我國工業(yè)場地地下水污染防治十大科技難題

侯德義

清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京 100084

地下水是我國重要的戰(zhàn)略資源，我國約2/3 城市的飲用水和北方地區(qū)65%的生活用水均以地下水為來源[1]. 然而，我國地下水質(zhì)量狀況堪憂，2020 年《中國生態(tài)環(huán)境狀況公報》顯示全國范圍內(nèi)約77%的淺層地下水水質(zhì)為Ⅳ類及以下[2]. 由于地下水污染具有隱蔽性、持久性和不可逆性，地下水中污染物可在不容易被察覺的情況下通過多種暴露方式對人居安全和飲水安全造成嚴重威脅.

工業(yè)場地是地下水最主要的污染源[3]，近年來由工業(yè)場地引起的地下水污染事故頻發(fā). 面對當前嚴峻的工業(yè)場地地下水污染形勢和修復(fù)治理需求，2018年由第十三屆全國人民代表大會常務(wù)委員會第五次會議審議通過的《土壤污染防治法》和2021 年由國務(wù)院審議通過的《地下水管理條例》明確規(guī)定，工業(yè)場地修復(fù)和風(fēng)險管控應(yīng)當包括地下水污染防治內(nèi)容.地下水風(fēng)險管控和修復(fù)工作日益得到政府和行業(yè)的高度關(guān)注.

與英國、美國等發(fā)達國家相比，我國修復(fù)行業(yè)起步較晚，工業(yè)場地的治理尚處于初級階段，工業(yè)場地地下水風(fēng)險管控與修復(fù)技術(shù)及其管理體系亟待完善.該文基于我國工業(yè)場地地下水污染風(fēng)險管控與修復(fù)現(xiàn)狀，分析了其存在的科學(xué)問題和挑戰(zhàn)，并論述了應(yīng)對當前挑戰(zhàn)可能產(chǎn)生技術(shù)突破的發(fā)展機遇.

1 我國工業(yè)場地地下水污染現(xiàn)狀

近年來，由于城市的快速發(fā)展和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，工業(yè)企業(yè)搬遷、設(shè)施老化導(dǎo)致的“跑冒滴漏”、廢棄物品非法處置等原因造成的工業(yè)場地土壤和地下水污染問題日益凸顯，對公眾健康和生態(tài)環(huán)境造成了嚴重威脅[3]. 為了應(yīng)對日益嚴重的工業(yè)場地地下水污染問題，我國2018 年發(fā)布的《土壤污染防治法》提出了關(guān)于工業(yè)場地地下水污染防治的相關(guān)要求，2021 年發(fā)布的《地下水管理條例》進一步規(guī)定了將地下水污染治理納入工業(yè)場地管理范圍.

我國工業(yè)場地地下水中污染物分為有機污染物和無機污染物，其中有機污染物以苯系物、石油烴和氯代烴為主；無機污染物中重金屬污染較為突出，如六價鉻、砷污染等[4]. 我國地下水污染類型受控于工業(yè)產(chǎn)業(yè)類型，呈現(xiàn)出地域分區(qū)的特點[5]. 礦產(chǎn)資源豐富的中南、西南地區(qū)，其鋼鐵及有色金屬冶煉等行業(yè)發(fā)達，重金屬類污染較為普遍[5]. 京津冀及江浙滬等沿海地區(qū)則有機類工業(yè)污染場地分布較多[6-7].

對我國各省級生態(tài)環(huán)境廳公布的建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險管控和修復(fù)名錄(簡稱“省級名錄”，不含港澳臺地區(qū)數(shù)據(jù))的統(tǒng)計分析顯示，874 個省級名錄地塊中，僅有6 個地區(qū)的330 個名錄地塊統(tǒng)計了地下水的信息，其中31%的地塊存在地下水污染(見表1).2020 年美國超級基金場地修復(fù)統(tǒng)計報告顯示，美國84%的污染場地含有地下水污染，顯著高于我國污染場地地下水污染比例，其原因可能包括：①我國對工業(yè)場地地下水污染的關(guān)注較晚，早期污染場地修復(fù)的實踐中“治土不治水”的情況較為普遍；②我國早期土壤和地下水管理分離，地下水污染信息統(tǒng)計不完善；③由于地區(qū)性差異，我國北方等局部地區(qū)地下水水位較深，污染主要集中在包氣帶，未在地下水中大量聚集. 此外，修復(fù)完成移出名錄的地塊中，僅有5%的場地完成了地下水修復(fù)工作，遠低于存在地下水污染的比例(31%)，側(cè)面反映出工業(yè)場地地下水污染修復(fù)存在較大的技術(shù)難度.

