地下水污染修复技术的研究综述

　　　　　　　　　　　　　　　　　　勘　察　科　学　技　术　　　　　　　　　　　2008年第4期12

地下水污染修复技术的研究综述

杨　梅　费宇红

(中国地质科学院水文地质环境地质研究所　050061)石家庄市　

提要　该文在大量搜集国内外地下水污染修复技术研究资料的基础上,阐释了各种方法的优缺点和适用范围。并探索性的将各种修复技术划归为四大类,即物理法修复技术、化学法修复技术、生物法修复技术和复合修复技术,以期能对我国地下水污染修复技术的研究、选用、命名和管理有所帮助。关键词　地下水　污染　修复技术　概念　类型

ResearchSummaryonGroundwaterPollutionRemediationYangMei　FeiYuhong

(InstituteofHydrogeologyand)

Abstract　Onthebasisoflargenumberpollutionremediationtechnolo2gyathomeandabroad,thistheofvariousmethodsaswellasap2plicationscope.Atvariousremediationtechniqueswhichareclassifiedasfourcategtechnology,chemicalremediationtechnology,bioremediationtech2nologytechnology.Atlast,thesewillbehelpfulforresearch,choice,nomenclatureandofgroundwaterpollutionremediationtechnologyinChina.Keywords　groundwater;pollution;remediationtechnology;conception;category

1　前言

地下水作为水资源的重要组成部分,在人类社会的发展过程中起着举足轻重的作用。近20年来,由于城市生活垃圾和工业“三废”等的不合理处置,农业生产中农药、化肥的大量使用,全国地下水污染状况日趋加重。目前,就国内而言,国土资源部门在地下水污染调查及地下水污染物迁移转化模式方面做了不少基础性工作,但在具体的地下水污染治理技术方面做的工作却不多。而国外,尤其是欧美国家,早在20世纪20～30年代,就有人从事这方面的研究工作。20世纪70年代以来,这些国家在地下水点源污染治

目前,随着地下水污染事件的不断发生及科研

人员的不断努力,地下水污染修复技术在大量的实践应用中得到了不断地改进和创新,较典型的地下水污染修复技术已经有十多种。值得注意的是,各种污染修复技术的名称是不同的使用者、管理者于不同的时间、背景命名的,既不利于推广使用,也不利于研究、检索和管理,为便于表述和研究的需要,本文初步将所涉及到的污染修复技术根据其主要工作原理归并为四大类,即物理法修复技术、化学法修复技术

、生物法修复技术和复合修复技术(复合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)。本文依据四类划分法和已有命名将各种修复技术的工作原理、运作流程、优缺点和适用范围做一阐释。

理方面取得了很大的进展,且逐渐发展形成较为系统的地下水污染治理技术。近年来,地下水污染治理特别是治理技术(以下称修复技术)的研究也逐渐引起国内相关专家的重视。因此,地下水污染修复技术已成为当前国内外的研究热点。

基金项目:国土资源大调查项目。华北平原地下水污染调查评价(项

目编号:[1**********]00)

作者简介:杨梅(1983-),女,硕士研究生,研究方向:水文地质工程地质。

收稿日期:2008-04-10

[1]

2　物理法修复技术

物理法修复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。

2008年第4期　　　　　　　　　　　　勘　察　科　学　技　术　　　　　　　　　　　　　　　　　13211　水动力控制修复技术

其原理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。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

[1]

下游分水岭法。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。上下游分水岭法示意图分别见图1、图2。

圈闭起来,以防止污染物进一步扩散蔓延。常用的

灰浆帷幕法是用压力向地下灌注灰浆,在受污染水体周围形成一道帷幕,从而将受污染水体圈闭起来。被动收集法是在地下水流的下游挖一条足够深的沟道,在沟内布置收集系统,将水面漂浮的污染物质如油类污染物等收集起来,或将所有受污染的地下水收集起来以便处理的一种方法。

