地下水污染修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展

駱 坤，夏平平

（武漢清達(dá)環(huán)?？萍加邢薰?，湖北 武漢 430223）

在2020年，我國(guó)的水資源總量為31 605.2億m3，其中，地下水資源總量為8 553.5億m3，在水資源總量中占比為27.1%。而全國(guó)用水總量為5 812.9億m3，由于新冠疫情以及降水等因素的影響，全國(guó)2020年用水總量比2019年減少了208.3億m3，且全國(guó)2020年地下水源供水總量為892.5億m3[1]，由以上數(shù)據(jù)可以看出，地下水資源十分重要。但隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，地下水污染的狀況卻變得十分嚴(yán)重，因此，對(duì)污染的地下水進(jìn)行修復(fù)治理迫在眉睫。長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)，由于地下水遭到污染后修復(fù)難度較大，為此，國(guó)外開(kāi)展了許多關(guān)于地下水污染修復(fù)的研究，而我國(guó)地下水污染修復(fù)相關(guān)的研究則相對(duì)較少。近年來(lái)，隨著地下水污染修復(fù)技術(shù)發(fā)展比較迅速，我國(guó)在這方面也取得了較大進(jìn)步。所以，污染地下水的修復(fù)也成為我國(guó)當(dāng)前生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作的重要內(nèi)容之一，而地下水修復(fù)技術(shù)更是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一。

1 修復(fù)技術(shù)

1.1 抽出-處理技術(shù)

抽出－處理技術(shù)是一種地下水異位修復(fù)技術(shù)。該技術(shù)是最普遍應(yīng)用的地下水污染修復(fù)技術(shù)，即抽出污染場(chǎng)地被污染的地下水，然后同時(shí)進(jìn)行處理。在實(shí)際應(yīng)用該技術(shù)時(shí)，首先需要結(jié)合地下水污染的范圍，設(shè)置一定數(shù)量的抽水井；然后用水泵從污染場(chǎng)地抽出被污染的地下水，并通過(guò)地上污水處理設(shè)施進(jìn)行處理；最后根據(jù)污染場(chǎng)地的情況，再將處理達(dá)標(biāo)后的地下水排入地表水體或者回灌到地下。近年來(lái)，抽出－處理技術(shù)在我國(guó)應(yīng)用較為廣泛。顧春杰[2]研究發(fā)現(xiàn)，利用抽出－處理修復(fù)技術(shù)修復(fù)某砷污染的地下水，修復(fù)后地下水中砷的濃度能有效達(dá)到修復(fù)目標(biāo)值。因此，抽出一處理技術(shù)的應(yīng)用較為廣泛，主要用于處理重金屬、有機(jī)氯化物以及苯類化合物。但該技術(shù)不適宜處理非水溶性的液態(tài)污染物。

在實(shí)際修復(fù)過(guò)程中，由于需要將地下水抽出并進(jìn)行處理后回灌，因此，該技術(shù)處理成本較高，即地下水抽出的成本、污染地下水的處理成本、處理后回灌的成本以及系統(tǒng)維護(hù)的成本都比較高。需要注意的是，該技術(shù)在實(shí)施過(guò)程中如果不對(duì)污染源進(jìn)行封閉，地下水的抽取停止時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生拖尾與反彈現(xiàn)象。因此，要特別注意如何在污染場(chǎng)地內(nèi)合理布設(shè)抽水井和預(yù)防拖尾及反彈的問(wèn)題。另外，簡(jiǎn)單的污染場(chǎng)地可以通過(guò)計(jì)算來(lái)確定抽水井的位置和數(shù)量，而對(duì)于復(fù)雜的污染場(chǎng)地，則需要采用相關(guān)模型進(jìn)行模擬后再確定抽水井的位置和數(shù)量。

1.2 生物修復(fù)技術(shù)

該技術(shù)是采用工程方法將地下水中的有毒、有害污染物用微生物（土著或外來(lái)微生物）進(jìn)行降解，以及轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水，或轉(zhuǎn)化為無(wú)害物質(zhì)。主要是因?yàn)槲⑸锬苡行Ы到獾叵滤械闹亟饘佟⒂袡C(jī)污染物、氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽等無(wú)機(jī)污染物。但微生物對(duì)地下水中不同污染物的降解轉(zhuǎn)化機(jī)理也不一樣：如無(wú)機(jī)氮污染物生物降解的關(guān)鍵過(guò)程是反硝化作用；而地下水中的重金屬污染物，則一般不能被微生物直接利用，主要通過(guò)氧化還原、甲基化以及去甲基化等作用而改變價(jià)態(tài)或被固定，從而轉(zhuǎn)化為低毒或無(wú)毒物質(zhì)。

