地下水有机污染治理技术现状及发展前景

地下水有机污染治理技术现状及发展前景¹郭华明　王焰新(中国地质大学工程学院,武汉,430074)　概述了现有的几种地下水有机污染治理方法:抽出处理、注气—抽取土壤气、内在生物净化、流线控制、多技术结合法、生物治理、吸附、原位反应墙等工作原理和治理效果;简要分析了地下水有机污染治理技术存在的问题和发展前景。有机污染物　抽出处理　内在生物净化　生物治理　原位反应墙P69　　在人类工业化和城市化进程中,石油开采过程中原油的泄漏、各种有机废水的排放、地下输油管道的破裂、煤气管道泄漏、农药的使用、居民生活污水的下渗、地下储油箱的突发事故、垃圾填埋地的淋滤〔1～5〕等等都导致地下水遭受有机污染。在我国,地下水中石油碳氢化合物的污染是一个普遍存在的环境问题〔1〕。例如,根据我们的初步研究,南阳油田浅层地下水中石油类化合物含量介于0.114～0.510mg/L之间,山西柳林泉由于受泉域内煤化工废水的污染,有机碳含量达50mg/L,石油类化合物含量达0.52mg/L。近年来,地下水中有机污染物的数量和种类迅速增加,在地下水中甚至发现一些没有注册使用的农药〔6〕。在已检测出的有机污染物中,很多是致癌物。因此,地下水有机物污染受到国际水文地质、环境地质和环境工程专业工作者的高度重视。笔者旨在通过综述目前地下水有机污染治理技术的研究现状和发展前景,以求引起有关部门和人士的关注。1　地下水有机污染治理方法早在本世纪20～30年代,国外就有人从事这方面的研究工作〔7〕,国内起步较晚。综合国内外的已有研究,治理地下水有机污染的方法主要有以下8种。1.1抽出处理(pump-and-treat)法是治理地下水有机污染的常规方法。该方法根据大多数有机物密度小而浮于地下水面附近的特点,抽取含水层中地下水面附近的地下水,从而把水中的有机污染物带回地表,然后用地表污水处理技术净化抽取出的水。为了防止大量抽水导致的地面沉降,或海水、咸水入侵,还得把处理后的水注入地下水中。此方法应用初期取得了良好成效,后来随着地下水中有机污染物种类的增多,这种方法的弱点日益显现出来。因为它能去除有机污染物中的轻非水相液体(lightnon-aqueousphaseliquids)而对重非水相液体(densitynonaqueousphaseliquids)的治理效果甚微。此外,地下水系统的复杂性和污染物在地下的复杂行为常常干扰此方法的有效性。例如,1994年对美国77个抽出处理系统的运行情况的调查结果表明,只有8处是成功的,其余的69处均未达到净化目标〔8〕。1.2Agell〔9〕、Brown等〔10〕通过实验方法验证了注气—抽土壤气(airsparging-soilvaporextraction)法的有效性。他们的实验模型见图1。图1　注气—抽土壤气示意图〔11〕Fig.1　Theschematicofairsparging-soilvaporextraction实验过程中抽气压力为0.9个大气压,为了防止污染性气体的迁移,注气—抽气气压比应在4∶1第18卷　第2期1999年　　6月　　　　地质科技情报GeologicalScienceandTechnologyInformation　　　　Vol.18　No.2Jun.　1999¹国家攀登计划预选项目(95-预-39)和国家自然科学基金资助重点项目(49832050)成果第一作者简介:郭华明,男,1975年9月生,现正攻读环境工程专业硕士学位收稿日期:1999-03-11　　　编辑:黄秉艳～10∶1之间〔11〕。为了使该方法得以广泛应用,Mc-Cray等〔11〕对注气—抽土壤气法进行了数值模拟。该法的主要原理是利用注气增加地下水中溶解氧气的含量来提高生物降解,以及增加地下水中气体分压来减少易挥发(气态)有机物的溶解度,接着用抽气来抽取气态有机污染物。1.3内在生物净化(intrinsicbioremediation)是依靠天然微生物来降解已经排放到地下的污染物〔2〕。