地下水修復(fù)技術(shù)在美國(guó)的發(fā)展和應(yīng)用

1、地下水修復(fù)技術(shù)在美國(guó)的發(fā)展和應(yīng)用 美Michael J.Barcelona李燁 譯；馮翠娥、魏國(guó)強(qiáng) 校譯 地下水修復(fù)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用已經(jīng)引起了公眾的廣泛關(guān)注。新污染物的出現(xiàn)使得一些已經(jīng)成熟的技術(shù)正面臨著新的考驗(yàn)，因?yàn)檫@些污染物可能具有持久性和易變性，難以進(jìn)行原位處理。評(píng)價(jià)修復(fù)技術(shù)的有效性時(shí)，需要分析生成的副產(chǎn)物和造成的地球化學(xué)方面的影響等。長(zhǎng)期的野外修復(fù)技術(shù)試驗(yàn)，可以提供必需的資料以滿足有效性評(píng)價(jià)的需要。一、概述地下水資源正面臨和可能面臨的威脅，也是地表水資源面臨的威脅，這二者之間具有密切的聯(lián)系；如果不把地下水和地表水作為一個(gè)整體來(lái)考慮，而單方面實(shí)行強(qiáng)制性的提高水質(zhì)和水量的措施，那么

2、地表水或地下水所面臨的資源壓力可能是最為嚴(yán)重的。可以把城市市政污水處理廠（簡(jiǎn)稱MWWTP）的運(yùn)作和過去工業(yè)和商業(yè)活動(dòng)相關(guān)的垃圾場(chǎng)的管理進(jìn)行比較。通常聯(lián)邦政府會(huì)撥款使MWWTP得以改善，州或地方政府在已污染的土地上投資進(jìn)行“清理”工作，他們只關(guān)注地下水污染。而事實(shí)上，前期的保護(hù)遠(yuǎn)比后期的修復(fù)更為有效。地下水問題是下一代生存的保障，因?yàn)榇蠖鄶?shù)人的生存都與這一資源有關(guān)。土地、水和空氣屬于每一個(gè)公民。二、資源和修復(fù)政策的發(fā)展在地表或近地表有大量的水資源，但是只有不足1%可以不經(jīng)任何處理被人類利用。顯然，這些資源必須加以保護(hù)并有效利用。人們對(duì)已知污染場(chǎng)地優(yōu)先清理的概念并不像必須保護(hù)水資源那樣清楚。州和聯(lián)

3、邦政府的地下水清潔政策和執(zhí)行情況明顯不同。最近，Moran分析了當(dāng)前修復(fù)政策的缺點(diǎn)（Moran，2003）。他指出，修復(fù)的要求不嚴(yán)格，導(dǎo)致工作程序混亂、對(duì)目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)分析不完整以及不能將這些風(fēng)險(xiǎn)與其它社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)綜合起來(lái)考慮。包括公眾在內(nèi)的主要參與者面對(duì)的是令人不盡滿意的處理方法和從來(lái)不進(jìn)行詳細(xì)分析的結(jié)果。在某種程度上，制定出協(xié)調(diào)有效的清潔措施比修復(fù)技術(shù)的選擇和應(yīng)用要困難的多。在本文中，需要假定（也許有一些不現(xiàn)實(shí)）政策和預(yù)算上都有一定限制，但是通過減少目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行適當(dāng)?shù)某杀净蚧陲L(fēng)險(xiǎn)的清理方法的選擇，可以克服這些限制。另一方面，假定新出現(xiàn)的污染物帶來(lái)的挑戰(zhàn)，會(huì)推動(dòng)未來(lái)修復(fù)政策的進(jìn)一步發(fā)展。無(wú)論政策如何

4、發(fā)展，都與清理技術(shù)的發(fā)展密不可分。相對(duì)直接的抽取-處理（P/T）方法主要是針對(duì)污染羽中揮發(fā)性有機(jī)物的清除，它考慮了污染源和污染羽的水力控制條件。早期采用的是試驗(yàn)校正“截獲區(qū)”的處理方法，現(xiàn)在主要采用的是最優(yōu)化的排水（抽水）方法，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，這兩種方法都非常有效。對(duì)水文地質(zhì)條件以及有機(jī)污染物和無(wú)機(jī)污染物混合特征的不斷認(rèn)識(shí)，促進(jìn)了上述技術(shù)的發(fā)展。以抽水處理方法為例，由于水力條件的限制，清除的污染物的量是有限的，而且成本相對(duì)很高。因此，開始調(diào)整修復(fù)方法，轉(zhuǎn)向采用被動(dòng)方法（如監(jiān)測(cè)天然衰減、堵截污染源和污染羽）和基于風(fēng)險(xiǎn)的主動(dòng)方法（如原位化學(xué)或生物處理、噴射沖洗、建立反應(yīng)格柵等；美國(guó)環(huán)境保護(hù)局

