【专家视角】侯德义：精准、高效的地下水污染防治还需技术、装备、材料支撑

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我国地下水相关工作近年来发展迅速，政策体系持续完善。特别是2019年相继发布的《土壤污染防治法》、《地下水污染防治实施方案》、《污染地块地下水修复与风险管控技术导则》等多个政策，将对地下水污染防治及相关行业有极大的推动作用。

和传统治理领域相比，地下水污染防治从管控治理的复杂性、长期性、治理修复成本方面，都有着显著的层级提升，对技术、装备、材料有着日益突出的需求。为此，水专项设立了课题——京津冀污染场地地下水防治，针对性地开展技术研究和示范。在JIEI产业研究院日前举办的“走进水专项”系列线上研讨会上，课题专家、清华大学侯德义教授结合课题研究与示范，对地下水污染防治相关问题进行探讨。

我国地下水污染防治现状和挑战

我国地下水资源贡献大，污染不容忽视
地下水是我国的重要供水水源，占我国水资源总量的1/3，尤其是北方对地下水的依赖更重，近70%的生活用水、50%的工业用水、30%的农业灌溉用水均来自于地下水。然而，我国地下水污染比较严重。据生态环境部数据，2018年在我国一万多个国家级地下水水质监测点中，85%以上的地下水水质为四类或五类。同时，由于监测不够全面，尚未掌握全面的地下水有机污染状况。相关研究表明，我国有机污染的检出率高，超标率低，但我个人认为这和目前的监测手段不成熟有关系，因为地下水有机污染物大多具有挥发性，传统的采样方式容易导致污染物挥发，影响监测结果准确性。
地下水污染隐蔽性强、持久、复杂，治理成本高
地下水污染与地表水污染有较大差异。第一，它的隐蔽性很强，地下水埋藏在地下，污染不易察觉。第二，地下水流动缓慢，在典型地质条件下一般情况下可能一年流动距离只有几十米。第三，地下水污染具有持久性，一方面由于污染物本身特性，在地下环境中自然降解缓慢甚至无法降解；另一方面，污染物与含水层介质之间存在吸附于解吸的过程。第四，地下水污染具有复杂性，因为地下水污染的迁移扩散与水文地质条件及土壤性质等密切相关。最后，地下水污染很难治理，单位处理成本比地表水高。
此外，土壤和地下水的污染具有很强的协同性。通常，土壤污染是地下水污染最主要来源，地下水污染也可迁移到土壤中，二者互为因果。同时，地下水污染往往是“由点到面”的过程，如下面两幅图所示。具体来说，城市场地地下水污染主要是地下管线、储罐等点源泄露造成的，由于地下水迁移的速度较慢，污染羽较小，很多只有几十米或者几百米。但是，工业场地具有分布密集的特点，因此一个区域的地下水污染，往往是由很多个点源造成的污染羽构成的。因此，地下水污染治理需要区域协同，并且最终回归到“点”上，也就是污染场地的修复和风险管控。

图1 a)工业场地分布密集；b)区域污染由点到面
我国地下水污染防治政策不断完善，科研支撑还需发力
我国较早开展地下水污染防治工作，近年来发展迅速，政策体系不断完善。

图2 地下水相关政策体系日渐完善
科研方面，我国地下水相关研究历史较长，但相对欧美国家仍有10-20年的滞后。从行业来说，我参与的美国50多个污染场地调查和修复中，80%以上属于土壤和地下水协同污染，而我国土壤修复的市场从2006-2007年开始发展到现在已有十几年的时间，开展的很多项目没包含地下水修复。“治土不治水”存在一定隐患。

京津冀地下水污染防治的社会需求与科技需求

京津冀地区严重依赖地下水供水，地下水超采问题非常严重，形成了大量的地下水超采漏斗区，引发了地面沉降、海水入侵等一系列问题。同时，该地区的地下水污染问题十分突出， “三致”污染物在多地均有检出。京津冀地区的填埋场、化工厂、加油站等地下水污染源较多，已造成了较为严重的地下水污染。此外，京津冀地区曾多次发生化工污染事件，严重威胁地下水水质。我国对京津冀地区地下水保护给予了高度重视，围绕京津冀地区协同发展出台的多项政策，均重点部署京津冀的地下水污染防治工作。 基于京津冀地下水污染防治的社会需求和科技基础，对地下水污染防治提出以下几点科技需求：

