地下水污染修复技术研究进展

地下水污染修复技术研究进展

作者：李同燕 胡伟武 李文奇 冯传平

来源：《南水北调与水利科技》2015年第07期

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摘要：结合近几年来世界上地下水污染修复技术的研究现状以及各技术在实践中的应用情况，主要介绍了实践应用中地下水污染修复技术的三种较为典型的处理技术，即异位修复技术、监测自然衰减技术、原位修复技术。然后重点总结了抽出处理、可渗透反应墙、地下水曝气、原位生物修复等技术的最新研究进展、技术修复机理、修复对象和适用特点，为地下水修复技术的现场实践提供了理论依据。最后还对地下水污染修复技术的发展方法进行了初步的展望，提出了地下水修复技术便于野外实践的有利的发展方向。

关键词：地下水；污染修复；异位修复技术；监测天然衰减技术；原位修复技术；可渗透反应墙；地下水曝气技术

中图分类号：X523文献标志码：A文章编号： 1672-1683（2015）001-0029-04

Progress in groundwater remediation technologies

LI Tong-yan1，HU Wei-wu1，LI Wen-qi2，FENG Chuan-ping1

（1.School of Water Resources and Environment，China University of Geosciences（Beijing），Beijing 100083，China；2.China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100044，China ）

Abstract：According to the present research status of groundwater remediation technology in the world and the application of the technology in practice，three typical groundwater remediation treatment technologies were discussed，i.e.ex-situ remediation technology，monitoring natural attenuation technology，and in-situ remediation technology.And it introduces the new progress，remedy mechanisms，application conditions and technology characteristics of the pump and treat，permeable reactive barrier，air sparging and in-itu bioremediation technology respectively，which provide the theoretical basis for on-site groundwater remediation.Finally，the developing direction of groundwater remediation technologies were prospected，and the favorable development direction of the field practice are proposed.

Key words：groundwater；contamination remediation；ex-situ remediation technology；Monitoring Natural Attenuation technology；in-situ remediation technology；Permeable Reactive Barrier technology；Air Sparging technology

水资源是人类生活和生产过程中不可或缺的一部分，而地下水又是水资源的重要组成部分。据统计，地下水约占地球上整个淡水资源的30%左右，全球约15～20亿人靠饮用地下水生存[1]。我国以地下水作为主要饮用水源的人口约占70%，特别是北方地区。然而，随着经

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济的快速发展和生活水平的提高，人类不合理的使用资源使得地下水受到了严重的污染。为了满足人类的用水要求，如何治理污染的地下水，已成为当前国内外环保研究的一种趋势。 国内外学者已对地下水污染治理做了很多研究。张胜等[2]将葡萄糖、乙醇、白糖、乙酸钠等分别于人工脱氮菌剂混合，进行野外地下水修复试验研究。张云等[3]进行野外试验，在现场实验井中加入适量的乙醇和纯化的反硝化细菌菌液，来实现受农业施肥污染的地下水的修复。C.D.Johnston等[4]采用原位曝气法结合土壤蒸气抽提法技术，实现砂质地下水含水层中的石油烃类的去除。Nick M Fischer等[5]利用固体释氧化合物（ORC）来生物修复地下水。根据修复方式的不同可将修复技术大致上分为三类：异位修复技术、监测自然衰减技术和原位修复技术。本文综合国内外研究现状，对以上三种典型的修复技术进行总结和对比分析，为我国进行地下水修复提供了理论依据。 1地下水污染修复技术 1.1异位修复技术

异位修复技术是通过收集系统或抽提系统将污染物转移到地面上，然后再进一步处理的技术。异位修复技术主要包括抽出处理（pump and treat，P &T）和被动收集。 1.1.1抽出处理法

抽出处理法（pump and treat，P &T）作为典型的地下水修复技术被最早投入使用，而且目前在国内外应用仍很广泛。P &T技术根据污染类型可分为三类：物理法（反渗透法、过滤法、吸附法、重力分离法、焚烧法和气吹法）；化学（离子交换法、中和法、混凝沉淀法和氧化还原法）；生物法（厌氧消化法、生物膜法、土壤处置法和活性污泥法）。

