張海斌

(陜西中圣環(huán)境科技發(fā)展有限公司，陜西西安710054)

淺談地下水污染的生物修復(fù)技術(shù)

張海斌

(陜西中圣環(huán)境科技發(fā)展有限公司，陜西西安710054)

針對地下水污染對環(huán)境尤其是對人類自身的嚴重危害。以往常見的治理方法主要是隔離法、泵提法、吸附法、化學(xué)柵欄法、電化學(xué)法等，采用生物修復(fù)技術(shù)與上述方法相比，具有獨特的優(yōu)勢。由于地下水深埋于地下，生物修復(fù)技術(shù)的實施一般應(yīng)結(jié)合污染的具體情況，采取不同的方法。

生物修復(fù);地下水;污染;技術(shù)

地下水污染問題相當復(fù)雜，這是由多方面原因造成的，其中包括:污染物的腐爛，受污染水體運動的影響，土壤喪失降低污染物濃度或除去特殊污染物的能力，污染水流體積形態(tài)的復(fù)雜性及其他一些因素。西方發(fā)達國家在20世紀30－40年代曾出現(xiàn)過導(dǎo)致污染的一系列問題，而我國在上世紀50年代污染事件就已日趨突出，那時所滲入地下的污染物絕大部分仍殘留在含水層或土壤中，隨著時間推移污染物將沿著水平和垂直方向擴散，越來越明顯地影響地表和地下水體［1］。對現(xiàn)存的污染問題，最通常的辦法都是在發(fā)現(xiàn)地下水污染造成的嚴重后果后才采取補救措施，才被迫去調(diào)查分析污染的原因，隨后再減少或停止污染物的排放，終止那些將污染物不斷帶入地下水系統(tǒng)的活動。

1 地下水污染凈化的基本方法

如果及早實行預(yù)防措施，許多類型的地下水污染可以完全被控制。地下水含水層在自然界的分布是有限的，尤其是在城市。工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地附近的含水層對該地區(qū)的居民生活和生產(chǎn)都密切相關(guān)，這些含水層可能是當?shù)匚ㄒ坏墓┧畞碓?。在沒有其他水源可代替的情況下，如何挽救被污染的含水層使其再生，是目前水資源保護的一項迫切而艱巨的任務(wù)，一些方法已在實驗室中完成并逐步推廣到實際應(yīng)用中來。污染地下水的凈化有三種基本方法，收容、清除、生物修復(fù)方法。收容的辦法是防止已受污染的含水層中水質(zhì)繼續(xù)惡化，擴散到有水力聯(lián)系的其他含水層或地表水體。這類方法包括消除污染源、襯砌廢水坑或修筑暗壩以阻止污染物遷移。然而在大面積“三廢”造成危害的地方或水質(zhì)極度惡化的含水層中，就不得不采用第二種方法從地下含水層中除去污染物，包括抽水凈化、化學(xué)處理、生物分解、活性炭吸附、電解法等。

2 地下水污染的生物修復(fù)技術(shù)要點

2.1 收集區(qū)域水文地質(zhì)等資料

地下水生物修復(fù)的成功很大程度上取決于該區(qū)域的水文地質(zhì)狀況，如果該地區(qū)水文地質(zhì)比較復(fù)雜，則難度就比較大，而且生物修復(fù)數(shù)據(jù)結(jié)果的可靠性較小。許多區(qū)域的水文地質(zhì)在生物修復(fù)時可能與以前調(diào)查時已經(jīng)有所改變，所以以前的資料并不可靠，這樣也增加了生物修復(fù)難度。此外，地下的土壤環(huán)境必須具有良好的滲透性以使得加入的N、P和O2能順利地傳遞到各個被污染區(qū)域的微生物群落，這種水的運動特性，即水傳導(dǎo)性，往往是生物修復(fù)成功的關(guān)鍵［2］。

2.2 添加適量營養(yǎng)鹽

在地下水生物修復(fù)的工作開展前，首先要通過實驗室試驗確定加入到地下水中的最適營養(yǎng)鹽量，以避免添加營養(yǎng)鹽時過多或過少。營養(yǎng)鹽加入過少會使得生物轉(zhuǎn)化遲緩。而過多則會由于生成生物量太多而堵塞蓄水層，從而使得生物修復(fù)中止。通常微生物處于理想活性狀態(tài)所需的營養(yǎng)物有3種:N、P和O2，它們是地下水中土著微生物群落活性的限制因子。N、P營養(yǎng)鹽一般溶解在地下水中循環(huán)通過污染區(qū)域，普遍使用的方法是將營養(yǎng)鹽溶液通過深井注入到地下水飽和區(qū)域或通過滲透渠道加入到地下水不飽和區(qū)域和表層土壤中［3］。地下水由取水井抽出，并在該水中補加營養(yǎng)鹽繼續(xù)循環(huán)。水中營養(yǎng)鹽和污染物的濃度經(jīng)常需取樣測定。取樣點設(shè)定在注入井和抽出井之間。在其他一些處理中，也有將地下水抽出后不采取循環(huán)而在地面進行處理的。

