鄭曉笛,滕彥國(guó),宋柳霆,胡 斌,翟遠(yuǎn)征,左 銳,楊 潔,張波濤

(1. 北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院,北京 100875; 2. 地下水污染控制與修復(fù)教育部工程研究中心,北京 100875)

岸濾取水也稱傍河取水(riverbank filtration,簡(jiǎn)稱RBF),是指在距河流或者湖泊一定的距離內(nèi),利用河岸或者湖岸天然的凈化能力,采用抽水井開采飲用水的一種取水方式。在岸濾系統(tǒng)運(yùn)行的過程中,水體中的污染物通過水力作用、機(jī)械作用、生物作用以及物理化學(xué)作用等其他天然衰減作用可以得到較好的去除(圖1)[1]。因此,岸濾取水作為一種高效率、低成本的飲用水預(yù)處理方式,在世界范圍內(nèi)受到普遍關(guān)注[2]。

圖1 岸濾取水過程示意圖[1]

岸濾取水始于1810年的歐洲萊茵河、易北河、多瑙河和塞納河的沿岸國(guó)家[3]。二戰(zhàn)后,隨著歐洲經(jīng)濟(jì)和人口數(shù)量的增長(zhǎng),市政生活污水和工業(yè)廢水的排放等,使河流受到嚴(yán)重污染,水資源短缺問題日益嚴(yán)重。歐洲國(guó)家利用其部分城市距河流較近的優(yōu)勢(shì),采用岸濾取水的方式解決其工業(yè)化進(jìn)程中飲用水不足的問題。在柏林、斯洛伐克共和國(guó)、匈牙利、德國(guó)以及荷蘭,岸濾取水分別占其飲用水總需求的70%、50%、45%、16%以及5%,逐漸成為這些地區(qū)的飲用水來(lái)源之一[1,4-5]。另外,在美國(guó)岸濾取水已有50多年歷史,尤其是在北美地區(qū),岸濾取水是獲取飲用水的重要方式之一[6-7]。隨著全球工業(yè)化發(fā)展,河流湖泊水體污染日趨嚴(yán)重,地下水開采超支造成地面沉降、地面塌陷等問題,中國(guó)、印度、韓國(guó)、埃及以及約旦等許多國(guó)家也開始采用岸濾取水方式來(lái)獲取飲用水。中國(guó)的黃河 “九五”灘地和“北郊”兩個(gè)傍河開采地下水源地已投產(chǎn)運(yùn)行多年,緩解了河南地區(qū)水處理成本高、飲水緊張等問題[8-10]。經(jīng)過多年的發(fā)展,岸濾取水的相關(guān)研究已逐漸從水量研究轉(zhuǎn)向水量和水質(zhì)相結(jié)合的研究,并取得了一定的研究成果。本文主要對(duì)近年來(lái)岸濾系統(tǒng)內(nèi)的典型污染物、不同類型污染物的去除機(jī)制及其影響因素以及典型污染物的環(huán)境行為及去除技術(shù)等,進(jìn)行概括、總結(jié)和展望。

1 岸濾系統(tǒng)內(nèi)的典型污染物

近年來(lái),隨著土地利用類型的多樣化,岸濾系統(tǒng)內(nèi)污染物含量及種類逐漸增加(表1)[11]。本文基于岸濾系統(tǒng)內(nèi)污染物的文獻(xiàn)報(bào)道頻率以及危害性,篩選出氨氮、鐵錳、微量有機(jī)污染物等典型污染物,綜述其在岸濾系統(tǒng)內(nèi)的來(lái)源、存在形式及去除作用。

表1 岸濾系統(tǒng)內(nèi)典型污染物[11]

