侯德義

清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京 100084

地下水是我國(guó)重要的戰(zhàn)略資源，我國(guó)約2/3 城市的飲用水和北方地區(qū)65%的生活用水均以地下水為來(lái)源[1]. 然而，我國(guó)地下水質(zhì)量狀況堪憂，2020 年《中國(guó)生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)》顯示全國(guó)范圍內(nèi)約77%的淺層地下水水質(zhì)為Ⅳ類(lèi)及以下[2]. 由于地下水污染具有隱蔽性、持久性和不可逆性，地下水中污染物可在不容易被察覺(jué)的情況下通過(guò)多種暴露方式對(duì)人居安全和飲水安全造成嚴(yán)重威脅.

工業(yè)場(chǎng)地是地下水最主要的污染源[3]，近年來(lái)由工業(yè)場(chǎng)地引起的地下水污染事故頻發(fā). 面對(duì)當(dāng)前嚴(yán)峻的工業(yè)場(chǎng)地地下水污染形勢(shì)和修復(fù)治理需求，2018年由第十三屆全國(guó)人民代表大會(huì)常務(wù)委員會(huì)第五次會(huì)議審議通過(guò)的《土壤污染防治法》和2021 年由國(guó)務(wù)院審議通過(guò)的《地下水管理?xiàng)l例》明確規(guī)定，工業(yè)場(chǎng)地修復(fù)和風(fēng)險(xiǎn)管控應(yīng)當(dāng)包括地下水污染防治內(nèi)容.地下水風(fēng)險(xiǎn)管控和修復(fù)工作日益得到政府和行業(yè)的高度關(guān)注.

與英國(guó)、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)修復(fù)行業(yè)起步較晚，工業(yè)場(chǎng)地的治理尚處于初級(jí)階段，工業(yè)場(chǎng)地地下水風(fēng)險(xiǎn)管控與修復(fù)技術(shù)及其管理體系亟待完善.該文基于我國(guó)工業(yè)場(chǎng)地地下水污染風(fēng)險(xiǎn)管控與修復(fù)現(xiàn)狀，分析了其存在的科學(xué)問(wèn)題和挑戰(zhàn)，并論述了應(yīng)對(duì)當(dāng)前挑戰(zhàn)可能產(chǎn)生技術(shù)突破的發(fā)展機(jī)遇.

1 我國(guó)工業(yè)場(chǎng)地地下水污染現(xiàn)狀

近年來(lái)，由于城市的快速發(fā)展和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，工業(yè)企業(yè)搬遷、設(shè)施老化導(dǎo)致的“跑冒滴漏”、廢棄物品非法處置等原因造成的工業(yè)場(chǎng)地土壤和地下水污染問(wèn)題日益凸顯，對(duì)公眾健康和生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重威脅[3]. 為了應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)重的工業(yè)場(chǎng)地地下水污染問(wèn)題，我國(guó)2018 年發(fā)布的《土壤污染防治法》提出了關(guān)于工業(yè)場(chǎng)地地下水污染防治的相關(guān)要求，2021 年發(fā)布的《地下水管理?xiàng)l例》進(jìn)一步規(guī)定了將地下水污染治理納入工業(yè)場(chǎng)地管理范圍.

我國(guó)工業(yè)場(chǎng)地地下水中污染物分為有機(jī)污染物和無(wú)機(jī)污染物，其中有機(jī)污染物以苯系物、石油烴和氯代烴為主；無(wú)機(jī)污染物中重金屬污染較為突出，如六價(jià)鉻、砷污染等[4]. 我國(guó)地下水污染類(lèi)型受控于工業(yè)產(chǎn)業(yè)類(lèi)型，呈現(xiàn)出地域分區(qū)的特點(diǎn)[5]. 礦產(chǎn)資源豐富的中南、西南地區(qū)，其鋼鐵及有色金屬冶煉等行業(yè)發(fā)達(dá)，重金屬類(lèi)污染較為普遍[5]. 京津冀及江浙滬等沿海地區(qū)則有機(jī)類(lèi)工業(yè)污染場(chǎng)地分布較多[6-7].

對(duì)我國(guó)各省級(jí)生態(tài)環(huán)境廳公布的建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控和修復(fù)名錄(簡(jiǎn)稱(chēng)“省級(jí)名錄”，不含港澳臺(tái)地區(qū)數(shù)據(jù))的統(tǒng)計(jì)分析顯示，874 個(gè)省級(jí)名錄地塊中，僅有6 個(gè)地區(qū)的330 個(gè)名錄地塊統(tǒng)計(jì)了地下水的信息，其中31%的地塊存在地下水污染(見(jiàn)表1).2020 年美國(guó)超級(jí)基金場(chǎng)地修復(fù)統(tǒng)計(jì)報(bào)告顯示，美國(guó)84%的污染場(chǎng)地含有地下水污染，顯著高于我國(guó)污染場(chǎng)地地下水污染比例，其原因可能包括：①我國(guó)對(duì)工業(yè)場(chǎng)地地下水污染的關(guān)注較晚，早期污染場(chǎng)地修復(fù)的實(shí)踐中“治土不治水”的情況較為普遍；②我國(guó)早期土壤和地下水管理分離，地下水污染信息統(tǒng)計(jì)不完善；③由于地區(qū)性差異，我國(guó)北方等局部地區(qū)地下水水位較深，污染主要集中在包氣帶，未在地下水中大量聚集. 此外，修復(fù)完成移出名錄的地塊中，僅有5%的場(chǎng)地完成了地下水修復(fù)工作，遠(yuǎn)低于存在地下水污染的比例(31%)，側(cè)面反映出工業(yè)場(chǎng)地地下水污染修復(fù)存在較大的技術(shù)難度.