表1 我國省級名錄的地下水污染信息統(tǒng)計分析Table 1 The statistics of groundwater pollution information in provincial directory in China

2 地下水風(fēng)險管控與修復(fù)研究的十大挑戰(zhàn)與機遇

在過去40 多年中，隨著環(huán)境修復(fù)行業(yè)的發(fā)展，國內(nèi)外關(guān)于地下水的研究產(chǎn)出快速增長. 筆者所在團隊于2020 年針對全球范圍內(nèi)該領(lǐng)域的相關(guān)文獻，使用統(tǒng)計學(xué)和文獻計量學(xué)方法開展了相應(yīng)分析，發(fā)現(xiàn)我國在地下水污染與修復(fù)方面的投入在近年來也逐步增加[8]. 鑒于近年來我國工業(yè)場地污染引發(fā)的地下水環(huán)境污染事件頻發(fā)(如2014 年蘭州自來水污染事件，2016 年常州外國語學(xué)校環(huán)境污染事件等)，該文從社會與科技需求出發(fā)，結(jié)合國際地下水修復(fù)前沿和國內(nèi)發(fā)展與管理現(xiàn)狀，提出我國工業(yè)場地污染地下水風(fēng)險管控與修復(fù)十大挑戰(zhàn)性問題(見圖1).

2.1 地下水修復(fù)與風(fēng)險管控的綠色可持續(xù)性

已有研究[9-11]發(fā)現(xiàn)，污染場地修復(fù)過程中由于大量的材料和能源投入，以及廢水、廢氣等污染物排放，存在著較高的負面環(huán)境和社會經(jīng)濟影響(即“二次影響”). 若未能制定科學(xué)的修復(fù)目標和修復(fù)方案，容易造成二次影響過高甚至修復(fù)失敗[9-11]. 隨著人們對綠色可持續(xù)理念的認同日益增強，綠色可持續(xù)修復(fù)(green and sustainable remediation, GSR)運動開始興起，并成為近年來國際修復(fù)界最重要的進展之一[12].GSR 是指“在滿足場地環(huán)境功能、使用功能和風(fēng)險控制的基礎(chǔ)上，為了減少修復(fù)本身所帶來的負面影響，綜合考慮修復(fù)全生命周期內(nèi)的環(huán)境、社會、經(jīng)濟因素，采取使修復(fù)凈效益最大化的方案和措施”. GSR 的核心要素在于減少修復(fù)的二次影響，確保修復(fù)的正面效益大于其負面影響. 目前，世界范圍內(nèi)眾多的國家和地區(qū)相繼成立了專業(yè)性組織，如可持續(xù)修復(fù)論壇(sustainable remediation forum, SuRF)等，推動GSR 在當?shù)氐拈_展，GSR 相關(guān)的標準和技術(shù)規(guī)范也在不斷地發(fā)布和更新(見圖2).

圖2 綠色可持續(xù)修復(fù)發(fā)展概況Fig.2 The development of green and sustainable remediation

我國工業(yè)場地地下水修復(fù)和風(fēng)險管控實踐過程中，對綠色可持續(xù)性關(guān)注不足. 譬如，我國工業(yè)污染場地由于迫切的再開發(fā)需求，80%以上的項目修復(fù)周期在1 年以內(nèi)[13]. 為了實現(xiàn)地下水污染總量和濃度的快速削減，多采用抽出-處理、原位化學(xué)氧化、止水帷幕+清挖等高強度修復(fù)措施[14]，在修復(fù)方案設(shè)計方面，對修復(fù)工程全周期的考慮較為不足，導(dǎo)致目前鮮有高效低耗的地下水修復(fù)案例[15]. 因此，為了實現(xiàn)綠色可持續(xù)的場地修復(fù)和風(fēng)險管控，需要綜合評估不同模式和技術(shù)路線的二次影響，進行科學(xué)的修復(fù)和管控方案設(shè)計[16].

