废水污染控制技术下载

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简介：《水污染控制工程》是根据教育部高等学校环境科学与工学科教学大纲的要求编写的。全书以点污染控制和非点污染控制的方法为主线，既系统地介绍了经典的水污染控制技术，又对近年来发展起来的高级氧化技术、膜生物反应器、A/O工艺、生物强化处理技术、水体修复等新技术作了详尽的介绍，突出地反映了环境科学与工程学科的有关新概念、新理论、新技术、新工艺，力求使教材内容现代化。全书重在反映各种处理方法的基本概念、基本原理、设计计算、设备与操作以及工程应用等内容，具有结构合理、体系完整、内容新颖、重点突出、科学实用等特点。

《水污染控制工程》可作为高等学校环境科学与工程专业本科生的教材，亦可供从事水污染控制工作的工程技术人员和有关管理人员使用，还是国家注册环保工程师职业资格考试人员的参考书。

⑵ 水污染控制系统的理论技术

城市污水和工业废水是水体污染的主要污染源，有多种处理方法可供选择，其中生物处理以其能耗省、运行费用低、实现污染物彻底无害化等诸多优点而被大多数城市污水处理厂作为首选；而工业废水常含有有毒有害物质，需进行特定的处理。本研究方向发挥微生物学、化学、高分子化学、流体力学、运筹学等基础学科优势，长期在城市污水处理和工业污染防治领域进行探索与研究，形成以下研究理论技术：
1、城市污水生物处理的理论和技术，包括：
1）生物脱氮除磷机理、以及胞内聚合物的合成与转化机理的研究。首次弄清了胞内有机聚合物在好氧、无营养缺陷条件下胞内聚合物形成机理。承担了国家自然科学基金等四项省部级以上研究课题，多篇研究论文被SCI、EI收录。在此基础上开发了“胞内碳源脱氮新工艺”，申请国家发明专利已公开。
2）高效、低耗城市污水常温厌氧生物处理与新工艺开发。针对城市废水生物处理工艺能耗高的问题，深入研究厌氧生物处理的机理，开发高效厌氧反应器，结合清洁能源的利用，较好地解决了厌氧反应器冬季运行的问题，开发出适用于低浓度城市废水常温处理新工艺，承担国家“863计划”二级子课题一项。
3）大型污水处理厂运行工况研究与优化。包括在实际生化过程中胞外有机聚合物形成机理与及其对处理效果的影响，新型处理构筑物（如折流式沉淀池）的流态，新工艺（如三槽式氧化沟）工况特点及其运行周期优化等，开发出适用于中国城市污水处理厂工艺和进水条件的工艺模拟与优化软件，实现污水处理厂新扩建或改造方案的理性决策，以及污水处理厂的长期有效、低成本和达标运行；污水处理回用技术和在线智能控制等。获国家自然科学基金一项和大型污水处理厂的项目六项，解决了上海竹园污水处理厂（170万 m3/d），上海石化股份公司水质净化厂（170万 m3/d），上海宝钢（集团）公司等大型污水处理厂的实际运行问题。
4）分子生物学在生物处理工艺中的运用。利用分子生物学手段，分析生物脱氮除磷系统中硝化菌、反硝化菌，聚磷菌、聚糖菌等数量分布及作用；研究厌氧系统中降解有毒、有害有机物的菌属，进行分离、纯化，得到高效优势菌种。从分子生物学的水平为生物脱氮、除磷机理，新型反应器的开发，指导大型污水处理厂的运行等提供理论支持。
2、工业废水处理与资源化理论与技术，包括：
1）有毒、有害有机物的厌氧生物处理机理及新工艺开发。对常温厌氧处理高浓度有毒、有害有机物，厌氧过程中的硫酸还原菌的作用等做深入研究，发表多篇SCI、EI收录论文，并获国家自然科学基金重点项目“硫酸还原菌中纳米粒子的原位生成和还原过程中的协同作用”。
2）膜分离理论，耐污染、高效分离膜的制造及应用。先后承担了国家自然科学基金项目“水在聚合物中的状态及其同膜的分离性质”，以及上海市科委项目二项、市经委项目一项，发表多篇SCI、EI收录的论文，获多项发明专利。
3）污染治理过程中资源的综合利用研究与应用，完成了中法国际合作项目“用渗透蒸发技术回收在污水中的挥发性有机物”，开发出“造纸黑液中提取絮凝剂、木质素的方法”等资源化技术，获四项国家发明专利。
4）新型高分子处理药剂的合成与应用。如含磷多元共聚物水处理剂的合成与应用，羧酸类接枝型高效减水剂的合成与分散机理等，获多项发明专利，大量生产，并被上海宝钢（集团）公司等大企业再生产中使用，产生良好的经济效益。