表1 我國(guó)省級(jí)名錄的地下水污染信息統(tǒng)計(jì)分析Table 1 The statistics of groundwater pollution information in provincial directory in China

2 地下水風(fēng)險(xiǎn)管控與修復(fù)研究的十大挑戰(zhàn)與機(jī)遇

在過(guò)去40 多年中，隨著環(huán)境修復(fù)行業(yè)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外關(guān)于地下水的研究產(chǎn)出快速增長(zhǎng). 筆者所在團(tuán)隊(duì)于2020 年針對(duì)全球范圍內(nèi)該領(lǐng)域的相關(guān)文獻(xiàn)，使用統(tǒng)計(jì)學(xué)和文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)方法開(kāi)展了相應(yīng)分析，發(fā)現(xiàn)我國(guó)在地下水污染與修復(fù)方面的投入在近年來(lái)也逐步增加[8]. 鑒于近年來(lái)我國(guó)工業(yè)場(chǎng)地污染引發(fā)的地下水環(huán)境污染事件頻發(fā)(如2014 年蘭州自來(lái)水污染事件，2016 年常州外國(guó)語(yǔ)學(xué)校環(huán)境污染事件等)，該文從社會(huì)與科技需求出發(fā)，結(jié)合國(guó)際地下水修復(fù)前沿和國(guó)內(nèi)發(fā)展與管理現(xiàn)狀，提出我國(guó)工業(yè)場(chǎng)地污染地下水風(fēng)險(xiǎn)管控與修復(fù)十大挑戰(zhàn)性問(wèn)題(見(jiàn)圖1).

2.1 地下水修復(fù)與風(fēng)險(xiǎn)管控的綠色可持續(xù)性

已有研究[9-11]發(fā)現(xiàn)，污染場(chǎng)地修復(fù)過(guò)程中由于大量的材料和能源投入，以及廢水、廢氣等污染物排放，存在著較高的負(fù)面環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)影響(即“二次影響”). 若未能制定科學(xué)的修復(fù)目標(biāo)和修復(fù)方案，容易造成二次影響過(guò)高甚至修復(fù)失敗[9-11]. 隨著人們對(duì)綠色可持續(xù)理念的認(rèn)同日益增強(qiáng)，綠色可持續(xù)修復(fù)(green and sustainable remediation, GSR)運(yùn)動(dòng)開(kāi)始興起，并成為近年來(lái)國(guó)際修復(fù)界最重要的進(jìn)展之一[12].GSR 是指“在滿足場(chǎng)地環(huán)境功能、使用功能和風(fēng)險(xiǎn)控制的基礎(chǔ)上，為了減少修復(fù)本身所帶來(lái)的負(fù)面影響，綜合考慮修復(fù)全生命周期內(nèi)的環(huán)境、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)因素，采取使修復(fù)凈效益最大化的方案和措施”. GSR 的核心要素在于減少修復(fù)的二次影響，確保修復(fù)的正面效益大于其負(fù)面影響. 目前，世界范圍內(nèi)眾多的國(guó)家和地區(qū)相繼成立了專(zhuān)業(yè)性組織，如可持續(xù)修復(fù)論壇(sustainable remediation forum, SuRF)等，推動(dòng)GSR 在當(dāng)?shù)氐拈_(kāi)展，GSR 相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范也在不斷地發(fā)布和更新(見(jiàn)圖2).

圖2 綠色可持續(xù)修復(fù)發(fā)展概況Fig.2 The development of green and sustainable remediation

我國(guó)工業(yè)場(chǎng)地地下水修復(fù)和風(fēng)險(xiǎn)管控實(shí)踐過(guò)程中，對(duì)綠色可持續(xù)性關(guān)注不足. 譬如，我國(guó)工業(yè)污染場(chǎng)地由于迫切的再開(kāi)發(fā)需求，80%以上的項(xiàng)目修復(fù)周期在1 年以?xún)?nèi)[13]. 為了實(shí)現(xiàn)地下水污染總量和濃度的快速削減，多采用抽出-處理、原位化學(xué)氧化、止水帷幕+清挖等高強(qiáng)度修復(fù)措施[14]，在修復(fù)方案設(shè)計(jì)方面，對(duì)修復(fù)工程全周期的考慮較為不足，導(dǎo)致目前鮮有高效低耗的地下水修復(fù)案例[15]. 因此，為了實(shí)現(xiàn)綠色可持續(xù)的場(chǎng)地修復(fù)和風(fēng)險(xiǎn)管控，需要綜合評(píng)估不同模式和技術(shù)路線的二次影響，進(jìn)行科學(xué)的修復(fù)和管控方案設(shè)計(jì)[16].