1.1 氨氮

1.2 鐵和錳

工業(yè)發(fā)展速度的加快,使水體中重金屬污染越來(lái)越嚴(yán)重[17]。其中,鐵錳含量的超標(biāo)現(xiàn)象最為普遍。在我國(guó),含鐵錳是北方地下水水質(zhì)的主要特點(diǎn)之一,尤其是在陜西、青海、甘肅的中北部及東北松花江流域等地區(qū)鐵錳含量較高[18-19]。因此,地下水除鐵、除錳技術(shù)一直受到專家學(xué)者和工程技術(shù)人員廣泛的重視[20]。研究表明,岸濾系統(tǒng)對(duì)水體中重金屬的去除效果較好,其中對(duì)鐵的去除率高達(dá)90%以上,對(duì)錳的去除率也在60%以上[21]。同時(shí),岸濾系統(tǒng)對(duì)鐵錳的去除作用在一定程度上會(huì)影響系統(tǒng)內(nèi)其他重金屬污染物的歸趨。Grischek等[22]指出，存在于水井周圍所謂的“交互帶”(即岸濾系統(tǒng))對(duì)Fe(II)具有較高的吸附能力,水體pH值、自催化作用和微生物調(diào)解作用會(huì)使錳發(fā)生氧化反應(yīng),而銨和砷會(huì)在這種氧化和沉淀作用過程中被去除。當(dāng)?shù)叵滤槌鰰r(shí),岸濾系統(tǒng)會(huì)通過對(duì)富氧水體的過濾而再生[23]。

1.3 微量有機(jī)污染物(OMPs)

地下水中常見的微量有機(jī)污染物(OMPs)主要包括石油烴(BTEX)、多環(huán)芳烴(PAHs)和氯代烴(CAHs)等有機(jī)污染物,以及殺蟲劑、防腐劑等其他污染物[24]。岸濾系統(tǒng)可以通過含水層本身的特性及生物活動(dòng)去除這些微量有機(jī)污染物。研究表明,岸濾取水依靠岸濾系統(tǒng)本身的吸附作用以及生物降解作用對(duì)BTEX的去除率在65%以上,并且去除率隨著苯、甲苯、乙苯、二甲苯依次增高。岸濾系統(tǒng)雖然可以通過去除一定濃度的BTEX混合物來(lái)保護(hù)地下水,但其凈化率會(huì)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)和污染物濃度的增加而降低[25-26]。而對(duì)于已受PAHs污染的傍河沉積物來(lái)說(shuō),PAHs的濃度受控于細(xì)菌菌落的組成[27-28]。Gloria等29]的研究顯示,PAHs的濃度主要受控于細(xì)菌菌落中的δ-變形細(xì)菌、壁菌門、類桿菌等菌群,并且在這一過程中PAHs中大量的種系列可與還原性硫酸鹽菌相結(jié)合,促進(jìn)PAHs的降解。另外,有機(jī)磷酸酯類(OPs)和醚類物質(zhì)作為岸濾取水和地下水流動(dòng)過程中的一種有機(jī)示蹤劑,已有研究證實(shí)岸濾系統(tǒng)對(duì)OPs的去除效果優(yōu)于醚類物質(zhì),并且其去除率可達(dá)72%～99%[30]。

在農(nóng)耕區(qū),農(nóng)藥、化肥等的使用是威脅區(qū)域地下水質(zhì)量的主要因素。據(jù)報(bào)道,Platter河利用岸濾系統(tǒng)降低除草劑三嗪和乙酰胺等的濃度時(shí),除草劑的代謝物濃度會(huì)升高[31]。Sung等[32]和Kuster等[33]研究時(shí)間和空間尺度上藥物活性化合物(PhACs)、環(huán)境內(nèi)分泌干擾物(EDCs)、個(gè)人護(hù)理用品(PCPs)等有機(jī)微量污染物(OMPs)以及農(nóng)藥類物質(zhì)在RBF過程中的去除情況,結(jié)果表明,岸濾系統(tǒng)可以使污染物的濃度降到很低。同時(shí),針對(duì)生物降解作用對(duì)岸濾系統(tǒng)中抗生素的高效去除作用,文獻(xiàn)[34]對(duì)岸濾系統(tǒng)中3種土壤典型抗生素四環(huán)素、紅霉素和磺胺塞唑進(jìn)行研究,結(jié)果表明,土壤顆粒和混合物之間的電子吸引力對(duì)紅霉素的去除具有重要影響,而生物活動(dòng)和土壤吸附作用是磺胺噻唑去除的主要控制因素。

