侯德义:我国工业场地地下水污染防治十大科技难题

发布于 2022-05-18 20:11

摘要：我国工业场地地下水污染严重，污染地块名录中含地下水信息的地块有 30%存在地下水污染. 近年来，地下水风险管控和修复工作日益得到政府和行业的高度，相关环境管理体系逐步完善 . 2021 年国务院发布的《地下水管理条例》料将进一步推动工业场地的污染地下水风险管控与修复治理工作 . 但是，我国当前地下水领域的相关研究仍然比较薄弱，不能完全满足国家的重大需求. 本文根据地下水修复领域国际研究前沿和国内的发展与管理现状，提出未来污染场地地下水修复的十大科学与技术挑战：地下水修复与风险管控的绿色可持续性，污染物及水文地质条件的精准刻画与风险评估，水土协同治理，低渗透地层及透镜体的反向扩散，原位氧化和生物修复过程中的有毒副产物生成，物理分离技术的拖尾，地下水修复中的污染物反弹，大型复杂污染场地的治理与管控，岩溶裂隙水污染迁移与风险管控方法，地下水中新污染物. 克服这些科技挑战的过程也必将给我国地下水污染防治事业的发展带来重大的机遇.

作者：侯德义，清华大学环境学院

地下水是我国重要的战略资源，我国约 2/3 城市的饮用水和北方地区 65%的生活用水均以地下水为来源[1] . 然而，我国地下水质量状况堪忧，2020 年《中国生态环境状况公报》显示全国范围内约 77%的浅层地下水水质为Ⅳ类及以下[2] . 由于地下水污染具有隐蔽性、持久性和不可逆性，地下水中污染物可在不容易被察觉的情况下通过多种暴露方式对人居安全和饮水安全造成严重威胁.

工业场地是地下水最主要的污染源[3]，近年来由工业场地引起的地下水污染事故频发. 面对当前严峻的工业场地地下水污染形势和修复治理需求，我国 2018 年发布的《土壤污染防治法》和 2021 年发布的《地下水管理条例》明确规定，工业场地修复和风险管控应当包括地下水污染防治内容. 地下水风险管控和修复工作日益得到政府和行业的高度.

与英国、美国等发达国家相比，我国修复行业起步较晚，工业场地的治理尚处于初级阶段，工业场地地下水风险管控与修复技术及其管理体系亟待完善. 该文基于我国工业场地地下水污染风险管控与修复现状，分析了其存在的科学问题和挑战，并论述了应对当前挑战可能产生技术突破的发展机遇.

1 我国工业场地地下水污染现状

近年来，由于城市的快速发展和产业转型，工业企业搬迁、设施老化导致的“跑冒滴漏”、废弃物品非法处置等原因造成的工业场地土壤和地下水污染问题日益凸显，对公众健康和生态环境造成了严重威胁[3] . 为了应对日益严重的工业场地地下水污染问题，2018 年由第十三届全国人民代表大会常务委员会第五次会议审议通过的《土壤污染防治法》提出了关于工业场地地下水污染防治的相关要求，2021 年由国务院审议通过的《地下水管理条例》进一步规定了将地下水污染治理纳入工业场地管理范围.

我国工业场地地下水中污染物分为有机污染物和无机污染物，其中有机污染物以苯系物、石油烃和氯代烃为主；无机污染物中重金属污染较为突出，如六价铬、砷污染等[4] . 我国地下水污染类型受控于工业产业类型，呈现出地域分区的特点[5] . 矿产资源丰富的中南、西南地区，其钢铁及有色金属冶炼等行业发达，重金属类污染较为普遍[5] . 京津冀及江浙沪等沿海地区则有机类工业污染场地分布较多[6-7] .

注：统计信息截至2022年1月30日，统计自我国各省、自治区、直辖市生态环境厅公布的建设用地土壤污染风险管控和修复名录(不含港澳台地区数据).

2 地下水风险管控与修复研究的十大挑战与机遇

在过去 40 多年中，随着环境修复行业的发展，国内外关于地下水的研究产出快速增长. 笔者所在团队于 2020 年针对全球范围内该领域的相关文献，使用统计学和文献计量学方法开展了相应分析，发现我国在地下水污染与修复方面的投入在近年来也逐步增加[8] . 鉴于近年来我国工业场地污染引发的地下水环境污染事件频发(如 2014 年兰州自来水污染事件，2016 年常州外国语学校环境污染事件等)，该文从社会与科技需求出发，结合国际地下水修复前沿和国内发展与管理现状，提出我国工业场地污染地下水风险管控与修复十大挑战性问题(见图 1).

