岸濾系統對典型污染物的去除機制及影響因素

鄭曉笛,滕彥國,宋柳霆,胡 斌,翟遠征,左 銳,楊 潔,張波濤

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

岸濾取水也稱傍河取水(riverbank filtration,簡稱RBF),是指在距河流或者湖泊一定的距離內,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。在岸濾系統運行的過程中,水體中的污染物通過水力作用、機械作用、生物作用以及物理化學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、低成本的飲用水預處理方式,在世界范圍內受到普遍關注[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家[3]。二戰后,隨著歐洲經濟和人口數量的增長,市政生活污水和工業廢水的排放等,使河流受到嚴重污染,水資源短缺問題日益嚴重。歐洲國家利用其部分城市距河流較近的優勢,采用岸濾取水的方式解決其工業化進程中飲用水不足的問題。在柏林、斯洛伐克共和國、匈牙利、德國以及荷蘭,岸濾取水分別占其飲用水總需求的70%、50%、45%、16%以及5%,逐漸成為這些地區的飲用水來源之一[1,4-5]。另外,在美國岸濾取水已有50多年歷史,尤其是在北美地區,岸濾取水是獲取飲用水的重要方式之一[6-7]。隨著全球工業化發展,河流湖泊水體污染日趨嚴重,地下水開采超支造成地面沉降、地面塌陷等問題,中國、印度、韓國、埃及以及約旦等許多國家也開始采用岸濾取水方式來獲取飲用水。中國的黃河 “九五”灘地和“北郊”兩個傍河開采地下水源地已投產運行多年,緩解了河南地區水處理成本高、飲水緊張等問題[8-10]。經過多年的發展,岸濾取水的相關研究已逐漸從水量研究轉向水量和水質相結合的研究,并取得了一定的研究成果。本文主要對近年來岸濾系統內的典型污染物、不同類型污染物的去除機制及其影響因素以及典型污染物的環境行為及去除技術等,進行概括、總結和展望。

1 岸濾系統內的典型污染物

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

表1 岸濾系統內典型污染物[11]

1.1 氨氮

1.2 鐵和錳

工業發展速度的加快,使水體中重金屬污染越來越嚴重[17]。其中,鐵錳含量的超標現象最為普遍。在我國,含鐵錳是北方地下水水質的主要特點之一,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鐵錳含量較高[18-19]。因此,地下水除鐵、除錳技術一直受到專家學者和工程技術人員廣泛的重視[20]。研究表明,岸濾系統對水體中重金屬的去除效果較好,其中對鐵的去除率高達90%以上,對錳的去除率也在60%以上[21]。同時,岸濾系統對鐵錳的去除作用在一定程度上會影響系統內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)對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解作用會使錳發生氧化反應,而銨和砷會在這種氧化和沉淀作用過程中被去除。當地下水抽出時,岸濾系統會通過對富氧水體的過濾而再生[23]。

1.3 微量有機污染物(OMPs)

地下水中常見的微量有機污染物(OMPs)主要包括石油烴(BTEX)、多環芳烴(PAHs)和氯代烴(CAHs)等有機污染物,以及殺蟲劑、防腐劑等其他污染物[24]。岸濾系統可以通過含水層本身的特性及生物活動去除這些微量有機污染物。研究表明,岸濾取水依靠岸濾系統本身的吸附作用以及生物降解作用對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。岸濾系統雖然可以通過去除一定濃度的BTEX混合物來保護地下水,但其凈化率會隨著時間的延長和污染物濃度的增加而降低[25-26]。而對于已受PAHs污染的傍河沉積物來說,PAHs的濃度受控于細菌菌落的組成[27-28]。Gloria等29]的研究顯示,PAHs的濃度主要受控于細菌菌落中的δ-變形細菌、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合,促進PAHs的降解。另外,有機磷酸酯類(OPs)和醚類物質作為岸濾取水和地下水流動過程中的一種有機示蹤劑,已有研究證實岸濾系統對OPs的去除效果優于醚類物質,并且其去除率可達72%～99%[30]。

在農耕區,農藥、化肥等的使用是威脅區域地下水質量的主要因素。據報道,Platter河利用岸濾系統降低除草劑三嗪和乙酰胺等的濃度時,除草劑的代謝物濃度會升高[31]。Sung等[32]和Kuster等[33]研究時間和空間尺度上藥物活性化合物(PhACs)、環境內分泌干擾物(EDCs)、個人護理用品(PCPs)等有機微量污染物(OMPs)以及農藥類物質在RBF過程中的去除情況,結果表明,岸濾系統可以使污染物的濃度降到很低。同時,針對生物降解作用對岸濾系統中抗生素的高效去除作用,文獻[34]對岸濾系統中3種土壤典型抗生素四環素、紅霉素和磺胺塞唑進行研究,結果表明,土壤顆粒和混合物之間的電子吸引力對紅霉素的去除具有重要影響,而生物活動和土壤吸附作用是磺胺噻唑去除的主要控制因素。

