地下水污染与防治

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1、 地下水污染与防治GroundwaterContamination* 第五讲地下水污染修复技术与方法目录1总论2监控条件下的自然衰减法(MNA)3抽出处理法(PAT)4渗透性反应墙法(PRB)5生物修复法* 总论n地下水环境修复技术是近年来环境工程和水文地质学科发展最为迅猛的领域之一n 1980年，美国国会首次把地下水净化列为国家最优先问题之一，通过了综合环境响应，赔偿和责任法案（简称CERCLA），即一般所谓超级基金（Superfund）法案，用于支付净化废弃的有害废物场地n 1984年，美国国会通过了修订资源保护与恢复法案（简称RCRA），拓展了地下水净化计划1 地下水环境修复技术n不同的

2、修复技术对于不同的介质和污染物适用性是不同的n 1.分离、活化和提取技术n 2.生物和化学反应技术n必须建立监测系统，值得重视的共同点，以确认修复工程（或内在生物修复系统）的长效运行n添加各种反应物，许多原位修复技术都需要1 治理不同污染介质的技术类型1 添加氧化/还原剂后潜在的地球化学变化1 地下水污染修复中的新材料生物质树皮/富含丹宁酸的物质木质素岩土材料沸石粘土几丁质/甲壳质死的生物体苔鲜海草/海藻/褐藻酸废弃的茶叶等泥有铁氧化物包壳的砂粉煤灰菱铁矿黄土等1 1 1、生物质n富含丹宁酸物质n丹宁酸中多羟基酚是吸附重金属的活性组分n二者可发生离子交换作用发生,并形成螯合物n可溶性酚引起的水

3、变色问题，可用预处理如甲醛、酸、碱预处理，排除有色化1 1、生物质n木质素n木质素的成本比活性炭约低20倍n对Pb,Zn的吸附能力分别为186，95mg/gn硫酸木质素对Hg的吸附能力为150mg/gn甲壳质和海味处理工艺废弃物n几丁质存在于螃蟹的外骨骼、其他甲壳动物和一些真菌细胞壁中,在自然界中的丰度仅次于植物纤维素n甲壳质不但廉价,数量丰富,它对重金属的吸附能力也很强，相当于几丁质的56倍1 1 1、生物质n死生物n Matis和Zouboulis(1994)研究了死生物对金属离子的吸附能力n死细胞聚集重金属的能力与活细胞相当甚至更强n谷壳n作为水稻商业性收割的副产品,稻壳具有与绿藻相似的

4、结构n与藻类对Cr和Pb的吸附能力相近,但它对Cd的吸附能力几乎是藻类的两倍1 2、地质材料n沸石n最早用于重金属污染治理的地质材料n斜发沸石是40多种天然沸石中储量最丰富的一种n沸石的吸附特性源于它们的离子交换能力1 2、地质材料n粘土n具有比表面积大、孔隙率高、极性强等特征,对水中各种类型的污染物质有良好的吸附n蒙脱石具有最小的结晶度,最大的表面积和最强的阳离子交换能力,从而应具有最强的吸附能力n对重金属的吸附能力归因于细粒的硅酸盐矿物的净负电荷结构性能1 2、地质材料1 2、地质材料n粉煤灰n火电厂的废物，含有碳和硅氧化物、铝氧化物、铁氧化物及钙、镁、钠、钾、硫的氧化物n潜在优势：金属被

5、吸附后，它容易固化n因为粉煤灰所含火山灰颗粒，在有水的情况下能与石灰反应形成水泥质的硅酸钙水化物n值得注意：可能含有重金属及痕量放射性元素1 2、地质材料n黄土n分布广，成本低n富含碳酸盐和粘土矿物，偏碱性，且具有大孔隙、松软和较大湿陷性n重金属（Cu、Cd、Pb、Zn、Cr、As）及非离子型有机污染物（甲苯）1 马兰黄土离石黄土1 主要修复方法n异位修复方法n焚烧、置换、部分热解吸技术等n原位（就地）修复方法n监控条件下的自然衰减法（MNA）n渗透性反应墙（PRB）n异位+原位修复方法n抽出处理法（PAT）1 1、监控条件下的自然衰减法（MNA）* 监测条件下的自然衰减法（MNA, Moni

6、tored Natural Attenuation）n美国EPA的定义n依赖自然衰减作用，在同其他更有效的方法所用时间相比属合理的时间限定内，使特定地点达到修复目的n包括污染物的生物降解、扩散、稀释、吸附、挥发、及化学或生物固定、转化或破坏等n这些作用在无人为干扰的可行条件下，能够降低土壤和地下水中的污染物的数量、毒性、迁移性、体积或浓度1 1 监测条件下的自然衰减法n优点n污染物最终能被转化成无毒的副产物n无须人为介入n不会涉及到废物的重新产生或迁移n费用低n克服机械化修复设施所带来的局限1 监测条件下的自然衰减法n局限性n时间很长n进行长期监测并负担相关费用，实施机构负责n受当地的水文地质

7、条件的自然变化及人为因素的影响n有利的水文和地球化学条件可能随着时间而发生变化，从而导致曾经稳定化了的污染物重新发生运移，对修复成果产生负面的影响n含水层的各向异性可能使场地特征复杂化n生物降解的中间产物可能会比原来的化合物更毒1 主要的自然衰减作用n非降解性作用n仅引起污染物的浓度降低，而系统中的污染物总量并未改变的那些作用过程，包括水动力学弥散（机械弥散和扩散）、吸附、稀释和挥发等n降解性作用n包括生物降解和非生物降解作用n生物降解对污染物的降解起主导作用，取决于污染物的类型及电子供体或碳源的可用性1 自然衰减作用的非生物过程n物理过程n对流：驱动地表下污染物运动的主要机制n弥散：引起纵向

