我國地下水污染現(xiàn)狀及控制技術(shù)研究進展地下水污染現(xiàn)狀

我國地下水污染現(xiàn)狀及控制技術(shù)研究進展地下水污染現(xiàn)狀我國地下水污染現(xiàn)狀及控制技術(shù)研究進展王琪（云南大學(xué)環(huán)境科學(xué)與生態(tài)修復(fù)研究所暨云南生物資源保護與利用國家重點實驗室培育基地，昆明650091）AdvancesinGroundwaterPollutionandItsPrevention-controlTechnologyinChinaWANGQi（InstituteofEnvironmentalScienceandEcologicalRestoration&KeyLaboratoryforConservationandUtilizationofBio-ResourceofYunnan,YunnanUniversity,Kunming650091）摘要地下水是水資源的重要組成部分,在國民經(jīng)濟發(fā)展中起著舉足輕重的作用。隨著社會和經(jīng)濟的發(fā)展,人們對地下水的依賴越來越強。然而由于人類對生產(chǎn)生活中所產(chǎn)生的固體、氣體和液體廢物的處置不當(dāng),從不同途徑對地下水環(huán)境造成的污染越來越嚴(yán)重,有的已對人的正常生存造成很大的威脅。隨著地下水污染的加劇，地下水污染的控制技術(shù)也越來越得到人們的重視。本文對我國地下水污染現(xiàn)狀及主要的控制技術(shù)做了綜述。關(guān)鍵詞地下水污染、抽取-處理技術(shù)、滲透性反應(yīng)墻技術(shù)、土壤氣相抽提技術(shù)、空氣注入修復(fù)技術(shù)AbstractAsoneofthemostimportantpartsofthewatersource,groundwaterplayakeyrollinthedevelopmentofthenationaleconomy.Withthedevelopmentofthesocietyandeconomy,peoplebeeincreasinglydependentongroundwater.Becauseofimpropertreatmentoftheformedsolid,gasandliquidrubbishbyhumanbeing,thegroundwaterenvironmenthasbeenpollutedmoreandmoreseriously,someresultinagreatthreateningfornaturalsurvivalofthehuman.Withtheintensificationofgroundwaterpollution,theprevention-controltechnologyisalsoincreasinglygainedattention.Thisarticlesummarizestheconditionofourcountry’sgroundwaterpollutionandthemainprevention-controltechnologies.Keywordsgroundwaterpollution;Pump-Treattechnology;PermeableReactiveBarriertechnology;SoilVaporExtractiontechnology;AirSpargingtechnology;1前言地下水資源既是水資源的重要組成部分，又是構(gòu)成生態(tài)環(huán)境的重要因素，在經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展中具有重要的地位。全世界超過15億的人口主要依靠地下水作為飲用水，我國水資源總量的1/3和全國總供水量的近20%地下水（薛禹群，張幼寬，xx）。但隨著人口的增長和__的快速發(fā)展，對水資源的需求量也大幅度增長。近30年來，我國地下水的開采量以每年25億立方米的速度遞增，全國有400個城市開采地下水，40%的耕地部分或全部依靠地下水進行灌溉，地下水的供給量已經(jīng)占到了全國總供水量的20%，北方缺水地區(qū)占到了52%，在華北和西北城市供水中占到了72%和66%（羅蘭，xx）。