近年來(lái)，基于生命周期評(píng)價(jià)的定量評(píng)價(jià)方法被越來(lái)越多地用于污染場(chǎng)地修復(fù)和風(fēng)險(xiǎn)管控，為方案設(shè)計(jì)提供決策支撐[12]. Higgins 等[17]通過(guò)生命周期評(píng)價(jià)比較了可滲透反應(yīng)墻和抽出-處理用于治理某氯代烴污染場(chǎng)地地下水的環(huán)境影響，結(jié)果表明，當(dāng)修復(fù)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間超過(guò)10 年時(shí)，可滲透反應(yīng)墻的環(huán)境影響更低.Ni 等[18]通過(guò)生命周期評(píng)價(jià)比較了某場(chǎng)地不同供能方式的地下水生物修復(fù)環(huán)境影響，發(fā)現(xiàn)利用地?zé)醿?chǔ)能代替電驅(qū)動(dòng)的加熱方式，修復(fù)碳排放降低了50%.O'Connor 等[19]分析了某沿海地區(qū)氣候變化導(dǎo)致海平面上升對(duì)場(chǎng)地地下水修復(fù)的影響，結(jié)果表明，植物修復(fù)具有韌性，能夠有效降低海平面上升所導(dǎo)致的蒸汽入侵風(fēng)險(xiǎn)，并消除地下水污染物對(duì)地表水的影響. 在當(dāng)前碳達(dá)峰與碳中和的大背景下，污染場(chǎng)地的綠色低碳修復(fù)具有尤其重大的意義[20]. 已有研究大多基于國(guó)外的案例和場(chǎng)景，為了推動(dòng)我國(guó)地下水修復(fù)與風(fēng)險(xiǎn)管控的綠色可持續(xù)性，需要在相關(guān)研究領(lǐng)域取得重要突破.

2.2 污染物及水文地質(zhì)條件的精準(zhǔn)刻畫(huà)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

含水層污染的三維精準(zhǔn)刻畫(huà)是高效低耗修復(fù)的前提條件，其包含對(duì)含水層水文地質(zhì)條件的刻畫(huà)以及對(duì)污染物分布的刻畫(huà). 污染地塊的水文地質(zhì)條件能夠影響地下水的流動(dòng)與污染物的擴(kuò)散遷移情況，其精準(zhǔn)刻畫(huà)對(duì)于修復(fù)和風(fēng)險(xiǎn)管控方法的選擇具有重要意義.同樣，調(diào)查污染物分布是修復(fù)工作的基礎(chǔ)，對(duì)其精準(zhǔn)刻畫(huà)將對(duì)后續(xù)所有工作給予有力的支撐.

在實(shí)際場(chǎng)地調(diào)查治理工作中，往往通過(guò)土孔鉆探和監(jiān)測(cè)井建設(shè)來(lái)對(duì)地層結(jié)構(gòu)和污染物分布進(jìn)行刻畫(huà).然而，含水層的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在空間上存在著多種不同地層. 由于污染物具有吸附、揮發(fā)、擴(kuò)散等多種遷移特性，其空間分布上也具有較大差異.同時(shí)，在調(diào)查過(guò)程中，由于土孔和監(jiān)測(cè)井?dāng)?shù)量有限以及取樣方法的局限性，很難對(duì)整個(gè)場(chǎng)地進(jìn)行精準(zhǔn)刻畫(huà). 上述情況均可能導(dǎo)致地層分布劃分不準(zhǔn)、污染分布調(diào)查不清，進(jìn)而導(dǎo)致在后續(xù)的修復(fù)過(guò)程中無(wú)法有效清除污染源. 美國(guó)密歇根州Velsicol 化工廠修復(fù)項(xiàng)目于1980 年代開(kāi)展場(chǎng)地調(diào)查與修復(fù)時(shí)，未發(fā)現(xiàn)表面黏土層存在的高度斷裂與場(chǎng)地地下由市政水井導(dǎo)致形成的半承壓含水層，致使污染地下水在雨水滲透與承壓水水頭的影響下穿過(guò)了最初設(shè)置的泥漿墻，進(jìn)而遷移至附近的河域；1990 年代初，該化工廠附近河域內(nèi)沉積物與魚(yú)類(lèi)生物積累DDT 大量超標(biāo)，對(duì)周邊居民的身體健康造成較大影響，迫使美國(guó)環(huán)境保護(hù)局采取巨額的補(bǔ)救措施進(jìn)行后續(xù)修復(fù)工作[21].

目前，我國(guó)典型項(xiàng)目對(duì)污染物及水文地質(zhì)條件的刻畫(huà)同樣存在較大不足. 針對(duì)這一現(xiàn)狀，需要進(jìn)一步通過(guò)科學(xué)合理的研究進(jìn)行解決：①需要對(duì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)和取樣方法進(jìn)行優(yōu)化[22]，在傳統(tǒng)的網(wǎng)格布點(diǎn)基礎(chǔ)上，根據(jù)前期資料收集、人員訪談等信息的分析結(jié)果，在潛在污染源附近進(jìn)行布點(diǎn)，盡可能在有限的成本下捕捉更多的信息. ②需要對(duì)采樣指標(biāo)及其檢測(cè)方法進(jìn)行規(guī)范和優(yōu)化，并對(duì)目前部分行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范的可操作性進(jìn)行提升. ③在檢測(cè)過(guò)程中，對(duì)于非常規(guī)污染物也需要加強(qiáng)檢測(cè)，完善風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的方法，通過(guò)多元數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法的應(yīng)用輔助刻畫(huà)污染物的分布. ④對(duì)于物探方法也需要進(jìn)一步研究，通過(guò)研發(fā)更加精細(xì)的物探方法，進(jìn)而有效刻畫(huà)場(chǎng)地的水文地質(zhì)條件. ⑤需要將理論模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相互驗(yàn)證并且建立完整的決策支撐系統(tǒng)，進(jìn)一步對(duì)污染物及水文地質(zhì)條件精準(zhǔn)刻畫(huà)，從而高效地支持后續(xù)工作.

