淺談地下水污染的生物修復(fù)技術(shù)

張海斌

(陜西中圣環(huán)境科技發(fā)展有限公司，陜西西安710054)

淺談地下水污染的生物修復(fù)技術(shù)

張海斌

(陜西中圣環(huán)境科技發(fā)展有限公司，陜西西安710054)

針對地下水污染對環(huán)境尤其是對人類自身的嚴(yán)重危害。以往常見的治理方法主要是隔離法、泵提法、吸附法、化學(xué)柵欄法、電化學(xué)法等，采用生物修復(fù)技術(shù)與上述方法相比，具有獨特的優(yōu)勢。由于地下水深埋于地下，生物修復(fù)技術(shù)的實施一般應(yīng)結(jié)合污染的具體情況，采取不同的方法。

生物修復(fù);地下水;污染;技術(shù)

地下水污染問題相當(dāng)復(fù)雜，這是由多方面原因造成的，其中包括:污染物的腐爛，受污染水體運(yùn)動的影響，土壤喪失降低污染物濃度或除去特殊污染物的能力，污染水流體積形態(tài)的復(fù)雜性及其他一些因素。西方發(fā)達(dá)國家在20世紀(jì)30－40年代曾出現(xiàn)過導(dǎo)致污染的一系列問題，而我國在上世紀(jì)50年代污染事件就已日趨突出，那時所滲入地下的污染物絕大部分仍殘留在含水層或土壤中，隨著時間推移污染物將沿著水平和垂直方向擴(kuò)散，越來越明顯地影響地表和地下水體［1］。對現(xiàn)存的污染問題，最通常的辦法都是在發(fā)現(xiàn)地下水污染造成的嚴(yán)重后果后才采取補(bǔ)救措施，才被迫去調(diào)查分析污染的原因，隨后再減少或停止污染物的排放，終止那些將污染物不斷帶入地下水系統(tǒng)的活動。

1 地下水污染凈化的基本方法

如果及早實行預(yù)防措施，許多類型的地下水污染可以完全被控制。地下水含水層在自然界的分布是有限的，尤其是在城市。工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地附近的含水層對該地區(qū)的居民生活和生產(chǎn)都密切相關(guān)，這些含水層可能是當(dāng)?shù)匚ㄒ坏墓┧畞碓?。在沒有其他水源可代替的情況下，如何挽救被污染的含水層使其再生，是目前水資源保護(hù)的一項迫切而艱巨的任務(wù)，一些方法已在實驗室中完成并逐步推廣到實際應(yīng)用中來。污染地下水的凈化有三種基本方法，收容、清除、生物修復(fù)方法。收容的辦法是防止已受污染的含水層中水質(zhì)繼續(xù)惡化，擴(kuò)散到有水力聯(lián)系的其他含水層或地表水體。這類方法包括消除污染源、襯砌廢水坑或修筑暗壩以阻止污染物遷移。然而在大面積“三廢”造成危害的地方或水質(zhì)極度惡化的含水層中，就不得不采用第二種方法從地下含水層中除去污染物，包括抽水凈化、化學(xué)處理、生物分解、活性炭吸附、電解法等。

2 地下水污染的生物修復(fù)技術(shù)要點

2.1 收集區(qū)域水文地質(zhì)等資料

地下水生物修復(fù)的成功很大程度上取決于該區(qū)域的水文地質(zhì)狀況，如果該地區(qū)水文地質(zhì)比較復(fù)雜，則難度就比較大，而且生物修復(fù)數(shù)據(jù)結(jié)果的可靠性較小。許多區(qū)域的水文地質(zhì)在生物修復(fù)時可能與以前調(diào)查時已經(jīng)有所改變，所以以前的資料并不可靠，這樣也增加了生物修復(fù)難度。此外，地下的土壤環(huán)境必須具有良好的滲透性以使得加入的N、P和O2能順利地傳遞到各個被污染區(qū)域的微生物群落，這種水的運(yùn)動特性，即水傳導(dǎo)性，往往是生物修復(fù)成功的關(guān)鍵［2］。

2.2 添加適量營養(yǎng)鹽

在地下水生物修復(fù)的工作開展前，首先要通過實驗室試驗確定加入到地下水中的最適營養(yǎng)鹽量，以避免添加營養(yǎng)鹽時過多或過少。營養(yǎng)鹽加入過少會使得生物轉(zhuǎn)化遲緩。而過多則會由于生成生物量太多而堵塞蓄水層，從而使得生物修復(fù)中止。通常微生物處于理想活性狀態(tài)所需的營養(yǎng)物有3種:N、P和O2，它們是地下水中土著微生物群落活性的限制因子。N、P營養(yǎng)鹽一般溶解在地下水中循環(huán)通過污染區(qū)域，普遍使用的方法是將營養(yǎng)鹽溶液通過深井注入到地下水飽和區(qū)域或通過滲透渠道加入到地下水不飽和區(qū)域和表層土壤中［3］。地下水由取水井抽出，并在該水中補(bǔ)加營養(yǎng)鹽繼續(xù)循環(huán)。水中營養(yǎng)鹽和污染物的濃度經(jīng)常需取樣測定。取樣點設(shè)定在注入井和抽出井之間。在其他一些處理中，也有將地下水抽出后不采取循環(huán)而在地面進(jìn)行處理的。

