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中国地下水污染状况以及3种地下水污染修复方法分析

来源: http://www.huiguo.net.cn/    发表日期:2015-08-18    浏览:11641

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地下水作为我国宝贵的水资源,其不仅为人类提供可观的饮用水源,而且支持着农业种植和工业生产活动。近年来,由于人类活动的影响,特别是城市生活污水及垃圾堆放、工业“三废”等的排放,农业大量使用化肥、农药等,导致地下水污染问题日益突出,严重影响人类供水水源水质。据报道,我国水资源较丰富的东部主要平原可以直接饮用或经适当处理可以饮用的地下水资源占47,9%,不能直接饮用的地下水资源占52.1%。随着地下水污染范围的不断扩大,污染程度的不断加深,人类赖以生存的水资濂日益匮乏,开展地下水污染修复工作则显得尤为重要。

1 地下水污染现状

1.1 地下冰污染源分析

地下水因所处位置不同其污染形式和原因有所区分,主要分为城市地下水污染和农村地下水污。

城市地下水污染主要来源为工业污污染和生活污染源。工业污染源主要指未经处理的工业“三废”即废水、废气和废渣。未经处理的工业废水如化工、农药生产及石油化工企业的污水,若直接流入或渗入地下水,将造成地下水的严重污染。废气污染则主要指重工业城市、能源化工城市,比如煤炭燃烧产生大量的废气和烟尘对大气产生严重的一次污染,而这些污染物随降雨到地表,不仅导致降水的酸化,若随地表经流下滲则又对地下水造成二次污染。此外,烟煤开采加工过程中对地下水存在潜在的有机污染。工业废渣主要包括高炉废渣、火电厂灰渣及污水处理厂的淤泥等。这些废渣中常含有多种有害物质,有的甚至有剧毒。若堆放不合理或时间过长,必然对附近地下水造成一定的污染。生活污染源包括城市居民生活垃圾和生活污水。

生活垃圾未经有效分类,经常会混有有毒物质或危险废物运至垃圾填埋场进行处理。垃圾填埋场选址不当、填埋技术落后、无害化处理率低等,经常会造成不必要的垃圾填埋场渗漏等问题,对地下水造成了不同程度的污染。未经处理的生活污水又排至河流,或市政污水管道泄露等,经过下渗都会对土壤环境和地下水环境造成一定的污染。

农村地下水污染主要来源分为居民生活垃圾堆放和污水排放、不断扩展的规模化养殖所产生的畜禽粪便、农用化肥和农药的大量使用和污水灌溉、乡镇企业三废排放等。由于公共基础设施建设滞后,农村垃圾、污水等到处随意丢弃和倾倒,村中的垃圾堆放池也无任何防渗措施,农村旱厕使用等问题普遍存在,严重影响地表水、土壤和地下水环境。农村规模化养殖中产生的禽畜粪便通常不经处理便直接排放,使其中过量的有机物渗入地下造成水环境中硝态氮、硬度和细菌总数超标等问题。农药和化肥的大量使用,会残留在土壤或水域环境,一方面随着食物链逐步在人体内产生危害;另一方面随雨水淋洗下滲地下水中引起污染。长期使用有毒有害物质的污水进行大面积农田灌溉也可能引起对农作物、土壤及地下水的污染。此外,一些乡镇企业尚未采取清洁生产技术和工艺,其产生大量的工业废水和固体废物,未经处理直接排放或未达标排放,导致地下水污染。

1.2 地下水污染特征

由于地下水含水介质的差异性和复杂性,造成地下水污染有以下特征。(1)隐蔽性和延时性:相较地表水,地下水污染常不会引起人们的关注,其污染很难被发现,不像地表水污染直观明显而易于监测。因此地下水一且被污染,早期不宜被察觉,待被发觉时已被污染或严重污染。(2)广泛性和不确定性:在地质环境复杂的体系中,地下水经历着补给、径流、排泄各个途径,是处于不断运移和循环中,因此地下水污染范 围较广泛且很难准确圈定。(3)难以控制和治理:地下水在含水系统中的循环周期也相当长,从而决定了污染地下水体在地下滞留时间亦长,使污染的地下水在近期内很难得以彻底修复还原。相较地表水,地下水污染由于其自身复杂性和隐蔽性,其修复治理工作面临很大困难;地下水污染一旦发生,其治理周期很长、费用极高、难度极大。

