（环境科学专业论文）傍河取水水源地重金属污染环境修复技术研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文中重金属的总溶解量和络合形态分布的影响，确定影响重金属吸附的主要因素和最佳影响因素方案。最后针对上述规律的研究和正交试验的结果，提出增加松散层对重金属吸附量的修复措施，并进行修复效果的预测。本文的主要研究结论：1 、建立的地下水多组分化学平衡模型应用于地下水重金属的修复研究是可行的。2 、利用增加修复区重金属吸附量的手段来修复重金属污染是可行的。3 、影响重金属吸附平衡的主要因素有：p h 值、离子强度、温度、系统中钙镁离子浓度的变化。4 、重金属吸附量在p h 值9 0 时最大，p h 值小于9 0 时随p h 值的增加而增加，p h 值大于9 0 时随p n 值的增加而降低；重金属的总吸附量随着离子强度的增加而降低，随着温度的降低而增加。5 、各因素对重金属吸附量的影响主次顺序为：p h 值，p h 值与钙离子含量的交互作用，离子强度，离子强度与钙离子浓度的交互作用，温度，p h 值与温度的交互作用，钙离子浓度。6 、根据某地下水水样实测资料，经过模拟正交试验确定各影响因素的最佳水平为：p h 值为9 0 ，温度2 5 。c ，离子强度为0 0 0 9 ，钙离子浓度为0 0 2 5 m o l l 。i i太原理工大学硕士研究生学位论文7 、在实例条件下，地下水重金属污染的修复措施：向地表水中投加碱性药剂n a o h 来控制地下水环境的p h 值；控制地表水中的钙镁离子浓度低于0 0 2 5 m o l l ；当地下水环境温度低于2 5 。c 时，向地表水中投加热源，当地下水环境温度高于2 5 。c 时，应控制地表水中总镉浓度不超过0 0 8 m g l ，总铅不超过1 0 m g l ，总铜不超过0 5 m g l 。关键词：傍河地下水水源地，重金属污染，环境修复，吸附调控i i i太原理工大学硕士研究生学位论文t h er e s e a r c ho nh e a v ym 匝t a li 通m 匝d i a t i o no fr i v e r s i d eg r o in d w a t e rs o u r c ea b s t r a c tb e c a u s et h ef a s td e v e l o p m e n to fc i t i z a t i o na n di n d u s t r y , t h er i v e rw a sp o l l u t e ds e r i o u s l y t h es a t u r a t e dg a sl a y e ro fr i v e r s i d eg r o u n d w a t e rr e s o u r c ed o n td e f e n dt h ea q u i f e r o u sl a y e rw e l l ，s oi tp o l l u t e st h eg r o u n d w a t e rw h e nt h er i v e rt h a tw a sp o l l u t e df i l t e ri n t oa n dr e p l e n i s ht h eg r o u n d w a t e r , i tt h r e a t e n st h eh u m a n sh e a l t hi f t h eg r o u n d w a t e rw a sd r a n k i ft h eg r o u n d w a t e rw a sp o l l u t e d ，i t sh a r da n de x p e n d sm u c ht ot e a tb yt r a d i t i o n a lt r e a t m e n tm e t h o d i t sn e c e s s a r yt os t u d yo nt h ec h e m i c a lr e a c t i o na n dr e a c t i o nm e c h a n i s ma n db r i n gf o r w a r dt h en e wr e m e d i a lm e t h o dt h a te x p e n df e w e ru s i n gt h ec l e a n i n gf u n c t i o no fg r o u n d w a t e rs y s t e mo n e s e l a tp r e s e n tt h er e s e a r c ho ng r o u n d w a t e rh e a v ym e t a lr e m e d i a lt e c h n o l o g yi sf o c u so nt h ee l e c t r o k i n e t i cr e m e d i a t i o na n db i o r e m e d i a t i o nt e c h n o l o g y b u tt h i sp a p e rr e m e d i e st h eh