唐河污水庫鳥瞰
課題背景
由中國環(huán)境科學(xué)研究院承擔(dān)的水專項(xiàng)白洋淀項(xiàng)目唐河污水庫及雄安新區(qū)地下水污染防控技術(shù)研究及工程示范課題（課題編號 2018ZX07110005） 在項(xiàng)目主持單位中國雄安集團(tuán)有限公司和項(xiàng)目執(zhí)行負(fù)責(zé)人王洪杰教授的大力支持下，立足于白洋淀入淀西側(cè)唐河污水庫集成了基于“高治-中控-低防”策略的納污坑塘分類分級治理與修復(fù)技術(shù)，識別唐河污水庫外源和內(nèi)源污染因素，開展精準(zhǔn)的問題診斷研究，解析唐河污水庫污染源-底泥-地下水的交互作用和交互機(jī)理；針對唐河污水庫典型污染特征和生態(tài)類型，通過研發(fā)適宜的污水庫有機(jī)物與重金屬復(fù)合污染底泥治理、地下水污染阻控等關(guān)鍵技術(shù)，分區(qū)、分類、分級實(shí)施唐河污水庫地下水污染防控工程和生態(tài)修復(fù)全過程治理工程，提出雄安新區(qū)地下水污染防控與生態(tài)修復(fù)全過程管理方案，從而為白洋淀流域近中遠(yuǎn)期水環(huán)境精細(xì)化治理與修復(fù)提供技術(shù)基礎(chǔ)，并為雄安新區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供技術(shù)支撐。
為唐河污水庫精準(zhǔn)診斷與靶向治理提供關(guān)鍵技術(shù)支撐
國家《水污染防治行動計(jì)劃》和《土壤污染防治行動計(jì)劃》均針對我國在地下水環(huán)境保護(hù)與污染防治技術(shù)體系等方面進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)劃。京津冀及雄安新區(qū)分布的納污坑塘造成區(qū)域地下水污染，嚴(yán)重威脅到周邊居民的身體健康，引起了生態(tài)環(huán)境部高度關(guān)注，多次進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)研。雄安新區(qū)的開發(fā)建設(shè)以保護(hù)和修復(fù)白洋淀生態(tài)功能為前提，但是白洋淀長期處于水量少、水質(zhì)差的狀態(tài)，而且淀區(qū)內(nèi)納污坑塘較多，已嚴(yán)重危害到白洋淀的水質(zhì)安全和生態(tài)系統(tǒng)的健康，從而影響到雄安新區(qū)的建設(shè)及可持續(xù)發(fā)展。因此，亟待開展雄安新區(qū)納污坑塘的治理修復(fù)及地下水污染防控技術(shù)研究。
目前，由于對雄安新區(qū)及唐河污水庫庫區(qū)周邊地下水污染現(xiàn)狀不清，庫區(qū)周邊地表水-地下水交互作用不明，同時(shí)由于缺少適用于高濃度重金屬、有機(jī)物污染底泥的處理處置、地下水污染防控和生態(tài)修復(fù)集成，因而課題組結(jié)合“十一五”水專項(xiàng)先后開展的“白洋淀草型富營養(yǎng)化和沼澤化逐級治理技術(shù)與工程示范”“白洋淀流域污染負(fù)荷削減技術(shù)與工程示范”“白洋淀流域生態(tài)需水保障及水生態(tài)系統(tǒng)綜合調(diào)控技術(shù)與集成示范”研究研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)與標(biāo)志性成果以及國內(nèi)外技術(shù)集成研究成果，以雄安新區(qū)典型納污坑塘區(qū)域地下水污染特征和防控要求為導(dǎo)向，結(jié)合《水污染防治行動計(jì)劃》、京津冀協(xié)同發(fā)展等國家重大戰(zhàn)略和計(jì)劃，擬突破京津冀及雄安新區(qū)典型納污坑塘區(qū)域地下水污染防控的共性關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建了針對京津冀及雄安新區(qū)典型納污坑塘的地下水污染防控技術(shù)方案，為白洋淀的水質(zhì)改善和生態(tài)恢復(fù)提供保障，為京津冀及雄安新區(qū)地下水污染防治提供技術(shù)支撐。
