地下水水环境修复.ppt

水污染生态修复技术 地下水,按地下水的贮存埋藏条件分类1.包气带水结合水（分吸湿水、薄膜水）毛管水（分毛管悬着水与毛管上升水）重力水（分上层滞水与渗透重力水）2.饱水带水潜水承压水（分自流溢水与非自流溢水）,主要内容：地下水污染修复,第一节 地下水环境生态修复技术第二节 地下水常见污染及修复技术第三节 污染地下水的空气吹脱修复技术,第一节 地下水环境生态修复技术,原位修复异位修复,1.1地下水原位修复技术,原位？是在基本不破坏土壤和地下水自然环境的条件下，将受污染的地下水原位进行修复。可分为：原位工程修复原位自然修复,原位工程修复,工艺类型原位工程修复设计 典型原位工程修复系统,一、工艺类型,包气带(Vadose zone)：位于地球表面以下、潜水面以上的地质介质。包气带污染修复常采用生物曝气法。,包气带(Vadose zone)的示意图。,潜水层和承压层水污染修复：一种工艺是向地下水层钻井注入空气，提供氧气，同时利用回收井，抽取地下水，进行循环；通过渗透，提供微生物需要的各种营养。,一、工艺类型,潜水层和承压层水污染修复：第二种工艺，是利用曝气井和抽提井组合，在注入空气的同时,在另一侧，抽提蒸气和空气，加快循环。,一、工艺类型,一、工艺类型,潜水层和承压层水污染修复：第三种方法是使用暂时的物理屏障以减缓并阻滞污染物在地下水中的进一步迁移，该方法在一些受有毒有害污染物污染的地点已取得成功的经验。,可渗透反应墙(Permeable reactive barrier,PRB),PRB 主要由透水反应介质组成,通常置于地下水污染羽状体下游,与地下水流垂直。污染物去除机理包括生物和非生物两种,污染地下水在自身水力梯度作用下通过PRB 时,产生沉淀、吸附、氧化还原和生物降解反应,使水中污染物得到去除。,多个原位反应器连接方式：串联并联,有效性经济性安全性,添加介质的种类：,PRB 技术应用实例,三氯乙烯,PRB 技术应用实例,PRB 技术应用实例,二、原位工程修复设计,设计的主要内容：将电子受体、微生物营养和活性微生物有效输送至受污染的目标区域。,确定设计目标：对已知的材料包括现场地质和水力数据、污染评价报告、现场可行性研究结果和修复的要求进行仔细分析；确定修复工程需要达到的具体目标。,二、原位工程修复设计,确定修复工艺和参数：根据具体情况合理选择修复工艺；确定了生物修复工艺，即可选择相应的工艺参数。生物修复需要进行的时间可以根据总的需氧量和氧的输送速率来“粗略的估算”。,二、原位工程修复设计,主要设计步骤如下：确定是否需要向修复区域输送微生物营养；预料修复过程中可能出现的化学和微生物学方面的变化，设计对应的措施；设计输送系统；执行长期监测计划。,二、原位工程修复设计,三、典型原位工程修复系统,典型原位修复系统包括地下水回收井、地面处理单元、营养添加单元、电子受体添加单元、回注地下受污染区域等，如图所示。,提高修复效率的措施,可以采用纯氧代替空气或者过氧化氢，提高DO的浓度。也可以采用硝酸盐代替氧和过氧化氢作为电子受体。可以注入甲烷，提高甲烷细菌的活性。采用厌氧、好氧和共代谢组合的方法。,设计中需要注意的问题：,最佳氧化还原条件的创造和维护，最佳地质条件如pH值、DO和温度等；有效投加方式；微生物和营养物质等在水平和垂直方向的传递和分布。总之，投加、传质和混合是原位修复技术成功的关键环节。