地下水环境 第6章 地下水污染及其防治.doc

第六章 地下水污染及其防治1 地下水水质 水是一种良好的溶剂。地下水长期埋藏和运动在地下岩石的裂隙和土壤孔隙中，不断溶解与其相接触的岩石和土壤中的盐类和气体，使之成为地下水中的化学成分。此外，人类活动也不断改变着地下水的化学成分，如污水的排放、农药化肥的流失进入地下水等，都是引起地下水化学成分变化的原因。1.1 地下水的化学成分 成分复杂，包括：离子，气体，络合物，胶体，微量元素，有机质，悬浮物，细菌、病毒等 自然界中存在的元素，绝大多数可在地下水中发现.2、 地下水中的主要离子成分 八大离子：Cl, SO4, HCO3 , CO32 , Na+ , Mg2+ , Ca2+ 和 K+ 不同离子含量的多少决定水的化学类型l 低矿化水：以HCO3 , 及Ca2+ 、 Mg2+ 为主；l 中矿化水：以SO4 及Na+ 、 Mg2+ 为主；l 高矿化水：以Cl、Na+ 为主； 3、 主要气体成分： CO2、O2、N2、H2S 等 气体主要影响地下水的氧化还原性质和酸碱度。 CO2：来源复杂：在地壳浅处，可来源于大气，也可来自土壤中生物化学作用所形成的产物。在地壳深处的火山活动和岩浆活动地区，碳酸盐也能生成二氧化碳。溶解于水中的二氧化碳称为游离二氧化碳。当水中含有重碳酸根离子时，要有一定数量的游离二氧化碳与之平衡。当水中游离二氧化碳含量高于平衡需要时，遇有碳酸钙物质，就可溶解碳酸钙。这种与碳酸钙起反应的二氧化碳称为侵蚀性二氧化碳。侵蚀性二氧化碳对混凝土和金属均有破坏作用。当水中的可溶性二氧化碳超过500mg/l时称为碳酸矿水，可作饮料。 O2和N2 ：来源于大气；氧化环境：有溶解氧的环境称为氧化环境，氧化环境中可使许多有机物和无机物被氧化；氧的含量随深度减少。 硫化氢H2S ：是缺氧还原条件下有机物生物化学作用的产物；油田地下水和火山岩区矿泉水中含量高。4、 地下水中的微量元素、有机成分和细菌 微量元素：含量10mg/L的元素称之。溴(Br)、碘(I)、氟(F)、硼(B)、磷(P)、铅(Pb)、锌(Zn)、锂(Li)、锶(Sr)、钡(Ba)、砷(As)、钼(Mo)、铜(Cu)等。迁移性能弱，分布不广，但近年来，化肥和农药的施用、工业废水和矿业废渣的处置和排放以及放射性废料的处理等使得地下水中某些微量元素剧增，造成地下水的污染。某些对人体有害的微量元素可导致地区性的病害（如氟病、地甲病、克山病和大骨节病等）；有些可致地区病害。 有机质：是以碳、氢、氧为主的高分子化合物，常以胶体方式存在于地下水中。其大量存在利于还原作用，助于改变水的化学成分 细菌、病毒：含量的多少取决于地下水污染程度5、 地下水总矿化度： 地下水中所含离子、分子和化合物总量称为总矿化度(g/L) 。 以蒸干水所得干涸残余物总量来表示，或用分析所得阴、阳离子含量相加，求得理论干涸残余物值。1.2 地下水的物理化学作用1、吸附作用 吸附是指地下水中的某些成分由于固液相之间的作用聚集在固体表面的过程。土壤的吸附作用可降低被污染的地下水中的重金属和有机物含量 物理吸附：由于土壤颗粒具有表面能，可借助于分子引力将地下水中分子状态的物质吸附在自己表面上的作用。 物理化学吸附：也称阳离子代换吸附，即土粒表面所吸附的阳离子与地下水中的阳离子进行代换的作用。 解吸：被吸附的物质从土壤表面进入到溶液中的过程2、沉淀和溶解作用 水中某离子浓度超过饱和浓度时，从水中除去而产生沉淀。由于沉淀作用，可减小地下水中离子的含量。 使某些固相物质（或盐分）转为液相的过程称为溶解。重新溶解已沉淀的盐分，增大了地下水中该盐分的含量。 3、放射性衰变作用 水中放射性物质的来源：有天然和人为两种，但以人为因素为主。 水中放射性物质与外界的作用包括：其随地下水运动、受土壤吸附、与土粒表面的离子交换和机械截留等作用 放射性元素本身的衰变。4、机械过滤作用 指土壤像一个过滤器，当水通过土壤时，水中的悬浮物、细菌等颗粒较大的物质可以被土壤截留。1.3 水质标准 不同用途的水质标准（国家颁布的水环境质量标准） 生活饮用水水质标准 GB5749-85 。 