含水层污染.docx

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1、含水层污染含水层的污染是由于人类各种各样的活动所导致的，如工业、生活废水的下渗、固体废物填埋场地的渗漏、化学或有害废物的泄漏、农业灌溉和采矿活动等。一般认为预防和控制污染是地下水保护的最佳选择，因为含水层的污染具有复杂性、隐蔽性和难以恢复治理的特点，即含水层一旦遭受了污染，那么，恢复和净化的过程是漫长的，而且处理技术难度大，治理费用昂贵。地下水污染具体的预防和控制手段有：水源地防护带措施、污染源控制、地下水动力场控制等。对于已经遭受污染的土壤、含水层的恢复和治理，目前还不十分成熟，但已经是水资源、环境科学研究的重点，在21世纪具有更广阔的发展前景，现分别介绍如下。一、已污染的土壤、含水层的恢复

2、治理研究（一）原位（insitu）处理方法L污染土壤气体提取法（SOilvaporextraction,SVE）SVE是对土壤挥发性有机污染进行原地恢复、处理的一种新的方法，它用来处理包气带中岩石介质的污染问题。使包气带土（或土-水）中的污染质进入气相，进而排出。SVE系统要求在包气带中设立抽气井（井群）,使用真空泵在地表抽取包气带中的空气，抽出的气体要经过除水汽和碳吸附后排入大气。一般认为，污染气体通过土壤介质的运移具有对流和扩散两种作用：对流是指污染质随气流的运动；扩散是由于浓度场的存在，使污染质在土壤介质中运移。当土壤的渗透性很小时，扩散的作用明显。因此，对流和扩散作用决定着VOCS的去

3、除效果，其影响因素较多，如湿度、PH值、有机物含量、温度等。将来需要对SVE方法的效率进一步研究，如抽气井的有效半径问题、避免抽气井附近地表空气直接进入形成“短路”等等。2 .井中汽提(I-wellvaporstripping)方法井中汽提去除方法包括使地下水进行循环，在去除井中使地下水中挥发性的VOCS汽化，使用空气泵抽取地下水并去除污染物。污染气体抽取后可以在地表处理或进入包气带用微生物降解。部分处理后的地下水可通过井注入包气带再入渗到地下水中，未处理的地下水从底部进入井中取代被抽取的地下水。逐渐部分处理的地下水又循环进入水井被抽取处理，由此不断循环，直到达到处理的目标。这一处理过程也可以

4、与其他方法联合应用，如与土壤气体提取法、地表处理、营养物注入等能够加速污染物的微生物降解的方法联合使用。应用井中汽提方法去除的污染物实例有：氯化有机溶剂(如TCE)和石油产品污染物(如BTEX,TPH)。根据具体条件，与其他方法联合，还可以对非卤化VoC(non-halogenatedVOC),农药和一些无机污染进行处理。井中汽提方法被应用于不同介质，从淤泥质粘土到砂质砾石。优点：由于只使用单井抽取气体，很少抽取地下水并在地表处理，因此具有低投资和低运转费的优点。此外，容易与其他处理方法联合应用，如微生物降解、SVE,而且设计简单，易于维护。缺点：在浅层含水层中的处理效果有限，有可能发生沉淀而

5、造成水井阻塞，此外，如果处理系统没有合理设计，会造成污染的扩散。3 .空气搅动法(airsparging)空气搅动方法：在饱和带中注入气体(通常为空气或氧气)使地下水中污染物汽化，同时用增加地下氧气浓度的方法加速饱和带、非饱和带中的微生物降解作用。汽化后的污染物进入包气带，可用SVE系统进行处理。有时这种方法也称为微生物搅动(biosparging)用来强调微生物过程或表明微生物处理为主，挥发为辅的过程。空气搅动方法可以用来处理土壤、地下水中大量的挥发性、半挥发性污染物，如汽油、氯化溶剂等。根据实践经验，对于均质、渗透性好的污染场地，使用本方法较好。此外，本方法适用于具有较大饱和厚度和埋深的含

