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| 地下水及土壤污染现场强化生物恢复技术 | |||||
| 作者：苑文颖 丁… 文章来源：《中国给水排水》 点击数： 更新时间：2004-6-16 | |||||
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中图分类号：X523；X53 文献标识码：D 文章编号：1000-4602(2000)07-0046-04 近年来，一种用于治理土壤和地下水污染的现场生物恢复技术逐渐发展起来，并受到越来越 多的重视。现场生物恢复技术是利用处理场地中的细菌和真菌等微生物，使其将有机污染物或其他复杂的合成物通过新陈代谢分解为CO2、CH4、H2O、无机盐及生物基质等，从而达到清除污染物的目的。 生物恢复技术分为自然生物恢复和强化生物恢复。自然生物恢复是处理场地的微生物利用周 围环境中的营养物质和电子受体对污染物降解的过程，其降解速度受到营养物质种类、数量 及电子受体接受电子能力大小和其他物理条件的限制。强化生物恢复技术是通过提供适宜的营养物质、电子受体及改善其他限制生物恢复速度的因素，达到提高生物恢复速度、加速污 染物降解的目的。用于治理土壤和地下水污染的现场强化生物恢复技术主要有生物吹脱法、 土地处理法、空气鼓泡法和液体输送法等。各种技术的实施过程及适用范围不同，目前的进 展状况也有所不同(见表1)。
1 生物吹脱技术 生物吹脱是通过空气压缩机等设备向土壤中注入空气，将原有的空气赶走并为微生物提供氧气，利用细菌等微生物的降解作用来减少土壤污染(见图1)的。
土壤中的许多好氧细菌能利用各种有机物作为食物及能源，其他微生物则产生一些酶，将污染物部分分解，最终达到降解污染物的目的。生物吹脱系统在设计时有时采 用单独的空气注入井（如图1中a所示）；有时和空气回收井共同使用（如图1中b所示）；若 要加快生物降解速度，可以将回收井放在污染最严重的地区，并且采用较低的空气流速（如图1中c所示）。 生物吹脱法是将污染物分解而不是将其转移到其他介质中，因此它的突出特点是不需要尾气 处理装置。在大多数现场处理中，每口井费用为2000～5000美元。若包括空压机、控制器 、电器、设备室、保障设备等，每口井费用则为20000～50000美元。若采取尾气处理工艺，处理费用将由13美元/m3升高到52～78美元/m3。 2 土地处理技术 土地处理是将废物、污泥或污染土壤置于未污染土壤的表面，通过种植作物或翻耕将这些物 质混入土壤，污染物在土壤中经过水解、光解、化学降解、生物降解等作用最终得以去除。 现场土地处理能生物降解有机废物，固定无机废物，并能避免废物的生物累积，以免威胁人 类健康及环境。土地处理系统如图2所示。
土地处理适用于处理以下废物：焦炭汽化及液化产生的废物；食品加工、鞣革、造纸、石油 提炼、木材防腐产生的废物；城市污水及污泥；超基质污泥及污染土壤。此方法在美国、欧洲及加拿大的许多水力和气候条件变化较大的地区都已得到应用。 土地处理的优点如下： ①有机及无机污染物集中处理，而不是简单的处置； ②投资及运行费用低，人工费及维护费低或中等，非常规处置没有长期的不利条件； 土地处理的缺点如下： ①超负荷运转时效果不好，有机及无机污染物会渗漏到土地处理单元下面； ②需要大量土地，必须严格控制挥发性有机物挥发到大气中。 在土地处理设计及操作过程中，有许多参数是非常重要的，只有在充分考虑这些参数的基础 上设计和运行的处理系统才是稳定可靠的。这些参数包括： ①废水特性参数物理组成、pH值、有机物、金属、盐类、营养物质的含量； ②场地因素土壤性质（孔隙率、水分、pH等）、气候条件（温度、沉积情况等）、水力条件（季节性最高水位等）； ③操作因素废物的应用（有机负荷、水力负荷、应用频率、应用方法等）、暴雨时系统 管理、土壤恢复、监测项目（废物特征、土壤、泄漏等）。 通常土壤中微生物及其酶只有在水溶液中才能发挥作用，而有机物的水溶性小，所以给微生 物降解带来困难，因此一些化学结构允许生物降解的有机化合物由于水的限制而降解速度降 低。金属和其他无机化合物能被土壤固定，并不是降解或转移出处理场地。因此，含有重金 属元素的废物(如电镀污泥)，对土地处理来说并不是最好的处理物。对于被烃类污染的废 物和土壤，石油烃类总的去除率为90%～99%，萘、苊、芴等聚合芳香烃类去除率为80%～95%，多环聚合芳香烃类去除率为30%～70%。例如某地6号燃料油泄漏，污染面积为5600hm2，经过6个月的土地处理强化生物恢复措施和3年的自然生物恢复，石油烃类随时间的降解情 况如表2所示。由此可以看出，经过6个月的土地处理后，81%的石油烃类被降解；另外15%的石油烃类需要2年多的时间才能降解。
3 液体输送技术 液体输送处理技术与传统的污水处理有类似之处，电子受体通常是氧气，并加入营养物质以 强化生物反应器中污染物降解过程，但不像污水处理那样是在有限的、容易管理的生物反应 器中进行，而是在无限的、无法预测的生物反应器中进行处理(见图3)。