农田灌溉水质标准GB5084-85. 地面水环境质量标准GB3838-88. 渔业水质标准TJ35-79. 劣质水灌溉：城镇生活污水灌溉；高矿化度咸水灌溉2 地下水污染概述 2.1 地下水污染的概念地下水污染：凡是在人类活动的影响下，地下水质(物理性质、化学组分、生物性状)朝着不利于人类生活或生产的水质恶化方向发展的现象，统称为地下水污染。判定地下水是否污染须具备三个条件：1. 水质朝着恶化的方向发展2、 这种变化水由人类活动引起的 3、 地下水是否污染的判别标准是地区背景值（或本底值），超过此值，即为污染2.2 地下水污染源和污染物l 人类活动导致进入地下水环境、引起水质恶化的各种物质(溶解物或悬浮物) 称为地下水污染物。l 污染物的来源或发源地称为污染源。l 地下水污染源的分类： 按产生污染物的部门，可分为：工业污染源，生活污染源，农业污染源等 按污染源的空间分布特征，可分为：点状污染源，线状污染源，面状污染源 按污染物的存在状态，分为：固体，液体，气体，可溶混和不可溶混的污染源 按污染源作用时间长短，分为：连续污染源，间断(周期)性污染源，瞬时污染源l 地下水污染物的种类（种类繁多，按其性质大致分为三类）： 化学污染物：1. 无机污染物：最普遍的无机污染物是NO3-,其次盐污染Cl-、硬度Ca+Mg+和总溶解性固体等，微量非金属As(砷)、F，微量金属Cr、Hg、Zn等2. 有机污染物：分为两类 生物易降解有机污染物耗氧有机污染物：多属碳水化合物、蛋白质、脂肪和油类等自然生成有机物，一般无害，降解过程中消耗溶解氧，使水质变差。 生物难降解有机污染物持久性有机污染物(POPs)：杀虫、杀菌剂，多氯联苯（用作增塑剂、润滑剂和电解液等），化学品的副产品（二噁英）等物质，毒性强，可致癌、致畸等，严重危害生物体健康和安全。 生物污染物： 三类：细菌、病毒、寄生虫 来自粪便和未经消毒的污水 污染的可能性与细菌和病毒的存活时间、地下水流速、地层结构、PH等多种因素有关。 放射性污染物： 指各种放射性核素的放射物：粒子、粒子、射线 人为来源：核电厂，核武器试验散落物，实验室和医院用放射性同位素 天然来源：放射性矿床或地层。2.3 地下水污染特点 l 地下水污染特点有二： 隐蔽性： 即使严重污染，也无色无味，难以鉴别 对人体影响是慢性、长期作用，不易察觉 难以逆转性：一旦污染，很难治理和恢复 原因：流速慢，交替时间长，自然净化需十几年、几十年，甚至上百年2.4 地下水污染方式和途径 地下水污染方式有两种： 直接污染： 指地下水中的污染组分直接来源于污染源，污染组分在迁移过程中其化学性质保持不变 易查明污染来源和污染途径 间接污染： 地下水中的污染组分在污染源中含量不高或不存在，是污水或固体废物淋滤液在地下水迁移过程中，经复杂的物理、化学和生物反应后的产物 如地下水硬度升高，多以该方式产生 地下水污染途径可分为4类： 间歇入渗型： 污染物随大气降水或污水通过包气带周期性地渗入含水层 呈非饱和状态的淋雨状渗流，或短期饱水状态连续渗流形式 污染源是固态（废料、垃圾、化肥、农药、易溶盐等），污染对象是潜水 连续入渗型： 污染物随污染液连续不断渗入含水层 污染源是液态（污水、化学液），污染对象是潜水 越流型： 污染物以层间越流方式，通过弱层或通过人为途径（破损的井管）从受污染层转移到未受污染层 污染潜水或承压水 径流型： 污染物直接通过地下径流形式进入含水层，污染潜水或承压水 如污水河、废液井，海水入侵等 分析下图中各种污染情况，各属于哪种污染途径：3 地下水环境保护 3.1 地下水污染源调查 污染源调查是环境保护的一项重要内容。概述1. 调查的目的查明污染源、污染途径及影响污染的各种天然和人为因素，为进行地下水污染评价、提出预防、控制和消除污染的综合性措施提供依据 2. 调查的内容 污染物、污染源、污染途径 含水层中污染中心的分布、迁移规律 区域自然地理、水文地质环境3. 工作方法 地面调查、勘探工作、野外试验、室内试验、地下水污染监测4. 调查工作程序分三个时期 准备工作、野外工作、室内工作（1）. 