其中物理屏蔽法、被动收集法多数应用在地下水污染物治理初期,作为一种临时控制方法。美国在治理地下水油污染时应用被动收集法取得了较好效果,证明了被动收集法对轻质污染物治理的有效

[4]

性。宋敏、、。

　,归纳起来主要有两种方式

,

[5][6]

即有机粘土法和电化学动力修复技术。311　有机粘土法

这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: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。利用现场的微生物,

[8-10]

降解富集在吸附区的有机污染物,从而彻底消除地下水的有机污染物。密西根州立大学的Boyd

[11]

博士专门从事了这一方面的研究。他认为有机粘土可以扩大土壤和含水层的吸附容量,从而加强原位生物降解。312　电化学动力修复技术

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。它的基本原理: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

[5]

[7]

图1　上游分水岭法

图2　下游分水岭法

212　流线控制法

Sale等1995年提出了流线控制(flowpathman2

[3]

agement)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

[2]

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。

[1]

此外,陈秀成还介绍了屏蔽法、被动收集法。屏蔽法是在地下建立各种物理屏障,将受污染水体

　　　　　　　　　　　　　　　　　　勘　察　科　学　技　术　　　　　　　　　　　2008年第4期14电解产生氢离子和氧气。

近年来电化学动力修复技术开始用以去除地下水中的有机污染物,这种方法用于去除吸附性较强的有机物效果也比较好。最新的发展趋向是将电化学动力修复技术与现场生物修复技术优化组合,来克服各自的缺点,从而提高有机污染物的降解效率。

[12,13]

Acar和Marks分别研究了用电动力学方法为微生物输送营养元素,例如氨氮和容易摄取的碳等。结果显示:在高岭土中,当氨氮和硫酸根离子浓度分别100mgΠL和200mgΠL时,其迁移速度大约是每天10cm。电化学动力修复技术既克服传统技术严重

[6]

物短缺逐渐减少进而消失。此种方法在美国曾对

四氯乙烯、三氯乙烯等污染物处理做过现场试验。在荷兰,也曾用此方法处理含油污、苯、甲苯、含氯溶剂等污染物。

目前污染土壤的异位生物修复技术包括:堆肥式处理法、预制床法、厌氧处理法、生物反应器法等几大类。地下水的异位生物修复技术还没有真正发展起来,相信能够在土壤异位修复技术的基础上加以改进,最终得以发展起来。

[4]

5　复合法修复技术

、如渗透性反应屏()修复技术同时涉及物理、生物降解等几种技术;抽出(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。511　渗透性反应屏修复技术

渗透性反应屏(PermeableReactiveBarrier)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

[17][18]

进一步扩散。钟佐焱等对PRB进行了分类,按反应性质分为:化学沉淀反应格栅

、吸附反应格栅、氧化—还原反应格栅和生物降解反应格栅;按结构形式可分为:隔水漏斗—导水门式、连续墙式、灌

[19]

注处理带式。

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

影响土壤的结构和地下所处生态环境的缺点,又可以克服现场生物修复过程非常缓慢、效率低的缺点,而且投资比较少,成本比较低廉。电化学动力修复技术非常适合作为一项现场修复技术,安装和操作容易,既可用于饱和土壤水层,壤,不受深度限制,,究,,还需。

4　生物法修复技术

所谓生物修复(bioremediation),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。

最早的地下水原位生物修复研究出现在1975年对汽油泄漏的处理,Raymond通过注入空气和营养成分使地下水的含油量降低,并由此取得了专利。经过多年的发展,生物修复技术已经由细菌修复拓展到真菌修复、植物修复、动物修复,由有机污染物的生物修复拓展到无机污染物的生物修复。目前使用比较成熟的当属BS技术,该方法20世纪

[16]

80年代中期最早应用在德国。由于生物降解在该技术中做为主导控制因素,因此定义为生物修复(Biosparging)技术(简称BS技术)。该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,是处理地下水及包气带土层有机污染的最新方法,也是最有前途的方法。其原理:利用微生物弱化污染物的毒性或把污染物转变成无毒性物质的处理方法。微生物消解有机化合物,提供自身所需养分和能量,将污染物分解为二氧化碳和水,随着微生物数量增长,污染物被消解并逐渐减少,微生物也因食

