肖 鵬
提要眾所周知,由于防污性能差,巖溶含水層比其他含水層更容易受到污染。其污染物可分為水溶性有機(jī)和無(wú)機(jī)污染物。對(duì)每一類污染物,其遷移、儲(chǔ)存和最終的排出機(jī)制都是多樣的、復(fù)雜的和相互作用的。為此,研究巖溶水中污染物的遷移和轉(zhuǎn)換機(jī)制對(duì)巖溶水的凈化具有重要意義。
關(guān)鍵詞:污染物;轉(zhuǎn)換機(jī)制;巖溶含水層
中圖分類號(hào):F323.213文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
一、污染物在巖溶含水層中的遷移轉(zhuǎn)化方式
巖溶水系統(tǒng)是一個(gè)包括多種無(wú)機(jī)物和有機(jī)物的復(fù)雜水-巖體系,污染物進(jìn)入巖溶水系統(tǒng)后會(huì)發(fā)生一系列的變化,通過(guò)各種變化,污染物向以下幾個(gè)方面轉(zhuǎn)化:①分散在水體中,逐漸稀釋;②分解和轉(zhuǎn)化為其他物質(zhì),并消耗水中的溶解氧,使水質(zhì)惡化;③沉淀在底泥中;④富營(yíng)養(yǎng)化。環(huán)境條件不同,污染物遷移轉(zhuǎn)化的方式也不盡相同。
污染物在地下水中的遷移轉(zhuǎn)化是一個(gè)復(fù)雜的物理、化學(xué)和微生物分解過(guò)程,包括對(duì)流彌散、水文地球化學(xué)作用,以及生物的分解作用。從宏觀上講,巖溶區(qū)污染物的遷移方式仍主要根據(jù)其彌散系數(shù)、物理、化學(xué)和生物等特性而發(fā)生變化。其遷移方式主要分為以下幾種:①在非均質(zhì)含水層中,污染物通常按照類似于“手指狀”的平面圖形沿著水流方向前進(jìn);②對(duì)于污染物可完全發(fā)生在液相以內(nèi)的反應(yīng),或從其他相而進(jìn)行的溶質(zhì)遷移,都可使?jié)舛劝l(fā)生變化;③污染物在遷移過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一系列能改變巖溶水系統(tǒng)中污染物濃度的化學(xué)和生物化學(xué)反應(yīng),這些反應(yīng)對(duì)污染物的遷移轉(zhuǎn)化有重大影響;④污染物被吸附作用和其他化學(xué)過(guò)程從水體向介質(zhì)固體部分的傳輸,可促使被阻滯的污染物前鋒面條前進(jìn)速率;⑤污染物在裂隙介質(zhì)中的遷移模式,表現(xiàn)為隨時(shí)間的推移,污染物將更深入地?cái)U(kuò)散到孔隙基質(zhì)中去;如果污染物不是連續(xù)的,則孔隙基質(zhì)中的污染物隨著水通過(guò)裂隙網(wǎng)絡(luò)的稀釋作用,最終將擴(kuò)散回到裂隙開(kāi)口處。這種遷移轉(zhuǎn)化取決于污染物在地下水環(huán)境中的存在形式、富積狀況以及環(huán)境的地球化學(xué)特征。
對(duì)流彌散是污染物在巖溶水系統(tǒng)中占主導(dǎo)地位的遷移方式,是指污染物以溶解態(tài)形式在地下水系統(tǒng)中進(jìn)行的水動(dòng)力彌散。在巖溶管道中是由機(jī)械彌散和分子擴(kuò)散同時(shí)作用引起的;在巖溶裂隙網(wǎng)絡(luò)中,起主要作用的是機(jī)械彌散,分子擴(kuò)散效果不顯著。
二、病原微生物在包氣帶和含水層中的遷移影響因素
病原微生物在包氣帶和含水層中的遷移能力除了受其存活期長(zhǎng)短影響外,還受到吸附作用和過(guò)濾作用的控制。