6、水层，这两个因素影响搅动井的影响范围，如果饱和厚度和地下水埋深较小，那么治理时需要很多的搅动井才能达到目的。有几个实例表明，如应用得当，空气搅动方法对污染的治理是有效的，它比抽取-处理方法有效，因为污染物解吸附进入空气要比进入地下水中容易。此外，与SvE方法相比，本方法可用于处理毛细带和地下水面以下的污染。微生物排气法(BioVenting),也是SVE的一种方法，它与空气搅动方法的区别在于：前者在包气带中注入和抽取空气以增加地下氧气浓度，加速非饱和带微生物的降解。本方法可应用于所有可降解的污染物，但实际常应用于石油碳氢化合物污染的治理，而且已经有成功的实例。4 .原位冲洗原位冲洗方法：把液体

7、注入或渗入土壤、地下水污染带，在下游抽取地下水和冲洗混合液，然后再注入地下或进行地上处理。冲洗液可是水、表面活性剂、潜溶剂或其他物质。这种方法由于加强了对空隙的冲洗效果和作用，从而可以增大传统抽取-处理方法的处理效果。该方法应用的成功与具体场地的情况密切相关。虽然该处理方法不受污染深度和位置的限制,但需要事先进行大量的资料收集和可行性研究。优点：可用于多种污染物对场地的处理速度比传统的抽取-处理方法要快。缺点：局限，必须严格控制，否则会使污染范围扩大。5 .水平井水平井技术在目前环境治理中被广泛应用，如原位微生物治理、空气搅动、真空抽取、土壤冲洗、饱和污染体抽取等。根据资料统计，这种方法在对相

8、对较浅的土壤和地下水污染场地尤为适用，可以增大低渗透性场地的微生物治理能力。水平井的类型有：沟槽式和定向式。沟槽式水平井为在钻进的同时，要下护管、花管和滤料（大口径）；定向式水平井为小口径，钻进结束后需要成井。优点：由于水平方向较长的花管，与污染介质的接触面积很大，所以在治理中具有更有效的作用和转化。此外，水平井与天然条件相一致，因为地下水在水平方向的传导率要大于在垂直方向的传导率，这样就能够更有效地汇集和抽取地下水和污染汽。定向式水平井可应用于地下具有障碍物的地区（如垂直井、公用事业管线）和地表具有障碍物的地区，如建筑，湖沼和湿地等。该方法的局限为：水平井的钻进深度不能太大。6 .加热方法利

9、用蒸汽、热水、无线电频率（RF）或电阻（变化电流，AC）加热方法，在原位改变污染物受温度控制的特性，以利于污染物的去除。例如，挥发性的有机污染物在加热时可以挥发进入包气带，然后可以利用气体提取方法进行处理。蒸汽法最好应用于具有中等或高渗透性的地层，RF和AC加热法可用于低渗透性的地层，因为粘土含量高的地层捕获RF或AC能量的效果好。7 .处理墙方法这种方法也称为被动屏障法或被动处理墙方法。首先在污染源的下游开挖沟槽，然后充填反应介质，与流经的污染地下水进行反应，使污染物得到处理。用于反应的充填介质可以包括零价铁、微生物、活性碳、泥炭、蒙脱石、石灰、锯屑或其他物质。在处理墙中污染物的反应包括降解

10、、吸附和沉淀等。有时，为了使污染了的地下水能够充分与处理墙的介质发生作用，往往采用“狭道和闸门”(funnelandgate)方法。8 .原位稳定-固化方法在已污染的包气带或含水层中注入可使污染物不继续迁移的介质，使有机或无机污染物达到稳定状态。污染物被介质凝固、粘合(固化)，或者是由于化学反应使其活动性降低(稳定)。该方法要求对拟处理场地的水文地质条件非常了解，可应用于具有中等或较高渗透性能的地层。9 .电动力学方法(electrokinetics)电动力学方法可以使污染物从地下水、淤泥、沉积物及饱和或非饱和的土壤中分离或提取出来。电动力学治理的目标是：通过电渗、电移或电泳现象，形成附加电场