图 1 我国工业场地污染地下水风险管控与修复研究的十大挑战

Fig.1 Ten grand challenges for groundwater remediation at contaminated sites in China

2.1 地下水修复与风险管控的绿色可持续性

已有研究发现，污染场地修复过程中由于大量的材料和能源投入，以及废水、废气等污染物排放，存在着较高的负面环境和社会经济影响(即“二次影响”). 若未能制定科学的修复目标和修复方案，容易造成二次影响过高甚至修复失败[9-11]. 随着人们对绿色可持续理念的认同日益增强，绿色可持续修复(green and sustainable remediation, GSR)运动开始兴起，并成为近年来国际修复界最重要的进展之一[12]. GSR 是指 “在满足场地环境功能、使用功能和风险控制的基础上，为了减少修复本身所带来的负面影响，综合考虑修复全生命周期内的环境、社会、经济因素，采取使修复净效益最大化的方案和措施”. GSR 的核心要素在于减少修复的二次影响，确保修复的正面效益大于其负面影响. 目前，世界范围内众多的国家和地区相继成立了专业性组织，如可持续修复论坛(sustainable remediation forum, SuRF)等，推动 GSR 在当地的开展，GSR 相关的标准和技术规范也在不断地发布和更新(见图 2).

图 2 绿色可持续修复发展概况

Fig.2 The development of green and sustainable remediation

近年来，基于生命周期评价的定量评价方法被越来越多地用于污染场地修复和风险管控，为方案设计提供决策支撑[12]. Higgins 等[17]通过生命周期评价比较了可渗透反应墙和抽出-处理用于治理某氯代烃污染场地地下水的环境影响，结果表明，当修复系统运行时间超过 10 年时，可渗透反应墙的环境影响更低. Ni 等[18]通过生命周期评价比较了某场地不同供能方式的地下水生物修复环境影响，发现利用地热储能代替电驱动的加热方式，修复碳排放降低了50%. O'Connor 等[19]分析了某沿海地区气候变化导致海平面上升对场地地下水修复的影响，结果表明，植物修复具有韧性，能够有效降低海平面上升所导致的蒸汽入侵风险，并消除地下水污染物对地表水的影响. 在当前碳达峰和碳中和的大背景下，污染场地的绿色低碳修复具有尤其重大的意义[20] . 已有研究大多基于国外的案例和场景，为了推动我国地下水修复与风险管控的绿色可持续性，需要在相关研究领域取得重要突破.

2.2 污染物及水文地质条件的精准刻画与风险评估

含水层污染的三维精准刻画是高效低耗修复的前提条件，其包含对于含水层水文地质条件的刻画以及污染物分布的刻画. 污染地块的水文地质条件能够影响地下水的流动与污染物的扩散迁移情况，其精准刻画对于修复和风险管控方法的选择具有重要意义. 同样，污染物分布是调查修复工作的基础，对其精准刻画将对后续所有工作给予有力的支撑。

在实际场地调查治理工作中，往往通过土孔钻探和监测井建设来对地层结构和污染物分布进行刻画. 然而，含水层的水文地质结构较为复杂，在空间上存在着多种不同地层. 由于污染物具有吸附、挥发、扩散等多种迁移特性，其空间分布上也具有较大差异. 同时，在调查过程中，由于土孔和监测井数量有限以及取样方法的局限性，很难对整个场地进行精准刻画. 上述情况均可能导致地层分布划分不准、污染分布调查不清，进而导致在后续的修复过程中无法有效清除污染源. 美国密西根州 Velsicol 化工厂修复项目于 1980s 开展场地调查与修复时，未发现表面黏土层存在的高度断裂与场地地下由市政水井导致形成的半承压含水层，致使污染地下水在雨水渗透与承压水水头的影响下穿过了最初设置的泥浆墙，迁移至附近的河域；1990s 初，该化工厂附近河域内沉积物与鱼类生物积累 DDT 大量超标，对周边居民的身体健康造成较大影响，迫使美国环境保护局采取巨额的补救措施进行后续修复工作[21] 。

