地下水污染修复.ppt
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1、第三节第三节地下水污染修复技术与方法地下水污染修复技术与方法 目录目录目录目录 1111总论总论总论总论 2222监控条件下的自然衰减法监控条件下的自然衰减法监控条件下的自然衰减法监控条件下的自然衰减法(MNA)(MNA)(MNA)(MNA)3333抽出处理法抽出处理法抽出处理法抽出处理法(PAT)(PAT)(PAT)(PAT)4444渗透性反应墙法渗透性反应墙法渗透性反应墙法渗透性反应墙法(PRB)(PRB)(PRB)(PRB)5555生物修复法生物修复法生物修复法生物修复法2 总论总论oo地下水环境修复技术是近年来环境工程和水文地质地下水环境修复技术是近年来环境工程和水文地质地下水环境修复
2、技术是近年来环境工程和水文地质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学科发展学科发展学科发展最为迅猛的领域最为迅猛的领域最为迅猛的领域最为迅猛的领域之一之一之一之一 oo19801980年,美国国会首次把地下水净化列为国家最年,美国国会首次把地下水净化列为国家最年,美国国会首次把地下水净化列为国家最年,美国国会首次把地下水净化列为国家最优先问题之一,通过了优先问题之一,通过了优先问题之一,通过了优先问题之一,通过了综合环境响应,赔偿和责任综合环境响应,赔偿和责任综合环境响应,赔偿和责任综合环境响应,赔偿和责任法案(简称法案(简称法案(简称法案(简称CERCLACERCLA),即一
3、般所谓超级基金,即一般所谓超级基金,即一般所谓超级基金,即一般所谓超级基金(SuperfundSuperfund)法案,用于支付净化废弃的有害)法案,用于支付净化废弃的有害)法案,用于支付净化废弃的有害)法案,用于支付净化废弃的有害废物场地废物场地废物场地废物场地 oo19841984年,美国国会通过了修订年,美国国会通过了修订年,美国国会通过了修订年,美国国会通过了修订资源保护与恢复法资源保护与恢复法资源保护与恢复法资源保护与恢复法案(简称案(简称案(简称案(简称RCRARCRA),拓展了地下水净化计划,拓展了地下水净化计划,拓展了地下水净化计划,拓展了地下水净化计划 3 地下水环境修复技术
4、地下水环境修复技术oo不同的修复技术对于不同的修复技术对于不同的修复技术对于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介质和污染物适用性是不同的介质和污染物适用性是不同的介质和污染物适用性是不同不同不同不同的的的的 n n1.1.分离、活化和提取技术分离、活化和提取技术分离、活化和提取技术分离、活化和提取技术 n n2.2.生物和化学反应技术生物和化学反应技术生物和化学反应技术生物和化学反应技术 oo必须建立监测系统,必须建立监测系统,必须建立监测系统,必须建立监测系统,值得重视的共同点,以确认修值得重视的共同点,以确认修值得重视的共同点,以确认修值得重视的共同点,以确认修复工程(或内
5、在生物修复系统)的长效运行复工程(或内在生物修复系统)的长效运行复工程(或内在生物修复系统)的长效运行复工程(或内在生物修复系统)的长效运行 oo添加各种反应物添加各种反应物添加各种反应物添加各种反应物,许多原位修复技术都需要,许多原位修复技术都需要,许多原位修复技术都需要,许多原位修复技术都需要治理不同污染介质的技术类型治理不同污染介质的技术类型 添加氧化添加氧化/还原剂后潜在的地球化学变化还原剂后潜在的地球化学变化 6 地下水污染修复中的地下水污染修复中的新材料新材料oo生物质生物质生物质生物质 n n树皮树皮树皮树皮/富含丹宁酸的物质富含丹宁酸的物质富含丹宁酸的物质富含丹宁酸的物质 n
6、n木质素木质素木质素木质素 n n几丁质几丁质几丁质几丁质/甲壳质甲壳质甲壳质甲壳质 n n死的生物体死的生物体死的生物体死的生物体 n n苔鲜苔鲜苔鲜苔鲜 n n海草海草海草海草/海藻海藻海藻海藻/褐藻酸褐藻酸褐藻酸褐藻酸 n n废弃的茶叶等废弃的茶叶等废弃的茶叶等废弃的茶叶等oo岩土材料岩土材料岩土材料岩土材料 n n沸石沸石沸石沸石 n n粘土粘土粘土粘土 n n泥泥泥泥 n n有铁氧化物包壳的砂有铁氧化物包壳的砂有铁氧化物包壳的砂有铁氧化物包壳的砂 n n粉煤灰粉煤灰粉煤灰粉煤灰 n n菱铁矿菱铁矿菱铁矿菱铁矿 n n黄土等黄土等黄土等黄土等 7 1、生物质、生物质oo富含丹宁酸物质富