11、，影响地下污染物的迁移。当在土壤中施加低压电流时，会产生这些现象。这3种过程的基本特点是：在污染了的土体两侧设置电极并施加电压。这种方法主要是用来处理具有低渗透性的土体污染问题。在使用该方法前，应进行一系列实验分析，以确定该方法是否实用于拟处理场地。优点：可用于低渗透性土壤，和多种污染物。但在负极附近金属的沉淀是该方法应用的最大障碍。10 .微生物处理如果微生物的选择、控制和营养的配比适当的话，几乎所有的有机污染质都可以被微生物降解。根据降解程度的不同可以分为微生物转化（形成较为简单的中间产物）和矿化（形成水、二氧化碳和惰性无机残质等）两种。微生物处理方法被广泛应用于污染水的地上处理，而且比较

12、成熟，这里不多叙述。从20世纪70年代开始，人们进行微生物原地处理的研究，到1987年已有30多个利用微生物进行原地处理的实例（MichaelD.LaGregaetal.,1994）,目前在国外这一方法的应用越来越普遍，对微生物原地（insitu）处理方法的研究一直是学术界和工程技术界的热点和重点。NAPL污染质在地下环境中以3种形式存在:NAPL形式（freeproduct）以吸附或其他形式存在于固体颗粒周围和孔隙中、溶解或分散于地下水中。一般的处理方法只能抽取地下水，处理水中污染质。微生物原地处理方法直接在地下进行，可对3种形式的污染质同时进行处理。绝大多数的微生物原地处理采用的是好氧模式

13、（不排除特殊情况下的厌氧处理方法）。地下水中虽然具有氧气含量,但远不够微生物处理的需求。例如氧化1mg的汽油污染质在理论上需要2.5mg的氧气。因此这一处理方法需要把氧气和营养物质注入地下。微生物原地处理的原理与其他微生物处理方法完全一致，最主要的区别就是微生物原地处理是在地下，环境条件比较复杂且难以控制，而一般的微生物处理是在地上的处理容器或处理池中进行的，相对容易控制。典型的微生物原地处理包括：在污染晕的下游设置抽水井，在上游设置注入井，把下游抽出的地下水加入营养物和氧气以后再注入地下含水层中，形成一个循环的水动力场。微生物就是在这样的水动力场中对污染质进行降解。此外，在外围还要设置观测井

14、，监测地下水的水质变化。微生物原地处理方法被认为是地下环境污染恢复、处理最为有效和最有前途的方法。IL微生物-抽取联合方法（bioslurping）微生物-抽取联合方法包括真空抽吸、污染汽抽取和微生物排气，来处理LNAPL污染物。真空抽吸用来抽取饱和污染物和一部分的地下水，土壤汽提取是去除包气带中高挥发性的污染汽，微生物排气法用来加速包气带和毛细带的好氧微生物降解。该系统包括：在井中设置一个可调节长度的抽吸管Cslurptube）到达LNAPL层，连接真空泵抽吸LNAPL污染物。抽吸过程中在井中形成负压带，使LNAPL污染物流向井中。当饱和LNAPL面下降，管中开始抽取污染汽（污染汽抽取）。污

15、染汽的抽取有助于非饱和带中空气的运动，增加氧气量，进而加快好氧微生物降解作用（微生物排气）。当水位上升时，又可抽取LNAPL和部分的地下水，这就形成了循环。这种循环可以使地下水位的波动达到最小，从而减少污染物扩大的可能。抽出的液体（污染物和水）送入水油分离装置分离，污染汽送入水汽分离装置，如果需要的话，还应包括地上的污染水、汽处理系统。与其他LNAPL处理方法（如SkinInIingordUaI-PUmP）相比，本方法具有更大的处理速率。本方法的优点有：低成本（因为抽取的地下水较少，污染汽和抽取的地下水可能不必再进行处理），不会在含水层中造成污染物的扩散。但本方法由于暴气和缺少对饱和层中残余L