在该方法中,不需要加入电子接受体、营养物质或其它材料(这些物质已天然存在)来激发天然微生物的降解性能。在许多情况下,这种内在生物净化作用是一种附加的常规治理技术。比如,在使用生物净化作用前必须清除那些对生物活动有毒性抑制作用的污染源。同样,可用常规的抽出—处理系统来降低地下水中有机污染物的浓度,抽出—处理后浓度较低的有机污染物就可由内在生物净化作用去完成。尽管内在生物净化作用不涉及到现场人工控制,但它需要建筑设施和维护系统,比如通过污染区内的监测井来监测场地中污染物的分布和生物降解的标志化合物,如溶解氧浓度、氧化还原电位的变化、pH值和营养物;通过污染区外的监测井来监测流入场地的污染物情况,确定是否应采用附加治理措施。1.4Sale等〔12〕1995年提出了流线控制(flowpathmanagement)法。该法原理如图2所示。图2　流线控制法示意图〔12〕Fig.2　Theschematicofflowpathmanagement在该例中,水从上面的抽水渠中抽出,然后又从相邻的注水渠注入,从而最大限度地保持水力梯度,但抽油速度不能高〔12〕。该方法只能用于密度比水大的大批量有机物污染治理。1.5Haddad等〔3〕在美国威斯康新州的一个石油供应场治理地下水有机污染时,先抽取污染地下水,地表处理后再注入,结合注气和抽气法,治理、修复结果令人满意。1.6生物治理(bioremediation)技术,又名生物恢复技术。目前,地下水中有机污染物的生物降解研究受到国内外有关专家学者的普遍关注。Taylor等〔13〕研究了几种微生物对有机物的降解性能,发现好氧或厌氧异养生物能利用水中有机污染物作为唯一碳源和能源。顾名思义,好氧异养生物只能在有氧气存在的条件下降解有机物,厌氧异养生物只能在无氧条件下降解有机物。Mayotte等〔14〕研究了KC菌种(一种厌氧菌)的生物降解性能,研究表明该菌能在富NO-3,缺Fe3+,pH为8.0～8.2,有酶解物(如乙酸盐、二氯化磷等)存在的环境中降解CCl4。对三氯乙烯的生物降解实验研究发现在有甲烷、苯酚、O2存在的条件下微生物能降解三氯乙烯,且苯酚—O2系统对有机物的生物降解更有利〔4〕。大多数研究者认为生物恢复技术是恢复治理大面积污染区域的一种有价值的方法〔15〕。但生物治理技术也有其局限性。如特定的微生物只降解特定类型的化学物质,化学物质的状态稍有变化就可能不会被同一微生物酶破坏。除此之外,微生物活性受温度和其它环境条件变化的影响较大。通常在采用生物恢复技术的治理现场应建立良好的监测系统,对场地污染物种类和环境条件的变化进行监测,确保生物降解作用的有效性。1.7Allen-King等〔16〕研究了粘土质冰川沉积的天然有机碳含量对吸附水中三氯乙烯的影响。结果表明,粘土质中天然有机碳对三氯乙烯的吸附起主导作用,在用培烧法去除粘土质沉积物中的有机碳后,其对三氯乙烯的吸附是处理前的10%～56%〔16〕,国内也有人作了类似的研究,吕昕等〔17〕在研究生物治理过程中活性污泥对氯代芳香化合物的吸附性能时,发现对具有毒性难降解的有机化合物在未驯化的活性污泥中,无明显生物降解作用。对于毒性物质的瞬时负荷,活性污泥的去除机理主要为吸附作用。另外,王东海等〔18〕通过动态模拟实验及数学模型预测后发现砂砾石对油类的吸附量小,迟滞因子约为1,油类在砂砾石层的穿透能力很强。有关研究结果肯定了在有腐殖质存在的条件下,吸附作用可降低生物的解降性〔19〕。Sheng等〔20〕的研究表明,有机粘土矿物对脂肪族化合物的吸附等温线呈向上翘的形70地质科技情报1999状,而对芳香族化合物的吸附等温线则呈双S型。说明脂肪族化合物吸附到有机粘土矿物上可以提高有机粘土矿物中有机相的吸附能力,从而提高有机粘土矿物对其它有机物的吸附能力,芳香族化合物吸附到有机粘土矿物上可以增加粘土层间距和提高粘土中有机相的吸附能力,从而提高粘土对其它有机物的吸附〔21〕。