1.4 細菌類

地下水中的細菌類污染物大多來源于糞便污染,并且水環境中的病原微生物具有濃度低、難檢測等特點[34]。研究表明,岸濾系統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)、病原微生物和指標性細菌(E.coil)、溶解的化學物質以及天然有機質去除[2,35]。Prakash等[36]研究了印度赫爾德地區RBF系統對于濁度、有機質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,卻從未出現在與河水有任何水力聯系的傍河開采井中。張威娜等[37]對鄭州“九五”灘地傍河取水工程進行現場取樣,測定水中微囊藻毒素和藻毒素的含量,發現岸濾系統對兩類微生物的去除效果良好,去除率在90%以上。

2 岸濾系統對典型污染物的去除機制

岸濾系統對典型污染物的去除主要發生在地表水和地下水之間的過渡帶沖積平原。此區域內的生物地球化學作用相比于地表水和地下水區域更加強烈,污染物受光、溫度、pH、氧化還原電位、DO以及有機質等動態混合作用的影響,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,伴隨著有機質與有機污染物降解的生物活動所造成的氧的快速消耗,形成岸濾系統內的厭氧區。同時,此厭氧條件會增加反硝化細菌和還原性硫酸鹽細菌的活性,形成有利于鐵錳氧化物溶解的高還原性區域(圖2)[38]。

圖2 交互區水化學變化示意圖[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,岸濾系統由還原區域過渡到氧化區域。在此區域中,經過氧化還原作用,地下水中鐵錳及其沉淀物會吸附在多孔介質顆粒的表面,進而被去除。此外,介質顆粒表面會在生物地球化學作用的影響下,形成具有吸附性的生物膜。隨著河水滯留時間的增加,生物膜面積隨之增加,使含水層介質空隙減少,導致含水層滲透性下降。同時,岸濾系統內含水層的堵塞會引起細粒沉積物(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一步降低。岸濾系統對污染物的去除存在不同的機制,主要包括降解去除有機污染物機制、遷移轉化去除無機污染物機制,以及自然過濾去除微生物病原體機制等。

2.1 對有機污染物的去除機制

岸濾系統作為一種以生物降解作用為主的去除有機污染物的前處理方法而被廣泛應用[32-33]。其去除效果主要受控于特定污染物的性質、生物化學降解潛力、含水層中有機質的含量、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時間共同作用則會影響特定有機污染物的去除(如抗菌藥物的殘留)[25-26]。盡管已經證實岸濾系統作為一種前處理手段,對大量有機污染物具有良好去除效果,然而對某些特定的有機污染物,如殺蟲劑、藥物以及鹵代烴類污染物，去除效率相對較差[34]。

2.2 對無機污染物的去除機制

2.3 對微生物病原體的去除機制

地下水中微生物病原體的遷移轉化受控于對流-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內微生物的主要去除作用[36,47]。隨著時間的推移,鈍化作用會造成細菌外層蛋白破壞、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]。岸濾系統對微生物病原體的去除表現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本身的孔隙大小所控制。McDowell-Boyer等[49]的研究表明,含水介質直徑/顆粒直徑>20 mm,過濾作用非常明顯;10 mm<含水介質直徑/顆粒直徑<20 mm,去除顆粒的作用明顯;含水介質直徑/顆粒直徑<10 mm,則沒有顆粒可通過多孔介質。有關岸濾系統中溶解的、顆粒的以及微生物的污染物的去除機制尚不清晰,需要對污染物的遷移轉化機制進行更深入的研究,以利于與后續處理程序相連接的岸濾系統設計、運行及其優化方案的提出。

3 岸濾系統中典型污染物去除的影響因素

研究表明,利用岸濾系統本身特性,通過水力調控來提高抽水井出水水質,主要取決于3方面因素:區域水文地質條件、取水構筑物的選擇以及取水過程中的生物地球化學作用[38]。