抽出处理（P &T）技术的修复原理：根据受污染的地下水的分布情况，在污染场地布置一定数量的抽水井，用水泵抽提受污染的地下水，然后再利用地上的处理设备进行地下水污染治理。最后根据当地实际的地质情况，排放被处理过的地下水。采用处理受污染的地表水的方法来处理抽提上来的地下水，所以该技术应用的重点是建设好地下水抽提井群系统。P &T技术概念模型见图1。 图1P &T技术概念模型

抽出处理（P &T）技术适用范围广，既能用于处理污染程度较轻的场地，又能用于处理污染范围大、污染晕埋藏深的场地。然而，P &T技术也有一定的局限性：由于表面张力的影响而滞留的水溶相溶液不能采用P &T技术净化；若未封闭污染源，当抽提工作结束时，会出现严重的拖尾和反弹现象；该技术需要持续的能量供给，以确保地下水抽提系统和地上处理系统正常运行，更需要对该系统进行定期的监测和维护，从而提高了运行成本。 1.1.2被动收集法

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被动收集法[6]是将地下水水面漂浮的污染物质如油类污染物等收集并处理的方法，即在地下水流的下游挖一条足够深的沟道，将收集系统布置在沟道内。被动收集法对轻质污染物有较好的处理效果，它在地下水油污染治理方面得到了广泛的应用。 1.2监测天然衰减技术

监测天然衰减技术（Monitoring Natural Attenuation Technology，MNA）开始使用于地下水的污染治理较晚，正式使用是在20世纪90年代。MNA技术是依赖修复场地的自然衰减作用，使污染物的浓度和总量得以减少，从而在合理的时间内使特定地点达到修复的目的。MNA技术也被称作内在生物修复技术，通常被用来处理地下水，一般与其他修复方式联合使用。

自然衰减作用包括物理、化学、生物修复方法。其中物理过程有稀释、弥散、对流、挥发、吸附等。化学过程有氧化-还原、沉淀、水解等。生物过程主要为微生物的降解作用。吸附、挥发、对流、稀释、弥散、沉淀等作用主要是浓度减少，污染物总量并没有减少。微生物的降解作用能将污染物降解为无害物质，彻底的去除地下水中的污染物。 因此，微生物的降解作用是主要的自然衰减作用。

MNA技术处理污染的地下水很少产生二次污染，对环境的扰动性较小，而且有施工简单、易操作、费用低等优点。其缺点是适用范围较小，且修复场地本身要有较高的自然衰减能力。故该技术适用于污染程度较轻、自然衰减能力较强的地区。 1.3原位修复技术

原位修复技术[7]是不破坏土体和地下水自然环境，对污染的地下水进行原地修复，并不对污染物质进行搬运或运输的一类效果很好的修复方法。近年来，由于地下水原位修复技术具有处理费用低，地表处理设施少，污染物暴露率低，环境扰动性小等优点，已经成为一种很有前景的地下水污染修复技术。原位修复技术主要包括可渗透反应墙技术、地下水曝气技术、原位电动修复技术、原位化学氧化技术和原位生物修复技术。 1.3.1可渗透反应墙技术

可渗透反应墙技术（Permeable Reactive Barrier，PRB）作为一种原位修复技术得到了广泛的应用。根据美国环保局（USEPA）的定义[8]“PRB技术是通过在地下安装活性材料墙体，将污染物羽状体加以拦截，使其通过活性反应介质后，经吸附、沉淀、降解等反应将污染物转化为环境能够接受的另一种形式，使得污染物最终浓度达到国家规定的环境标准”。传统的PRB反应墙有连续反应墙（CRB）和漏斗-导水门式反应墙（F &G PRB）。近年来，国内外大量学者对PRB技术进行研究，出现了一些新形式的反应墙，如原位氧化还原控制墙（ISRM）、微生物反应墙（ SRB PRB ）、地质虹吸墙（Geosiphson Cells）等。

