地下水污染防控與環(huán)境生物技術的發(fā)展

王柱強

(1.中國地質(zhì)大學(北京)，北京 100083； 2.北京中合福源人居環(huán)境科技有限公司，北京 100107)

改革開放以來，我國經(jīng)濟一直保持較高的增長速度，生產(chǎn)力得到極大解放，社會產(chǎn)品逐漸豐富，人民群眾的生活水平得到大幅度提高。但是，由于未能有效處理好發(fā)展經(jīng)濟和保護環(huán)境之間的矛盾，環(huán)境污染也越來越嚴重，地下水污染問題日益突出，地下水污染防控形勢越來越嚴峻。加強地下水污染防治工作，保障飲水安全，對全面建設小康社會、人與自然和諧，以及經(jīng)濟社會全面、協(xié)調(diào)和可持續(xù)發(fā)展，具有重要的現(xiàn)實意義和深遠的戰(zhàn)略意義。

1 當前我國地下水污染防控工作的現(xiàn)狀

1.1 我國地下水污染的形勢

我國地下水污染的主要來源，是城市生活污水及垃圾堆放、工業(yè)“三廢”排放、農(nóng)業(yè)大量使用化肥和農(nóng)藥等導致。據(jù)統(tǒng)計，我國大、中城市淺層地下水不同程度地遭受污染，其中約一半的城市市區(qū)地下水污染較嚴重；全國多數(shù)城市地下水水質(zhì)呈下降趨勢，部分城市淺層地下水已不能直接飲用，缺水城市和地區(qū)日益增多。污染嚴重區(qū)主要分布在大城市的中心地帶、城鎮(zhèn)周圍區(qū)、排污河道兩側、地表污染水體分布區(qū)及引污水灌溉農(nóng)田地區(qū)。地下水污染不僅檢出組分越來越多，越來越復雜，而且污染程度和深度也在不斷增加，有些地區(qū)深層水中已有污染物檢出。地下水污染正由點污染、條帶狀污染向面上擴散，由淺層向深層滲透，從城市向周圍蔓延。

1.2 地下水污染造成的危害

地下水遭受污染后，不但其自凈能力極弱，會對生態(tài)環(huán)境造成嚴重影響，直接對人類及其活動造成危害。一是影響人體健康。 地下水污染后，會引起水中三氮含量的變化，飲用水中硝酸鹽或亞硝酸鹽含量過高，將嚴重影響人體尤其是嬰兒健康，引發(fā)硝酸鹽急性中毒，即正鐵血紅骯癥。硝酸、鹽氮、亞硝酸鹽氮在人體中特定條件下，還會轉化成致癌物——亞硝胺。受污染后的地下水硬度過高、苦澀難飲，會造成人體胃腸功能紊亂，導致嘔吐、腹瀉、脹氣等癥狀。二是增大工業(yè)成本。尤其是我國北方地區(qū)，工業(yè)生產(chǎn)用水中，地下水占很大比重。地下水污染的直接表現(xiàn)是硬度升高。地下水硬度增高，會使工業(yè)鍋爐爐內(nèi)和管道上結垢，高硬度地下水還會對化工、制藥、釀酒、發(fā)電、造紙等行業(yè)造成危害。據(jù)測算，鍋爐內(nèi)結l mm厚的水垢，需要多消耗4%左右的燃料。受污染的地下水硬度過高，就必須對硬水進行軟化和純化處理，從而增大了工業(yè)生產(chǎn)成本。同時，重金屬污染也是地下水污染的重要來源，如沈陽市修建的東工地下水源地，由于電鍍廢水污染，鉻含量超標31倍，僅使用9個月就被報廢。三是導致農(nóng)業(yè)減產(chǎn)，食品質(zhì)量下降。長期用pH值過高的井水灌溉農(nóng)田，會改變土壤結構，導致土壤板結，無法耕作。灌溉水中的硝酸鹽含量過高，會減弱農(nóng)作物抗病力，降低作物的質(zhì)量和等級。糧食作物吸收過量的硝酸鹽，會降低糧食中蛋白質(zhì)的含量，營養(yǎng)價值下降；蔬菜作物則易腐爛，無法貯存和運輸。受污染的井水中硫酸鹽、氯離子含量過高，還會抑制農(nóng)作物的生長，造成大面積減產(chǎn)，并使農(nóng)作物的質(zhì)量降低。

1.3 我國地下水污染防控的措施

近年來，國家越來越重視地下水污染防控工作，胡錦濤總書記在2003年中央人口資源環(huán)境座談會上指出：“下大力氣解決水資源不足和水污染問題?！睖丶覍毧偫碓?005年政府工作報告中明確提出，要讓人民群眾喝上干凈的水。國土資源部、環(huán)保部等部門做了大量的工作，力圖遏制住我國地下水污染蔓延的趨勢。很多企業(yè)也采取了不少化學和物理的方法處理地下水污染問題，但是由于多方面的原因，成效不是很明顯。