7、含丹宁酸物质富含丹宁酸物质富含丹宁酸物质 oo丹宁酸中多羟基酚是丹宁酸中多羟基酚是丹宁酸中多羟基酚是丹宁酸中多羟基酚是吸附重金属的活性组吸附重金属的活性组吸附重金属的活性组吸附重金属的活性组分分分分 oo二者可发生离子交换二者可发生离子交换二者可发生离子交换二者可发生离子交换作用发生作用发生作用发生作用发生,并形成螯合并形成螯合并形成螯合并形成螯合物物物物 oo可溶性酚引起的水变可溶性酚引起的水变可溶性酚引起的水变可溶性酚引起的水变色问题,可用预处理色问题,可用预处理色问题,可用预处理色问题,可用预处理如甲醛、酸、碱预处如甲醛、酸、碱预处如甲醛、酸、碱预处如甲醛、酸、碱预处理,排除有色化理,排
8、除有色化理,排除有色化理,排除有色化8 1、生物质、生物质oo木质素木质素木质素木质素 n n木质素的成本比活性炭约低木质素的成本比活性炭约低木质素的成本比活性炭约低木质素的成本比活性炭约低2020倍倍倍倍 n n对对对对Pb,ZnPb,Zn的吸附能力分别为的吸附能力分别为的吸附能力分别为的吸附能力分别为186186,95mg/g 95mg/g n n硫酸木质素对硫酸木质素对硫酸木质素对硫酸木质素对HgHg的吸附能力为的吸附能力为的吸附能力为的吸附能力为150mg/g 150mg/g oo甲壳质和海味处理工艺废弃物甲壳质和海味处理工艺废弃物甲壳质和海味处理工艺废弃物甲壳质和海味处理工艺废弃物
9、n n几丁质存在于螃蟹的外骨骼、其他甲壳动物和一些真菌几丁质存在于螃蟹的外骨骼、其他甲壳动物和一些真菌几丁质存在于螃蟹的外骨骼、其他甲壳动物和一些真菌几丁质存在于螃蟹的外骨骼、其他甲壳动物和一些真菌细胞壁中细胞壁中细胞壁中细胞壁中,在自然界中的丰度仅次于植物纤维素在自然界中的丰度仅次于植物纤维素在自然界中的丰度仅次于植物纤维素在自然界中的丰度仅次于植物纤维素 n n甲壳质不但廉价甲壳质不但廉价甲壳质不但廉价甲壳质不但廉价,数量丰富数量丰富数量丰富数量丰富,它对重金属的吸附能力也很它对重金属的吸附能力也很它对重金属的吸附能力也很它对重金属的吸附能力也很强,相当于几丁质的强,相当于几丁质的强,相当
10、于几丁质的强,相当于几丁质的5656倍倍倍倍10 1、生物质、生物质oo死生物死生物死生物死生物 n nMatisMatis和和和和Zouboulis(1994)Zouboulis(1994)研究了死生物对金属离子研究了死生物对金属离子研究了死生物对金属离子研究了死生物对金属离子的吸附能力的吸附能力的吸附能力的吸附能力 n n死细胞聚集重金属的能力与活细胞相当甚至更强死细胞聚集重金属的能力与活细胞相当甚至更强死细胞聚集重金属的能力与活细胞相当甚至更强死细胞聚集重金属的能力与活细胞相当甚至更强 oo谷壳谷壳谷壳谷壳 n n作为水稻商业性收割的副产品作为水稻商业性收割的副产品作为水稻商业性收割的副
11、产品作为水稻商业性收割的副产品,稻壳具有与绿藻相似的结稻壳具有与绿藻相似的结稻壳具有与绿藻相似的结稻壳具有与绿藻相似的结构构构构 n n与藻类对与藻类对与藻类对与藻类对CrCr和和和和PbPb的吸附能力相近的吸附能力相近的吸附能力相近的吸附能力相近,但它对但它对但它对但它对CdCd的吸附能力的吸附能力的吸附能力的吸附能力几乎是藻类的两倍几乎是藻类的两倍几乎是藻类的两倍几乎是藻类的两倍11 2、地质材料、地质材料oo沸石沸石沸石沸石 n n最早用于重金属污染治理的地质材料最早用于重金属污染治理的地质材料最早用于重金属污染治理的地质材料最早用于重金属污染治理的地质材料 n n斜发沸石是斜发沸石是斜
12、发沸石是斜发沸石是4040多种天然沸石中储量最丰富的一种多种天然沸石中储量最丰富的一种多种天然沸石中储量最丰富的一种多种天然沸石中储量最丰富的一种 n n沸石的吸附特性源于它们的离子交换能力沸石的吸附特性源于它们的离子交换能力沸石的吸附特性源于它们的离子交换能力沸石的吸附特性源于它们的离子交换能力12 2、地质材料、地质材料o粘土粘土 n n具有比表面积大、孔隙率高、极性强等特征具有比表面积大、孔隙率高、极性强等特征具有比表面积大、孔隙率高、极性强等特征具有比表面积大、孔隙率高、极性强等特征,对对对对水中各种类型的污染物质有良好的吸附水中各种类型的污染物质有良好的吸附水中各种类型的污染物质有良
