邢永强1 李金荣2 杨振放2
（1.河南省国土资源科学研究院，郑州 450016；2.郑州大学环境与水利学院，郑州 450001）
《安徽农业科学》，文章编号：0517-6611-(2007)-13-03946-03
摘要 目前水资源日益紧缺的情况下，寻求一种既经济且效果好的污水处理方式很重要。河岸渗滤系统对污水具有净化功能，可以去除河水中的天然有机污染物、合成有机污染物、无机污染物以及颗粒物、细菌及病原体等污染物，是一种行之有效的处理途径，通过对它的简单概述来了解河岸渗滤系统的作用，为我们以后的研究方向提供理论依据。
关键词 污水 河岸渗滤系统 净化作用
目前地表水体污染严重，使紧缺的水资源更加短缺，严重制约了社会经济的发展。于是人们迫切需要寻找一种费用少、效果好的污水资源化技术，改善水环境质量，实现水资源的持续利用，这已成为当今全球水环境研究的热点。实践与研究表明，河岸渗滤（Wolfgang Kuehn et al.，2000）（River Bank Filtration，RBF）对污水的净化是一种经济、高效的饮用水治理技术，得到了越来越多国家与研究者的重视。由于我国水环境研究起步较晚，目前关于污染河流对其沿岸地下水环境影响的研究较少，因此进行河岸渗滤系统对地表污水净化的研究，为实现城市污水资源化提供科学依据，其意义十分重大。
1 河岸渗滤的定义
河岸渗滤是指河水在补给地下水的渗滤途中，被河流沉积层过滤且净化的过程。在该过程中，河水中的污染物经过沉积层的过滤、生物降解、吸附、沉淀，以及与地下水混合稀释等而使污染物浓度降低，使河水水质得到净化。其作用机理如图1所示。
河岸渗滤是一个自然净化过程。在德国利用河岸渗滤净化河流污水已有100多年的历史，在美国也有50多年的历史。国外许多国家通过河岸渗滤系统获取部分饮用水，在斯洛伐克共和国通过河岸渗滤获取的饮用水占总饮用水的50%（Wolfgang Kuehn et al.，2000），在匈牙利占45%，在德国占16%，在荷兰占5%，在德国的萨克斯占18%，在德国的柏林市占75%。在我国的许多地区，尤其是北方许多城市也是通过河岸渗滤作用获取饮用水。所以说，河岸渗滤这种古老的水处理技术在我们的生活中非常重要。
图1 河岸渗滤过程示意图
Fig.1 The sketch map of riverbank filtration
（Chittaranjan Ray et al.，2002）
2 河岸渗滤系统除污功效
2.1 去除天然有机污染物
天然有机物NOM（Natural Organic Matter）是一种包括溶解的、腐殖的微粒和未腐殖的有机物等混合物。一些欧洲国家用河岸渗滤技术提高饮用水中NOM的去除率（Chittaranjan Ray et al.，2002），其去除率在荷兰达7%，德国达16%，匈牙利达40%，芬兰达48%，法国达50%，瑞士达80%。
对于天然的地表水体而言，水体中总的有机碳TOC（Total Organic Carbon）和化学需氧量COD（Chemical Oxygen Demand）主要是由NOM引起的。在城市的给水处理中，常采用氯气消毒方法除去水中的微生物及病原体，但是在消毒过程中，NOM可与氯气反应生成三氯甲烷、氯代乙酸等消毒副产物，它们是致癌物质。为保证人们的饮用水安全，人们更加关注这些消毒副产物的去除问题。大量研究发现，河岸渗滤对NOM具有一定的去除功效。Miettiner等（1994）通过监测某地表水及其岸边地下水水质时发现，在地表河水向下入渗的过程中，地表水的TOC和COD等含量不断降低，通过分光光度法确定，87%的高分子量化合物（1 500 g/mol）被去除。Sontheimer（1980）在莱茵河岸研究发现，河岸渗滤作用对中等分子量的化合物的去除率近70%。Ludwig等（1997）在德国的易北河沿岸开展研究进一步证实，分子量超过1 000 g/mol的NOM在河岸渗滤过程中不断被去除。Wang等（1998）在俄亥俄河开展为期两年的研究发现，河岸渗滤作用对NOM的去除机理主要是由生物作用。Ray等（2002）在俄亥俄河的研究亦发现，距河岸9m的观测井，当从观测井中以0.087 6m3/h抽取地下水时，井水中的TOC含量比河水中的减少了60%，井水中的NOM浓度比河水中的NOM浓度大大降低，甚至为零。以上均说明了河水中的污染物NOM可以通过河岸渗滤系统得以去除，这样大大提高了生活饮用水和生产用水的质量。
2.2 去除合成有机污染物
