地下水污染修复课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2020/10/28,*,地下水污染修复技术与方法,1,总论,2,监控条件下的自然衰减法,(MNA),3,抽出处理法,(PAT),4,渗透性反应墙法,(PRB),5,生物修复法,2020/10/28,1,地下水污染修复技术与方法 2020/,2,总论,地下水环境修复技术是近年来环境工程和水文地质学科发展,最为迅猛的领域,之一,1980,年，美国国会首次把地下水净化列为国家最优先问题之一，通过了,综合环境响应，赔偿和责任法案（简称,CERCLA,）,，即一般所谓超级基金（,Superfund,）法案，用于支付净化废弃的有害废物场地,1984,年，美国国会通过了修订,资源保护与恢复法案（简称,RCRA,）,，拓展了地下水净化计划,2020/10/28,2,2 总论地下水环境修复技术是近年来环境工程和水文地质学科发展,精品资料,2020/10/28,3,精品资料2020/10/283,4,地下水环境修复技术,不同的修复技术对于,不同的介质和污染物适用性是不同,的,1.,分离、活化和提取技术,2.,生物和化学反应技术,必须建立监测系统，,以确认修复工程（或内在生物修复系统）的长效运行,添加各种反应物,，许多原位修复技术都需要,2020/10/28,4,4 地下水环境修复技术不同的修复技术对于不同的介质和污染物适,添加氧化,/,还原剂后潜在的地球化学变化,2020/10/28,5,添加氧化/还原剂后潜在的地球化学变化 2020/10/285,6,地下水污染修复中的,新材料,生物质,树皮,/,富含丹宁酸的物质,木质素,几丁质,/,甲壳质,死的生物体,苔鲜,海草,/,海藻,/,褐藻酸,废弃的茶叶等,岩土材料,沸石,粘土,泥,有铁氧化物包壳的砂,粉煤灰,菱铁矿,黄土等,2020/10/28,6,6 地下水污染修复中的新材料生物质 岩土材料 2020/10,7,1,、生物质,富含丹宁酸物质,丹宁酸中多羟基酚是吸附重金属的活性组分,二者可发生离子交换作用发生,并形成螯合物,2020/10/28,7,7 1、生物质富含丹宁酸物质 2020/10/287,8,1,、生物质,木质素,木质素的成本比活性炭约低,20,倍,对,Pb,Zn,的吸附能力分别为,186,，,95mg/g,硫酸木质素对,Hg,的吸附能力为,150mg/g,甲壳质和海产处理工艺废弃物,几丁质（,广泛存在于,自然界,的一种含氮多糖类生物性高分子，主要的来源为,虾,、,蟹,、,昆虫,等甲壳类动物的外壳与,软体动物,的器官（例如乌贼的软骨），以及,真菌,类的,细胞壁,等,）存在于螃蟹的外骨骼、其他甲壳动物和一些真菌细胞壁中,在自然界中的丰度仅次于植物纤维素,甲壳质不但廉价,数量丰富,它对重金属的吸附能力也很强，相当于几丁质的,56,倍,2020/10/28,8,8 1、生物质木质素 2020/10/288,2020/10/28,9,2020/10/289,10,1,、生物质,死生物,死细胞聚集重金属的能力与活细胞相当甚至更强,谷壳,作为水稻商业性收割的副产品,稻壳具有与绿藻相似的结构,与藻类对,Cr,和,Pb,的吸附能力相近,但它对,Cd,的吸附能力几乎是藻类的两倍,2020/10/28,10,10 1、生物质死生物 2020/10/2810,11,2,、地质材料,沸石,最早用于重金属污染治理的地质材料,斜发沸石是,40,多种天然沸石中储量最丰富的一种,沸石的吸附特性源于它们的离子交换能力,2020/10/28,11,11 2、地质材料沸石 2020/10/2811,12,2,、地质材料,粘土,具有比表面积大、孔隙率高、极性强等特征,对水中各种类型的污染物质有良好的吸附,蒙脱石具有最小的结晶度,最大的表面积和最强的阳离子交换能力,从而应具有最强的吸附能力,对重金属的吸附能力归因于细粒的,硅酸盐矿物的净负电荷结构性能,2020/10/28,12,12 2、地质材料粘土 2020/10/2812,13,2,、地质材料,2020/10/28,13,13 2、地质材料 2020/10/2813,14,2,、地质材料,粉煤灰,火电厂的废物，含有碳和硅氧化物、铝氧化物、铁氧化物及钙、镁、钠、钾、硫的氧化物。