近年來，基于生命周期評價的定量評價方法被越來越多地用于污染場地修復(fù)和風(fēng)險管控，為方案設(shè)計提供決策支撐[12]. Higgins 等[17]通過生命周期評價比較了可滲透反應(yīng)墻和抽出-處理用于治理某氯代烴污染場地地下水的環(huán)境影響，結(jié)果表明，當修復(fù)系統(tǒng)運行時間超過10 年時，可滲透反應(yīng)墻的環(huán)境影響更低.Ni 等[18]通過生命周期評價比較了某場地不同供能方式的地下水生物修復(fù)環(huán)境影響，發(fā)現(xiàn)利用地?zé)醿δ艽骐婒?qū)動的加熱方式，修復(fù)碳排放降低了50%.O'Connor 等[19]分析了某沿海地區(qū)氣候變化導(dǎo)致海平面上升對場地地下水修復(fù)的影響，結(jié)果表明，植物修復(fù)具有韌性，能夠有效降低海平面上升所導(dǎo)致的蒸汽入侵風(fēng)險，并消除地下水污染物對地表水的影響. 在當前碳達峰與碳中和的大背景下，污染場地的綠色低碳修復(fù)具有尤其重大的意義[20]. 已有研究大多基于國外的案例和場景，為了推動我國地下水修復(fù)與風(fēng)險管控的綠色可持續(xù)性，需要在相關(guān)研究領(lǐng)域取得重要突破.

2.2 污染物及水文地質(zhì)條件的精準刻畫與風(fēng)險評估

含水層污染的三維精準刻畫是高效低耗修復(fù)的前提條件，其包含對含水層水文地質(zhì)條件的刻畫以及對污染物分布的刻畫. 污染地塊的水文地質(zhì)條件能夠影響地下水的流動與污染物的擴散遷移情況，其精準刻畫對于修復(fù)和風(fēng)險管控方法的選擇具有重要意義.同樣，調(diào)查污染物分布是修復(fù)工作的基礎(chǔ)，對其精準刻畫將對后續(xù)所有工作給予有力的支撐.

在實際場地調(diào)查治理工作中，往往通過土孔鉆探和監(jiān)測井建設(shè)來對地層結(jié)構(gòu)和污染物分布進行刻畫.然而，含水層的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在空間上存在著多種不同地層. 由于污染物具有吸附、揮發(fā)、擴散等多種遷移特性，其空間分布上也具有較大差異.同時，在調(diào)查過程中，由于土孔和監(jiān)測井數(shù)量有限以及取樣方法的局限性，很難對整個場地進行精準刻畫. 上述情況均可能導(dǎo)致地層分布劃分不準、污染分布調(diào)查不清，進而導(dǎo)致在后續(xù)的修復(fù)過程中無法有效清除污染源. 美國密歇根州Velsicol 化工廠修復(fù)項目于1980 年代開展場地調(diào)查與修復(fù)時，未發(fā)現(xiàn)表面黏土層存在的高度斷裂與場地地下由市政水井導(dǎo)致形成的半承壓含水層，致使污染地下水在雨水滲透與承壓水水頭的影響下穿過了最初設(shè)置的泥漿墻，進而遷移至附近的河域；1990 年代初，該化工廠附近河域內(nèi)沉積物與魚類生物積累DDT 大量超標，對周邊居民的身體健康造成較大影響，迫使美國環(huán)境保護局采取巨額的補救措施進行后續(xù)修復(fù)工作[21].

目前，我國典型項目對污染物及水文地質(zhì)條件的刻畫同樣存在較大不足. 針對這一現(xiàn)狀，需要進一步通過科學(xué)合理的研究進行解決：①需要對監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)和取樣方法進行優(yōu)化[22]，在傳統(tǒng)的網(wǎng)格布點基礎(chǔ)上，根據(jù)前期資料收集、人員訪談等信息的分析結(jié)果，在潛在污染源附近進行布點，盡可能在有限的成本下捕捉更多的信息. ②需要對采樣指標及其檢測方法進行規(guī)范和優(yōu)化，并對目前部分行業(yè)標準和技術(shù)規(guī)范的可操作性進行提升. ③在檢測過程中，對于非常規(guī)污染物也需要加強檢測，完善風(fēng)險評估的方法，通過多元數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法的應(yīng)用輔助刻畫污染物的分布. ④對于物探方法也需要進一步研究，通過研發(fā)更加精細的物探方法，進而有效刻畫場地的水文地質(zhì)條件. ⑤需要將理論模型與實測數(shù)據(jù)相互驗證并且建立完整的決策支撐系統(tǒng)，進一步對污染物及水文地質(zhì)條件精準刻畫，從而高效地支持后續(xù)工作.