⑶ 水体污染的治理方法

水动力控制法。它是利用井群系统通过抽水或向含水层注水，人为地区别地下水的水力梯度，从而将受污染水体与清洁水体分隔开来。根据井群系统布置方式的不同，水力控制法又可分为上游分水岭法和下游分水岭法。水动力法不能保证从地下环境中完全、永久地去除污染物，被用作一种临时性的控制方法，一般在地下水污染治理的初期用于防止污染物的蔓延。

水体污染原位处理法:

1.加药法

通过井群系统向受污染水体灌注药剂，如灌注中和剂以中和酸性或碱性渗滤液，添加氧化剂降解有机物或使无机物形成沉淀等。

2.渗透性处理床

适用于较薄、较浅含水层，一般用于渗滤液的无害化处理。在污染羽流的下游挖一条沟，该沟挖至含水层底部基岩层或不透水黏土层，然后在沟内填充能与污染物反应的透水性介质，受污染地下水流人沟内后与该介质发生反应，生成无害化产物或沉淀物而被去除。

3.土壤改性法

利用土壤中的黏土层，通过注射井在原位注入表面活性剂及有机改性物质，使土壤中的黏土转变为有机黏土。经改性后形成的有机黏土能有效地吸附地下水中的有机污染。

4.冲洗法

对于有机烃类污染，可用空气冲洗，即将空气注入到受污染区域底部，空气在上升过程中，污染物中的挥发性组份会随空气在上升过程中，污染物的挥发性组份随空气一起溢出，再用集气系统进行收集处理。

5.生物处理法

原位生物修复的原理实际上是自然生物降解过程的人工强化，它是通过采取人为措施，包括添加氧和营养物等刺激原生微生物的生长，从而强化污染物的自然生物降解过程。另外，强化措施还可以从微生物的角度人手。在地表设施中对微生物进行选择性的培养，然后通过注射井注入到受污染区域。一般情况下，原位生物修复要与井群系统配合进行，即通过抽水机与注水井的配合，以加速地下水的流动及氧和营养物的扩散，从而缩短处理时间。