,潜在优势：金属被吸附后，它容易固化。,因为粉煤灰在有,水,的情况下能与,石灰,反应形成,水泥质的硅酸钙水化物,值得注意：可能含有重金属及痕量放射性元素。,2020/10/28,14,14 2、地质材料粉煤灰 2020/10/2814,15,2,、地质材料,黄土,分布广，成本低,富含碳酸盐和粘土矿物，偏碱性，且具有大孔隙,重金属（,Cu,、,Cd,、,Pb,、,Zn,、,Cr,、,As,）及非离子型有机污染物（甲苯）,2020/10/28,15,15 2、地质材料黄土 2020/10/2815,16,主要修复方法,异位修复方法,置换、部分热解吸技术等,原位（就地）修复方法,监控条件下的自然衰减法（,MNA,）,渗透性反应墙（,PRB,）,异位,+,原位修复方法,抽出处理法（,PAT,）,2020/10/28,16,16 主要修复方法异位修复方法 2020/10/2816,1,、监控条件下的自然衰减法（,MNA,）,2020/10/28,17,1、监控条件下的自然衰减法（MNA）2020/10/2817,18,监测条件下的自然衰减法（,MNA,Monitored Natural Attenuation,）,美国,EPA,的定义,依赖自然衰减作用，在同其他更有效的方法所用时间相比属合理的时间限定内，使特定地点达到修复目的,包括污染物的生物降解、扩散、稀释、吸附、挥发、及化学或生物固定、转化或破坏等,这些作用在无人为干扰的可行条件下，,能够降低土壤和地下水中的污染物的数量、毒性、迁移性、体积或浓度,2020/10/28,18,18 监测条件下的自然衰减法（MNA,Monitored,19,监测条件下的自然衰减法,优点,污染物最终能被转化成无毒的副产物,无须人为介入,不会涉及到废物的重新产生或迁移,费用低,克服机械化修复设施所带来的局限,2020/10/28,19,19 监测条件下的自然衰减法优点 2020/10/2819,20,监测条件下的自然衰减法,局限性,时间很长,进行长期监测并负担相关费用，实施机构负责,受当地水文地质条件的自然变化及人为因素的影响,有利的水文和地球化学条件可能随着时间而发生变化，从而导致曾经,稳定化了的污染物重新发生运移，对修复成果产生负面的影响,含水层的各向异性可能使,场地特征复杂化,生物降解的中间产物可能会比原来的化合物更毒,2020/10/28,20,20 监测条件下的自然衰减法局限性 2020/10/2820,21,主要的自然衰减作用,非降解性作用,仅引起污染物的,浓度降低,，而系统中的污染物,总量并未改变,的那些作用过程，包括水动力学弥散（机械弥散和扩散）、吸附、稀释和挥发等,降解性作用,包括,生物降解,和,非生物降解,作用,生物降解,对污染物的降解,起主导作用,，,取决于,污染物的类型,及,电子供体,或,碳源,的可用性,2020/10/28,21,21 主要的自然衰减作用非降解性作用 2020/10/282,22,自然衰减作用的,非,生物过程,物理过程,对流,：驱动地表下污染物运动的主要机制,弥散,：引起纵向、横向和垂向迁移；降低溶质的浓度,扩散,：从较高浓度区域向较低浓度区域扩散,挥发,：将污染物从地下水中去除，并转移到土壤气相中,吸附,：固着在含水层介质上，将溶质从地下水中去除,稀释,：可能增加电子受体的浓度，特别是溶解氧的浓度,化学过程,水解与脱氢卤化作用,:,重要的自然衰减机理,2020/10/28,22,22 