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地下水修复技术在美国的发展和应用

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地下水修复技术在美国的发展和应用

发布日期:2017-02-06 作者: 点击:

  地下水修复技术的发展和应用已经引起了公众的广泛关注。新污染物的出现使得一些已经成熟的技术正面临着新的考验,因为这些污染物可能具有持久性和易变性,难以进行原位处理。评价修复技术的有效性时,需要分析生成的副产物和造成的地球化学方面的影响等。长期的野外修复技术试验,可以提供必需的资料以满足有效性评价的需要。


一、概 述


黑龙江P62  地下水资源正面临和可能面临的威胁,也是地表水资源面临的威胁,这二者之间具有密切的联系;如果不把地下水和地表水作为一个整体来考虑,而单方面实行强制性的提高水质和水量的措施,那么地表水或地下水所面临的资源压力可能是最为严重的。可以把城市市政污水处理厂(简称MWWTP)的运作和过去工业和商业活动相关的垃圾场的管理进行比较。通常联邦政府会拨款使MWWTP得以改善,州或地方政府在已污染的土地上投资进行“清理”工作,他们只关注地下水污染。而事实上,前期的保护远比后期的修复更为有效。地下水问题是下一代生存的保障,因为大多数人的生存都与这一资源有关。土地、水和空气属于每一个公民。


二、资源和修复政策的发展


  在地表或近地表有大量的水资源,但是只有不足1%可以不经任何处理被人类利用。显然,这些资源必须加以保护并有效利用。人们对已知污染场地优先清理的概念并不像必须保护水资源那样清楚。州和联邦政府的地下水清洁政策和执行情况明显不同。


黑龙江P62  最近,Moran分析了当前修复政策的缺点(Moran,2003)。他指出,修复的要求不严格,导致工作程序混乱、对目标风险分析不完整以及不能将这些风险与其它社会风险综合起来考虑。包括公众在内的主要参与者面对的是令人不尽满意的处理方法和从来不进行详细分析的结果。在某种程度上,制定出协调有效的清洁措施比修复技术的选择和应用要困难的多。


  在本文中,需要假定(也许有一些不现实)政策和预算上都有一定限制,但是通过减少目标风险进行适当的成本或基于风险的清理方法的选择,可以克服这些限制。另一方面,假定新出现的污染物带来的挑战,会推动未来修复政策的进一步发展。无论政策如何发展,都与清理技术的发展密不可分。相对直接的抽取-处理(P/T)方法主要是针对污染羽中挥发性有机物的清除,它考虑了污染源和污染羽的水力控制条件。早期采用的是试验校正“截获区”的处理方法,现在主要采用的是最优化的排水(抽水)方法,随着计算机技术的发展,这两种方法都非常有效。对水文地质条件以及有机污染物和无机污染物混合特征的不断认识,促进了上述技术的发展。


黑龙江P62  以抽水-处理方法为例,由于水力条件的限制,清除的污染物的量是有限的,而且成本相对很高。因此,开始调整修复方法,转向采用被动方法(如监测天然衰减、堵截污染源和污染羽)和基于风险的主动方法(如原位化学或生物处理、喷射冲洗、建立反应格栅等;美国环境保护局,1989,1992;国家科学研究委员会,1994)。但是现在,当处理迁移性/溶解性较强、毒性/致癌作用中等或较强以及与公众利益密切相关的污染物时,仍然会选择P/T系统(Nyer和Bedessem,2003)。在处理以前未被识别的污染物的地下污染羽时也常采用P/T系统。新近识别出来的污染物包括:抗菌剂、高氯酸盐、医药品(如降固醇酸、环氟拉嗪和异丙安替比林等)等。在垃圾填埋场污染羽中检测到这些污染物中的多种组分(Holm等,1995;Heberer等,1997;Scheytt等,2004)。


  不管与国家的修复政策是否一致,未来都会趋向于降低处理成本或改进基于风险的修复措施。这就提出一个问题:未来新的修复技术的发展和应用该何去何从?


三、修复技术未来的应用和发展

 

  毫无疑问,识别污染物、了解场地特征、根据监测和实验建立污染羽模型有助于修复技术的发展和应用。


  有两个问题将会影响到修复技术的发展和应用。第一个是需要确定与水和污染物运移相关的场地水文地质条件,并分析人或环境接触这些物质可能面临的风险。例如,需要研究海水与受污染的地下水的分界面,以建立滨海地区的污染物运移模型。由于污染物浓度随时间和空间变化,因此游泳和休闲娱乐的人群以及盐沼生态系统都可能会接触到这些污染物。这就需要更全面地认识场地特征和相关的水文地质模型。场地的水文地质条件控制着所有修复措施的实施效果。如果这些修复系统能够为参与者和公众接受,就需要首先对系统的预测结果进行很好地统计。