⑷ 目前城市污水的现状及处理措施

城市污水处理工作是社会发展的一重要组成部分，选择恰当的城市污水处理工艺意义非凡。因为污水处理工艺的好坏虽不是社会发展的中心却牵动着中心的发展，虽不是保护环境的重点，却可波及到环境保护的成果。好的污水处理工艺具有投资成本低、工作效率高、操作方便简单、处理效果达标且可回用等优势。本文主要探讨当前城市污水处理的一些方法。
在我国经济快速发展的今天，环保问题，特别是城市污水处理已成为各国研究的热点。在这种经济体制下，我国城市污水处理的管理机构和管理方式等方面一直沿袭旧的经营管理模式，对污水处理设施方面的建造、设备运行和价费行使统一管理、分级领导的体制，给城市污水处理相关行业导致了很多弊端。城市污水的治理对改善城市水环境，保障城市经济发展起着关键的作用。
一、城市污水的特点
城市污水指人类生活所产生的污水，以洗涤污水和排泄物等为主。城市污水的排量和居民生活水平有关，其排量较大，平均每人每日产生污水150-400L。城市污水有区别于工业污水，但也成为了当今社会的一个主要污染源。目前，除磷技术是城市污水处理的瓶颈问题。因为污水中含有的高量氮、硫、磷等物质在厌氧细菌作用下，极易生恶臭物质污染环境。此外，污水中还含有大量的病原菌、病毒和寄生虫卵等微生物，以及糖类、脂肪、蛋白质等有机物，和一系列金属物和盐类物质。
二、城市污水处理的重要性和迫切性
我国淡水资源十分紧缺，人均拥有量为2300立方米，仅相当于世界人均拥有水平的1/4。更不为乐观的是我国的城镇污水：自1997年起，居民污水排放量首次超越了工业污水排放量（城市污水排放量占总排放量的45%），开始位居污水治理工作的首位。从而我国全面加强了城市污水的治理工作；1999年，城市污水污染负荷超过了工业废水污染负荷，我国水污染控制重点也从工业污染转变成了城市污水污染。到 2003 年，全国废水排放总量为 460 亿吨，其中城市生活污水排放量占污水排放总量的53．8％，为247．6亿吨；废水化学需氧量（COD）排放总量1333万吨，其中生活污水占总量的61．6％，为821．7万吨。如此醒目的数字说明了我国水污染的严峻形式，以及城市污水的严重所在。
据有关资料统计，我国的生活污水大多未经处理就直接排人江河湖海，比例高达80%。400亿立方米的年排污量，污染了全国1/3以上的水域。专家指出，水污染无疑加重了水资源带姿的紧缺程度，更为严重的是直接威胁到人类的生存环境及饮用水安全和工农业发展的进度。目前，城市污水已慢慢侵蚀人类的生存环蠢羡绝境，成为仅次于洪水、干旱等自然灾害的污染。而我国城市水污染之所以如此严峻，其主要原因是污水处理率低，导致污水未经处理直接排放到河流，由此，加强污水处理力度迫在眉睫。
三、污水处理常用方法探讨
1.活性污泥法 活性污泥法具有处理能力高，出水水质好的优点，也是目前全球采用最为广泛的处理城市生活污水的途径。该方法是在人工充氧条件下，对污水和各种微生物群体进行连续混合培养，形成活性污泥。利用活性污泥的生物凝聚、吸附和氧化作用，来分解并去除污水中的有机污染物。活性污泥法的主要组成部分有曝气池、沉淀池、污泥回流和剩余污泥派渣排放系统组成。具体流程为：①曝气池作为一个生物反应器，容纳废水和回流的活性污泥形成的混合液；再通过曝气设备充入空气，使氧溶人混合液，产生好氧代谢反应；同时保证混合液得到足够的搅拌处于悬浮状态，使废水中的有机物、氧气同微生物能充分接触反应。②混合液进入沉淀池后，悬浮固体经沉淀后和水分离，就有净化水流出沉淀池。同时沉淀池中的污泥回流（称为回流污泥）进曝气池，确保曝气池内保持一定的悬浮固体浓度和微生物浓度。此外，在曝气池中的生化反应引起微生物的增殖，微生物流经沉淀池时又被消除，来达到维持活性污泥系统的稳定运行的环境。活性污泥除了有氧化和分解有机物的能力外，还要有良好的凝聚和沉降性能，以使活性污泥能从混合液中分离出来，得到澄清的出水。
3.生物膜法 生物膜法也是污水生物处理的常用办法。该方法的工作原理为通过去除废水中的溶解性有机污染物来达到净化的目的。生物膜法的适用对象主要为中小规模的的污水处理系统，在南方运用更为广泛。具体流程为：污水和附着在介质“滤料”表面的微生物形成的生物膜接触反应后，生物膜中的微生物会溶解去除有机污染物，将其转化为水、二氧化碳等物质，有机物消失达到净化的目的。
3.氧化法 据氧化剂的种类及反应器的类型，可将氧化法分为化学氧化法、催化氧化法、(催化)湿式氧化法，光催化氧化法、超临界氧化法几个种类。目前，氧化法处理污水采用率较高，且前景较为广阔，但其中的化学氧化法操作简单，但运行成本高且效果不佳，因此，采用率普遍不高。
4.氧化塘处理技术 氧化塘处理技术，是指污水中的有机污染物通过在塘中生长的微生物的代谢作用被氧化分解，达到净化效果的一种污水处理技术。该技术投资小、构造简单、运行维护管理方便、净化效果好、节省能耗，在国内外城镇污水处理领域被广泛应用。
然而，污水处理在实际建设和运营中有着很多障碍，比如资金问题。因为与污水处理是一项侧重于环境效益和社会效益的工程，因此资金问题往往成为了效果的瓶颈。总的说来，城市生活污水处理研究和应用领域，目前普遍存在以下问题：①传统的活性污泥法，往往运行费用高，设备不能满足高效低耗的要求，且易出现污泥膨胀现象；②现随着污水排放标准的不断严格，污水中氮、磷等营养物质的排放要求逐步提高。而可以去除氮、磷物质的工艺就是活性污泥法了；但是活性污泥法只有形成多级反应池，通过增加内循环来达到脱氮除磷的目的，这样运行管理就更加复杂且各项费用也会大幅度提高；③目前城市污水的处理多以集中处理为主，庞大的污水收集系统的投资远远超过污水处理厂本身的投资。因此，如何使城市污水处理工艺朝着低能耗、高效率、少剩余污泥量、最方便的操作管理，以及实现磷回收和处理水回用等可持续的方向发展，已成为目前水处理技术研究和应用领域共同关注的问题。
综上所述，城市污水处理是一个迫在眉睫的问题，目前越来越多的受到人们的关注。但目前遇到的最到的问题是技术的改良和污水处理实际落实的问题。还希望城市污水厂和相关部门提高技术水平和管理水平，投资进行新技术的研究，保护好人们赖以生存的宝贵的水资源环境。

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⑸ 地下水污染的控制与恢复

由于地下水一旦被污染，很难在短期内得到恢复，所以应积极采取预防措施，控制地下水污染的发生。对遭受污染的地下水，要及时采取有效的治理措施，使水质得到尽快恢复。该项工作不仅涉及社会各方面和政府各部门，还要充分注意到技术上的可行性和经济上的合理性。为此，必须利用系统工程的观点和方法，将科学管理与先进技术紧密结合起来，主要做好下述几个方面的工作。