3.1 區域水文地質條件

源水水質、溫度、含水層的氧化還原特性、土著生物群落的生態能力是影響岸濾系統內區域水文地質條件的主要因素[32,50]。另外,區域水文地質條件尤其是岸濾取水水源地河床和河岸水力滲透系數的變化,會對存儲于含水層表層的水和釋放到河水中的化學物質產生影響[51]。Dash等[5]模擬岸濾系統內溫度、含氧量以及有機質對6種PhAcs不同的去除效果,指出傍河取水過程中必須調查清楚區域水文地質條件(如水溫、溶解氧含量等),因為區域水文地質條件是影響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]對科羅拉多河附近的岸濾系統在不同時間及水質參數(源水水質、溫度等)條件下運行的穩定性進行了長達7年的研究,通過檢測統計岸濾系統對有機痕量物質(TOrC)、溶解有機碳(DOC)以及營養物質去除效率的季節性差別,指出岸濾系統可以作為一個環境單元穩定地運行;同時,利用研究區內特殊的地形條件,增加取水過程中的水力停留時間等,同樣可以使岸濾系統內污染物濃度降低,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RBF生產井中添加砂濾柱,誘導水流優先流過黏土層的方式,增加傍河取水過程中的產氧量,阻止鐵和錳遷移轉化,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區域黏土地形布置開采井示意圖[52]

另外,Rashid等[53]則在馬來西亞利用人工屏障技術(即artifical barrier,簡稱AB)對岸濾取水過程中的固體顆粒以及重金屬鐵進行預處理。人工屏障技術是一種利用人工豎直柱對RBF過程中抽取的水進行凈化的手段,具體是利用當地土壤(主要包括黏土、砂質黏壤土以及沙壤土)與顆粒活性炭和沸石以5∶2∶3的比例混合,使濁度和鐵的去除率分別由當地土壤處理的59%～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,首先需要調查清楚傍河水源地的區域水文地質條件;其次是針對不同的區域水文地質條件,設計不同的取水方案,降低污染物的出水濃度。

圖4 AB技術中PRB技術裝置示意圖[53]

3.2 取水構筑物的選擇

合理選擇利用取水構筑物是利用研究區的自然、地質及水文地質條件、污染物的性質和分布情況等,以及適當的抽注水量,形成最佳的地下水人工流場,有效截取地下水中污染物的必要條件[54]。當前開采地下水常用的取水構筑物主要有2類,分別是垂直取水構筑物,如管井、大口井等,以及水平取水構筑物,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最重要的因素,其次是土壤質地。同時,抽水時長以及抽水速率也是評價傍河取水污染物濃度的重要參數[57]。王含婧等[16]對管井分布距離與污染物去除率之間是否存在相關性進行了探討,對6口管井出水進行水質監測。以總磷、氨氮、高錳酸鹽指數以及UV254(表示含有苯環結構和共軛雙鍵結構有機物的含量)的去除率進行統計分析,發現在距黃河1500m的21號管井,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,因為相比于普通取水工藝,輻射井技術具有成本低、出水質量好等優點[54]。

圖5 傍河取水過程中監測井示意圖[57]

3.3 生物地球化學作用

岸濾取水過程中的生物地球化學作用十分復雜,包括氧化還原環境的變化、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模擬實驗和小范圍現場實驗來觀察生物地球化學作用對污染物的去除效果。Grischek等[22]對岸濾取水距離與生物活性之間的關系進行了研究,結果表明,隨著取水距離的增加,生物活性逐漸降低(圖6)。Grischek等[22]還在穩定流的假設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;而室內試驗的反硝化速率為每天0.1～3.2 mg/L,導致結果不同的主要原因是河水的物理化學作用。Laszlo等[11]針對匈牙利多瑙河岸濾取水地區擁有大面積較好的水力傳導系數的沖積砂礫石進行了室內和室外實驗,開展基于污染物質和多孔介質特征的吸附作用研究,并對污染物質的去除率進行統計。其室內模擬實驗主要采用批試驗和柱子試驗,實驗結果表明,有機微量污染物在溶解相和固相的分配受過濾介質中有機碳含量的影響很大,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的比表面積(圖6)。由于變化的物理和地球化學作用,很難在有限的數據下清楚地解釋岸濾取水過程對微生物的運移作用，進而對取水過程中由物理和地球化學作用造成的非均質多孔介質的堵塞現象機理也不清楚。筆者認為,后續應采用室內模擬實驗對多孔介質中控制微生物運移的基礎過程進行機理研究,為后期關于堵塞現象的研究提供理論基礎。

圖6 岸濾取水距離與生物活性之間關系示意圖[22]

4 結 語

盡管國內外在岸濾系統內污染物的去除機制及影響因素研究方面已經取得了一定成果,但已有的研究主要著眼于岸濾系統與工程措施聯用對水體的凈化,而對岸濾系統內部不同類型污染物遷移轉化機理的研究仍然較為薄弱;同時,岸濾系統的長時間運行可能會導致污染物的積累,進而導致系統出現堵塞現象,甚至在一定條件下造成二次污染。筆者認為,深化認識岸濾系統內部典型污染物的遷移轉化行為及其制約因素,可為今后岸濾取水相關工程措施的改良提供科學依據,進而推進岸濾取水方式的發展,有效緩解地下水資源短缺問題。

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