根據(jù)中國地質(zhì)環(huán)境檢測院公布的信息,目前,我國地下水污染呈現(xiàn)由點到面、由淺到深、由城市到農(nóng)村的擴展趨勢,污染程度日益嚴(yán)重。全國195個城市監(jiān)測結(jié)果表明,97%的城市地下水受到不同程度污染，40%的城市地下水污染趨勢加重；北方17個省會城市中16個污染趨勢加重,南方14個省會城市中3個污染趨勢加重（熊玲和鄢貴權(quán)，xx）。因此，了解地下水的污染現(xiàn)狀及污染途徑，加強對地下水的污染治理，開發(fā)相應(yīng)的一些高新技術(shù)來挽救我們?nèi)找鎼夯牡叵滤h(huán)境，是我們當(dāng)前所面臨的一項迫切的任務(wù)。2地下水污染類型及污染在天然狀態(tài)下，地下水具有一定的自凈能力。含水層本身起著一個過濾器的作用，吸附和離子交換過程有助于降低水中的污染物濃度。淋濾的污染物質(zhì)進入含水層，而含水層的水排泄時又把一些污染質(zhì)帶走，從而達到了某種平衡。人為的活動可能使這種平衡遭到破壞，改變了符合一定標(biāo)準(zhǔn)的地下水水質(zhì)(包括它的物理、化學(xué)和生物性質(zhì))，使地下水的污染物的濃度超過規(guī)定的指標(biāo)，使它不再適合原來的用途，我們就說地下水遭到了污染（楊強等，xx）。2.1地下水污染的類型造成地下水水質(zhì)惡化的各種物質(zhì)，都稱為地下水污染物。地下水污染的種類㈠按理化性質(zhì)可分為：物理污染物、化學(xué)污染物、生物污染物、綜合污染物；㈡按形態(tài)可分為：離子態(tài)污染物、分子態(tài)污染物、簡單有機污染物、復(fù)雜有機污染物、顆粒狀污染物；㈢按污染物對地下水的影響特征可分為：感官污染物、衛(wèi)生污染物、毒理學(xué)污染物、綜合污染物（呂書君，xx）。2.2地下水污染的按引起地下水污染的自然屬性可劃分為：天然污染源(如地表污水體、地下高礦化度水或其它劣質(zhì)水體、含水層或包氣帶所含的某些礦物等)和人為污染源。人為污染源又根據(jù)產(chǎn)生各種污染的部門和活動劃分為：工業(yè)污染源、農(nóng)業(yè)污染源、生活污染源、礦業(yè)污染源。按污染的幾何形狀特征可劃分為：點污染源(如城市污染和工礦企業(yè)污水排放口等)、線污染源(如被污染的河流)，面污染源(如用污水灌溉等)，按污染物的運動特性劃分為：固定源、移動源。從我國地下水現(xiàn)狀污染情況看，地下水污染主要人類活動的影響。2.2.1工業(yè)污染源工業(yè)污染源主要指未經(jīng)處理的工業(yè)“三廢”，即廢氣、廢水和廢渣。工業(yè)廢氣如二氧化硫、二氧化碳、氮氧化物等物質(zhì)會對大氣產(chǎn)生嚴(yán)重的一次污染，而這些污染物又會隨降雨落到地面，隨地表徑流下滲對地下水造成二次污染；未經(jīng)處理的工業(yè)廢水如電鍍工業(yè)廢水、工業(yè)酸洗污水、冶煉工業(yè)廢水、石油化工有機廢水等有毒有害廢水直接流入或滲入地下水中，造成地下水污染；工業(yè)廢渣如高爐礦渣、鋼渣、粉煤灰、硫鐵渣、電石渣、赤泥、洗煤泥、硅鐵渣、選礦場尾礦及污水處理廠的淤泥等，由于露天堆放或地下填埋隔水處理不合格，經(jīng)風(fēng)吹、雨水淋濾，其中的有毒有害物質(zhì)隨降水直接滲入地下水，或隨地表徑流往下游遷移過程下滲至地下水中，形成地下水污染（羅蘭，xx）。2.2.2農(nóng)業(yè)污染源農(nóng)業(yè)污染源主要土壤中的剩余農(nóng)藥、化肥和廢污水灌溉等。一些常效農(nóng)藥如DDT、六六六等，由于它們在自然界比較穩(wěn)定，在一定的時間內(nèi)，會殘留在土壤、水域及生物體內(nèi)，并隨著食物鏈逐步在人體內(nèi)，引起一些不良后果（王慎等，xx）。常用的化肥有氮肥、磷肥、鉀肥等，土壤中這些剩余的肥料將隨下滲水一起淋濾滲入地下水中，引起地下水污染。污水灌溉雖然在一定程度上可以使土壤的含氮量增加，土壤肥力大大增加，但另一方面，因污水含有各種有毒有害物質(zhì)，長期使用污水灌溉，可能引起對農(nóng)作物、土壤及地下水的污染，甚至造成農(nóng)作物的減產(chǎn)（呂書君，xx）。