地下水污染治理與防治技術(shù)研究

黃婉娟

（惠州市環(huán)境科學(xué)研究所，廣東 惠州 516001）

引言

地下水容易受到自然和人工合成的有機或無機污染物的污染。地下水中的有機物濃度一般為幾毫克/升到幾十至幾百微克/升，且分布不均。自然和人為活動都可能導(dǎo)致這些污染物的產(chǎn)生。因此，地下水中有機物和重金屬污染物的治理已成為一個重要而又緊迫的課題。相關(guān)人員充分利用物理、化學(xué)和生物等多種可靠的原位修復(fù)方法進行治理，并不斷進行修正和評估，以提高治理效率。

1 地下水污染物分析

1.1 地下水污染的總體情況

在全球范圍內(nèi)，越來越多的國家開始廣泛采用地下水作為可替代的水資源，以滿足日益增長的水資源需求。地下水是人類賴以生存和發(fā)展的最重要的資源之一，它具有分布廣、埋藏淺、水質(zhì)好、易補給以及水量穩(wěn)定等特點。隨著我國人口的不斷增加，地下水在飲用水、工業(yè)和灌溉等領(lǐng)域的應(yīng)用比例已經(jīng)達到了約90%的驚人水平。隨著城市化進程的加速和社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，人們對淡水的需求不斷攀升，導(dǎo)致全球范圍內(nèi)的干旱和缺水問題日益嚴重。本文通過分析我國水資源狀況，探討我國地下水資源面臨的問題與挑戰(zhàn)。根據(jù)研究結(jié)果，我國長期以來不可持續(xù)的干預(yù)行為導(dǎo)致干旱地區(qū)的地下水資源枯竭，從而對居民和工業(yè)用水的供應(yīng)構(gòu)成了威脅，同時也對農(nóng)作物的生長造成了潛在危害。目前我國大部分城市都處于水資源短缺狀態(tài)[1]，隨著地下水位的下降，地表徑流源源不斷地注入地下含水層，導(dǎo)致了嚴重的生態(tài)環(huán)境變遷。近年來，地下水的過度開采也造成了許多問題，其中包括生態(tài)破壞及地面沉降等。研究發(fā)現(xiàn)中國60%以上的地下水因管理不善受到污染。圖1所呈現(xiàn)的是地下水的構(gòu)成，其由上層滯水、潛水和承壓水三個部分組成。地下水作為一種資源，其主要作用就是儲存并提供生活用水。在全國水質(zhì)調(diào)查中，多種有害污染物被檢測出來，其中鐵、錳和砷是地下水中最常見的元素，而工農(nóng)業(yè)活動是導(dǎo)致地下水污染的重要因素。受水文地質(zhì)條件影響，各地區(qū)不同程度地受到地下水污染的危害。隨著我國經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展，對地下水的需求日益增長，但由于缺乏科學(xué)的規(guī)劃和管理，導(dǎo)致一些地區(qū)的地下水位持續(xù)下降，這對當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟和社會可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成了嚴重制約。

圖1 地下水的地質(zhì)分布示意圖

1.2 工業(yè)廢水對地下水的污染

工業(yè)活動所排放的污染物已成為地下水的主要污染源。隨著我國經(jīng)濟建設(shè)和社會發(fā)展速度不斷加快，大量工業(yè)廢水及生活污水進入地下水系統(tǒng)中，導(dǎo)致地下水水位下降、水質(zhì)惡化等一系列問題的出現(xiàn)。這些污染物在地下遷移過程中發(fā)生了物理、化學(xué)等變化，因此它們對地下水環(huán)境的影響具有不可忽視的重要性。在生產(chǎn)化石燃料以供發(fā)電的過程中，地下水可能會受到污染，石油烴類可以與其他有機化合物結(jié)合成聚合物，從而改變地下水的化學(xué)特征。此外，地下水污染源還包括工業(yè)生產(chǎn)過程中釋放的有毒有害氣體和粉塵，這些物質(zhì)對環(huán)境和人類健康造成了威脅。

深入研究地下水中有毒有害物質(zhì)的來源和遷移規(guī)律，具有極其重要的意義。污染對地下水資源的分布產(chǎn)生了長期影響，隨著我國經(jīng)濟建設(shè)步伐的加快，各種污染源不斷增多，使得城市地下水環(huán)境質(zhì)量逐年下降，造成水質(zhì)惡化和生物多樣性的減少。近年來過度開采地下水引起的地面沉降，已經(jīng)給居民生活造成很大危脅[2]。目前國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)針對不同種類有毒金屬元素在地下水中的含量分布規(guī)律展開大量的實驗研究工作。砷是一種廣泛分布于全球七十多個國家地下水中的有害物質(zhì)，砷主要以化合物形式存在，它與其它金屬離子形成的絡(luò)合物也屬于有毒物質(zhì)，地下水中的砷含量超標(biāo)不僅會對人體健康造成威脅，還會導(dǎo)致農(nóng)作物產(chǎn)量及農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)下降。水和生物在自然界是不可分割的整體，隨著生活水平不斷提高，人們對水質(zhì)安全也越來越重視，而地下水屬于重要的水資源之一[3]。