5.5.1 控制地下水污染的行政措施

（1）首先要通过宣传教育，提高广大群众的“环境意识”和“珍惜地下水资源的意识”，让全社会都关注地下水保护工作。

（2）必须从中央到地方建立起一整套赋有行政和法律权利、又有专业职能的行政及专业机构，对包括地下水资源在内的水资源进行统一、科学和严格的管理与保护。水资源的管理和保护机构可以按行政区划或按水文地质单元来设立，以便形成一元化的有权威的管理机构。其职能应该是：指挥和协调有关部门对水资源的开发与保护；监督和检查排废单位的排放情况是否合乎规定；管理管辖范围内的水文地质资料；组织管辖区内防止地下水污染方面的科学研究，为制定与修改有关地下水资源保护的法令、法律条款提供技术论证；管理建井工作；落实并监督有关地下水资源保护的规划、法律和法令的实施情况等等。

（3）实行以法管水。我国已先后制定了环境保护法、水污染防治法、征收排放费暂行法和基本建设项目环境保护法等一系列法令、法规。尤其《中华人民共和国水污染防治法》第五章第三十二至第三十六条，为防止地下水污染提供了法律保证。各主管部门依据国家的有关法规，应结合本地的具体情况进行落实和实施监督。

（4）在执行水资源保护法时，必须贯彻奖励与惩罚相结合的方针。对于实行综合利用、化害为利的单位，应给予减税、免税和价格政策的优惠。但对于置国家法律而不顾、随便排放“三废”，肆意污染地下水资源的企事业单位应给予经济制裁，按造成的危害程度判决不同数额得罚款，情节严重的，对当事者要追究刑事责任，对受害单位和个人给予赔偿。

5.5.2 控制地下水污染的技术措施

5.5.2.1 严格控制污染源的排放

如前所述，降水对固体废弃物堆的淋滤，大气中的各种污染物随雨水、降雪落到地面，均可随水渗入地下，液体废弃物更会直接携带污染物入渗，污染土壤和地下水。由于对固体废弃物和大气污染的防治另有章节讨论，故不再赘述。这里仅针对液体废弃物而论。

5.5.2.1.1 改进生产技术，发展无污染的新工艺。如在电镀工艺方面，实行无氰电镀或微氰电镀，消除或减轻了氰的污染。

5.5.2.1.2 发展封闭系统、重复利用废水，减少污水排放量。如加拿大在1976年就建造了世界上第一座不排废水的纸浆厂，废水和化学品在封闭系统中循环使用。

5.5.2.1.3 加强企业的技术改造，实行废水资源化。如造纸厂用水量极大，所排废水中含有大量有机物和某些化学药品，将纸浆废液中的碱和木质素回收，已经产生了很大的经济效益和环境效益。

5.5.2.1.4 坚持严格的废水排放标准，不仅要控制其污染物的浓度，而且还要控制其排放总量。

（1）已经产生的液体废弃物（废水）向地面水水域和城市排水管网排放，必须严格执行“国家污水综合排放标准”（GB8978-88）。对于低于标准中限值的废水，方可向环境中排放。该标准将排放的污染物按其性质分为两类：①第一类污染物，指能在环境或动植物体内蓄积，对人体健康产生长远不良影响者，含有此类有害物质的污水，不分行业和污水排放方式，也不分受纳水体的功能类别，一律在车间或车间处理设施排出口取样，其最高允许排放浓度必须符合表5.3所列规定；②第二类污染物，指其长远有害影响小于第一类污染物质，

表5.3 第一类污染物的最高允许排放浓度（mg/L）

在排放单位排出口取样，其最高允许排放浓度和部分行业最高允许排水定额必须符合表5.4所列规定。按地面水域使用功能要求和污水排放去向，对向地面水水域和城市排水管网排放的污水分别执行一、二、三级标准：①特殊保护水域，指国家GB3838-88《地面水环境质量标准》Ⅰ、Ⅱ类水域，例如城镇集中式生活饮用水水源地一级保护区、国家划定的重点风景名胜区水体，不得新建排污口，现有的排污单位由地方环保部门从严控制，以保证受纳水体水质符合规定用途的水质标准；②重点保护水域，指国家GB3838-88Ⅲ类水域和《海水水质标准》Ⅱ类水域，例如城镇集中式生活饮用水水源地二级保护区、一般经济渔业水域、重要风景游览区等，对排入这些水域的污水执行一级标准；③一般保护水域，指国家GB3838-88Ⅳ、Ⅴ类水域和《海水水质标准》Ⅲ类水域，例如一般工业用水区、景观用水区、农业用水区、港口和海洋开发作业区等，排入这些水域的污水执行二级标准；④对排入城镇排水管网并进入二级污水处理厂进行生物处理的污水应执行三级标准。对排入未设置二级污水处理厂的城镇排水管网的污水，必须根据排水管网出水口受纳水体的功能要求按上述②、③条规定，分别执行一级或二级标准。

表5.4 第二类污染物最高允许排放浓度（mg/L）

（2）应按流域或区域实行污染物排放总量控制。根据流域或区域水的环境容量确定允许该水体的污染物容量，称为“容量总量控制”；根据一个既定的环境目标或污染物消减目标确定排污单位的污染物排放总量，称为“目标总量控制”。在确定了允许排入水体的污染物总量后，也应按总体规划分配至各污染源，确定其最大允许排污总量。根据允许的污染物排放总量，各地环保部门可要求排污单位限期治理，发放排污许可证，并通过对污染物排放量的监测确保水体的环境质量。