[15]

[14]

2008年第4期　　　　　　　　　　　　勘　察　科　学　技　术　　　　　　　　　　　　　　　　　15

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。512　抽出处理修复(Pump2and2Treat)技术

抽出处理(Pump2and2Treat)技术,简称P&T技术

[20]

间内水质恢复到受污染前的水平。由于液体的物理化学性质各异,P&T技术只对有机污染物中的轻非水相液体(lightnon2aqueousphaseliquids)去除效果很明显,而对于重非水相液体(densitynon2aqueous

[21]

phaseliquids)来说,治理耗时长而且效果不明显。513　注气—土壤气相抽提(SEV)技术

注气—土壤气相抽提(airsparging2soilvaporex2

[22][22]

traction)技术,简称SVE技术,Agell、Brown等通

[4]

,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

[1]

理相同,大致可分为三类:1)物理法,包括:吸附法、重力分离法、过滤法、反渗透法、气吹法和焚烧法。2)化学法,包括:混凝沉淀法、氧化还原法、离子交换法、中和法。3)生物法,包括:活性污泥法、氧消化法和土壤处置法等。([21]

流动,。

,一个很典型的例子就是某市运输粗苯的车辆侧翻,造成粗苯泄漏污染了附近两口灌溉井,现场采取了抽水处理法,井内水污染很快得到控制,并在短时

过实验方法验证了注气—土壤气相抽提技术的有效性。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在地下水中的迁移注气-抽气气压

[21]]

比应在4:1～10:1之间。等也对注气—。早期SVE(phaseliquids,

]

,NAPL的土壤体系。,发达国家已经将其与相关的修复技术结合起来,形成了互补的SEV增强技术。国内研究起步较晚,实验室土柱通风实验的研究目前已做了不少工作,但对场址调查、现场试验性测试、中试研究工作做的不够。

[16]

6　各种修复技术的优缺点及适用范围

详见表1。

表1　各种修复技术的优缺点及适用范围

技术名称水动力控制法物理法

其他三种方法流线控制法

优点

①设备简单,运行成本低廉;②在污染初期防止污染物扩散效果好;③修复效率高。

①原理简单易懂,技术要求不高,运行成本低;②治理效率高,修复周期短。

①成本低,原理简单;②地下水污染初期治理效果好。

缺点

①受当地的水文地质条件限制;②对重力大于水的污染物质处理效果甚微。

只能用于密度比水大的大批量有机物污染治理。　

①只适用于污染范围较小的地区;②只对地下水中轻质污染物修复效果好

有机粘土法化学法

电化学动力修复技术

①原理简单、易操作、成本低、吸附效果好;②对初期生物降解速率比较慢。固定污染物效果明显;③永久消除地下水污染。

　

①不对当地土壤结构和地下所处的生态环境产生影①适用于污染范围小的区域;②对吸附性不强的有响;②投资少、效率高;③安装操作容易;④不受当地机污染物修复效果不会太理想。

水文地质条件限制。

　

生物法

生物修复技术

①投资小,维护费用低;②操作简便;③对周围环境①不能降解所有的有机污染物;②受介质渗透性的影响小;④修复效率高,可最大限度地降低污染物浓影响,可能会产生二次污染[18]。度,并且污染物可在原地被降解清除[25];⑤适用于其　它技术不能应用的地区。

　

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续表1

技术名称

优点

缺点

①就地修复,工程设施较简单;②能够达到对多数污①设施全部安装在地下,更换修复方案很麻烦;②反

渗透性反应屏修复技术

染物的去除作用;③经济成本低;④可以根据含水层应材料需要定期清理、检查更换;③更换过程可能会的类型、含水层的水力学参数、污染物种类、污染物产生二次污染。浓度高低等选择合适的反应装置。

　