5、，1989，1992；國(guó)家科學(xué)研究委員會(huì)，1994）。但是現(xiàn)在，當(dāng)處理遷移性/溶解性較強(qiáng)、毒性/致癌作用中等或較強(qiáng)以及與公眾利益密切相關(guān)的污染物時(shí)，仍然會(huì)選擇P/T系統(tǒng)（Nyer和Bedessem，2003）。在處理以前未被識(shí)別的污染物的地下污染羽時(shí)也常采用P/T系統(tǒng)。新近識(shí)別出來(lái)的污染物包括：抗菌劑、高氯酸鹽、醫(yī)藥品（如降固醇酸、環(huán)氟拉嗪和異丙安替比林等）等。在垃圾填埋場(chǎng)污染羽中檢測(cè)到這些污染物中的多種組分（Holm等，1995；Heberer等，1997；Scheytt等，2004）。不管與國(guó)家的修復(fù)政策是否一致，未來(lái)都會(huì)趨向于降低處理成本或改進(jìn)基于風(fēng)險(xiǎn)的修復(fù)措施。這就提出一個(gè)問題：未來(lái)新

6、的修復(fù)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用該何去何從？三、修復(fù)技術(shù)未來(lái)的應(yīng)用和發(fā)展毫無(wú)疑問，識(shí)別污染物、了解場(chǎng)地特征、根據(jù)監(jiān)測(cè)和實(shí)驗(yàn)建立污染羽模型有助于修復(fù)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。有兩個(gè)問題將會(huì)影響到修復(fù)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。第一個(gè)是需要確定與水和污染物運(yùn)移相關(guān)的場(chǎng)地水文地質(zhì)條件，并分析人或環(huán)境接觸這些物質(zhì)可能面臨的風(fēng)險(xiǎn)。例如，需要研究海水與受污染的地下水的分界面，以建立濱海地區(qū)的污染物運(yùn)移模型。由于污染物濃度隨時(shí)間和空間變化，因此游泳和休閑娛樂的人群以及鹽沼生態(tài)系統(tǒng)都可能會(huì)接觸到這些污染物。這就需要更全面地認(rèn)識(shí)場(chǎng)地特征和相關(guān)的水文地質(zhì)模型。場(chǎng)地的水文地質(zhì)條件控制著所有修復(fù)措施的實(shí)施效果。如果這些修復(fù)系統(tǒng)能夠?yàn)閰⑴c者和公眾

7、接受，就需要首先對(duì)系統(tǒng)的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行很好地統(tǒng)計(jì)。第二個(gè)問題是污染物成分復(fù)雜，通常會(huì)發(fā)生化學(xué)或生物反應(yīng)，形成多種副產(chǎn)物，這樣就需要隨時(shí)間和空間變化選擇不同的修復(fù)技術(shù)。對(duì)于非水相流體（NAPL）場(chǎng)地，這一點(diǎn)尤為重要。例如，氯代烯烴通過微生物或零價(jià)鐵反應(yīng)格柵發(fā)生還原脫氯，如果脫氯不完全的話，會(huì)產(chǎn)生副產(chǎn)物氯乙烯，這種物質(zhì)的毒性要高于母體。這樣就需要采用化學(xué)氧化或好氧微生物氧化的方法作進(jìn)一步處理。需要不斷更新場(chǎng)地特征的數(shù)據(jù)，建立更好的水文地質(zhì)和動(dòng)力學(xué)模型，以保證污染物在還原帶或氧化帶停留足夠的時(shí)間，達(dá)到處理的目的（Barcelona和Xie，2001；Devlin等，2000）。（一）修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用在選