e a v ym e t a lp o l l u t i o ni ng r o u n d w a t e re n v i r o n m e n tt h r o u g hi n c r e a s i n gt h ea d s o r b e dq u a n t i t yi nt h er e m e d i a ls e c t i o n f i r s t l y , i ti n t r o d u c e st h ec o n c e p to ft h eg r o u n d w a t e rm u t i c o m p o n e n tc h e m i c a le q u i l i b r i u ms y s t e ma n de s t a b l i s h e st h e太原理1 + 人学硕士研究生学位论文r o u ti c o m p o n e n tc h e m i c a le q u i l i b r i u mm o d e lb a s e do ns u m m i n gt h eh e a v ym e t al sr e a c t i o nm e c h a n i s mi ng r o u n d w a t e rs y s t e m t h e n ，i tu t i l i z et h em o d e la n do r t h o g o n a le x a m i n a t i o nt oa n a l y z et h eh e a v ym e t a l sd i s h i b u t i o nw h e nt h ee f f e c t f a c t o rv a r i e sa n da s c e r t a i nt h ep r i m a r ya n ds e c o n d a r ys e q u e n c eo ft h ef a c t o r se f f e c to nt h eh e a v ym e t a l sa d s o r b e da m o u n ta n dt h eb e s tl e v e lo fe v e r yi n f l u e n c i n gf a c t o r f i n a l l y , i tb r i n gf o r v 、a r dt h er e m e d i a lm e a s u r e sa n df o r e c a s tt h er e m e d i a t i o ne f f e c t ，c o r l l l a p o s i n gt h er e s e a r c ho nt h er u l eo ft h ef a c t o r se f f e c to nh e a v ym e t a la n dt h er e s u l to fo r t h o g o n a le x a m i n a t i o nt h em a i nc o n c l u s i o ni nt h i sp a p e ra sf o l l o w s1 i t sf e a s i b l et h a tg r o u n d w a t e rm u t i c o m p o n e n t sc h e m i c a le q u i l i b r i u mm o d e la p p l i e st ot h er e s e a r c ho ng r o u n d w a t e rh e a v ym e t a lr e m e d i a t i o n2 i t sf e a s i b l et or e m e d yt h eh e a v ym e t a l sp o l l u t i o nu s i n gi n c r e a s i n gt h ea d s o r b e dq u a n t i t yo ft h eh e a v ym e t a li nt h er e m e d i a ls e c t i o n3 t h em a i nf a c t o r st h a te f f e c tt h eh e a v ym e t a l sa d s o r p t i o n ：t h ep hv a l u e 、i o n i cs t r e n g t h 、t e m p e r a t u r e 、c aa n dm gi o n i cc o n c e n t r a t i o n4 t h et o t a ls o r b e da m o u n to fh e a v ym e t a lw i l la c h i e v ep e a kv a l u ew h c l lt h ep hv a l u ei s9 0 0 ，a n di n c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo f p hv a l u ew h e np h 、a l u ei ss m a