准备工作时期 明确调查目的、任务、调查区范围、现有仪器设备、要求提交成果 进行搜集资料、现场踏勘、拟订工作计划或编写设计书 （2）. 野外工作时期（现场地下水污染调查工作） 地面调查、勘探、试验、取样、现场分析、污染监测、室内分析鉴定等 做好原始资料的编录，绘制野外图件，加强综合分析（3）. 室内工作时期 对野外调查中搜集到的各种资料、数据和勘探试验成果进行系统分析整理，编制图表，综合研究 分析找出影响地下水污染的主要因素、各因素对地下水污染的影响程度 进行地下水污染程度的评价，确定污染源及污染途径，污染物迁移规律 提出防治地下水污染的合理措施。 地下水污染调查的工作包括： 地面调查（以搜集资料、社会调查及地面观测编录为主） 勘探工作 利用坑探、钻探、物探及遥感技术等手段查明污染带分布和污染途径 野外试验（包括以下两种试验） 野外弥散试验：向钻孔投放示踪剂，观测其随时间和空间变化，以研究污染物迁移转化规律； 试坑渗水试验：模拟污水灌溉或污水渗漏对地下水的污染，了解土壤的吸附净化能力、某有害物质经降水渗入淋滤，在地下水中的迁移过程； 室内室验（包括以下几种） 污水、地下水和岩石的混合实验，研究它们之间的相互作用 弥散带演化模拟实验，研究溶质的弥散规律 弥散参数的测定（分子扩散系数、弥散系数等）地面调查部分内容：1. 与地下水污染有关的自然环境背景调查 自然地理环境调查 污染区的气温、降水量及成分、蒸发量； 地面水体分布，河流水位、流速流量、化学成分、与地下水的水力联系 地貌特征对污染地下水分布和浓度变化的影响； 土壤的矿物成分和化学成分对地下水污染程度的影响； 植被类型、主要植被资源的形态特征、生活习性对地下水污染的影响 地质与水文地质调查 污染区的地质构造特征、地层分布、岩性特征 含水层的埋藏、厚度及各层间的联系，地下水的补、径、排条件，化学成分及污染情况 地下水开采后可能导致的上下层间的联系，承压水和潜水混合开采井的分布和数量，混合水位和水质，及对地下水水质的影响。2. 地下水污染源调查 工业废水和城市生活污染源调查 排污系统的调查（管线的布局、材料、质量、埋藏深度、所通过的岩性；废水来源；废水排放量：通过访问，重点厂矿应实地测量） 污染物排放量计算: Mi=Qci 其中： Mi 第 i 种污染物的排放量 Q工业废水的平均排放量 Ci 第i 种污染物的平均排放浓度 工业废渣及生活垃圾调查（废渣及垃圾的类别、堆放处理方式、压实程度和含水量；堆放地点、范围、年堆放率、地层、岩性及渗漏情况） 农业污染源调查 调查内容 农药使用情况，包括农药品种、使用量、使用年限等； 化肥使用情况，包括化肥品种、施肥方式、施用时间、单位面积施肥量等； 污灌情况，包括污水成分、污灌范围、污灌次数及污灌量等 环境污染源调查 调查内容 河段、沟渠、渗坑渗井及废矿坑渗漏量及污染物品种和浓度 大气降水的污染物质、降雨量和降雨特征 海水入侵面积及分布3.2 地下水污染监测通过监测，可判定地下水中的有害成分、污染来源、污染途径、污染范围、污染程度，是进行地下水环境质量评价和地下水水质预测分析的基础 监测网点的布置1.地下水污染状况 点状污染、线状污染、椭圆状污染、面状污染2.观测网的布置视地下水污染状况而异 点状污染 特点：渗透性较差，污染范围小；监测点应布置在源附近较小范围 椭圆状污染 特点：渗透性较好，扩散迅速，平面分布近似椭圆（图1）污水坑 监测点应分别平行和垂直于地下水流向布置，控制住污染带范围 面状污染 特点：污灌、农田施肥等污染，面积大；监测点网应近似均匀布置 线状污染 特点：排污河道渗漏所致（图2）；垂直于河渠布置若干观测断面，观测孔的多少应根据河渠污染程度和沿岸地层的渗透性确定。 