唐河污水庫鳥瞰
課題背景
由中國環(huán)境科學研究院承擔的水專項白洋淀項目唐河污水庫及雄安新區(qū)地下水污染防控技術研究及工程示范課題（課題編號 2018ZX07110005） 在項目主持單位中國雄安集團有限公司和項目執(zhí)行負責人王洪杰教授的大力支持下，立足于白洋淀入淀西側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技術，識別唐河污水庫外源和內(nèi)源污染因素，開展精準的問題診斷研究，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)適宜的污水庫有機物與重金屬復合污染底泥治理、地下水污染阻控等關鍵技術，分區(qū)、分類、分級實施唐河污水庫地下水污染防控工程和生態(tài)修復全過程治理工程，提出雄安新區(qū)地下水污染防控與生態(tài)修復全過程管理方案，從而為白洋淀流域近中遠期水環(huán)境精細化治理與修復提供技術基礎，并為雄安新區(qū)生態(tài)環(huán)境保護提供技術支撐。
為唐河污水庫精準診斷與靶向治理提供關鍵技術支撐
國家《水污染防治行動計劃》和《土壤污染防治行動計劃》均針對我國在地下水環(huán)境保護與污染防治技術體系等方面進行了詳細規(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)境部高度關注，多次進行現(xiàn)場調(diào)研。雄安新區(qū)的開發(fā)建設以保護和修復白洋淀生態(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及地下水污染防控技術研究。
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，同時由于缺少適用于高濃度重金屬、有機物污染底泥的處理處置、地下水污染防控和生態(tài)修復集成，因而課題組結合“十一五”水專項先后開展的“白洋淀草型富營養(yǎng)化和沼澤化逐級治理技術與工程示范”“白洋淀流域污染負荷削減技術與工程示范”“白洋淀流域生態(tài)需水保障及水生態(tài)系統(tǒng)綜合調(diào)控技術與集成示范”研究研發(fā)的關鍵技術與標志性成果以及國內(nèi)外技術集成研究成果，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向，結合《水污染防治行動計劃》、京津冀協(xié)同發(fā)展等國家重大戰(zhàn)略和計劃，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鍵技術，構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方案，為白洋淀的水質(zhì)改善和生態(tài)恢復提供保障，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關系的分子診斷以及同位素溯源技術，形成雄安新區(qū)納污坑塘污染問題污染精準診斷方法體系；在此基礎上，通過地表水-地下水交互作用模擬技術，研究典型污染物在污染源-底泥-地下水中的遷移轉化規(guī)律，提出地表水-地下水交互作用下水文地球化學關鍵過程和污染物環(huán)境行為與環(huán)境效應，構建基于污染源-底泥-地下水交互作用的地下水污染風險評估與污染防控技術體系。上述研究工作的開展為唐河污水庫精準診斷與靶向治理提供關鍵技術支撐。
構建納污坑塘評估與治理分類分級技術體系
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鍵技術，建立“高治-中控-低防”的納污坑塘分類分級技術體系，為地下水區(qū)域風險管控提供技術支撐。
課題組在項目主持單位中國雄安集團有限公司和項目執(zhí)行負責人、技術負責人王洪杰教授的大力支持下，以唐河污水庫為切入點，對雄安新區(qū)納污坑塘進行了全面的調(diào)研和評估，成套技術已應用于唐河污水庫及其周邊地下水污染問題的精細診斷。以唐河污水庫為例，構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、無機元素和有機污染物等）與生物（細菌、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，合計5萬余個監(jiān)測數(shù)據(jù)，彌補了現(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數(shù)據(jù)支撐。基于構建的風險防控指標體系，建立了適用于唐河污水庫風險防控的“分級-分時”指標體系，優(yōu)化后的風險防控多要素監(jiān)測指標從300余項減少至100項以內(nèi)。基于新型分子診斷技術體系，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，實現(xiàn)了對污染問題的精細化診斷。這一技術已經(jīng)成功應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險評估技術和基于多要素的污染問題精細診斷技術，對唐河污水庫及周邊水土現(xiàn)狀進行了科學評估。