l l e rt h a n9 0 0 ，a n di tw i l ld e c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo fp hv a l u ew h e nt h ep hv a l u ei sl a r g e rt h a n9 0 0 ，b u tt h ed e c r e a s ee x t e n ti sv e r ys m a l l ；t h et o t a ls o r b e da m o u n to fh e a v ym e t a lw i l ld e c r e a s ei nl i n ew i t ht h e ! n c r e a s eo fc ai o n i cc o n c e n t r a t i o n a n di tw i l lr e d u c ew i t ht h ei n c r e a s ev太原理【火学硕十研究生学位论文o ft e m p e l a t u r e 5 f h ep r i m a r ya n ds e c o n d a r ys e q u e n c eo ft h ef a c t o r se f f e c t0 1 3t h es o r b e da n l o u n to f h e a v ym e t a l ：t h ep hv a l u e ，t h ei n t e r a c t i o no f p ha n dc ai o nc o n c e n t r a t i o n ，i o n i cs t r e n g t h ，t h ei n t e r a c t i o no fc ai o n i cc o n c e n t r a t i o na n di o n i cs t r e n g t h ，t e m p e r a t u r e ，t h ei n t e r a c t i o no fp ha n dt e m p e r a t u r e ，c ai o n i cc o d c e n t r a t i o n 6 u n d e rt h ed a t ao fac e r t a i ng r o u n d w a t e rs a m p l e ，i tb e s tl e v e lo fe v e r yi n f l u e n c i n gf a c t o ra s ：p hv a l u ei s9 0 0 ，2 5 。c ，i o n i cs t r e n g t hi so 0 0 9 ，a n dc ai o n i cc o n c e n t r a t i o nt h r o u g hs i m u l a t i n go r t h o g o n a le x p e r i e n c e7 m e a s u r e sa s c e r t a i n st h et e m p e r a t u r ei si s0 0 2 5 m o l lu n d e rt h ec o n d i t i o no ft h ee x a m p l e ，t h eg r o u n d w a t e rr e m e d i a lc o n t r o l l i n gt h ep hv a l u ei nt h eg r o u n d w a t e re n v i r o n m e n tt h r o u g ha d d i n gn a o ht ot h er i v e r ；c o n t r o l l i n gc aa n dm gi o nc o n c e n t r a t i o nu n d e r0 0 0 0 2 5 m o l l ；a d d i n gt h eh o tr e s o u r c et ot h er i v e rw h e nt h et e m p e r a t u r ei sb e l o w2 50 c ，c o n t r o l l i n gt h ec di o n i cc o n c e n t r a t i o nu n d e ro 0 8 m g l ，t h ep bi o n i cc o n c e n t r a t i o nu n d e r0 0 8 m g l ，t h ec di o n i cc o n c e n t l a t i o nu n d e r0 0 8 m g lw h e nt h et e m p e r a t u r ei sa b o v e2 5 。ck e yw ( ) r d s ：r i v e r s i d eg r o u n d w a t e rs o u r c e ，h e a v ym e t a lp o l l u t i o n ，e n v i r o n m e n t a lr e m e d i a t i o n ，a d s o r p t i o nc o n t r o l l i n g太原理工大学硕士研究生学位论文符号说明屯电渗析导率系数，m 2 ( v s )t 电压梯度，v c ma 截面积，n 1 2n 组分w 物种c 与固相表面吸附相同的离子在溶液中的平衡浓度，m e , l三单位质量固相的吸附量，m e , k gr hx 被吸附离子的重量，m gm 固相的容重，蚝届与键能有关的吸附常量厦固相的最大吸附量m e 表示金属阳离子a n 表示构晶阴离子m e 。