地下水中的硝酸盐含量并增加对砷的吸附能力，即通过生物氧化过程去除水中硝酸盐而达到净化效果。随着全球人口呈指数级增长，农业活动对水资源的需求不断增加，导致地下水硝酸盐污染成为一个严峻的全球性问题。在我国一些偏远地区，地下水是当地居民的主要水源，因此，研究地下水硝酸盐污染具有重要意义。

图2 硝酸盐浓度与砷浓度的关系

3 地下水污染原位修复的利弊

3.1 地下水污染原位修复的优点

作为当今世界上最被广泛认可的地下水处理技术之一，原位生物修复采用微生物降解污染物的方法，从而使其成为一种更少对环境造成伤害的技术。同时，因为它具有投资小、运行费用少等优点而被广泛用于世界各地的地下水处理工程中。在全球地下水污染治理领域，原位生物修复技术是一种广泛应用于地下水处理的方法，使用率约为30%。原位生物修复技术应用具有高度的灵活性，因为它能够与其他修复方法（例如渗透性反应屏障）相互融合，从而实现更加全面和高效的修复。在过去十年里，已经有很多关于利用原位生物修复技术降低水环境中重金属浓度或水中有机物质含量方面的报道。当聚羟基丁酸酯与零价铁相互结合时，会引发一种高度活跃的生物还原脱氯过程，如果没有其他因素存在的话，原位热脱氯会使有机物降解更彻底。目前被广泛认可的被动原位修复手段是渗透性反应屏障，该屏障能够使地下水在与反应物相结合的地下屏障内自由流动，以达到去除污染物的目的。

3.2 地下水污染原位修复存在的不足

微生物电化学修复技术（MET）已被用于修复原位地下水污染。目前被广泛认可的方法是综合运用微生物学和电化学等多种技术，以对受污染的地下水进行可靠、有效的修复。原位地下水修复技术，包括电激活法和生物强化法等。在传统的化学处理中，电极可被用作电子受体或电子供体，以取代氧/硝酸盐或有机物/氢，通过向地下水系统注入电极，从而刺激天然微生物启动修复过程。该处理技术还包括一个阳极和阴极反应装置，用于去除污染物并产生电能，从而提高能源效率。该工艺已被应用于消除芳香烃、溶解金属、硝酸盐、金属和氯化烃等物质。此外，还可用于去除水中的某些有毒物质，地下水的微生物修复技术如图3所示。该技术可作为一种有效的生物预处理手段，其对各种有机化合物有较高的降解率和选择性。目前，该技术已成功应用于地下水恢复，以消除甲苯、乙苯等有害物质的影响。将此方法用于模拟地下水中甲苯和乙苯的去除，研究结果表明，其对含有不同浓度甲苯和乙苯的地下水，都可以有效降解并产生相应的生物活性化合物，该方法对甲苯和乙苯的去除率为（0.1-4±1.5）mg(L·d)和（3.3±0.1）mg(L·d)；同时，还对不同浓度下的甲苯，乙苯进行富集培养。研究人员通过运用气相色谱质谱联用（GC-MS）技术进行分析，揭示了富马酸添加途径对甲苯典型产物琥珀酸苄酯的激活作用，并在经过处理后进行了检测，以揭示其作用机理和识别潜在代谢中间产物。在修复后，检测到1-苯乙基琥珀酸乙酯，这是一种由厌氧乙苯活化所产生的代谢中间体。通过对这两类降解产物进行质谱分析，发现它们均具有较高的分子量和良好的热稳定性。甲苯和乙苯的产电活化以及产甲烷活化是导致琥珀酸苄酯和1-苯乙基琥珀酸酯代谢产物的根本原因。这些代谢途径主要来源于微生物对环境污染物的降解作用以及生物矿化过程。

图3 地下水的微生物修复技 术

4 综合管理技术路线

在全球范围内，已经建立了一些关于地下水管理的标准，通过法律和监管框架，地下水的治理得以实施。地下水治理需要有足够的透明度以促进公众理解，在治理内部，对可持续性挑战、政策、受益机构和诱导结构的认知、理解及其与社会目标的契合，都将影响到如何进行地下水管理，并使之符合可持续发展原则。对于地下水管理，我们可以从多个角度进行检查，包括机构架构、参与者和问责过程等方面。地下水治理需要考虑到所有利益相关方，而不只是单一的部门或组织。图4所示的技术路线提供了一种综合管理地下水污染的资料收集方式。

图4 地下水污染综合管理的资料收集技术路线

5 结语

由于工农业活动以及其他人为活动的干扰，地下水资源被过度开采，导致地下水遭受了严重污染，从而对地下水治理构成了威胁。在此背景下，本文提出了在可持续发展理念下，实现地下水综合治理的思路。从可持续性角度出发，本文探讨了地下水系统综合管理所面临的挑战，包括地下水治理政策的制定、使用地下水资源与系统利益攸关方的参与等方面。为实现可持续的环境目标，我们必须采取可持续的措施，以最大程度降低所有潜在的砷含量，并尽可能减少硝酸盐和杀虫剂的过度使用。本文建议建立新的污染土壤修复技术体系，如植物修复、微生物修复以及生态恢复等，以提高土壤污染防治水平。为了降低成本和减少有毒化学品的使用，我们应积极推广原位生物修复方法，以提高效率和减少不必要的风险。