2 污染物的影響作用機制

多項工業(yè)實驗證實，地下水中存在的硝酸鹽可能是砷氧化的主要來源機制，這一現(xiàn)象表明硝酸鹽的存在對地下水中砷的含量產(chǎn)生了影響。本文將討論地下水砷污染及硝酸鹽作用下的砷生物毒性效應(yīng)。根據(jù)圖2所示數(shù)據(jù)，可以清晰地觀察到硝酸鹽濃度的上升與砷濃度的下降之間存在密切的對應(yīng)關(guān)系。盡管水系統(tǒng)處于缺氧狀態(tài)，但硝酸鹽具有作為工藝末端電子受體的特性，因此其能夠刺激砷的生成。本文探討地下水中氮、磷等物質(zhì)在不同處理方式下對地下水中砷化物形成的影響，以了解地下水環(huán)境中硝酸鹽對砷遷移轉(zhuǎn)化機制的作用。以前的研究表明，硝酸鹽的作用導(dǎo)致砷元素被吸附到地下水中的鐵氧化物表面。我們觀察到在硝酸鹽加入之后，鐵氧化物被還原為氫氧化亞鐵而使其含量增加，并證明了這種改變可能會導(dǎo)致對環(huán)境有影響的砷含量降低。在水中去除硝酸鹽后，鐵和砷的含量可以作為試驗前的觀測條件。此外，國內(nèi)的研究表明，添加硝酸鹽可以有效減少地下水中砷的污染。因此我們推測可能有一個新的途徑可以降低地下水中的硝酸鹽含量并增加對砷的吸附能力，即通過生物氧化過程去除水中硝酸鹽而達到凈化效果。隨著全球人口呈指數(shù)級增長，農(nóng)業(yè)活動對水資源的需求不斷增加，導(dǎo)致地下水硝酸鹽污染成為一個嚴峻的全球性問題。在我國一些偏遠地區(qū)，地下水是當(dāng)?shù)鼐用竦闹饕矗虼?，研究地下水硝酸鹽污染具有重要意義。

圖2 硝酸鹽濃度與砷濃度的關(guān)系

3 地下水污染原位修復(fù)的利弊

3.1 地下水污染原位修復(fù)的優(yōu)點

作為當(dāng)今世界上最被廣泛認可的地下水處理技術(shù)之一，原位生物修復(fù)采用微生物降解污染物的方法，從而使其成為一種更少對環(huán)境造成傷害的技術(shù)。同時，因為它具有投資小、運行費用少等優(yōu)點而被廣泛用于世界各地的地下水處理工程中。在全球地下水污染治理領(lǐng)域，原位生物修復(fù)技術(shù)是一種廣泛應(yīng)用于地下水處理的方法，使用率約為30%。原位生物修復(fù)技術(shù)應(yīng)用具有高度的靈活性，因為它能夠與其他修復(fù)方法（例如滲透性反應(yīng)屏障）相互融合，從而實現(xiàn)更加全面和高效的修復(fù)。在過去十年里，已經(jīng)有很多關(guān)于利用原位生物修復(fù)技術(shù)降低水環(huán)境中重金屬濃度或水中有機物質(zhì)含量方面的報道。當(dāng)聚羥基丁酸酯與零價鐵相互結(jié)合時，會引發(fā)一種高度活躍的生物還原脫氯過程，如果沒有其他因素存在的話，原位熱脫氯會使有機物降解更徹底。目前被廣泛認可的被動原位修復(fù)手段是滲透性反應(yīng)屏障，該屏障能夠使地下水在與反應(yīng)物相結(jié)合的地下屏障內(nèi)自由流動，以達到去除污染物的目的。