2.3 水土協(xié)同治理

土壤與地下水在生態(tài)功能上密不可分. 土壤污染物通過(guò)滲濾、擴(kuò)散等作用進(jìn)入地下水，而地下水中污染物通過(guò)擴(kuò)散、毛細(xì)吸附等作用進(jìn)入土壤[23](見(jiàn)圖3[24]). 因此，在污染場(chǎng)地修復(fù)過(guò)程中，若只對(duì)土壤或地下水進(jìn)行治理，可能會(huì)因?yàn)槲廴疚镌谕寥琅c地下水間的相互遷移而造成二次污染. 然而由于歷史原因，在我國(guó)很多實(shí)際污染場(chǎng)地調(diào)查與修復(fù)過(guò)程中，通常重點(diǎn)關(guān)注土壤污染而忽略地下水污染. 另外，在地下水污染調(diào)查治理過(guò)程中，涉及施工技術(shù)限制、成本昂貴等問(wèn)題，也增加了其工作難度.

圖3 土壤與地下水間污染物相互傳輸?shù)母拍钅Ｐ蚚24]Fig.3 Conceptual model of contaminant transport between soil and groundwater[24]

2021 年11 月2 日，中共中央、國(guó)務(wù)院印發(fā)《關(guān)于深入打好污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)的意見(jiàn)》，提出“強(qiáng)化地下水污染協(xié)同防治”的要求，體現(xiàn)了“水土協(xié)同治理”的發(fā)展趨勢(shì). 針對(duì)我國(guó)地下水生態(tài)環(huán)境保護(hù)整體基礎(chǔ)薄弱的問(wèn)題，結(jié)合土壤和地下水污染的現(xiàn)狀，對(duì)未來(lái)水土協(xié)同治理提出科學(xué)性的研發(fā)需求：首先，需要明確各類(lèi)污染物在包氣帶中的遷移規(guī)律，根據(jù)污染物性質(zhì)、污染程度及地層結(jié)構(gòu)等實(shí)際情況，建立并優(yōu)化遷移模型，深度分析場(chǎng)地內(nèi)污染物的遷移轉(zhuǎn)化特征[25-26]；其次，為了實(shí)現(xiàn)高效的可持續(xù)性修復(fù)，需準(zhǔn)確評(píng)估污染修復(fù)對(duì)環(huán)境的影響[27]，在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)需要考慮和分析土壤地下水中污染物的遷移趨勢(shì)，進(jìn)而針對(duì)修復(fù)技術(shù)的長(zhǎng)效性進(jìn)行可行性分析；最后，修復(fù)技術(shù)的有效應(yīng)用實(shí)踐是“水土協(xié)同治理”的關(guān)鍵，針對(duì)不同污染場(chǎng)地狀況，結(jié)合現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外常用的修復(fù)方法[28]，耦合與優(yōu)化現(xiàn)有的污染土壤與地下水治理修復(fù)技術(shù)[12]，進(jìn)一步解決技術(shù)與成本問(wèn)題.

2.4 低滲透地層及透鏡體的反向擴(kuò)散

當(dāng)?shù)叵滤艿轿廴竞?，污染物隨著地下水流動(dòng)將首先進(jìn)入高滲透區(qū)域，并與低滲透區(qū)域之間產(chǎn)生濃度梯度；隨后，污染物通過(guò)擴(kuò)散進(jìn)入低滲透區(qū)域，并在其內(nèi)部積累(正向擴(kuò)散). 當(dāng)污染物進(jìn)一步向下游區(qū)域遷移或?qū)Φ叵滤M(jìn)行修復(fù)時(shí)，高滲透區(qū)域的污染物濃度將減少，此時(shí)濃度梯度逆轉(zhuǎn)，低滲透區(qū)域中積累的污染物將重新釋放進(jìn)入高滲透區(qū)域中，這種現(xiàn)象稱(chēng)為反向擴(kuò)散(back diffusion)[29]，如圖4(a)[30]所示.

圖4 低滲透區(qū)域污染物反向擴(kuò)散過(guò)程及其工程影響[30]Fig.4 Back diffusion of pollutants in low permeability area and its influence on remediation[30]

反向擴(kuò)散是目前全世界地下水污染場(chǎng)地管理所面臨的最大技術(shù)挑戰(zhàn)之一[31]. 受到污染的低滲透區(qū)域(如低滲透地層與透鏡體)是活躍的、持久的次級(jí)污染源[32]，能夠持續(xù)向地下水中釋放污染物，造成污染長(zhǎng)期存在于地下水中. 因此，對(duì)于多種常用的修復(fù)方法(如抽出-處理[31]、微生物好氧修復(fù)[33]、原位氧化[34]等)，反向擴(kuò)散將影響其修復(fù)效率，延長(zhǎng)其修復(fù)時(shí)間. 此外，透鏡體“污染源”的地下位置難以確定，也進(jìn)一步增加了修復(fù)工作的難度[31]. 反向擴(kuò)散的影響因素包括低滲透區(qū)域的幾何形狀、滯留因子、地下水流速以及非均質(zhì)含水層中滲透系數(shù)級(jí)差等[35]. 針對(duì)反向擴(kuò)散重點(diǎn)需要突破的方向包括研發(fā)精確的溯源與定位技術(shù)，精準(zhǔn)判斷低滲透地層及透鏡體的位置，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究定量分析與模擬方法，為原位修復(fù)和風(fēng)險(xiǎn)管控長(zhǎng)期監(jiān)管提供支撐.

