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讲课老师：侯德义副教授  清华大学环境学院

2022年4月19日

一、国家高度重视地下水环境安全

我国15.4%的用水由地下水供应，北方地区65%生活用水来自于地下水。目前地下水污染问题日益突出，已引起社会和国家管理部门的高度关注。地下水保护是一个全球共识的问题，我国北方在地下水饮用方面占比非常大，南方城市地下水饮用相对较少。对于场地来说，地下水不仅是饮用水的问题，更是安全的问题。我国很早就开始对地下水安全保障工作进行战略布局，并明确指出污染场地是地下水污染防控的重点污染源。

二、工业场地地下水污染事件

1.北京东方化工厂爆炸

1997年，北京东方化工厂发生爆炸事故，造成大量化学品泄漏。事故发生后，大家都是从应急的角度出发去处置问题，但是事后会造成长期的污染。

2.常州外国语环境事件

2016年，常州外国语学校新校址相邻长隆地块土壤和地下水污染严重，央视报道大量学生体检异常，成为重大舆情事件。显然，地下水污染扮演了一个非常重要的角色。

3.兰化自来水污染事件

2014年，地下水污染导致兰州自来水苯含量超标，几十万居民饮水困难。因此，未来在给市政部门做环评的时候，要更多的考虑地下水污染影响。

三、地下水污染的危害类型

危害1：生态环境安全

植物直接吸取地下水，尤其是南方，地下水深度只有几米，而植物根系，如乔木可能钻到地下几十米，污染物进入植物与动物体内，影响其正常的遗传特性、代谢机制，导致生长受抑制，甚至死亡。岩溶裂隙区域存在很多泉水，生态系统里面的动物饮用被污染的泉水，也会造成生态危害。

危害2：人居环境安全

三氯乙烯、四氯化碳等高毒性污染物迁移进入室内，导致人体出现突变、畸变、癌变，诱发公害事件。如房地产开发，场地地下水中有机挥发性污染物即使浓度比较低，也有可能通过挥发途径进入室内，从而导致公众健康伤害。

危害3：饮用水安全保障

水源地周边存在大量污染工业地块，地下水进入饮用水，威胁饮用水安全。加油站、罐体的改造等对地下水污染防治非常有利。

图1 地下水污染造成的危害

四、地下水污染防治管理框架

2011年10月28日，国务院发布《全国地下水污染防治规划（2011-2020）》，明确地下水污染防治主要任务、投资规划和保障措施。该文件过去十年对地下水污染防治工作起到了很好的作用。

2016年5月28日，《土壤污染防治行动计划》发布实施，将地下水纳入土壤污染防治工作范畴。

2019年1月1日，《土壤污染防治法》实施，明确提出，土壤污染状况调查、地块修复、风险管控范围应包括地下水。《土壤污染防治法》弥补了地下水污染防治管理的补丁，包括场地和区域的地下水污染防治管理，给地下水污染防治提供了很好的顶层设计。

2019年3月28日，《地下水污染防治实施方案》发布，明确提出，强化土壤、地下水污染协同防治，加强技术研发，力争2035年地下水环境质量总体改善。文件发布之后，中央专项资金支持了一批地下水污染防治项目，对地下水污染防治的认识和技术应用都有很好的推动作用。

2019年6月18日，发布《污染地块地下水修复与风险管控技术导则》（HJ25.6），保证地下水修复和风险管控过程的科学性和客观性。该导则对推动行业的发展和技术应用都有很好的作用。关于两年的监测期问题，是细分的新兴的领域，导则实际应用中，与传统的管理体系之间存在矛盾，需要多方一起合力解决。

2021年3月1日，《地下水监测技术规范》（HJ164-2020）实施，该规范替代HJ164-2004，充分考虑地下水基本特征，完善地下水环境质量监测技术体系，匹配现有标准。

2021年6月，全国土壤污染状况详查完成成果集成，包含了重点行业企业用地地下水环境质量摸底，推动了对全国污染场地的认识，对行业发展推动具有重要意义。后续可能也会有越来越多的场地由于地下水污染问题，需要去做风险管控、修复。