目前，我国典型项目对污染物及水文地质条件的刻画同样存在较大不足. 针对这一现状，需要进一步通过科学合理的研究进行解决：① 需要对监测网络和取样方法进行优化[22]，在传统的网格布点基础上，根据前期资料收集、人员访谈等信息的分析结果，在潜在污染源附近进行布点，尽可能在有限的成本下捕捉更多的信息. ② 需要对采样指标及其检测方法进行规范和优化，并对目前部分行业标准和技术规范的可操作性进行提升. ③ 在检测过程中，对于非常规污染物也需要加强检测，完善风险评估的方法，通过多元数据统计方法的应用辅助刻画污染物的分布. ④ 对于物探方法也需要进一步研究，通过研发更加精细的物探方法，进而有效刻画场地的水文地质条件. ⑤ 需要将理论模型与实测数据相互验证并且建立完整的决策支撑系统，进一步对污染物及水文地质条件精准刻画，从而高效地支持后续的工作。

2.3 水土协同治理

图 3 土壤与地下水间污染物相互传输的概念模型[24]

Fig.3 Conceptual model of contaminant transport between soil and groundwater[24]

2021 年 11 月 2 日，中共中央、国务院印发《关于深入打好污染防治攻坚战的意见》，提出“强化地下水污染协同防止”的要求，体现了“水土协同治理”的发展趋势. 针对我国地下水生态环境保护整体基础薄弱的问题，结合土壤和地下水污染的现状，对未来水土协同治理提出科学性的研发需求：首先，需要明确各类污染物在包气带中的迁移规律，根据污染物性质、污染程度及地层结构等实际情况，建立并优化迁移模型，深度分析场地内污染物的迁移转化特征[25-26]；其次，为了实现高效的可持续性修复，需准确评估污染修复对环境的影响[27]，在风险评估时需要考虑和分析土壤地下水中污染物的迁移趋势，进而针对修复技术的长效性进行可行性分析；最后，修复技术的有效应用实践是“水土协同治理”的关键，针对不同污染场地状况，结合现阶段国内外常用的修复方法[28]，耦合与优化现有的污染土壤与地下水治理修复技术[12]，进一步解决技术与成本问题。

2.4 低渗透地层及透镜体的反向扩散

当地下水受到污染后，污染物随着地下水流动将首先进入高渗透区域，并与低渗透区域之间产生浓度梯度. 随后，污染物通过扩散进入低渗透区域，并在其内部积累(正向扩散). 当污染物进一步向下游区域迁移或对地下水进行修复时，高渗透区域的污染物浓度将减少，此时浓度梯度逆转，低渗透性区域中积累的污染物将重新释放进入高渗透区域中，这种现象称为反向扩散(back diffusion)，如图 4(a)所示[29-30]。

图 4 低渗透区域污染物反向扩散过程及其工程影响[29]

Fig.4 Back diffusion of pollutants in low permeability area and its influence on remediation[29]

反向扩散是目前全世界地下水污染场地管理所面临的最大技术挑战之一[31]. 受到污染的低渗透区域(如低渗透地层与透镜体)是活跃的、持久的次级污染源[32]，能够持续向地下水中释放污染物，造成污染长期存在于地下水中. 因此，对于多种常用的修复方法(如抽出处理[31]、微生物好氧修复[33]、原位氧化[34]等)，反向扩散将影响其修复效率，延长其修复时间. 此外，透镜体“污染源”的地下位置难以确定，也进一步增加了修复工作的难度[31]. 反向扩散的影响因素包括低渗透区域的几何形状、滞留因子、地下水流速以及非均质含水层中渗透系数级差等[35]. 针对反向扩散重点需要突破的方向包括研发精确的溯源与定位技术，精准判断低渗透地层及透镜体的位置，并在此基础上进一步研究定量分析与模拟方法，为原位修复和风险管控长期监管提供支撑。

2.5 原位氧化和生物修复过程中的有毒副产物生成

原位化学氧化(ISCO)和生物修复是土壤与地下水修复的重要手段，具有对场地扰动小，成本低等优点[36]. 但这两种修复技术在修复过程中可能产生有毒副产物，对地下水造成二次污染. 相关研究表明，有毒副产物的来源主要是场地中预先存在的重金属经氧化还原反应或受 pH 影响导致的形态变化[37]，以及有机物的不完全降解[3]. 例如，原位化学氧化过程中生成六价铬等高毒性次生污染物，原位四氯乙烯或三氯乙烯厌氧生物脱氯生成毒性更高的氯乙烯等. 根据副产物类型与常见的原位化学氧化和生物修复的技术类别，将国内外实际修复工程中检测到的有毒副产物进行了总结(见表 2)。