a n 。表示形成的晶体固体彳；。第i 种络合物种的活度联第i 种络合物种的平衡常数乃第j 种水相组分物种的活度口；在第i 种络合物中第j 种水相组分物种的计量系数t 第i 种络合物种的浓度太原理工大学硕士研究生学位论文c ，第j 种水相组分物种的浓度第i 种络合物种的活度系数厂；第j 种水相组分物种的活度系数i 溶液的离子强度，m o 沈。c k 溶液中第k 种水相组分的浓度，m o l lz k 溶液中第k 种水相组分的电荷数a 、b 、n 特定温度压力下表征溶剂特征及与离子直径相关的常数口：表面络合反应中生成第i 种吸附物种的第j 种水相组分物种的计量数6 ；表面络合反应中生成第i 种吸附物种的第j 种吸附组分物种的计量数巳第j 种水相组分物种的化学式第j 种吸附组分物种的化学式乃第i 种吸附物种的化学式第j 种水相组分物种的活度f 第j 种吸附组分物种的活度第i 种吸附物种的平衡常数彤表面络合反应中第i 种被吸附物种的活度y ? 第种吸附物种的活度系数y ：第种吸附组分物种的活度系数k ；表面电荷为零时的表面常数( 即相对应的络合反应常数)z 离子电荷，cf 法拉第常数r 气体常数x i i太原理工大学硕士研究生学位论文t 绝对温度，开尔文中表面电位，vc j 第j 种水相组分在水相的总浓度，m o l ls j 第j 种水相组分的总吸附浓度，m o l q 马第j 种水相组分的总沉淀浓度，m o l lh o 反应物和生成物都处于标准状态时反应的焓变，k j足，反应在标准状态下的平衡常数k 。在t 温度下反应的平衡常数k m t 相应的络合反应的平衡常数k y 表面络合吸附反应平衡常数c 。o 面和b 面间的容量，fc 。b 面和d 面间的容量，fo 。o 面上每单位面积电荷的电荷密度，c m 3o 。b 面上每单位面积电荷的电荷密度，c m 。o 。扩散层d 面上每单位面积电荷的电荷密度，c m 4t a 开采一定水量时开采井中水的温度，t h 河水的温度，t d 未开采时地下水的温度，d 开采井距河的距离，m声明y9 7 9 3 7 1本人郑重声明：所呈交的学位论文。是本人在指导教师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外。本论文不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：垒唣埠日期：垒缸l关于学位论文使用权的说明本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) o签名：导师签名：杜盹掣太原理工大学硕士研究生学位论文第一章选题背景1 1 地下水环境修复的概念修复( r e m e d i a f i o n ) 【l 】本来是工程上的一个概念，顾名思义，它是指借助外界的作用力使某个受损的特定对象部分或全部恢复到原初状态的过程。环境意义上的修复是指对被污染的环境采取人为干预，采用物理、化学、生物学技术措施，利用环境本身的自净规律，强化受损环境的自净能力，使得存在于环境中的污染物质浓度减少或毒性降低或完全无害化，从而恢复其使用功能的技术。传统的污染治理方法是将污染的地下水抽取出来，提升至地面进行处理，处理后进行回灌。处理的方法有传统的污水处理技术如活性污泥法、生物膜、生物转盘、氧化沟、电渗析等。但这种处理方法由于处理设施可移动性很差，往往需要将受损的地下水转移至集中处理地利用处理设施进行处理，达到水质标准后再输送回原地进行回灌，不能及时方便地治理受损环境。于是又出现了利用生物反应器处理受损地下水的方法，该法由于生物反应器装置在汽车上，增加了可移动性，但处理水量不大，而且仍需提升地下水，破坏原有的地质环境且处理费用昂贵。地下水环境修复技术就是为了解决传统治理技术遇到的困难而出现的。与传统的治理方法相比，环境修复重在于预而不是治理。地下水环境修复就是利用地下水环境本身的自净机理，人工加以干预，加强其环境本身的净化能力，使得受损的地下水环境得到恢复。水环境修复的目标一般不可能达到完全恢复水环境的原始状态，只是部分或者接近原始状态【2 l 。修复的目的是在保证水环境结构健康的前提下，满足人类可持续发展对水环境功能的要求。太原理工大学硕士研究生学位论文修复水环境受损水环境原始水环境自然退化人为污染图l - l 水环境修复概念示意图f i g u r e l - 1s k e t c hf i g u r eo f w a t e r - e n v i r o n m e n tr e m e d i a 矗o nc o n c e p t环境修复法与传统的治理技术相比有以下优点：( 1 ) 修复技术就是在原位进行操作，减少了提升以及运输的费用；( 2 ) 修复技术以原位方式进行，这样可以使得对污染位点的破坏大大减小，可以在难以用传统治理技术处理的地方照样进行；( 3 ) 修复技术不会引起二次污染；( 4 ) 修复技术费用低廉，且效果良好；( 5 ) 修复技术的适用范围比较广泛，它利用的是环境本身的自净规律，人工加以强化。