自然衰减作用的非生物过程 物理过程 2020/10/2,2010-11-30,23,水解反应,取代反应,在反应中，化合物与水发生反应，卤代基被羟基（,OH-,）取代,RX+HOH,ROH+HX,有机化合物的水解反应常常生成醇类及烯烃,化合物上的卤代基越多，水解反应发生的几率就越小，反应的速率也越慢,2020/10/28,23,2010-11-3023 水解反应取代反应 2020/10/,24,脱氢卤化反应,涉及到卤代烷烃的消除反应,在反应中，卤素原子从一个碳原子上去除，紧接着邻近碳原子上的一个氢原子也去除，而生成烯烃,发生的可能性随着卤代基数量的增加而增加,2020/10/28,24,24 脱氢卤化反应 涉及到卤代烷烃的消除反应 2020/10,25,生物过程：内在生物降解作用,许多实验室和野外研究显示,地下环境中土生的微生物能降解许多有机化合物，如汽油、煤油、柴油、航空燃料；氯代乙烯、氯代乙烷、氯代甲烷、氯苯等,99%,的地区存在各种各样的能降解石油类碳氢化合物的微生物群落,地下水中，只有溶解或被吸附了的有机化合物，且对完成生物降解过程有用的其它化合物（例如：溶解氧、硝酸盐等）存在时，才会发生生物降解,在生物降解过程中，产生的中间产物可能比原始化合物更有危害性,2020/10/28,25,25 生物过程：内在生物降解作用许多实验室和野外研究显示 2,26,生物降解机制,电子供体,以相对还原态存在的化合物，包括自然有机物质、石油类碳氢化合物、低氯代乙烯、乙烷、甲烷、以及氯代苯、溶解氢等等,电子受体,以相对氧化态存在的单质或化合物，包括溶解氧、硝酸盐、铁（,III,）、氢氧化物、硫酸盐、二氧化碳、以及几种氯代烃溶剂等等,微生物促发并利用电子供体,/,电子受体的氧化还原过程，获取能量，形成微生物群体，并降解有机物,2020/10/28,26,26 生物降解机制电子供体 2020/10/2826,27,生物降解类型,1,、有机化合物用作主要的,生长底物,生物氧化反应,生物还原反应,发酵反应,2,、共代谢,2020/10/28,27,27 生物降解类型1、有机化合物用作主要的生长底物 2020,28,1,、有机化合物用作,生长底物,生物氧化反应,当微生物将有机化合物用作氧化还原总反应的电子供体（主要的生长基质）时，供应生长的有机化合物就会发生微生物氧化反应,在有氧或厌氧条件下都会发生生物氧化反应,可溶性石油碳氢化合物（如,BTEX,）、,DCE,、氯代乙烯、氯代苯等低氧化氯代化合物，都能被用作微生物新陈代谢的电子供体,2020/10/28,28,28 1、有机化合物用作生长底物 生物氧化反应 2020/1,29,1,、有机化合物用作,生长底物,生物还原反应,当微生物将有机化合物用作氧化还原总反应的电子受体（主要的生长基质）时，供应生长的有机化合物就会发生微生物还原反应,PCE,、,TCE,、,TCA,、以及四氯化碳等氯代溶剂,在卤呼吸作用过程中，氯代碳氢化合物被直接用作电子受体，而溶解氢则被直接用作电子供体,2020/10/28,29,29 1、有机化合物用作生长底物 生物还原反应 2020/1,30,1,、有机化合物用作,生长底物,发酵作用,在发酵反应中，有机化合物在反应的第一步既起着电子供体、也起着电子受体的作用,发酵过程是唯一不需要外部电子受体的反应,通过一系列的微生物催化下的内部电子迁移过程，有机化合物被转化成了无毒的化合物,醋酸盐、水、二氧化碳、溶解氢等,2020/10/28,30,30 1、有机化合物用作生长底物 发酵作用 2020/10/,主要的自然衰减作用,2020/10/28,31,主要的自然衰减作用 2020/10/2831,主要的自然衰减作用,2020/10/28,32,主要的自然衰减作用 