突發(fā)性重金屬污染地下水應急處理技術(shù)研究進展
??? 廉新穎，王鶴立，漆靜嫻，孫慧超
??? (中國地質(zhì)大學(北京)水資源與環(huán)境學院，北京100083)
??? 摘 要：地下水重金屬污染已成為人們?nèi)找骊P(guān)注的環(huán)境問題。目前的修復技術(shù)主要有原位修復和異位修復兩類。由于突發(fā)性重金屬污染事件有一定的不可預見性和不可控制性，對于原位修復，一定要重視污染現(xiàn)場研究，以便將實驗室研究更好地應用到實際中。由于異位修復能夠直接、快速、高效地去除重金屬污染物，因此比較適用于修復突發(fā)性重金屬污染地下水。而聯(lián)合運用多種技術(shù)進行集成將成為突發(fā)性重金屬污染地下水應急處理技術(shù)的發(fā)展方向。
??? 關(guān)鍵詞：地下水；重金屬污染；異位修復；原位修復
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??? 近年來我國經(jīng)濟社會快速發(fā)展，環(huán)境污染事件頻繁發(fā)生，特別是爆炸、泄露、偷排等重大環(huán)境污染事件產(chǎn)生的高強度重金屬地下水污染，對人民健康、生態(tài)環(huán)境及社會安全構(gòu)成了嚴重威脅。因此突發(fā)性重金屬污染地下水的應急快速修復技術(shù)成為當前我國亟待解決的技術(shù)難點之一。
??? 目前典型的重金屬污染地下水修復技術(shù)主要有異位修復技術(shù)和原位修復技術(shù)兩類。其中異位修復技術(shù)主要是抽出處理法，原位修復技術(shù)則包括滲透反應格柵、地下帷幕阻隔與水力控制及電動處理技術(shù)。
??? 1 異位修復技術(shù)
??? 抽出處理法是目前是應用最廣泛、成熟程度最高的異位修復技術(shù)。
??? 該方法是在地下水水流路徑上、污染物移動的前端打1個或多個抽水井，從抽水井中抽取被污染的地下水，然后運輸?shù)轿鬯幚韽S等地上處理裝置進行污水處理。為了不影響地下水的補給和可能帶來的地面沉降等問題，一般需要再打1個或多個注水井進行回灌，回灌所用的水一般用處理場處理過的水(稱作凈化水)。其運行示意圖如圖1所示。抽出處理系統(tǒng)中設(shè)計合適的井群系統(tǒng)，使其形成包含整個地下水污染羽狀體的截獲區(qū)非常關(guān)鍵，以便把己污染的地下水全部抽出來。截獲區(qū)的形狀是地下水流速、抽水量及含水層滲透性的函數(shù)。P&T技術(shù)是最早使用的地下水修復技術(shù)，據(jù)美國環(huán)保局統(tǒng)計[11，在1982-2002年，P&T技術(shù)的使用比例高達68％，遠遠超過其它修復技術(shù)。因其能夠直接從污染場地去除污染物，對于突發(fā)性或高強度的污染，在快速處理方面具有明顯效果和優(yōu)勢。
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??? 從污染水中去除重金屬的現(xiàn)有技術(shù)主要有：氫氧化物沉淀法，產(chǎn)生含有氫氧化物的重金屬。無機離子沉淀法，采用硫酸鹽或硫化物等沉淀劑，生成含有硫化物的重金屬，如徐彥賓等[2】用硫化鈉作沉淀劑，常溫常壓下沉淀富集Ni、Cu、Co，在合適條件下Ni、Cu、Co的回收率均大于99％。但是在硫化沉淀中硫化物需投加過量以滿足重金屬離子全部沉淀，易造成二次污染0無機或有機吸收／吸附劑法，包括離子交換、自然有機吸收劑、活性炭、生物膜等，重金屬被吸收到吸收劑的表面或表面內(nèi)部。