王柱強(qiáng)

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京 100083； 2.北京中合福源人居環(huán)境科技有限公司，北京 100107)

改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)一直保持較高的增長(zhǎng)速度，生產(chǎn)力得到極大解放，社會(huì)產(chǎn)品逐漸豐富，人民群眾的生活水平得到大幅度提高。但是，由于未能有效處理好發(fā)展經(jīng)濟(jì)和保護(hù)環(huán)境之間的矛盾，環(huán)境污染也越來(lái)越嚴(yán)重，地下水污染問(wèn)題日益突出，地下水污染防控形勢(shì)越來(lái)越嚴(yán)峻。加強(qiáng)地下水污染防治工作，保障飲水安全，對(duì)全面建設(shè)小康社會(huì)、人與自然和諧，以及經(jīng)濟(jì)社會(huì)全面、協(xié)調(diào)和可持續(xù)發(fā)展，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。

1 當(dāng)前我國(guó)地下水污染防控工作的現(xiàn)狀

1.1 我國(guó)地下水污染的形勢(shì)

我國(guó)地下水污染的主要來(lái)源，是城市生活污水及垃圾堆放、工業(yè)“三廢”排放、農(nóng)業(yè)大量使用化肥和農(nóng)藥等導(dǎo)致。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)大、中城市淺層地下水不同程度地遭受污染，其中約一半的城市市區(qū)地下水污染較嚴(yán)重；全國(guó)多數(shù)城市地下水水質(zhì)呈下降趨勢(shì)，部分城市淺層地下水已不能直接飲用，缺水城市和地區(qū)日益增多。污染嚴(yán)重區(qū)主要分布在大城市的中心地帶、城鎮(zhèn)周圍區(qū)、排污河道兩側(cè)、地表污染水體分布區(qū)及引污水灌溉農(nóng)田地區(qū)。地下水污染不僅檢出組分越來(lái)越多，越來(lái)越復(fù)雜，而且污染程度和深度也在不斷增加，有些地區(qū)深層水中已有污染物檢出。地下水污染正由點(diǎn)污染、條帶狀污染向面上擴(kuò)散，由淺層向深層滲透，從城市向周圍蔓延。

1.2 地下水污染造成的危害

地下水遭受污染后，不但其自凈能力極弱，會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重影響，直接對(duì)人類及其活動(dòng)造成危害。一是影響人體健康。 地下水污染后，會(huì)引起水中三氮含量的變化，飲用水中硝酸鹽或亞硝酸鹽含量過(guò)高，將嚴(yán)重影響人體尤其是嬰兒健康，引發(fā)硝酸鹽急性中毒，即正鐵血紅骯癥。硝酸、鹽氮、亞硝酸鹽氮在人體中特定條件下，還會(huì)轉(zhuǎn)化成致癌物——亞硝胺。受污染后的地下水硬度過(guò)高、苦澀難飲，會(huì)造成人體胃腸功能紊亂，導(dǎo)致嘔吐、腹瀉、脹氣等癥狀。二是增大工業(yè)成本。尤其是我國(guó)北方地區(qū)，工業(yè)生產(chǎn)用水中，地下水占很大比重。地下水污染的直接表現(xiàn)是硬度升高。地下水硬度增高，會(huì)使工業(yè)鍋爐爐內(nèi)和管道上結(jié)垢，高硬度地下水還會(huì)對(duì)化工、制藥、釀酒、發(fā)電、造紙等行業(yè)造成危害。據(jù)測(cè)算，鍋爐內(nèi)結(jié)l mm厚的水垢，需要多消耗4%左右的燃料。受污染的地下水硬度過(guò)高，就必須對(duì)硬水進(jìn)行軟化和純化處理，從而增大了工業(yè)生產(chǎn)成本。同時(shí)，重金屬污染也是地下水污染的重要來(lái)源，如沈陽(yáng)市修建的東工地下水源地，由于電鍍廢水污染，鉻含量超標(biāo)31倍，僅使用9個(gè)月就被報(bào)廢。三是導(dǎo)致農(nóng)業(yè)減產(chǎn)，食品質(zhì)量下降。長(zhǎng)期用pH值過(guò)高的井水灌溉農(nóng)田，會(huì)改變土壤結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致土壤板結(jié)，無(wú)法耕作。灌溉水中的硝酸鹽含量過(guò)高，會(huì)減弱農(nóng)作物抗病力，降低作物的質(zhì)量和等級(jí)。糧食作物吸收過(guò)量的硝酸鹽，會(huì)降低糧食中蛋白質(zhì)的含量，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值下降；蔬菜作物則易腐爛，無(wú)法貯存和運(yùn)輸。受污染的井水中硫酸鹽、氯離子含量過(guò)高，還會(huì)抑制農(nóng)作物的生長(zhǎng)，造成大面積減產(chǎn)，并使農(nóng)作物的質(zhì)量降低。