①由于液体的物理化学性质各异,只对有机污染物

复合法

抽出处理修复技术

中的轻非水相液体去除效果很明显,而对于重非水

①设备简单,易于安装和操作;②适用范围广;③地相液体来说,治理耗时长而且效果不明显;②地下水上污水净化处理工艺比较成熟;④修复周期短[1]。

系统的自身特性及污染物质在地下水系统中的运移过程比较复杂;③需定期对场地设备检修维护,运行成本较高。

①成本低、可操作性强;②可采用标准设备、处理有机物的范围宽;③不破坏土壤结构④染[26]。

①受污染场地面积、;②受土壤;;注气—土壤气相抽提技术

7　讨论

,值得注意的是,由于,这种划分并不完美,如复合修复技术中的渗透性反应屏修复技术,可以根据其反应屏上安装的反应材料的性质和污染物与反应材料之间的反应性质,再细划为三类,即渗透性化学反应屏、渗透性物理吸附反应屏、渗透性生物降解反应屏。而抽出处理修复技术,也可相应的划分为抽出处理物理修复技术、抽出处理化学修复技术和抽出处理生物修复技术三种。但由于它们设计、流程和起源上的相似性,以及现有名称的综合性,仍把它们统一表述且放在了复合修复技术的大类中。地下水污染修复技术的命名和类型研究仍是一个值得相关学者和专家重视的问题,一个好的类型检索系统的建立对于一个行业或学科的规范以及技术的快捷选用和总结推广是至关重要的。

参考文献

1　陈秀成,曹瑞钰.地下水污染治理技术的进展.中国给水

　,2004,(18):25～28

7　李静,张甲耀,夏盛林,等.污染地下水的生物修复技术.

农业环境保护,1997,(6):283～285

8　CrockerFH,GuerinWF,BoydSA.Environ.Sci.Technol.,1995,29:2953～2958

9　GuerinWF,BoydSA,Appl.Environ,Microbiol.1992,58:1142～1152

10　NyeJV,GuerinWF,BoydSA.Environ.Sci.Technol.1994,28:944～951

11　CatherineASimpson,AssociateEditor,PollutionEngineering,1994,26(8):52.12　LagemanR.

Electro2reclamation:theoryandpractice.

ChemInd,1989,(9):590.

13　AcarYB.Enhancesoilbioremediationwithelectricfields.Chemtech,1996,(4):40～44

14　沈德中.污染环境的生物修复.北京:化学工业出版社,200215　黄国强,李鑫刚,等.地下水有机污染的原位生物修复

进展.化学进展,2001,(10):13～16

16　USEPAReport.Bestmanagementpractices(BMP)forsoilstreatmenttechnologies.EPA530-R-97-007,1997.17　王战强,张英,姜斌,等.地下水有机污染的原位修复技

术.环境保护科学,2004,(30):10～12

18　钟佐焱,刘非.地下水有机污染控制及就地恢复技术研

排水,2001,(4):4～9

2　SaleT,DavidA.MobileNAPLrecovery:conceptual,field,andmathematicalconsideration.Groundwater,1997,35(3):418～4263　AgellKG.Insituremedialmethods:airsparging.TheNational

EnvironmentalJournal,1992,2(1):20～23

4　宋敏,钱永俭.浅谈地下水污染及防治.科技情报开发与

究进展(三).水文地质工程地质,2001,(5):76～79,31

19　吴俊文,郑西来,高增文,等.地下水有机污染修复的渗

透反应格栅技术.工程勘察,2005,(6):20～24

20　张文静,等.地下水污染修复技术综合评价.水资源保

护,2006,(22):1～4

21　FetterCW.Contaminantshydrogeology.Macmillanpublishingcompany,N.Y.,1993

经济,2006,(16):252～253

5　XuS,ShengG,BoydSA.AdvancesinAgronomy,1997,59:25～626　刘庆生,邱廷省.受污染土壤及地下水修复的新进展.能

(下转第48页)