表 2 地下水典型污染物的有毒副产物

Table 2 Toxic by-products formed by groundwater remediation

根据调查，部分发达国家已展开了针对有毒副产物的管控，如 US EPA 在系列技术指南中明确要求，对修复过程中产生的有毒副产物进行检测与监管[41]. 但目前，我国土壤与地下水修复的相关技术指南中，仅《污染地块地下水修复和风险管控技术导则》(HJ 25.6—2019)提出了含氯有机物的降解产物具有一定的毒性风险，且未明确对潜在有毒副产物的监测与控制措施. 因此，需进一步展开研究，①分析原位修复过程中污染物降解产物的毒性，并制定相应的监测方法；②探究有毒副产物的产生受 pH、氧化还原电位等因素影响的具体机理；③针对我国特定的场地特性和水文地质条件，构建实际工程中针对原位氧化与生物修复的长期监测与有毒副产物的预警方法。

2.6 物理分离技术的拖尾

拖尾现象是指在修复系统运行初期，地下水污染物会呈现明显的去除效果，随着修复系统持续运行，污染物的去除速率逐渐降低，导致污染物浓度趋向于水平渐近线〔见图 3(b). 拖尾是在使用气相抽提、地下水抽出处理等将污染物进行物理分离后处置的技术中经常碰到的技术挑战，在国内外的修复工程中均有发生. 拖尾现象的本质是污染物在相间的非平衡态迁移[42]，即污染物在气相、液相、固相中的某一相中富集，导致污染物存在持续跨界传质，其发生主要归因于地层的非均质性[43]、污染物解吸及 NAPL 溶解[44]. 研究[45]发现，含水层中存在大量的有机质可有效吸附污染物，从而导致更长时间的低速率拖尾现象. 此外，对含水层介质的研究[42]发现，在有低渗透单元的含水层中，后期污染物的释放主要由扩散和吸附控制，无论含水层内部介质之间的渗透性差异如何，吸附能力的较大差异都将导致拖尾的产生. 单纯增加抽取地下水流量仅能促进低渗透区外部污染物的清除，而对内部污染物的扩散影响甚微. 因此，加速污染物向水相的溶解是解决拖尾问题的关键. 如使用表面活性剂增强修复等强化手段，将有利于污染物的相对快速释放[46]；同时，抽提策略的优化组合也有待后续深入研究，以达到缩短修复时间的目的[47]。

2.7 地下水修复中的污染物反弹

污染反弹是指在修复治理中污染物浓度大幅降低并达到修复标准，但在停止修复后污染物浓度再次增加并重新超过修复标准的现象(见图 3(c))[29,48]. 污染物反弹将为原位修复和风险管控方式(如原位化学氧化、原位生物强化等)的达标带来障碍. 在修复过程中造成反弹效应的原因主要是：污染物会通过扩散、吸附等物理化学作用被低渗透地层中的细颗粒所捕获，当地下水中污染物经修复后浓度降低，被捕获污染物开始发生反向扩散，造成污染物反弹[49]. Mcguire 等[50]评估了采用不同修复技术的 59 个氯代溶剂污染场地的修复效果，分析发现虽然修复使污染物浓度下降了 70%~96%，但在停止修复后，并没有场地能达到最大污染限值标准. 其中，在实施化学氧化的场地反弹现象最为普遍，而表面活性剂/助溶剂和热处理修复在处理后监测期间(1 年以上)内浓度变化最小. 因此，如何对于地层和污染分布进行精准刻画，进而识别可能的“反弹来源”，以及如何利用模型等手段对于污染物的迁移修复过程进行精准模拟，进而对于污染进行有针对性的修复，减少“反弹”过程，是当前面临的重大挑战. 同时，通过开发完善修复方法，可以有效改善污染物反弹现象. 现有研究证明，高效的控释/缓释材料可能是未来解决污染物浓度反弹的有效手段，该材料能够缓慢长时间地释放其活性物质，以维持修复的长效持久性[51]. 另外，我国目前实行的《污染地块地下水修复和风险管控技术导则》要求地下水修复后需经过 1~2 年的后期监测，方可确认修复效果达标. 这一要求的缘由和修复中污染物反弹息息相关. 根据欧美等国的修复工程经验，两年的监测时间并不算长，但是目前国内修复行业由于业主支付方式等问题，从业单位在应对两年的后期监测和地下水修复反弹等问题时存在很大的困难. 从行业发展的角度，需要进行相关的科学研究，加强从技术到管理的衔接，解决这一行业痛点问题。