8、擇修復(fù)技術(shù)時(shí)，需要考慮污染物的性質(zhì)、運(yùn)移及其反應(yīng)產(chǎn)物。毫無(wú)疑問，將來(lái)還會(huì)識(shí)別出新的污染物，特別是出現(xiàn)新的人工合成有機(jī)物，因此必須確定污水處理廠和地下水（也可能是地表水）流動(dòng)系統(tǒng)中的代謝產(chǎn)物和分解產(chǎn)物。濱海地區(qū)城市人口逐年增加，而海水入侵又造成水質(zhì)下降，因此必須謹(jǐn)慎選擇修復(fù)技術(shù)。從濱海含水層抽取地下水，必須認(rèn)真規(guī)劃。經(jīng)過處理的“淡水”可能會(huì)作為飲用水或重新注入地下阻止海水入侵，這一措施已經(jīng)在加利福尼亞南部實(shí)施多年，并獲得了巨大的成功。污染物運(yùn)移，特別是金屬污染物（如汞和銀等）的運(yùn)移極大地受氯濃度的影響。例如，當(dāng)海水入侵濱海含水層時(shí)，污染地下水中汞的遷移速度明顯加快（Grassi和Netti，20

9、00）。區(qū)域水文地質(zhì)條件對(duì)污染物的遷移具有一定的影響。如果將來(lái)抽水會(huì)影響污染羽的彌散方向和范圍，則在當(dāng)前流動(dòng)條件下選擇合適的修復(fù)技術(shù)就面臨著一定的挑戰(zhàn)。在北美許多城市地區(qū)，通過更新地下水保護(hù)方案，來(lái)確定潛在的水力干擾。這些方案描述了與已知污染場(chǎng)地相關(guān)的供水井的截獲區(qū)?？傊?，不同修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)際上是考慮到了污染物和水文地質(zhì)條件共同作用的復(fù)雜性。管理者要與相應(yīng)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行合作，特別是當(dāng)遇到混合污染羽或場(chǎng)地之間有明顯的水力聯(lián)系的問題時(shí)，必須嚴(yán)格地選擇修復(fù)技術(shù)。（二）修復(fù)技術(shù)未來(lái)的發(fā)展目前，主動(dòng)和被動(dòng)的修復(fù)技術(shù)都已經(jīng)得到了改進(jìn)，然而，許多技術(shù)只是最近才得以應(yīng)用。其中，修復(fù)技術(shù)的設(shè)計(jì)參數(shù)如處理能力、抽

10、水率、抽水/注入井的位置和篩管間隔相對(duì)比較容易確定。在不利環(huán)境條件下，如基巖裂隙含水層，修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用則存在許多約束條件。盡管如此，專業(yè)人員必須繼續(xù)在處理技術(shù)的開發(fā)中進(jìn)行創(chuàng)造性的實(shí)踐，而且要認(rèn)識(shí)到，所有新的處理技術(shù)都要經(jīng)過反復(fù)的試驗(yàn)。以前的工作主要致力于單個(gè)或多個(gè)原位處理技術(shù)的可持續(xù)應(yīng)用能力的研究和開發(fā)，并確定技術(shù)配置導(dǎo)致的地球化學(xué)條件的改變，可能造成的影響和后果?？沙掷m(xù)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)實(shí)例，是采用零價(jià)鐵反應(yīng)格柵處理混合氯代烴污染羽。在技術(shù)應(yīng)用的早期，需要采取最優(yōu)化方法控制抽水量。零價(jià)鐵反應(yīng)格柵的反應(yīng)能力不可避免的要下降，因而需要使處理能力得到恢復(fù)（Puls等，1999；Wilkin等，2002

11、）。在這種假定條件下，零價(jià)鐵成本相對(duì)較高，需要尋找替代物，或根據(jù)主要污染物的濃度、污染源和污染羽來(lái)添加活性炭，以刺激微生物脫氯。可持續(xù)能力的討論應(yīng)當(dāng)集中在成本有效性、長(zhǎng)期性和替代方案的預(yù)期成本上（Sarr，2001）。修復(fù)技術(shù)發(fā)展的方向?qū)膬蓚€(gè)角度上進(jìn)行分析。其中包括盡可能減少有毒副產(chǎn)物的形成和影響處理水質(zhì)的天然化學(xué)物質(zhì)活性的釋放。后者關(guān)注的內(nèi)容是，比如當(dāng)大量的有機(jī)質(zhì)注入到地下水污染羽中，刺激氯代烯烴還原脫氯時(shí)，水中原有的砷、鐵和錳的活性。在研究處理技術(shù)的有效性時(shí)，很少分析有毒副產(chǎn)物或可能參加反應(yīng)的化學(xué)元素。（三）地下水原位處理技術(shù)的可持續(xù)性以成本效率、運(yùn)行時(shí)間和預(yù)期替代方案的成本為基礎(chǔ)的地下