2020/10/2832,33,抽出,-,处理法,(Pump And Treatment),抽出,-,处理法是最早使用、应用最广的经典方法,从污染场地抽出被污染的水，并用洁净的水置换之；对抽出的水加以处理，污染物最终可以被去除,必须把对抽出,-,处理系统的监测作为修复措施整体必不可少的组成部分，监测系统的运行状态,处理后地下水,直接使用,回灌,稀释受污染水体，冲洗含水层,加速地下水的循环流动,2020/10/28,33,33 抽出-处理法(Pump And Treatment)抽,34,抽出,-,处理法,(Pump And Treatment),处理方法可根据污染物类型和处理费用来选用，大致可分为三类,物理法,吸附法、重力分离法、过滤法、膜处理法、吹脱法等,化学法,混凝法、氧化还原法、离子交换法以及中和沉淀法等,生物法,生物接触氧化法、生物滤池法等,2020/10/28,34,34 抽出-处理法(Pump And Treatment)处,2020/10/28,35,2020/10/2835,3,、,反应性渗透墙,（,PRB,）,2020/10/28,36,3、反应性渗透墙（PRB）2020/10/2836,37,反应性渗透墙,（,PRB,Permeable Reactive Barrier,）,定义,是一种原地处理技术,将含,适当反应物质,的可渗墙,横跨,在污染物羽状流束的,流径,上。当被污染的水流经墙体，污染物或被去除，或被降解，污染被清除后的水向下游流动,2020/10/28,37,37 反应性渗透墙（PRB,Permeable React,Case study 1 PRB to Intercept Contaminants in landfill leachate,USA,mid 1930s to 1981,municipal&industrial,PRB,2020/10/28,38,Case study 1 PRB to Intercept,39,反应性渗透墙的设计,重点考虑：,墙高：处理带的深度,墙宽：污染物与墙体填充材料的作用时间,填料：降解污染物的有效性、渗透性、可再生性、成本等,成本核算,2020/10/28,39,39 反应性渗透墙的设计 重点考虑：2020/10/283,40,连续反应墙的局限性,由于替换成本过高，反应墙难以被移走,通过阶段性,添加营养物,或,对地球化学条件进行改性,等手段进行,有效维护,对于连续反应墙来说是不可能的或在实践上是行不通的,2020/10/28,40,40 连续反应墙的局限性 2020/10/2840,41,漏斗,-,门系统：反应性渗透墙与防渗墙技术的结合,漏斗,-,门系统,用墙的,防渗部分,将地下水引至由反应物组成的相对狭窄的区域,防渗部分可通过,泥浆墙和可密封的板桩,等几种途径构成,反应部分,“,门,”,可以具有不同的几何形状和维度，门可以含有多个处理区，每个区处理特定的污染物,2020/10/28,41,41 漏斗-门系统：反应性渗透墙与防渗墙技术的结合 漏斗-门,42,2020/10/28,42,42 2020/10/2842,43,漏斗,-,门系统设计,考虑的主要因素,被污染的水在反应物中的滞留时间,地下水达到目标浓度需要经过的滞留时间,天然地下水的流速,漏斗与门的宽度比,地下水流经门的速度,地下水在反应区内流动的距离,地下水适当的滞留时间,2020/10/28,43,43 漏斗-门系统设计考虑的主要因素 2020/10/284,44,填料：反应物,（,1,）控制,无机污染物,的化学屏障,通过,氧化还原反应,来去除电化学性质活跃的物质，零价铁；,通过添加剂（,pH,）使一些污染物,沉淀,，碎石灰；,通过激发,生化过程,来去除污染物，有机物脱氮,2020/10/28,44,44 填料：反应物（1）控制无机污染物的化学屏障 2020/,2010-11-30,45,填料：反应物,（,2,）有机污染物的生物降解,Kao,和,Bordon(1992),进行了土柱实验，用,双层反应性渗透墙,来去除地下水中的,BTEX,（,苯系物；苯、甲苯、乙苯、二甲苯；二甲苯,）,装置,：墙,上端,水流经过由,充满营养物质（,N,和,P,）的混凝土,泥砖组成，,下面,是一层,泥炭,原理,：当被污染的水流经泥砖时，营养物质被释放，引发,脱氮作用,来降解,BTEX,。