地下水污染与防治.doc

地下水污染与防治技术综述 王慎 臧继冬摘要:本文简要地说明了我国地下水污染现状；详细地介绍地下水污染修复新技术的分类:物理法、化学法、生物法，复合处理技术,且重点介绍了PRB技术；并针对我国地下水研究现状和存在的问题作一些建议，为地下水资源保护和合理利用提供依据,为相关领域的研究提供参考。关键词:地下水；污染；PRB；修复随着工业的发展和城市化进程的加快，大气污染，水体污染和固体废物污染严重，地表水体恶化，淡水资源缺乏，对地下水的过度开采，导致地下水污染问题日益突出，因此，研究地下水水体污染状况，监测地下水的水质变化，采用合理经济的污染处理与防治技术，对保护地下水资源，实现经济社会可持续发展有重要意义。1地下水污染现状1.1地下水污染现状我国城市地下水普遍受到不同程度的污染，北方城市地下水污染重于南方城市1。20世纪 90 年代的调查显示:以地下水为水源的18个大城市中已有17个受到了污染，河北省地下水污染面积已达391.97km2，太原市受到不同程度污染的水源数占7.2%2。南方城市地下水污染相对较轻。昆明市2000年地下水检测结果显示水样总合格率为57.25%。少数地区仍保持良好地下水水质。如深圳市宝安区地下水水质分析显示其地下水源大部优良。从最近的监测资料分析表明:全国地下水已普遍受到污染(超过97%)。部分地区水质超标严重，污染还在继续加重。依据2000年的水质监测资料，大多数城市地下水预报组分(或指标)呈增长趋势，地下水水质在向恶化趋势发展。尤其是北方有的城市污染更加严重，现已形成较大范围的重污染区和严重污染区，有不少地区地下水现已不能饮用。超标严重和超标率较高的指标为硬度、氨氮、硝氮、铬和汞等。其中铬和汞为有毒物质。浅层地下水有机污染物主要有三氯甲烷、四氯化碳、三氯乙烯、四氧乙烯。目前，我国地下水水环境污染面积在不断扩大。而且越是经济发达地区，其有毒物质的种类和数量往往也越多。多年形成的地下渗漏污染，连同地表水的不断恶化，积累了大量有毒污染物，直接影响着人民群众的生存环境3。1.2地下水污染源41.2.1工业污染源工业的“三废”是地下水污染的最主要因素之一。废水通过水循环直接污染地下水。如:工业电镀废水，其主要污染成分有CN、Cr、Cd、Ni、 Zn,、Hg以及“三酸”(HCl,H2SO4,HNO3)等。工业酸洗污水,主要成分为三酸。冶炼工业废水，主要污染物有铜、铝、锌、镍、镉等金属污染物质。轻工业废水,主要污染物为碱类、脂、醇、醛类、氨氮、染料、硫等。石油化工有废水,污染物成分以各种硝基、氨基化合物、油类、苯酚类、醇类、酸碱类、氯化物、氰化物、各种金属化合物、有机化合物、芳烃类及其衍生物。这些有毒有害废水，若不经过处理而排入城市下水道、江河湖海或直接排到水沟、大渗坑里，都是导致地下水化学污染的主要原因。一些工业废气,如SO2、H2S、CO、CO2、氮氧化物、苯并芘等物质会对大气产生严重污染这些污染物随降雨沉降,通过地表径流进入水循环中，对地表水和地下水造成二次污染。工业废渣包括高炉矿渣、钢渣、粉煤灰、硫铁渣、电石渣、赤泥、洗煤泥、硅铁渣、选矿场尾矿及污水处理厂的淤泥等。这些废物中的污染物由于降水等的淋滤作用,进入水体,造成污染。1.2.2城市污染源 城市生活污水和生活垃圾是污染地下水的两大重要因素。生活污水主要是SS、BOD、NH4-N、ABS、P、Cl、细菌等。这些污染物,多数排入河道、沟渠或渗坑,对地表水和地下水产生污染.任意堆放的未经处理的生活垃圾通过风吹、降水淋溶，其中的有毒有害物质进入水体，也污染了地表水和地下水。生活垃圾一般采用埋填法处理，而这些大量被填埋于城市周围的垃圾，随着日晒雨淋及地表径流的冲洗，其渗滤液会慢慢渗入地下，污染地下蓄水层。1.2.3农业污染源 由于农业活动而造成的地下水污染源主要包括土壤中剩余农药、化肥、动植物遗体的分解以及不合理的污水灌溉等，它们引起大面积浅层地下水质恶化，其中最主要的是NO3-N的增加和农药、化肥的污染5。1.2.4其他 其他人类活动和自然灾害也会影响地下水水质,如果修建地铁，开凿运河引水，采矿等活动会改变地下水的水位，影响地下水的流动，进而影响地下水中污染的扩散降解。地震火山等自然灾害会将地壳深处的某些有害物质带入地下水，污染水体。1.3地下水污染危害6地下水污染是指人类活动使地下水的物理、化学和生物性质发生了改变，从而限制了人们对地下水的应用。