2.2.3生活污染源隨著我國城鎮(zhèn)化步伐的加快，生活垃圾與生活污水量激增，由于無害化處理率低，造成對陸地生態(tài)環(huán)境和水生態(tài)環(huán)境的嚴(yán)重污染。我國每年累計產(chǎn)生垃圾達720億噸，占地約5.4億平方米，并以每年占地約3000萬平方米的速度發(fā)展，全國已有200多個城市陷入垃圾重圍之中（趙章元，xx）。由于填埋技術(shù)的落后和選址不當(dāng)，這些廢物在生物降解和雨水淋濾的作用下，產(chǎn)生CL-、SO42-、NH4+、生化需氧量，總有機碳和懸浮固體含量高的淋濾液，并產(chǎn)生CO2和CH4，這些垃圾的隨意堆放，最終以污水形式補給并污染地下水，特別我國地下水埋深較淺的廣大地區(qū)（呂書君，xx；楊強等，xx）。2.2.4采礦活動污染由于采礦活動破壞了原有地質(zhì)結(jié)構(gòu)，使氧化環(huán)境加強，經(jīng)過一系列反應(yīng)，使水呈酸性會形成PH值低于6的酸性礦井水，酸性礦井水會下滲污染下伏含水系統(tǒng)，或者經(jīng)排水污染地表水水源。同時由于礦坑排水降低了地下水，使原來處于飽和帶的礦體巖轉(zhuǎn)化為包氣帶，有些難溶礦物可轉(zhuǎn)變?yōu)橐兹艿V物，經(jīng)過風(fēng)化、雨水滲入淋濾，或由于暫時停止抽水，水位回升時的溶解，是礦區(qū)地下水中增加某些成分，造成地下水水質(zhì)惡化。此外礦區(qū)大量積存露天堆放的含硫化物等有害成分的煤矸石和廢渣，經(jīng)同化、淋溶、水蝕作用，形成酸性水流流入河道，滲入地下，使河川徑流和淺層地下水遭受污染（王柱強，xx）。2.2.5自然污染?有些地區(qū)，由于特殊的自然環(huán)境與地質(zhì)環(huán)境，地下水天然背景不良，有毒有害成分超標(biāo)。我國部分地區(qū)分布有高砷水、高氟水、低碘水等。全國約有1億多人在飲用不符合標(biāo)準(zhǔn)的地下水，使這些地區(qū)長期以來一直遭受砷中毒(皮膚癌)、地甲病、地氟病、克山病等地方病困擾（羅蘭，xx）。2.2.6地下水超采引起的污染地下水超量開采引起地下水位持續(xù)下降，形成大面積的降落漏斗，改變了動力條件，引起水質(zhì)不佳的淺層水越流補給深層水；同時含水層漏斗部分的氧化還原條件增強，促使土體中有機物分解，使二氧化碳分壓增大，加之生活污染物進入土體，污染物中有機物質(zhì)的分解也使二氧化碳分壓增大的復(fù)合作用，促進土體中難溶的方解石、白云石的溶解,鈣、鎂離子轉(zhuǎn)入地下水中，這是漏斗區(qū)總硬度升高的重要原因（倪深海等，xx）。3地下水污染的控制修復(fù)技術(shù)鑒于地下水有機污染的嚴(yán)重性，國外學(xué)者廣泛開展地下水有機污染控制及就地恢復(fù)技術(shù)的研究。所謂“污染控制”是指采用各種防護策略和工程措施控制污染源，使其進入地下水系統(tǒng)的污染物減少到最低限度；或者是把已污染的地下水控制在一定范圍內(nèi)防止其擴散到未污染區(qū)（楊強，李金軒等，xx）。自開展地下水污染治理至今，地下水修復(fù)技術(shù)在大量的實踐應(yīng)用中得以不斷改進和創(chuàng)新。目前，較典型的地下水污染修復(fù)技術(shù)主要有以下2種（張文靜等，xx）：抽出-處理技術(shù)（異位處理技術(shù)）和原位處理技術(shù)。3.1抽出處理技術(shù)抽出處理(Pump-Treat)技術(shù),簡稱P&T技術(shù)，P&T技術(shù)是最早出現(xiàn)的地下水污染修復(fù)技術(shù)，也是地下水異位修復(fù)的代表性技術(shù)。自20世紀(jì)80年代開展地下水污染修復(fù)至今，地下水污染治理仍以P&T技術(shù)為主。傳統(tǒng)的P&T技術(shù)是把污染的地下水抽出來，然后在地面上進行處理。近年來，隨著污染治理研究的不斷深入，該技術(shù)已有了更廣泛的含義，只要在地下水污染治理過程中對地下水實施了抽取或注入的，都歸類為P&T技術(shù)（張文靜等，xx）。P&T技術(shù)概念模型見圖1。圖1P&T技術(shù)概念模型P&T技術(shù)的修復(fù)過程一般可分為兩大部分：地下水動力控制過程和地上污染物處理過程。