1.4 細(xì)菌類

地下水中的細(xì)菌類污染物大多來(lái)源于糞便污染,并且水環(huán)境中的病原微生物具有濃度低、難檢測(cè)等特點(diǎn)[34]。研究表明,岸濾系統(tǒng)利用自身天然過濾作用,可以將河水或者河床沉積物中的固體懸浮物(以濁度為指標(biāo))、病原微生物和指標(biāo)性細(xì)菌(E.coil)、溶解的化學(xué)物質(zhì)以及天然有機(jī)質(zhì)去除[2,35]。Prakash等[36]研究了印度赫爾德地區(qū)RBF系統(tǒng)對(duì)于濁度、有機(jī)質(zhì)和糞便性污染的凈化效果,揭示隱孢子蟲(Cryptosporidium)和鞭毛蟲(Giardia)在某些河水中出現(xiàn),卻從未出現(xiàn)在與河水有任何水力聯(lián)系的傍河開采井中。張威娜等[37]對(duì)鄭州“九五”灘地傍河取水工程進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)取樣,測(cè)定水中微囊藻毒素和藻毒素的含量,發(fā)現(xiàn)岸濾系統(tǒng)對(duì)兩類微生物的去除效果良好,去除率在90%以上。

2 岸濾系統(tǒng)對(duì)典型污染物的去除機(jī)制

岸濾系統(tǒng)對(duì)典型污染物的去除主要發(fā)生在地表水和地下水之間的過渡帶沖積平原。此區(qū)域內(nèi)的生物地球化學(xué)作用相比于地表水和地下水區(qū)域更加強(qiáng)烈,污染物受光、溫度、pH、氧化還原電位、DO以及有機(jī)質(zhì)等動(dòng)態(tài)混合作用的影響,通過微生物降解、吸附以及鈍化等作用得以去除。在此過程中,伴隨著有機(jī)質(zhì)與有機(jī)污染物降解的生物活動(dòng)所造成的氧的快速消耗,形成岸濾系統(tǒng)內(nèi)的厭氧區(qū)。同時(shí),此厭氧條件會(huì)增加反硝化細(xì)菌和還原性硫酸鹽細(xì)菌的活性,形成有利于鐵錳氧化物溶解的高還原性區(qū)域(圖2)[38]。

圖2 交互區(qū)水化學(xué)變化示意圖[38]

隨著與河道距離的增大、生物活性的降低和非飽和帶中氧含量的增加,岸濾系統(tǒng)由還原區(qū)域過渡到氧化區(qū)域。在此區(qū)域中,經(jīng)過氧化還原作用,地下水中鐵錳及其沉淀物會(huì)吸附在多孔介質(zhì)顆粒的表面,進(jìn)而被去除。此外,介質(zhì)顆粒表面會(huì)在生物地球化學(xué)作用的影響下,形成具有吸附性的生物膜。隨著河水滯留時(shí)間的增加,生物膜面積隨之增加,使含水層介質(zhì)空隙減少,導(dǎo)致含水層滲透性下降。同時(shí),岸濾系統(tǒng)內(nèi)含水層的堵塞會(huì)引起細(xì)粒沉積物(小于2 mm)的滯留,尤其是硫化物和氧化物的沉淀[39],使含水層的滲透性進(jìn)一步降低。岸濾系統(tǒng)對(duì)污染物的去除存在不同的機(jī)制,主要包括降解去除有機(jī)污染物機(jī)制、遷移轉(zhuǎn)化去除無(wú)機(jī)污染物機(jī)制,以及自然過濾去除微生物病原體機(jī)制等。