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连续反应墙（CRB）系统是将装有填料介质的渗透墙安装在受污染的地下水下游流动区域，来修复受污染的地下水。该墙体必须囊括整个羽状体的深度和宽度，因此若污染区域或蓄水层厚度较大，会导致墙体面积也会很大，从而增加工程成本。故污染羽较小的地下水场地适合采用此种反应墙，并取得较好的处理效果。漏斗-导水门式反应墙（F &G PRB）在隔水层中安装隔水漏斗，从而将地下水流导入导水门，将水流聚集后再通过反应介质进行处理，这样就很好地解决了上述问题。此种反应墙的优点是反应墙体较小，墙体材料易清除和更换，因此在现场治理中更加常用。根据渗透墙的数目，又将F &G PRB分为单通道系统和多通道系统两种[9]。PRB概念模型见图2。 图2PRB概念模型

PRB反应材料一般是还原能力较强的零价金属，最常用的是Fe0[10]（Zero Valent Iron，ZVI），有些研究表明，双金属系统[11]的处理效果更好。近年来，随着国内外对PRB研究的深入，反应介质也越来越多样化，如活性炭、沸石、粘土矿物、铝硅酸盐，磷酸盐，城市堆肥，木屑，离子交换树脂，石灰石，铁的氧化物和微生物材料等。根据研究表明[12]，反应介质必须具有以下特征：①吸附解降能力较强，能长时间保持活性；②在水力和矿化作用下保持稳定；③处理污染物过程中没有有毒有害物质产生；④抗腐蚀性较强；⑤为了确保墙体安装后不会影响当地的水文地质条件，反应墙体的渗透系数应是含水层渗透系数的2倍以上；⑥利于施工安装。

1.3.2地下水曝气技术

地下水曝气（Air Sparging，AS）是以土壤气相抽提技术（Soil Vapor Extraction，SVE）为基础发展起来的一项新型地下水处理技术，也是去除地下水和饱和区土壤中挥发性和半挥发性有机物的最经济有效的方法之一[13-15]。德国在20世纪80年代中期首次使用地下水曝气技术对受挥发性有机物（VOCs）污染的场地进行修复[16]。现在AS技术在国外已经有了很广泛的应用，然而国内的AS技术还在刚刚起步阶段，现场应用很少，大部分是实验室模拟实验和简单的数值模拟阶段。

AS技术修复原理：将新鲜的空气加压投注到地下水位以下，这些加压空气就会在污染晕的下方形成一个气流屏障，从而阻止污染晕的向地下水流方向迁移和扩散，注入的加压空气与污染水体接触，来将水体中的挥发性的有机污染物分解，从而扩散到气相中，然后通过气相抽提技术将含污染物的加压空气抽出到地面以上，从而达到修复地下水的目的。虽然AS技术具有简单易操作、修复效率高、治理时间短、对环境干扰性小等优点，但是它仍有一些不可避免的局限性：①仅适用于易挥发难移动的污染物（如DNAPL，密度大于1的非水相溶液）；②受水文地质条件约束性大，高黏土含量或低渗透率的地区均不适用；③难以治理承压含水层中的污染物。AS概念模型见图3。 图3AS概念模型

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AS技术去除地下水中污染物的过程是十分复杂的，它是一个多相的传质过程，所以决定该技术成功与否的影响因素有很多。 目前，学者们普遍认同的观点是曝气所形成的影响半径的大小是影响去除效率的主要因素。曝气影响半径大小的主要影响因素有：①曝气压力和流量。一般来说，AS技术的影响半径会随着曝气压力和流量的增加而增加；②土壤的非均匀性。均质土壤的AS影响半径都是通过曝气点并垂直于轴而对称的。非均质土壤的AS影响半径会有很多不确定性；③地下水的流动。地下水的流动可能会影响地层中空气的流动，从而影响了空气通道的形状和大小，这样可能会影响AS技术的处理效果；④土壤粒径大小。研究表明，AS技术在土壤粒径范围是2～3 mm时处理效果最有效，并且有机物的去除效率随着土壤平均粒径的增大而增大。 1.3.3原位电动修复技术