該技術(shù)根據(jù)地下水污染范圍，在污染場地布設(shè)一定數(shù)量的抽水井，通過水泵和水井將污染了的地下水抽取上來，然后利用地面凈化設(shè)備進行地下水污染治理。在抽取過程中，水井水位下降，在水井周圍形成地下水降落漏斗，使周圍地下水不斷流向水井，減少了污染擴散。最后根據(jù)污染場地的實際情況，對處理過的地下水進行排放，可以排入地表徑流、回灌到地下或用于當(dāng)?shù)毓┧龋ㄎ浩G民，xx）。P&T技術(shù)適用范圍廣，對于污染范圍大、污染暈埋藏深的污染場地也適用。但其自身也存在一些局限性：①當(dāng)非水相溶液出現(xiàn)時，由于毛細張力而滯留的非水相溶液幾乎不太可能通過泵抽的辦法清除；②該技術(shù)開挖處理工程費用昂貴，而且涉及地下水的抽提或回灌，對修復(fù)區(qū)干擾大；③如果不封閉污染源，當(dāng)停止抽水時，拖尾和反彈現(xiàn)象嚴(yán)重；④需要持續(xù)的能量供給，以確保地下水的抽出和水處理系統(tǒng)的運行，同時還要求對系統(tǒng)進行定期的維護與監(jiān)測。3.2原位修復(fù)技術(shù)原位處理法是地下水污染治理技術(shù)研究的熱點，不但處理費用相對節(jié)省，而且還可減少地表處理設(shè)施，最大程度地減少污染物的暴露，減少對環(huán)境的擾動，是一種很有前景的地下水污染治理技術(shù)（魏艷民，xx）。較典型的原位修復(fù)技術(shù)有：滲透性反應(yīng)墻(PermeableReactiveBarrier)修復(fù)技術(shù)(簡稱PRB技術(shù))、土壤氣相抽提（SoilVaporExtraction）技術(shù)（簡稱SVE技術(shù)）、空氣注入(AirSparging)修復(fù)技術(shù)(簡稱AS技術(shù))、植物修復(fù)(Phytoremediation)技術(shù)以及原位穩(wěn)定-固化技術(shù)。3.2.1滲透性反應(yīng)墻修復(fù)技術(shù)PRB技術(shù)的修復(fù)原理是：沿地下水流方向，在污染場地下游安置連續(xù)或非連續(xù)的滲透性反應(yīng)墻，使含有污染物質(zhì)的地下水流經(jīng)滲透墻的反應(yīng)區(qū)，通過地下水與反應(yīng)墻中添加劑的化學(xué)反應(yīng)達到去除污染物質(zhì)的目的，并利用PRB物理屏障阻止污染暈向下游進一步擴散（張文靜等，xx）。其概念模型見圖2。圖2PRB技術(shù)概念模型PRB技術(shù)一般根據(jù)不同污染場地特點，在反應(yīng)墻中添加相應(yīng)的化學(xué)試劑。通常情況下，F(xiàn)e是最為廣泛應(yīng)用的反應(yīng)劑，其對常見的有機污染物及無機污染物去除效果較好。PRB技術(shù)的工程設(shè)施較簡單，安裝操作可一次完成，大大降低了修復(fù)后期的運轉(zhuǎn)及維護費用。并且，可根據(jù)污染物場地特點及治理目標(biāo)選擇相應(yīng)的修復(fù)設(shè)計方案，優(yōu)化修復(fù)過程，提高修復(fù)效率（薛敏等，xx）。但是，該技術(shù)也存在一些局限性。與P&T技術(shù)相比較，工程設(shè)施投資較大。抽出-處理工程所采用的鉆井等設(shè)備在污染治理完畢以后還可以用于其他方面，如地下供水、人工回灌等，而滲透性反應(yīng)墻設(shè)施則不具備這一條件。另外，滲透性反應(yīng)墻修復(fù)工程一經(jīng)投入，其設(shè)施就已固定在地下，很難再對治理方案做出修改或改動（熊雪萍等，xx）。3.2.2土壤氣相抽提技術(shù)SVE是對土壤揮發(fā)性有機污染進行原地恢復(fù)、處理的一種新方法，它用來處理包氣帶中巖石介質(zhì)的污染問題。使包氣帶土(或土-水)中的污染質(zhì)進入氣相，進而排出。SVE系統(tǒng)要求在包氣帶中設(shè)立抽氣井(井群)，使用真空泵在地表抽取包氣帶中的空氣，抽出的氣體要經(jīng)過除水汽和碳吸附后排入大氣（趙勇勝，xx）。其概念模型見圖3。圖3SVE技術(shù)概念模型根據(jù)Michael等的研究工作（趙勇勝等，1994），隨著包氣帶巖性的變化，SVE抽氣井的有效半徑為6～45m；當(dāng)平均滲透系數(shù)為10-4cm/s時,SVE系統(tǒng)的深度可達7m。