2021年11月，国务院发布《地下水管理条例》，该条例更多的是从资源的角度去管理地下水。因为该条例由国务院发布，具有法律效力，将来可能会制定相关细则、标准，对场地地下水的污染防治也会有很大的影响。

重要的社会需求：工业场地地下水污染治理与风险管控存在哪些重要的科学与技术问题？存在哪些挑战与机遇？

五、面临科技挑战

挑战1：地下水修复与风险管控的绿色可持续

绿色可持续修复是国际修复界近十年最前沿和最热门的发展方向之一。近些年，科技部项目、国家政策标准制定，绿色可持续修复被提到的次数越来越多。绿色可持续本身是个动态概念。上世纪七八十年代，场地修复行业的发展、美国环境署的成立等很大一部分原因是因为环境公害事件和广泛的公众影响。国际修复行业最开始的20年，大量的修复工作是要把所有污染都清除。国外这种认识的形成，是由于其特殊的历史原因，且那个时候科学认识也不够。国内初期的时候，包括业主、公众在内的很多人对这个行业的认识也是认为要把所有污染物都去除。但是这个历史时期我们不该再花二三十年去经历。一是不符合科学规律，污染物的迁移不规则，土壤中本身就有重金属，彻底清除场地的污染是不可能的；另一方面，成本很难负担。

上世纪九十年代和本世纪初，基于风险的修复越来越被接受。如，国外一个项目如果有地下水污染，要评估地下水是否往下游迁移，是否在下游进入地表生态系统，是否被临近地块的居民饮用，是否被其他的工业应用等。如果这些路径不存在，是不存在风险的；如果存在风险，切断这些路径，也是可以控制风险的。

1.修复过程会带来巨大的二次影响，包括能耗、材料消耗、全生命周期环境足迹。上世纪九十年代末期提出的基于风险的管理纳入可持续发展的理念，并不是绿色可持续修复的主流，现在国际的认识，一是修复工程本身会带来二次影响，即二次污染，也会有其他如能耗、材料消耗。如，水泥窑处置，能耗很高，有碳足迹、温室气体排放，更重要的是水泥窑烧制过程中，把集聚的污染物扩散到水泥中，风险是不可控的，这些都是二次影响。从地块角度，问题解决了，但从社会角度并没有解决。比如水泥制成砖后被用作建筑材料，将来碳化风化之后重金属又回归到土壤中，那个地方的背景值就增加了。水泥窑解决了业主的问题，并没有解决全社会问题。很多案例表明，水泥窑在全社会角度来看负面影响可能要大于正面效应。

2.修复与风险管控的方式与效果决定未来土地使用方式。推动绿色可持续修复最大的一个逻辑就是从全社会的角度讲可持续发展，另一方面，现在的修复风险控制值科学性并不是很强，因为没有考虑未来土地使用暴露人口的数量，对前面的决策是有偏颇的。

3.国际社会对可持续的日益认同和重视，推动基于自然的解决方案（Nature-basedSolution）等绿色可持续方法的发展。国际社会对可持续发展的日益认同和重视，包括低碳、基于自然的解决方案等，代表了人类命运共同体的发展方向，对于修复这样一个很小的行业领域也必然造成影响，而不是等十年二十年后，各个方面水平发展很高了再去在绿色可持续方面思考。

研发需求：

1.不同修复与风险管控技术的生命周期建模及热点分析

如热脱附，在某些条件下碳足迹较低，技术研发应对碳足迹较高的过程进行技术改造，对能耗改进，让热脱附在绿色可持续的大背景下有更好的应用场景。

2.气候变化下修复技术的弹性

3.低能耗低足迹的绿色修复材料

4.原位高效低耗修复工艺

5.修复对社会与经济的影响

挑战2：含水层污染精准刻画与风险评估

精准刻画是高效低耗修复的前提条件，地下水科学取样是我国的一个短板。目前国内很少有低流量取样，大部分采用贝勒管，因为低流量取样的泵进口价格较高。取样对地下水的认识有巨大的偏差，地下水取样应根据地下水的对流、弥散，形成高斯分布。但目前不管场地还是区域层面的数据，很多时候不是高斯分布，而是类似于重金属大气沉降造成的污染。其原因，一是目前取样方法不连续，导致污染物挥发了，有机污染物检出不超标。二是地下水调查方面，点位很少，点位多的时候，采用打棉花庄、网格布点。三是场地地下水污染的三维刻画不够精准，过于粗略，对地层结构的刻画，部分直接把区域层面的拿来用。关于含水层污染和精细条件的刻画需要加强。