泥炭被作为介质来吸附流经泥砖层的低浓度,BTEX,2020/10/28,45,2010-11-3045 填料：反应物（2）有机污染物的生物,2010-11-30,46,施工,将地沟挖掘到适当深度，用反应物回填,如挖掘深度远低于地下水位，地沟的墙会坍塌，为此，使用可密封的板桩来支护墙,主要缺点,如果地沟经过被污染的地区，被挖掘出的物质可能需要转移至有害废物处置场,2020/10/28,46,2010-11-3046 施工 将地沟挖掘到适当深度，用反应,安装,反应器,现场监测,2020/10/28,47,安装 现场监测2020/10/2847,48,生物修复法：植物,&,微生物,运用植物和与之相关的微生物来原位处理受到污染的水与土壤，它是能够有效、便宜清除多种有机和无机废物的新技术,从本质上而言，植物修复法是运用人类的主动性，来提高自然区的自然衰减，它是介于工程方法和自然衰减之间的一种方法,2020/10/28,48,48 生物修复法：植物&微生物运用植物和与之相关的微生物来原,49,植物修复法的机制,降解,转移,固定（可容性）,2020/10/28,49,49 植物修复法的机制降解 2020/10/2849,50,1,、污染物的降解,植物通过呼吸作用提供了更多的氧气进入土壤，加快了土壤中细菌的活性，同时，通过他们的根系来为土壤的细菌提供营养，使细菌更有效的降解污染物。,在植物生长过程中产生酶，污染物在酶的作用下能被分解成单分子的物质（如,H,2,O,、,CO,2,、乙醇及其它），这些物质够进入到植的机体内，甚至能促进植物的生长。,2020/10/28,50,50 1、污染物的降解植物通过呼吸作用提供了更多的氧气进入土,51,2,、污染物的转移,把污染区的污染物质通过植物的作用转移到别的地方，使该区的污染不再那么严重,有些植物可吸收土壤或地下水中,单分子污染物,，污染物质被保存在植物的体内，随着污染物质的富集，便会引起,植物的中毒现象,。此时，可通过收获这些植物，通过,燃烧,或别的方法来从植物体内分解出这些物质,2020/10/28,51,51 2、污染物的转移把污染区的污染物质通过植物的作用转移到,52,3,、对污染物的可容性,利用植物及一些添加物质使环境中的金属流动性降低，生物可利用性下降，使金属对生物的毒性降低,Cunningham,等研究了植物对环境中土壤铅的固定，发现一些植物可降低,Pb,的生物可利用性，缓解,Pb,对环境中生物的毒害作用,2020/10/28,52,52 3、对污染物的可容性 利用植物及一些添加物质使环境中的,2020/10/28,53,2020/10/2853,54,植物的选择标准,易适应土壤和污染场所的条件,易于生长和供养,生长迅速且纤维根系发达,能够为土壤提供良好的覆盖效果，为防止土壤被风或水的侵蚀,较低的维护费用,适于家畜食用或作为野生动物的草料,美学的价值,2020/10/28,54,54 植物的选择标准易适应土壤和污染场所的条件 2020/1,55,生物修复法,分子微生物,2020/10/28,55,55 生物修复法分子微生物2020/10/2855,56,联用技术,“,八五,”,国家项目,“,淄博石油污染含水层现场治理,”,2020/10/28,56,56 联用技术“八五”国家项目“淄博石油污染含水层现场治理”,