中国地下水污染：途径、污染物、预防与治理

地下水污染方式可分为直接污染和间接污染两种。直接污染的特点是污染物直接进入含水层,在污染过程中,污染物的性质不变。这是对地下水污染的主要方式。间接污染的特点是,地下水污染并非由于污染物直接进入含水层引起的,而是由于污染物作用于其他物质,使这些物质中的某些成分进入地下水造成的。例如,由于污染引起的地下水硬度的增加、溶解氧的减少等。间接污染过程复杂,污染原因易被掩盖,要查清污染来源和途径较为困难。

地下水污染途径

地下水污染途径是多种多样的,大致可归为四类:①间歇入渗型。大气降水或其他灌溉水使污染物随水通过非饱水带,周期地渗入含水层,主要是污染潜水。淋滤固体废物堆引起的污染,即属此类。②连续入渗型。污染物随水不断地渗入含水层,主要也是污染潜水。废水聚集地段(如废水渠、废水池、废水渗井等)和受污染的地表水体连续渗漏造成地下水污染,即属此类。③越流型。污染物是通过越流的方式从已受污染的含水层(或天然咸水层)转移到未受污染的含水层(或天然淡水层)。污染物或者是通过整个层间,或者是通过地层尖灭的天窗,或者是通过破损的井管,污染潜水和承压水。地下水的开采改变了越流方向,使已受污染的潜水进入未受污染的承压水,即属此类。④径流型。污染物通过地下径流进入含水层,污染潜水或承压水。污染物通过地下岩溶孔道进入含水层,即属此类。

类型

我国地下水污染划分为以下四个类型;

一是地下淡水的过量开采导致沿海地区的海(咸)水入侵;

二是地表污(废)水排放和农耕污染造成的硝酸盐污染;

三是石油和石油化工产品的污染;四是垃圾填埋场渗漏污染。

其中,农耕污染具有量大面广的特征,未经利用的氮肥在经过地层时通过生物或化学转化成硝酸盐和亚硝酸盐,长期饮用这种污染的地下水将可能导致氰紫症、食道癌等疾病的发生。

主要污染物

硝酸盐

硝酸盐是地下水的主要污染物质,其来源有二。

一是地表污废水排放,通过河道渗漏污染地下水;城市化粪池、污水管的泄漏以及垃圾堆的雨水淋溶等。这一类污染源具有点污染的特征。

二是农业面源污染,农耕区过多施用氮肥,其中约有12.5%～45%的氮从土壤中流失,造成农耕区地下水硝酸盐的含量严重超标。随着化肥的广泛使用,硝酸盐污染将成为一个世界性的问题,在美国对10多万口水井的调查发现,有6%的水井硝酸盐含量超过标准,20%的水井氨氮含量超标。中国进行调查的57座城市中,地下水氮超标的有46座。硝酸盐污染可以导致高铁血红蛋白症,婴儿畸形及癌症等疾病。对地下水构成威胁的还有石油、石油化工产品及各种有机合成化学物质。

石油产品

石油和石油化工产品,经常以非水相液体(NAPL)的形式污染土壤、含水层和地下水。当NAPL的密度大于水的密度时,污染物将穿过地表土壤及含水层到达隔水底板,即潜没在地下水中,并沿隔水底板横向扩展;当NAPL密度小于水的密度时,污染物的垂向运移受阻于地下水面,只能沿地下水面(主要在水的非饱和带)横向广泛扩展。NAPL可被孔隙介质长期束缚,其可溶性成分还会逐渐扩散至地下水中,成为一种持久性的污染源。这类污染通常因地下油罐泄漏造成。20世纪90年代初,北京某地发生一起恶性柴油泄漏事件,78t柴油在一周内全部渗入包气带和潜水含水层,致使附近的水源并遭受严重污染,水厂被迫停产,影响供水范围波及36k㎡。有机合成化学物质则主要来源于危险废物处置场所的淋溶和渗漏。中国科学院对京津唐地区地下水有机污染物的初步调查表明,该地区地下水中有机物种类达133种。有机污染物在地下水中含量甚微,但许多有机物毒性很大,足以引起各种健康问题。有机污染物进入包气带和含水层后,不仅其残留物可以维持数十乃至上百年,长期污染环境,而且其降解中间产物亦会污染环境,某些中间产物甚至具有更大的毒性。

细菌病毒

此外,用灌注并孔的办法人工补给地下水时,如果回灌水含有细菌或毒物,将造成严重后果;利用污水灌溉农田而又处理不当时,也会使大范围的潜水受到影响。由于矿体、矿化地层及其他自然因素引起地下水某些组分富集或贫化的形象,称为“矿化”或“异常”,不应视为污染。