2.5 原位氧化和生物修復(fù)過(guò)程中的有毒副產(chǎn)物生成

原位化學(xué)氧化(ISCO)和生物修復(fù)是土壤與地下水修復(fù)的重要手段，具有對(duì)場(chǎng)地?cái)_動(dòng)小、成本低等優(yōu)點(diǎn)[36]，但這兩種修復(fù)技術(shù)在修復(fù)過(guò)程中可能產(chǎn)生有毒副產(chǎn)物，對(duì)地下水造成二次污染. 相關(guān)研究表明，有毒副產(chǎn)物的來(lái)源主要是場(chǎng)地中預(yù)先存在的重金屬經(jīng)氧化還原反應(yīng)或受pH 影響導(dǎo)致的形態(tài)變化[37]，以及有機(jī)物的不完全降解[3]. 例如，原位化學(xué)氧化過(guò)程中生成六價(jià)鉻等高毒性次生污染物，生物修復(fù)過(guò)程中四氯乙烯或三氯乙烯厭氧生物脫氯生成毒性更高的氯乙烯等. 根據(jù)副產(chǎn)物類(lèi)型與常見(jiàn)的原位化學(xué)氧化和生物修復(fù)的技術(shù)類(lèi)別，將國(guó)內(nèi)外實(shí)際修復(fù)工程中檢測(cè)到的有毒副產(chǎn)物進(jìn)行了總結(jié)(見(jiàn)表2).

表2 地下水典型污染物的有毒副產(chǎn)物Table 2 Toxic by-products formed by groundwater remediation

根據(jù)調(diào)查，部分發(fā)達(dá)國(guó)家已展開(kāi)了針對(duì)有毒副產(chǎn)物的管控，如US EPA 在系列技術(shù)指南中明確要求，對(duì)修復(fù)過(guò)程中產(chǎn)生的有毒副產(chǎn)物進(jìn)行檢測(cè)與監(jiān)管[41].但目前，我國(guó)土壤與地下水修復(fù)的相關(guān)技術(shù)指南中，僅《污染地塊地下水修復(fù)和風(fēng)險(xiǎn)管控技術(shù)導(dǎo)則》(HJ 25.6-2019)提出了含氯有機(jī)物的降解產(chǎn)物具有一定的毒性風(fēng)險(xiǎn)，且未明確對(duì)潛在有毒副產(chǎn)物的監(jiān)測(cè)與控制措施. 因此，需進(jìn)一步展開(kāi)研究：①分析原位修復(fù)過(guò)程中污染物降解產(chǎn)物的毒性，并制定相應(yīng)的監(jiān)測(cè)方法；②探究有毒副產(chǎn)物的產(chǎn)生受pH、氧化還原電位等因素影響的具體機(jī)理；③針對(duì)我國(guó)特定的場(chǎng)地特性和水文地質(zhì)條件，構(gòu)建實(shí)際工程中針對(duì)原位氧化與生物修復(fù)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)與有毒副產(chǎn)物的預(yù)警方法.

2.6 物理分離技術(shù)的拖尾

拖尾現(xiàn)象是指在修復(fù)系統(tǒng)運(yùn)行初期，地下水污染物會(huì)呈現(xiàn)明顯的去除效果，隨著修復(fù)系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行，污染物的去除速率逐漸降低，導(dǎo)致污染物濃度趨向于水平漸近線〔見(jiàn)圖4(b)〕[30]. 拖尾是在使用氣相抽提、地下水抽出處理等將污染物進(jìn)行物理分離后處置的技術(shù)中經(jīng)常遇到的技術(shù)挑戰(zhàn)，在國(guó)內(nèi)外的修復(fù)工程中均有發(fā)生. 拖尾現(xiàn)象的本質(zhì)是污染物在相間的非平衡態(tài)遷移[42]，即污染物在氣相、液相、固相中的某一相中富集，導(dǎo)致污染物存在持續(xù)跨界傳質(zhì)，其發(fā)生主要?dú)w因于地層的非均質(zhì)性[43]、污染物解吸及NAPL 溶解[44]. 研究[45]發(fā)現(xiàn)，含水層中存在大量的有機(jī)質(zhì)可有效吸附污染物，從而導(dǎo)致更長(zhǎng)時(shí)間的低速率拖尾現(xiàn)象. 此外，對(duì)含水層介質(zhì)的研究[42]發(fā)現(xiàn)，在有低滲透單元的含水層中，后期污染物的釋放主要由擴(kuò)散和吸附控制，無(wú)論含水層內(nèi)部介質(zhì)之間的滲透性差異如何，吸附能力的較大差異都將導(dǎo)致拖尾的產(chǎn)生. 單純?cè)黾映槿〉叵滤髁績(jī)H能促進(jìn)低滲透區(qū)外部污染物的清除，而對(duì)內(nèi)部污染物的擴(kuò)散影響甚微. 因此，加速污染物向水相的溶解是解決拖尾問(wèn)題的關(guān)鍵. 如使用表面活性劑增強(qiáng)修復(fù)等強(qiáng)化手段，將有利于污染物的相對(duì)快速釋放[46]；同時(shí)，抽提策略的優(yōu)化組合也有待后續(xù)深入研究，以達(dá)到縮短修復(fù)時(shí)間的目的[47].