众所周知，芳香胺属于河水中常见的合成有机污染物，其毒性很大，并且有致癌性、致突变性以及潜在的生物毒性。Sax（1984），Fishbein（1984），Razo-Flores（1997）等通过室内渗滤实验说明了易北河水中苯胺在3 h内去除率达100%，而2-硝基苯胺在14 h去除率仅达40%。其原因是芳香胺的生物降解性主要取决于苯环的类型、个数和取代基的位置。Eckhard Worch等（2002）通过实验研究发现，河岸渗滤过程中多氯苯胺和硝基苯胺很难降解，然而没有取代基的苯胺在河岸渗滤过程中滞留3 h 后就完全降解了。Jütte（1999）分析并比较了易北河水和两岸井水中三氯乙烯、四氯乙烯、氯仿的浓度，在井水中它们的浓度显著下降，有的甚至低于检测范围。Widerer等（1985）研究莱茵河岸渗滤系统对固态有机碳（SOC）的去除情况，结果发现，SOC去除效率与其生物降解性及其在河水中的浓度密切相关。河水中芳香胺的浓度为17μg/L时，其去除率达71%，河水中三氯乙烯的浓度为1.5μg/L时，其去除率为33%，河水中氯仿的浓度为15μg/L时，其去除率很低。
针对河水中常见的另外一些合成有机污染物，如除草剂、杀虫剂、药剂。Jütter（1999）调查了中德鲁尔河河岸渗滤过程中这些成分的去除率，在河流沉积层环境为厌氧条件时，如芳樟醇、异冰片基溴酸等极性污染物去除率达99%。Verstraeten（2002）等报道了普拉特河傍河水井中除草剂浓度比河水中的减少了76%。Dillon（2002）等报道了澳大利亚东南的墨累河中，其傍河水井除草剂的浓度大大低于河水中的浓度，主要因为除草剂在该河沉积层中发生了吸附和生物降解作用。莠去津是地表水中常见的除草剂，在美国北部城市路易斯维尔附近的俄亥俄河中，莠去津的浓度超过1μg/L，然而河岸渗滤水中莠去津的浓度低于检测限0.1μg/L。
地表水体中还有一些来源于家庭洗涤剂的合成有机污染物，比较典型是薄荷醇、柠檬油精、松油醇、4-叔丁基环己醇、4-叔丁基环己酮。河水中这些有机污染物浓度相对稳定，不随季节变化。Jütter（1999）研究发现，当河水向下渗滤距离为31m时，这些合成有机污染物的浓度接近或低于检测限，例如薄荷醇、柠檬油精的浓度低于检测限，这表明河岸渗滤系统对其具有很好的去除功效。
2.3 去除无机污染物
人类的各种活动增加了河水中无机物的浓度，当这些无机物含量超过国家规定的标准时，就成为污染物，铬、镉、砷、氨盐、硝酸盐、硫酸盐等是地表水中常见的无机污染物，其对人类和牲畜危害很大。由于氨氮、亚硝态氮、硝态氮（简称“三氮”）是目前水环境中普遍存在的污染组分。水环境中的重金属污染其危害较大，对动植物和生物具有致癌、致畸、致突变（简称“三致”）作用，故这里主要介绍河岸渗滤系统对氮污染物的去除和重金属污染物的去除。
19世纪70年代初，研究发现莱茵河河水中氨氮浓度较高Jütter（1999），而溶解氧DO（Dissolved Oxygen）浓度较低，这是因为当时莱茵河已经受到严重污染，氨氮发生硝化作用消耗了河水中的DO，使河水中DO浓度小于1mg/L，这么低的DO浓度不利于氨氮的去除，故河水中氨氮浓度不断加大。随着环境保护措施的相继出台，河水质量得到改善，19世纪80年代，河水中的DO浓度升高到3mg/L，高的DO浓度也提高了氨氮的去除率。吴耀国等（2000）研究了徐州市奎河河岸渗滤系统对水体中氮的去除情况，发现奎河水中氮污染严重，并且以氨氮为主，在距河岸40m处的水井中氨氮的去除率达95%以上。
河岸渗滤系统对氮的去除作用主要是反硝化作用。Grischek（1998）研究发现易北河水中的
Jütter（1999）在Glatl河研究不同重金属的运移机制，结果表明水环境中有机物的生物降解作用增加了铜和锰的迁移能力；在还原条件下锰迁移能力提高；在氧化条件下，其迁移能力降低，从而限制了其进一步对水环境的污染。例如氧化环境下，河流沉积物可以与锌和镉发生物理和化学作用，使水中锌和镉的浓度降低，阻止其进一步向下迁移。Son-theimer（1980）在莱茵河流速较低的河段研究发现，河岸渗滤系统可以去除重金属，且去除率较稳定，像铬和砷的去除率可达90%，其他重金属如镉、锌、铅、铜、镍的去除率也超过50%，主要的去除机理是河岸渗滤系统的吸附作用。
以上主要阐述了河水中不同污染物在河岸渗滤过程中发生不同的物理、化学和生物作用而得以去除。下面通过一个例子说明污染的河水在河岸渗滤系统的入渗过程中，几种污染组分浓度发生的变化。图2的上部是河岸渗滤系统的剖面示意图，下面3个曲线图是河水中3种污染物随着河岸渗滤途径的浓度变化示意图。由图2可见，河水中3种污染物在河岸渗滤系统中发生了强烈的生物地球化学作用。河水中DO、硝酸盐和DOC浓度很高，这时候河流环境为氧化环境，河水中离子态锰的浓度很低。随着河水向下入渗通过河岸渗滤系统（即如图2中所示的还原区）时，污染物DOC在微生物的作用下发生生物降解，它的浓度在河岸渗滤系统中显著下降，同时系统中DO浓度迅速降低，硝酸盐在这个系统发生反硝化作用，导致硝酸盐浓度的降低。这时候的河岸渗滤系统为还原环境，使入渗水中锰或铁离子浓度显著升高。入渗的河水沿着渗滤系统进一步渗滤，由于大气通过包气带不断向河流输送氧气，河岸渗滤系统重新获得氧气，使该系统处于还原和氧化的混合环境，DO浓度有所回升，而硝酸盐在这个混合环境下不利于发生反硝化作用，其浓度也有所升高，而迁移的锰或铁离子又被氧化成难溶于水的固态锰或铁，入渗水中其浓度明显下降。从图2可以得到，河岸渗滤位置不同，其环境条件千差万别，对污染物的净化效果也存在很大的差异。因此，在实际的傍河水源地布井时，应该根据实际情况来布置开采井的位置，提高生活饮用水和生产用水的质量。