2.3 水土協(xié)同治理

土壤與地下水在生態(tài)功能上密不可分. 土壤污染物通過滲濾、擴散等作用進入地下水，而地下水中污染物通過擴散、毛細吸附等作用進入土壤[23](見圖3[24]). 因此，在污染場地修復(fù)過程中，若只對土壤或地下水進行治理，可能會因為污染物在土壤與地下水間的相互遷移而造成二次污染. 然而由于歷史原因，在我國很多實際污染場地調(diào)查與修復(fù)過程中，通常重點關(guān)注土壤污染而忽略地下水污染. 另外，在地下水污染調(diào)查治理過程中，涉及施工技術(shù)限制、成本昂貴等問題，也增加了其工作難度.

圖3 土壤與地下水間污染物相互傳輸?shù)母拍钅Ｐ蚚24]Fig.3 Conceptual model of contaminant transport between soil and groundwater[24]

2021 年11 月2 日，中共中央、國務(wù)院印發(fā)《關(guān)于深入打好污染防治攻堅戰(zhàn)的意見》，提出“強化地下水污染協(xié)同防治”的要求，體現(xiàn)了“水土協(xié)同治理”的發(fā)展趨勢. 針對我國地下水生態(tài)環(huán)境保護整體基礎(chǔ)薄弱的問題，結(jié)合土壤和地下水污染的現(xiàn)狀，對未來水土協(xié)同治理提出科學(xué)性的研發(fā)需求：首先，需要明確各類污染物在包氣帶中的遷移規(guī)律，根據(jù)污染物性質(zhì)、污染程度及地層結(jié)構(gòu)等實際情況，建立并優(yōu)化遷移模型，深度分析場地內(nèi)污染物的遷移轉(zhuǎn)化特征[25-26]；其次，為了實現(xiàn)高效的可持續(xù)性修復(fù)，需準確評估污染修復(fù)對環(huán)境的影響[27]，在風(fēng)險評估時需要考慮和分析土壤地下水中污染物的遷移趨勢，進而針對修復(fù)技術(shù)的長效性進行可行性分析；最后，修復(fù)技術(shù)的有效應(yīng)用實踐是“水土協(xié)同治理”的關(guān)鍵，針對不同污染場地狀況，結(jié)合現(xiàn)階段國內(nèi)外常用的修復(fù)方法[28]，耦合與優(yōu)化現(xiàn)有的污染土壤與地下水治理修復(fù)技術(shù)[12]，進一步解決技術(shù)與成本問題.

2.4 低滲透地層及透鏡體的反向擴散

當?shù)叵滤艿轿廴竞?，污染物隨著地下水流動將首先進入高滲透區(qū)域，并與低滲透區(qū)域之間產(chǎn)生濃度梯度；隨后，污染物通過擴散進入低滲透區(qū)域，并在其內(nèi)部積累(正向擴散). 當污染物進一步向下游區(qū)域遷移或?qū)Φ叵滤M行修復(fù)時，高滲透區(qū)域的污染物濃度將減少，此時濃度梯度逆轉(zhuǎn)，低滲透區(qū)域中積累的污染物將重新釋放進入高滲透區(qū)域中，這種現(xiàn)象稱為反向擴散(back diffusion)[29]，如圖4(a)[30]所示.

圖4 低滲透區(qū)域污染物反向擴散過程及其工程影響[30]Fig.4 Back diffusion of pollutants in low permeability area and its influence on remediation[30]

反向擴散是目前全世界地下水污染場地管理所面臨的最大技術(shù)挑戰(zhàn)之一[31]. 受到污染的低滲透區(qū)域(如低滲透地層與透鏡體)是活躍的、持久的次級污染源[32]，能夠持續(xù)向地下水中釋放污染物，造成污染長期存在于地下水中. 因此，對于多種常用的修復(fù)方法(如抽出-處理[31]、微生物好氧修復(fù)[33]、原位氧化[34]等)，反向擴散將影響其修復(fù)效率，延長其修復(fù)時間. 此外，透鏡體“污染源”的地下位置難以確定，也進一步增加了修復(fù)工作的難度[31]. 反向擴散的影響因素包括低滲透區(qū)域的幾何形狀、滯留因子、地下水流速以及非均質(zhì)含水層中滲透系數(shù)級差等[35]. 針對反向擴散重點需要突破的方向包括研發(fā)精確的溯源與定位技術(shù)，精準判斷低滲透地層及透鏡體的位置，并在此基礎(chǔ)上進一步研究定量分析與模擬方法，為原位修復(fù)和風(fēng)險管控長期監(jiān)管提供支撐.