  第二个问题是污染物成分复杂,通常会发生化学或生物反应,形成多种副产物,这样就需要随时间和空间变化选择不同的修复技术。对于非水相流体(NAPL)场地,这一点尤为重要。例如,氯代烯烃通过微生物或零价铁反应格栅发生还原脱氯,如果脱氯不完全的话,会产生副产物氯乙烯,这种物质的毒性要高于母体。这样就需要采用化学氧化或好氧微生物氧化的方法作进一步处理。需要不断更新场地特征的数据,建立更好的水文地质和动力学模型,以保证污染物在还原带或氧化带停留足够的时间,达到处理的目的(Barcelona和Xie,2001;Devlin等,2000)。


(一)修复技术的应用

  在选择修复技术时,需要考虑污染物的性质、运移及其反应产物。毫无疑问,将来还会识别出新的污染物,特别是出现新的人工合成有机物,因此必须确定污水处理厂和地下水(也可能是地表水)流动系统中的代谢产物和分解产物。

  滨海地区城市人口逐年增加,而海水入侵又造成水质下降,因此必须谨慎选择修复技术。从滨海含水层抽取地下水,必须认真规划。经过处理的“淡水”可能会作为饮用水或重新注入地下阻止海水入侵,这一措施已经在加利福尼亚南部实施多年,并获得了巨大的成功。污染物运移,特别是金属污染物(如汞和银等)的运移极大地受氯浓度的影响。例如,当海水入侵滨海含水层时,污染地下水中汞的迁移速度明显加快(Grassi和Netti,2000)。

黑龙江P62  区域水文地质条件对污染物的迁移具有一定的影响。如果将来抽水会影响污染羽的弥散方向和范围,则在当前流动条件下选择合适的修复技术就面临着一定的挑战。在北美许多城市地区,通过更新地下水保护方案,来确定潜在的水力干扰。这些方案描述了与已知污染场地相关的供水井的截获区。

  总之,不同修复技术的应用,实际上是考虑到了污染物和水文地质条件共同作用的复杂性。管理者要与相应的机构进行合作,特别是当遇到混合污染羽或场地之间有明显的水力联系的问题时,必须严格地选择修复技术。


(二)修复技术未来的发展

  目前,主动和被动的修复技术都已经得到了改进,然而,许多技术只是最近才得以应用。其中,修复技术的设计参数如处理能力、抽水率、抽水/注入井的位置和筛管间隔相对比较容易确定。在不利环境条件下,如基岩裂隙含水层,修复技术的应用则存在许多约束条件。尽管如此,专业人员必须继续在处理技术的开发中进行创造性的实践,而且要认识到,所有新的处理技术都要经过反复的试验。

黑龙江P62  以前的工作主要致力于单个或多个原位处理技术的可持续应用能力的研究和开发,并确定技术配置导致的地球化学条件的改变,可能造成的影响和后果。

  可持续技术发展的一个实例,是采用零价铁反应格栅处理混合氯代烃污染羽。在技术应用的早期,需要采取最优化方法控制抽水量。零价铁反应格栅的反应能力不可避免的要下降,因而需要使处理能力得到恢复(Puls等,1999;Wilkin等,2002)。在这种假定条件下,零价铁成本相对较高,需要寻找替代物,或根据主要污染物的浓度、污染源和污染羽来添加活性炭,以刺激微生物脱氯。可持续能力的讨论应当集中在成本有效性、长期性和替代方案的预期成本上(Sarr,2001)。

黑龙江P62  修复技术发展的方向将从两个角度上进行分析。其中包括尽可能减少有毒副产物的形成和影响处理水质的天然化学物质活性的释放。后者关注的内容是,比如当大量的有机质注入到地下水污染羽中,刺激氯代烯烃还原脱氯时,水中原有的砷、铁和锰的活性。在研究处理技术的有效性时,很少分析有毒副产物或可能参加反应的化学元素。


(三)地下水原位处理技术的可持续性

  以成本效率、运行时间和预期替代方案的成本为基础的地下水处理技术的可持续性评价需要几十年的努力。目前最全面的场地评价已经完成,这一工作受到联邦机构(如美国能源部和国防部、美国环境保护局、美国地质调查局等)的长期资助。国防部(DOD)技术示范点和能源部(DOE)示范点的网络化有着非常重要的意义,因为它们是一个能够反映污染物和水文地质条件的“真实世界”,并且有助于进行多角度评价(Parsons,2004)。在各种工业/商业场地会采用不同的处理技术,但是污染物监测数据有限,给技术的选择造成一定影响。不过联邦政府会继续资助处理技术的广泛应用和改进。

  此时若对场地处理技术的可持续性进行分级可能过早。“主动”处理技术例如抽水/重新注入、真空抽水和水相营养物注入技术,与渗透反应格栅或物理隔离技术相比,可持续性较弱。特别是在注入井,载体运移时会不断被生物污染或遇到腐蚀问题。类似地,依赖还原环境的处理技术比那些依赖氧化环境的处理技术的持续性强,这是因为大多数含水层自然的还原能力比氧化能力要强(Barcelona和Holm,1991;Hartog,2003)。

黑龙江P62  根据以上分析,对修复技术的持续性进行了总结(见表1),参照表1中的修复技术,持续性真实地反映了去除或隔离污染物的效果。需要抽水、输入能量或进行监测的技术,不利于将来使用,除非可以开发出有效的去除污染源的技术。