地下水监测项目 常规项目：钾K+、钠Na+、钙Ca+、镁Mg+、硫酸根SO42-、氯Cl- 、重碳酸根HCO3- 、PH值、总溶解性固体TDS、总硬度、耗氧量、铵NH4+、硝酸根NO3- 、亚硝酸根NO2- 、氟化物F- 有害物质：汞Hg、铬Cr、镉Cd、铜Cu、铅Pb、锌Zn、砷As等重金属，有机有毒物质，酚C6H5OH，氰化物CN- 以及其它有害物质 细菌：大肠杆菌、细菌总数等 根据当地污染源情况，增加与污染有关的特殊项目，如有机污染物，微量元素，放射性物质，溶解性气体等 地下水监测频率 一般在地下水的丰水期、枯水期、平水期分别各采样1-2次 特别复杂情况，适当提高监测频率 水样采集管理 水样采集要有代表性 样品采集和保管严格按照中国环境监测总站规定的要求和注意事项进行（略） 容器的选择、清洗、特殊水样的处理等 在非经常开采的井中采样时，须先抽水，待孔内积水排后再行采样 5. 现场分析与监测 现场分析与监测的重要性 避免由于环境改变而使水样的成分和性质发生变化 需要现场分析监测的项目 温度、电导率、PH、氧化还原电位Eh、溶解氧及其他溶解气体等 抽水会使水温升高1-4度，需井底温度探测仪； 电导率随温度的变化而变化； CO2等气体溢出使PH值升高，CaCO3、铁及某些金属氢氧化物沉淀使PH值降低； 3.3 防治地下水污染的措施1. 减少污染物的措施 改进生产工艺技术，减少“三废”的排放量 对废水进行无害化处理，严禁未经处理的污水向地下排放 利用高效、低毒农药，减轻农药污染2. 防止污水入渗的措施 认真选择废料堆放地，修建防渗建筑物 保持下水道的封闭性 堵塞和截流已污染水体的扩散3. 合理布局的措施 排污量大的工矿企业要远离地面水体和地下水补给区 深埋处理要仔细研究地质和水文地质条件 污灌只适合于包气带厚、透水性差的土层，并严格控制定额4. 饮用水源地要设置卫生防护带 戒严带：取水构筑物附近30m，不得堆放污染源 限制带：戒严带以外抽水影响半径以内，禁用污灌和剧毒农药，不得修建厕所、粪坑、垃圾坑、污水管道，不得破坏深层土壤 监视带：如限制带内存在潜在污染源，要对其进行监视，并进行流行病学观察，以便及时采取治理措施5. 地下水过量开采的保护措施 原则：增大补给，减少开采 地下水人工补给：利用水井回灌，利用河床、水库、坑塘等入渗 地下水与地表水联合运用：忙时抽用，闲时渗补 调整开采井的布局：垂向调整开采层位，平面采用水井轮休4 被污染含水层的治理 净化地下水的两个基本处理方法： 收容：消除污染源，衬砌废水坑或修筑暗坝以阻止污染物迁移； 清除：从含水层中除去污染物 两种方法需结合进行 治理污染的含水层难度较大，方法处于探索阶段4.1 化学处理法（原位化学氧化技术） 原位化学氧化技术 是一种新型的利用强氧化剂破坏或降解地下水、沉积物和土壤中的有机污染物，形成环境无害的化合物的修复技术； 被处理的有机污染物包括 挥发性有机物：DCE,TCE,PCE等氯化溶剂，甲苯、乙苯等苯系物； 半挥发性有机化学物：如农药 等 含非饱和碳键的化合物：石蜡，氯代芳香族化合物 可利用的典型氧化剂： 过氧化氢 H2O2 Fenton试剂 臭氧 高锰酸钾 处理技术和注意事项 投放氧化剂前，先在注入井周围或污染带界面上设置暗坝； 选择氧化剂化学组成和用量取决于污染物种类、数量、在地下的特征及试验结果； 投放氧化剂的方法较多，如将氧化剂与催化剂混合，用注射井或喷射头直接注入地下，再利用抽提井将注入的催化剂进行回收并循环利用（如图）； 在加入氧化剂的同时，还需使用稳定剂，以防某些有机污染物挥发。4.2 生物处理法 原理根据微生物可以分解地下水中某些有机成分的特点，在含水层中创造微生物生长和繁殖的物理及化学条件，或向含水层中引入菌种，促使含水层中微生物的生长和繁殖，用它们吞噬和分解含水层中的污染物质，达到净化的目的。 优点运行费用低，处理效率高，应用范围广，尤其在清除碳水化合物和其它有机物时效果明显 缺点对有些有机物不适用；微生物的繁殖使地下水的色、味发生异常；培养液注入产生新的污染问题；净化的含水层往往不能持续很长4.3 水力学方法水力学方法包括通过抽水净化、排出地下水、设置低渗透性屏障等措施，这些方法可以单独使用，也可以联合使用。1.抽水净化法 若含水层污染范围已查清，污染源已得到控制，可在污染区内合理布置抽水井，将受污染的水排出地表进行处理，或经地表处理使污染物浓度降低到一定标准后再重新注入地下，或利用抽出的污水进行灌溉 2.重力排水与垂向屏障相结合控制和去除污染 通过埋设地下排水管进行重力排水，可减