,1.1.2 原位自然修复,原位自然生物修复是利用土壤和地下水原本就存在的自然野生微生物降解土壤和地下水中污染物。,一、自然生物修复反应参数,自然生物修复的能力可以根据现场的一些参数进行估计，以苯污染修复为例，主要的生物反应和相应的参数详细列如下。,（一）好氧生物氧化 7.5O2C6H66CO23H2O质量比:O2:C6H6=3.1:1每消耗1mg/L的DO就可以降解0.32 mg/L 的苯。如果背景DO是4.0 mg/L，好氧降解的容量是0.3241=1.28 mg/L。,(二)反硝化反应 6NO3-H+C6H66CO26H2O3N2质量比：NO3-：C6H6=4.8:1每消耗1 mg/L的NO；可以降解0.2l mg/L 的苯。如果背景NO3是12mg/L，则生物降解容量是0.2112/1=2.52mg/L。,二、自然生物修复评价,(一)现场污染物消失速率的检测 需要建立有关受污染区域的特征和污染物状况的数据库。污染物的位置和来源，溶解性污染物的位置和浓度等。土壤分布的地理特征，水力参数如水力学渗流系数和水力梯度，以及地下水的生物数据。,(二)表征生物反应指标变化趋势的调查,生物反应的趋势可以采用监测DO、Eh、pH、温度、电导率、碱度、NO3-、SO42-、硫化物、Fe2+、CO2、CH4和Cl-，以及污染本身浓度等参数。,(二)表征生物反应指标变化趋势的调查,根据数据，勾画出相应的变化曲线就可以清晰地确定生物修复的进程。在实际项目中，可以测定污染物降解一级反应系数，近一步定量地确定污染物降解速率。,(二)表征生物反应指标变化趋势的调查,目前应用比较多的模则是Bioplume，模型包括微生物的生长、衰减、传递，污染物的传递和降解，电子受体如O2、NO 3-、Fe2+、SO42-和CO2传质和消耗。但是该模型有些缺陷：不能够模拟厌氧反应，也不能够模拟降解速度比较缓慢的生物反应。,(三)微生物活性的确定,微生物的活性可以通过地下水样品的呼吸实验测定，可以培养分离鉴定微生物的种类和数量。可用生物降解模型模拟，常用的模型包括一级降解动力学模型、生物膜模型、瞬间反应模型和Monod模型等。,1.2地下水异位修复,通过一定方法，将地下水中的液态污染物与气态污染物抽取出来，在地面建造的处理设施内进行处理净化，它分为泵-处理修复和气提修复。,1.2地下水异位修复,气提修复在地面上的工艺包括气提法去除挥发性物质、活性炭吸附、超滤臭氧紫外线氧化或臭氧双氧水氧化、活性污泥法以及生物膜反应器等，处理后再将水注入地层。但实际运行中很难将吸附在地下水层基质上的污染物提取出来，因此该方法效率较低。例如，在生物膜反应器中，用沙作为固定生物膜的载体，以甲烷或天然气为初始基质，能去除高于60的多氯联苯。,生物滴滤池修复污染地下水过程,第二节 地下水常见污染及修复技术,地下水的细菌污染及修复 重金属污染及修复 硝酸类氮污染及修复地下水石油烃污染及修复,一、地下水的细菌污染及修复,主要来自动物粪便，多数是消化道的细菌，如大肠杆菌。近年来，随着大型废水处理厂的相继建立，大面积的污水灌溉和废水的次表层回注，细菌污染问题变得日趋严重。地下水源一旦受到细菌污染不能喝，不能用！,一、地下水的细菌污染及修复,修复技术 对于病原微生物来说,由于病原微生物存活期短,其污染往往是局部的,因此可以在井中投加消毒剂,或设一坝,坝体内设置砂、粘土或粉砂土、含铁红土、磁铁矿砂、酸性腐殖土以去除病原微生物；另外，在污水灌溉问题上要慎重考虑。