2.3 維持好氧微生物活性

典型的快速生物降解是由好氧微生物進行，因此必須維持這類微生物的活性。在地下水生物修復(fù)中的主要問題是即使在最佳條件下，地下水中的O2含量也極少且自然復(fù)氧速度極慢，雖然在生物修復(fù)中可以外加O2，但O2在水中溶解度很小，難以保證水中好氧微生物的良好生長。例如，生物降解4 000 L泄漏的烴類需要5 000 kg O2，這就必須泵人大量的與空氣混合的水(O2濃度不超過8 mg/L)使其通過蓄水層，即使泵入的水用純氧代替空氣(O2濃度不超過40 mg/L)，也需要近1.1×104m3的水通過蓄水層。因此，常常采用其他手段來提供氧的需要，目前用的較多的方法是在營養(yǎng)鹽溶液中加入H2O2作為O2的來源，H2O2在水中溶解度很大并能夠在蓄水層中緩慢分解釋放出自由的O2。但是，要注意的是H2O2在濃度達到100～200 mg/L時對某些微生物有毒性，減少或避免H2O2毒性的方法是在開始加入時采用較低的濃度，約50 mg/L，然后逐步提高濃度，最后可達到1 000 mg/L。

2.4 其他方法的輔助作用

除上述方法以外，需要指出的一點是，以前常用物理方法來去除游離的油類和烴類，如果排除這些物理方法孤立地使用生物修復(fù)的方法，則其實際應(yīng)用的意義也將大大減小，因為污染源不首先用物理方法切斷的話，仍會源源不斷地將新的污染物輸入地下水中，從而加大生物修復(fù)的負荷甚至使生物修復(fù)中止［4］。雖然存在一些實際的困難，但是地下水生物修復(fù)技術(shù)已經(jīng)在許多地區(qū)成功地去除了大量污染物。例如，一個被乙烯乙二醇污染的區(qū)域在處理26 d后污染物濃度去除到低于檢測限。在一個用PCP處理木材的區(qū)域的生物修復(fù)中，上層10 m的土壤中的PCP被降解94%以上。有報道表明，在生物修復(fù)區(qū)域的微生物群落即使在處理結(jié)束兩年以后還可以保持較高活性。從這個角度而言，生物修復(fù)是具有較為持久的效果的。

3 地下水污染的生物修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用

最簡單的清除污染物的方法是利用已有的供水井或排水溝渠，把污染水抽出或排放到地面進行處理，然后再重新注入含水層。生物修復(fù)技術(shù)主要是利用自然環(huán)境中生長的微生物或投加的特定微生物，在人為促進工程化條件下，分解污染物，以此修復(fù)受污染的環(huán)境。除此之外，常見的治理方法還有隔離法、泵提法、吸附法、化學(xué)柵欄法、電化學(xué)法等，生物修復(fù)方法與上述方法相比，具有獨特的優(yōu)勢?？傊?，治理被污染的地下水含水層是比較困難的，許多方法尚處在探索階段，需在今后的理論領(lǐng)域內(nèi)繼續(xù)研究，同時在技術(shù)上不斷創(chuàng)新和提高。

3.1 生物注射法

亦稱空氣注射法，它是在傳統(tǒng)氣提技術(shù)的基礎(chǔ)上加以改進形成的新技術(shù)，主要是將加壓后的空氣注射到污染地下水的下部，氣流加速地下水和土壤中有機物的揮發(fā)和降解，如圖1所示。

