场地污染模拟与修复技术研究进展.pdf
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1、 年月J o u r n a l o fG r e e nS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y第 卷第 期收稿日期:基金项目:黑龙江省博士后资助项目(编号:L B HZ )作者简介:杨可(),女,硕士研究生,主要从事地下水、土污染防治与修复相关研究.通讯作者:张戈(),女,博士,讲师,硕士生导师,主要从事场地污染模拟,地下水、土污染防治与修复等相关内容的教学与科研工作.场场地地污污染染模模拟拟与与修修复复技技术术研研究究进进展展杨 可,张 戈,朱金浩,张汪洋,桑梓杰,陈思宇(黑龙江大学 水利电力学院,黑龙江 哈尔滨 ;黑龙江大学农业微生物技术教育部工程研究
2、中心,黑龙江 哈尔滨 )摘要:随着我国工农业经济不断发展,场地污染问题已成为人们关注的焦点,高效治理场地污染是改善生态环境的重中之重.针对近年来国内外在治理场地污染方面的相关文献进行了整理综述,总结了现有场地污染模拟和修复技术的优缺点和适用范围.结果表明:数值模型可以帮助更好地跟踪污染物迁移过程,从而制定相应的控制措施;修复技术可以为环境治理提供技术支撑,从而降低二次污染,提升修复效率.在此基础上,对场地污染的模拟和修复技术的应用进行了展望:在模拟技术方面,应该灵活运用软件,多种模型耦合模拟,针对不同区域的不同问题精准设计;在修复技术方面,应降低修复产生的次生污染,大力发展植物修复技术,寻找兼
3、顾环保和效率的方法.关键词:污染模拟;污染修复;土壤污染中图分类号:X 文献标识码:A文章编号:()R e s e a r c hP r o g r e s so fS i t eP o l l u t i o nS i m u l a t i o na n dR e m e d i a t i o nT e c h n o l o g yY a n gK e,Z h a n gG e,Z h uJ i n h a o,Z h a n gW a n g y a n g,S a n gZ i j i e,C h e nS i y u(S c h o o l o fH y d r a u l i
4、ca n dE l e c t r i cP o w e r,H e i l o n g j i a n gU n i v e r s i t y,H a r b i n,H e i l o n g j i a n g ,C h i n a;A g r i c u l t u r a lM i c r o b i o l o g yT e c h n o l o g yE n g i n e e r i n gR e s e a r c hC e n t e r,M i n i s t r yo fE d u c a t i o n,H e i l o n g j i a n gU n i v
5、 e r s i t y,H a r b i n,H e i l o n g j i a n g ,C h i n a)A b s t r a c t:U n d e r t h eb a c k g r o u n do f c o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to f i n d u s t r i a l a n da g r i c u l t u r a l e c o n o m y i no u rc o u n t r y,t h ep r o b l e mo f s i t ep o l l u t i o nh a sb e c
6、o m e t h e f o c u s o f a t t e n t i o n E f f i c i e n t c o n t r o l o f s i t ep o l l u t i o ni s t h e t o pp r i o r i t y t o i m p r o v ee c o l o g i c a l e n v i r o n m e n t I nt h i sp a p e r,t h e r e l e v a n t a r t i c l e so ns i t ep o l l u t i o nc o n t r o l a th o m