2 地下水污染修复

2.1 监测自然衰减技术

自然衰减基于污染场地自身理化条件和污染物自然衰减能力进行污染修复,以达到降低污染物浓度、毒性及迁移性等目的,其过程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等。通常会采用相应的监测控制技术,对地下水的自然修复过程进行监测评价,以达到以下目的。

(1)监测污染物的自然衰减与预测是否符合,包括污染物浓度减低,潜在的有毒污染产物的产生,污染晕的扩增等情况;(2)监测外界 环境因素的变化对污染物自然衰减能力的影响,包括水文地质条件、地球化学条件、微生物等;(3)监测自然衰减修复过程对周 边及下游的影响,综合验收修复目标。

该技术存在优势有施工简易费用低、对原生态环境干扰小无次生污染源等;但同样有弊端,其适用范围窄,仅用于污染程度低的区域环境,而且需长期监测。此外,此技术主要依赖于自然界的作用去除污染物,若污染物的自然衰减速率大于其迁移速率,理论上可有效控制污染范围,应用此技术是可行的。有时可通过向地下环境注入辅助物质等方式来提髙自然衰减效率,以达到更好的修复目的。

2.2 地下水污染的异位处理

异位处理泛指将受污染的土壤或地下水进行开挖或抽取后在地面上进行处理。

污染土壤的开挖处理较少用到,通常适用于污染范围较小、污染较集中、埋深较浅的区域性污染。通常会结合污染源处地下水文地质条件和污染土壤范围考虑是否进行污染土壤的开挖,若污染范围较大,则不宜进行土壤开挖处理;或开挖后对周边环境造成较严重的二次危害,也不宜进行开挖异位处理。

受污染的地下水的抽取处理,即采用布设抽水井的方式先抽取已污染的地下水,然后在地表进行净化处理。常用的异位处理技术有两相抽提技术(dual phase extraction,DPE)和抽取—处理(pump-tteat,P&T)修复技术。根据污染质的形式,前者主要针对地下水污染场地中存在自由相非永相液体(non-aqueous phase liquid, NAPL)的情况;后者主要针对地下水污染场地中的溶解相污染物(有机或无机污染物)。此技术(1)直接针对污染源抽取处理;(2)在抽取过程中形成地下水位降落漏斗,使周围地下水不断流向水井,减少污染扩散;(3)污染程度随抽取逐渐减弱的过程中,易溶污染质也不断向水中转化,促使污染浓度的减小。为增强污染质的溶解性能,会向地下环境中注入表面活性剂来提髙抽取一处理效率。总之,抽取处理技术能有效控制污染源的去除和污染范围的扩散,最终达到污染质的减少和污染程度 的减弱。此技术对于污染范围大、污染埋藏深的污染场地也适用。但其自身也存在一些局限性:(1)由于毛细张力而滞留的非水相液体污染物,通过泵抽无法完全清除。(2)随着污染质从含水层固相介质向水中转化的速率越来越小,会出现“拖尾”效应;(3)停止抽水处理,则会发生“反弹”效应。(4)工程实施需要持续的能量供给,以确保地下水的抽出和水处理系统的运行,同时还需定期的维护与监测;(5)工程费用昂贵,对环境干扰大。

地面净化处理部分,可针对目标污染物物理化学性质而采取物理、化学、生物或联合方法进行处理,然后排放地表径流或回灌到地下等。

2.3 地下水污染的原位修复

(1)针对地下水中挥发和半挥发性有机污染物的去除,主要处理技术有土壤气相抽提(Soil Vapor Extraction,SVE)、空气扰动(air sparging,AS)和井中汽提方法等。其共同特点是利用挥发汽化等手段将污染质转移至气相,随气体排出。

土壤气相抽提(Soil Vapor Extraction, SVE)主要用来处理地下包气带中挥发性有机污染物的污染问题。通常采用在包气带中布设注气井和抽气井,使包气带中的污染质进入气相,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。此技术的关键是随着包气带岩性的变化控制抽气井的有效半径。此技术在低渗透及非均质环境中污染物去除效果不理想。