1 2 地下水环境修复的可行性地下水污染与地表水污染不同，它埋藏于含水层中，所在地质体不同，有包气带水、潜水、承压水、孔隙水、裂隙水、岩溶水；含水层年代不同，岩性组成、颗粒大小均有差别，因此它们的机械过滤作用、吸附、沉淀，氧化还原电位值都不同。入渗的污水要在含水层中与地下水及岩层进行水岩作用，这过程极为复杂。地下水一旦遭受污染，很难治理与恢复，因为受污染的地下水在土壤岩石孔隙中，2p，太原理工大学硕士研究生学位论文地质条件复杂，调动起来非常困难，不容易像地表水那样集中处理。因此，有必要对地下水环境修复技术的可行性进行探讨。l 、当污染物浓度增加，地下水环境本身具有自我改变的能力，通过这种改变来降低对地下水本身的影响，即地下水环境的自净功能。因此通过强化地下水环境的自净能力，使污染对地下水环境的影响降到最小是完全可能的。2 、污染物在地下水环境迁移的同时发生一系列化学反应如络合、吸附等，当反应物增加时( 即污染物增加时) ，生成物必然增加；由于地下水环境的自净作用主要有吸附作用等，污染物增加时，其吸附量也增加。因此，化学反应的质量作用定律和质量守恒定律可以反映出地下水环境的自净作用。基于此建立的多组分化学平衡模型用于研究强化地下水的自净能力是可行的。3 、当外界条件改变时，会对整个地下水环境的平衡状态产生影响，影响污染物的吸附平衡，进而对于地下水环境的自净能力产生影响。因此通过研究外界条件改变对于污染物吸附的影响规律，找出增加吸附量的办法，强化地下水环境的自我净化能力是可行的。4 、受损的地下水通常存在于土壤孔隙和岩石的裂隙中，难以集中处理。地下水环境修复技术就是依靠地下水环境本身的净化能力，在受损的原位进行，从实践的角度上讲，修复技术不需要大量的处理设备，只需人工控制某些因素等，可以较好的应用于实际；但由于地下水环境的复杂性，使得修复技术的应用还有一定距离。1 3目前地下水环境修复的基本方法1 3 1 物理化学方法1 3 1 1 物理修复( 1 )电动力学修复3太原理工大学硕士研究生学位论文电动力学修复技术是利用电渗析、电迁移和电泳使土壤孔隙中的水和荷电离子或粒子发生迁移运动，一般用于地下水、土壤的原位修复。该法可以高效除去土壤和地下水中的重金属离子，直接去除有机物。电动力修复技术既克服了传统技术严重影响土壤区域和地下水所处的生态环境的特点，又可以克服现场生物修复过程非常缓慢、效率低的缺点，而且投资比较少，成本比较低廉。电动力修复技术的基本原理圆是将电极插入受污染的地下水及土壤区域。在施加直流电后，形成直流电场。由于土壤颗粒表面具有双电层、孔隙水中离子或颗粒带有电荷，引起土壤孔隙水及水中的离子和颗粒物质沿电场的方向进行定向运动，统称为动电效应或者电动力学现象。土壤孔隙表面带负电荷，并与孔隙水中的离子形成双电层。扩散双电层引起孔隙水沿电场从阴极向阳极方向流动，称为电渗析。孔隙水流动速度与双电层厚度( 土壤孔隙表面的z e t a 电位) 或者说与水流动所携带的动电电流成正比，而与水流中电解质的浓度关系不大。土壤颗粒表面的双电层厚度一般在l o m a 左右。电渗析流与外加电压成正比。电渗析流用以下方程描述：q = 屯x a屯是电渗析导率系数，m 2 ( v s ) ；是电压梯度，v c m ；h 是截面积，m 2 。电渗析在土壤孔隙中产生的水流比较均匀，流动方向容易控制。对于结合紧密的粘土土壤，电渗析产生的水流渗透率高于水力学渗透率几个数量级，而且动力消耗低。电动力学第二种机理是带电粒子的迁移运动，简称电迁移。在直流电场中，正离子向阳极迁移，负离子向阴极迁移。电动力学第三种机理是土壤中带点胶体粒子的迁移运动，称为电泳。土壤中胶体粒子包括细小土壤颗粒、腐殖质和微生物细胞等。( 2 ) 渗滤墙技术【j j渗滤墙是在污染物区域下游设置的具有渗透性的障碍墙。当污染物或者受污染的地下水流经此障碍墙，污染物被截留下来并得到处理或者处置，地下水得到净化，这能够降低下游受污染的程度。4太原理工大学硕士研究生学位论文i图卜3 渗滤墙技术乐意图f i g u r e l 一3t h es k e t c hf i g u r eo fp e r m e a b l eb a r r i e r渗滤墙的实旋受污染地点的地质构造、水力条件和污染物的类型、浓度及其在水平和垂直方向的分布的影响。最简单的渗滤墙是在垂直于流动方向建设跨越整个污染区月的渗透性阻碍墙。为了缩小处理范围或者集中处理，可以采用觅食的非渗透性阻碍墙和渗透性的活性通道，这样可以降低成本。针对不同的类型的污染物，阻碍墙内部可以填充不同的活性材料，或者结合不同的修复技术。( 3 )气体抽提和空气吹脱气体抽提技术利用真空泵和井，在受损污染区域诱导产生气流，将有机污染物蒸气，或者将被吸附的、溶解状态的污染物变成气相抽提到地面进行收集和处理。该技术能够原位操作，比较简单，对周围的干扰能够限定在较小的范围内；可以有效去除挥发性有机物；容易与其他技术相结合，且容易安装和转移；在美国，抽提技术是修复加油站污染的地下水的标准技术。