研发需求：

1.地下水取样方法及监测网格的优化

2.非常规污染物的检测与定量

3.面向精细刻画的物探方法，高精度场地的调查，物探可以更连续

4.地下水挥发性有机物蒸汽入侵风险，国内建筑的蒸汽入侵模型大多用国外的，但国外建筑物与国内差别较大

5.模型与实测数据的相互验证及决策支撑

挑战3：低渗透地层及透镜体的反向扩散

低渗透介质的方向扩散是地下水污染修复的最大技术。

1.反向扩散造成了美国污染修复行业最初20年的最大失败，是现在欧美原位修复的主要动力

2.最近10年以来人民对反向扩散的认识大大加强

3.仍然缺乏精确定量的模拟和分析工具，在实际场地尤其困难，比如高精度的场地调查，很多时候就是用的物探的方法，能够相对更连续的得出一些数据

研发需求：

1.精准的溯源与定位技术

2.定量分析与模拟方法

3.针对国内国情，研究反向扩散与原位修复效果、风险管控长期监管等的关系

挑战4：原位修复过程中的有毒副产物生成

我国原位土壤与地下水修复最大的问题之一是忽视了有毒副产物的生成与监管。

1.原位四氯乙烯或三氯乙烯厌氧生物脱氯生成毒性更高的氯乙烯，毒性高出近10倍

2.原位化学氧化过程中生成六价铬等高毒性次生污染物，目前国内土壤和地下水原位修复对有毒副产物关注度不够，下一步大规模开展地下水污染修复要引起足够重视

3.原位还原导致高砷地下水

4.有毒副产物在生命周期环境足迹中可能占主导地位

研发需求：

1.原位修复过程中污染物降解产物的毒性及监测

2.原位修复对pH、氧化还原电位等的影响，以及因此导致原生污染物浓度的升高与迁移

3.长期监测与预警方法

挑战5：地下水修复污染物浓度反弹

反弹问题集中反映了地下水修复治理与污水处理的差异。国内相关认识相对还较少。国外修复结束后，修复系统停一段时间，这段时间污染物浓度就上去了，污染物浓度回到之前的90%是非常普遍的，回到60%是大多数情形，还有少数情形会比之前还高，只有极少情形污染物浓度还在低位。国内为了解决这个问题在技术标准里，提出来要做2年监测。此外，应该更多的把修复和后期管理相结合，不管是风险管控还是修复，都要去管理地下水，后期要有监测数据，才能够确定是否修复好了。

图2 地下水修复过程中污染物浓度变化情况

1.地下水修复仅仅处理含水层中水相部分，反应速率高（注：与污水处理不一样，原位处理要慢不要快）

2.含水层介质中污染物往含水层中反向扩散，扩散速率低

3.地下水修复达标后，处理停止，反向扩散导致地下水污染浓度反弹并超标

研发需求：

1.缓释材料（slow release materials），如生物油

2.原位土壤搅拌（In-situ soil mixing），如零价铁粉

3.生物地球化学转换（Biogeochemical transformation），用硫化铁等天然矿物

4.热脱附(Thermal desorption)