空气扰动(air sparging,AS)技术通常用来治理地下饱和带(饱水带及毛细饱和带)的有机污染,一般与SVE技术联合使用。通过向地下饱和带注入空气,在污染晕下方形成气流屏障,防止污染晕进一步向下扩散和迁移;在气压梯度作用下,在包气带收集汽化后的污染物。其控制因素主要包括挥发、解吸和生物降解等。此技术可向地下环境供氧,促进地下污染物的生物降解,当生物降解作为主导因素时,可称其为生物修复(biosparging,BS)技术。此技术增强井周围地下水不断循环,携带空气加强水中氧气浓度,利于微生物活动,可达到挥发去除和微生物去除的双重作用。

井中汽提方法原理是地下水中挥发性有机物在去除井中汽化,将气体收集至地表处理或在包气带利用微生物降解;部分处理的地下水可注人包气带,逐渐进入水井被抽取处理,进而使地下水迸行循环直至达到修复目的。

(2)针对污染范围较大,污染程度较严重的地下水重金属或有机污染,通常采用渗透反应屏障(permeable reactive barrier, PRB)技术、原位反应带技术和原位微生物修复技术等。其共同点是在污染场地下游安置连续或非连续的渗透性反应区,含有污染物质的地下水流经反应区经处理达到去除目的。

渗透反应屏障技术(PRB),通常在在污染源的下游开挖沟槽,填充反应介质,设置反应墙。一方面,地下水中污染质与反应墙中添加剂进行反应从而被去除:另一方面,PRB反应墙可充当物理屏障阻止污染晕进一步扩散。依据反应墙中填充介质不同,其去除原理不同,反应墙类型可分为物理、化学和微生物反应墙。反应区污染物控制机理有吸附、沉淀和生物降解等。此技术优势在于:工程设施较简单,安装操作可一次完成,地表无处理设施;不需要动力,后期维护成本低等。但修复过程中会出现反应介质的堵塞、介质的更换等技术问题。而且,工程设施永久性固定在地下,很难进行移动或改动,或用作它用。

原位反应带技术,在污染场地下游地带布设注入井,形成一个“污染物的反应带”,在反应带填充反应介质,污染物与注入的介质发生作用,通过阻截、固定或降解 而使地下水中的污染物得以去除。原位反 应带可分为化学反应带(氧化或还原)和生物反应带等。此技术适用于污染范围大,污染严重的地下水污染修复。但其注人介质 (氧化剂、还原剂或微生物)及反应产物有时会对地下环境造成二次污染。

原位微生物修复技术,向污染场地注入驯化降解菌群或利用土著微生物降解去除污染物。通常利用微生物好氧模式,极少数会用厌氧降解方法,地下水中虽含有一定量的氧气和营养物质,但远远不能满足微生物好氧降解需求,因此需向地下注入氧气或营养物质。相较地面上微生物处理,地下水原位微生物修复技术其环境条件比较复杂且难以控制,受制于电子受体浓度和营养物质是否充足,且因生物降解缓慢造成修复过程较长;但此技术具有操作简单、经济、效率高、很少造成二次污染等优点,备受青睐。此外,利用驯化降解菌群降解污染物,通常只针对一种或一类有机污染物其降解效率高;若利用土著微生物则具有明显的优势,当地下环境受到有机污染时,它们会通过自然突变形成新的突变种,并具有新的代谢功能,可以降解许多有机污染。若微生物的选择和营养的配比适当,几乎所有的有机污染质都可被微生物降解。

3 存在问题和解决办法

我国地下水污染面临污染范围逐渐扩大,污染程度逐渐加深的现状,其在污染源控制、污染途径预防和污染场地治理技术方面存在很多问题,亟待解决。

3.1 污染源的控制方面

解决地下水污染问题,污染源的控制是关键问题。无论城市或农村地区,地下水污染源主要有居民生活造成污染和工农业生产造成的污染。通常,市民环境意识薄弱,环保知识缺乏,生活垃圾未经分类即运送 至垃圾填埋场,造成一部分可回收资源的浪费又加重垃圾填埋处理的负担。对此,政府应加强环保宣传,切实投入环保基础设施的建设,让市民不仅从思想意识层面上认识到环境保护的重要性,而且实施具体环保行动时具备基础支撑条件,居民生活垃圾的最终归宿是垃圾填埋场,而垃圾填埋场渗漏污染问题时有发生。对此,一方面应加大对垃圾填埋场的监管力度;另一方面应尽快解决相关技术问题,以提高填埋场垃圾处理效率,减少对土壤和地下水的污染,在工生产方面,工业“三废”的排放和农药化肥的大量使用依然是污染的主要因素。伴随着我国工业化发展进程的加快,工业“三废”的排放只增不减,给环境带来巨大负担。工业“三废”达到排污标准进行正常排放,对环境来说已经是一项巨大的任务,况且目前存在许多未经处理或处理后未经达标废水进行排放的情况。因此,严加监管企业“三废”排放,从源头减少污染;增加技术投资,从技术层面上减少污染排放,强化兼顾环境效益以技术带动经济效益的生产模式。此外,农药化肥的大量使用和农田污水灌溉造成的面源污染,依然成为农村地区地下水污染的主力军。在农村地区,鼓励使用新技术增加产量,引导正确的耕作方式提高氮肥的利用率,倡导使用有机化肥,减弱对农药化肥的过分依赖,以及杜绝使用工业污水进行农田灌溉等很有必要。