2.3 維持好氧微生物活性

典型的快速生物降解是由好氧微生物進(jìn)行，因此必須維持這類微生物的活性。在地下水生物修復(fù)中的主要問題是即使在最佳條件下，地下水中的O2含量也極少且自然復(fù)氧速度極慢，雖然在生物修復(fù)中可以外加O2，但O2在水中溶解度很小，難以保證水中好氧微生物的良好生長。例如，生物降解4 000 L泄漏的烴類需要5 000 kg O2，這就必須泵人大量的與空氣混合的水(O2濃度不超過8 mg/L)使其通過蓄水層，即使泵入的水用純氧代替空氣(O2濃度不超過40 mg/L)，也需要近1.1×104m3的水通過蓄水層。因此，常常采用其他手段來提供氧的需要，目前用的較多的方法是在營養(yǎng)鹽溶液中加入H2O2作為O2的來源，H2O2在水中溶解度很大并能夠在蓄水層中緩慢分解釋放出自由的O2。但是，要注意的是H2O2在濃度達(dá)到100～200 mg/L時對某些微生物有毒性，減少或避免H2O2毒性的方法是在開始加入時采用較低的濃度，約50 mg/L，然后逐步提高濃度，最后可達(dá)到1 000 mg/L。

2.4 其他方法的輔助作用

除上述方法以外，需要指出的一點是，以前常用物理方法來去除游離的油類和烴類，如果排除這些物理方法孤立地使用生物修復(fù)的方法，則其實際應(yīng)用的意義也將大大減小，因為污染源不首先用物理方法切斷的話，仍會源源不斷地將新的污染物輸入地下水中，從而加大生物修復(fù)的負(fù)荷甚至使生物修復(fù)中止［4］。雖然存在一些實際的困難，但是地下水生物修復(fù)技術(shù)已經(jīng)在許多地區(qū)成功地去除了大量污染物。例如，一個被乙烯乙二醇污染的區(qū)域在處理26 d后污染物濃度去除到低于檢測限。在一個用PCP處理木材的區(qū)域的生物修復(fù)中，上層10 m的土壤中的PCP被降解94%以上。有報道表明，在生物修復(fù)區(qū)域的微生物群落即使在處理結(jié)束兩年以后還可以保持較高活性。從這個角度而言，生物修復(fù)是具有較為持久的效果的。

3 地下水污染的生物修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用

最簡單的清除污染物的方法是利用已有的供水井或排水溝渠，把污染水抽出或排放到地面進(jìn)行處理，然后再重新注入含水層。生物修復(fù)技術(shù)主要是利用自然環(huán)境中生長的微生物或投加的特定微生物，在人為促進(jìn)工程化條件下，分解污染物，以此修復(fù)受污染的環(huán)境。除此之外，常見的治理方法還有隔離法、泵提法、吸附法、化學(xué)柵欄法、電化學(xué)法等，生物修復(fù)方法與上述方法相比，具有獨特的優(yōu)勢?？傊?，治理被污染的地下水含水層是比較困難的，許多方法尚處在探索階段，需在今后的理論領(lǐng)域內(nèi)繼續(xù)研究，同時在技術(shù)上不斷創(chuàng)新和提高。

3.1 生物注射法

亦稱空氣注射法，它是在傳統(tǒng)氣提技術(shù)的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)形成的新技術(shù)，主要是將加壓后的空氣注射到污染地下水的下部，氣流加速地下水和土壤中有機(jī)物的揮發(fā)和降解，如圖1所示。