虽然概念上能耗高，但少数情景下，是可持续的，其他修复条件如原位化学氧化，可能要修复几轮，而热脱附可能一轮就好了，碳足迹不一定比其他修复技术高。

挑战6：修复过程拖尾

拖尾问题导致抽出处理长时间运行，造成极大浪费。主要是针对抽提，目前国内应用较少。

1.拖尾是气相抽提、甭提处理、地下水曝气等物理分离技术经常碰到的技术挑战

2.拖尾造成的原因包括污染物在颗粒介质中不均衡分布，低渗透地层和透镜体的反向扩散等

图3 地下水修复过程中拖尾情况

研发需求：

1.污染物相间非平衡态迁移

2.优化抽提策略

3.强化脱附方法

挑战7：水土协同治理

不能脱离地下水谈土壤修复或脱离土壤谈地下水修复。目前从业者基本达成共识，可能是行业里发展最快的，目前大家普遍接受水土协同治理。

1.土壤污染物通过渗滤、扩散等作用进入地下水

2.地下水中污染物通过扩散、毛细吸附等进入土壤

图4 土壤和地下水污染相互作用情况

研发需求：

1.各类污染物在包气带的迁移规律与迁移模型目前在风险评估中反映的相对较弱

2.残留污染物的扩散风险分析工具。将来可能会有更多的问题，比如土壤修复达标了，但地下水污染未达标，因为土壤里面的污染物跟地下水中污染物是相互联系的，他们之间是一个水固分配系数的问题，实际中土壤污染物不超标但地下水中污染物会超标，因此将来做修复要考虑这层污染物的问题。

3.土壤修复与地下水修复技术的耦合方法与优化方法

挑战8：大型复杂场地地下水修复

大型复杂场地的地下水修复仍然是世界性的难题。

1.大型场地的水文地质条件复杂度更高，污染物种类更多

2.反应条件差异：氯代烃需还原而苯系物需氧化

3.迁移条件差异：LNAPL上浮而DNAPL下沉

4.地下管道和历史填埋造成的超级小局部水文地质条件差异

研发需求：

1.生物处理与化学处理方法的藕合

2.处理复合污染物的Treatment Train

3.补救过程优化（Remedial Process Optimization）

4.修复与监测自然衰减的结合

5.低阈值（Low Threshold）结案策略

挑战9：裂隙水污染迁移与风险管控

裂隙水在我国污染场地地下水管理中尤为重要，长期而言对我国是重大挑战。

1.已有工作多集中于较大区域和较大深度，对于地表浅层地下水和小尺度研究很少

2.场地调查难度大

3.缺乏简单易用的模型工具

4.长期风险管控不确定性大

研发需求：

1.场地尺度的裂隙水迁移理论

2.场地调查方法与理论

3.模型模拟方法与实地验证

4.污染物源汇理论及长期风险管控方法

挑战10：地下水中新兴污染物

新兴污染物是场地地下水污染研究的一个新增长点。

1.PFAS等全氟化合物

2.抗生素

3.纳米材料

4.个人护理品

5.微塑料

研发需求：

1.污染物分布规律

2.土壤地下水中迁移规律

3.高效吸附材料用于抽出后地面处理

4.原位生物降解方法

5.高级氧化方法

问答环节（筛选）：

1. 问：微塑料问题，当前管理部门较为关注，是否要在土壤领域进行微塑料的监管？

解答：微塑料是一个较新的话题。土壤中微塑料近三四年才开始关注研究，土壤中微塑料的危害有多大还远远不能得出结论。土壤中微塑料是普遍存在的，主要来源于农药有机肥、大气沉降、地表径流等。从管理角度，管理部门还不需要延伸到微塑料，一是检测分析难度大，没有相关标准方法，二是危害尚不不明确，三是没有相关修复技术。现在更多的是需要污染预防，分析微塑料进入土壤的途径，根据风险作出相关管理规定。

2. 问：地下水污染要求监测2年，目前国家标准中明确规定，未来精细化管理，在管理政策制定上，是否可以往更柔性化的方向上进行一个调整？

解答：现在的管理体系是有一定的空间，充分用好后期管理，地下水修复效果会更好。可以将验收或者效果评估前移，根据结果移除名录，但是也要进行后期管理。只要后期管理跟进了，前期风险就可管控。后期管理也可以倒逼劣币驱逐良币，给前期工作带来压力，倒逼整个行业往健康的方向发展。柔性化是同意的，但不能验收过之后就不管了。