3.2 污染途径的预防方面

解决地下水污染问题,不仅要做到源头控制,切断污染途径无疑给环境保护增添一层保障。地下输油管道和市政污水管道的泄露都会造成地下水线源污染。生活垃圾和工业渣经尻攻日眧、雨水淋滤等随迪表径流 进入水循环,其中有毒有害物质如重金属、有机氯代烃等均会进入土壤和地下水中造成一定程度的污染。工业废气如硫氧化物S02、氮氧化物NO2等不仅对大气产生煤烟型严重污染,若这些污染物随降雨下落,也会引起地下水污染。因此,对于城市地区,做好雨污分流基础设施很重要。针对某些特定路线,如地下输油管道和市政污水管道路线、应加强监管力度,发现泄露立即应对;技术方面在管道周围采取防渗措施。

3.3 地下水污染场地的治理方面

我国地下水污染存在以浅层地下水污染为主并逐渐向深层扩展的现状,浅层地下水污染的预防和治理工作与污染场地的管理和修复紧密相关。但我国地下水污染场地类型多且复杂,目前处于无人监管状态下的 污染场地不在少数,且存在着部分污染场地未经污染风险评估与修复已作为居住用地或商业用地等开发利用。而且污染场地若经营不善引起的危害巨大,一些焦化厂土壤中存在致癌物质苯并芘,农药厂土壤中持久性有机污染物滴滴涕等下渗至地下水,给地下水修复工作增加负担,居民身体健康受到极大威胁。因此,无论宏观或微观上,污染场地的管理经营和治理很有必要。

首先,宏观上政府应重视地下水污染场地管理和修复工作。(1)我国污染场地管理和修复存在资金难以得到保障的问题,因此政府应加大此方面经济投入。(2)调査我国污染场地的基本信息并进行分类评估,完善我国污染场地的基础数据和资料,为进行污染场地管理和修复打好基础。(3)完善相关法律法规,在污染场地管理整治方面做好监督工作,在污染场地环境质量评价、凤险评价和修复评估方面健全完善更有针对性的标准与技术应用规范。

其次,微观上解决好污染场地环境修复技术难題。通常一个污染场地的修复治理工作,其技术的筛选都不是单一的,而是多个修复技术的联合。我国污染场地修复工作才刚刚起步,很多方面缺乏工程实践经验。而且我国污染场地类型多样,有针对性的污染场地修复技术的研发工作进行缓慢。为此;应该加大投资培养考,业人才队伍,攻克技术难关;针对我国绔染场地现状,结合国内外实践经验,研发污染场地修复技术,提出有针对性的修复技术方案;对典型的污染场地进行示范工程,不断增加我国污染场地修复实践经验。

4.结语

我国地下水资源匮乏,可供饮用的地下水更少,且极大部分地水遭受污染,更加剧了地下水短缺的严重程度。地下水污染由于其自身的隐蔽性、延时性和不确定性,使得修复治理工作较难进行。目前我国地下水污染来源广,地下水污染场地类型多且复杂,治理工作存在很多问题亟待解决。常用的地下水污染场地修复技术,只能针对单一的指标,因此常常是几种技术的联合,而且地下水污染场地的修复涉及多学科交叉,需要多学科人才队伍联合攻关。与国外相比,我国地下水污染场地修复工作才刚刚起步,缺乏相关工程实践经验。因此,结合我国地下水污染状况,借鉴国外工程实践经验,提出适合的修复组合方案至关重要。此外,政府宏观调控,提供地下水污染修复治理资金,完善相关标准和法律法规,健全地下水污染场地管理和修复技术体系,对于推动我国地下水污染修复治理工作具有很大的积极意义。

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