浅谈地下水污染的生物修复技术

张海斌

(陕西中圣环境科技发展有限公司，陕西西安710054)

浅谈地下水污染的生物修复技术

张海斌

(陕西中圣环境科技发展有限公司，陕西西安710054)

针对地下水污染对环境尤其是对人类自身的严重危害。以往常见的治理方法主要是隔离法、泵提法、吸附法、化学栅栏法、电化学法等，采用生物修复技术与上述方法相比，具有独特的优势。由于地下水深埋于地下，生物修复技术的实施一般应结合污染的具体情况，采取不同的方法。

生物修复;地下水;污染;技术

地下水污染问题相当复杂，这是由多方面原因造成的，其中包括:污染物的腐烂，受污染水体运动的影响，土壤丧失降低污染物浓度或除去特殊污染物的能力，污染水流体积形态的复杂性及其他一些因素。西方发达国家在20世纪30－40年代曾出现过导致污染的一系列问题，而我国在上世纪50年代污染事件就已日趋突出，那时所渗入地下的污染物绝大部分仍残留在含水层或土壤中，随着时间推移污染物将沿着水平和垂直方向扩散，越来越明显地影响地表和地下水体［1］。对现存的污染问题，最通常的办法都是在发现地下水污染造成的严重后果后才采取补救措施，才被迫去调查分析污染的原因，随后再减少或停止污染物的排放，终止那些将污染物不断带入地下水系统的活动。

1 地下水污染净化的基本方法

如果及早实行预防措施，许多类型的地下水污染可以完全被控制。地下水含水层在自然界的分布是有限的，尤其是在城市。工农业生产基地附近的含水层对该地区的居民生活和生产都密切相关，这些含水层可能是当地唯一的供水来源。在没有其他水源可代替的情况下，如何挽救被污染的含水层使其再生，是目前水资源保护的一项迫切而艰巨的任务，一些方法已在实验室中完成并逐步推广到实际应用中来。污染地下水的净化有三种基本方法，收容、清除、生物修复方法。收容的办法是防止已受污染的含水层中水质继续恶化，扩散到有水力联系的其他含水层或地表水体。这类方法包括消除污染源、衬砌废水坑或修筑暗坝以阻止污染物迁移。然而在大面积“三废”造成危害的地方或水质极度恶化的含水层中，就不得不采用第二种方法从地下含水层中除去污染物，包括抽水净化、化学处理、生物分解、活性炭吸附、电解法等。

2 地下水污染的生物修复技术要点

2.1 收集区域水文地质等资料

地下水生物修复的成功很大程度上取决于该区域的水文地质状况，如果该地区水文地质比较复杂，则难度就比较大，而且生物修复数据结果的可靠性较小。许多区域的水文地质在生物修复时可能与以前调查时已经有所改变，所以以前的资料并不可靠，这样也增加了生物修复难度。此外，地下的土壤环境必须具有良好的渗透性以使得加入的N、P和O2能顺利地传递到各个被污染区域的微生物群落，这种水的运动特性，即水传导性，往往是生物修复成功的关键［2］。

2.2 添加适量营养盐

在地下水生物修复的工作开展前，首先要通过实验室试验确定加入到地下水中的最适营养盐量，以避免添加营养盐时过多或过少。营养盐加入过少会使得生物转化迟缓。而过多则会由于生成生物量太多而堵塞蓄水层，从而使得生物修复中止。通常微生物处于理想活性状态所需的营养物有3种:N、P和O2，它们是地下水中土著微生物群落活性的限制因子。N、P营养盐一般溶解在地下水中循环通过污染区域，普遍使用的方法是将营养盐溶液通过深井注入到地下水饱和区域或通过渗透渠道加入到地下水不饱和区域和表层土壤中［3］。地下水由取水井抽出，并在该水中补加营养盐继续循环。水中营养盐和污染物的浓度经常需取样测定。取样点设定在注入井和抽出井之间。在其他一些处理中，也有将地下水抽出后不采取循环而在地面进行处理的。

2.3 维持好氧微生物活性

典型的快速生物降解是由好氧微生物进行，因此必须维持这类微生物的活性。在地下水生物修复中的主要问题是即使在最佳条件下，地下水中的O2含量也极少且自然复氧速度极慢，虽然在生物修复中可以外加O2，但O2在水中溶解度很小，难以保证水中好氧微生物的良好生长。例如，生物降解4 000 L泄漏的烃类需要5 000 kg O2，这就必须泵人大量的与空气混合的水(O2浓度不超过8 mg/L)使其通过蓄水层，即使泵入的水用纯氧代替空气(O2浓度不超过40 mg/L)，也需要近1.1×104m3的水通过蓄水层。因此，常常采用其他手段来提供氧的需要，目前用的较多的方法是在营养盐溶液中加入H2O2作为O2的来源，H2O2在水中溶解度很大并能够在蓄水层中缓慢分解释放出自由的O2。但是，要注意的是H2O2在浓度达到100～200 mg/L时对某些微生物有毒性，减少或避免H2O2毒性的方法是在开始加入时采用较低的浓度，约50 mg/L，然后逐步提高浓度，最后可达到1 000 mg/L。