12、水處理技術(shù)的可持續(xù)性評(píng)價(jià)需要幾十年的努力。目前最全面的場(chǎng)地評(píng)價(jià)已經(jīng)完成，這一工作受到聯(lián)邦機(jī)構(gòu)（如美國(guó)能源部和國(guó)防部、美國(guó)環(huán)境保護(hù)局、美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局等）的長(zhǎng)期資助。國(guó)防部（DOD）技術(shù)示范點(diǎn)和能源部（DOE）示范點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)化有著非常重要的意義，因?yàn)樗鼈兪且粋€(gè)能夠反映污染物和水文地質(zhì)條件的“真實(shí)世界”，并且有助于進(jìn)行多角度評(píng)價(jià)（Parsons，2004）。在各種工業(yè)/商業(yè)場(chǎng)地會(huì)采用不同的處理技術(shù)，但是污染物監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)有限，給技術(shù)的選擇造成一定影響。不過聯(lián)邦政府會(huì)繼續(xù)資助處理技術(shù)的廣泛應(yīng)用和改進(jìn)。此時(shí)若對(duì)場(chǎng)地處理技術(shù)的可持續(xù)性進(jìn)行分級(jí)可能過早。“主動(dòng)”處理技術(shù)例如抽水/重新注入、真空抽水和水相營(yíng)養(yǎng)物注入

13、技術(shù)，與滲透反應(yīng)格柵或物理隔離技術(shù)相比，可持續(xù)性較弱。特別是在注入井，載體運(yùn)移時(shí)會(huì)不斷被生物污染或遇到腐蝕問題。類似地，依賴還原環(huán)境的處理技術(shù)比那些依賴氧化環(huán)境的處理技術(shù)的持續(xù)性強(qiáng)，這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)含水層自然的還原能力比氧化能力要強(qiáng)（Barcelona和Holm，1991；Hartog，2003）。根據(jù)以上分析，對(duì)修復(fù)技術(shù)的持續(xù)性進(jìn)行了總結(jié)（見表1），參照表1中的修復(fù)技術(shù)，持續(xù)性真實(shí)地反映了去除或隔離污染物的效果。需要抽水、輸入能量或進(jìn)行監(jiān)測(cè)的技術(shù)，不利于將來(lái)使用，除非可以開發(fā)出有效的去除污染源的技術(shù)。表1修復(fù)技術(shù)的持續(xù)性總結(jié) 備注：1：除非采用其它手段控制，否則會(huì)發(fā)生揮發(fā)性氣體損失；NA：不適

14、用表2列舉了地下水污染羽的原位處理技術(shù)，從表中可以看出，破壞性的修復(fù)技術(shù)比非破壞性的技術(shù)持續(xù)性更強(qiáng)，這是由于前者無(wú)需進(jìn)行恢復(fù)和地表處理。評(píng)價(jià)原位處理技術(shù)成本的有效性，需要考慮污染物的性質(zhì)、水文地質(zhì)條件、以及是否可以預(yù)測(cè)或控制污染羽的遷移等。建立滲透性固體反應(yīng)格柵比不斷注入水溶液的持續(xù)性強(qiáng)。這是因?yàn)樵还腆w反應(yīng)物的長(zhǎng)期處理能力比階段性注入水溶液的處理能力更強(qiáng)，而且更容易對(duì)其效果進(jìn)行監(jiān)測(cè)。希望找到更多功能各異的更有效的反應(yīng)物質(zhì)，從而選擇最適用的技術(shù)。四、修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用效果除了成本有效性以外，某項(xiàng)技術(shù)是否能有效去除或破壞特定污染物取決于它的應(yīng)用結(jié)果。即使某項(xiàng)技術(shù)可以成功地去除主要污染物或分解污染羽中

15、的產(chǎn)物，但是“處理過的水”感觀（也就是味覺和嗅覺）較差或有毒性，仍不能作為飲用水的話，那么應(yīng)用該技術(shù)則幾乎不能獲益。另外，根據(jù)主要污染物的去除資料，并不能解決所有問題。化學(xué)和生物催化反應(yīng)都可能產(chǎn)生副產(chǎn)物。事實(shí)上，加入化學(xué)氧化劑或還原劑的修復(fù)技術(shù)，可能會(huì)改變微生物的活性，也可能改變預(yù)測(cè)產(chǎn)生的副產(chǎn)物（Xie和Barcelona，2003）。在對(duì)這些技術(shù)進(jìn)行可行性測(cè)試時(shí)，需要考慮含水層的地球化學(xué)變化和可能形成的副產(chǎn)物。（一）含水層的地球化學(xué)變化在加入氧化劑或還原劑后，含水層的地球化學(xué)特征可能會(huì)發(fā)生明顯的變化（見表2）。在采用生物修復(fù)技術(shù)時(shí)，有機(jī)化合物（如乳酸鹽、乙醇、醋酸、糖蜜等）主要是作為微生物生