治理方法

地下水污染治理技术归纳起来主要有:物理处理法、水动力控制法、抽出处理法、原位处理法。

物理法

物理法是用物理的手段对受污染地下水进行治理的一种方法,概括起来又可分为:

屏蔽法 该法是在地下建立各种物理屏障,将受污染水体圈闭起来,以防止污染物进一步扩散蔓延。常用的灰浆帷幕法是用压力向地下灌注灰浆,在受污染水体周围形成一道帷幕,从而将受污染水体圈闭起来。其他的物理屏障法还有泥浆阻水墙、振动桩阻水墙、板桩阻水墙、块状置换、膜和合成材料帷幕圈闭法等,原理都与灰浆帷幕法相似。总的来说,物理屏蔽法只有在处理小范围的剧毒、难降解污染物时才可考虑作为一种永久性的封闭方法,多数情况下,它只是在地下水污染治理的初期,被用作一种临时性的控制方法。

被动收集法 该法是在地下水流的下游挖一条足够深的沟道,在沟内布置收集系统,将水面漂浮的污染物质如油类污染物等收集起来,或将所有受污染地下水收集起来以便处理的一种方法。被动收集法一般在处理轻质污染物(如油类等)时比较有效,它在美国治理地下水油污染时得到过广泛的应用。

水动力控制法是利用井群系统,通过抽水或向含水层注水,人为地改变地下水的水力梯度,从而将受污染水体与清洁水体分隔开来。根据井群系统布置方式的不同,水力控制法又可分为上游分水岭法和下游分水岭法。上游分水岭法是在受污染水体的上游布置一排注水井,通过注水井向含水层注入清水,使得在该注水井处形成一地下分水岭,从而阻止上游清洁水体向下补给已被污染水体;同时,在下游布置一排抽水井将受污染水体抽出处理。而下游分水岭法则是在受污染水体下游布置一排注水井注水,在下游形成一分水岭以阻止污染羽流向下游扩散,同时在上游布置一排抽水井,抽出清洁水并送到下游注入。同样,水动力控制法一般也用作一种临时性的控制方法,在地下水污染治理的初期用于防止污染物的扩散蔓延。

稳定化

稳定化是指将污染物转化为不易溶解、迁移和毒性比较小的状态或者形式。而固化是指将污染物质包存起来,呈小颗粒状或者大块形状,使污染物质处于稳定状态,不再影响周围环境。稳定化和固化技术通常用于重金属离子和放射性物质的稳定化和固化处理。一般的步骤包括:

(1)中和过量的酸度;

(2)破坏金属络合物;

(3)控制金属的氧化还原态;

(4)转化为不溶性的稳定形态;

(5)采用固化剂形成稳定的固体形态物质。

抽出处理

抽出处理法是当前应用很普遍的一种方法,可根据污染物类型和处理费用来选用,大致可分为三类:

①物理法。包括:吸附法、重力分离法、过滤法、反渗透法、气吹法和焚烧法等。

②化学法。包括:混凝沉淀法、氧化还原法、离子交换法和中和法等。

③生物法。包括:活性污泥法、生物膜法、厌氧消化法和土壤处置法等。受污染地下水抽出后的处理方法与地表水的处理相同,需要指出的是,在受污染地下水的抽出处理中,井群系统的建立是关键,井群系统要能控制整个受污染水体的流动。处理后地下水的去向有两个,一是直接使用,另一个则是用于回灌。用于回灌多一些的原因是回灌一方面可稀释受污染水体,冲洗含水层;另一方面还可加速地下水的循环流动,从而缩短地下水的修复时间。

原位处理

原位处理法是地下水污染治理技术研究的热点,不但处理费用相对节省,而且还可减少地表处理设施,最大程度地减少污染物的暴露,减少对环境的扰动,是一种很有前景的地下水污染治理技术。原位处理技术又包括物理化学处理法及生物处理法。

物理化学法

①加药法。通过井群系统向受污染水体灌注化学药剂,如灌注中和剂以中和酸性或碱性渗滤液,添加氧化剂降解有机物或使无机化合物形成沉淀等。

②渗透性处理床。渗透性处理床主要适用于较薄、较浅含水层,一般用于填埋渗滤液的无害化处理。具体做法是在污染羽流的下游挖一条沟,该沟挖至含水层底部基岩层或不透水粘土层,然后在沟内填充能与污染物反应的透水性介质,受污染地下水流入沟内后与该介质发生反应,生成无害化产物或沉淀物而被去除。常用的填充介质有:a.灰岩,用以中和酸性地下水或去除重金属;b.活性炭,用以去除非极性污染物和CCl4、苯等;c.沸石和合成离子交换树脂,用以去除溶解态重金属等。