2.4 其他方法的辅助作用

除上述方法以外，需要指出的一点是，以前常用物理方法来去除游离的油类和烃类，如果排除这些物理方法孤立地使用生物修复的方法，则其实际应用的意义也将大大减小，因为污染源不首先用物理方法切断的话，仍会源源不断地将新的污染物输入地下水中，从而加大生物修复的负荷甚至使生物修复中止［4］。虽然存在一些实际的困难，但是地下水生物修复技术已经在许多地区成功地去除了大量污染物。例如，一个被乙烯乙二醇污染的区域在处理26 d后污染物浓度去除到低于检测限。在一个用PCP处理木材的区域的生物修复中，上层10 m的土壤中的PCP被降解94%以上。有报道表明，在生物修复区域的微生物群落即使在处理结束两年以后还可以保持较高活性。从这个角度而言，生物修复是具有较为持久的效果的。

3 地下水污染的生物修复技术的应用

最简单的清除污染物的方法是利用已有的供水井或排水沟渠，把污染水抽出或排放到地面进行处理，然后再重新注入含水层。生物修复技术主要是利用自然环境中生长的微生物或投加的特定微生物，在人为促进工程化条件下，分解污染物，以此修复受污染的环境。除此之外，常见的治理方法还有隔离法、泵提法、吸附法、化学栅栏法、电化学法等，生物修复方法与上述方法相比，具有独特的优势。总之，治理被污染的地下水含水层是比较困难的，许多方法尚处在探索阶段，需在今后的理论领域内继续研究，同时在技术上不断创新和提高。

3.1 生物注射法

亦称空气注射法，它是在传统气提技术的基础上加以改进形成的新技术，主要是将加压后的空气注射到污染地下水的下部，气流加速地下水和土壤中有机物的挥发和降解，如图1所示。

图1 地下水的注射井法生物修复示意图

这种方法主要是抽提、通气并用，并通过增加及延长停留时间以促进生物降解，提高修复效率。以前的生物修复利用封闭式地下水循环系统往往氧气供应不足，而生物注射法提供了大量的空气以补充溶解氧，从而促进生物的降解作用。Michael等人利用这一方法对污染地下水进行了修复，结果表明，生物注射大量空气，有利于将溶解于地下水中的污染物吸附于气相中，从而加速其挥发和降解。营养物质最佳加入量需要通过试验确定，以避免营养盐加入过多或过少。营养盐过少，导致生物转化速率较慢。营养盐过多，则生物量剧增，导致含水层堵塞，生物修复作用停止。保证生物最佳活性的三种营养源是氮、磷及溶解氧。它们是限制土著微生物活性的因素。含氮、磷的盐类溶解在地下水中并在污染区域内循环。加入营养盐的方法是将营养液通过注射井注入饱和含水层，目前还可以采用入渗渠加入到不饱和含水层或表面土层，即生物滴滤池法，如图2所示，也可以从取水井将水抽出，并在其中加入营养物质，然后从注射井注入含水层，形成循环。

图2 利用生物滴滤池进行地下水修复

欧洲从20世纪80年代中期开始使用这一技术，并取得了相当的成功。当然这项技术，并取得了相当的成功。当然这项技术的使用会受场所的限制，它只适用于土壤气提技术可行的场所，同时生物注射法的效果变受到岩相学和土层学的影响，空气在进入非饱和带之前应尽可能远离粗孔层，避免影响污染区域，另外它在处理黏土层方面效果不理想。

3.2 有机黏土法

目前又发展了一种新的原位处理污染地下水的方法，利用人工合成的有机黏土有效去除有毒化合物。带正电荷的有机修饰物、阳离子表面活性剂通过化学键键合到带负电荷的黏土表面上合成有机黏土，黏土的表面活性剂可以将有毒化合物吸附到黏土上从而去除或进行生物降解。密西根州立大学的Boyd博士专门从事了这一方面的研究，他认为有机黏土可以扩大土壤和含水层的吸附容量，从而加强原位生物降解。

3.3 抽提地下水系统和回注系统相结合法

这个系统主要是将抽提地下水系统和回注系统(注人空气或H202、营养物和已驯化的微生物)结合起来，促进有机污染物的生物降解。Smallbeek、DonaldR等人在加利福尼亚洲的研究表明，采用此系统修复污染的环境，生物降解明显得到促进，这个系统既可节约处理费用，又缩短了处理时间，无疑是一种行之有效的方法。

3.4 生物反应器法

生物反应器的处理方法是上述方法的改进，就是将地下水抽提到地上部分用生物反应器加以处理的过程。这种处理方法包括四个步骤，自然形成一闭路循环。这四个步骤是:①将污染地下水抽提至地面;②在地面生物反应器内对其进行好氧降解，生物反应器在运转过程中要补充营养物和氧气;③处理后的地下水通过渗灌系统回灌到土壤内;④在回灌过程中加入营养物和已驯化的微生物，并注入氧气，使生物降解过程在土壤及地下水层内亦得到加速进行。生物反应器法不但可以作为一种实际的处理技术，也可用于研究生物降解速率及修复模型。近年来，生物反应器的种类得到了较大的发展。连泵式生物反应器、连续循环升流床反应器、泥浆生物反应器等在修复污染的地下水方面已初见成效。

［1］民贵民，徐光良主编.生物技术导论［M］.中国环境科学出版社.2006.8.

［2］张彦浩，刘建广.中空纤维膜生物反应器去除地下水中硝酸盐的效能［J］.中国给水排水.2011(06):92.

［3］王建龙，文湘华编著.现代环境生物技术［M］.清华大学出版社.2008(9):102.

［4］夏四清，杨昕.利用氢基质生物膜反应器去除地下水中的 Cr(Ⅵ)，同济大学学报(自然科学版)，2010(09):115.

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1004－1184(2012)03－0092－02

2012－01－16

张海斌(1978－)，男，陕西兴平人，工程师，主要从事环境影响评价工作。