空气吹脱是在一定的压力条件下，将压缩空气注入受污染区域，将溶解在地5太原理工大学硕士研究生学位论文下水中的挥发性化合物，吸附在土壤颗粒表面的化合物，以及阻塞在土壤空隙中的化合物驱赶出来。空气吹脱包括1 现场空气吹脱；2 挥发性有机物的挥发；3 有机物的好氧生物降解。相比较而言，吹脱和挥发作用进行的比较快，而生物降解过程相对比较缓慢，在较长时间内才显现出来。1 3 1 2 化学修复在受污染区域，建立活性反应区域，同时将周围的污染物质随地下水迁移至活性反应区域进行分解去除或者钝化固定。在活性反应区域，一般需要注入合适的反应物质与迁移来的污染物进行反应。但是，注入的反应活性物质能够比较均匀地分布在活性区，而且反应物质本身无毒或者产物对环境无害。设立活性反应区可以对污染物进行就地处置和降解，不需要建立昂贵的地面设施，安装旋工比较容易简单，可以用于深层污染的修复和处置。反应活性区可以用来截留处于流动状态的地下水中的污染物，避免其向更远的距离扩散和迁移，污染更大的范围。原位化学修复就是通过化学反应例如氧化、还原、吸附、沉淀、有机金属络合等，使重金属离子在受污染地点就地固定下来，或者将有污染物转化为无毒或者毒性较小的化合物，或者将污染物质转化为不易溶解、不易迁移的形式或状态。固定化是将污染物质包容起来，呈小颗粒或者大块形状，使污染物质处于稳定状态，不再影响周围环境。化学修复技术通常用于重金属离子和放射性物质的稳定化和固定化处理。1 3 2 生物法1 3 2 1 微生物修复微生物修复是利用微生物降解土壤地下水中的污染物，将其最终转化为无机物质的技术。原位生物修复技术是在基本不破坏土壤和地下水自然环境的条件下，将受污染的土壤和地下水原位进行修复。在原位生物修复技术中，人为强化的方6太原理工大学硕士研究生学位论文法有：1 、提供微生物生长所需要的营养，改善微生物生长的环境条件，从而大幅度提高野生微生物的数量和活性，提高其降解污染物的能力。2 、投加实验室培养的对污染物具有特殊亲和性的微生物，使其能够降解土壤和地下水中的污染物。生物修复的主体是适应了土壤和地下水环境的野生菌种或者投加的菌种，包括好氧、厌氧、兼氧和自氧微生物。微生物利用污染物质作为基质用于生长繁殖。同时，也需要诸如氮、磷和其他次要营养元素例如硫和微量元素等，一般土壤环境都能满足要求。微生物的生长需要一定生长环境例如适宜的p h 值和温度。在降解过程中，多数污染物质是作为碳和能量来源而被微生物利用的，但是也有相当数量的污染物的降解并不是与微生物的生长相直接联系的，微生物通常需要以一种比较容易降解的物质作为营养物质，污染物质作为第二基质或者称为共降解基，质被微生物降解。大量研究表明，许多难降解有机物都是通过共降解途径开始生物降解并被逐渐降解为最终产物。在污染物生物降解过程中，需要电子受体以便不断接受污染物分子降解所产。生的活性电子，维持反应的进行。最常见的电子受体是分子氧，其接受电子后还原为水。污染物分子放出电子最终转化成为二氧化碳。当氧气耗尽以后，微生物转入厌氧状态，此时电子受体依次是硝酸根离子、亚硝酸根离子、氧化锰、三价铁离子、硫酸根离子和二氧化碳等。不同类型的电子受体参与生物降解反应需要相应的氧化还原电位条件。好氧反应需要在比较高的氧化还原电位条件下进行，而厌氧反应需要在比较低的氧化还原电位条件下进行。其中，以分子氧作为电子受体的生物降解反应速度最快。因此，向土壤和地下水供应氧气和氮、磷营养就可以加速生物降解修复过程。土壤结构对于生物修复技术应用的可行性和效率的影响是最最大的。一般来说，非粘性的，比较松散的土壤层例如沙子和卵石层，比较有利于生物修复技术发挥作用；而比较密实的土壤层例如粘土层不利于生物修复技术的应用。污染物7太原理工大学硕士研究生学位论文在土壤和地下水中以不同的形态存在，其对微生物的影响也各不相同。对于微生物来说，能够直接吸收的是溶解性的污染物，因此重要的是溶解性的浓度1 3 2 2 植物修复利用植物对受损的土壤和地下水进行修复，修复的对象可以是无机物，也可以是有机物，主要的修复过程在植物根部周围进行。对于无机污染物例如重金属离子，植物修复的过程可以细分为植物稳定和植物提取。植物稳定指利用植物通过降低风速，减少水土流失，避免水的进一步渗流和污染物区域的扩大；而植物提取指植物在生长过程中，将污染物吸附进而吸收，使其进入植物在地面以上的部分，通过收割生物质，将无机污染物回收或者进行适当的处置。有些植物对特定的重金属离子具有异乎寻常地吸收能力，可以达到自身干重的2 5 ，其体内重金属离子的浓度可以是正常值的数百倍甚至数千倍。对于有机污染物植物修复包括两种途径：1 、直接吸收，然后积累在植物体内。有机物被植物吸收的程度与污染物的增水性相关，也与植物的类型和土壤等有关。有机物被植物吸收后，可能储存在体内，也可能通过各种途径进行不同水平的代谢，最后变为矿化产物。2 、根部生物降解，因为在每一种植物的根部都共生大量的微生物包括细菌和真菌。根部能够分泌各种营养物质例如聚多糖、氨基酸、碳水化合物和一些微生物等。此外，根部的衰亡腐烂也为微生物提供营养。因此，与植物根部共生的微生物不同于土壤微生物，具有独特的性状。由于能够从植物得到营养，这种微生物可以高效的降解土壤和地下水的有机污染物。植物修复的优点是投资少，运行费用低，植物根部能够渗透至一般技术难以达到的位置，污染物泄漏少，土壤得到改良；缺点是处于植物根部深层的污染物得不到去除，而且污染物的毒性可能影响到植物的生长，过程比较缓慢。