在污染地区注入压缩空气和营养盐，微生物在含有营养盐的富氧地下水中通过新陈代谢作用 将污染物降解，在地下水流向的下游地区用泵将地下水抽出地面，可以用其溶解营养盐后再 回灌到地下水中，若需要时也可对其进一步进行处理。 液体输送技术的优点如下： ①避免挖掘土方工程； ②可以处理沉积物吸附和夹带的污染物； ③避免污染沉积物的迁移。 液体输送技术的缺点如下： ①对场地有特殊要求（只有在K值大于10-4cm/s的场地才能使用），且土壤中孔隙极易堵住，需要更长的时间处理污染物； ②污染物浓度高时，会阻碍生物恢复的进行； ③产生的地下水不能循环利用，很难得到排放许可。 液体输送技术可处理溶解态污染物和沉积物中夹带的污染物。污染物的类型、数量、范围是决定费用的主要因素。系统设计时应提供足够的氧气和营养物给可降解污染物的微生物，因此氧气的来源将影响处理费用。使用H2O2作氧源比氧气贵得多，但需要在很短时间内处理污染物时，利用H2O2作氧化剂则总费用可能降低。 地下水中原有微生物有利于污染物的降解。微生物的相对数量取决于沉淀特性、污染物的类型和浓度、营养盐。使污染物降解速度最大的无机营养物种类和浓度的研究正在进行，但在营养物添加方案正式提出前，要考虑地面下存在的天然营养物，如氮、磷和微量元素镁和锰。例如某地汽油泄漏，以H2O2作氧源，采用液体输送技术进行处理。15周后注入井周围的石油烃类浓度下降很快，由原来的31mg/L降至5mg/L；35周后周围 地区石油烃类浓度均降至2mg/L以下，表明生物恢复措施已经成功。 4 空气鼓泡技术 空气鼓泡是将空气引入饱和地区，以便将挥发性物质转移到非饱和地区进行生物降解。当空 气在许多通道中向上向外流动时，挥发性物质转移到非饱和地区，被土壤吸附并被微生物降 解。空气注入井通常位于含水层的底部，如图4所示。
饱和地区空气鼓泡处理化合物的机理取决于生物降解的相对容易程度及其从含水层中去除的 相对容易程度。生物降解的程度取决于污染物性质、场地特征及系统的设计。由于含水层土壤条件的差异，进行场地实验并借鉴其他场地的数据来设计安全可靠的生物恢复系统是非 常必要的。由于向饱和地区注入空气可以赶走水，因此可以利用地下水回收系统阻止溶解性 污染物的转移，一部分回收的水可以用于溶解营养盐并回注入水中。地下水回收与再利用的 另一个好处是有利于水在空气通道之间运动，以增加溶解氧在水中的运动。 污染物从含水层中去除的相对容易程度取决于化合物的水溶性、蒸气压和在含水层中的物理 状态（溶解态、自由态、吸附态）。溶解态化合物如果有很低的水溶性和很高的蒸气压，则它们容易被转移。溶解态化合物被转移的趋势与化合物亨利常数有直接关系,亨利常数大于1×10-3m3/moL的化合物转移到气相的趋势很明显。许多亨利系数相对高的化合物(例如苯)，在好氧条件下容易生物降解，但并不能轻易地通过挥发去除掉。 非饱和地区的空气鼓泡需要很高的空气注入速度，以克服地下水的水头压力和表面张力。严格控制空气注入速度以防止挥发物转移到大气中是非常必要的。当处理场地中包含非饱和地 区时，土壤体积和能降解污染物的微生物数量都比饱和地区含有的多。在渗透力很好的非饱 和地区，供给营养物质将比饱和地区容易得多。溶解氧在含水层中的分布通过扩散、空气运 动、地下水运动而实现，在液体输送中，由于空气在水中溶解度低而限制了氧气的传递速率 ，H2O2在水中能部分溶解，常用做氧源。使用H2O2达到的氧气传递速率比通过鼓泡 可能得到的速率要高，并且能成功地使含水层得以生物恢复，但缺点是费用高。在含水层直 接鼓入空气提供了一种有潜力的科技手段，并且比液体输送引入氧的方法有更好的费用—效益值。 用空气鼓泡法引入水中的氧气比其他技术获得的氧气量要大，离空气管道非常近时才有可 能维持溶解氧接近饱和值。采用空气鼓泡的生物恢复系统和使用H2O2作氧源的系统相比，前者注入井的数量很多且间隔很近，许多实践者认为这样做可在饱和地区得到更多的氧气。在完全污染地区的处理过程中，空气鼓泡引入的氧气比依赖污染地区氧传递的方法要好，它可使场地中的许多地点都具有相似的生物恢复速率，与液体输送中生物降解速率随前沿向场地移动的现象相反。 5 费用比较 治理地下水和土壤污染的各种现场强化生物恢复技术的处理费用见表3。
现场强化生物恢复技术是很有发展潜力的技术，随着研究的深入和技术的发展，必将在未来 的水和土壤污染治理中发挥更大的作用。 参考文献： ［1］刘兆昌等地下水系统的污染与控制［M］北京：中国环境科学出版社，1991 作者单位： 苑文颖：北京水环境技术与设备研究中心； 丁庭华：北京市环境保护科学研究院； |
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| 文章录入：ahaoxie 责任编辑：ahaoxie | |||||
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