2.5 原位氧化和生物修復(fù)過程中的有毒副產(chǎn)物生成

原位化學(xué)氧化(ISCO)和生物修復(fù)是土壤與地下水修復(fù)的重要手段，具有對場地擾動小、成本低等優(yōu)點[36]，但這兩種修復(fù)技術(shù)在修復(fù)過程中可能產(chǎn)生有毒副產(chǎn)物，對地下水造成二次污染. 相關(guān)研究表明，有毒副產(chǎn)物的來源主要是場地中預(yù)先存在的重金屬經(jīng)氧化還原反應(yīng)或受pH 影響導(dǎo)致的形態(tài)變化[37]，以及有機物的不完全降解[3]. 例如，原位化學(xué)氧化過程中生成六價鉻等高毒性次生污染物，生物修復(fù)過程中四氯乙烯或三氯乙烯厭氧生物脫氯生成毒性更高的氯乙烯等. 根據(jù)副產(chǎn)物類型與常見的原位化學(xué)氧化和生物修復(fù)的技術(shù)類別，將國內(nèi)外實際修復(fù)工程中檢測到的有毒副產(chǎn)物進行了總結(jié)(見表2).

表2 地下水典型污染物的有毒副產(chǎn)物Table 2 Toxic by-products formed by groundwater remediation

根據(jù)調(diào)查，部分發(fā)達國家已展開了針對有毒副產(chǎn)物的管控，如US EPA 在系列技術(shù)指南中明確要求，對修復(fù)過程中產(chǎn)生的有毒副產(chǎn)物進行檢測與監(jiān)管[41].但目前，我國土壤與地下水修復(fù)的相關(guān)技術(shù)指南中，僅《污染地塊地下水修復(fù)和風(fēng)險管控技術(shù)導(dǎo)則》(HJ 25.6-2019)提出了含氯有機物的降解產(chǎn)物具有一定的毒性風(fēng)險，且未明確對潛在有毒副產(chǎn)物的監(jiān)測與控制措施. 因此，需進一步展開研究：①分析原位修復(fù)過程中污染物降解產(chǎn)物的毒性，并制定相應(yīng)的監(jiān)測方法；②探究有毒副產(chǎn)物的產(chǎn)生受pH、氧化還原電位等因素影響的具體機理；③針對我國特定的場地特性和水文地質(zhì)條件，構(gòu)建實際工程中針對原位氧化與生物修復(fù)的長期監(jiān)測與有毒副產(chǎn)物的預(yù)警方法.

2.6 物理分離技術(shù)的拖尾

拖尾現(xiàn)象是指在修復(fù)系統(tǒng)運行初期，地下水污染物會呈現(xiàn)明顯的去除效果，隨著修復(fù)系統(tǒng)持續(xù)運行，污染物的去除速率逐漸降低，導(dǎo)致污染物濃度趨向于水平漸近線〔見圖4(b)〕[30]. 拖尾是在使用氣相抽提、地下水抽出處理等將污染物進行物理分離后處置的技術(shù)中經(jīng)常遇到的技術(shù)挑戰(zhàn)，在國內(nèi)外的修復(fù)工程中均有發(fā)生. 拖尾現(xiàn)象的本質(zhì)是污染物在相間的非平衡態(tài)遷移[42]，即污染物在氣相、液相、固相中的某一相中富集，導(dǎo)致污染物存在持續(xù)跨界傳質(zhì)，其發(fā)生主要歸因于地層的非均質(zhì)性[43]、污染物解吸及NAPL 溶解[44]. 研究[45]發(fā)現(xiàn)，含水層中存在大量的有機質(zhì)可有效吸附污染物，從而導(dǎo)致更長時間的低速率拖尾現(xiàn)象. 此外，對含水層介質(zhì)的研究[42]發(fā)現(xiàn)，在有低滲透單元的含水層中，后期污染物的釋放主要由擴散和吸附控制，無論含水層內(nèi)部介質(zhì)之間的滲透性差異如何，吸附能力的較大差異都將導(dǎo)致拖尾的產(chǎn)生. 單純增加抽取地下水流量僅能促進低滲透區(qū)外部污染物的清除，而對內(nèi)部污染物的擴散影響甚微. 因此，加速污染物向水相的溶解是解決拖尾問題的關(guān)鍵. 如使用表面活性劑增強修復(fù)等強化手段，將有利于污染物的相對快速釋放[46]；同時，抽提策略的優(yōu)化組合也有待后續(xù)深入研究，以達到縮短修復(fù)時間的目的[47].