8太原理工大学硕士研究生学位论文1 4 地下水环境修复的研究进展1 4 1国外地下水环境修复的研究进展国外的环境修复机理和技术研究开始于上个世纪七十年代。美国有关受损水环境的修复研究自1 9 7 0 年起就由c l e a nl a k ep r o g r a m ( c l p ) 组织实施，投入经费逐年增加；1 9 8 0 年美国国家研究委员会( n r c ) 开展水环境恢复的研究，制定修复计划，解决污染源问题，最终目标是保护和恢复河、湖、地下水等水环境系统，改善和恢复水环境的功能。欧洲一些国家也从2 0 世纪7 0 年代开始水环境修复工作，并取得明显成效。德国首先推行重新自然化( n a t u r a n a h e ) 的水环境保护政策，随后周边诸国如瑞士、奥地利等也相继实行，力争将水环境恢复到接近自然的状况。荷兰1 9 9 0 年对部分地区进行环境修复，使该地区的水质得到很大改善。日本从1 9 8 0 年开始积极推进不断地恢复自然状态的环境建设【4 】。目前地下水环境修复研究的对象主要集中在浅层地下水、承压水、岩溶水、以及一些极端环境下无限地下水体的修复。修复技术方面主要在已有的修复技术的基础上进一步研究提高该项技术修复效果的措施和多种修复技术的联合使用。电动力修复技术研究已经从机理研究进入现场试验阶段。研究的热点集中在克服电动力修复技术的缺点，提高电动力修复技术的现场修复效率以及与其他的修复技术如生物修复技术相结合，优化组合，来克服各自的缺点，以提高有机污染物质的修复效率上。s o o - s a mk i m i s 等的研究表明以h 2 0 2 和弱酸作为阳极洗剂，可以有效去除低渗透性土壤中不溶性有机污染物；r i c h a r de s a i c h e k l 6 1 等通过在阳极用石灰控s j j p h 值提高低渗透性土壤中去除多环芳香化合物的效率。a c a r 和m a r k s l 7 , 9 1 分别研究了用电动力学方法为微生物输送营养元素，例如氨氮和容易摄取的碳等。结果显示：在高岭土中，当氨氮和硫酸根离子浓度分别是1 0 0 m g l 和2 0 0 m g l 时，其迁移速度大约是每天l o c m 3 。渗滤墙技术在国外已经是一种应用于实际修复的技术之一。北美和欧洲已经建造安装了超过1 2 0 座活性渗滤墙。美国北卡罗来纳州伊丽莎白城东南5 l 锄处受到铬和t c e 的严重污9太原理工大学硕士研究生学位论文染，利用活性渗滤墙技术成功的修复了被污染的地下水【9 1 ( u s a p a ，2 0 0 2 ) 。目前研究的热点主要是渗滤墙填充的活性材料。i k a d i r v e l u 和c n a m a s i v a y a m 1 0 】等研究将活性炭作为活性材料修复受损地下水效果良好。w e s t e r h o f fp 研究用零价铁作为活性材料修复硝酸盐类、溴化物、氯化物等污染的地下水体，结果显示应用金属铁可以很好的降解卤代有机物。最近研究该项技术在冰冻地区的应用，is h a p e 】等就应用渗滤墙在寒冷地区控制污染物的扩散取得初步进展。目前化学修复技术中用于反应药剂的沉淀剂、絮凝剂、提取剂等的研究成为热点。m a t t h e wm m a t l o c k 等【1 2 】研究了三种沉淀螯合剂发现它们不能去除溶剂中含有5 0 p p m 的二价镉、铜等离子达到e p a 标准，且在高过滤率及某些情况下分解产生有毒物质，并提出含硫多齿配位化合物能够安全有效的去除这些金属。a a r o nr t ”1 等研究表明m e t x可以与汞及其他重金属不可逆结合产生沉淀而除去重金属。s u n g - k i r lp a r k 等【1 4 】研究非离子表面活性剂可以修复p c p 污染的地下水，研究显示：大约4 0 一5 0 倍t n p 和大约2 0 一3 0 倍p c p 吸附于含高含量有机物的土壤。微生物修复地下水环境研究的热点集中在增加微生物的活性、可利用性或加速生物降解速度和效率等方面。d e b a r a t ip a u l 【1 5 】等将在生物降解分子遗传学和合理的蛋白质改良基础上发明的“生物催化剂”应用于环境修复，在降解污染物后快速杀灭生物催化剂。w i l l i a mj h u n t e r 1 e 等将植物油注入土壤柱作为微生物的培养基，可以有效去除氯酸盐、硝酸盐或高氯酸盐等。植物修复目前仍以机理性研究为主。t o m o n o r is o n o k i 等【1 7 】研究表明移入适当酶的烟草植物能够有效去除苯酚，每一克干重的烟草可去除2 0 u m o l 的苯酚。y i h n u r a 等 1 8 】研究将m n - 过氧化酶转移到烟草植物中，2 5 0 | im l的p c p 浓度减少了8 6 。近年来重金属超富集植物( h y p e r a c c um u l a t o r ) 的研究己成为植物修复的一个热点。1 4 2 国内地下水环境修复的研究进展我国对水环境修复技术的相关科研工作起步较晚，是近二十年来才发展起来的。中国科学院生态环境研究中心、地理研究所以及许多高校分别开展了水环境1 0太原理工大学硕士研究生学位论文修复修复机理以及应用技术的研究。