1.3 我國(guó)地下水污染防控的措施

近年來(lái)，國(guó)家越來(lái)越重視地下水污染防控工作，胡錦濤總書(shū)記在2003年中央人口資源環(huán)境座談會(huì)上指出：“下大力氣解決水資源不足和水污染問(wèn)題?！睖丶覍毧偫碓?005年政府工作報(bào)告中明確提出，要讓人民群眾喝上干凈的水。國(guó)土資源部、環(huán)保部等部門(mén)做了大量的工作，力圖遏制住我國(guó)地下水污染蔓延的趨勢(shì)。很多企業(yè)也采取了不少化學(xué)和物理的方法處理地下水污染問(wèn)題，但是由于多方面的原因，成效不是很明顯。

2 環(huán)境生物技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用

20世紀(jì)80年代，由現(xiàn)代生物技術(shù)和環(huán)境工程技術(shù)相結(jié)合的環(huán)境生物技術(shù)在歐美誕生。環(huán)境生物技術(shù)是直接或間接利用生物或生物體的某些組成部分或某些機(jī)能，建立降低或消除污染物產(chǎn)生的生產(chǎn)工藝，高效凈化污染環(huán)境以及將污染物轉(zhuǎn)化為資源的人工技術(shù)系統(tǒng)。凡是與生物技術(shù)結(jié)合,對(duì)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控、治理或修復(fù)、清潔生產(chǎn)、污染物資源化以及生物材料和能源開(kāi)發(fā)等,均屬于環(huán)境生物技術(shù)研究和應(yīng)用的范疇。作為一門(mén)新型的邊緣學(xué)科， 主要涉及生物技術(shù)、工程學(xué)、環(huán)境學(xué)和生態(tài)學(xué)等學(xué)科，不僅包含了生物技術(shù)所有的特點(diǎn)，還融合了環(huán)境污染防治工程以及其他工程技術(shù)。環(huán)境生物技術(shù)在治理污染、環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面，發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

環(huán)境生物技術(shù)可分為低、中、高三個(gè)層次。低層次是指利用天然處理系統(tǒng)進(jìn)行廢物處理的技術(shù)，如氧化塘、人工濕地等，它能充分發(fā)揮自然界生物凈化功能，投資運(yùn)行費(fèi)用低，易于管理。中層次是指?jìng)鹘y(tǒng)的生物處理技術(shù)，如活性污泥法、生物膜法，及其在新的理論和技術(shù)背景下產(chǎn)生的強(qiáng)化處理技術(shù)和工藝，如生物流化床、生物強(qiáng)化工藝等，是當(dāng)今污染物處理中應(yīng)用最廣泛的技術(shù)，是環(huán)保產(chǎn)業(yè)技術(shù)中的主力軍。中層次技術(shù)本身也在不斷改進(jìn)，向高層次技術(shù)滲入。高層次技術(shù)是指以基因工程、酶工程等現(xiàn)代生物技術(shù)為基礎(chǔ)的污染防控生物技術(shù)，如基因工程菌的構(gòu)建等，為快速有效的污染治理與預(yù)防提供新的途徑。

近10年來(lái)， 環(huán)境生物技術(shù)發(fā)展迅速，研究領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。工程實(shí)踐表明，其已成為解決復(fù)雜環(huán)境污染問(wèn)題的有效手段之一。美國(guó)便把環(huán)境生物技術(shù)作為21世紀(jì)生物技術(shù)中六個(gè)主要研究領(lǐng)域之一,所培育的基因工程“超級(jí)菌”,可在幾小時(shí)內(nèi)降解自然菌種需1年才能降解的水上浮油;日本將嗜油酸單孢桿菌的耐汞基因轉(zhuǎn)入腐臭單孢桿,使該菌株既能有效處理環(huán)境汞污染,又能將汞菌回收利用。由于用生物方法處理污染物的最終轉(zhuǎn)化產(chǎn)物，大都是無(wú)毒無(wú)害、穩(wěn)定的物質(zhì)，如二氧化碳、水、氮?dú)夂图淄榈?，且可一步到位，避免了污染物的多次轉(zhuǎn)移。因此，生物技術(shù)又是一種消除污染安全而徹底的手段[2]。