(一)機(jī)械過(guò)濾作用。細(xì)菌的大小為0.5~5,病毒的大小為0.22~0.25。研究表明,砂和砂礫對(duì)細(xì)菌以及病毒無(wú)效;粉土可過(guò)濾掉細(xì)菌,但對(duì)病毒過(guò)濾效果不大。
(二)吸附作用。介質(zhì)對(duì)病原微生物的吸附作用主要受介質(zhì)條件(如pH值與電導(dǎo)值、土壤組成、飽水和非飽水環(huán)境)和病原微生物類型的控制。
pH值與電導(dǎo)值:病毒像細(xì)胞一樣,它們所帶的電荷取決于介質(zhì)的pH值。當(dāng)pH值大于7時(shí),土壤中的病毒均帶負(fù)電,兩者產(chǎn)生斥力,幾乎不吸附,易于遷移;而在酸性土壤中易吸附而不遷移。由于污水的電導(dǎo)大于雨水的電導(dǎo),所以當(dāng)雨水入滲時(shí)可使原先吸附在土壤的細(xì)菌和病毒解吸,因此雨后常出現(xiàn)地下水病原微生物污染。
土壤組成:土壤組成不同,吸附能力也不同。一般來(lái)說(shuō),病毒的吸附隨土壤粘粒含量增加而增加。一些研究發(fā)現(xiàn),紅土(黏土含量占32.5%)截留病毒最有效。鐵的氧化物,特別是磁鐵礦對(duì)病毒有很高的親和力,磁鐵礦和赤鐵礦是最有效的病毒吸附劑。
飽水和非飽水流動(dòng):一般來(lái)說(shuō),病原微生物在飽水條件下更易遷移,因?yàn)榉秋査疇顟B(tài)下,水以薄膜的形式存在于土壤顆粒表面或沿空隙壁流動(dòng),水中病原微生物更接近于土壤顆粒表面,從而增加土壤對(duì)它們的吸附。
病毒類型:病毒的吸附與其種類有關(guān),有些病毒易被吸附,有些不易被吸附。
綜上所述說(shuō)明,由于病原微生物存活期短,且地下水流動(dòng)緩慢,加上吸附、拮抗作用等,所以地下水病原微生物污染多為范圍有限的局部污染。
三、巖溶水系統(tǒng)中典型污染物的遷移轉(zhuǎn)化機(jī)制
(一)水溶性污染物。水溶性污染物可以任何濃度完全溶于水中。水溶液中無(wú)機(jī)化合物包括氨和硝酸鹽離子,多數(shù)來(lái)源于人類和動(dòng)物的排泄物,可能是最普遍的無(wú)機(jī)污染物;此外,水溶液中還有其他的無(wú)機(jī)水溶性離子,如氯化物和硫酸鹽,以及一些劇毒物質(zhì),如來(lái)源于工業(yè)廢水中的氰化物。還有一些有機(jī)物也溶于水,如乙醇、羧基酸,苯酚和一些農(nóng)業(yè)化學(xué)物質(zhì)。
水溶性污染物可隨水流動(dòng),在巖溶含水層中,地下水通過(guò)土壤的分散滲透,經(jīng)過(guò)落水洞和下滲流最終進(jìn)入管道系統(tǒng)。水溶性污染物的濃度應(yīng)該由水源在主管道中與其他水體混合而被稀釋來(lái)確定。由于在暴雨期水體被稀釋,硝酸鹽或其他一些水溶性污染物濃度應(yīng)該減小,盡管暴雨期的水體被稀釋這種現(xiàn)象被觀察到,但在很多情況下觀察到的是污染物在暴雨期的脈動(dòng)現(xiàn)象。有監(jiān)測(cè)資料表明,污染物趨向于在雨水高峰期沿水位曲線上升而達(dá)到最高濃度。受暴雨的稀釋影響,在管道泉中污染物濃度變化較大;而在裂隙泉中硝酸鹽濃度相對(duì)穩(wěn)定,盡管實(shí)際中從一個(gè)泉到另一個(gè)泉硝酸鹽濃度會(huì)變動(dòng)很大。
(二)比水輕的非水溶相液體。比水輕的非水溶相的液體(LNAPLs)浮于水的表面,汽油、柴油、家用取暖油以及一些相關(guān)的石油烴類是最普遍的例子。汽油是一種由分子量低、相對(duì)易揮發(fā)的飽和烴組成的復(fù)雜混合物,也正是芳香烴、苯、甲苯、乙苯以及二甲苯的比例決定了汽油的毒性。