2.1 對(duì)有機(jī)污染物的去除機(jī)制

岸濾系統(tǒng)作為一種以生物降解作用為主的去除有機(jī)污染物的前處理方法而被廣泛應(yīng)用[32-33]。其去除效果主要受控于特定污染物的性質(zhì)、生物化學(xué)降解潛力、含水層中有機(jī)質(zhì)的含量、生物活性、過濾速率以及生物降解率等[40]。而含水層氧化還原條件和流經(jīng)時(shí)間共同作用則會(huì)影響特定有機(jī)污染物的去除(如抗菌藥物的殘留)[25-26]。盡管已經(jīng)證實(shí)岸濾系統(tǒng)作為一種前處理手段,對(duì)大量有機(jī)污染物具有良好去除效果,然而對(duì)某些特定的有機(jī)污染物,如殺蟲劑、藥物以及鹵代烴類污染物，去除效率相對(duì)較差[34]。

2.2 對(duì)無(wú)機(jī)污染物的去除機(jī)制

2.3 對(duì)微生物病原體的去除機(jī)制

地下水中微生物病原體的遷移轉(zhuǎn)化受控于對(duì)流-彌散、過濾、濾除、鈍化、溶解以及沉降等作用,其中,鈍化和過濾作用是岸濾系統(tǒng)內(nèi)微生物的主要去除作用[36,47]。隨著時(shí)間的推移,鈍化作用會(huì)造成細(xì)菌外層蛋白破壞、核酸生物降解,致使病原體失活后影響其宿主細(xì)胞的活性。這一過程主要受控于溫度、顆粒物和土壤的吸附作用以及微生物的活性[36,48]。岸濾系統(tǒng)對(duì)微生物病原體的去除表現(xiàn)為微生物粒子的物理去除過程,此過程中微生物病原體污染物被自身顆粒大小和含水介質(zhì)本身的孔隙大小所控制。McDowell-Boyer等[49]的研究表明,含水介質(zhì)直徑/顆粒直徑>20 mm,過濾作用非常明顯;10 mm<含水介質(zhì)直徑/顆粒直徑<20 mm,去除顆粒的作用明顯;含水介質(zhì)直徑/顆粒直徑<10 mm,則沒有顆?？赏ㄟ^多孔介質(zhì)。有關(guān)岸濾系統(tǒng)中溶解的、顆粒的以及微生物的污染物的去除機(jī)制尚不清晰,需要對(duì)污染物的遷移轉(zhuǎn)化機(jī)制進(jìn)行更深入的研究,以利于與后續(xù)處理程序相連接的岸濾系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)行及其優(yōu)化方案的提出。

3 岸濾系統(tǒng)中典型污染物去除的影響因素

研究表明,利用岸濾系統(tǒng)本身特性,通過水力調(diào)控來(lái)提高抽水井出水水質(zhì),主要取決于3方面因素:區(qū)域水文地質(zhì)條件、取水構(gòu)筑物的選擇以及取水過程中的生物地球化學(xué)作用[38]。