5.5.2.2 加强对液体废弃物的处理

对不能达到排放标准的废水进行有效的处理，使其所含的污染物分离出来，或将其转化为无害的物质，从而使污水得到净化。

现代的污水处理技术，针对不同污染物的特性，发展了各种不同的污水处理方法，按其作用原理划分为四大类；即物理法、化学法、生物法（生物化学法）和物理化学法（见表5.5）。

表5.5 污水处理方法分类表

污水中的污染物质是多种多样的，不能预期只用一种方法就能够把所有的污染物去除殆尽，一种污水往往需要通过由几种方法组成的处理系统，才能达到处理要求的程度。按处理程度划分，污水处理可分为一级、二级和三级处理。

一级处理的内容是去除污水中呈悬浮状态的固体污染物，物理处理法通常只能完成一级处理的要求。经过一级处理的污水仍不宜排放，一般还必须进行二级处理。因此，针对二级处理来说，一级处理又属预处理。

二级处理的主要任务，是对经一级处理后的污水，再用生物法除去污水中呈胶体状态的有机污染物（BOD）。一般地说，经二级处理后，污水已达到排放标准了。长期以来，把生物法处理作为污水二级处理的主体工艺。近年来，有些国家正在研究和采用化学或物理化学法作为二级处理的主体工艺。

污水三级处理，又称污水深度处理。污水经二级处理后，仍含有磷、氮、病原微生物和难以生物降解的有机物等，需进行三级处理，以便进一步去除上述污染物或回收有用物质，并能使污水经三级处理后再次复用。三级处理主要是采用物理化学法或土地处理系统。

5.5.2.3 充分利用环境自净能力

充分利用含水层防污性能，以更有效地防止地下水污染的研究是非常重要的。所谓含水层防污性能，是指在一定地质和水文地质条件下含水层防止地下水污染的能力，其取决于含水系统的结构，包括覆盖层岩性、厚度、地面破坏程度、地下水类型、埋深、含水层与隔水层的岩性组合、它们的厚度及其在分布上的连续性等。

德国维尔赫夫（H.Verhuff，1981）在考虑含水层防污性能时，主要依据水文地质结构、包气带的地质条件及土壤条件、地下水埋深或含水层厚度，把含水层防污性能划分为五级（图5.8）。

图5.8 防止来自地表污染的含水层防污性能分类图

关于包气带即覆盖层的防污能力，也有采用覆盖层阻水系数来表示其净化能力的：

环境地质与工程

式中：B——阻力系数，即液体废弃物从地表通过包气带到达含水层的时间；

m₁，m₂…m_n及k₁，k₂…k_n为覆盖层各土层的厚度和相应的垂向渗透系数。

这一表示方法的主要问题是未考虑覆盖层对污染物的化学净化能力。

在研究含水层防污染性能时还应注意到由于地下水的开发引起水文地质条件的改变所可能导致的地下水污染。如过量开采地下水引起咸水入侵等。为避免类似现象发生，应该合理地开发地下水。

5.5.3 受污染地下水的恢复

如前所述，由于种种原因，近年来在我国地下水污染呈逐年加剧之势，如何挽救被污染的地下水使其恢复，是目前水资源保护的一项迫切而艰巨的任务，它已引起国内外环境水文地质工作者的极大兴趣。然而，鉴于治理受污染水层是对受污介质和运动着的地下水同时进行处理，技术难度很大，许多方法尚处于探索阶段。这里仅简单介绍目前普遍采用的一些方法。

5.5.3.1 受污染地下水的自然恢复

地下的土层和含水层是具有自然净化能力的。在污染物进入地下水以及污染物随地下水在含水层的迁移过程中，发生了一系列的稀释、机械过滤、中和与沉淀、吸附和离子交换以及生物降解等物理、化学和生物化学反应，可使污染的地下水得到净化。

由于地质环境的特殊性，地下水在多孔介质中运动极其缓慢，因此，自然净化所需要的时间也是相当长的，即使是在污染源消除之后，也需要数十年甚至上百年才能使地下水在自净过程中恢复。

5.5.3.2 人工净化处理措施

为了加速净化过程，缩短地下水的恢复时间，可以用人工净化处理措施来加强地下水的净化能力，目前常用的有化学处理法和生物处理法。

5.5.3.2.1 化学处理法

化学处理法需要投加化学试剂，该试剂必须针对要清除的污染物，试剂本身及化学反应生成物不应该有任何毒性。生产中已成功采用的化学处理法有如下几种。

（1）用高锰酸钾清除砷：As⁵⁺与Ca²⁺和一些离子形式的化合物溶解性很差，因而在氧化条件下所产生的大量的化合物就会从地下水中沉淀出来。

（2）利用臭氧清除石油和氰：向含水层输入臭氧可以形成分解石油的微生物生长环境，减少溶解有机酸的含量，同时又可促使氰分解。德国曾用此法净化被石油污染的含水层，其过程是用四口深井抽水时，在井底安装臭氧混合装置，使抽到地表的水已与臭氧均匀混合，然后再把抽出的水灌入污染带周围的注水井形成一道高地下水位的水墙，阻止了污染地下水的扩散，从而成功地清除了含水层中的石油和氰。