圖1 地下水的注射井法生物修復(fù)示意圖

這種方法主要是抽提、通氣并用，并通過增加及延長停留時間以促進生物降解，提高修復(fù)效率。以前的生物修復(fù)利用封閉式地下水循環(huán)系統(tǒng)往往氧氣供應(yīng)不足，而生物注射法提供了大量的空氣以補充溶解氧，從而促進生物的降解作用。Michael等人利用這一方法對污染地下水進行了修復(fù)，結(jié)果表明，生物注射大量空氣，有利于將溶解于地下水中的污染物吸附于氣相中，從而加速其揮發(fā)和降解。營養(yǎng)物質(zhì)最佳加入量需要通過試驗確定，以避免營養(yǎng)鹽加入過多或過少。營養(yǎng)鹽過少，導(dǎo)致生物轉(zhuǎn)化速率較慢。營養(yǎng)鹽過多，則生物量劇增，導(dǎo)致含水層堵塞，生物修復(fù)作用停止。保證生物最佳活性的三種營養(yǎng)源是氮、磷及溶解氧。它們是限制土著微生物活性的因素。含氮、磷的鹽類溶解在地下水中并在污染區(qū)域內(nèi)循環(huán)。加入營養(yǎng)鹽的方法是將營養(yǎng)液通過注射井注入飽和含水層，目前還可以采用入滲渠加入到不飽和含水層或表面土層，即生物滴濾池法，如圖2所示，也可以從取水井將水抽出，并在其中加入營養(yǎng)物質(zhì)，然后從注射井注入含水層，形成循環(huán)。

圖2 利用生物滴濾池進行地下水修復(fù)

歐洲從20世紀80年代中期開始使用這一技術(shù)，并取得了相當?shù)某晒?。當然這項技術(shù)，并取得了相當?shù)某晒?。當然這項技術(shù)的使用會受場所的限制，它只適用于土壤氣提技術(shù)可行的場所，同時生物注射法的效果變受到巖相學(xué)和土層學(xué)的影響，空氣在進入非飽和帶之前應(yīng)盡可能遠離粗孔層，避免影響污染區(qū)域，另外它在處理黏土層方面效果不理想。

3.2 有機黏土法

目前又發(fā)展了一種新的原位處理污染地下水的方法，利用人工合成的有機黏土有效去除有毒化合物。帶正電荷的有機修飾物、陽離子表面活性劑通過化學(xué)鍵鍵合到帶負電荷的黏土表面上合成有機黏土，黏土的表面活性劑可以將有毒化合物吸附到黏土上從而去除或進行生物降解。密西根州立大學(xué)的Boyd博士專門從事了這一方面的研究，他認為有機黏土可以擴大土壤和含水層的吸附容量，從而加強原位生物降解。

3.3 抽提地下水系統(tǒng)和回注系統(tǒng)相結(jié)合法

這個系統(tǒng)主要是將抽提地下水系統(tǒng)和回注系統(tǒng)(注人空氣或H202、營養(yǎng)物和已馴化的微生物)結(jié)合起來，促進有機污染物的生物降解。Smallbeek、DonaldR等人在加利福尼亞洲的研究表明，采用此系統(tǒng)修復(fù)污染的環(huán)境，生物降解明顯得到促進，這個系統(tǒng)既可節(jié)約處理費用，又縮短了處理時間，無疑是一種行之有效的方法。

3.4 生物反應(yīng)器法

生物反應(yīng)器的處理方法是上述方法的改進，就是將地下水抽提到地上部分用生物反應(yīng)器加以處理的過程。這種處理方法包括四個步驟，自然形成一閉路循環(huán)。這四個步驟是:①將污染地下水抽提至地面;②在地面生物反應(yīng)器內(nèi)對其進行好氧降解，生物反應(yīng)器在運轉(zhuǎn)過程中要補充營養(yǎng)物和氧氣;③處理后的地下水通過滲灌系統(tǒng)回灌到土壤內(nèi);④在回灌過程中加入營養(yǎng)物和已馴化的微生物，并注入氧氣，使生物降解過程在土壤及地下水層內(nèi)亦得到加速進行。生物反應(yīng)器法不但可以作為一種實際的處理技術(shù)，也可用于研究生物降解速率及修復(fù)模型。近年來，生物反應(yīng)器的種類得到了較大的發(fā)展。連泵式生物反應(yīng)器、連續(xù)循環(huán)升流床反應(yīng)器、泥漿生物反應(yīng)器等在修復(fù)污染的地下水方面已初見成效。

［1］民貴民，徐光良主編.生物技術(shù)導(dǎo)論［M］.中國環(huán)境科學(xué)出版社.2006.8.

［2］張彥浩，劉建廣.中空纖維膜生物反應(yīng)器去除地下水中硝酸鹽的效能［J］.中國給水排水.2011(06):92.

［3］王建龍，文湘華編著.現(xiàn)代環(huán)境生物技術(shù)［M］.清華大學(xué)出版社.2008(9):102.

［4］夏四清，楊昕.利用氫基質(zhì)生物膜反應(yīng)器去除地下水中的 Cr(Ⅵ)，同濟大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2010(09):115.

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1004－1184(2012)03－0092－02

2012－01－16

張海斌(1978－)，男，陜西興平人，工程師，主要從事環(huán)境影響評價工作。