地下水污染修復技術研究進展

駱 坤，夏平平

（武漢清達環保科技有限公司，湖北 武漢 430223）

在2020年，我國的水資源總量為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2020年用水總量比2019年減少了208.3億m3，且全國2020年地下水源供水總量為892.5億m3[1]，由以上數據可以看出，地下水資源十分重要。但隨著我國社會經濟的飛速發展，地下水污染的狀況卻變得十分嚴重，因此，對污染的地下水進行修復治理迫在眉睫。長時間以來，由于地下水遭到污染后修復難度較大，為此，國外開展了許多關于地下水污染修復的研究，而我國地下水污染修復相關的研究則相對較少。近年來，隨著地下水污染修復技術發展比較迅速，我國在這方面也取得了較大進步。所以，污染地下水的修復也成為我國當前生態環境保護工作的重要內容之一，而地下水修復技術更是當前研究的熱點之一。

1 修復技術

1.1 抽出-處理技術

抽出－處理技術是一種地下水異位修復技術。該技術是最普遍應用的地下水污染修復技術，即抽出污染場地被污染的地下水，然后同時進行處理。在實際應用該技術時，首先需要結合地下水污染的范圍，設置一定數量的抽水井；然后用水泵從污染場地抽出被污染的地下水，并通過地上污水處理設施進行處理；最后根據污染場地的情況，再將處理達標后的地下水排入地表水體或者回灌到地下。近年來，抽出－處理技術在我國應用較為廣泛。顧春杰[2]研究發現，利用抽出－處理修復技術修復某砷污染的地下水，修復后地下水中砷的濃度能有效達到修復目標值。因此，抽出一處理技術的應用較為廣泛，主要用于處理重金屬、有機氯化物以及苯類化合物。但該技術不適宜處理非水溶性的液態污染物。

在實際修復過程中，由于需要將地下水抽出并進行處理后回灌，因此，該技術處理成本較高，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維護的成本都比較高。需要注意的是，該技術在實施過程中如果不對污染源進行封閉，地下水的抽取停止時可能會產生拖尾與反彈現象。因此，要特別注意如何在污染場地內合理布設抽水井和預防拖尾及反彈的問題。另外，簡單的污染場地可以通過計算來確定抽水井的位置和數量，而對于復雜的污染場地，則需要采用相關模型進行模擬后再確定抽水井的位置和數量。

1.2 生物修復技術

該技術是采用工程方法將地下水中的有毒、有害污染物用微生物（土著或外來微生物）進行降解，以及轉化為二氧化碳和水，或轉化為無害物質。主要是因為微生物能有效降解地下水中的重金屬、有機污染物、氮、磷營養鹽等無機污染物。但微生物對地下水中不同污染物的降解轉化機理也不一樣：如無機氮污染物生物降解的關鍵過程是反硝化作用；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，主要通過氧化還原、甲基化以及去甲基化等作用而改變價態或被固定，從而轉化為低毒或無毒物質。

通常，生物修復技術可分為天然生物修復和強化生物修復。其中，天然生物修復主要是指，不添加營養物直接利用土著微生物降解地下水中的污染物。而強化生物修復是利用自然環境中的微生物或投加特定微生物，以采用工程方法改善、限制生物修復速度的因素，將地下水中的污染物降解。歐美發達國家在20世紀就已開始廣泛使用生物修復技術修復污染地下水，并且成功修復了許多污染場地的地下水。因此，生物修復技術是國內外的研究熱點，該技術很有應用前景。李飛等[3]研究表明，利用生物修復方法修復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、環境適宜時，地下水中硝酸鹽的去除效果較好。在實際應用中，該技術在處理能被生物降解的污染物時效果較好，能有效處理有機污染物以及農業氮肥污染，但不能用于處理難生物降解以及不溶性污染物。生物處理技術的優勢在于，耗時較短，成本較低，修復范圍較廣；不足之處在于，在使用該技術時，毒性過大的有機污染物可能會抑制微生物，導致治理效果較差，所以采用該技術時要進行持續監控和維護。

1.3 PRB（可滲透反應墻）技術

在應用該技術時，要設置一個填充有活性反應介質的被動反應區，當地下水通過反應區時，污染物和反應介質通過發生物理、化學和生物降解作用，從而將地下水中的污染物降解。其工藝原理是，可滲透反應墻通過填充不同的反應介質，使污染物通過吸附、沉淀、氧化還原或生物降解作用而被去除。其中，當反應介質為吸附劑時，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介質時，其對重金屬、有機物、氨氮等地下水污染物的處理效果較好。