（3）氧化还原条件下去除铁锰（Vyredox法）：Vyredox法是利用向抽水井周围的含水层注入氧气来形成高氧化还原电位和高的pH值，使Fe、Mn离子在该条件下被氧化而沉淀出来。

如图5.9所示，向井中注入不含Fe、Mn离子且富含氧的水，因而Fe²⁺在距抽水井较远处即可被较低的氧化还原电位氧化为Fe³⁺而沉淀下来。在抽水和注入循环过程中，地下水中的微生物也会繁殖起来，相应地，微生物死亡量也会增大，死亡微生物遗体提供了大量的有机碳，又可促使一种能氧化分解Mn的微生物生长，故沉淀去除Mn的作用一般发生在抽水井附近的高Eh 值区域。显然该方法形成的物理、化学及生物条件是除去污染含水层中的Fe离子，然后再去除Mn离子。

图5.9 氧化还原电位条件下去除Fe、Mn的原理示意图

图5.10 地下水污染的就地包气法处理

从地下抽出的污染地下水不能直接用于回灌，而是经过专门处理之后才能输给注水井。净化含水层时一般都设有多个注水井，而每个抽水井的四周又被多个注水井包围起来，抽水井和注水井的总数量应由水文地质条件和污染物的浓度来确定。所有抽水井和注水井都用管道系统连在一起，并与曝气装置和氧气输入装置相连。抽出的地下水先在地表进行净化，将所含污染物去除并收集起来，然后再曝气并输入氧气，经过上述过程后才输向注水井并进行回灌。

用Vyredox法净化含水层运转周期短，见效快，1976年在芬兰研究成功后已逐渐在欧洲一些国家推广，但适用性受水文地质条件和地球化学条件限制。

5.5.3.2.2 生物处理法

生物处理法可分为就地处理法和抽出处理法两种。

（1）地下水污染的就地生物处理的形式如图5.10及图5.11所示。图5.10表示了投加营养物、充氧和接种纯菌种等一系列人工强化处理的措施。图5.11则显示了利用地下渗滤床来就地恢复的例子。渗滤床如同一个生物滤池，污染物流通过渗滤处理床时得到净化。针对地下污染区营养物质缺乏，复氧困难与土壤颗粒结合紧密，微生物活力很低的特点，人工处理的强化措施有四条：①添加营养物，营养物以氮和磷为主，并加入各种微量元素，溶解在水中注入受污染的含水层；②复氧，地下复氧是极端缓慢的，强化处理采用的是在回灌水中曝气后注入的充氧方式，在地下污染相当严重的地方，还可采用纯氧和过氧化氢法复氧；③提高生物代谢能力，提高微生物代谢能力可通过就地激活地下微生物或引入新的适于降解污染物的菌种的办法来实现；④减小界面张力，用投加化学剂来减小污染物和地下水之间的界面张力，使污染物容易从吸附土壤上脱离，以提高其生物降解性，化学剂包括分散剂、表面活性剂、萃取剂和乳化剂。

图5.11 地下水污染的就地渗滤床法处理示意图

就地人工强化生物处理可使污染物浓度降低到小于或等于1mg/L，对地下水的恢复时间可比自然恢复时间提前5～10倍甚至更快。

（2）抽出处理是将被污染的地下水抽出后，在地表进行生物处理，其处理形式如图5.12（a）和5.12（b）所示。地下水的人工强化生物恢复技术目前已在发达国家中应用了，但是工程的规模都属于试验性工程，还有待于进一步的完善。

图5.12 污染的地下水抽出处理

⑹ 地下水污染源解析技术

1.3.1.1 地下水污染源识别技术

污染源解析体系的建立，主要是污染源解析方法的建立，自20世纪中期以来，国内外学者对污染物在含水层中的运移、控制、修复进行了大量的研究，随着正问题研究方法以及理论的成熟，污染源识别的反问题逐渐成为研究的重点。源解析的方法根据研究对象的不同可分为扩散模型（Diffusion Model）和受体模型（Receptor Model）。前者以污染源为研究对象，后者以污染区域为研究对象。由于扩散模型需要预先知道污染源的排放量，进而研究污染物的浓度分布或反应机理，但实际情况中我们往往便于得到污染物现状分布，而源的分布以及排放信息较难获得。受体模型通过分析源和受体的理化性质识别可能的污染源和源对受体各成分或各监测点的贡献。20世纪60年代，国外首先在大气领域开始了受体模型的研究，形成一套定性、定量的方法解析污染源，这些方法逐渐在土壤及水环境污染源解析中得到广泛应用。受体模型是相对于正向的扩散模型（源模型）而言，是一个反演未知参数的过程，污染源解析现阶段没有明确统一的定义，简称源解析、源识别，环境中各种元素和化合物含量的信息蕴藏着各污染源的特征信号，根据目标环境中检测到的信号，利用污染源与环境之间的“输入-响应”关系，结合实际条件判别、解析与评价污染物的来源、位置、排放强度和时间序列等要素即污染源的识别。