3.1 區(qū)域水文地質(zhì)條件

源水水質(zhì)、溫度、含水層的氧化還原特性、土著生物群落的生態(tài)能力是影響岸濾系統(tǒng)內(nèi)區(qū)域水文地質(zhì)條件的主要因素[32,50]。另外,區(qū)域水文地質(zhì)條件尤其是岸濾取水水源地河床和河岸水力滲透系數(shù)的變化,會(huì)對(duì)存儲(chǔ)于含水層表層的水和釋放到河水中的化學(xué)物質(zhì)產(chǎn)生影響[51]。Dash等[5]模擬岸濾系統(tǒng)內(nèi)溫度、含氧量以及有機(jī)質(zhì)對(duì)6種PhAcs不同的去除效果,指出傍河取水過程中必須調(diào)查清楚區(qū)域水文地質(zhì)條件(如水溫、溶解氧含量等),因?yàn)閰^(qū)域水文地質(zhì)條件是影響PhAcs去除過程中生物降解和吸附作用的主要影響因素。Regnery等[50]對(duì)科羅拉多河附近的岸濾系統(tǒng)在不同時(shí)間及水質(zhì)參數(shù)(源水水質(zhì)、溫度等)條件下運(yùn)行的穩(wěn)定性進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)7年的研究,通過檢測(cè)統(tǒng)計(jì)岸濾系統(tǒng)對(duì)有機(jī)痕量物質(zhì)(TOrC)、溶解有機(jī)碳(DOC)以及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)去除效率的季節(jié)性差別,指出岸濾系統(tǒng)可以作為一個(gè)環(huán)境單元穩(wěn)定地運(yùn)行;同時(shí),利用研究區(qū)內(nèi)特殊的地形條件,增加取水過程中的水力停留時(shí)間等,同樣可以使岸濾系統(tǒng)內(nèi)污染物濃度降低,提升污染物去除效果。有研究者[52]利用埃及尼羅河的河床地帶覆蓋有淺層黏土的特殊地形條件,采取對(duì)RBF生產(chǎn)井中添加砂濾柱,誘導(dǎo)水流優(yōu)先流過黏土層的方式,增加傍河取水過程中的產(chǎn)氧量,阻止鐵和錳遷移轉(zhuǎn)化,建立了一種岸濾取水過程中原位去除Fe和Mn的方法(圖3)。

圖3 利用RBF區(qū)域黏土地形布置開采井示意圖[52]

另外,Rashid等[53]則在馬來(lái)西亞利用人工屏障技術(shù)(即artifical barrier,簡(jiǎn)稱AB)對(duì)岸濾取水過程中的固體顆粒以及重金屬鐵進(jìn)行預(yù)處理。人工屏障技術(shù)是一種利用人工豎直柱對(duì)RBF過程中抽取的水進(jìn)行凈化的手段,具體是利用當(dāng)?shù)赝寥?主要包括黏土、砂質(zhì)黏壤土以及沙壤土)與顆?；钚蕴亢头惺?∶2∶3的比例混合,使?jié)岫群丸F的去除率分別由當(dāng)?shù)赝寥捞幚淼?9%～88% 和74%～87%,上升到76%～98.8%和73%～92%(圖4)。因此,選取適宜的傍河水源地,首先需要調(diào)查清楚傍河水源地的區(qū)域水文地質(zhì)條件;其次是針對(duì)不同的區(qū)域水文地質(zhì)條件,設(shè)計(jì)不同的取水方案,降低污染物的出水濃度。

圖4 AB技術(shù)中PRB技術(shù)裝置示意圖[53]

3.2 取水構(gòu)筑物的選擇

合理選擇利用取水構(gòu)筑物是利用研究區(qū)的自然、地質(zhì)及水文地質(zhì)條件、污染物的性質(zhì)和分布情況等,以及適當(dāng)?shù)某樽⑺?形成最佳的地下水人工流場(chǎng),有效截取地下水中污染物的必要條件[54]。當(dāng)前開采地下水常用的取水構(gòu)筑物主要有2類,分別是垂直取水構(gòu)筑物,如管井、大口井等,以及水平取水構(gòu)筑物,如滲渠(集水廊道)、通河井等(圖5)[55-56]。岸濾取水過程中影響水平井和豎井選擇的因素有很多,其中抽水速率以及含水層厚度是兩個(gè)最重要的因素,其次是土壤質(zhì)地。同時(shí),抽水時(shí)長(zhǎng)以及抽水速率也是評(píng)價(jià)傍河取水污染物濃度的重要參數(shù)[57]。王含婧等[16]對(duì)管井分布距離與污染物去除率之間是否存在相關(guān)性進(jìn)行了探討,對(duì)6口管井出水進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)。以總磷、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)以及UV254(表示含有苯環(huán)結(jié)構(gòu)和共軛雙鍵結(jié)構(gòu)有機(jī)物的含量)的去除率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,發(fā)現(xiàn)在距黃河1500m的21號(hào)管井,各污染物的去除率最高,分別是84.07%、94.67%、91.39%以及81.52%,加大或降低管井分布距離都會(huì)使污染物的去除率降低。另外,傍河取水過程中可采用輻射井傍河取水工藝,因?yàn)橄啾扔谄胀ㄈ∷に?輻射井技術(shù)具有成本低、出水質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)[54]。