• 地下水污染精细刻画，为场地修复方案的制定提供有力支撑。现有地下水污染调查与刻画精度低、靶向性差，调查过程中容易引发交叉污染问题。

• 地下水污染过程阻断技术。地下水污染径流阻断是有效的风险管控手段，针对我国地下水污染阻断技术应用少的现状，亟需完善现有的技术方法体系。

• 地下水污染物强化释放技术。低渗透地层中污染物的长期释放导致修复周期长、效果差、反弹等问题，给修复达标造成了严重阻碍，亟需通过技术手段促进低渗地层中污染物溶出，以实现高效修复。

• 地下水污染修复材料和装备的研发。现有的地下水修复材料和装备一定程度上存在成本高、易产生二次污染、利用率低等问题，亟需开展功能性材料和装备研发。

• 地下水污染治理工程实践不足，亟需开展修复工程示范，总结工程经验，形成可复制、可推广的地下水污染防治技术方案。

课题研发及应用瞄准污染识别、过程阻断、总量削减、装备与材料

针对上述技术需求，课题主要从以下四方面开展工作：

1. 地下水污染快速识别与精准刻画
污染诊断方面，探索了基于试纸条法和电化学方法对代表性污染指标快速测定，以实现场地地下水污染现场快速诊断的技术路线。该方法在填埋场地进行了应用，在几分钟至十几分钟内得到了COD、Cd、Cr6+、NO3-的测定结果。
污染源识别方面，针对地下水水文地质条件复杂、污染物迁移的非线性特点，将传统调查采样技术与地球物理探测技术相结合，对场地数据进行时空反演，探索污染源头。该系列技术在实际场地应用中发现效果较好。
地下水污染精细三维刻画对修复治理方案制定有重要指导意义，场地污染刻画模型精度提高或减少几米，实际工程量可能产生成百上千立方的差距。在这一方面，针对非均匀介质导致的污染识别精度不足的问题，采用数值模拟手段基于现有勘探条件对场地进行三维建模，污染分辨精度有较大提高。
2. 地下水污染过程阻控技术
在场地的刻画基础上，对地下水污染的过程阻控技术，包括径流阻断技术，以及针对填埋场的漏点检测和微创补漏技术开展了研究。
径流阻断技术主要通过阻截材料在污染地下水迁移方向阻截污染物，针对膨润土、水泥及粘土系阻截材料开展了一系列的探索工作，重点从阻截材料的兼容性和长效性方面进行了研究，优化了阻截技术参数。
填埋场漏点检测和微创补漏技术主要利用HDPE膜高阻特性，在膜的上下加一个高压的直流电源，根据介质中的电势分布来进行反演以实现漏点定位。课题在材料和算法方面都做了一系列研究，创新了钻探导引的修补技术，实现在不同场景下渗漏点的高效修补，提升了技术整体的有效性、稳定性和安全性。在多场地进行了现场应用。
3. 地下水污染强化释放及总量削减技术
在地下水污染总量削减方面，主要开展了以下两项工作。
首先是增溶增流技术研究。地下水中的污染物大多被吸附在土壤上，比如说在美国最常见的地下水污染物三氯乙烯和四氯乙烯，通常其水相分布比固相分布的比例小，如采用原位化学氧化修复或抽出处理等常规技术，修复后被含水层介质吸附的污染物缓慢溶出，导致污染脱尾和反弹现象出现。
针对该问题，课题项目探索了一系列材料用于强化地下水中污染物的解吸，以方便后续处理。例如，非生物表面活性剂材料及生物的表面活性剂，可以将含水层中的有机物的溶出率提升较大。此外，对于非水溶有机物密度大时会出现下沉现象，很难从地下抽出等问题，设计了相关材料调控地下水的黏度，使污染物去除效率提高较大。
在增溶增流的辅助下，再使用多相抽提技术实现总量削减。该技术对土壤和地下水施加真空，以将地下水中的有机污染物和土壤中的污染土壤气抽到地面处理，地面处理过程与地表水处理类似。如何将水相、气相、油相污染物有效抽出是该技术的关键，对此，项目系统梳理了多相抽提的效果影响因素，包括水文地质条件、多相抽提设备及抽提机的设计参数对抽提效果的影响等，并设计了一套占地面积小、高效、可移动、模块化的多相抽提装备和高效物化协同处理装备。
4. 原位长效修复及绿色释放材料装备研发
如前所述，由于污染物被含水层介质吸附易引发污染拖尾、反弹问题，而快速的处理手段无法实现修复达标，针对这一问题，如何提高反应材料的长期有效性是国内外研究的热点。
课题项目研发了两种绿色长效的缓释材料。其一是用于原位注入的过硫酸盐凝胶缓释材料，该材料注入后会快速凝固，之后原位慢慢释放反应物。另一种是用于原位投放的石蜡基缓释材料，该材料为固体，原位投加于修复井后氧化剂可持续释放数个月至数年，目前进行了现场试验。这两种缓释材料基质无毒可降解，同时提高了氧化剂的利用效率和长效性。