早在20世紀7O年代，T L Coulthard等人就研究使用以一種Hat Creek吸附某些礦山煤礦的含鉛廢水[ ；還有研究表明，施用水合氧化錳 、磷灰?guī)r 可促進鉛的沉淀，減少上壤中可溶態(tài)和可提取態(tài)鉛的含量，Vidic和Pohland用已將這一技術(shù)運用于地下水的修復。電化學方法，主要為電解，重金屬通過電流在電極表面產(chǎn)生沉淀。膠結(jié)作用法，污染水中重金屬在金屬表面產(chǎn)生沉淀；膜分離法，包括電滲析、反滲透、納濾、超濾和微濾， 側(cè)聚集重金屬并在膜的另一側(cè)產(chǎn)生高質(zhì)量出水，應用膜技術(shù)在選擇適當?shù)念A處理方法，可將水體中的重金屬離子處理到0．1 mg·L 以下同。溶解性萃取法，使用與水層不相混的有機溶劑從水層巾萃取重金屬。
??? 國內(nèi)外很多專題文獻中都討論了重金屬去除過程的工程學問題以及他們的優(yōu)缺點 ：氫氧化物沉淀方法簡單，可以產(chǎn)生足夠低的重金屬濃度而被』、一泛使用；
??? 吸附／吸收作用過程簡單，但并不能總是提供充分的選擇性，其尾液需進‘步處理；電化學方法、膜分離技術(shù)和溶劑萃取總是被應用于冶金制造等工業(yè)行業(yè)中，而不適用于相對稀釋的大量污染地下水。在突發(fā)性地下水重金屬污染事件中，根本消除其危害須使其重金屬濃度迅速降低到微克每升的水平(環(huán)境本底值水平)，現(xiàn)有技術(shù)由于其局限性和成本較高而難以被接受。此外，大流量的污染水處理會產(chǎn)生高濃度混合重金屬污泥，只有當污泥僅含單一重金屬時才有回收的可能，因此很難經(jīng)濟有效地從這些污泥中回收重金屬，而易產(chǎn)生二次污染。從處理效果來看，硫化物沉淀去除重金屬與氫氧化物沉淀相比，可以更為有效地達到很低度，且不受污染水中螯合劑的干擾，這是因為金屬硫化物比相應的金屬氫氧化物具有更低的溶解度。
??? 2 原位修復技術(shù)
??? 2．1 滲透反應格柵
??? 滲透反應格柵(PRB)是目前用于原位去除污染體系中污染組分的方法之一。該技術(shù)于20世紀90年代由加拿大滑鐵盧大學Gillim教授提出，即在污染源下游垂直于地下水流方向開挖溝槽，充填活性材料，與流經(jīng)的污染地下水反應，使污染物得到處理。早在1989年，加拿大滑鐵盧大學就通過大量的試驗，成功地進行了該方法原位處理污染地下水的現(xiàn)場演示。迄今為止，該方法在歐美等國已進行了大量的工程研究及實驗研究，并已開始商業(yè)應用[Ⅷ。在PRB技術(shù)中，活性材料的選擇至關(guān)重要，不僅影響反應的時間和速度，而且影響治理的效果和反應格柵所使用的時問。用于反應的充填介質(zhì)包括零價鐵、微生物、活性炭、泥炭、蒙脫石、石灰、鋸屑或其它物質(zhì)。日前，活性滲濾墻體最常用的材料是零價鐵
??? (Fe。)， 其能有效吸附和降解多種重金屬，且取材容易、價格便宜，得到了廣泛的重視和實際應用Ill一12]。
??? Lien等【13]通過室內(nèi)土柱實驗表明，F(xiàn)eo可以通過表面氧化作用去除As ，去除率大約為7．5 mg·g—Fe~。杜連柱等【J4]模擬地下環(huán)境實驗也表明以Feo為主要活性填充介質(zhì)的PRB技術(shù)對治理地下水中Cd2+、As3 、Pb 和Cr6．等重金屬離l子去除率均達到98％以上，總錳和Fe 的去除率分別在66％和49％以上。美國北卡羅來納州Elizabeth海岸警衛(wèi)飛機場污染點Cr6+污染嚴重，采用鐵屑作為活性材料構(gòu)建連續(xù)型透水性反應墻，結(jié)果顯示Cr6I質(zhì)量濃度由10．