受工业污染的地下水中含有大量有毒有害物质，如某些重金属会引起生理上的病变，比如镉中毒之类的疾病。其它有机污染物大多有致畸致癌致突变作用。城市生活污水及垃圾渗滤液中含有大量细菌，饮用受些污染的地下水会极易感染，引起大量疾病。污染严重的地下水有恶臭，甚至影响其的工业应用。地下水污染也会一定程度上引起土壤污染。2地下水污染修复技术2.1物理法技术物理法技术指技术的核心原理或关键部分是以物理规律起主导作用的技术，主要包括以下几种方法:水动力控制法、流线控制法、屏蔽法、被动收集法、水力破裂处理法等7。2.1.1水动力控制修复技术水动力控制修复技术是建立井群控制系统，通过人工抽取地下水或向含水层内注水的方式，改变地下水原来的水力梯度，进而将受污染的地下水体与未受污染的清洁水体隔开8。井群的布置可以根据当地的具体水文地质条件确定。因此，又可分为上游分水岭法和下游分水岭法9。上游分水岭法是在受污染水体的上游布置一排注水井，通过注水井向含水层注入清水，使得在该注水井处形成一个地下分水岭，从而阻止上游清洁水体向下补给已被污染水体；同时，在下游布置一排抽水井将受污染水体抽出处理。而下游分水岭法则是在受污染水体下游布置一排注水井注水。在下游形成一个分水岭以阻止污染羽向下游扩散,同时在上游布置一排抽水井，将初期抽出的清洁水送到下游注入，最后将抽出的污染水体进行处理10。2.1.2流线控制法Sale等1995年提出了流线控制法。在AgellKG设计的示意图中，设有一个抽水廊道、一个抽油廊道(设在污染范围的中心位置)、两个注水廊道分布在抽油廊道两侧。首先从上面的抽水廊道中抽取地下水，然后把抽出的地下水注入相邻的注水廊道内，以确保最大限度地保持水力梯度。同时在抽油廊道中抽取污染物质，但要注意抽油速度不能高，但要略大于抽水速度7。2.1.3屏蔽法屏蔽法是在地下建立各种物理屏障,将受污染水体圈闭起来，以防止污染物进一步扩散蔓延。它只在处理小范围的剧毒、难降解污染物时才可考虑作为一种永久性的封闭方法，多数情况下，它只是在地下水污染治理的初期,被用作一种临时性的控制方法10。2.1.4抽取法 抽取法是在污染区施工一对或数对钻孔，向一个孔中注入清洁的水，从另一个孔中抽出含污染物的水到地表进行处理，去除污染物或使其失效。在有些情况下处理过的水又重新注入地下，然后再抽出，一直持续到抽出的液体不含污染物为止。这种处理方式对抽取出来的水中污染物进行高效去除，但不能保证全部地下水尤其是岩层中的污染物得到有效去除9。2.2化学法技术地下水污染的化学修复技术指技术的核心流程使用化学原理的技术，归纳起来主要有两种方式即有机粘土法和电化学动力修复技术7。2.2.1有机粘土法11有机粘土法是一种新发展起来的处理污染地下水的化学方法，可以利用人工合成的有机粘土有效去除有毒化合物。利用土壤和蓄水层物质中含有的粘土，在现场注入季铵盐阳离子表面活性剂，使其形成有机粘土矿物，用来截住和固定有机污染物，防止地下水进一步污染，并配合生物降解等手段，永久地消除地下水污染。有机粘土法修复过程12:通过向蓄水层注入季铵盐阳离子表面活性剂，使其在现场形成有机污染物的吸附区，可以显著增加蓄水层对地下水中有机污染物的吸附能力；适当分布这样的吸附区，可以截住流动的有机污染物，将有机污染物固定在一定的吸附区域内。2.2.2电化学动力修复技术13电化学动力修复技术是利用土壤、地下水和污染电动力学性质对环境进行修复的新技术。其基本原理是:将电极插入受污染的地下水及土壤区域，通直流电后，在此区域形成电场。在电场的作用下水中的离子和颗粒物质沿电力场方向定向移动，迁移至设定的处理区进行集中处理；同时在电极表面发生电解反应，阳极电解产生氢气和氢氧根离子，阴极电解产生氢离子和氧气。2.3生物法技术生物修复是指利用天然存在的或特别培养的生物(植物、微生物和原生动物)在可调控环境条件下将有毒污染物转化为无毒物质的处理技术，现在发展起来的主要是原位生物修复技术14。2.3.1天然生物修复技术 天然修复是指在不进行任何工程辅助措施或不调控生态系统，完全依靠天然衰减机理去除地下水中溶解的污染物，同时降低对公众健康和环境的危害的修复过程。其在石油产品污染的场地正得到广泛的应用。天然衰减指促进天然修复的物理、化学和生物作用，包括对流、弥散、稀释、吸附、挥发、化学转化和生物降解等作用。