2 環(huán)境生物技術的發(fā)展和應用

20世紀80年代，由現(xiàn)代生物技術和環(huán)境工程技術相結合的環(huán)境生物技術在歐美誕生。環(huán)境生物技術是直接或間接利用生物或生物體的某些組成部分或某些機能，建立降低或消除污染物產(chǎn)生的生產(chǎn)工藝，高效凈化污染環(huán)境以及將污染物轉化為資源的人工技術系統(tǒng)。凡是與生物技術結合,對環(huán)境進行監(jiān)控、治理或修復、清潔生產(chǎn)、污染物資源化以及生物材料和能源開發(fā)等,均屬于環(huán)境生物技術研究和應用的范疇。作為一門新型的邊緣學科， 主要涉及生物技術、工程學、環(huán)境學和生態(tài)學等學科，不僅包含了生物技術所有的特點，還融合了環(huán)境污染防治工程以及其他工程技術。環(huán)境生物技術在治理污染、環(huán)境監(jiān)測等方面，發(fā)揮著越來越重要的作用。

環(huán)境生物技術可分為低、中、高三個層次。低層次是指利用天然處理系統(tǒng)進行廢物處理的技術，如氧化塘、人工濕地等，它能充分發(fā)揮自然界生物凈化功能，投資運行費用低，易于管理。中層次是指傳統(tǒng)的生物處理技術，如活性污泥法、生物膜法，及其在新的理論和技術背景下產(chǎn)生的強化處理技術和工藝，如生物流化床、生物強化工藝等，是當今污染物處理中應用最廣泛的技術，是環(huán)保產(chǎn)業(yè)技術中的主力軍。中層次技術本身也在不斷改進，向高層次技術滲入。高層次技術是指以基因工程、酶工程等現(xiàn)代生物技術為基礎的污染防控生物技術，如基因工程菌的構建等，為快速有效的污染治理與預防提供新的途徑。

近10年來， 環(huán)境生物技術發(fā)展迅速，研究領域不斷擴大。工程實踐表明，其已成為解決復雜環(huán)境污染問題的有效手段之一。美國便把環(huán)境生物技術作為21世紀生物技術中六個主要研究領域之一,所培育的基因工程“超級菌”,可在幾小時內(nèi)降解自然菌種需1年才能降解的水上浮油;日本將嗜油酸單孢桿菌的耐汞基因轉入腐臭單孢桿,使該菌株既能有效處理環(huán)境汞污染,又能將汞菌回收利用。由于用生物方法處理污染物的最終轉化產(chǎn)物，大都是無毒無害、穩(wěn)定的物質(zhì)，如二氧化碳、水、氮氣和甲烷等，且可一步到位，避免了污染物的多次轉移。因此，生物技術又是一種消除污染安全而徹底的手段[2]。

目前，很多新技術和新方法如雨后春筍般不斷涌現(xiàn)，現(xiàn)代生物技術在可持續(xù)發(fā)展中，發(fā)揮著越來越重要的作用。環(huán)境生物技術已經(jīng)在水污染控制、大氣污染治理、有毒有害物質(zhì)降解、清潔可再生能源開發(fā)、廢物處置與資源化、環(huán)境監(jiān)測、環(huán)境友好材料合成、生態(tài)環(huán)境修復和清潔生產(chǎn)等領域，發(fā)揮著極為重要的作用，已經(jīng)成為解決復雜環(huán)境問題的最有效、最經(jīng)濟的手段之一。

3 環(huán)境生物技術在污染源頭控制中應用的案例

世界各地普遍存在酸性礦山廢水問題，我國也相當嚴重，煤礦、金屬礦山都存在此類問題。我國絕大部分金屬礦山為原生硫化物礦床，無論是露采還是坑采，遺棄的大量硫化物廢石，經(jīng)過風化、淋溶，極易形成酸性礦山廢水。如何有效解決礦山酸水防控問題，對于切實解決地下水然問題具有顯著的意義。

3.1 礦山酸水的形成原因和危害

礦區(qū)、礦石堆和其他因含有金屬硫化物的物質(zhì)氧化而產(chǎn)生的酸水(簡稱“礦區(qū)酸水”或“酸水”，英文：Acid Mine Drainage，簡稱“AMD”)。酸性礦山廢水的形成，主要通過以下途徑：①礦床開采過程中，大量的地下水滲流到采礦工作面，這些礦坑水排至地表后，是酸性廢水的主要來源。②礦石加工過程中，若是采用添加酸性藥劑的選礦作業(yè)流程，所排放的廢水是酸性廢水和有害物質(zhì)的重要來源。③礦山生產(chǎn)過程中，排放的大量含有硫化礦物的廢石和尾礦，在露天堆放時不斷與空氣和水或水蒸汽接觸，生成金屬離子和硫酸根離子，當遇雨水或堆置于河流、湖泊附近時，所形成的酸性水會迅速大面積擴散。

3.2 國內(nèi)外礦山酸性廢水的處理現(xiàn)狀

北美和歐洲對AMD治理已經(jīng)開展了幾十年，現(xiàn)有的AMD治理技術均針對礦區(qū)的出水，即已經(jīng)通過AMD反應被酸化的水。主要技術包括堿中和、濕地、生物反應器、生物反應池、化學反應池、膜過濾等，通稱為“被動治理技術”。AMD從礦區(qū)流出，進入這些設施，酸度被中和，重金屬被沉淀，從而得到治理?；贏MD的產(chǎn)生根源，進水只要接觸AMD源頭物質(zhì)，就會被酸化。因此，流經(jīng)礦區(qū)等源頭的水都將轉化成酸水。