通常，生物修復(fù)技術(shù)可分為天然生物修復(fù)和強(qiáng)化生物修復(fù)。其中，天然生物修復(fù)主要是指，不添加營(yíng)養(yǎng)物直接利用土著微生物降解地下水中的污染物。而強(qiáng)化生物修復(fù)是利用自然環(huán)境中的微生物或投加特定微生物，以采用工程方法改善、限制生物修復(fù)速度的因素，將地下水中的污染物降解。歐美發(fā)達(dá)國(guó)家在20世紀(jì)就已開(kāi)始廣泛使用生物修復(fù)技術(shù)修復(fù)污染地下水，并且成功修復(fù)了許多污染場(chǎng)地的地下水。因此，生物修復(fù)技術(shù)是國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)，該技術(shù)很有應(yīng)用前景。李飛等[3]研究表明，利用生物修復(fù)方法修復(fù)淺層地下水的硝酸鹽污染是可行的，而且，在碳源類型和碳氮比合適、環(huán)境適宜時(shí)，地下水中硝酸鹽的去除效果較好。在實(shí)際應(yīng)用中，該技術(shù)在處理能被生物降解的污染物時(shí)效果較好，能有效處理有機(jī)污染物以及農(nóng)業(yè)氮肥污染，但不能用于處理難生物降解以及不溶性污染物。生物處理技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于，耗時(shí)較短，成本較低，修復(fù)范圍較廣；不足之處在于，在使用該技術(shù)時(shí)，毒性過(guò)大的有機(jī)污染物可能會(huì)抑制微生物，導(dǎo)致治理效果較差，所以采用該技術(shù)時(shí)要進(jìn)行持續(xù)監(jiān)控和維護(hù)。

1.3 PRB（可滲透反應(yīng)墻）技術(shù)

在應(yīng)用該技術(shù)時(shí)，要設(shè)置一個(gè)填充有活性反應(yīng)介質(zhì)的被動(dòng)反應(yīng)區(qū)，當(dāng)?shù)叵滤ㄟ^(guò)反應(yīng)區(qū)時(shí)，污染物和反應(yīng)介質(zhì)通過(guò)發(fā)生物理、化學(xué)和生物降解作用，從而將地下水中的污染物降解。其工藝原理是，可滲透反應(yīng)墻通過(guò)填充不同的反應(yīng)介質(zhì)，使污染物通過(guò)吸附、沉淀、氧化還原或生物降解作用而被去除。其中，當(dāng)反應(yīng)介質(zhì)為吸附劑時(shí)，其能有效吸附地下水中的污染物而將其去除。常用的吸附劑包括沸石、活性炭、粉煤灰等。而在用吸附劑作為反應(yīng)介質(zhì)時(shí)，其對(duì)重金屬、有機(jī)物、氨氮等地下水污染物的處理效果較好。

沉淀反應(yīng)是指填充的反應(yīng)介質(zhì)可以和污染物產(chǎn)生沉淀作用，進(jìn)而將污染物去除，但污染物與反應(yīng)介質(zhì)生成的沉淀可能會(huì)使PRB形成堵塞。因此，解決PRB的堵塞問(wèn)題十分重要，要定期對(duì)沉淀物進(jìn)行清理，或添加能提高PRB滲透性的物質(zhì)，以便于在一定程度上解決PRB堵塞問(wèn)題。而氧化還原反應(yīng)也是指地下水中的污染物與反應(yīng)介質(zhì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)，生成單質(zhì)或不溶性化合物后被去除。生物降解反應(yīng)是指反應(yīng)介質(zhì)通過(guò)微生物的作用對(duì)地下水中的污染物進(jìn)行降解。