8、、横向和垂向迁移；降低溶质的浓度n扩散：从较高浓度区域向较低浓度区域扩散n挥发：将污染物从地下水中去除，并转移到土壤气相中n吸附：固着在含水层介质上，将溶质从地下水中去除n稀释：可能增加电子受体的浓度，特别是溶解氧的浓度n化学过程n水解与脱氢卤化作用:重要的自然衰减机理1 水解反应n取代反应n在反应中，化合物与水发生反应，卤代基被羟基（OH-）取代n RX + HOH ROH + HXn有机化合物的水解反应常常生成醇类及烯烃n化合物上的卤代基越多，水解反应发生的几率就越小，反应的速率也越慢1 脱氢卤化反应n涉及到卤代烷烃的消除反应n在反应中，卤素原子从一个碳原子上去除，紧接着邻近碳原子上的一个

9、氢原子也去除，而生成烯烃n发生的可能性随着卤代基数量的增加而增加1 生物过程：内在生物降解作用n许多实验室和野外研究显示n地下环境中土生的微生物能降解许多有机化合物，如汽油、煤油、柴油、航空燃料；氯代乙烯、氯代乙烷、氯代甲烷、氯苯等n Norris（1994）指出，99%的地区存在各种各样的能降解石油类碳氢化合物的微生物群落n地下水中，只有溶解或被吸附了的有机化合物，且对完成生物降解过程有用的其它化合物（例如：溶解氧、硝酸盐等）存在时，才会发生生物降解n在生物降解过程中，产生的中间产物可能比原始化合物更有危害性1 生物降解机制n电子供体n以相对还原态存在的化合物，包括自然有机物质、石油类碳氢化

10、合物、低氯代乙烯、乙烷、甲烷、以及氯代苯、溶解氢等等n电子受体n以相对氧化态存在的单质或化合物，包括溶解氧、硝酸盐、铁（III）、氢氧化物、硫酸盐、二氧化碳、以及几种氯代烃溶剂等等n微生物促发并利用电子供体/电子受体的氧化还原过程，获取能量，形成微生物群体，并降解有机物1 生物降解类型n 1、有机化合物用作主要的生长底物n生物氧化反应n生物还原反应n发酵反应n 2、共代谢1 1、有机化合物用作生长底物n生物氧化反应n当微生物将有机化合物用作氧化还原总反应的电子供体（主要的生长基质）时，供应生长的有机化合物就会发生微生物氧化反应n在有氧或厌氧条件下都会发生生物氧化反应n可溶性石油碳氢化合物（如B

11、TEX）、DCE、氯代乙烯、氯代苯等低氧化氯代化合物，都能被用作微生物新陈代谢的电子供体1 1、有机化合物用作生长底物n生物还原反应n当微生物将有机化合物用作氧化还原总反应的电子受体（主要的生长基质）时，供应生长的有机化合物就会发生微生物还原反应n PCE、TCE、TCA、以及四氯化碳等氯代溶剂n在卤呼吸作用过程中，氯代碳氢化合物被直接用作电子受体，而溶解氢则被直接用作电子供体1 1、有机化合物用作生长底物n发酵作用n在发酵反应中，有机化合物在反应的第一步既起着电子供体、也起着电子受体的作用n发酵过程是唯一不需要外部电子受体的反应n通过一系列的微生物催化下的内部电子迁移过程，有机化合物被转化成

12、了无毒的化合物n醋酸盐、水、二氧化碳、溶解氢等1 2、协同新陈代谢nn污染物（特别是氯代溶剂）或新陈代谢的中间产物被酶或协同因子降解的过程n而酶或协同因子又正好是由有机体为了其它目的而产生的n在某些情况下，协同新陈代谢降解可能危害生产酶或协同因子的微生物1 主要的自然衰减作用1 主要的自然衰减作用1 2、水力学方法包括抽出处理法（PAT）* 水力学方法n 1、排水系统n重力排水、浅井群井、深井n 2、注地水系统n补给水塘、注水井n 3、设置低水力传导系数的屏障n可单独或联合使用构成水动力屏障系统1 水动力屏障系统n 1、重力排水1 水动力屏障系统n 1、重力排水1 水动力屏障系统n 1、重力排

13、水1 水动力屏障系统n 1、重力排水1 水动力屏障系统n 2、抽水井1 水动力屏障系统n 2、抽水井1 水动力屏障系统n 2、抽水井1 水动力屏障系统n 2、抽水井1 水动力屏障系统n 3、抽水和注水系统1 水动力屏障系统n 3、抽水和注水系统1 水动力学方法n不足n许多污染物在水中的溶解度相当低，极难从地下冲洗出来；n污染物通过扩散进入地下水滞留区，冲洗十分困难；n将吸附在土壤上的污染物冲洗下来是一个相当慢的过程。n由于含水介质的的差异，很难预测污染物和水运动的路径1 抽出-处理法(Pump And Treatment)n抽出-处理法是最早使用、应用最广的经典方法n从污染场地抽出被污染的水，并用洁净的水置换之；对抽出的水加以处理，污染物最终可以被去除n必须把对抽出-处理系统的监测作为修复措施整体必不可少的组成部分，监测系统的运行状态n处理后地下水n直接使用n回灌n稀释受污染水体，冲洗含水层n加速地下水的循环流动1 抽出-处理法(Pump And Treatment)n处理方法可根据污染物类型和处理费用来选用，大致可分为三类n物理法n吸附法、重力分离法、过滤法、膜处理法、吹脱法等n化学法n混凝法、氧化还原法、离子交换法以及中和沉淀法等n生物法n生物接触氧化法、生物滤池法等1 1