突发性重金属污染地下水应急处理技术研究进展
    廉新颖，王鹤立，漆静娴，孙慧超
    (中国地质大学(北京)水资源与环境学院，北京100083)
    摘 要：地下水重金属污染已成为人们日益关注的环境问题。目前的修复技术主要有原位修复和异位修复两类。由于突发性重金属污染事件有一定的不可预见性和不可控制性，对于原位修复，一定要重视污染现场研究，以便将实验室研究更好地应用到实际中。由于异位修复能够直接、快速、高效地去除重金属污染物，因此比较适用于修复突发性重金属污染地下水。而联合运用多种技术进行集成将成为突发性重金属污染地下水应急处理技术的发展方向。
    关键词：地下水；重金属污染；异位修复；原位修复
   
    近年来我国经济社会快速发展，环境污染事件频繁发生，特别是爆炸、泄露、偷排等重大环境污染事件产生的高强度重金属地下水污染，对人民健康、生态环境及社会安全构成了严重威胁。因此突发性重金属污染地下水的应急快速修复技术成为当前我国亟待解决的技术难点之一。
    目前典型的重金属污染地下水修复技术主要有异位修复技术和原位修复技术两类。其中异位修复技术主要是抽出处理法，原位修复技术则包括渗透反应格栅、地下帷幕阻隔与水力控制及电动处理技术。
    1 异位修复技术
    抽出处理法是目前是应用最广泛、成熟程度最高的异位修复技术。
    该方法是在地下水水流路径上、污染物移动的前端打1个或多个抽水井，从抽水井中抽取被污染的地下水，然后运输到污水处理厂等地上处理装置进行污水处理。为了不影响地下水的补给和可能带来的地面沉降等问题，一般需要再打1个或多个注水井进行回灌，回灌所用的水一般用处理场处理过的水(称作净化水)。其运行示意图如图1所示。抽出处理系统中设计合适的井群系统，使其形成包含整个地下水污染羽状体的截获区非常关键，以便把己污染的地下水全部抽出来。截获区的形状是地下水流速、抽水量及含水层渗透性的函数。P&T技术是最早使用的地下水修复技术，据美国环保局统计[11，在1982-2002年，P&T技术的使用比例高达68％，远远超过其它修复技术。因其能够直接从污染场地去除污染物，对于突发性或高强度的污染，在快速处理方面具有明显效果和优势。
   
    从污染水中去除重金属的现有技术主要有：氢氧化物沉淀法，产生含有氢氧化物的重金属。无机离子沉淀法，采用硫酸盐或硫化物等沉淀剂，生成含有硫化物的重金属，如徐彦宾等[2】用硫化钠作沉淀剂，常温常压下沉淀富集Ni、Cu、Co，在合适条件下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过量以满足重金属离子全部沉淀，易造成二次污染0无机或有机吸收／吸附剂法，包括离子交换、自然有机吸收剂、活性炭、生物膜等，重金属被吸收到吸收剂的表面或表面内部。早在20世纪7O年代，T L Coulthard等人就研究使用以一种Hat Creek吸附某些矿山煤矿的含铅废水[ ；还有研究表明，施用水合氧化锰 、磷灰岩 可促进铅的沉淀，减少上壤中可溶态和可提取态铅的含量，Vidic和Pohland用已将这一技术运用于地下水的修复。电化学方法，主要为电解，重金属通过电流在电极表面产生沉淀。胶结作用法，污染水中重金属在金属表面产生沉淀；膜分离法，包括电渗析、反渗透、纳滤、超滤和微滤， 侧聚集重金属并在膜的另一侧产生高质量出水，应用膜技术在选择适当的预处理方法，可将水体中的重金属离子处理到0．1 mg·L 以下同。溶解性萃取法，使用与水层不相混的有机溶剂从水层巾萃取重金属。
    国内外很多专题文献中都讨论了重金属去除过程的工程学问题以及他们的优缺点 ：氢氧化物沉淀方法简单，可以产生足够低的重金属浓度而被』、一泛使用；
    吸附／吸收作用过程简单，但并不能总是提供充分的选择性，其尾液需进‘步处理；电化学方法、膜分离技术和溶剂萃取总是被应用于冶金制造等工业行业中，而不适用于相对稀释的大量污染地下水。在突发性地下水重金属污染事件中，根本消除其危害须使其重金属浓度迅速降低到微克每升的水平(环境本底值水平)，现有技术由于其局限性和成本较高而难以被接受。此外，大流量的污染水处理会产生高浓度混合重金属污泥，只有当污泥仅含单一重金属时才有回收的可能，因此很难经济有效地从这些污泥中回收重金属，而易产生二次污染。从处理效果来看，硫化物沉淀去除重金属与氢氧化物沉淀相比，可以更为有效地达到很低度，且不受污染水中螯合剂的干扰，这是因为金属硫化物比相应的金属氢氧化物具有更低的溶解度。
    2 原位修复技术
    2．1 渗透反应格栅