課題通過對雄安新區(qū)納污坑塘“余水-底泥-土壤-地下水”不同介質(zhì)中“多要素”指標(biāo)的同步系統(tǒng)監(jiān)測，識別主要的污染類型和污染特征；基于污染物與微生物群落響應(yīng)關(guān)系的分子診斷以及同位素溯源技術(shù)，形成雄安新區(qū)納污坑塘污染問題污染精準(zhǔn)診斷方法體系；在此基礎(chǔ)上，通過地表水-地下水交互作用模擬技術(shù)，研究典型污染物在污染源-底泥-地下水中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，提出地表水-地下水交互作用下水文地球化學(xué)關(guān)鍵過程和污染物環(huán)境行為與環(huán)境效應(yīng)，構(gòu)建基于污染源-底泥-地下水交互作用的地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評估與污染防控技術(shù)體系。上述研究工作的開展為唐河污水庫精準(zhǔn)診斷與靶向治理提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。
構(gòu)建納污坑塘評估與治理分類分級技術(shù)體系
面向區(qū)域納污坑塘整治重大需求，課題研發(fā)了地下水典型污染物防控關(guān)鍵技術(shù)，建立“高治-中控-低防”的納污坑塘分類分級技術(shù)體系，為地下水區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)管控提供技術(shù)支撐。
課題組在項(xiàng)目主持單位中國雄安集團(tuán)有限公司和項(xiàng)目執(zhí)行負(fù)責(zé)人、技術(shù)負(fù)責(zé)人王洪杰教授的大力支持下，以唐河污水庫為切入點(diǎn)，對雄安新區(qū)納污坑塘進(jìn)行了全面的調(diào)研和評估，成套技術(shù)已應(yīng)用于唐河污水庫及其周邊地下水污染問題的精細(xì)診斷。以唐河污水庫為例，構(gòu)建了污水庫周邊土壤-地下水系統(tǒng)“多介質(zhì)-多要素”監(jiān)測-檢測體系，對土壤-地下水中非生物（營養(yǎng)鹽、無機(jī)元素和有機(jī)污染物等）與生物（細(xì)菌、古菌等微生物）多要素開展了系統(tǒng)的分析測試，獲得了五大類371種指標(biāo)，合計(jì)5萬余個(gè)監(jiān)測數(shù)據(jù)，彌補(bǔ)了現(xiàn)有監(jiān)測信息不全、生物信息幾乎為空白的不足，為唐河污水庫污染問題的識別提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。基于構(gòu)建的風(fēng)險(xiǎn)防控指標(biāo)體系，建立了適用于唐河污水庫風(fēng)險(xiǎn)防控的“分級-分時(shí)”指標(biāo)體系，優(yōu)化后的風(fēng)險(xiǎn)防控多要素監(jiān)測指標(biāo)從300余項(xiàng)減少至100項(xiàng)以內(nèi)。基于新型分子診斷技術(shù)體系，揭示了唐河污水庫周邊地下水多要素組成特征及其相互作用方式，實(shí)現(xiàn)了對污染問題的精細(xì)化診斷。這一技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于唐河污水庫污染問題診斷，為唐河污水庫二期治理功能的研究提供了重要支撐。
課題組采取納污坑塘分類分級地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評估技術(shù)和基于多要素的污染問題精細(xì)診斷技術(shù)，對唐河污水庫及周邊水土現(xiàn)狀進(jìn)行了科學(xué)評估。
京津冀地區(qū)典型納污坑塘長期儲存污水，形成重污染底泥層，使得納污坑塘地下水污染問題不同于普通工業(yè)或農(nóng)業(yè)場地。相比地表水污染，地下水污染的影響范圍更廣、安全風(fēng)險(xiǎn)更大、治理控制更難、資金投入更多、修復(fù)時(shí)間更長，而人們對其現(xiàn)狀的了解以及危害程度的認(rèn)識卻相當(dāng)薄弱。因此，急需建立多要素監(jiān)測體系和數(shù)值模擬平臺，對雄安新區(qū)地下水水質(zhì)現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)查和模擬，為雄安新區(qū)地下水污染的防治提供重要的基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)。明確不同區(qū)域的地下水污染風(fēng)險(xiǎn)概率及污染風(fēng)險(xiǎn)程度是對地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的主要目的，同時(shí)也可以測度地下水污染承載范圍，因此，這一平臺是地下水調(diào)查與評價(jià)的有效工具，并且可以為地下水質(zhì)量評估及治理措施提供決策支持。