2.7 地下水修復(fù)中的污染物反彈

污染物反彈是指在修復(fù)治理中污染物濃度大幅降低并達到修復(fù)標準，但在停止修復(fù)后污染物濃度再次增加并重新超過修復(fù)標準的現(xiàn)象[48]〔見圖4(c)〕[30].污染物反彈將為原位修復(fù)和風(fēng)險管控方式(如原位化學(xué)氧化、原位生物強化等)的達標帶來障礙. 在修復(fù)過程中造成反彈效應(yīng)的原因主要是：污染物會通過擴散、吸附等物理化學(xué)作用被低滲透地層中的細顆粒所捕獲，當?shù)叵滤形廴疚锝?jīng)修復(fù)后濃度降低，被捕獲污染物開始發(fā)生反向擴散，造成污染物反彈[49].Mcguire 等[50]評估了采用不同修復(fù)技術(shù)的59 個氯代溶劑污染場地的修復(fù)效果，分析發(fā)現(xiàn)，雖然修復(fù)使污染物濃度下降了70%～96%，但在停止修復(fù)后，并沒有場地能達到最大污染限值標準. 其中，在實施化學(xué)氧化的場地反彈現(xiàn)象最為普遍，而表面活性劑/助溶劑和熱處理修復(fù)在處理后監(jiān)測期間(1 年以上)濃度變化最小. 因此，如何對地層和污染分布進行精準刻畫，進而識別可能的“反彈來源”，以及如何利用模型等手段對污染物的遷移修復(fù)過程進行精準模擬，進而對污染進行有針對性的修復(fù)，減少“反彈”過程，是當前面臨的重大挑戰(zhàn). 同時，通過開發(fā)與完善修復(fù)方法，可以有效改善污染物反彈現(xiàn)象. 現(xiàn)有研究[51]證明，高效的控釋/緩釋材料可能是未來解決污染物濃度反彈的有效手段，該材料能夠緩慢長時間地釋放其活性物質(zhì)，以維持修復(fù)的長效持久性. 另外，我國目前實行的《污染地塊地下水修復(fù)和風(fēng)險管控技術(shù)導(dǎo)則》(HJ 25.6-2019)要求地下水修復(fù)后需經(jīng)過1～2 年的后期監(jiān)測，方可確認修復(fù)效果達標. 這一要求的緣由和修復(fù)中污染物反彈息息相關(guān). 根據(jù)歐美等國家的修復(fù)工程經(jīng)驗，兩年的監(jiān)測時間并不算長，但是目前國內(nèi)修復(fù)行業(yè)由于業(yè)主支付方式等問題，從業(yè)單位在應(yīng)對兩年的后期監(jiān)測和地下水修復(fù)反彈等問題時仍存在很大的困難.從行業(yè)發(fā)展的角度來看，需要進行相關(guān)的科學(xué)研究，加強從技術(shù)到管理的銜接，解決這一行業(yè)痛點問題.

2.8 大型復(fù)雜污染場地的治理與管控

大型復(fù)雜污染場地是指場地規(guī)模大、污染情況復(fù)雜的污染場地[52]. 大型復(fù)雜污染場地的土壤和地下水污染空間異質(zhì)性較強[53]，因此對其場地調(diào)查與修復(fù)治理提出了更高的要求. 較一般場地而言，治理大型復(fù)雜場地所需時間更長、經(jīng)濟成本更高，其造成的環(huán)境影響更為廣泛[21]，是目前國內(nèi)外地下水修復(fù)領(lǐng)域的難點. 以澳大利亞某大型復(fù)雜工業(yè)場地[21]為例，1960年代該工廠的化學(xué)原料倉庫遭受火災(zāi)，致使超過100 t的氯化碳氫化合物釋放進入當?shù)赝寥琅c地下水；2007 年起，該場地使用空氣擾動/氣相抽提(AS/SVE)技術(shù)進行修復(fù)，以限制地下水中氯代烴的遷移；但后期監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)，由于場地地層的復(fù)雜性，AS/SVE 反而導(dǎo)致原始DNAPL 區(qū)域一分為二，存在60%的污染物繞過空氣擾動的影響范圍繼續(xù)遷移；經(jīng)過更嚴密的調(diào)查與中試試驗后，該場地于2014 年改為使用增強原位生物修復(fù)(EISB)技術(shù)進行更進一步的原位修復(fù)，目前已修復(fù)約80%的氯代烴污染.