1.3.1.2 污染源解析数值模拟技术

地下水溶质运移反问题的研究起源于研究数理方程反问题，地下水污染源解析反问题求解也从其中借鉴而来，其反演算法主要有优化-仿真、概率统计等。

从20世纪80年代开始，Wagner（1992）首先在数值模拟基础上，结合线性规划与最小二乘法，将数值模拟的污染物浓度以响应矩阵形式嵌入优化模型中，进行地下水污染源的识别；Aral和Guan（2001）运用响应矩阵识别地下水污染源，并证明该方法比运用线性规划方法更有效；Mahar和 Datta（1997）利用优化地下水监测系统来提高污染源识别的效率，利用监测井获得的数据运用于非线性优化模型中获得更精确的污染源预测；Atmadja和Bagtzoglou（2001）总结了污染源识别中的数学方法，将方法归纳为优化法、解析解法及概率统计方法和地学统计法。

Datta和Chakrabarty（2009）采用了模拟模型外部链接优化模型的方法识别污染源；Singh（2004）等利用人工神经网络法识别未知的污染源，同时研究了遗传算法解二维源解析优化模型；Khalil等（2005）综合利用4种模拟方法（人工神经网络（ANNS）、支持向量机（SVMS）、投影局部加权回归（LWPR）、相关向量机（RVMS））建立了相对复杂和耗时的数学模型，模拟地下水中硝酸盐浓度分布。Wang和Zabaras（2006）利用贝叶斯级数法解对流弥散方程，推导过去某一时间污染物浓度分布，研究了地下水连续渗流的污染来源；Bashi-Azghadi等（2010）利用多目标优化模型——非劣排序遗传算法Ⅱ，链接到MODFLOW和MT3D模型中进行污染源识别，利用并行支持向量机和人工神经网络识别主要污染物。同时还有众多学者对地下水污染源位置及排放时间序列进行解析。

国内针对污染源解析的研究不多，多集中在地表水及水力参数识别领域。地下水方面，国内学者运用水动力-水质耦合模型，建立了基于贝叶斯推理的污染物点源识别模型，通过马尔科夫链蒙特卡罗后验抽样获得了污染源位置和强度的后验概率分布和估计量，较好地处理了模型的不确定性和非线性，在反演结果的可靠性和估计的精度方面采用贝叶斯推理和抽样方法获得的反问题的解具有信息量大，能给出环境水力学参数的后验分布且估计精度高的优点，该方法适用于水文地质条件以及水流运移过程相对复杂的多点源解析。

Sidauruk等（1998）提出一种基于解析解的反演方法，该方法只需要合理的污染浓度序列，可以预测弥散系数、水流流速、污染源浓度、初始位置和污染开始时间，利用参数与浓度对数之间的相关系数，取得参数值，但是由于运算基于解析解，该方法只适用于地层条件简单的均质含水层。Skaggs和Kabala（1994）在一维饱和均质非稳定流模型中运用TR方法，利用复杂的污染物浓度序列，在其他条件未知的情况下，开展源解析工作，指出该方法对数据四舍五入的误差并不敏感，但精度受污染羽测量误差影响明显。

1.3.1.3 污染源解析多元统计法

多元统计方法从统计数据中分析各水质点潜在相关关系，结合实际条件揭露水文地质条件，在污染源解析应用中，无须事先知道污染物源成分谱，适用于水文地质条件简单，观测数据量较大，污染源和污染种类相对较少的地区，其优点是运用简便，可广泛应用统计分析软件进行计算，在实际应用中，多元统计方法只能识别5～8个污染源。

（1）因子分析法

因子分析（Factor Analysis，FA）是研究相关阵或协方差阵的内部依赖关系，它将多个变量综合为少数几个因子，以再现原始变量与因子之间的相关关系。FA法使用简单，不需要研究地区优先源的监测数据，在缺乏污染源成分谱的情况下仍可解析，并可广泛使用统计软件处理数据。其不足之处在于需要输入大量数据，而且只能得到各类元素对主因子的相对贡献百分比。

（2）主成分分析法

主成分分析方法（Principal Component Analysis，PCA）是常用的数据降维方法，应用于多变量大样本的统计分析中。该方法是对所收集的资料作全面的分析，减少分析指标的同时，尽量减少原指标包含信息的损失，把多个变量（指标）化为少数几个可以反映原来多个变量的大部分信息的综合指标。