針對納污坑塘的特殊性，考慮底泥層的持續(xù)污染問題，本課題耦合了包氣帶與飽水帶數(shù)值模擬技術(shù)，建立了底泥-包氣帶-飽和含水層數(shù)值模擬模型，研發(fā)了納污坑塘分類分級地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評估技術(shù)，解決了底泥對污染物的富集與釋放、污染物的穿透與截留過程難以模擬的問題，實(shí)現(xiàn)了污染物在底泥-包氣帶-飽和含水層中運(yùn)移的全過程模擬，為地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評估提供基礎(chǔ)。
針對納污坑塘污染時(shí)間長，污染物種類多，污染范圍廣的特點(diǎn)，課題組開發(fā)了高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)水土共治的原位修復(fù)技術(shù)。
地下水砷污染阻控和修復(fù)技術(shù)體系
在嚴(yán)重污染區(qū)，設(shè)置P&T井群和地面處理池，抽出的高砷水，用高效的鐵改性生物炭粉末和摻錳藥劑聯(lián)合處理后回灌，在污染羽下游設(shè)置PRB，控制其進(jìn)一步擴(kuò)散；在低濃度污染區(qū)，實(shí)施含水層渡鐵技術(shù)，原位處理污染的地下水。研發(fā)了聚合物包覆過硫酸銨微膠囊，利用這種多孔納米緩釋材料用于調(diào)控地下水的氧化還原環(huán)境，可顯著改善由于介質(zhì)非均質(zhì)導(dǎo)致的局部化學(xué)反應(yīng)不充分和砷去除效率低的問題，比傳統(tǒng)藥劑注入修復(fù)的除砷效率提高70%。
植物-微生物-土壤重金屬三維阻控與長效修復(fù)技術(shù)
針對納污坑塘輕度污染土壤中典型重金屬污染物（As、Cd、Pb等）垂向溶移和縱向遷移風(fēng)險(xiǎn)問題，課題創(chuàng)新提出了植物-微生物-土壤重金屬三維阻控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了輕度污染土壤中As、Cr、Cd等典型重金屬的生物有效性降低30%以上，修復(fù)成本比傳統(tǒng)一阻控技術(shù)降低20%以上。
以火山巖和聚醚多孔材料為基料，經(jīng)α納米鐵和生物炭表面納米化涂層，制備了高效吸附重金屬的α納米鐵基三維生物炭阻控材料，其阻控Cd和Pb的效能比蘆葦生物炭提升10倍以上，安全再生利用率達(dá)到100%，使重金屬輕度污染土壤交換水水質(zhì)整體提升1個(gè)等級，突破了生物炭長效阻控及安全再生利用關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，解決了一維生物炭長效阻控易失活及生態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)問題。
基于無生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)、有觀賞價(jià)值、可長效提取原則，篩查了典型納污坑塘中76種優(yōu)勢植物的重金屬提取效能，經(jīng)試驗(yàn)篩選出黃菖蒲和黃秋英兩種長效安全提取典型重金屬的景觀植物；基于功能微生物相互作用機(jī)制，原創(chuàng)構(gòu)建了植物根區(qū)重金屬形態(tài)轉(zhuǎn)化功能微生物協(xié)同調(diào)控模型，使功能微生物的豐度提升1個(gè)數(shù)量級，實(shí)現(xiàn)了生物炭三維阻控-功能微生物協(xié)同調(diào)控-植物長效提取的安全修復(fù)。