    渗透反应格栅(PRB)是目前用于原位去除污染体系中污染组分的方法之一。该技术于20世纪90年代由加拿大滑铁卢大学Gillim教授提出，即在污染源下游垂直于地下水流方向开挖沟槽，充填活性材料，与流经的污染地下水反应，使污染物得到处理。早在1989年，加拿大滑铁卢大学就通过大量的试验，成功地进行了该方法原位处理污染地下水的现场演示。迄今为止，该方法在欧美等国已进行了大量的工程研究及实验研究，并已开始商业应用[Ⅷ。在PRB技术中，活性材料的选择至关重要，不仅影响反应的时间和速度，而且影响治理的效果和反应格栅所使用的时问。用于反应的充填介质包括零价铁、微生物、活性炭、泥炭、蒙脱石、石灰、锯屑或其它物质。日前，活性渗滤墙体最常用的材料是零价铁
    (Fe。)， 其能有效吸附和降解多种重金属，且取材容易、价格便宜，得到了广泛的重视和实际应用Ill一12]。
    Lien等【13]通过室内土柱实验表明，Feo可以通过表面氧化作用去除As ，去除率大约为7．5 mg·g—Fe~。杜连柱等【J4]模拟地下环境实验也表明以Feo为主要活性填充介质的PRB技术对治理地下水中Cd2+、As3 、Pb 和Cr6．等重金属离l子去除率均达到98％以上，总锰和Fe 的去除率分别在66％和49％以上。美国北卡罗来纳州Elizabeth海岸警卫飞机场污染点Cr6+污染严重，采用铁屑作为活性材料构建连续型透水性反应墙，结果显示Cr6I质量浓度由10．000 mg·L-I降为0．010 mg·L一，成功修复了被污染的地下7K【一51。除Feo以外，也有研究将磷灰石作为反应介质去除重金属。如Jame L Conca等【，q将磷酸盐诱导金属稳定法应用于PRB中处理高浓度含Pb、Zn、Cd、Cu和SO42 的地下水，反应媒介为一种源自鱼骨生物沉淀的磷灰石Ⅱ，该磷灰石II可稳定很多金属，尤其是Pb、U、Cd、Zn、Cu和A1。这种稳定功效来自于生成的金属磷灰石极低的溶度积，这意味着磷灰石II将会在环境中持续很长时间而不引起磷酸盐过量。
    总之，PRB技术作为一种原位修复技术，具有持续原位处理多种污染物，处理效果好，无需外加动力，节省地面空间，比抽取处理技术更为经济、便捷等优点。不过该技术本身也存在一些问题。首先，PRB不可能保证把“污染斑块”中扩散出来的污染物完全按处理的要求予以拦截和捕捉；其次，随着有毒金属、盐和生物活性物质在PRB中不断地沉积和积累，PRB会逐渐失去活性，所以需要定期地更换反应介质，并将其作为有害废弃物加以处置。诸如这些问题还需要做进 步研究，使PRB技术得到更广泛的推广应用。
    2．2 电动原位修复技术
    电动原位修复技术是近十年才兴起的一种新型修复技术，具有简单、快捷、低耗、无二次污染等特点，是 种绿色的修复方法。该技术基本原理是将电极插入受污染土壤或地下水区域，通过旌加微弱电流形成电场， 利用电场产生的各种电动力学效应(包括电渗析、电迁移和电泳等)驱动土壤与地下水中的污染物沿电场方向定向迁移，从而将污染物富集至电极区然后进行集中处理或分离 。
    到目前为止，已有美国、加拿大、德国、荷兰、日本等国家和地区开展该技术的研究与应用。Acar等 在阴极用盐酸，在阳极用氢氧化钙作去极化剂来提高电动力学的效率，但存在的问题是加入的去极化剂廉新颖等，突发性重金属污染地下水应急处理技术研究进展会不会在土壤中形成二次污染物，当外加入不合适的去极化剂反而会使污染问题更严重。R L agemant 9】对Pb和Cu污染的泥炭土就地进行了现场研究。原土壤中的Pb和Cu质量分数分别为300～1 000mg·kg 和500 1 000 mg·kg～，动电试验面积为70mx3 m，每天通电10 h，43 d后，发现Pb的去除率达70％，Cu的去除率达80％，能耗为65 kWh·m。。国内也开始利用动电技术对重金属污染场地的修复研究，如周东美等[20-2 】在实验室条件下，对黄棕壤中Cro的电动修复作了较为深入的研究。在控制阴极液酸度条件下，研究施加不同电压对铬污染黄棕壤中铬的电动过程的影响。结果显示，施加20 V电压处理获得了较好的铬去除率和较低的能耗，576 h后土壤中总铬和Cr6+的去除率分别达到41．11％和77．17％。另外，添加络合剂和控制阴极池溶液酸度也会影响Cr6．的去除。他们还用该技术对铜污染的红壤修复作了中试研究 。王业耀和孟凡生 也对Cr6+污染土壤的电动修复作了实验室研究，实验结果表明，电动修复可以有效去除高岭土中存在的Cr6*，最高去除效率可达97．8％；用蒸馏水冲洗和醋酸中和阴极电解产生的OH’，可以提高铬的去除效率。