歐美國(guó)家在PRB技術(shù)和實(shí)際應(yīng)用方面已經(jīng)開(kāi)展的研究較多，但我國(guó)在這方面起步相對(duì)較晚。目前，我國(guó)對(duì)PRB技術(shù)的研究主要是在實(shí)驗(yàn)室，而應(yīng)用于工程研究的相對(duì)較少。張晟瑀等[4]研究表明，可采用火山渣為PRB的反應(yīng)介質(zhì)，其粒徑為0.25～2.00 mm，對(duì)TPH和菲、萘、十八烷的去除率均可達(dá)到80%以上。在實(shí)際應(yīng)用中，PRB技術(shù)無(wú)需使用泵和地面污水處理設(shè)施，可直接在原地處理污染的地下水，基本不占用地面，也不需要進(jìn)行儲(chǔ)存、運(yùn)輸以及清理等；PRB技術(shù)的成本居中。而且，PRB技術(shù)填充的反應(yīng)介質(zhì)能使用的時(shí)間較長(zhǎng)，不用經(jīng)常更換，因此，處理潛力也較大，既能長(zhǎng)期有效地運(yùn)行，也不會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成不利影響。但PRB技術(shù)的反應(yīng)介質(zhì)需適時(shí)更換，且墻體易發(fā)生堵塞，而墻體介質(zhì)材料安放時(shí)也有可能造成二次污染。因此，由于地下水中的污染物成分較復(fù)雜，所以往往會(huì)選擇復(fù)合材料作為填充材料。

1.4 監(jiān)測(cè)自然衰減技術(shù)

地下水污染場(chǎng)地能自然發(fā)生物理、化學(xué)以及生物作用，從而使污染物發(fā)生自然衰減。因此，監(jiān)測(cè)自然衰減技術(shù)是一種利用自然衰減再加上有計(jì)劃地監(jiān)控，從而達(dá)到修復(fù)地下水中污染物的方法。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，自然衰減是通過(guò)稀釋、彌散、對(duì)流、吸附、沉淀、揮發(fā)、化學(xué)反應(yīng)和生物降解等作用，降低地下水中污染物的濃度和毒性。所以，該技術(shù)的原理是，對(duì)流、彌散、稀釋、吸附、沉淀、揮發(fā)等均為非破壞性作用，主要是稀釋污染物，或使污染物由一種相轉(zhuǎn)移到另一種相。通常，純化學(xué)反應(yīng)引起的衰減比較少，生物降解比較常見(jiàn)。但生物降解是一種破壞性作用，即污染物能被微生物降解為無(wú)害物質(zhì)。

近年來(lái)，越來(lái)越多的地下水修復(fù)開(kāi)始使用監(jiān)測(cè)自然衰減技術(shù)，主要包括監(jiān)測(cè)井系統(tǒng)、自然衰減性能評(píng)估系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)計(jì)劃以及應(yīng)急備用方案等。在實(shí)際應(yīng)用中，該系統(tǒng)不需要太多的人為控制，只需必要的場(chǎng)地控制和監(jiān)測(cè)。由于任何地下水污染場(chǎng)地都會(huì)發(fā)生自然衰減，但因?yàn)椴煌廴緢?chǎng)地的污染物不同，并且環(huán)境條件也不一樣，因此，自然衰減強(qiáng)度也存在差異。此外，國(guó)外關(guān)于監(jiān)測(cè)自然衰減相關(guān)的研究比較多。目前，我國(guó)也開(kāi)展了許多這方面的研究，特別是在石油烴、垃圾滲濾液和污水灌溉等污染場(chǎng)地的自然衰減方面研究較多。陳余道等[5]在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)制作了含水層物理模型，以開(kāi)展污染地下水中BTEX各溶解組分自然去除的模擬研究，研究發(fā)現(xiàn)：苯、甲苯、乙苯和二甲苯都可以被自然去除，且去除甲苯和二甲苯比較容易，而去除苯則需要的時(shí)間較長(zhǎng)。因此，監(jiān)測(cè)自然衰減技術(shù)適用于易降解的有機(jī)物，成本也不高，對(duì)環(huán)境破壞比較小，但監(jiān)測(cè)需要較長(zhǎng)時(shí)間。

1.5 植物修復(fù)技術(shù)

該技術(shù)是一種通過(guò)植物對(duì)地下水中的有機(jī)物、重金屬等污染物進(jìn)行修復(fù)的技術(shù)。該技術(shù)修復(fù)地下水中的重金屬主要是通過(guò)植物提取、根系過(guò)濾以及植物的穩(wěn)定作用，以達(dá)到修復(fù)目。其中，應(yīng)用植物修復(fù)地下水中的有機(jī)污染物，主要是通過(guò)植物降解、根系降解以及植物蒸騰作用達(dá)到修復(fù)目。目前，國(guó)內(nèi)實(shí)際工程應(yīng)用還比較少。經(jīng)研究表明，通過(guò)種植楊樹(shù)來(lái)修復(fù)受污染的地下水，且經(jīng)過(guò)7年的修復(fù)，在其根部的吸收及生物活動(dòng)作用下，地下水中三氯乙烯能被植物有效去除，同時(shí)，楊樹(shù)還可以促進(jìn)含水層中三氯乙烯的生物降解[6]。植物修復(fù)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于，在修復(fù)有機(jī)物、重金屬污染時(shí)效果較好，適用于埋深較淺的地下水污染地塊；施工比較簡(jiǎn)便，成本比較低，不會(huì)引起二次污染，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的不利影響較小。因此，具有較好的應(yīng)用前景，但不足之處是該技術(shù)的處理效率不高。