13、好的吸附水中各种类型的污染物质有良好的吸附 n n蒙脱石具有最小的结晶度蒙脱石具有最小的结晶度蒙脱石具有最小的结晶度蒙脱石具有最小的结晶度,最大的表面积和最强最大的表面积和最强最大的表面积和最强最大的表面积和最强的阳离子交换能力的阳离子交换能力的阳离子交换能力的阳离子交换能力,从而应具有最强的吸附能力从而应具有最强的吸附能力从而应具有最强的吸附能力从而应具有最强的吸附能力 n n对重金属的吸附能力归因于细粒的硅酸盐矿物的对重金属的吸附能力归因于细粒的硅酸盐矿物的对重金属的吸附能力归因于细粒的硅酸盐矿物的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净负电荷结构性能净负电荷结构性能净
14、负电荷结构性能13 2、地质材料、地质材料o 14 2、地质材料、地质材料o粉煤灰粉煤灰 n n火电厂的废物,含有碳和硅氧化物、铝氧化物、火电厂的废物,含有碳和硅氧化物、铝氧化物、火电厂的废物,含有碳和硅氧化物、铝氧化物、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、硫的氧化物铁氧化物及钙、镁、钠、钾、硫的氧化物铁氧化物及钙、镁、钠、钾、硫的氧化物铁氧化物及钙、镁、钠、钾、硫的氧化物 n n潜在优势:金属被吸附后,它容易固化潜在优势:金属被吸附后,它容易固化潜在优势:金属被吸附后,它容易固化潜在优势:金属被吸附后,它容易固化 oo因为粉煤灰所含火山灰颗粒,在有水的情况下能
15、与因为粉煤灰所含火山灰颗粒,在有水的情况下能与因为粉煤灰所含火山灰颗粒,在有水的情况下能与因为粉煤灰所含火山灰颗粒,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石灰反应形成水泥质的硅酸钙水化物石灰反应形成水泥质的硅酸钙水化物石灰反应形成水泥质的硅酸钙水化物 n n值得注意:可能含有重金属及痕量放射性元素值得注意:可能含有重金属及痕量放射性元素值得注意:可能含有重金属及痕量放射性元素值得注意:可能含有重金属及痕量放射性元素15 2、地质材料、地质材料o黄土黄土 n分布广,成本低分布广,成本低 n富富含含碳碳酸酸盐盐和和粘粘土土矿矿物物,偏偏碱碱性性,且且具具有有大大孔孔隙隙、松松软软和较大
16、湿陷性和较大湿陷性 n重重金金属属(Cu、Cd、Pb、Zn、Cr、As)及及非非离离子子型型有机污染物(甲苯)有机污染物(甲苯)马兰黄土马兰黄土离石黄土离石黄土17 主要修复方法主要修复方法o异位修复方法异位修复方法 n n焚烧、置换、部分热解吸技术等焚烧、置换、部分热解吸技术等焚烧、置换、部分热解吸技术等焚烧、置换、部分热解吸技术等 o原位(就地)修复方法原位(就地)修复方法 n n监控条件下的自然衰减法(监控条件下的自然衰减法(监控条件下的自然衰减法(监控条件下的自然衰减法(MNAMNA)n n渗透性反应墙(渗透性反应墙(渗透性反应墙(渗透性反应墙(PRBPRB)o异位异位+原位修复方法原
17、位修复方法 n n抽出处理法(抽出处理法(抽出处理法(抽出处理法(PATPAT)1、监控条件下的自然衰减法、监控条件下的自然衰减法(MNA)2004-11-1119 监测条件下的自然衰减法监测条件下的自然衰减法(MNA,Monitored Natural Attenuation)美国美国EPA的定义的定义 l依赖依赖自然衰减作用自然衰减作用,在同其他更有效的方法所用,在同其他更有效的方法所用时间相比属时间相比属合理的时间合理的时间限定内,使特定地点达到限定内,使特定地点达到修复目的修复目的 l包括污染物的生物降解、扩散、稀释、吸附、挥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
18、定、转化或破坏等发、及化学或生物固定、转化或破坏等 l这些作用在这些作用在无人为干扰无人为干扰的可行条件下,能够降低的可行条件下,能够降低土壤和地下水中的污染物的土壤和地下水中的污染物的数量、毒性、迁移性、数量、毒性、迁移性、体积或浓度体积或浓度2004-11-1121 监测条件下的自然衰减法监测条件下的自然衰减法优点优点 l污染物最终能被转化成无毒的副产物污染物最终能被转化成无毒的副产物 l无须人为介入无须人为介入 l不会涉及到废物的重新产生或迁移不会涉及到废物的重新产生或迁移 l费用低费用低 l克服机械化修复设施所带来的局限克服机械化修复设施所带来的局限2004-11-1122 监测条件下