原位电动修复技术（In-Situ Electrokinetic Remediation）是利用电动效应将污染物从地下水和土壤中去除的方法。该技术于20世纪80年代末开始使用，主要用来处理土壤和地下水中的一些石油烃类污染物。目前，美国、英国、德国、澳大利亚、日本、韩国和其他国家开展了基础研究和应用研究[17-19]。Bruell等[20]对土壤和地下水中的氯代烃和石油类（BTEX）进行了研究，效果明显。国内也有一部分学者对原位电动修复技术进行了探索研究。罗启仕等[21]通过小型试验研究比较了电动力学作用下土壤中2，4-二氯酚和苯酚的迁移特征和迁移机理。 原位电动修复技术原理：电动修复过程中，在污染土壤的两端加上低压直流电场，这样金属和带电荷的离子会发生定向迁移，从而使得它们在点击去富集，然后对其进行分离或集中处理。电动修复效应主要包括电迁移、电渗析和电泳。电迁移是指离子或离子复合物在电场作用下向相反的电极方向运动，主要用来去除地下水中的带电离子。电渗析是指通过外加电场作用使得土壤孔隙水发生了定向运动，主要用来去除非极性的有机污染物。电泳是在直流电场作用下带电粒子或胶体（包括微生物细胞、腐殖质和细小土壤颗粒等）发生定向的运动，主要用来去除吸附在可移动颗粒上的污染物。 1.3.4原位化学氧化技术

原位化学氧化技术（In-Situ Chemical Oxidation，ISCO）是采用一定的手段将化学氧化剂投放到地下，然后利用氧化还原作用去除饱和区土壤和受污染的地下水中的废物的一种新兴技术，主要是针对土壤及地下水中BTEX进行处理。实践证明生物修复和自然生物降解之前可采用ISCO技术作为预处理方法[22]。目前ISCO技术所采用的氧化剂主要有二氧化氯、高锰酸钾、臭氧和Fenton试剂等[23]。Zhu等[24]将受石油烃类严重污染的地下水用以ClO2为主的混和气体来进行处理，使得地下水中的有机物大多数得以去除，总体含油量下降幅度达50%～60%。金彪等[25]利用O3氧化处理了淄博市地下水中的受石油污染的水体，地下水中油的平均去除率达到59%。 1.3.5原位生物修复技术

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原位生物修复技术[26]（In-Situ Bioremediation）是指在基本上不破坏保持原始地下水自然环境对其不进行破坏的条件下，对受污染的地下水不作搬运，而在原地利用地下水中原生微生物或纯化的高效降解菌株降解地下水中污染物的技术。生物修复技术根据微生物的来源可分为两类：①对地下水中现有的微生物加以刺激来促进其生长，进而降解有机污染物；②将有特殊新陈代谢功能的微生物投加到地下水中来降解污染物。目前，原微生物修复技术已经在全世界范围内得到了广泛的应用，由于其本身所特有的性质，生物修复技术还可以与其他技术结合使用，从而达到更好的效果。Daniel等[27]在有CO2和SO2-4存在的厌氧条件下，研究了厌氧的生物降解方法对石油烃类的效果，而降解效果竟达到了65%。金赞芳等[28]以棉花为固相有机碳源对地下水中硝酸盐的去除进行了研究，得到了较好的处理效果。

原位生物修复技术与其他原位修复技术想比较具有运行成本低、环境影响小、处理效果好、运行管理简单方便等优点。然而原位生物修复技术也有自身的缺点：①含水层的渗透性较差，易引起堵塞；②投加营养物质的数量过量时，会造成二次污染；③微生物对环境温度和pH值的变化非常敏感，故对处理地下水的水质环境要求较高。 2结语

由于地下水污染过程较为缓慢、不易被人类所发现并且难以治理，所以地下水污染修复相较于地表水来说更具有危害性、隐蔽性和复杂性。随着对地下水修复技术研究的不断加深以及各项修复技术的日臻完善，我们已经将成功的各种修复技术应用于地下水污染整治领域。针对污染物的不同和地质条件的差异，我们应在野外修复过程中采用适当的修复技术。由于地下水原位修复技术相较于异位修复技术具有成本低、地表处理设施少、污染物的暴露少、对环扰动小等特点，其已经成为了一种应用广泛的地下水污染修复技术。近几年来，地下水的污染情况越来越严重，污染物的复杂性也在逐渐增加，因此单一的地下水修复技术已经难以满足治理的需求，在现场修复过程中将不同的地下水修复技术以及其它方面的先进技术结合使用，已成为一个主要的趋势。 参考文献：

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