表1 修复技术的持续性总结

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      备注:1:除非采用其它手段控制,否则会发生挥发性气体损失;NA:不适用

  表2列举了地下水污染羽的原位处理技术,从表中可以看出,破坏性的修复技术比非破坏性的技术持续性更强,这是由于前者无需进行恢复和地表处理。评价原位处理技术成本的有效性,需要考虑污染物的性质、水文地质条件、以及是否可以预测或控制污染羽的迁移等。建立渗透性固体反应格栅比不断注入水溶液的持续性强。这是因为原位固体反应物的长期处理能力比阶段性注入水溶液的处理能力更强,而且更容易对其效果进行监测。

  希望找到更多功能各异的更有效的反应物质,从而选择最适用的技术。


四、修复技术的应用效果


  除了成本有效性以外,某项技术是否能有效去除或破坏特定污染物取决于它的应用结果。即使某项技术可以成功地去除主要污染物或分解污染羽中的产物,但是“处理过的水”感观(也就是味觉和嗅觉)较差或有毒性,仍不能作为饮用水的话,那么应用该技术则几乎不能获益。另外,根据主要污染物的去除资料,并不能解决所有问题。化学和生物催化反应都可能产生副产物。事实上,加入化学氧化剂或还原剂的修复技术,可能会改变微生物的活性,也可能改变预测产生的副产物(Xie和Barcelona,2003)。在对这些技术进行可行性测试时,需要考虑含水层的地球化学变化和可能形成的副产物。


(一)含水层的地球化学变化

  在加入氧化剂或还原剂后,含水层的地球化学特征可能会发生明显的变化(见表2)。在采用生物修复技术时,有机化合物(如乳酸盐、乙醇、醋酸、糖蜜等)主要是作为微生物生长的基质同时也作为化学还原剂加入到地下水中。氧化剂可能会起到局部消毒作用,使微生物的催化能力受到影响。


表2 地下水原位修复技术的持续性总结

 l2.png

注:NE,不期望;NA,不适用;PA,可能适用


  加入氧化剂或还原剂后,可能发生的地球化学变化如表3所示。氧化剂或还原剂的加入可能导致金属物质(或非金属,如As)的溶解浓度发生明显的变化。通过采用渗透格栅控制氧化剂或还原剂的释放形式,可以使这些地球化学变化或其它一些感观指标的变化对直接处理区以外的地方的影响减至最小。由于注入井数量有限和水力传导系数分布的问题,通过水相注入系统控制氧化剂或还原剂的用量非常困难(Sudicky,1986;Hyndman等,2000)。无论是采用渗透格栅还是水相注入,都要对含水层的性质、地球化学变化的可逆性(如溶解作用、解吸作用、pH值变化)、污染物的分布和通量进行更加详细的评价,以设计出有效的原位处理系统。


(二)原位修复技术的副产物

  污染物成分复杂导致产生的副产物成分也相应较多。将城市污水或工业污水排入到地下水时,需要特别认真地对处理计划进行评价。由于在这些污水中或其它污染混合物(如喷气燃料)中存在几百种化学组分,因此,想在处理前后分离和确定水样中的化学组分是一件成本很高而且耗时的工作(Kolpin等,2002;Ternes,1998)。在这种情况下,毒性测试或生物测定技术非常有效。例如,Xie和Barcelona(2003)已经报导了喷气燃料的溶解部分在发生化学氧化反应后,会发生生物氧化,从而毒性降低。可溶性喷气燃料混合物的毒性部分是芳香族化合物,主要是少于八个碳原子的苯和甲苯,过氧化氢和高锰酸钾都可以将芳香族化合物氧化,在30天内可以使毒性降低;而使用好氧生物氧化技术则需要6个月的时间。因此,建议在主要化学处理带的外围,采用微生物技术进一步去除和减少毒性。


表3 添加氧化剂或还原剂后含水层可能发生的地球化学变化

l3.png

 注:ORC:释氧化合物;MRC:金属还原化合物


  在相关的研究中,Nomocatcat等(2003)报导了可溶性喷气燃料混合物三甲基苯和四甲基苯的微生物氧化产物,主要是二甲基安息香酸和三甲基安息香酸。以前认为三甲基苯和四甲基苯在地下会抵制微生物氧化作用。作者没有指出苯酚或乙醛的副产物。

  毫无疑问,不久的将来一定会出现其它燃料或污染混合物的原位处理技术,需要进一步研究野外条件下的副产物处理技术。这项工作需要各学科的专家们共同参与到为期2~3年甚至更长的项目中。


五、结  论


  公众对水质的日益关注以及水文地质学家对水资源保护和处理技术的全面认识,将会使得地下水修复政策变得更为有效。为了提高地下水资源的水质和水量,需要将污染羽的修复技术与地表水的处理技术相结合。这对于处理复杂的混合物和以前未能识别出的污染物尤为重要。由于水文地质条件的复杂性,需要采用更为全面的方法来确定场地特征、监测和处理污染物。修复技术将来的发展和应用需要考虑可持续性、含水层的地球化学变化以及副产物的处理问题。总之,需要全面了解不同修复技术的适用性,并在长期的野外实践中积累经验。


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