19、的自然衰减法监测条件下的自然衰减法局限性局限性 l时间很长时间很长 l进行长期监测并负担相关费用,实施机构负责进行长期监测并负担相关费用,实施机构负责 l受当地的水文地质条件的自然变化及人为因素的影响受当地的水文地质条件的自然变化及人为因素的影响 l有利的水文和地球化学条件可能随着时间而发生变化,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复成果产生负面的影响 l含水层的各向异性可能使场地特征复杂化含水层的各向异性可能使场地特征复杂化 l生物降解的中间产物可能会比原来的化合物更毒
20、生物降解的中间产物可能会比原来的化合物更毒2004-11-1123 主要的自然衰减作用主要的自然衰减作用非降解性作用非降解性作用 l仅引起污染物的仅引起污染物的浓度降低浓度降低,而系统中的污染,而系统中的污染物物总量并未改变总量并未改变的那些作用过程,包括水动的那些作用过程,包括水动力学弥散(机械弥散和扩散)、吸附、稀释力学弥散(机械弥散和扩散)、吸附、稀释和挥发等和挥发等 降解性作用降解性作用 l包括包括生物降解生物降解和和非生物降解非生物降解作用作用 l生物降解生物降解对污染物的降解对污染物的降解起主导作用起主导作用,取决取决于于污染物的类型污染物的类型及及电子供体电子供体或或碳源碳源的可
21、用性的可用性2004-11-1124 自然衰减作用的自然衰减作用的非非生物过程生物过程 物理过程物理过程 l对流对流:驱动地表下污染物运动的主要机制:驱动地表下污染物运动的主要机制 l弥散弥散:引起纵向、横向和垂向迁移;降低溶质的浓度:引起纵向、横向和垂向迁移;降低溶质的浓度 l扩散扩散:从较高浓度区域向较低浓度区域扩散:从较高浓度区域向较低浓度区域扩散 l挥发挥发:将污染物从地下水中去除,并转移到土壤气相中:将污染物从地下水中去除,并转移到土壤气相中 l吸附吸附:固着在含水层介质上,将溶质从地下水中去除:固着在含水层介质上,将溶质从地下水中去除 l稀释稀释:可能增加电子受体的浓度,特别是溶解
22、氧的浓度:可能增加电子受体的浓度,特别是溶解氧的浓度 化学过程化学过程 l水解与脱氢卤化作用水解与脱氢卤化作用:重要的自然衰减机理重要的自然衰减机理 2004-11-1125 水解反应水解反应取代反应取代反应 在反应中,化合物与水发生反应,卤代基被在反应中,化合物与水发生反应,卤代基被羟基(羟基(OH-)取代)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,反应的速率也越慢率就越小,反应的速率也越慢2004-11-1126 脱氢卤化反应脱氢卤化反
23、应 涉及到卤代烷烃的消除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除,紧接着邻近碳原子上的一个氢原子也去除,而生成烯烃也去除,而生成烯烃 发生的可能性随着卤代基数量的增加而发生的可能性随着卤代基数量的增加而增加增加2004-11-1127 生物过程:内在生物降解作用生物过程:内在生物降解作用许多实验室和野外研究显示许多实验室和野外研究显示 l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、氯苯油、
24、柴油、航空燃料;氯代乙烯、氯代乙烷、氯代甲烷、氯苯等等 lNorris(1994)指出,)指出,99%的地区存在各种各样的能降解石油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类碳氢化合物的微生物群落 l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,才会发生生物降解时,才会发生生物降解 l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害性2004-
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