2.7 地下水修復(fù)中的污染物反彈

污染物反彈是指在修復(fù)治理中污染物濃度大幅降低并達(dá)到修復(fù)標(biāo)準(zhǔn)，但在停止修復(fù)后污染物濃度再次增加并重新超過(guò)修復(fù)標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)象[48]〔見(jiàn)圖4(c)〕[30].污染物反彈將為原位修復(fù)和風(fēng)險(xiǎn)管控方式(如原位化學(xué)氧化、原位生物強(qiáng)化等)的達(dá)標(biāo)帶來(lái)障礙. 在修復(fù)過(guò)程中造成反彈效應(yīng)的原因主要是：污染物會(huì)通過(guò)擴(kuò)散、吸附等物理化學(xué)作用被低滲透地層中的細(xì)顆粒所捕獲，當(dāng)?shù)叵滤形廴疚锝?jīng)修復(fù)后濃度降低，被捕獲污染物開(kāi)始發(fā)生反向擴(kuò)散，造成污染物反彈[49].Mcguire 等[50]評(píng)估了采用不同修復(fù)技術(shù)的59 個(gè)氯代溶劑污染場(chǎng)地的修復(fù)效果，分析發(fā)現(xiàn)，雖然修復(fù)使污染物濃度下降了70%～96%，但在停止修復(fù)后，并沒(méi)有場(chǎng)地能達(dá)到最大污染限值標(biāo)準(zhǔn). 其中，在實(shí)施化學(xué)氧化的場(chǎng)地反彈現(xiàn)象最為普遍，而表面活性劑/助溶劑和熱處理修復(fù)在處理后監(jiān)測(cè)期間(1 年以上)濃度變化最小. 因此，如何對(duì)地層和污染分布進(jìn)行精準(zhǔn)刻畫(huà)，進(jìn)而識(shí)別可能的“反彈來(lái)源”，以及如何利用模型等手段對(duì)污染物的遷移修復(fù)過(guò)程進(jìn)行精準(zhǔn)模擬，進(jìn)而對(duì)污染進(jìn)行有針對(duì)性的修復(fù)，減少“反彈”過(guò)程，是當(dāng)前面臨的重大挑戰(zhàn). 同時(shí)，通過(guò)開(kāi)發(fā)與完善修復(fù)方法，可以有效改善污染物反彈現(xiàn)象. 現(xiàn)有研究[51]證明，高效的控釋/緩釋材料可能是未來(lái)解決污染物濃度反彈的有效手段，該材料能夠緩慢長(zhǎng)時(shí)間地釋放其活性物質(zhì)，以維持修復(fù)的長(zhǎng)效持久性. 另外，我國(guó)目前實(shí)行的《污染地塊地下水修復(fù)和風(fēng)險(xiǎn)管控技術(shù)導(dǎo)則》(HJ 25.6-2019)要求地下水修復(fù)后需經(jīng)過(guò)1～2 年的后期監(jiān)測(cè)，方可確認(rèn)修復(fù)效果達(dá)標(biāo). 這一要求的緣由和修復(fù)中污染物反彈息息相關(guān). 根據(jù)歐美等國(guó)家的修復(fù)工程經(jīng)驗(yàn)，兩年的監(jiān)測(cè)時(shí)間并不算長(zhǎng)，但是目前國(guó)內(nèi)修復(fù)行業(yè)由于業(yè)主支付方式等問(wèn)題，從業(yè)單位在應(yīng)對(duì)兩年的后期監(jiān)測(cè)和地下水修復(fù)反彈等問(wèn)題時(shí)仍存在很大的困難.從行業(yè)發(fā)展的角度來(lái)看，需要進(jìn)行相關(guān)的科學(xué)研究，加強(qiáng)從技術(shù)到管理的銜接，解決這一行業(yè)痛點(diǎn)問(wèn)題.

2.8 大型復(fù)雜污染場(chǎng)地的治理與管控

大型復(fù)雜污染場(chǎng)地是指場(chǎng)地規(guī)模大、污染情況復(fù)雜的污染場(chǎng)地[52]. 大型復(fù)雜污染場(chǎng)地的土壤和地下水污染空間異質(zhì)性較強(qiáng)[53]，因此對(duì)其場(chǎng)地調(diào)查與修復(fù)治理提出了更高的要求. 較一般場(chǎng)地而言，治理大型復(fù)雜場(chǎng)地所需時(shí)間更長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)成本更高，其造成的環(huán)境影響更為廣泛[21]，是目前國(guó)內(nèi)外地下水修復(fù)領(lǐng)域的難點(diǎn). 以澳大利亞某大型復(fù)雜工業(yè)場(chǎng)地[21]為例，1960年代該工廠的化學(xué)原料倉(cāng)庫(kù)遭受火災(zāi)，致使超過(guò)100 t的氯化碳?xì)浠衔镝尫胚M(jìn)入當(dāng)?shù)赝寥琅c地下水；2007 年起，該場(chǎng)地使用空氣擾動(dòng)/氣相抽提(AS/SVE)技術(shù)進(jìn)行修復(fù)，以限制地下水中氯代烴的遷移；但后期監(jiān)測(cè)中發(fā)現(xiàn)，由于場(chǎng)地地層的復(fù)雜性，AS/SVE 反而導(dǎo)致原始DNAPL 區(qū)域一分為二，存在60%的污染物繞過(guò)空氣擾動(dòng)的影響范圍繼續(xù)遷移；經(jīng)過(guò)更嚴(yán)密的調(diào)查與中試試驗(yàn)后，該場(chǎng)地于2014 年改為使用增強(qiáng)原位生物修復(fù)(EISB)技術(shù)進(jìn)行更進(jìn)一步的原位修復(fù)，目前已修復(fù)約80%的氯代烴污染.