（3）聚类分析法

聚类分析又称群分析（Cluster Analysis，CA），它是研究（对样品或指标）分类问题的一种多元统计方法，即把一些相似程度较大的样品（或指标）聚合为一类，把另一些彼此之间相似程度较大的样品（或指标）聚合为另一类。根据分类对象不同，可分为对样品分类的Q型聚类分析和对指标分类的R型聚类分析两种类型。聚类分析可用SPSS软件直接实现，在水质时空变异、水化学类型分区中得到广泛的应用。

（4）矩阵数据分解法

利用矩阵分解来解决实际问题的分析方法很多，如主成分分析（PCA）、独立分量分析（ICA）、奇异值分解（SVD）、矢量量化（VQ）、因子分析（FA）等。在所有这些方法中，原始的大矩阵被近似分解为低秩的V＝WH形式。正定矩阵分解法（Positive Matrix Factorization，PMF）、非负矩阵分解法（Non-negative Matrix Factorization，NMF）和非负约束因子分析（Factor Analysis with Non-negative Constraints，FA-NNC）是在矩阵中所有元素均为非负数约束条件之下的矩阵分解方法，三者在求解过程中对因子载荷和因子得分均做非负约束，使得因子载荷和因子得分具有可解释性和明确的物理意义。

（5）混合多元统计法

目前应用的混合多元统计法主要有因子分析与多元线性回归相结合，因子分析法与化学质量平衡法相结合，因子分析、化学质量平衡法与多元线性回归3种方法相结合，以上几种方法也可以和聚类分析或GIS相结合以提高分析结果的准确性。其中因子分析与多元线性回归结合在水和沉积物污染源的辨析中有着非常广泛的应用。

1.3.1.4 污染源解析化学质量平衡法

化学质量平衡法（CMB）于1972年由Miller等（1972）第一次提出。CMB法在大气领域的应用已趋于成熟，美国EPA开发了一系列CMB模型，并得到广泛的应用。CMB法是基于质量守恒的方法，利用源和受体化学组成的监测数据建立质量平衡模型以定量计算各污染源对地下水中污染物浓度的贡献率。CMB方法的应用必须满足几点假设条件：①特征污染物成分从源到汇不发生化学反应；②化学物质之间不发生反应；③对受体有明显贡献的源均被纳入模型；④与不同源的成分谱线性无关；⑤测量误差是随机误差且符合正态分布。主要利用污染源组分浓度与采样点数据中各污染组分的浓度求线性和，构成一组线性方程，计算各污染源对取样点的贡献率。

设通过采样分析检测点处成分i的浓度为X_i（mg/L），总共有j个污染源排放点，各排放点处i污染物浓度为C_ij，各排放点处成分i对最终监测点处的贡献百分比为P_ij，则

地下水型饮用水水源地保护与管理：以吴忠市金积水源地为例

式中：i——检测点处各不同组分数；

j——污染源的个数；

X_i——检测点测得的成分i的浓度值；

C_ij——污染源j点处i组分的浓度；

P_ij——各j污染源对检测点处i成分的贡献率。

根据选择测定的组分可建立i个方程，当i≥j，联立方程组原则上可求出P_ij，确定各污染源的贡献率识别主要污染源。

地下水中污染物的迁移转化是一个复杂而长期的过程，CMB法是否适合运用于地下水污染源解析还需要进一步的研究和探讨。

1.3.1.5 解析法与GIS相结合法

各种解析方法能够与GIS相结合，从时空上反映刻画污染过程，并为解析提供数据和图像；GIS最初主要应用于空间分析、显示和制图。利用GIS软件的空间分析功能，分析地下水水质组分空间分布状况，绘制等值线图，直观地反映污染源与地下水水质的相关关系。国内外学者运用GIS技术和多元统计方法对表面水污染进行空间分析及源解析。Ouyang等（2006）分析了表面水水质的季节变化，并根据不同季节找到影响水质的重要因子。Zhou F等（2007）结合多元分析方法及地理信息系统（GIS），对香港东部海湾海水污染的时空分布特征进行研究，并进行了污染源识别工作，对数据进行预处理，利用聚类分析以及主成分分析减小了数据测量误差，确定了特征污染物以及各污染物主要来源。

1.3.1.6 定性及半定量方法

定性及半定量方法主要应用于 PAHs（多环芳烃）解析，迄今已发现的200 余种PAHs中有相当部分具有致癌性和致突变性（Christensen et al.，2007），PAHs主要通过大气沉降、城市污水和工业废水的排放、石油的溢漏等途径进入地表水和地下水，从而导致饮用水水源污染。PAHs 是目前水环境中致癌化学物质中最大的一类（Mnzie et al.，1992）。因此，对环芳烃来源进行解析，进行地下水污染防控也是研究的重点。

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