場地調(diào)查方面，地下管線、裂隙或局部高滲透性介質(zhì)形成的優(yōu)先通道問題在大型復(fù)雜污染場地中尤為突出，導(dǎo)致場地內(nèi)污染物的空間分布難以被準確刻畫；場地含水層間的補給、地下水與地表水間的補給、地下水位波動等對污染物的遷移也有著顯著影響[54-55]. 修復(fù)技術(shù)方面，場地異質(zhì)性和污染復(fù)雜性可能導(dǎo)致地下不均一的生物地球化學(xué)條件，甚至高鹽度、高堿度的極端地層環(huán)境，都會使污染物化學(xué)氧化還原或生物降解的效率下降，極大增加了治理的難度. 污染物間的復(fù)合，如石化場地中同時存在苯系物和氯代烴污染，二者具有不同的遷移特性(LNAPL 和DNAPL)和反應(yīng)條件(氧化和還原)，使用單一的修復(fù)技術(shù)難以有效應(yīng)對. 由于大型復(fù)雜污染場地治理時間較長，實際修復(fù)工程所面臨的挑戰(zhàn)更為明顯[21]，如氣候變化對修復(fù)運行造成的挑戰(zhàn)，海平面上升可造成植物修復(fù)系統(tǒng)的失效(見圖5[19]). 此外，修復(fù)系統(tǒng)在冬季寒冷條件下運行，往往需要更高的運營管理水平，局部地區(qū)冬季出現(xiàn)的凍土現(xiàn)象也導(dǎo)致鉆探、挖掘的施工困難；雨季的極端暴雨甚至可能使修復(fù)系統(tǒng)失效. 針對大型復(fù)雜污染場地的治理，需要加強在污染調(diào)查上的投入，實現(xiàn)精細的污染三維空間刻畫；技術(shù)上需要研究耦合生物處理與化學(xué)處理等的處理序列(treatment train)方法；治理策略上需要研究修復(fù)與風(fēng)險管控相結(jié)合，分區(qū)分級治理的技術(shù)體系.

圖5 大型復(fù)雜系統(tǒng)中植物修復(fù)系統(tǒng)的長效性[19]Fig.5 Long-term performance of phytoremediation systems in large complex sites[19]

2.9 巖溶裂隙水污染遷移與風(fēng)險管控方法

喀斯特地貌(巖溶區(qū)域)占據(jù)我國1/3 的面積[56]，其地下水系統(tǒng)具有易污染難修復(fù)的特點[57]，在我國尤其受到關(guān)注. 在巖溶裂隙地下水區(qū)域，地表水、降雨和地下水緊密相連. 與土壤孔隙介質(zhì)相比，地表徑流可以直接通過下沉孔洞裂隙快速流入巖溶地下區(qū)域，因而其地下水系統(tǒng)更易受人類農(nóng)業(yè)和工業(yè)活動的影響[58]. 當?shù)叵滤晃廴竞?，其修?fù)也比其他水文環(huán)境更具挑戰(zhàn)性. 由于難以確定所有優(yōu)先流的路徑，傳統(tǒng)的抽出-處理技術(shù)往往難以在巖溶地下水中使用[59].同時巖石基質(zhì)到滲透性裂縫的漫長反擴散，也將導(dǎo)致污染含水層極難修復(fù)[60]. 針對巖溶地下水污染，目前主要應(yīng)用的修復(fù)技術(shù)包括原位熱處理、原位化學(xué)氧化和原位生物修復(fù)技術(shù). 但這些技術(shù)無法精確識別管道通路，無法精確刻畫污染分布范圍，地下水流動過快依然限制了巖溶裂隙地下水修復(fù)的效率[61-62]. 此外，減少暴露途徑同樣可以作為一種巖溶裂隙水污染風(fēng)險管控的方法，但其通常需要長期的操作和較高的維護成本[61]. 為克服以上困難，建議深入開展以下工作：①進一步完善場地尺度的裂隙水遷移理論，對巖溶裂隙結(jié)構(gòu)刻畫、地下水流動以及污染物的遷移規(guī)律展開深入研究，進而指導(dǎo)場地的調(diào)查與管控過程；②完善巖溶裂隙場地調(diào)查方法，提高調(diào)查的完整性、精確性與經(jīng)濟性，精細刻畫巖溶裂隙場地概念模型；③結(jié)合模擬與污染物源匯理論，開發(fā)針對巖溶裂隙場地的風(fēng)險管控方法，提升處置巖溶裂隙場地污染的系統(tǒng)性與科學(xué)性.