顯然，被動治理技術的缺陷是：①面對幾乎無限量的酸水。只要有水進入礦區(qū)，出水就是AMD。②這種治理周期無限，費用巨大。③被動處理還會產(chǎn)生很多沉淀反應生成的殘渣，形成二次污染。④被動處理技術因為大都是地表露天設施，環(huán)境因素(如溫度、降水、設備維護)會造成額外的技術障礙。

3.3 礦山酸水的生物源頭處理(BST)法及應用

BST是目前最先進和經(jīng)濟的從源頭消除酸水污染和長期防止酸水污染形成的技術。2004年在美國完成研發(fā)，該技術采用電磁遙感手段探測和確定酸水源頭，然后通過科學添加生物和營養(yǎng)混合物，在源頭培養(yǎng)生物強勢，使微生物自動向AMD源頭物質(zhì)遷移，并在其表面形成復雜多層的生物膜和生化結構，充分阻擋和消耗被水溶解的氧氣(DO), 阻斷AMD源頭物質(zhì)產(chǎn)生酸化反應，從根源上防止AMD生成。同時，微生物種群中的部分種群消耗質(zhì)子，提升水的pH值和沉淀溶解的重金屬，進而將已經(jīng)酸化的水治理到合格標準。表1為中和法、人工濕地法和BST法的對比情況。

表1 中和法、人工濕地法及BST法的對比

2005年，在美國田納西某煤礦和亞利桑那某金礦，通過BST方法，成功將AMDpH值從2.0提升到7.5，并保持至少2年穩(wěn)定在中性范圍。重金屬含量平均從>800 mg/L下降到幾乎為零，達到美國環(huán)保署標準。在技術層面上，BST依賴生物手段解決環(huán)境問題，不造成附帶污染，成本上與常規(guī)方法相比節(jié)省顯著，且可起到積極的防止AMD生存的效果。

BST的主要功用：①將AMD酸水中和到中性范圍，解除酸水污染的危害性；②沉淀去除酸水中的重金屬，解除其毒性；③在AMD生成的源頭形成穩(wěn)定和有效的阻斷層，從根本上阻止產(chǎn)生AMD的化學反應；④減少酸水中的硫酸根含量。

4 發(fā)展環(huán)境生物技術治理地下水污染的建議

環(huán)境生物技術及其相關產(chǎn)業(yè)，已成為全球經(jīng)濟發(fā)展中一個新的經(jīng)濟增長點。當今世界各國為解決工業(yè)文明與生態(tài)環(huán)境嚴重失調(diào)的矛盾,無不大力發(fā)展環(huán)境生物技術,積極培育環(huán)保新產(chǎn)業(yè)。與化學、物理等其他技術比較,利用環(huán)境生物技術治理地下水污染和遏制生態(tài)惡化趨勢,可以保持經(jīng)濟、社會與環(huán)境的協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展，促進自然資源的可持續(xù)利用,具有效率高、成本低、反應條件以及無二次污染等顯著優(yōu)點，值得大力提倡。

一是要著力加強科技創(chuàng)新，加速環(huán)境生物技術產(chǎn)業(yè)化。瞄準環(huán)境生物技術的重大前沿問題和關鍵性、共同性、戰(zhàn)略性核心技術領域，加速環(huán)境生物技術原始創(chuàng)新，取得一批具有自主知識產(chǎn)權的專利。重視已有科技成果的系統(tǒng)集成應用，大幅度提升集成創(chuàng)新能力。同時，要積極引進國外先進技術和經(jīng)驗，大幅度提高消化吸收和再創(chuàng)新能力。

二是要牢固樹立人才資源是第一資源的觀念，制定相應政策，把培養(yǎng)和引進尖子人才作為提升環(huán)境生物技術整體水平的關鍵和突破口，逐步建立一支以學科帶頭人、科研骨干和高級實驗操作人員為主體的研發(fā)隊伍。

三是要建立開放式產(chǎn)、學、研聯(lián)盟，重點建設好一批瞄準環(huán)境生物技術發(fā)展前沿領域的重點實驗室，建設好一批國際化、標準化、規(guī)模化環(huán)境生物技術創(chuàng)新平臺、基地和工程技術中心，培育一批能夠參與國際合作與交流的示范企業(yè)。

四是要通過立法措施，采用政府補貼的方式，運用價格杠桿推廣環(huán)境生物相關技術和產(chǎn)品，強制性地在城市、礦山推廣環(huán)境生物技術治理地下水污染；把發(fā)展環(huán)境生物技術作為中長期科技發(fā)展投入的重點，重點加大對原始創(chuàng)新性研究、關鍵技術和核心技術研發(fā)，以及基礎設施、共性技術平臺建設的支持力度，逐步建立和完善多渠道、全社會投資機制和體系，逐步健全環(huán)境生物科技創(chuàng)新體系。

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