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、安全風險更大、治理控制更難、資金投入更多、修復時間更長，而人們對其現(xiàn)狀的了解以及危害程度的認識卻相當薄弱。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性數(shù)據(jù)。明確不同區(qū)域的地下水污染風險概率及污染風險程度是對地下水污染風險評價的主要目的，同時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，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險評估技術，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，實現(xiàn)了污染物在底泥-包氣帶-飽和含水層中運移的全過程模擬，為地下水污染風險評估提供基礎。
針對納污坑塘污染時間長，污染物種類多，污染范圍廣的特點，課題組開發(fā)了高風險區(qū)水土共治的原位修復技術。
地下水砷污染阻控和修復技術體系
在嚴重污染區(qū)，設置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，在污染羽下游設置PRB，控制其進一步擴散；在低濃度污染區(qū)，實施含水層渡鐵技術，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)導致的局部化學反應不充分和砷去除效率低的問題，比傳統(tǒng)藥劑注入修復的除砷效率提高70%。
植物-微生物-土壤重金屬三維阻控與長效修復技術
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險問題，課題創(chuàng)新提出了植物-微生物-土壤重金屬三維阻控技術，實現(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，修復成本比傳統(tǒng)一阻控技術降低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，安全再生利用率達到100%，使重金屬輕度污染土壤交換水水質(zhì)整體提升1個等級，突破了生物炭長效阻控及安全再生利用關鍵技術瓶頸，解決了一維生物炭長效阻控易失活及生態(tài)安全風險問題。
基于無生態(tài)風險、有觀賞價值、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制，原創(chuàng)構建了植物根區(qū)重金屬形態(tài)轉化功能微生物協(xié)同調(diào)控模型，使功能微生物的豐度提升1個數(shù)量級，實現(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。
針對高污染、復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)等按照一定比例復配制備復合穩(wěn)定劑，通過響應面設計，調(diào)控pH、穩(wěn)定時間、投加方式等參數(shù)，創(chuàng)新性實現(xiàn)了對陽離子（Cu、Zn、Pb、Cd）及陰離子（As）復合重金屬的同步高效去除，為富砷復合重金屬污染底泥提供了一種環(huán)境友好、高效可靠、價廉易得的復合穩(wěn)定劑修復技術。
采用超積累東南景天為修復材料，以超高濃度重金屬復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，為超高復合重金屬污染土壤提供了一套廉價、生態(tài)、高效的植物-微生物聯(lián)合修復技術，對實際修復工程的應用具有現(xiàn)實指導意義。
底泥原位減量與
安全處理技術
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，且受到有機物與重金屬復合污染，本課題創(chuàng)新開發(fā)了底泥的原位電動力學脫水和重金屬修復技術。重金屬與帶正電的水分子在電場的作用下向陰極移動。流入導水管的電極，通過泵吸，將導水管內(nèi)的水抽出，實現(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，開發(fā)了低壓精準實時程控電源系統(tǒng)，運行成本比傳統(tǒng)電動力脫水技術降低了20%。
基于多要素的污染問題精細診斷技術
針對納污坑塘污水來源復雜、污染變化趨勢不明，現(xiàn)有環(huán)境質(zhì)量標準不能滿足納污坑塘風險管控的要求等問題，課題提出了基于精細診斷的納污坑塘風險防控技術。
傳統(tǒng)指標體系仍停留在污染程度的表觀評價層面，不能反映微生物驅動的污染物動態(tài)變化。本課題將微生物-污染物響應納入風險防治指標體系的構建，可實現(xiàn)風險的精準識別，推動風險防控從外因驅動向內(nèi)因驅動的轉變。
傳統(tǒng)化學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)狀層面轉向污染來源與污染趨勢的綜合解析。
納污坑塘來源復雜，現(xiàn)有質(zhì)量標準的監(jiān)測體系不適用風險防控的要求。基于多要素-多介質(zhì)的監(jiān)測-檢測體系可有效解決現(xiàn)有監(jiān)測指標不全面、監(jiān)測體系不健全、基礎信息不匹配的問題，有效彌補現(xiàn)有標準的不足。
應該說，課題采用納污坑塘分類分級地下水污染風險評估技術和基于多要素的污染問題精細診斷技術，科學地對典型納污坑塘水土現(xiàn)狀進行了評估，有力支撐了生態(tài)環(huán)境治理工作。
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