7、 ea n da b r o a d i nr e c e n ty e a r sa r es u mm a r i z e d,a n dt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f t h ee x i s t i n gs i t ep o l l u t i o ns i m u l a t i o na n dr e m e d i a t i o n t e c h n o l o g i e s a n d t h e i r a p p l i c a b l e s c o p e a r e s u m
8、m a r i z e d T h er e s u l t s s h o wt h a t t h en u m e r i c a lm o d e l c a nh e l pu sb e t t e r t r a c kt h ep r o c e s so f p o l l u t a n tm i g r a t i o na n df o r m u l a t ec o r r e s p o n d i n gc o n t r o lm e a s u r e s R e s t o r a t i o n t e c h n o l o g yc a np r o
9、v i d e t e c h n i c a l s u p p o r t f o r e n v i r o n m e n t a lg o v e r n a n c e,t h e r e b yr e d u c i n gs e c o n d a r yp o l l u t i o na n di m p r o v i n gr e s t o r a t i o ne f f i c i e n c y O nt h i sb a s i s,t h ea p p l i c a t i o no f s i t ep o l l u t i o ns i m u l
10、a t i o na n dr e m e d i a t i o nt e c h n o l o g y i sp r o s p e c t e d I nt e r m so f s i m u l a t i o nt e c h n o l o g y,s o f t w a r es h o u l db ef l e x i b l yu s e d;m u l t i p l em o d e l ss h o u l db ec o u p l e dt os i m u l a t e,a n dd i f f e r e n t p r o b l e m s i nd
11、 i f f e r e n t a r e a s s h o u l db e a c c u r a t e l yd e s i g n e d I n t e r m so f r e s t o r a t i o n t e c h n o l o g y,t h es e c o n d a r yp o l l u t i o nc a u s e db yr e s t o r a t i o ns h o u l db er e d u c e d;p h y t o r e m e d i a t i o nt e c h n o l o g ys h o u l db
12、 ev i g o r o u s l yd e v e l o p e d,a n dw a y ss h o u l db ef o u n dt ob a l a n c ee n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n de f f i c i e n c y K e yw o r d s:p o l l u t i o ns i m u l a t i o n;p o l l u t i o nr e m e d i a t i o n;s o i l p o l l u t i o n杨可:场地污染模拟与修复技术研究进展环境与安全 引