趋势与展望：水土协同修复、多技术耦合、重视有毒副产物及新兴污染物

针对地下水修复未来发展的趋势和挑战，我个人认为包含以下几方面：

亟需发展地下水土壤协同治理。
即不能脱离地下水谈土壤修复，也不能脱离土壤谈地下水修复，我们需要考虑污染物在土壤介质和地下水介质里面相互迁移的过程，不能“按下葫芦浮起瓢”。
单一的技术没有满足复杂的地下水污染防治需求，需要进行多技术耦合协同修复。
欧美国家大多数的污染场地都是用多个技术进行耦合集成以达到有效修复的目标。我想针对场地的复杂性、污染物的多样性，多技术耦合具有技术间的互补优势，是行业发展趋势。
第三是原位修复过程中有毒副产物的生成。
我国对土壤原位修复过程的二次污染比较重视。相比之下，对地下水原位修复有有毒副产物的产生的重视仍不够，很多场地基本没有对相应的有毒副产物进行监测。比如四氯乙烯和三氯乙烯污染，厌氧生物脱氯是典型的修复技术，但该反应过程中会生成比四氯乙烯和三氯乙烯毒性更高的氯乙烯。美国九十年代时因经验不足导致过由于该问题引发修复失败的案例，场地修复后风险比修复前高了5-10倍。
第四个方向是地下水的新兴污染物。
新兴污染物一直是研究的热点。例如，全氟化合物是国际修复界备受关注的问题，相关业务增长也非常快。除此外，个人护理品、纳米材料、微塑料等等新兴污染物也逐渐受到关注。这一领域在我国可能还不到做实际修复工作的阶段，但应该从研究的角度开始研究和探索。
第五是大型污染场地的地下水修复。
该问题是一个世界性的难题，欧美国家经过几十年的发展才逐渐意识到大型复杂场地的困难性。该问题的难点主要在于以下几方面：第一，水文地质条件复杂性；第二，污染物的种类多，反应条件复杂。譬如，苯系物和卤代烃均为化工厂的重要原材料，但苯系物需要氧化而氯代烃需要还原，当它们同时存在时很难同时达到修复目标。第三，场地拆除或搬迁后遗留的地下管道或历史填埋造成的微尺度水文地质条件差异在调查时很难被发现，而这样的改变可能会导致整个修复项目失败。
最后，对于我国目前阶段最重要的是如何发展以风控管控为主的地下水污染治理模式。
最近一段时间地下水修复项目可能给在座的同行造成过困惑，原因在于现有场地修复进度要求比较紧迫，需要尽快完成修复后挪出污染地块名录，以便进入下一阶段的开发，但短期内地下水修复目标的达成十分困难。因此，我觉得接下来应该从管理部门到业主都要去逐步推行地下水风险管控理念。根据欧美的经验，地下水的修复是不可能一步到位的，而是治理到某一个目标然后通过风险管控实现场地的安全利用。我觉得这是我们接下来一段时期重要的发展方向。
文章来源：JIEI创新实验室

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