,二、地下水的重金属污染及修复,矿产资源的开发、加工和使用过程中产生各种重金属污染物质,造成地下水环境污染,给生态环境和人类带来不利影响。地下水由于其隐蔽性和难以恢复性,切断污染源后,仅靠自身的自然净化需长达十年、几十年、甚至上百年的时间。,二、地下水的重金属污染及修复,修复技术生物修复技术具有可现场进行,投资少,运行费用低,无二次污染,最终产物少等特点,应是地下水重金属污染修复工程的主要修复技术。,三、地下水的硝酸类氮污染及修复,由于工农业生产活动，大量氮素进入土壤，未利用部分经微生物硝化作用，以硝态氮的形式进入土体和地下水(最主要)。浅层地下水已普遍受到氮素不同程度的污染。,三、地下水的硝酸类氮污染及修复,生物处理技术脱氮生物脱氮可分为异养型脱氮法和自养型脱氮法。异养型脱氮法：在废水处理中,氢供体通常使用甲醇,由于其毒性,控制使用的场合很多。地下水中的硝酸性氮的去除时,从安全性和成本方面考虑使用乙醇和醋酸较多。,三、地下水的硝酸类氮污染及修复,自养型脱氮法：脱氮菌中也有能用氢气、还原态硫化合物和二氧化碳等无机物作为氢供体的自养型细菌,这些都可应用于地下水硝酸氮去除。一般情况下自养型细菌增长率低,增长速度慢,菌的增长量少,剩余污泥的产生量低。,三、地下水的硝酸类氮污染及修复,另外还有原位净化法、处理厂净化法、离子交换树脂法、RO(反渗透膜)ED(电渗析)法等。,四、地下水的石油烃污染及修复,原位处理法包括原位化学氧化、土壤气抽出技术以及地下水曝气法。,四、地下水的石油烃污染及修复,原位化学氧化（In-Situ Chemical Oxidation,ISCO）ISCO是近年来提出的能够有效处理土壤和地下水的一种技术。目前，ISCO所用的氧化剂是ClO2 和O3。ClO2通常以气体的形式直接进入污染区，氧化其中的石油烃，在反应过程中几乎不生成致癌性的三氯甲烷和挥发性的有机氯。O3以气体的形式通过注射井进入污染区，可自行分解为O2，使水中的DO含量增加，为后继微生物处理提供适合的条件。,四、地下水的石油烃污染及修复,土壤气抽出技术（Soil vapor extraction，SVE）通过抽出井把非饱和区中的含气态污染物的土壤气抽出地层，从而达到消除污染物的目的。该法是当前有机污染物原位修复中十分有效的技术之一，其去除机理主要是挥发和生物降解。,四、地下水的石油烃污染及修复,地下水曝气法（Air Sparging，AS）也称为生物通气技术，是原位修复石油烃污染的有效技术。实验表明，汽油泄露污染的含水层，空气喷射3天后大部分有机物被去除。AS常与SVE技术联合使用（AS-SVE）通过联合作用，可以收集饱和区和非饱和区的可挥发性石油烃，而且可促进石油烃的生物降解。在某地下储油罐泄露地实施了AS-SVE联合工艺，渗流区的BTEX质量分数从5*10-6降到1*10-6。,主要包括苯、甲苯、乙苯及二甲苯,主要修复技术的比较,进行地下水生物修复处理时，应注意调查该地的水力地质学参数是否允许向地上抽取地下水并将处理后的地下水返注；地下水层的深度和范围；地下水流的渗透能力和方向，同时也要确定地下水的水质参数如pH、溶解氧、营养物、碱度、以及水温是否适合于运用生物修复技术。,具体选择哪种修复技术，要考虑以下一些因素：污染源的条件工程完成后有可能造成的影响成本工程量工程投资、工程运转与维护、监测,污染源的条件对各种修复方法的限制,抽取-处理技术（P&T）污染源必须封闭。