當(dāng)然，SVE系統(tǒng)還可以增加一些措施進行改進，如：在地表進行覆蓋以避免抽氣井附近地表空氣直接進入形成“短路”，在這種情況下，抽氣井有效半徑可以達到90m，可以在污染了的土壤附近設(shè)置空氣補給井，以加強空氣在包氣帶中的運動，或在補給井中加壓注氣，等等。3.2.3空氣注入修復(fù)技術(shù)AS技術(shù)是在SVE技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，20世紀(jì)80年代中期最早應(yīng)用在德國隨后迅速發(fā)展至美國以及歐洲的其他國家。近年來，AS技術(shù)已成為地下水原位處理技術(shù)的首選（張文靜等xx）。其概念模型見圖4。圖4AS修復(fù)技術(shù)概念模型該技術(shù)通常用來治理地下飽和帶(飽水帶及毛細飽和帶)的有機污染，一般與SVE技術(shù)聯(lián)合使用，其修復(fù)原理為：通過向地下注入空氣，在污染暈下方形成氣流屏障，防止污染暈進一步向下擴散和遷移，在氣壓梯度作用下，收集地下可揮發(fā)性污染物，并以供氧作為主要手段，促進地下污染物的生物降解（范偉等，xx）。修復(fù)過程中發(fā)生的質(zhì)量遷移轉(zhuǎn)化機制較復(fù)雜，在不同的修復(fù)階段，控制修復(fù)速率和效率的機理也不同。另外，隨著場所地質(zhì)條件的變化，各種機理對AS技術(shù)修復(fù)作用的貢獻也不同。AS技術(shù)具有如下特點：①設(shè)備簡單，安裝方便，易操作；②修復(fù)效率高，治理時間短，一般情況下修復(fù)期為1～4a；③更適于消除地下水中難移動處理的污染物；④現(xiàn)場原位修復(fù)，對修復(fù)點干擾小。該技術(shù)的局限性主要有以下幾點：①對于非揮發(fā)性的污染物不適用；②受地質(zhì)條件限制，不適合在低滲透率或高黏土含量的地區(qū)使用；③不能應(yīng)用于承壓含水層及土壤分層情況下的污染物治理。3.2.4植物處理技術(shù)植物處理方法(Phytoremedia-tion)使用植物來凈化污染了的土壤和地下水。其優(yōu)點是利用植物天然能力去吸收、聚積和降解土壤和水環(huán)境中的污染物。研究結(jié)果表明，植物處理方法可應(yīng)用于多種污染物的處理，包括多數(shù)金屬和放射性物質(zhì)，各種有機化合物(如氯化溶劑、BTEX、PCBs、PAHs、農(nóng)藥、殺蟲劑炸藥、營養(yǎng)物質(zhì)和表面活性劑)。根據(jù)，該方法適用于大面積低到中等表面土層(0～0.9m)污染的治理，以及大量的水體低濃度污染問題，而且處理目標(biāo)要求也不十分嚴(yán)格的情形。對地下水原位處理的深度限于3m，但可通過低地、濕地進行異位處理（薛敏等，xx）。有5種植物處理方法：植物根部吸收法、植物吸取法、植物轉(zhuǎn)化法、植物激化或植物輔助下的微生物降解、植物穩(wěn)定方法（趙勇勝，xx）。3.2.5原位穩(wěn)定-固化方法在已污染的包氣帶或含水層中注入可使污染物不繼續(xù)遷移的介質(zhì)，使有機或無機污染物達到穩(wěn)定狀態(tài)。污染物可以被介質(zhì)凝固、粘合(固化)，或者由于化學(xué)反應(yīng)使其活動性降低（趙勇勝，xx）。常用于重金屬離子和放射性物質(zhì)的穩(wěn)定化和固化處理。一般的步驟包括：(1)中和過量的酸度；(2)破壞金屬絡(luò)合物；(3)控制金屬的氧化還原態(tài)；(4)轉(zhuǎn)化為不溶性的穩(wěn)定形態(tài)；(5)采用固化劑形成穩(wěn)定的固體形態(tài)物質(zhì)（熊玲等，xx）。該方法要求對擬處理場地的水文地質(zhì)條件非常了解,可應(yīng)用于具有中等或較高滲透性能的地層。4小結(jié)與展望地下水是水資源的重要組成部分，在經(jīng)濟發(fā)展和社會進步中發(fā)揮著重要的作用。然而由于受到人類生產(chǎn)、生活的影響，地下水污染問題日益突出，嚴(yán)重威脅著人類的生存與發(fā)展。為保障人類的健康和經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展，必須對地下水污染的治理及預(yù)防