目前国内仍然以引进国外先进的修复技术为主，自主研发修复技术的力量相对薄弱【1 9 】。在研究对象上主要研究广泛的地下水体环境、浅层地下水、对于傍河水源地的具体修复研究尚处于空白。研究的修复技术方面主要引进国外的技术，在国内进行改良，克服某些缺点，但都处于理论研究和中试阶段，真正付诸于实践的寥寥无几。国内电动力修复技术研究主要是在基本技术的基础上进行改良或与生物技术结合，罗启仕等人【2 0 】研究非均匀电场对不饱和沙土中的n 0 3 - ，s 0 4 2 - 的迁移特征，结果表明非均匀电场能有效地增强土壤中的n 0 3 - ，s o , ”的移动性，同时能促使n 0 3 - 转化为n o f 徂e 之从土壤中分离。张锡辉等口1 捌人在电动力技术加速环境中的有机污染物和微生物的运动，注入营养物质、电子受体等方面介绍国外的先进理论和技术，并进一步进行实验研究。国内微生物降解技术在环境领域中的应用已经有几十年的历史，主要是在废冰处理方面，用于土壤和地下水的修复还是崭新的。虽然在生物修复技术应用方湎还有很多空白，但是也具备了大力发展的基础。在高效降解菌方面，国内不同单位都找到了不同有机物相对应的降解菌株。将微生物技术应用于土壤、海水等污染修复中，国内也有些单位取得了初步进展。但是关于重金属的生物修复仍处于试验室的小规模实验中，野外试验仍未取得突破性进展。目前，西南交通大学生物工程系与军事医学科学院基础医学研究所在国际遗传工程与生物技术中心( i c c e b ) 和国家自然科学基金的资助下进行合作，已经和正在开展大量这方面的工作，如基于n e i s s e r i a g o n o r r h o e a e 菌i g a 蛋白酶的1 3d o m a i n 结构域的细菌随机肽库构建和应用，金属高效结合肽的筛选和酵母展示研究、多肽金属离子相互作用研究等 2 3 甜】，相信一定会极大的推动这方面的工作和实际应用。国内植物修复技术的研究已进入了中试和现场试验阶段。苏德纯等【2 5 1 在研究油菜( b r a s s i c a j u n c e a )对c d 的修复时发现，土壤中c d 浓度在o 2 0 m gt g 一1 范围内油菜的地上部生物量、太原理工大学硕士研究生学位论文地上部吸收c d 量对土壤的净化率均明显高于参比超富集植物印度芥，其体内c d 浓度也和印度芥相当，吸收的c d 8 8 以上分布在地上部分，他们认为油菜有较强的耐c d 毒能力，可作为一种很有潜力的修复c d 污染土壤的植物。1 5 本文的主要研究思路傍河水源地一方面由于松散层渗透性好，地表水污染物容易通过渗流进入地下水环境，造成地下水的污染，进而导致水源地因为水质恶化而报废；另一方面正由于傍河水源地地下水与地表水补排关系，地表水稳定补给地下水，水交替活跃，而地表水环境较之地下水环境便于控制，可以通过控制地表水环境来控制地下水环境的改变，因此选取傍河水源地作为研究对象。傍河取水水源地地下水水质与地表水水质存在很好的相关性，当地表水中重金属浓度增大，相应地下水中重金属的浓度必然增加；而地下水环境自身存在净化机制来降低重金属的浓度，但是天然状态下这种净化能力不足以应对增加的污染物浓度，需要人工强化这种净化能力。地下水环境净化这些重金属的主要作用有微生物降解和吸附作用，由于吸附作用便于通过改变外界条件来控制吸附平衡，使之向我们希望的方向移动。此外，傍河水源地的多孔介质也有利于重金属的吸附；因此，可以通过采取改变某些因素的措旌控制地下水环境中的吸附平衡，强化地下水环境的自净能力，加强地下水环境对重金属的吸附作用，增加从河流补给区到开采水源地之间的吸附量。为了找出增加重金属吸附量的途径，本文主要通过研究傍河水源地地表水与地下水的补排关系和地下水多组分系统中重金属反应的各种机理，建立地下水多组分化学平衡模型；利用该模型分析各种影响因素对重金属在地下水多组分环境中的分布影响，找出影响重金属吸附量的可控变量，进行优选，提出修复地下水环境的措施，并对修复效果进行预测。1 2太原理工大学硕士研究生学位论文1 6 主要的研究内容及创新点1 6 1 主要研究内容地下水多组分平衡系统处于动态的平衡状态，当其中某一种组分发生变化，就会影响系统内的其他组分。传统的研究方法是以单一组分为研究对象，忽略了组分间的相互作用，不能全面的描述地下水系统。因此，需要对系统中的所有组分进行描述，才能全面准确地模拟地下水化学平衡。地下水存在于土壤空隙和地下岩石裂隙中，构成了水一质一岩复杂系统。由于地下岩石具有较大的比表面，能够吸附周围溶液中的各种分子和离子。地下水污染的大量研究也表明吸附作用可以有效的降低有毒组分的浓度。但传统的地下水污染研究仅仅研究某种组分被吸附的总量，不清楚该组分究竟以何种形式被吸附。因此，本文主要研究内容有：( 1 ) 通过研究傍河取水水源地与河流的补给关系、傍河水源地的地质特征等来研究傍河取水水源地地下水污染的特征。( 2 ) 根据重金属及其他多种组分在地下水环境中主要发生的络合反应、吸附解吸反应机理，建立地下水多组分化学平衡模型。( 3 ) 利用地下水多组分化学平衡模型，分析在地下水环境中重金属的络合形式及浓度分布，重金属的吸附形式及吸附浓度分布。( 4 ) 利用地下水多组分化学平衡模型，分析影响重金属分布的各种因素对重金属吸附形式及吸附浓度分布的影响。( 5 )