000 mg·L-I降為0．010 mg·L一，成功修復了被污染的地下7K【一51。除Feo以外，也有研究將磷灰石作為反應介質(zhì)去除重金屬。如Jame L Conca等【，q將磷酸鹽誘導金屬穩(wěn)定法應用于PRB中處理高濃度含Pb、Zn、Cd、Cu和SO42 的地下水，反應媒介為一種源自魚骨生物沉淀的磷灰石Ⅱ，該磷灰石II可穩(wěn)定很多金屬，尤其是Pb、U、Cd、Zn、Cu和A1。這種穩(wěn)定功效來自于生成的金屬磷灰石極低的溶度積，這意味著磷灰石II將會在環(huán)境中持續(xù)很長時間而不引起磷酸鹽過量。
??? 總之，PRB技術(shù)作為一種原位修復技術(shù)，具有持續(xù)原位處理多種污染物，處理效果好，無需外加動力，節(jié)省地面空間，比抽取處理技術(shù)更為經(jīng)濟、便捷等優(yōu)點。不過該技術(shù)本身也存在一些問題。首先，PRB不可能保證把“污染斑塊”中擴散出來的污染物完全按處理的要求予以攔截和捕捉；其次，隨著有毒金屬、鹽和生物活性物質(zhì)在PRB中不斷地沉積和積累，PRB會逐漸失去活性，所以需要定期地更換反應介質(zhì)，并將其作為有害廢棄物加以處置。諸如這些問題還需要做進 步研究，使PRB技術(shù)得到更廣泛的推廣應用。
??? 2．2 電動原位修復技術(shù)
??? 電動原位修復技術(shù)是近十年才興起的一種新型修復技術(shù)，具有簡單、快捷、低耗、無二次污染等特點，是 種綠色的修復方法。該技術(shù)基本原理是將電極插入受污染土壤或地下水區(qū)域，通過旌加微弱電流形成電場， 利用電場產(chǎn)生的各種電動力學效應(包括電滲析、電遷移和電泳等)驅(qū)動土壤與地下水中的污染物沿電場方向定向遷移，從而將污染物富集至電極區(qū)然后進行集中處理或分離 。
??? 到目前為止，已有美國、加拿大、德國、荷蘭、日本等國家和地區(qū)開展該技術(shù)的研究與應用。Acar等 在陰極用鹽酸，在陽極用氫氧化鈣作去極化劑來提高電動力學的效率，但存在的問題是加入的去極化劑廉新穎等，突發(fā)性重金屬污染地下水應急處理技術(shù)研究進展會不會在土壤中形成二次污染物，當外加入不合適的去極化劑反而會使污染問題更嚴重。R L agemant 9】對Pb和Cu污染的泥炭土就地進行了現(xiàn)場研究。原土壤中的Pb和Cu質(zhì)量分數(shù)分別為300～1 000mg·kg 和500 1 000 mg·kg～，動電試驗面積為70mx3 m，每天通電10 h，43 d后，發(fā)現(xiàn)Pb的去除率達70％，Cu的去除率達80％，能耗為65 kWh·m。。國內(nèi)也開始利用動電技術(shù)對重金屬污染場地的修復研究，如周東美等[20-2 】在實驗室條件下，對黃棕壤中Cro的電動修復作了較為深入的研究。在控制陰極液酸度條件下，研究施加不同電壓對鉻污染黃棕壤中鉻的電動過程的影響。結(jié)果顯示，施加20 V電壓處理獲得了較好的鉻去除率和較低的能耗，576 h后土壤中總鉻和Cr6+的去除率分別達到41．11％和77．17％。另外，添加絡(luò)合劑和控制陰極池溶液酸度也會影響Cr6．的去除。他們還用該技術(shù)對銅污染的紅壤修復作了中試研究 。王業(yè)耀和孟凡生 也對Cr6+污染土壤的電動修復作了實驗室研究，實驗結(jié)果表明，電動修復可以有效去除高嶺土中存在的Cr6*，最高去除效率可達97．8％；用蒸餾水沖洗和醋酸中和陰極電解產(chǎn)生的OH’，可以提高鉻的去除效率。