圖1 地下水的注射井法生物修復(fù)示意圖

這種方法主要是抽提、通氣并用，并通過增加及延長停留時間以促進(jìn)生物降解，提高修復(fù)效率。以前的生物修復(fù)利用封閉式地下水循環(huán)系統(tǒng)往往氧氣供應(yīng)不足，而生物注射法提供了大量的空氣以補(bǔ)充溶解氧，從而促進(jìn)生物的降解作用。Michael等人利用這一方法對污染地下水進(jìn)行了修復(fù)，結(jié)果表明，生物注射大量空氣，有利于將溶解于地下水中的污染物吸附于氣相中，從而加速其揮發(fā)和降解。營養(yǎng)物質(zhì)最佳加入量需要通過試驗確定，以避免營養(yǎng)鹽加入過多或過少。營養(yǎng)鹽過少，導(dǎo)致生物轉(zhuǎn)化速率較慢。營養(yǎng)鹽過多，則生物量劇增，導(dǎo)致含水層堵塞，生物修復(fù)作用停止。保證生物最佳活性的三種營養(yǎng)源是氮、磷及溶解氧。它們是限制土著微生物活性的因素。含氮、磷的鹽類溶解在地下水中并在污染區(qū)域內(nèi)循環(huán)。加入營養(yǎng)鹽的方法是將營養(yǎng)液通過注射井注入飽和含水層，目前還可以采用入滲渠加入到不飽和含水層或表面土層，即生物滴濾池法，如圖2所示，也可以從取水井將水抽出，并在其中加入營養(yǎng)物質(zhì)，然后從注射井注入含水層，形成循環(huán)。

圖2 利用生物滴濾池進(jìn)行地下水修復(fù)

歐洲從20世紀(jì)80年代中期開始使用這一技術(shù)，并取得了相當(dāng)?shù)某晒?。?dāng)然這項技術(shù)，并取得了相當(dāng)?shù)某晒?。?dāng)然這項技術(shù)的使用會受場所的限制，它只適用于土壤氣提技術(shù)可行的場所，同時生物注射法的效果變受到巖相學(xué)和土層學(xué)的影響，空氣在進(jìn)入非飽和帶之前應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離粗孔層，避免影響污染區(qū)域，另外它在處理黏土層方面效果不理想。

3.2 有機(jī)黏土法

目前又發(fā)展了一種新的原位處理污染地下水的方法，利用人工合成的有機(jī)黏土有效去除有毒化合物。帶正電荷的有機(jī)修飾物、陽離子表面活性劑通過化學(xué)鍵鍵合到帶負(fù)電荷的黏土表面上合成有機(jī)黏土，黏土的表面活性劑可以將有毒化合物吸附到黏土上從而去除或進(jìn)行生物降解。密西根州立大學(xué)的Boyd博士專門從事了這一方面的研究，他認(rèn)為有機(jī)黏土可以擴(kuò)大土壤和含水層的吸附容量，從而加強(qiáng)原位生物降解。

3.3 抽提地下水系統(tǒng)和回注系統(tǒng)相結(jié)合法

這個系統(tǒng)主要是將抽提地下水系統(tǒng)和回注系統(tǒng)(注人空氣或H202、營養(yǎng)物和已馴化的微生物)結(jié)合起來，促進(jìn)有機(jī)污染物的生物降解。Smallbeek、DonaldR等人在加利福尼亞洲的研究表明，采用此系統(tǒng)修復(fù)污染的環(huán)境，生物降解明顯得到促進(jìn)，這個系統(tǒng)既可節(jié)約處理費用，又縮短了處理時間，無疑是一種行之有效的方法。

3.4 生物反應(yīng)器法

生物反應(yīng)器的處理方法是上述方法的改進(jìn)，就是將地下水抽提到地上部分用生物反應(yīng)器加以處理的過程。這種處理方法包括四個步驟，自然形成一閉路循環(huán)。這四個步驟是:①將污染地下水抽提至地面;②在地面生物反應(yīng)器內(nèi)對其進(jìn)行好氧降解，生物反應(yīng)器在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中要補(bǔ)充營養(yǎng)物和氧氣;③處理后的地下水通過滲灌系統(tǒng)回灌到土壤內(nèi);④在回灌過程中加入營養(yǎng)物和已馴化的微生物，并注入氧氣，使生物降解過程在土壤及地下水層內(nèi)亦得到加速進(jìn)行。生物反應(yīng)器法不但可以作為一種實際的處理技術(shù)，也可用于研究生物降解速率及修復(fù)模型。近年來，生物反應(yīng)器的種類得到了較大的發(fā)展。連泵式生物反應(yīng)器、連續(xù)循環(huán)升流床反應(yīng)器、泥漿生物反應(yīng)器等在修復(fù)污染的地下水方面已初見成效。

［1］民貴民，徐光良主編.生物技術(shù)導(dǎo)論［M］.中國環(huán)境科學(xué)出版社.2006.8.

［2］張彥浩，劉建廣.中空纖維膜生物反應(yīng)器去除地下水中硝酸鹽的效能［J］.中國給水排水.2011(06):92.

［3］王建龍，文湘華編著.現(xiàn)代環(huán)境生物技術(shù)［M］.清華大學(xué)出版社.2008(9):102.

［4］夏四清，楊昕.利用氫基質(zhì)生物膜反應(yīng)器去除地下水中的 Cr(Ⅵ)，同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2010(09):115.

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1004－1184(2012)03－0092－02

2012－01－16

張海斌(1978－)，男，陜西興平人，工程師，主要從事環(huán)境影響評價工作。