16、NAPL的处理，可能造成井过滤网的堵塞。12.植物处理方法（phytoremediation）植物处理方法使用植物来净化污染了的土壤和地下水。其优点是利用植物天然能力去吸收、聚积和降解土壤及水环境中的污染物。研究结果表明，植物过程处理方法可应用于多种污染物的处理，包括多数金属和放射性物质，各种有机化合物（如氯化溶剂、BTEX.PCBs.PAHs农药、杀虫剂炸药、营养物质和表面活性剂）。有5种植物处理方法:植物根部吸收法、植物吸取法、植物转化法、植物激化或植物辅助下的微生物降解、植物稳定方法。与传统治理方法比较，其主要优点是：很少产生二次污染物，对环境的干扰很小，土壤留在原地。缺点是需要较长的时

17、间（通常几个生长期）,处理深度有限（土壤3英尺，地下水10英尺），有可能使污染物通过动物而进入食物链。（二）异位（exsitu）处理方法1 .抽取-处理方法（pumpandtreat）抽取-处理方法采用先抽取已污染的地下水，然后在地表进行处理的方法。处理方法可以是物理化学法也可以是微生物法等。通过不断的抽取污染地下水，使污染晕的范围和污染程度逐渐减小，并使含水层介质中的污染质通过向水中转化而得到清除。目前.，抽取-处理方法被应用于地下环境中易溶污染质的恢复和治理。有时需要注入表面活性剂来增强吸附在地层介质颗粒上的有机污染物的溶解性能，从而加快抽取一处理的速度。2 .气提(airstrippin

18、g)气提方法是使空气通过污染水体以增强水中挥发性组分从水相向气相迁移的一种处理方法。这一方法被广泛应用于挥发性有机污染质(VOCs)地下水污染的处理，使用该方法要求污染物浓度较低(200mgL,MichaelDAaGregaetaL,1994)o往往采用气提塔、气提柱或气提槽等装置，使污染了的水和空气在装置中反向流动以增加水与空气间的作用程度。这一方法能使水中VOCs的浓度显著降低。3 .碳吸附方法吸附就是水中可溶性污染物质通过与固体表面(吸附剂)接触而被去除的过程，在环境工程中，应用最广的吸附剂是碳。使用不同的材料和处理工艺可以得到具有不同吸附特性的碳吸附剂。常见的活性碳有两种：粉末状和颗粒

19、状(GAC),其中GAC被广泛应用于地下水中各种有毒有机污染物的去除，而粉末状的活性碳常用于微生物处理。活性碳吸附往往采用吸附柱，这一方法目前比较成熟，处理后的水具有很好的质量，所以被用于饮用水系统或污水的处理。影响碳吸附效果的主要因素有：溶解度、分子结构、分子量、极性和有机污染物的类型。溶解性能差的有机污染物比易溶解的污染物更容易被碳吸附；具有支链的有机物比直链有机物容易被吸附；通常分子量大的有机物有利于吸附，但当孔隙扩散成为控制吸附的主要因素时，对某些有机物，其被吸附的速率随分子量的增大而降低；极性小的有机物比极性大的更易被吸附。4 .化学氧化化学氧化的目的是利用氧化剂使污染质进行化学转化

20、，从而减轻污染质的毒性。如有机污染质可以被转化为二氧化碳和水或转化为毒性较低的中间产物。这些中间产物还可以用其他微生物方法进行进一步的处理。化学氧化方法比较成熟，可用来处理氯化VOCs、硫醇、酚等有机污染质，也可以处理无机污染质如氧化物等。这一方法要求有混合罐或反应器等装置。在水污染处理中，常用的氧化剂为臭氧、过氧化氢和氯，其中又以前两种最为普遍。氧化剂氯与某些有机污染质反应，不但不能分解有机物反而形成氯代碳氢化合物，而这种氯代碳氢化合物的毒性可能比原有机物的毒性还要大，因此在使用氯做氧化剂时一定要注意。(三)本能恢复治理方法当有机污染物泄漏进入土壤或地下水中，会存在一些天然过程来分解和改变这