16、長(zhǎng)的基質(zhì)同時(shí)也作為化學(xué)還原劑加入到地下水中。氧化劑可能會(huì)起到局部消毒作用，使微生物的催化能力受到影響。表2地下水原位修復(fù)技術(shù)的持續(xù)性總結(jié)注：NE，不期望；NA，不適用；PA，可能適用加入氧化劑或還原劑后，可能發(fā)生的地球化學(xué)變化如表3所示。氧化劑或還原劑的加入可能導(dǎo)致金屬物質(zhì)（或非金屬，如As）的溶解濃度發(fā)生明顯的變化。通過采用滲透格柵控制氧化劑或還原劑的釋放形式，可以使這些地球化學(xué)變化或其它一些感觀指標(biāo)的變化對(duì)直接處理區(qū)以外的地方的影響減至最小。由于注入井?dāng)?shù)量有限和水力傳導(dǎo)系數(shù)分布的問題，通過水相注入系統(tǒng)控制氧化劑或還原劑的用量非常困難（Sudicky，1986；Hyndman等，2000）。

17、無(wú)論是采用滲透格柵還是水相注入，都要對(duì)含水層的性質(zhì)、地球化學(xué)變化的可逆性（如溶解作用、解吸作用、pH值變化）、污染物的分布和通量進(jìn)行更加詳細(xì)的評(píng)價(jià)，以設(shè)計(jì)出有效的原位處理系統(tǒng)。（二）原位修復(fù)技術(shù)的副產(chǎn)物污染物成分復(fù)雜導(dǎo)致產(chǎn)生的副產(chǎn)物成分也相應(yīng)較多。將城市污水或工業(yè)污水排入到地下水時(shí)，需要特別認(rèn)真地對(duì)處理計(jì)劃進(jìn)行評(píng)價(jià)。由于在這些污水中或其它污染混合物（如噴氣燃料）中存在幾百種化學(xué)組分，因此，想在處理前后分離和確定水樣中的化學(xué)組分是一件成本很高而且耗時(shí)的工作（Kolpin等，2002；Ternes，1998）。在這種情況下，毒性測(cè)試或生物測(cè)定技術(shù)非常有效。例如，Xie和Barcelona（2003

18、）已經(jīng)報(bào)導(dǎo)了噴氣燃料的溶解部分在發(fā)生化學(xué)氧化反應(yīng)后，會(huì)發(fā)生生物氧化，從而毒性降低?？扇苄試姎馊剂匣旌衔锏亩拘圆糠质欠枷阕寤衔铮饕巧儆诎藗€(gè)碳原子的苯和甲苯，過氧化氫和高錳酸鉀都可以將芳香族化合物氧化，在30天內(nèi)可以使毒性降低；而使用好氧生物氧化技術(shù)則需要6個(gè)月的時(shí)間。因此，建議在主要化學(xué)處理帶的外圍，采用微生物技術(shù)進(jìn)一步去除和減少毒性。表3添加氧化劑或還原劑后含水層可能發(fā)生的地球化學(xué)變化注：ORC：釋氧化合物；MRC:金屬還原化合物在相關(guān)的研究中，Nomocatcat等（2003）報(bào)導(dǎo)了可溶性噴氣燃料混合物三甲基苯和四甲基苯的微生物氧化產(chǎn)物，主要是二甲基安息香酸和三甲基安息香酸。以前認(rèn)為三甲基苯和四甲基苯在地下會(huì)抵制微生物氧化作用。作者沒有指出苯酚或乙醛的副產(chǎn)物。毫無(wú)疑問，不久的將來(lái)一定會(huì)出現(xiàn)其它燃料或污染混合物的原位處理技術(shù)，需要進(jìn)一步研究野外條件下的副產(chǎn)物處理技術(shù)。這項(xiàng)工作需要各學(xué)科的專家們共同參與到為期2