場(chǎng)地調(diào)查方面，地下管線、裂隙或局部高滲透性介質(zhì)形成的優(yōu)先通道問(wèn)題在大型復(fù)雜污染場(chǎng)地中尤為突出，導(dǎo)致場(chǎng)地內(nèi)污染物的空間分布難以被準(zhǔn)確刻畫(huà)；場(chǎng)地含水層間的補(bǔ)給、地下水與地表水間的補(bǔ)給、地下水位波動(dòng)等對(duì)污染物的遷移也有著顯著影響[54-55]. 修復(fù)技術(shù)方面，場(chǎng)地異質(zhì)性和污染復(fù)雜性可能導(dǎo)致地下不均一的生物地球化學(xué)條件，甚至高鹽度、高堿度的極端地層環(huán)境，都會(huì)使污染物化學(xué)氧化還原或生物降解的效率下降，極大增加了治理的難度. 污染物間的復(fù)合，如石化場(chǎng)地中同時(shí)存在苯系物和氯代烴污染，二者具有不同的遷移特性(LNAPL 和DNAPL)和反應(yīng)條件(氧化和還原)，使用單一的修復(fù)技術(shù)難以有效應(yīng)對(duì). 由于大型復(fù)雜污染場(chǎng)地治理時(shí)間較長(zhǎng)，實(shí)際修復(fù)工程所面臨的挑戰(zhàn)更為明顯[21]，如氣候變化對(duì)修復(fù)運(yùn)行造成的挑戰(zhàn)，海平面上升可造成植物修復(fù)系統(tǒng)的失效(見(jiàn)圖5[19]). 此外，修復(fù)系統(tǒng)在冬季寒冷條件下運(yùn)行，往往需要更高的運(yùn)營(yíng)管理水平，局部地區(qū)冬季出現(xiàn)的凍土現(xiàn)象也導(dǎo)致鉆探、挖掘的施工困難；雨季的極端暴雨甚至可能使修復(fù)系統(tǒng)失效. 針對(duì)大型復(fù)雜污染場(chǎng)地的治理，需要加強(qiáng)在污染調(diào)查上的投入，實(shí)現(xiàn)精細(xì)的污染三維空間刻畫(huà)；技術(shù)上需要研究耦合生物處理與化學(xué)處理等的處理序列(treatment train)方法；治理策略上需要研究修復(fù)與風(fēng)險(xiǎn)管控相結(jié)合，分區(qū)分級(jí)治理的技術(shù)體系.

圖5 大型復(fù)雜系統(tǒng)中植物修復(fù)系統(tǒng)的長(zhǎng)效性[19]Fig.5 Long-term performance of phytoremediation systems in large complex sites[19]

2.9 巖溶裂隙水污染遷移與風(fēng)險(xiǎn)管控方法

喀斯特地貌(巖溶區(qū)域)占據(jù)我國(guó)1/3 的面積[56]，其地下水系統(tǒng)具有易污染難修復(fù)的特點(diǎn)[57]，在我國(guó)尤其受到關(guān)注. 在巖溶裂隙地下水區(qū)域，地表水、降雨和地下水緊密相連. 與土壤孔隙介質(zhì)相比，地表徑流可以直接通過(guò)下沉孔洞裂隙快速流入巖溶地下區(qū)域，因而其地下水系統(tǒng)更易受人類(lèi)農(nóng)業(yè)和工業(yè)活動(dòng)的影響[58]. 當(dāng)?shù)叵滤晃廴竞螅湫迯?fù)也比其他水文環(huán)境更具挑戰(zhàn)性. 由于難以確定所有優(yōu)先流的路徑，傳統(tǒng)的抽出-處理技術(shù)往往難以在巖溶地下水中使用[59].同時(shí)巖石基質(zhì)到滲透性裂縫的漫長(zhǎng)反擴(kuò)散，也將導(dǎo)致污染含水層極難修復(fù)[60]. 針對(duì)巖溶地下水污染，目前主要應(yīng)用的修復(fù)技術(shù)包括原位熱處理、原位化學(xué)氧化和原位生物修復(fù)技術(shù). 但這些技術(shù)無(wú)法精確識(shí)別管道通路，無(wú)法精確刻畫(huà)污染分布范圍，地下水流動(dòng)過(guò)快依然限制了巖溶裂隙地下水修復(fù)的效率[61-62]. 此外，減少暴露途徑同樣可以作為一種巖溶裂隙水污染風(fēng)險(xiǎn)管控的方法，但其通常需要長(zhǎng)期的操作和較高的維護(hù)成本[61]. 為克服以上困難，建議深入開(kāi)展以下工作：①進(jìn)一步完善場(chǎng)地尺度的裂隙水遷移理論，對(duì)巖溶裂隙結(jié)構(gòu)刻畫(huà)、地下水流動(dòng)以及污染物的遷移規(guī)律展開(kāi)深入研究，進(jìn)而指導(dǎo)場(chǎng)地的調(diào)查與管控過(guò)程；②完善巖溶裂隙場(chǎng)地調(diào)查方法，提高調(diào)查的完整性、精確性與經(jīng)濟(jì)性，精細(xì)刻畫(huà)巖溶裂隙場(chǎng)地概念模型；③結(jié)合模擬與污染物源匯理論，開(kāi)發(fā)針對(duì)巖溶裂隙場(chǎng)地的風(fēng)險(xiǎn)管控方法，提升處置巖溶裂隙場(chǎng)地污染的系統(tǒng)性與科學(xué)性.