1.6 化學(xué)修復(fù)技術(shù)

該技術(shù)是向污染的地下水中投加某種化學(xué)試劑后，地下水中的污染物會(huì)和化學(xué)試劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而有效去除這些污染物。其中，原位化學(xué)氧化修復(fù)技術(shù)（ISCO）是比較常用的化學(xué)修復(fù)技術(shù)。在實(shí)際應(yīng)用該修復(fù)技術(shù)時(shí)，是在被污染的地下水中投加氧化劑，使地下水中的污染物和投加的氧化劑發(fā)生氧化還原反應(yīng)，以此將污染物分解或轉(zhuǎn)化后被去除。而ISCO技術(shù)經(jīng)常使用的氧化劑為芬頓試劑、過(guò)氧化氫、高錳酸鹽、臭氧以及次氯酸鹽等。另外，原位化學(xué)氧化修復(fù)技術(shù)可作為生物修復(fù)等其他技術(shù)前面的預(yù)處理。當(dāng)原位化學(xué)氧化修復(fù)技術(shù)與其他修復(fù)技術(shù)組合使用時(shí)，能達(dá)到更好的修復(fù)效果。目前，我國(guó)有很多學(xué)者都開(kāi)展了原位化學(xué)氧化修復(fù)技術(shù)方面的研究。崔朋等[7]研究表明，原位化學(xué)氧化修復(fù)技術(shù)在處理污染地塊土壤，以及地下水中的苯酚類污染物時(shí)效果較好。

通常，原位化學(xué)氧化修復(fù)技術(shù)所需要的反應(yīng)條件比較溫和，污染物去除也較快，修復(fù)也較為徹底。但使用氧化劑可能會(huì)產(chǎn)生新的有毒物質(zhì)，所以，可能會(huì)引起二次污染。而且，污染地塊的水文地質(zhì)條件可能會(huì)影響化學(xué)物質(zhì)傳輸，比如在滲透性較差的地方，氧化劑的注入以及傳輸可能都會(huì)受到影響。

1.7 電動(dòng)修復(fù)技術(shù)

電動(dòng)修復(fù)技術(shù)是利用電動(dòng)力學(xué)修復(fù)地下水中的污染物。采用電動(dòng)修復(fù)技術(shù)時(shí)，要在污染的地下水中置入電極，這是因?yàn)榈叵滤形廴疚锼鶐У碾姾刹灰粯樱?，污染物在電?chǎng)作用下會(huì)往不同電極方向移動(dòng)，最終在電極區(qū)域富集而被分離。目前，國(guó)外許多發(fā)達(dá)國(guó)家在電動(dòng)修復(fù)技術(shù)的基礎(chǔ)和應(yīng)用方面開(kāi)展了大量研究，我國(guó)也有許多學(xué)者開(kāi)展了這方面的研究，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)在電動(dòng)修復(fù)應(yīng)用方面開(kāi)展的研究還比較少。段祥寶等[8]研究表明，地下水中的鉻能通過(guò)電動(dòng)修復(fù)技術(shù)去除，且去除效果較好，但電壓的大小會(huì)直接影響地下水中鉻的遷移轉(zhuǎn)化，從而影響修復(fù)的效果和能耗。

電動(dòng)修復(fù)技術(shù)在處理石油烴、重金屬以及高密度非水溶性有機(jī)物等地下水污染時(shí)效果較好。該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于，不會(huì)破壞地層結(jié)構(gòu)，對(duì)修復(fù)地塊干擾小，成本較低，操作比較簡(jiǎn)單，但目前該技術(shù)還不夠成熟，還需進(jìn)一步開(kāi)展實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證該技術(shù)在污染物遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程的機(jī)理及限制因素。

1.8 物理處理技術(shù)