③土壤改性法。利用土壤中的粘土层,通过注射井在原位注入表面活性剂及有机改性物质,使土壤中的粘土转变为有机粘土。经改性后形成的有机粘土能有效地吸附地下水中的有机污染物。

④冲洗法。对于有机烃类污染,可用空气冲洗,即将空气注入到受污染区域底部,空气在上升过程中,污染物中的挥发性组分会随空气一起溢出,再用集气系统将气体进行收集处理;也可采用蒸汽冲洗,蒸汽不仅可以使挥发性组分溢出,还可以使有机物热解;另外,用酒精冲洗亦可。理论上,只要整个受污染区域都被冲洗过,则所有的烃类污染物都会被去除。

⑤射频放电加热法。通入电流使污染物降解。 原位物化法在运用时需要注意的是堵塞问题,尤其是当地下水中存在重金属时,物化反应易生成沉淀,从而堵塞含水层,影响处理过程的进行。

原位生物修复

其原理实际上是自然生物降解过程的人工强化。它是通过采取人为措施,包括添加氧和营养物等,刺激原位微生物的生长,从而强化污染物的自然生物降解过程。通常原位生物修复的过程为:先通过试验研究,确定原位微生物降解污染物的能力,然后确定能最大程度促进微生物生长的氧需要量和营养配比,最后再将研究结果应用于实际。如今所使用的各种原位生物修复技术都是围绕各种强化措施来进行的,例如强化供氧技术大致有以下几种:

①生物气冲技术。该技术与原位物化法中的气冲技术相似,都是将空气注入受污染区域底部,所不同的是生物气冲的供气量要小一些,只要能达到刺激微生物生长的供气量即可。

②溶气水供氧技术。这是由维吉尼亚多种工艺研究所(Virginia PolytechnicInstitute)的研究人员开发的技术,它能制成一种由2/3气和1/3水组成的溶气水,气泡直径可小到55 μm。把这种气水混合物注入受污染区域,可大大提高氧的传递效率。

③过氧化氢供氧技术。该技术是把过氧化氢作为氧源注入到受污染地下水中,过氧化氢分解以后产生氧以供给微生物生长。过氧化氢常常要与催化剂一起注入,催化剂用以控制过氧化氢的分解速度,使之与微生物的耗氧速度相一致。

强化营养物供应的技术有渗透墙技术等。该技术是在污染区域内垂直于地下水流方向建一道渗透墙,先将渗透墙内的水抽出,添加营养物后再回灌入渗透墙。这时,添加了营养物的渗透墙就成了一个营养物扩散源,在渗透墙下游就会形成一个生物活跃区,从而强化了生物降解过程。

另外,强化措施还可以从微生物的角度入手。可以先在地表设施中对微生物进行选择性培养,然后再通过注射井注入到受污染区域,或直接引进商品化菌种,都可以起到强化生物降解过程的作用。 总的来说,原位生物修复技术具体的工艺形式很多,但其原理无非都是自然生物降解过程的人工强化。一般情况下,原位生物修复要与井群系统配合运行,即通过抽水井与注水井的配合,以加速地下水的流动及氧和营养物的扩散,从而缩短处理时间。

 预防保护办法

地下水环境质量的保护应以预防为主。为此,必须进行必要的监测,一旦发现地下水遭受污染,就应及时采取措施,防微杜渐。最好是尽量减少污染物进入地下含水层的机会和数量,诸如污水聚积地段的防渗,选择具有最优的地质、水文地质条件的地点排放废物等。

1 禁止企业事业单位利用渗井、渗坑、裂隙和溶洞排放、倾倒含有毒污染物的废水、含病原体的污水和其他废弃物。

2 在无良好隔渗地层,禁止企业事业单位使用无防止渗漏措施的沟渠、坑塘等输送或者存贮含有毒污染物的废水、含病原体的污水和其他废弃物。

3 在开采多层地下水的时候,如果各含水层的水质差异大,应当分层开采,;对已受污染的潜水和承压水,不得混合开采。

4 兴建地下工程设施或者地下勘探、采矿等活动,应当采取保护性措施,防止地下水污染。

5 人工回灌补给地下水,不得恶化地下水质。