在这些作用中，生物降解是唯一将污染物转化为无害产物的作用，在不添加营养物的条件下,土著微生物使地下的污染物总量减少的作用，称为天然生物修复15。2.3.2原位生物修复技术地下水的原位生物修复方法是向含水层内通入氧气及营养物质，依靠土著微生物的作用分解污染物质。目前对有机污染的地下水多采用原位生物修复的方法，主要包括生物注射法、有机粘土法、抽提地下水系统和回注系统相结合法等15。2.3.3抽提地下水系统和回注系统相结合法这种方法主要是将抽提地下水系统和回注系统(注入空气或H2O2、营养物和已驯化的微生物)结合起来，促进有机污染物的生物降解。这个系统既可节约处理费用，又缩短了处理时间，无疑是一种行之有效的方法15。2.4复合技术复合法修复技术是兼有以上两种或多种技术属性的污染处理技术，其关键技术同时使用了物理法化学法和生物法中的两种或全部。如渗透性反应屏(Permeable-Reactive-Barrier)修复技术同时涉及物理吸附、氧化-还原反应、生物降解等几种技术；抽出处理(Pump-and-Treat)修复技术在处理抽出水时同时使用了物理法、化学法和生物法；注气-土壤气相抽提技术则同时使用了气体分压和微生物降解两种技术。一般认为，几种原理并列性较强的技术才能被称为复合技术7。2.4.1渗透性反应屏修复技术(PRB)渗透性反应屏(Permeable-Reactive-Barrier)修复技术简称PRB技术，PRB技术也是目前最为广泛应用的修复技术之一。PRB是一个就地安装反应材料的反应修复区，反应材料应满足降解和滞留流经该屏障体的地下水中污染物组分的目的。PRB技术的修复原理:顺着地下水的流动方向，在污染场址的下游安装渗透性反应屏，使含有污染物质的地下水流经渗透屏的反应区，水中污染物通过沉淀、吸附、氧化-还原和生物降解反应得以去除，同时PRB物理屏障可以阻止污染羽状体向下游进一步扩散16。其系统如图1所示。图1 PRB系统示意图17,18这种技术设计本身就对反应材料提出了特殊的要求，反应材料应具备以下条件:1)污染水流经过反应屏时，反应材料和污染水流之间能发生相应的物理、化学或生物反应，确保全部清除污染物；2)反应材料要常见易得，这样才能使系统长期正常运转并发挥效益；3)污染水流经过反应屏时，反应材料不会产生二次污染物；4)反应材料有足够的容量确保最大限度的发挥作用；5)变形较小。此外还要考虑:地形地貌、地下水埋深、含水层厚度、地下水流向、含水层的渗透性、污染物的浓度和范围、场地、人类活动和费用等因素7,18。根据PRB的结构形式，可以分为两类:连续墙式PRB(图2A)、隔水漏斗-导水门式PRB(图2B)。连续墙式PRB:当地下水污染羽状体影响范围较小时，将可渗透反应墙体放置于垂直于污染羽状体迁移途径的位置，墙体的宽度及高度要保证整个污染羽状体都能通过，墙体的厚度必须保证污染物通过活性材料处理后其浓度能达到规定的环境标准。隔水漏斗-导水门式PRB:由隔水漏斗、导水门及活性材料组成，用于潜水埋藏浅的大型地下水污染羽状体。隔水漏斗由封闭的片桩或泥浆墙组成，并嵌入到隔水层中，引导或汇集地下水流进入导水门，通过活性材料进行处理17。图2 PRB结构类型172.4.2抽出处理修复技术抽出处理(Pump-and-Treat)技术,简称P&T技术19，是最常规的污染地下水治理方法。该方法是根据多数有机物由于密度小而浮于地下水面附近，根据地下水被污染的大致范围，通过抽取含水层中地下水面附近的地下水，把水中的有机污染物质带回地表，然后用地表污水处理技术处理抽取出的被污染的地下水。处理方法与地表水的处理相同。为了防止由于大量抽取地下水而导致地面沉降，或海(咸)水入侵，还要把处理后的水注入地下水中，同时可以加速地下水的循环流动，从而缩短地下水的修复时间7。3问题与建议地下水污染与防治中存在如下的问题：相关的法律法规机制不健全，不完善。政府的管理不责任不明确，缺乏协调机制。缺少地下水污染监测体系。地下水污染与防治的技术多种理论研究，相关经济实用技术研究不足。建议:完善地下水保护法律法规.明确责任，实现不同行政区域协调防治污染，共同治理污染。建设完善的全国或地区地下水监测网络，为地下水污染与防治提供科学的数据。加强对地下水污染实用技术的研究，并积极推广应用。以预防为主，防治结合，综合治理，实现人与自然，经济与社会协调可持续发展。参考文献:1 陈长伟，神进。城市地下水污染治理方法J.中国水运。2 张