人们用季铵盐阳离子表面活性剂改性膨润土,制得有机或有机—无机复合膨润土,大大改善了膨润土的吸附能力,其去除水中有机物的能力比原土高几十至几百倍〔7〕。LiZhaohui等〔22〕研究了改性沸石对全氯乙烯的吸附性能,结果表明经过阳离子表面活性剂(HDTMA-Br)改性的沸石能吸附全氯乙烯,并且它的吸附性能随所用表面活性剂的增加而增加,当表面活性剂用量小于100mmol/kg时,吸附系数呈线性增加,当表面活性剂用量大于100mmol/kg时,吸附系数的增加呈下降的趋势,当HDTMA-Br的用量为200mmol/kg时,线性吸附系数为17.4L/kg。这些意味着改性沸石能用来治理受非极性疏水有机物污染的水。1.8这是近几年才兴起的新技术。反应墙是人工构筑的一座具有还原性的墙。在地下水治理中,沿垂直地下水流向设置一堵反应墙,当地下水流通过反应墙时,反应墙与污染水流中的有机污染物发生反应达到降解有机物的目的。在现场应用时,可采用墙体下游抽水或注水来控制地下水通过墙体的流速,使地下水中的有机污染物通过墙体时与墙体充分反应,达到彻底治理地下水的目的。另外,在原位反应墙法中,为了使地下水能优先通过反应墙,墙体的渗透性应大于周围地质体。加拿大学者O'Hannesin〔23〕和Gillham〔24〕对此进行了系统研究。他们在治理地下水中的挥发性有机污染物时,采用5.5m×1.6m×2.2m(长×宽×高)反应墙(墙体由22%的铁粒和78%的粗砂组成),其降解三氯乙烯和四氯乙烯的量分别为90%和86%〔24〕。世界上第一个也是最成功的地下水污染试验场——安大略省的Borden场址的持续数年现场试验证明这种方法是有效的。2　发展前景纵观国内外的研究成果,大多数都停留在小型试验和中间性试验阶段,现场应用事例很少,已应用的成功率也不高。这可能主要归因于对场地水文地质和地球化学条件,尤其是地下水系统中存在的极为复杂的水-岩相互作用和有机-无机组分的相互作用的认识不足,或实验模拟时对各种条件的设定进行了某些不合理的简化,使实验和现场的应用研究结果有较大出入。另外,研究对象单一,一般是研究一种或一类有机污染物,而对多组分有机污染物的研究较少,也阻碍了已有技术的有效推广应用。各种天然的或人工合成的有机污染物正以每年数万种的速度进入环境中,给生态环境和人类健康带来了极大的危害,引起各国政府的高度重视。目前,国内外从事地下水有机污染的研究人员越来越多,有机污染研究已成为地下水污染研究极其重要的组成部分。目前的研究工作大多数是在室内实验的基础上进行的,一般在实验中获取数据,对数据进行整理和分析,然后得出结论。各种理论和公式还有待进一步检验。有机物作为一类特殊的环境物质,它的取样、分离、测试以及迁移转化也遵循特殊的规律,这样采用一些以往用于地下水中无机组分的研究方法和模型往往无效,因此有必要探索新的技术路线和方法体系,并引进或借鉴其它学科领域的方法和技术。实验研究的目的是实际应用,由于野外环境与室内条件存在差异,现场的治理工作也有其复杂性和不可控制性,重视野外现场研究,积极开展多学科专业人员的合作是该研究取得进展的关键。另外,随着进入环境中有机物种类的增多,研究方法和技术、测试手段也在丰富和完善。这些都说明地下水有机污染的治理具有广阔的发展前景。我们相信,地下水有机污染研究和治理将给水文地质和环境工程研究带来理论和研究方法的革新,并极大地丰富和发展地下水科学理论体系。1　LesageS,HaoX,KentSN.Distinguishingnaturalhydrocar-bonsfromanthropogeniccontaminationingroundwater.Groundwater,1997,35(1):149-1602　BordenRC,CarlosAG,MarkTB.Geochemicalindicatorsofintrinsicbioremediation.Groundwater,1995,33(2):180-1893　HaddadBI,GeoffreyB