沉淀反應是指填充的反應介質可以和污染物產生沉淀作用，進而將污染物去除，但污染物與反應介質生成的沉淀可能會使PRB形成堵塞。因此，解決PRB的堵塞問題十分重要，要定期對沉淀物進行清理，或添加能提高PRB滲透性的物質，以便于在一定程度上解決PRB堵塞問題。而氧化還原反應也是指地下水中的污染物與反應介質發生氧化還原反應，生成單質或不溶性化合物后被去除。生物降解反應是指反應介質通過微生物的作用對地下水中的污染物進行降解。

歐美國家在PRB技術和實際應用方面已經開展的研究較多，但我國在這方面起步相對較晚。目前，我國對PRB技術的研究主要是在實驗室，而應用于工程研究的相對較少。張晟瑀等[4]研究表明，可采用火山渣為PRB的反應介質，其粒徑為0.25～2.00 mm，對TPH和菲、萘、十八烷的去除率均可達到80%以上。在實際應用中，PRB技術無需使用泵和地面污水處理設施，可直接在原地處理污染的地下水，基本不占用地面，也不需要進行儲存、運輸以及清理等；PRB技術的成本居中。而且，PRB技術填充的反應介質能使用的時間較長，不用經常更換，因此，處理潛力也較大，既能長期有效地運行，也不會對生態環境造成不利影響。但PRB技術的反應介質需適時更換，且墻體易發生堵塞，而墻體介質材料安放時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雜，所以往往會選擇復合材料作為填充材料。

1.4 監測自然衰減技術

地下水污染場地能自然發生物理、化學以及生物作用，從而使污染物發生自然衰減。因此，監測自然衰減技術是一種利用自然衰減再加上有計劃地監控，從而達到修復地下水中污染物的方法。在實際應用過程中，自然衰減是通過稀釋、彌散、對流、吸附、沉淀、揮發、化學反應和生物降解等作用，降低地下水中污染物的濃度和毒性。所以，該技術的原理是，對流、彌散、稀釋、吸附、沉淀、揮發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移到另一種相。通常，純化學反應引起的衰減比較少，生物降解比較常見。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害物質。

近年來，越來越多的地下水修復開始使用監測自然衰減技術，主要包括監測井系統、自然衰減性能評估系統、監測計劃以及應急備用方案等。在實際應用中，該系統不需要太多的人為控制，只需必要的場地控制和監測。由于任何地下水污染場地都會發生自然衰減，但因為不同污染場地的污染物不同，并且環境條件也不一樣，因此，自然衰減強度也存在差異。此外，國外關于監測自然衰減相關的研究比較多。目前，我國也開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地的自然衰減方面研究較多。陳余道等[5]在實驗室內制作了含水層物理模型，以開展污染地下水中BTEX各溶解組分自然去除的模擬研究，研究發現：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間較長。因此，監測自然衰減技術適用于易降解的有機物，成本也不高，對環境破壞比較小，但監測需要較長時間。

1.5 植物修復技術

該技術是一種通過植物對地下水中的有機物、重金屬等污染物進行修復的技術。該技術修復地下水中的重金屬主要是通過植物提取、根系過濾以及植物的穩定作用，以達到修復目。其中，應用植物修復地下水中的有機污染物，主要是通過植物降解、根系降解以及植物蒸騰作用達到修復目。目前，國內實際工程應用還比較少。經研究表明，通過種植楊樹來修復受污染的地下水，且經過7年的修復，在其根部的吸收及生物活動作用下，地下水中三氯乙烯能被植物有效去除，同時，楊樹還可以促進含水層中三氯乙烯的生物降解[6]。植物修復技術的優勢在于，在修復有機物、重金屬污染時效果較好，適用于埋深較淺的地下水污染地塊；施工比較簡便，成本比較低，不會引起二次污染，對環境產生的不利影響較小。因此，具有較好的應用前景，但不足之處是該技術的處理效率不高。

1.6 化學修復技術

該技術是向污染的地下水中投加某種化學試劑后，地下水中的污染物會和化學試劑發生化學反應，從而有效去除這些污染物。其中，原位化學氧化修復技術（ISCO）是比較常用的化學修復技術。在實際應用該修復技術時，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生氧化還原反應，以此將污染物分解或轉化后被去除。而ISCO技術經常使用的氧化劑為芬頓試劑、過氧化氫、高錳酸鹽、臭氧以及次氯酸鹽等。另外，原位化學氧化修復技術可作為生物修復等其他技術前面的預處理。當原位化學氧化修復技術與其他修復技術組合使用時，能達到更好的修復效果。目前，我國有很多學者都開展了原位化學氧化修復技術方面的研究。崔朋等[7]研究表明，原位化學氧化修復技術在處理污染地塊土壤，以及地下水中的苯酚類污染物時效果較好。