2.10 地下水中新污染物

近年來，地下水中新污染物在全世界范圍內(nèi)受到廣泛關(guān)注. 新污染物是指由人類活動造成的、目前已明確存在但尚無法律法規(guī)和標準予以規(guī)定或規(guī)定不完善、危害生活和生態(tài)環(huán)境的污染物[63]. 雖然新污染物在地下水中的檢測濃度較低，但由于我國大部分地區(qū)均以地下水作為飲用水源，新污染物仍可能對居民飲水健康安全造成嚴重威脅[64]. 地下水中的新污染物主要包括PFAS 等全氟化合物、抗生素、微塑料等[65].在全氟化合物中，全氟辛烷磺酸(PFOS)和全氟辛酸(PFOA)因其易生物累積、環(huán)境抗性、對多種生物的潛在毒性等特點而受到關(guān)注. 對于抗生素，有研究發(fā)現(xiàn)，喀斯特地下水中存在大量藥物污染，其化合物的最大濃度變化超過5 個數(shù)量級，近一半檢測到的化合物濃度超過100 ng/L[66]，存在較高的風(fēng)險. 此外，微塑料(粒徑＜5 mm)這種新興的難降解污染物在地下水中也廣泛受到關(guān)注. 有研究指出，每年存在于陸地環(huán)境中的微塑料質(zhì)量可能超過40×104t，地表和地下水體是微塑料的重要聚集儲層[67]. 并且，微塑料除能夠在多孔介質(zhì)中進行垂直運移外，因其化學(xué)結(jié)構(gòu)和具有較高的表面體積比，其在水生系統(tǒng)中能夠運輸疏水有機化學(xué)品和抗生素等，可能會加劇地下水污染[68]. 目前，我國對地下水新污染物的研究正在逐步興起，但很多問題亟待解決. 需要重點攻克的難題包括新污染物的源匯途徑、空間分布、健康與生態(tài)風(fēng)險以及高效低耗的防治技術(shù)等.

3 結(jié)論與展望

a) 通過對地下水領(lǐng)域文獻以及實際修復(fù)工程的統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，我國工業(yè)場地地下水污染問題突出. 為了貫徹落實《土壤污染防治法》與《地下水管理條例》，工業(yè)污染場地地下水污染治理仍面臨著嚴峻的挑戰(zhàn).該研究總結(jié)了工業(yè)場地地下水污染治理的十大科技挑戰(zhàn)：地下水修復(fù)與風(fēng)險管控的綠色可持續(xù)性，污染物及水文地質(zhì)條件的精準刻畫與風(fēng)險評估，水土協(xié)同治理，低滲透地層及透鏡體的反向擴散，原位氧化和生物修復(fù)過程中的有毒副產(chǎn)物生成，物理分離技術(shù)的拖尾，地下水修復(fù)中的污染物反彈，大型復(fù)雜污染場地的治理與管控，巖溶裂隙水污染遷移與風(fēng)險管控方法，以及地下水中新污染物.

b) 針對工業(yè)場地地下水污染修復(fù)和風(fēng)險管控面臨的巨大挑戰(zhàn)，需要從污染物釋放遷移機理、污染調(diào)查與監(jiān)測方法、修復(fù)與管控技術(shù)工藝與材料以及綠色可持續(xù)應(yīng)用等方面進行深入研究，為進一步完善我國工業(yè)場地地下水污染修復(fù)和風(fēng)險管控技術(shù)及其管理體系提供支撐. 機理研究方面，應(yīng)結(jié)合理論、模型和實地觀測，加強對各類污染物的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律研究，如污染物在包氣帶的遷移模擬以及特定水文地質(zhì)條件下(如裂隙水)污染物的遷移研究. 污染調(diào)查與監(jiān)測方面，應(yīng)在現(xiàn)有的場地調(diào)查技術(shù)體系基礎(chǔ)上優(yōu)化地下水取樣方法及監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)布設(shè)方法，加強土壤氣監(jiān)測、數(shù)值模型在場地地下水污染調(diào)查中的應(yīng)用，研發(fā)地下水污染精準溯源與定位技術(shù)，完善長期監(jiān)測和預(yù)警體系. 技術(shù)工藝與材料研發(fā)方面，應(yīng)充分認識地下水修復(fù)“宜慢不宜快”的特點，推動低耗長效修復(fù)技術(shù)與綠色修復(fù)材料的研發(fā)與應(yīng)用，通過對現(xiàn)有技術(shù)的耦合、優(yōu)化，實現(xiàn)水土協(xié)同修復(fù). 最后，在綠色可持續(xù)應(yīng)用方面，應(yīng)完善可持續(xù)性評價方法與指標體系，從全生命周期角度評估地下水污染修復(fù)和風(fēng)險管控的二次影響，通過定量或半定量的評估方法優(yōu)選綜合效益最佳的修復(fù)和風(fēng)險管控技術(shù)路線.