物理處理技術(shù)是一種通過(guò)物理手段修復(fù)污染地下水的技術(shù)。常用于修復(fù)地下水的物理處理技術(shù)主要包括：水動(dòng)力控制法、屏蔽法和被動(dòng)收集法。其中，水動(dòng)力控制法是通過(guò)建立井群系統(tǒng)，在抽出地下水或往地下注水后，地下水的水力梯度會(huì)發(fā)生變化，從而分隔污染地下水和清潔地下水。水動(dòng)力控制法一般用作臨時(shí)性的控制方法，能在早期修復(fù)及防止地下水污染物的擴(kuò)散蔓延。因此，該技術(shù)適用于地質(zhì)條件相對(duì)簡(jiǎn)單、污染物遷移速度較慢的區(qū)域。而屏蔽法是通過(guò)在地下水中建立物理屏障將污染水源封閉控制，實(shí)現(xiàn)控制污染源，避免擴(kuò)散?；覞{帷幕法是屏蔽法的一種，在采用灰漿帷幕法時(shí)，要向地下灌注灰漿，使地下水中形成帷幕結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到全方位控制有機(jī)污染水源的目的。除此之外，泥漿阻水墻、板樁阻水墻也屬于屏蔽法。在實(shí)際應(yīng)用中，屏蔽法常被用作臨時(shí)性控制方法使用。被動(dòng)收集法是通過(guò)在污染地下水的下游開(kāi)挖溝道，以及在溝內(nèi)設(shè)置收集系統(tǒng)，從而對(duì)漂浮的污染物質(zhì)（如油類污染物等）進(jìn)行收集，或收集被污染的地下水。因此，采用被動(dòng)收集法處理輕質(zhì)污染物時(shí)效果比較好。

1.9 原位曝氣技術(shù)

原位曝氣技術(shù)是一種通過(guò)曝氣處理地下水中揮發(fā)性有機(jī)污染物的技術(shù)。該技術(shù)是將一定體積的壓縮空氣泵入污染地下水中，使地下水中的揮發(fā)性有機(jī)污染物揮發(fā)出來(lái)進(jìn)而被有效去除。目前，原位曝氣技術(shù)發(fā)展比較迅速，受到了各國(guó)研究人員的關(guān)注。王志強(qiáng)等[9]研究發(fā)現(xiàn)，采用原位曝氣技術(shù)去除地下水中的污染物主要是依靠氣流的提升，所以，地下水中的氣流分布直接影響污染物的去除效果，且在氣流分布密度高的區(qū)域石油去除率最高。原位曝氣技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于，設(shè)備安裝以及操作都比較簡(jiǎn)單，成本也較低，但見(jiàn)效較快。因此，該技術(shù)主要適用于孔隙率比較大的場(chǎng)地，以及去除易揮發(fā)的有機(jī)污染物。

2 發(fā)展方向

在眾多的地下水污染修復(fù)技術(shù)中，PRB技術(shù)和生物修復(fù)技術(shù)是非常有前景的技術(shù)，將會(huì)是未來(lái)的研究熱點(diǎn)，也會(huì)得到更加廣泛的應(yīng)用。隨著地下水修復(fù)技術(shù)的進(jìn)步，單一技術(shù)也已不能滿足當(dāng)今地下水污染控制的要求，因此，多種技術(shù)的組合使用是未來(lái)的主要發(fā)展方向。如PRB－電動(dòng)組合修復(fù)技術(shù)、電動(dòng)－微生物組合修復(fù)技術(shù)、原位化學(xué)氧化－PRB組合修復(fù)技術(shù)等組合技術(shù)將得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。而且在實(shí)際應(yīng)用中，多種技術(shù)組合的使用能更好發(fā)揮出各種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，從而提高修復(fù)效率，降低修復(fù)成本，但也要及時(shí)解決現(xiàn)有組合修復(fù)技術(shù)中存在的問(wèn)題。

3 結(jié)語(yǔ)

目前，我國(guó)地下水污染場(chǎng)地的數(shù)量較多，地下水的污染形勢(shì)也較為嚴(yán)峻，如何更好的修復(fù)這些地下水污染場(chǎng)地是生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作的難點(diǎn)。同時(shí)，由于地下水污染修復(fù)治理難度較大，而且地下水污染控制與修復(fù)涉及多個(gè)學(xué)科，因此，在實(shí)際修復(fù)過(guò)程中，應(yīng)結(jié)合污染場(chǎng)地的具體情況來(lái)選擇合適的修復(fù)技術(shù)。而相關(guān)技術(shù)人員也需在地下水污染控制與修復(fù)技術(shù)原理，以及相關(guān)模型模擬等方面開(kāi)展更廣泛的研究，并不斷探索新的修復(fù)技術(shù)，以提升地下水污染修復(fù)技術(shù)的效率和效果。