可渗透反应墙技术(PRB)对当地水文地质条件要求高；要考虑的因素相当多，还包括渗透反应格栅安装的位置，格栅的大小、活性材料的选择以及活性材料的渗透性等。,污染源的条件对各种修复方法的限制,空气注入修复技术（AS）受地质条件限制，不能在低渗或高粘土含量的地区使用，也不能应用于承压水层的污染物治理。生物修复技术低渗透性土壤往往不宜采用生物修复技术；污染源的环境条件必须适合微生物，微生物活性受温度、pH、溶解氧、营养物等影响。,工程完成后有可能造成的影响,抽取-处理技术（P&T）：涉及地下水的抽提或回灌，工程量大，对修复区干扰较大，可能造成地面沉降。P&T 技术中抽出处理工程所采用的钻井等设备在污染治理完毕以后还可以用于其他方面，如地下供水、人工回灌等。可渗透反应墙技术（PRB）：透性反应墙修复工程一经投入，其设施就已固定在地下，不可以作其他用途，造成浪费。,工程完成后有可能造成的影响,生物修复技术：在封闭式地下水系统中，生物修复往往造成氧气量不足;原地生物修复技术可能会破坏原有的微生态环境平衡。,成本的比较,P&T AS PRB 生物修复,发展情况与前景分析,抽取-处理技术（P&T）应用较早,是应用最广泛、成熟程度最高的技术，在美国有68%的地下水污染场地选用该技术，但由于对修复区干扰较大，使用有下降的趋势。可渗透反应墙技术(PRB)有应用前途，但发展时间不长，技术不够成熟，处理的污染物种类还很有限，我国尚未使用这种技术进行现场污水处理。,发展情况与前景分析,空气注入修复技术（AS）近年来,AS技术已成为地下水原位处理技术的首选。生物修复技术 欧洲各国从80年代中期开始广泛使用这一技术,并取得了相当的成功。为了进一步提高生物修复效率，又相应的发展了不少辅助技术。如利用计算机作为辅助工具来设计最佳的修复环境,预测微生物的生长动态和污染物降解的动力学等。,第三节 污染地下水的空气吹脱修复技术,空气吹脱(blow-off)是在一定的压力条件下，将压缩空气注入受污染区域，将溶解在地下水中的挥发性化合物、吸附在土壤颗粒表面上的化合物以及阻塞在土壤空隙中的化合物驱赶出来。,空气吹脱包括现场注气、挥发性有机物的挥发、有机物的好氧生物降解等三个过程。相比较而言，吹脱和挥发作用进行得比较快，而生物降解过程进行的比较缓慢，在比较长的时间内才显现出来。,第三节 污染地下水的空气吹脱修复技术,空气,污染物,污染物,原则上，选择吹脱技术时应该考虑亨利系数，亨利系数大于101.325102Pam3/mol、化合物的蒸气压大于66.661133.322Pa(0.51.0mmHg)时，比较容易挥发或者吹脱。关于地质条件，影响最大的是地层土壤均一性。比较密实的土层会阻断空气通道，导致空气积累；高度松散的土壤也会导致空气短流、吹脱不能均匀进行。,实际上工作过程中，空气注入到土壤地下水中后，根据不同的地层结构，或者以气泡或者以气流的形式扩散。相应地，地下水从垂直方向和水平方向向周围迁移。在垂直方向上，地下水水位开始上升，上升的程度从忽略不计到数米，取决于压力和位置结构等各种因素。,第三节 污染地下水的空气吹脱修复技术,空气通道在地下水中的分布，大体上呈现伞状形态。空气流量大，气流通道的密度增加，相应地接触表面积增加，增加的幅度与流量的关系为(Q始/Q终)0.5。,第三节 污染地下水的空气吹脱修复技术,空气注入地下，能够强化地下水的混合。地下水的混合机理包括：机械置换；空气与水在通道相互作用；空气流动的摩擦作用；蒸发引起的地下水流动，对流；颗粒流动等。