13、言近年来,由于我国大规模城镇化速度显著提高,使得城市中生活垃圾增多、工业“三废”得不到合理分配处置、农药和化肥被过量重复使用,导致农村、城市土壤及地下水污染日趋严重.污染物不仅在种植业上影响作物的实际产量规模和食用品质,也会导致从农产品食物链直接威胁或间接威胁到动物及人体身体健康,且后果大多不可逆转.面对严峻的污染形势,本文从场地污染的类型及危害、场地污染模拟技术和修复技术个方面进行阐述,希望能够为加强现有模拟和修复技术提供一定的技术支持,探索新的强化方向,以期能够提高场地污染修复速率,改善生态环境.场地污染的类型及危害 有机物污染有机物污染主要指过量的有机物进入环境,对环境产生破坏,以苯系物
14、、多环芳烃及石油类等物质为主,通常发生在石油化工企业和林业农业之中,比如石油泄漏或使用过量化肥、杀虫剂等.有机污染物可以迅速地沿着食物链蔓延,并在一些动物体内累积.若人体直接食用有机污染物含量过高的食物,很有可能会引发过敏、癌症等致命疾病.例如苯系物易通过柴油泄漏或汽油运输的意外泄漏等形式进入环境,其本身具有高度血液毒性和遗传毒性,即使它是中低浓度也会对人体产生极大潜在危害.M i t r a等研究资料表明,人类长期过度接触苯系物会对皮肤健康、呼吸感官调节等神经中枢造成影响,甚至可能会诱发白血病和再生性障碍贫血.农作物通过根茎吸收土壤养分时就会带入一些有机污染物.这些农作物被人们直接食用时会对
15、新陈代谢、发育功能产生影响,甚至会破坏神经系统.M a n u e lA r i a s E s t v e z等 对坦桑尼亚北部的农药使用情况进行调查,发现使用农药后大部分农民感到身体不适,农药实际作用在害虫上的剂量极少,大部分都进入环境,毒害其他非目标生物.无机物污染无机物污染是工业污染的常见形式,以重金属污染为主,代表性的污染物主要有砷、汞、铅、镉、铬、铜、锌、镍等,主要来自冶炼业、化工业及皮革制造业等.重金属污染危害已经遍布全球五大洲各个工业国家,对全球经济的直接或间接影响超过 亿美元,且由于高溶解性的重金属易在土壤、水体等多种介质中快速迁移转化,造成较大面积的持续的土壤和地下水污染
16、.一些无机物渗透入土壤后难以降解和排出,改变了土壤原有的性质,甚至会散发出有害物质影响人体健康,如果在农业用地附近也会对农产品产生影响.世纪 年代,日本一些地区因重金属镉而引发的骨痛病以及因重金属汞而引发的水俣病,受到了全球的高度重视.根据黄艳玲等 研究表明,铅摄入过多会引起发育迟缓、智力减退等症状,大量接触镉元素也会引起各种呼吸系统疾病等.复合污染复合污染一般是指在相同的环境介质(如水、土壤、大气)中,种及以上种类不同、特性不同的污染物共同存在,以及它们之间发生了相互的作用或化学反应,从而产生的污染.复合污染的形式多种多样,具体有以下几种:一种是不同无机污染物之间的复合污染,一种是不同有机污
17、染物之间的复合污染,还有无机污染物和有机污染物之间的复合污染等.相比单一污染,复合污染更接近实际情况.例如近年来由于现代畜牧业生产方式和水产养殖业科技的进一步发展,抗生素和重金属常被作为生长发育促进剂加入在动物饲料中,这两种物质难以被动物完全消化与吸收,经动物消化系统排出废物后可能对当地的水环境健康产生影响 .许思思等 对渤海湾近岸海域的环境进行调查,发现其重金属和石油烃复合污染使海洋生物致死率大幅增加,渔业资源损失严重.S a a d i aR a s h i dT a r i q等 发现重金属长期存在环境中难以降解,而农药因持续使用分布广泛,致使巴基斯坦的棉花种植区土壤中同时含有过量重金属
18、和农药残留.由于场地污染受到气候条件、地理条件、管理方式等影响较为显著,时空变异性较强,分布广泛,传统的治理方式可能效率较低.因此在治理前应对场地污染进行探查,结合监测结果,利用数学模型对污染物的时空分布规律进行模拟分析,不但可以量化场地污染强度,而且能够定量分析场地污 年月绿 色 科 技(J o u r n a l o fG r e e nS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y)第 期染产生和运移的过程,为场地污染精细化管理提供支持.场地污染模拟技术通过对污染物运移过程进行模拟,能够对污染物扩散情况进行监测和预测,从而为污染治理提供科学、准确的理论支撑.常
19、见的场地污染模拟软件包括V i s u a lMO D F L OW、GM S、HY D RU S等.V i s u a lMO D F L OWV i s u a lMO D F L OW软件以运行方便简易、界面漂亮实用等优势作为目前国际上领先的地下水渗流和溶质运移的标准科学计算可视化专业应用软件.该软件采用有限差分法计算,主要由地下水流动(MO D F L OW)、流线示踪(MO D P ATH)和溶质运移(MT D)个模型组成.因为地下水中的污染物降解和迁移相对较慢,如果发生环境污染就很难及时恢复,采用V i s u a lMO D F L OW软件建立地下水污染物运移模型,能够模拟地下