　　　　　　　　　　　　　　　　　　勘　察　科　学　技　术　　　　　　　　　　　2008年第4

期48中段厚层细晶白云岩中,地下水主要来自降水入渗补给,降水至地表穿越表层第四系松散坡积层和灯影组第三段含磷灰岩,进入灯影组中段细晶白云岩溶蚀裂隙含水层,并在层面裂隙和纵张裂隙的控制下自北向南径流,最终由万波沟泉排泄到美姑河。

Ⅲ类属于地表水,包括美姑河水水样和龙头沟岩溶水系统的2个地表段水样。河水水样中的2+2+-Ca、Mg、HCO3含量明显低于地下水。这是由于地下水经过了充分的水-岩作用,使水中各离子含

2+2+++

量升高。龙头沟地表水样中Ca、Mg、Na、K、--2-F、Cl、SO4等离子含量大致介于地下水和地表水同种离子含量之间。对龙头沟地表段水而言,这是由于龙头沟岩溶水的径流途径小于万波沟岩溶水径流途径,而且该系统的岩溶发育程度大于万波沟岩溶水系统。512　水力联系分析

1)目前尾水洞掌子面共有7,其中～6不同,,该,没有发现大规模暗1～6,7号涌水点各离子含量低得多,说明该涌水点控制范围内的含水介质岩溶管道比较发育,水岩相互作用比较弱。

2)由图2(b)可以看出,降雨后,8、9、10号归为一类,再与7号合并为一类,表明尾水交通洞7号涌水点位于龙头沟岩溶水系统的主排泄通道上,与地表水水力联系密切,降雨后美姑河地表水倒灌进尾水洞,使得7号涌水点的水化学特征与地表水更接近。这一结论与实际情况吻合:涌水后原美姑河排泄点由5股水流减为4股,且美姑河水位上升后尾水交通洞内涌水也变浑浊。

响。

1)本次聚类分析选取的7个水化学指标均为

-2-常量离子,但是未考虑HCO3,SO4,若考虑这两个变量,分类结果将会改变很大,这是因为这两种离子虽然在水样中含量较高,但各离子含量倍差较小,在分类中不起主导作用。

2)如果加入微量元素Sr、V、Pb、Si等变量,聚类结果没有变化。这说明聚类分析是考虑所有离子的综合分类,添加或去掉某些离子并不影响聚类分析结果,所以应结合专业知识和实际情况进行变量选择。

7　结语

:

,为岩溶水系统的划分提供依据。本文根据分析结果,将坪头水电站岩溶水系统划分为龙头沟地下水系统、万波沟地下水系统、地表水三个部分。

2)根据分层聚类结果可以较好地判断各个子系统之间的水力联系。由本文分析可知,龙头沟地下水系统和地表水之间有较为密切的水力联系,降雨后地表水可以通过裂隙和岩溶通道倒灌进入尾水交通洞。万波沟和龙头沟岩溶水系统是两个相对独立的地下水系统,二者之间的水力联系较弱。

参考文献

1　秦松柏,欧阳正平,程天舜.分层聚类分析在水文地球化

学分类中的应用.地下水,2008,(1)

2　向东进,李宏伟,刘小雅.实用多元统计分析.武汉:中国

地质大学出版社,2005

6　讨论

本次研究中探讨了变量的选择对聚类效果的影(上接第16页)

22　BrownRA,JasiulewiczF.Airsparging:anewmodelforreme2

diation.PollutionEngineering,1992,24(7):52～5523　McCrayJE,RonaldWF.Numericalsimulationofairsparging

forremediationofNAPLcontamination.Groundwater,1997,35(1):99～110

3　刘娟,康学军,郭天元,等.水化学聚类分析在岩溶水系统

研究中的应用.勘察科学技术,2004,(1)

24　夏春林.有机污染土壤的通风去污技术.环境科学学报,

1995,(15):246～249

25　赵素丽,谯华.生物修复技术的发展现状.重庆工业高等

专科学校学报,2004,(5):14～16

26　杨乐巍,黄国强,李鑫钢.土壤气相抽提(SVE)技术研究

进展.环境保护科学,2006,(32):62～65