,第三节 污染地下水的空气吹脱修复技术,一、空气吹脱现场中试,中试实验主要的检测内容包括：注入空气的流量；溶解氧水平：井水水位；空气注入压力和土壤中气体压力的变化，井壁附近压力的变化；土壤气体中污染物的浓度和吹脱效率，尤其应注意避免可能达到爆炸或者燃烧水平的高浓度；实验流量和压力对吹脱气体影响半径的影响，也可以检测示踪气体的变化。,一、空气吹脱现场中试,这些参数能够揭示吹脱技术的可行性和效果。同时，需要详细地调查现场条件，表9-2列出了理想的技术适用条件和影响因素。,二、空气吹脱设计,(一)空气注入井布置空气注入井的位置应该包围整个污染物区域，或者在其扩散流动方向进行阻截。每一个注入井的半径范用需要通过现场实验确定。如图所示，可以设立实验井，在其周围辐射方向设立观察井。,测量参数,地下水位变化。溶解氧和氧化还原电位变化。地层中空气压力。地下顶主压力，即在地下观测位置形成顶空，其平衡压力代表周围静态压力，这是一个最简单和可靠的参数方法。有时可以采用示踪气体例如氦气或者六氟化硫，其中六氯化硫与氧气的溶解度类似，能够更好地指示氧气的迁移扩散情况。地层电阻的变化，可以产生三维变化图像。监测实验区域污染彻浓度变化情况。,(二)空气注入的深度,对于注入井的深度，原则上应该是比污染物所处最深处再深3060cm,但是其实际的深度受土壤结构等影响，一般不超过地下水水位以下916m的深度。注入井的深度影响空气注入所需要的压力和流量。,(三)空气注入所需要的压力和流量,注入空气的压力必须克服注入点地下水的静态压力和土壤毛细管的压力，才能够形成气流通道。毛细管压力与表面张力和毛细管直径相关，即：Pc=2s/r 式中，Pc是毛细管压力；s是空气和水的表面张力；r是平均水力半径。,(四)注入方式,空气在连续注入方式下，运行比较稳定；而在间歇注入方式下，地下水位升降比较明显，可以强化传质效果、从而提高空气吹脱的效果。但是，间歇脉冲式的操作方式也可能导致井周围的土壤筛选分层，使比较细的土壤沉积在下层，导致阻塞现象。,(五)注入井的构造,注入井的构造与深度有关。空气注入井可以采用聚氯乙烯管材，进行加工而成。注入井的直径一般为0.31.2m。实际上，吹脱效果与井的直径关系不大,因此井的直径以0.30.6m比较经济。但是，在深度比较大时，小口径的井所需要的压力可能比较高。,(六)污染物类型和分布的影响,污染物的分布受污染物挥发特性、溶解度和生物可降解性等因素的影响。也受地下水流动，空气气流强化传质等因素强烈的影响。需要视具体情况和工程要求进行优化。,(七)吹脱技术设备选择,空气压缩机或者鼓风机可根据中试对压力的需要选择设备，一般当压力小于1215Pa时，可以选鼓风机，而压力比较高时应该选择空气压缩机。此外，还需选择真空抽气机、管道及连接件、空气过滤器、压力测量和控制仪表、流量计、空气干燥设备等。,(八)空气吹脱技术的效率,总的效率变化如图所示。空气吹脱比传统的抽取地下水进行地上处理的技术效率更高，经过改进如结合生物处理过程，能够进一步提高技术的效率。,空气也可以循环使用，以最大限度利用氧气和最大限度地降解挥发性的污染物质。利用吹脱方法可以很快地去除土壤中挥发性比较强的有机污染物，而生物降解过程比较缓慢，但是其去除的主要是挥发性比较差的有机污染物。,本章小结,地下水环境生态修复技术？地下水常见污染及修复技术？污染地下水的空气吹脱修复技术？,结束,