20、水污染物的运移过程,预测不同水质修复技术方案的结果.A b d o l l a h等 运用V i s u a lMO D F L OW软件模拟了垃圾填埋场渗滤液对哈默丹平原含水层的输送和渗透,发现垃圾填埋区地质结构对浸出物发育的影响最大.Z h u o r a n W a n g等 利用MO D F L OW和MT DM S板块对某居民区沿河地下水水源区氨污染趋势进行模拟,验证了模型的可靠性,结果表明:年后,氨污染羽流的中心会随着时间的推移随地下水逐渐向东流动.A d e o y e等 采用V i s u a lM o f l o w和MT DM S对明纳地区浅层地下水重金属浓度进行监测模拟,
21、发现整个含水层均受到砷、铜和锌的强烈污染.GM S地下水模拟系统(g r o u n d w a t e rm o d e l s y s t e m,GM S)是美国杨百翰大学环境模型研究实验室和美国军工部排水工程试验站共同开发的可视化三维地下水模拟软件系统.通过借助GM S建模的形式能够更好地了解到污染物的运移规律,使相关的环境保护部门能够及时地对发生污染场地进行评估从而能够更好地做出预防措施,进行相关的污染处理.B O R G I A 等在GM S的基础上对威尼斯潟湖西以北的废品堆放区进行了水文地质学的概念建模,对 该 区 域 进 行 了 栅 格 化 处 理,并 引 入 了T OUGH,
22、对废品堆放区的污水向下渗透进行了仿真,并引入了GM S,得出了清晰的仿真结果;弥补了T OUGH的缺点.B a n e j a dH等 以GM S为基础,构建了伊朗哈马丹省西南平原区非承压含水地层的水文地质概念化模型,并通过对地下水均衡的计算,得出了、年后污染物的污染区域及可能的来源,从而为水资源的合理利用提供了指导.万平强等 基于GM S软件模拟了南方某磷矿开采时,区域地下水中总磷的迁移转化规律,证明当防渗措施故障时仅在泄漏点地下水下游 m会出现总磷超标.HY D RU S美国国家盐土实验室(U SS a l i n i t yL a b o r a t o r y)开发的HY D RU S
23、系列模型是用来模拟饱和多孔介质中水分、溶质以及能量运移过程的新型数值模型,其模拟结果可以输出为各类曲线、图像数据和数值以备应用,常用的数学模型有水分运动模型、溶质迁移模型、热量模型和根系吸附模型等.丁素玲 在土壤理化性质分析和工程试验的基础上,借助HY D RU S D软件建立了某飞灰固化及填埋项目的数值模型,模拟污染物在土壤中运移的过程,有助于开展土壤环境影响的预测.尹芝华等 以某污水处理池为例,利用HY D RU S D对非饱和带构件溶质运移模型,预测三氮在非饱和带中的迁移规律,为识别其对地下水及下游河流的影响提供依据.H o uL等 基于HY D RU S模型分析施肥对土壤氮动态的影响,
24、该研究重点考虑铵态氮在土壤中的吸附和运移,并发现化学非平衡模型为最优模拟模型.此外该研究的基于土柱试验进行敏感性分析的结果显示水土分配系数(K d)是影响铵态氮运移过程最为关键的参数.P a nW e i y a n等 采用HY D RU S D软件对某S I S中影响硝酸盐转运的因素进行了调查和量化,结果表明:高温非饱和条件下反硝化速率最大,反硝化速率常数与温度呈指数关系,为非饱和条件下氮的去除提供了理论基础.近年来,国内外学者们研发了多种用于溶质、水热运移的数值模拟软件,并针对其适用范围及优缺点进行分析,详见表.杨可:场地污染模拟与修复技术研究进展环境与安全表常用模拟软件的适用范围及优缺点
25、软件名称适用范围(作用)优点缺点文献V i s u a lMO D F L OW模拟地下水污染物的运移过程兼容性强,求解过程简单,运算效率高,适用范围广不适合模拟非饱和流、海水入侵等密度变化的地下水流 GM S能够模拟分析水文流动情况,实现三维地下水的可视化模拟模块多,功能全,使用范围广,实现了水文地质结构的可视化不能精确计算出允许泄漏的最大浓度,而且运算相当复杂和繁琐 HY D RU S能准确地模拟变饱和土壤中水分、溶质、热量的时空运移及分布规律包含 D和 D/D几种模型,可模拟土壤中不同层次上的水分和溶质运移、热量运移规律,具有综合性与全面性预测结果表示物质在土壤水中的浓度,而非土壤自身的
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