2.8 大型复杂污染场地的治理与管控

大型复杂污染场地是指场地规模大、污染情况复杂的污染场地[52]. 大型复杂污染场地的土壤和地下水污染空间异质性较强[53]，因此对其场地调查与修复治理提出了更高的要求. 较一般场地而言，治理大型复杂场地所需时间更长、经济成本更高，其造成的环境影响更为广泛[21]，是目前国外内地下水修复领域的难点. 以澳大利亚某大型复杂工业场地[21]为例，1960s 该工厂的化学原料仓库遭受火灾，致使超过 100 t 的氯化碳氢化合物释放进入当地土壤与地下水；2007 年起，该场地使用空气扰动/气相抽提(AS/SVE)技术进行修复，以限制地下水中氯代烃的迁移；但后期监测中发现，由于场地地层的复杂性，AS/SVE 反而导致原始 DNAPL 区域一分为二，存在 60%的污染物绕过 AS 的影响范围继续迁移；经过更严密地调查与中试试验后，该场地于 2014 年改为使用增强原位生物修复(EISB)技术进行更进一步的原位修复，目前已修复约 80%的氯代烃污染。

场地调查方面，地下管线、裂隙或局部高渗透性介质形成的优先通道问题在大型复杂污染场地中尤为突出，导致场地内污染物的空间分布难以被准确刻画；场地含水层间的补给、地下水与地表水间的补给、地下水位波动等对污染物的迁移也有着显著影响[54-55] . 修复技术方面，场地异质性和污染复杂性可能导致地下不均一的生物地球化学条件，甚至高盐度、高碱度的极端地层环境，使污染物化学氧化还原或生物降解的效率下降，极大增强了治理的难度. 污染物间的复合，如石化场地中同时存在苯系物和氯代烃污染，二具有不同的迁移特性(LNAPL 和 DNAPL)和反应条件(氧化和还原)，使用单一的修复技术难以有效应对. 由于大型复杂污染场地治理时间较长，实际修复工程所面临的挑战更为明显[21]，如气候变化对修复运行造成的挑战，海平面上升可造成植物修复系统的失效(见图 5 [19]). 此外，修复系统在冬季寒冷条件下运行，往往需要更高的运营管理水平，局部地区冬季出现的冻土现象也导致钻探、挖掘的施工困难；雨季的极端暴雨甚至可能使修复系统失效. 针对大型复杂污染场地的治理，需要加强在污染调查上的投入，实现精细的污染三维空间刻画；技术上需要研究耦合生物处理与化学处理等的处理序列 (treatment train)方法；治理策略上需要研究分区分级治理，修复与风险管控相结合的技术体系。

图 5 大型复杂系统中植物修复系统的长效性[19]

Fig.5 Long-term performance of phytoremediation systems in large complex sites[19]

2.9 岩溶裂隙水污染迁移与风险管控方法

2.10 地下水中新污染物

3 结论与展望

a) 通过对地下水领域文献以及实际修复工程的统计发现，我国工业场地地下水污染问题突出. 为了贯彻落实《土壤污染防治法》与《地下水管理条例》，工业污染场地地下水污染治理仍面临着严峻的挑战. 该研究总结了工业场地地下水污染治理的十大科技挑战：地下水修复与风险管控的绿色可持续性，污染物及水文地质条件的精准刻画与风险评估，水土协同治理，低渗透地层及透镜体的反向扩散，原位氧化和生物修复过程中的有毒副产物生成，物理分离技术的拖尾，地下水修复中的污染物反弹，大型复杂污染场地的治理与管控，岩溶裂隙水污染迁移与风险管控方法，地下水中新污染物。

b) 针对工业场地地下水污染修复和风险管控面临的巨大挑战，需要从污染物释放迁移机理、污染调查与监测方法、修复与管控技术工艺与材料，绿色可持续应用等方面进行深入研究，为进一步完善我国工业场地地下水污染修复和风险管控技术及其管理体系提供支撑. 机理研究方面，应结合理论、模型和实地观测，加强对各类污染物的迁移转化规律研究，如污染物在包气带的迁移模拟，以及特定水文地质条件下(如裂隙水)污染物的迁移研究. 污染调查与监测方面，应在现有的场地调查技术体系基础上优化地下水取样方法及监测网络布设方法，加强土壤气监测、数值模型在场地地下水污染调查中的应用，研发地下水污染精准溯源与定位技术，完善长期监测和预警体系. 技术工艺与材料研发方面，应充分认识地下水修复“宜慢不宜快”的特点，推动低耗长效修复技术与绿色修复材料的研发与应用，通过对现有技术的耦合、优化，实现水土协同修复. 最后，在绿色可持续应用方面，应完善可持续性评价方法与指标体系，从全生命周期角度评估地下水污染修复和风险管控的二次影响，通过定量或半定量的评估方法优选综合效益最佳的修复和风险管控技术路线。

文章来源：《环境科学研究》