通常，原位化學氧化修復技術所需要的反應條件比較溫和，污染物去除也較快，修復也較為徹底。但使用氧化劑可能會產生新的有毒物質，所以，可能會引起二次污染。而且，污染地塊的水文地質條件可能會影響化學物質傳輸，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受到影響。

1.7 電動修復技術

電動修復技術是利用電動力學修復地下水中的污染物。采用電動修復技術時，要在污染的地下水中置入電極，這是因為地下水中污染物所帶的電荷不一樣，所以，污染物在電場作用下會往不同電極方向移動，最終在電極區域富集而被分離。目前，國外許多發達國家在電動修復技術的基礎和應用方面開展了大量研究，我國也有許多學者開展了這方面的研究，與發達國家相比，我國在電動修復應用方面開展的研究還比較少。段祥寶等[8]研究表明，地下水中的鉻能通過電動修復技術去除，且去除效果較好，但電壓的大小會直接影響地下水中鉻的遷移轉化，從而影響修復的效果和能耗。

電動修復技術在處理石油烴、重金屬以及高密度非水溶性有機物等地下水污染時效果較好。該技術的優勢在于，不會破壞地層結構，對修復地塊干擾小，成本較低，操作比較簡單，但目前該技術還不夠成熟，還需進一步開展實驗和驗證該技術在污染物遷移轉化過程的機理及限制因素。

1.8 物理處理技術

物理處理技術是一種通過物理手段修復污染地下水的技術。常用于修復地下水的物理處理技術主要包括：水動力控制法、屏蔽法和被動收集法。其中，水動力控制法是通過建立井群系統，在抽出地下水或往地下注水后，地下水的水力梯度會發生變化，從而分隔污染地下水和清潔地下水。水動力控制法一般用作臨時性的控制方法，能在早期修復及防止地下水污染物的擴散蔓延。因此，該技術適用于地質條件相對簡單、污染物遷移速度較慢的區域。而屏蔽法是通過在地下水中建立物理屏障將污染水源封閉控制，實現控制污染源，避免擴散。灰漿帷幕法是屏蔽法的一種，在采用灰漿帷幕法時，要向地下灌注灰漿，使地下水中形成帷幕結構，從而達到全方位控制有機污染水源的目的。除此之外，泥漿阻水墻、板樁阻水墻也屬于屏蔽法。在實際應用中，屏蔽法常被用作臨時性控制方法使用。被動收集法是通過在污染地下水的下游開挖溝道，以及在溝內設置收集系統，從而對漂浮的污染物質（如油類污染物等）進行收集，或收集被污染的地下水。因此，采用被動收集法處理輕質污染物時效果比較好。

1.9 原位曝氣技術

原位曝氣技術是一種通過曝氣處理地下水中揮發性有機污染物的技術。該技術是將一定體積的壓縮空氣泵入污染地下水中，使地下水中的揮發性有機污染物揮發出來進而被有效去除。目前，原位曝氣技術發展比較迅速，受到了各國研究人員的關注。王志強等[9]研究發現，采用原位曝氣技術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域石油去除率最高。原位曝氣技術的優勢在于，設備安裝以及操作都比較簡單，成本也較低，但見效較快。因此，該技術主要適用于孔隙率比較大的場地，以及去除易揮發的有機污染物。

2 發展方向

在眾多的地下水污染修復技術中，PRB技術和生物修復技術是非常有前景的技術，將會是未來的研究熱點，也會得到更加廣泛的應用。隨著地下水修復技術的進步，單一技術也已不能滿足當今地下水污染控制的要求，因此，多種技術的組合使用是未來的主要發展方向。如PRB－電動組合修復技術、電動－微生物組合修復技術、原位化學氧化－PRB組合修復技術等組合技術將得到越來越廣泛的應用。而且在實際應用中，多種技術組合的使用能更好發揮出各種技術的優勢，從而提高修復效率，降低修復成本，但也要及時解決現有組合修復技術中存在的問題。

3 結語

目前，我國地下水污染場地的數量較多，地下水的污染形勢也較為嚴峻，如何更好的修復這些地下水污染場地是生態環境保護工作的難點。同時，由于地下水污染修復治理難度較大，而且地下水污染控制與修復涉及多個學科，因此，在實際修復過程中，應結合污染場地的具體情況來選擇合適的修復技術。而相關技術人員也需在地下水污染控制與修復技術原理，以及相關模型模擬等方面開展更廣泛的研究，并不斷探索新的修復技術，以提升地下水污染修復技術的效率和效果。