圖5 傍河取水過程中監(jiān)測(cè)井示意圖[57]

3.3 生物地球化學(xué)作用

岸濾取水過程中的生物地球化學(xué)作用十分復(fù)雜,包括氧化還原環(huán)境的變化、生物降解作用以及CaCO3的溶解作用等[22]。目前,已有的研究多采用室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)和小范圍現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)來(lái)觀察生物地球化學(xué)作用對(duì)污染物的去除效果。Grischek等[22]對(duì)岸濾取水距離與生物活性之間的關(guān)系進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,隨著取水距離的增加,生物活性逐漸降低(圖6)。Grischek等[22]還在穩(wěn)定流的假設(shè)條件下模擬反硝化作用,模型估算的反硝化速率為每天0.04 mg/L;而室內(nèi)試驗(yàn)的反硝化速率為每天0.1～3.2 mg/L,導(dǎo)致結(jié)果不同的主要原因是河水的物理化學(xué)作用。Laszlo等[11]針對(duì)匈牙利多瑙河岸濾取水地區(qū)擁有大面積較好的水力傳導(dǎo)系數(shù)的沖積砂礫石進(jìn)行了室內(nèi)和室外實(shí)驗(yàn),開展基于污染物質(zhì)和多孔介質(zhì)特征的吸附作用研究,并對(duì)污染物質(zhì)的去除率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。其室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)主要采用批試驗(yàn)和柱子試驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,有機(jī)微量污染物在溶解相和固相的分配受過濾介質(zhì)中有機(jī)碳含量的影響很大,重金屬的離子交換作用或者吸附作用則主要受控于過濾介質(zhì)的比表面積(圖6)。由于變化的物理和地球化學(xué)作用,很難在有限的數(shù)據(jù)下清楚地解釋岸濾取水過程對(duì)微生物的運(yùn)移作用，進(jìn)而對(duì)取水過程中由物理和地球化學(xué)作用造成的非均質(zhì)多孔介質(zhì)的堵塞現(xiàn)象機(jī)理也不清楚。筆者認(rèn)為,后續(xù)應(yīng)采用室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)多孔介質(zhì)中控制微生物運(yùn)移的基礎(chǔ)過程進(jìn)行機(jī)理研究,為后期關(guān)于堵塞現(xiàn)象的研究提供理論基礎(chǔ)。

圖6 岸濾取水距離與生物活性之間關(guān)系示意圖[22]

4 結(jié) 語(yǔ)

盡管國(guó)內(nèi)外在岸濾系統(tǒng)內(nèi)污染物的去除機(jī)制及影響因素研究方面已經(jīng)取得了一定成果,但已有的研究主要著眼于岸濾系統(tǒng)與工程措施聯(lián)用對(duì)水體的凈化,而對(duì)岸濾系統(tǒng)內(nèi)部不同類型污染物遷移轉(zhuǎn)化機(jī)理的研究仍然較為薄弱;同時(shí),岸濾系統(tǒng)的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行可能會(huì)導(dǎo)致污染物的積累,進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象,甚至在一定條件下造成二次污染。筆者認(rèn)為,深化認(rèn)識(shí)岸濾系統(tǒng)內(nèi)部典型污染物的遷移轉(zhuǎn)化行為及其制約因素,可為今后岸濾取水相關(guān)工程措施的改良提供科學(xué)依據(jù),進(jìn)而推進(jìn)岸濾取水方式的發(fā)展,有效緩解地下水資源短缺問題。

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