針對高污染、復(fù)合型重金屬污染底泥，采用含鐵物質(zhì)，黏土礦物、堿性物質(zhì)等按照一定比例復(fù)配制備復(fù)合穩(wěn)定劑，通過響應(yīng)面設(shè)計(jì)，調(diào)控pH、穩(wěn)定時(shí)間、投加方式等參數(shù)，創(chuàng)新性實(shí)現(xiàn)了對陽離子（Cu、Zn、Pb、Cd）及陰離子（As）復(fù)合重金屬的同步高效去除，為富砷復(fù)合重金屬污染底泥提供了一種環(huán)境友好、高效可靠、價(jià)廉易得的復(fù)合穩(wěn)定劑修復(fù)技術(shù)。
采用超積累東南景天為修復(fù)材料，以超高濃度重金屬復(fù)合污染土壤為研究對象，東南景天對重金屬的富集濃度呈現(xiàn)為Zn > Cd > Cu > Pb > As，東南景天對Cd、Zn具有超積累能力，顯著提高了超高濃度Cu和Pb脅迫下土壤微生物群落的多樣性，為超高復(fù)合重金屬污染土壤提供了一套廉價(jià)、生態(tài)、高效的植物-微生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)，對實(shí)際修復(fù)工程的應(yīng)用具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。
底泥原位減量與
安全處理技術(shù)
針對唐河污水庫底泥以粉質(zhì)粘土為主，滲透系數(shù)低，常規(guī)板框壓濾脫水難，且受到有機(jī)物與重金屬復(fù)合污染，本課題創(chuàng)新開發(fā)了底泥的原位電動力學(xué)脫水和重金屬修復(fù)技術(shù)。重金屬與帶正電的水分子在電場的作用下向陰極移動。流入導(dǎo)水管的電極，通過泵吸，將導(dǎo)水管內(nèi)的水抽出，實(shí)現(xiàn)了污泥脫水與重金屬的協(xié)同去除，底泥的脫水效率提升1倍，創(chuàng)新研發(fā)的塑料電極，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的貴金屬，成本僅為傳統(tǒng)電極的1/20。為了克服塑料電極電阻大、熱損耗高的難點(diǎn)，開發(fā)了低壓精準(zhǔn)實(shí)時(shí)程控電源系統(tǒng)，運(yùn)行成本比傳統(tǒng)電動力脫水技術(shù)降低了20%。
基于多要素的污染問題精細(xì)診斷技術(shù)
針對納污坑塘污水來源復(fù)雜、污染變化趨勢不明，現(xiàn)有環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)不能滿足納污坑塘風(fēng)險(xiǎn)管控的要求等問題，課題提出了基于精細(xì)診斷的納污坑塘風(fēng)險(xiǎn)防控技術(shù)。
傳統(tǒng)指標(biāo)體系仍停留在污染程度的表觀評價(jià)層面，不能反映微生物驅(qū)動的污染物動態(tài)變化。本課題將微生物-污染物響應(yīng)納入風(fēng)險(xiǎn)防治指標(biāo)體系的構(gòu)建，可實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)的精準(zhǔn)識別，推動風(fēng)險(xiǎn)防控從外因驅(qū)動向內(nèi)因驅(qū)動的轉(zhuǎn)變。
傳統(tǒng)化學(xué)分子診斷難以識別污染來源、明確污染趨勢。針對納污坑塘的存量污染，將化學(xué)分子診斷與微生物分子診斷、同位素分子診斷相耦合，推動污染問題的診斷從污染現(xiàn)狀層面轉(zhuǎn)向污染來源與污染趨勢的綜合解析。
納污坑塘來源復(fù)雜，現(xiàn)有質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)測體系不適用風(fēng)險(xiǎn)防控的要求?；诙嘁?多介質(zhì)的監(jiān)測-檢測體系可有效解決現(xiàn)有監(jiān)測指標(biāo)不全面、監(jiān)測體系不健全、基礎(chǔ)信息不匹配的問題，有效彌補(bǔ)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的不足。
應(yīng)該說，課題采用納污坑塘分類分級地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評估技術(shù)和基于多要素的污染問題精細(xì)診斷技術(shù)，科學(xué)地對典型納污坑塘水土現(xiàn)狀進(jìn)行了評估，有力支撐了生態(tài)環(huán)境治理工作。
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