目前，很多新技術(shù)和新方法如雨后春筍般不斷涌現(xiàn)，現(xiàn)代生物技術(shù)在可持續(xù)發(fā)展中，發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。環(huán)境生物技術(shù)已經(jīng)在水污染控制、大氣污染治理、有毒有害物質(zhì)降解、清潔可再生能源開(kāi)發(fā)、廢物處置與資源化、環(huán)境監(jiān)測(cè)、環(huán)境友好材料合成、生態(tài)環(huán)境修復(fù)和清潔生產(chǎn)等領(lǐng)域，發(fā)揮著極為重要的作用，已經(jīng)成為解決復(fù)雜環(huán)境問(wèn)題的最有效、最經(jīng)濟(jì)的手段之一。

3 環(huán)境生物技術(shù)在污染源頭控制中應(yīng)用的案例

世界各地普遍存在酸性礦山廢水問(wèn)題，我國(guó)也相當(dāng)嚴(yán)重，煤礦、金屬礦山都存在此類問(wèn)題。我國(guó)絕大部分金屬礦山為原生硫化物礦床，無(wú)論是露采還是坑采，遺棄的大量硫化物廢石，經(jīng)過(guò)風(fēng)化、淋溶，極易形成酸性礦山廢水。如何有效解決礦山酸水防控問(wèn)題，對(duì)于切實(shí)解決地下水然問(wèn)題具有顯著的意義。

3.1 礦山酸水的形成原因和危害

礦區(qū)、礦石堆和其他因含有金屬硫化物的物質(zhì)氧化而產(chǎn)生的酸水(簡(jiǎn)稱“礦區(qū)酸水”或“酸水”，英文：Acid Mine Drainage，簡(jiǎn)稱“AMD”)。酸性礦山廢水的形成，主要通過(guò)以下途徑：①礦床開(kāi)采過(guò)程中，大量的地下水滲流到采礦工作面，這些礦坑水排至地表后，是酸性廢水的主要來(lái)源。②礦石加工過(guò)程中，若是采用添加酸性藥劑的選礦作業(yè)流程，所排放的廢水是酸性廢水和有害物質(zhì)的重要來(lái)源。③礦山生產(chǎn)過(guò)程中，排放的大量含有硫化礦物的廢石和尾礦，在露天堆放時(shí)不斷與空氣和水或水蒸汽接觸，生成金屬離子和硫酸根離子，當(dāng)遇雨水或堆置于河流、湖泊附近時(shí)，所形成的酸性水會(huì)迅速大面積擴(kuò)散。

3.2 國(guó)內(nèi)外礦山酸性廢水的處理現(xiàn)狀

北美和歐洲對(duì)AMD治理已經(jīng)開(kāi)展了幾十年，現(xiàn)有的AMD治理技術(shù)均針對(duì)礦區(qū)的出水，即已經(jīng)通過(guò)AMD反應(yīng)被酸化的水。主要技術(shù)包括堿中和、濕地、生物反應(yīng)器、生物反應(yīng)池、化學(xué)反應(yīng)池、膜過(guò)濾等，通稱為“被動(dòng)治理技術(shù)”。AMD從礦區(qū)流出，進(jìn)入這些設(shè)施，酸度被中和，重金屬被沉淀，從而得到治理。基于AMD的產(chǎn)生根源，進(jìn)水只要接觸AMD源頭物質(zhì)，就會(huì)被酸化。因此，流經(jīng)礦區(qū)等源頭的水都將轉(zhuǎn)化成酸水。

顯然，被動(dòng)治理技術(shù)的缺陷是：①面對(duì)幾乎無(wú)限量的酸水。只要有水進(jìn)入礦區(qū)，出水就是AMD。②這種治理周期無(wú)限，費(fèi)用巨大。③被動(dòng)處理還會(huì)產(chǎn)生很多沉淀反應(yīng)生成的殘?jiān)?，形成二次污染。④被?dòng)處理技術(shù)因?yàn)榇蠖际堑乇砺短煸O(shè)施，環(huán)境因素(如溫度、降水、設(shè)備維護(hù))會(huì)造成額外的技術(shù)障礙。

3.3 礦山酸水的生物源頭處理(BST)法及應(yīng)用

BST是目前最先進(jìn)和經(jīng)濟(jì)的從源頭消除酸水污染和長(zhǎng)期防止酸水污染形成的技術(shù)。2004年在美國(guó)完成研發(fā)，該技術(shù)采用電磁遙感手段探測(cè)和確定酸水源頭，然后通過(guò)科學(xué)添加生物和營(yíng)養(yǎng)混合物，在源頭培養(yǎng)生物強(qiáng)勢(shì)，使微生物自動(dòng)向AMD源頭物質(zhì)遷移，并在其表面形成復(fù)雜多層的生物膜和生化結(jié)構(gòu)，充分阻擋和消耗被水溶解的氧氣(DO), 阻斷AMD源頭物質(zhì)產(chǎn)生酸化反應(yīng)，從根源上防止AMD生成。同時(shí)，微生物種群中的部分種群消耗質(zhì)子，提升水的pH值和沉淀溶解的重金屬，進(jìn)而將已經(jīng)酸化的水治理到合格標(biāo)準(zhǔn)。表1為中和法、人工濕地法和BST法的對(duì)比情況。