LNAPLs漂浮于地下水面,這種現(xiàn)象已經(jīng)引起了一些突出的環(huán)境問(wèn)題。當(dāng)?shù)叵滤蚴芏露纬伤習(xí)r,LNAPL也會(huì)集聚在一起并暫時(shí)被截獲。管道系統(tǒng)通常在水位處形成邊槽,因此在管道分支中以及裂縫系統(tǒng)中,LNAPL污染物趨向于向主管道運(yùn)移。在洪水期,邊槽被水充滿,具有自由水面的管道就進(jìn)入管流動(dòng)態(tài);集聚在邊槽內(nèi)的LNAPL隨水流上升而消散并對(duì)管道頂板產(chǎn)生壓力。管道頂板上的任何洞穴都會(huì)對(duì)LNAPL的運(yùn)移構(gòu)成障礙。如果頂板致密不滲漏,LNAPL就會(huì)被迫以活塞式流動(dòng)繞過(guò)障礙物,一陣陣的LNAPL也就不斷地沿管道流動(dòng)。因此,LNAPL泄漏后不會(huì)立刻在巖溶泉中出現(xiàn)。相對(duì)地,如果頂板上有裂縫,活塞式流動(dòng)驅(qū)使LNAPL沿裂縫向上運(yùn)動(dòng),蒸汽甚至可以上升進(jìn)入到地表的構(gòu)造體。發(fā)源地的煙霧問(wèn)題和被LNAPLs污染的覆在管道系統(tǒng)上的其他構(gòu)造,在LNAPLs初次溢出很久以后可能還會(huì)溢出。
(三)比水重的非水溶相液體DNAPLs。比水重的非水溶相液體(DNAPLs)沉于水底,大多是氯化合物或阻燃劑,包括一些分子量小、相對(duì)易揮發(fā)的化合物。比水重的有機(jī)液體向表層巖溶下部的遷移途徑有各類裂縫、豎井和豎坑,它們?cè)诤畬又锌赡艿膬?chǔ)存地點(diǎn)包括洞穴、滲流區(qū)的干洞、潛水區(qū)的裂縫以及主要的管道系統(tǒng),在管道系統(tǒng)中,DNAPLs在水位以下集聚并與碎屑沉積混合而占據(jù)管道。由于密度的不同,DNAPLs能進(jìn)入沉積堆的空隙中,在那里它們可以隱藏很長(zhǎng)一段時(shí)間。
在巖溶地下水盆地邊界附近,地下水位一般比較高,水力梯度由地下水盆地邊界指向管道系統(tǒng)。到達(dá)地下水位的DNAPLs不必沿水力梯度方向隨地下水流向管道系統(tǒng),但可以繼續(xù)垂直入滲到任何低于局部基準(zhǔn)面的儲(chǔ)存空間中,也可以沿著完全不同于水力梯度方向的傾斜層面遷移。
(四)病原體。由于缺少土壤的過(guò)濾作用,病毒、細(xì)菌、寄生蟲(chóng)和一些較大的原生動(dòng)物很容易在巖溶含水層中遷移,其中糞大腸菌群和糞鏈球菌傳播最廣,它們常作為受到污水和動(dòng)物排泄物污染的指標(biāo)。最受關(guān)注的原生動(dòng)物是賈第鞭毛蟲(chóng),它從動(dòng)物糞便中以包囊形式釋放出來(lái),常存在于水體表面,隨滲流進(jìn)入地下水。盡管很久以前就認(rèn)識(shí)到洞穴溪流不能作為飲用水,但事實(shí)上許多洞穴溪流和泉水被用來(lái)作為家庭水源,有時(shí)甚至作為公共水源。由于從下滲流或是由暴雨徑流而進(jìn)入落水洞的補(bǔ)給水缺少過(guò)濾作用,包括致病在內(nèi)的各種微生物很容易進(jìn)入到地下水系統(tǒng)中。典型微生物的大小從不到微米到幾百微米不等,在細(xì)粒沉積物范圍內(nèi)。生物體通過(guò)水中的懸浮物遷移,還可通過(guò)吸附于沉積顆?;蛴袡C(jī)物上而遷移。
(作者單位:深圳市創(chuàng)新投資集團(tuán))
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