21、些化学物质。这些过程统称为天然衰减(naturalattenuation),它包括土壤颗粒的吸附、污染质的微生物降解、在地下水中的稀释和弥散。由于土壤颗粒的吸附，使一些污染物不会迁移到场地以外，微生物降解是污染物分解的重要作用。稀释和弥散虽不能分解污染物，但可以有效地降低许多场地的污染风险。天然衰减方法也称为“本能恢复治理(intrinsicremediation)或被动治理(passiveremediation)o美国EPA的JohnWilson博士把污染场地的天然衰减形象化地用蜡烛的燃烧来比喻。蜡烛就像场地中的污染物，燃烧过程就是天然衰减过程。蜡烛火苗看起来稳定，这是由于蜡在不断的减少；同

22、样，污染场地对土壤和地下水的污染在一定的范围内达到“稳定”,这并不意味着污染的终止,而是因为污染与天然衰减达到了稳定状态。最后，蜡烛被燃烧掉，同样，在土壤和地下水中的污染物最终可以被天然微生物降解和其他天然衰减过程所净化。天然衰减方法用于污染场地净化并不是什么工作都不做，而是让污染了的场地自己天然得到净化。实际上是一种趋向于主动处置的方法。它强调对天然补救治理过程的验证和监测，而不是仅依赖工程措施。目前.，这一方法尚处于开始阶段，有许多问题需要进行深入的研究，如什么样的污染场地可采用这种方法来处理、如何缩短处理的时间等。二、目前存在的问题一般情况，人们对地上污染质物理化学处理方法研究得比较成熟

23、，但用于处理地下水的污染存在着费用大、时间长等问题。所以趋向于使用污染质原地处理，特别是微生物原地处理方法。对于抽取-处理方法，以前很受推崇，但越来越多的野外实践表明这一方法并不一定适用于所有的污染情形,在处理NAPL污染的场地时还存在着问题。NAPL在地下环境中有3种形式：NAPL、介质吸附和溶解在地下水中。大部分的污染质以前两种形式存在，在地下水中的含量相对较小。因此，采用抽取-处理方法需要不断地抽取地下水，使另外两种形式的NAPL向地下水中转化。由于NAPL的水溶性很小，这种转化非常缓慢，所以处理的时间也需要很长。EPA（美国环境保护局）经过实践认为：抽取-处理方法在一开始可以使地下水中

24、污染质的浓度下降10%50%,但很快污染质浓度将稳定，在相当长的时间内不变。有人甚至认为，对于一些水溶性非常低的污染质，如果使用抽取-处理方法，可能需要几百年乃至上千年(MichaelD.LaGregaetal.,1994)抽取-处理方法对于DNAPL污染质而言更为困难。首先DNAPL以透镜体的形式存在于含水层的底部，很难准确设置抽取井；其次DNAPL存在于颗粒较细的地层中，难以转化进入地下水中。M.Oostrom等利用注入表面活性剂的方法以加速DNAPL向地下水中的转化(M.Oostrometal.,1996),但同时也带来了一些副作用。微生物原地处理方法是地下环境污染最有希望的处理方法，国外对这方面的研究非常重视。研究的重点是处理不同污染质微生物的种属，营养物质以及环境条件的影响和控制等。此外，未来对已污染场地或含水层的本能恢复治理方法具有很好的前景。总而言之，地下环境(包括土和水)一旦遭受污染，无论是无机污染还是有机污染，其恢复和治理是非常困难的，需要大量的人力、物力和财力。因此，最好的方法还是污染的预防和控制，最大限度地减少或避免环境的污染。地下环境的微生物原地处理比较复杂，涉及了微生物学、水文地质学、地球化学和工程技术等多个方面，所以需要多学科合作研究。目前，我国在这一领域的研究尚未引起足够的重视，与地下环境污染日益严重的态势很不适应，今后应加强对这一领域的研究。