2.10 地下水中新污染物

近年來(lái)，地下水中新污染物在全世界范圍內(nèi)受到廣泛關(guān)注. 新污染物是指由人類(lèi)活動(dòng)造成的、目前已明確存在但尚無(wú)法律法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)予以規(guī)定或規(guī)定不完善、危害生活和生態(tài)環(huán)境的污染物[63]. 雖然新污染物在地下水中的檢測(cè)濃度較低，但由于我國(guó)大部分地區(qū)均以地下水作為飲用水源，新污染物仍可能對(duì)居民飲水健康安全造成嚴(yán)重威脅[64]. 地下水中的新污染物主要包括PFAS 等全氟化合物、抗生素、微塑料等[65].在全氟化合物中，全氟辛烷磺酸(PFOS)和全氟辛酸(PFOA)因其易生物累積、環(huán)境抗性、對(duì)多種生物的潛在毒性等特點(diǎn)而受到關(guān)注. 對(duì)于抗生素，有研究發(fā)現(xiàn)，喀斯特地下水中存在大量藥物污染，其化合物的最大濃度變化超過(guò)5 個(gè)數(shù)量級(jí)，近一半檢測(cè)到的化合物濃度超過(guò)100 ng/L[66]，存在較高的風(fēng)險(xiǎn). 此外，微塑料(粒徑＜5 mm)這種新興的難降解污染物在地下水中也廣泛受到關(guān)注. 有研究指出，每年存在于陸地環(huán)境中的微塑料質(zhì)量可能超過(guò)40×104t，地表和地下水體是微塑料的重要聚集儲(chǔ)層[67]. 并且，微塑料除能夠在多孔介質(zhì)中進(jìn)行垂直運(yùn)移外，因其化學(xué)結(jié)構(gòu)和具有較高的表面體積比，其在水生系統(tǒng)中能夠運(yùn)輸疏水有機(jī)化學(xué)品和抗生素等，可能會(huì)加劇地下水污染[68]. 目前，我國(guó)對(duì)地下水新污染物的研究正在逐步興起，但很多問(wèn)題亟待解決. 需要重點(diǎn)攻克的難題包括新污染物的源匯途徑、空間分布、健康與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)以及高效低耗的防治技術(shù)等.

3 結(jié)論與展望

a) 通過(guò)對(duì)地下水領(lǐng)域文獻(xiàn)以及實(shí)際修復(fù)工程的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，我國(guó)工業(yè)場(chǎng)地地下水污染問(wèn)題突出. 為了貫徹落實(shí)《土壤污染防治法》與《地下水管理?xiàng)l例》，工業(yè)污染場(chǎng)地地下水污染治理仍面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn).該研究總結(jié)了工業(yè)場(chǎng)地地下水污染治理的十大科技挑戰(zhàn)：地下水修復(fù)與風(fēng)險(xiǎn)管控的綠色可持續(xù)性，污染物及水文地質(zhì)條件的精準(zhǔn)刻畫(huà)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，水土協(xié)同治理，低滲透地層及透鏡體的反向擴(kuò)散，原位氧化和生物修復(fù)過(guò)程中的有毒副產(chǎn)物生成，物理分離技術(shù)的拖尾，地下水修復(fù)中的污染物反彈，大型復(fù)雜污染場(chǎng)地的治理與管控，巖溶裂隙水污染遷移與風(fēng)險(xiǎn)管控方法，以及地下水中新污染物.

b) 針對(duì)工業(yè)場(chǎng)地地下水污染修復(fù)和風(fēng)險(xiǎn)管控面臨的巨大挑戰(zhàn)，需要從污染物釋放遷移機(jī)理、污染調(diào)查與監(jiān)測(cè)方法、修復(fù)與管控技術(shù)工藝與材料以及綠色可持續(xù)應(yīng)用等方面進(jìn)行深入研究，為進(jìn)一步完善我國(guó)工業(yè)場(chǎng)地地下水污染修復(fù)和風(fēng)險(xiǎn)管控技術(shù)及其管理體系提供支撐. 機(jī)理研究方面，應(yīng)結(jié)合理論、模型和實(shí)地觀測(cè)，加強(qiáng)對(duì)各類(lèi)污染物的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律研究，如污染物在包氣帶的遷移模擬以及特定水文地質(zhì)條件下(如裂隙水)污染物的遷移研究. 污染調(diào)查與監(jiān)測(cè)方面，應(yīng)在現(xiàn)有的場(chǎng)地調(diào)查技術(shù)體系基礎(chǔ)上優(yōu)化地下水取樣方法及監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)布設(shè)方法，加強(qiáng)土壤氣監(jiān)測(cè)、數(shù)值模型在場(chǎng)地地下水污染調(diào)查中的應(yīng)用，研發(fā)地下水污染精準(zhǔn)溯源與定位技術(shù)，完善長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)和預(yù)警體系. 技術(shù)工藝與材料研發(fā)方面，應(yīng)充分認(rèn)識(shí)地下水修復(fù)“宜慢不宜快”的特點(diǎn)，推動(dòng)低耗長(zhǎng)效修復(fù)技術(shù)與綠色修復(fù)材料的研發(fā)與應(yīng)用，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的耦合、優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)水土協(xié)同修復(fù). 最后，在綠色可持續(xù)應(yīng)用方面，應(yīng)完善可持續(xù)性評(píng)價(jià)方法與指標(biāo)體系，從全生命周期角度評(píng)估地下水污染修復(fù)和風(fēng)險(xiǎn)管控的二次影響，通過(guò)定量或半定量的評(píng)估方法優(yōu)選綜合效益最佳的修復(fù)和風(fēng)險(xiǎn)管控技術(shù)路線.