3.2 地下水污染原位修復(fù)存在的不足

微生物電化學(xué)修復(fù)技術(shù)（MET）已被用于修復(fù)原位地下水污染。目前被廣泛認可的方法是綜合運用微生物學(xué)和電化學(xué)等多種技術(shù)，以對受污染的地下水進行可靠、有效的修復(fù)。原位地下水修復(fù)技術(shù)，包括電激活法和生物強化法等。在傳統(tǒng)的化學(xué)處理中，電極可被用作電子受體或電子供體，以取代氧/硝酸鹽或有機物/氫，通過向地下水系統(tǒng)注入電極，從而刺激天然微生物啟動修復(fù)過程。該處理技術(shù)還包括一個陽極和陰極反應(yīng)裝置，用于去除污染物并產(chǎn)生電能，從而提高能源效率。該工藝已被應(yīng)用于消除芳香烴、溶解金屬、硝酸鹽、金屬和氯化烴等物質(zhì)。此外，還可用于去除水中的某些有毒物質(zhì)，地下水的微生物修復(fù)技術(shù)如圖3所示。該技術(shù)可作為一種有效的生物預(yù)處理手段，其對各種有機化合物有較高的降解率和選擇性。目前，該技術(shù)已成功應(yīng)用于地下水恢復(fù)，以消除甲苯、乙苯等有害物質(zhì)的影響。將此方法用于模擬地下水中甲苯和乙苯的去除，研究結(jié)果表明，其對含有不同濃度甲苯和乙苯的地下水，都可以有效降解并產(chǎn)生相應(yīng)的生物活性化合物，該方法對甲苯和乙苯的去除率為（0.1-4±1.5）mg(L·d)和（3.3±0.1）mg(L·d)；同時，還對不同濃度下的甲苯，乙苯進行富集培養(yǎng)。研究人員通過運用氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用（GC-MS）技術(shù)進行分析，揭示了富馬酸添加途徑對甲苯典型產(chǎn)物琥珀酸芐酯的激活作用，并在經(jīng)過處理后進行了檢測，以揭示其作用機理和識別潛在代謝中間產(chǎn)物。在修復(fù)后，檢測到1-苯乙基琥珀酸乙酯，這是一種由厭氧乙苯活化所產(chǎn)生的代謝中間體。通過對這兩類降解產(chǎn)物進行質(zhì)譜分析，發(fā)現(xiàn)它們均具有較高的分子量和良好的熱穩(wěn)定性。甲苯和乙苯的產(chǎn)電活化以及產(chǎn)甲烷活化是導(dǎo)致琥珀酸芐酯和1-苯乙基琥珀酸酯代謝產(chǎn)物的根本原因。這些代謝途徑主要來源于微生物對環(huán)境污染物的降解作用以及生物礦化過程。

圖3 地下水的微生物修復(fù)技 術(shù)

4 綜合管理技術(shù)路線

在全球范圍內(nèi)，已經(jīng)建立了一些關(guān)于地下水管理的標(biāo)準，通過法律和監(jiān)管框架，地下水的治理得以實施。地下水治理需要有足夠的透明度以促進公眾理解，在治理內(nèi)部，對可持續(xù)性挑戰(zhàn)、政策、受益機構(gòu)和誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)的認知、理解及其與社會目標(biāo)的契合，都將影響到如何進行地下水管理，并使之符合可持續(xù)發(fā)展原則。對于地下水管理，我們可以從多個角度進行檢查，包括機構(gòu)架構(gòu)、參與者和問責(zé)過程等方面。地下水治理需要考慮到所有利益相關(guān)方，而不只是單一的部門或組織。圖4所示的技術(shù)路線提供了一種綜合管理地下水污染的資料收集方式。

圖4 地下水污染綜合管理的資料收集技術(shù)路線

5 結(jié)語

由于工農(nóng)業(yè)活動以及其他人為活動的干擾，地下水資源被過度開采，導(dǎo)致地下水遭受了嚴重污染，從而對地下水治理構(gòu)成了威脅。在此背景下，本文提出了在可持續(xù)發(fā)展理念下，實現(xiàn)地下水綜合治理的思路。從可持續(xù)性角度出發(fā)，本文探討了地下水系統(tǒng)綜合管理所面臨的挑戰(zhàn)，包括地下水治理政策的制定、使用地下水資源與系統(tǒng)利益攸關(guān)方的參與等方面。為實現(xiàn)可持續(xù)的環(huán)境目標(biāo)，我們必須采取可持續(xù)的措施，以最大程度降低所有潛在的砷含量，并盡可能減少硝酸鹽和殺蟲劑的過度使用。本文建議建立新的污染土壤修復(fù)技術(shù)體系，如植物修復(fù)、微生物修復(fù)以及生態(tài)恢復(fù)等，以提高土壤污染防治水平。為了降低成本和減少有毒化學(xué)品的使用，我們應(yīng)積極推廣原位生物修復(fù)方法，以提高效率和減少不必要的風(fēng)險。