表1 中和法、人工濕地法及BST法的對(duì)比

2005年，在美國(guó)田納西某煤礦和亞利桑那某金礦，通過(guò)BST方法，成功將AMDpH值從2.0提升到7.5，并保持至少2年穩(wěn)定在中性范圍。重金屬含量平均從>800 mg/L下降到幾乎為零，達(dá)到美國(guó)環(huán)保署標(biāo)準(zhǔn)。在技術(shù)層面上，BST依賴生物手段解決環(huán)境問(wèn)題，不造成附帶污染，成本上與常規(guī)方法相比節(jié)省顯著，且可起到積極的防止AMD生存的效果。

BST的主要功用：①將AMD酸水中和到中性范圍，解除酸水污染的危害性；②沉淀去除酸水中的重金屬，解除其毒性；③在AMD生成的源頭形成穩(wěn)定和有效的阻斷層，從根本上阻止產(chǎn)生AMD的化學(xué)反應(yīng)；④減少酸水中的硫酸根含量。

4 發(fā)展環(huán)境生物技術(shù)治理地下水污染的建議

環(huán)境生物技術(shù)及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)，已成為全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展中一個(gè)新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。當(dāng)今世界各國(guó)為解決工業(yè)文明與生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重失調(diào)的矛盾,無(wú)不大力發(fā)展環(huán)境生物技術(shù),積極培育環(huán)保新產(chǎn)業(yè)。與化學(xué)、物理等其他技術(shù)比較,利用環(huán)境生物技術(shù)治理地下水污染和遏制生態(tài)惡化趨勢(shì),可以保持經(jīng)濟(jì)、社會(huì)與環(huán)境的協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展，促進(jìn)自然資源的可持續(xù)利用,具有效率高、成本低、反應(yīng)條件以及無(wú)二次污染等顯著優(yōu)點(diǎn)，值得大力提倡。

一是要著力加強(qiáng)科技創(chuàng)新，加速環(huán)境生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化。瞄準(zhǔn)環(huán)境生物技術(shù)的重大前沿問(wèn)題和關(guān)鍵性、共同性、戰(zhàn)略性核心技術(shù)領(lǐng)域，加速環(huán)境生物技術(shù)原始創(chuàng)新，取得一批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的專利。重視已有科技成果的系統(tǒng)集成應(yīng)用，大幅度提升集成創(chuàng)新能力。同時(shí)，要積極引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，大幅度提高消化吸收和再創(chuàng)新能力。

二是要牢固樹(shù)立人才資源是第一資源的觀念，制定相應(yīng)政策，把培養(yǎng)和引進(jìn)尖子人才作為提升環(huán)境生物技術(shù)整體水平的關(guān)鍵和突破口，逐步建立一支以學(xué)科帶頭人、科研骨干和高級(jí)實(shí)驗(yàn)操作人員為主體的研發(fā)隊(duì)伍。

三是要建立開(kāi)放式產(chǎn)、學(xué)、研聯(lián)盟，重點(diǎn)建設(shè)好一批瞄準(zhǔn)環(huán)境生物技術(shù)發(fā)展前沿領(lǐng)域的重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，建設(shè)好一批國(guó)際化、標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)?；h(huán)境生物技術(shù)創(chuàng)新平臺(tái)、基地和工程技術(shù)中心，培育一批能夠參與國(guó)際合作與交流的示范企業(yè)。

四是要通過(guò)立法措施，采用政府補(bǔ)貼的方式，運(yùn)用價(jià)格杠桿推廣環(huán)境生物相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品，強(qiáng)制性地在城市、礦山推廣環(huán)境生物技術(shù)治理地下水污染；把發(fā)展環(huán)境生物技術(shù)作為中長(zhǎng)期科技發(fā)展投入的重點(diǎn)，重點(diǎn)加大對(duì)原始創(chuàng)新性研究、關(guān)鍵技術(shù)和核心技術(shù)研發(fā)，以及基礎(chǔ)設(shè)施、共性技術(shù)平臺(tái)建設(shè)的支持力度，逐步建立和完善多渠道、全社會(huì)投資機(jī)制和體系，逐步健全環(huán)境生物科技創(chuàng)新體系。

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