图2 河岸渗滤过程中DO、硝酸盐、溶解锰、DOC的变化示意图
Fig.2 The variances of DO，NO3，Mn4+，DOC
2.4 去除病原体污染物
由于城市生活污水的排放，使地表水体遭受病原体的污染。病原体包括细菌、寄生虫、原生动物和病毒等，这些病原体随河水入渗进入地下水中，其对人体和牲畜造成极大的威胁。
在美国路易斯维尔河研究河岸渗滤系统对细菌和病原体的去除情况，通过检测距河岸0.6m，1.5m，2.7m与15m的井中的水质发现，细菌和病原体的去除率可达2.4个对数单位。Wang等（1998）研究发现，河岸渗滤系统对俄亥俄河水中细菌及病原体的去除是随渗滤距离的增加而增加的，在河岸沉积层顶部的1～2m范围内其去除率最为显著，细菌和病原体浓度大于100个单位的河水经过河岸渗滤系统时，其浓度可降到1个单位以下。
多年来，荷兰的地表水体不断遭受病原体污染，但在地下水中很少发现这些污染物的存在，表1是在荷兰3条不同河流两岸的观测井中测到的病原体的去除情况（Havelaar et al.，1995），由表1可见，河岸渗滤系统可以有效地去除病原体。同时说明尽管河水在系统中滞留时间有很大差异，但在距河25～30m处，不同河岸渗滤系统对病原体的去除效果差别很小。在澳大利亚的5条河流的河水中都发现了原生生物，但在两岸的水井中却没有监测到它们。Havelaar等（19995）研究河岸渗滤系统对肠道类与呼吸道病毒的去除作用，与其他处理方法相比，河岸渗滤系统对病毒的去除率达4个对数单位，对大肠杆菌去除率达5～6个对数单位，其去除效果明显优于其他处理方法。当然，河岸渗滤系统中有机质含量越高，其对污染物的去除率越高。Miller与fallowfield利用土柱试验研究河岸渗滤系统对蓝藻的去除功效，结果表明，有机碳含量和粘土含量高的河岸沉积层对它们的去除率为100%。
表1 在荷兰的3个不同河岸渗滤地点微生物的对数去除情况 Table1 The log-removal of microorganisms in three different riverbank
注：“—”代表低于检测范围。
3 结语
河岸渗滤过程作为一种自然的地表污水净化过程具有很多优点，它可以去除很多污染物，与传统的处理方法相比，设备简单，处理成本低。河岸渗滤过程作为可以饮用水处理的预处理步骤，具有很好的应用前景。由于不同河流的物理化学环境复杂，目前有关这方面的数据资料很有限，我们还需要系统分析污染物在这个独特的水文地球化学环境中所发生的各种变化。
今后对河岸渗滤系统的主要研究方向如下：
（1）河岸渗滤系统可以通过物理、生物及化学作用去除污染物，但对河岸的渗透性是否有影响；
（2）河岸渗滤系统可以显著去除病原体，但需要了解其去除机理；
（3）各种污染物单独通过河岸渗滤系统时发生了哪些作用；多种污染物混合通过河岸渗滤系统时又会发生哪些作用。
随着人们对河岸渗滤系统的进一步认识，相信会有更多的科学工作者投身于对河岸渗滤系统的研究，这对人们更好地维护和运行河岸渗滤系统具有深远的意义。
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Progress of Pollutants Removal Efficiency in Riverbank Filtration System
Xing Yong-qiang1Li Jin-rong2Yang Zhen-fang2
（1.Sciencial Research institute of land and resource of Henan Province，Zhengzhou 450016；2.College of Environment and Water Conservancy，Zhengzhou Univ.，Zhengzhou 450001）
Abstract：In conditions of Shortage of water-resource，the importent is looking for method ofremoval wastewater，which is both low-cost and efficacy.Wastewater can be purified by a river-bank filtration system.Riverbank filtration system can remove a variety of contaminants present in the river water，such as natural organic pollutants，synthetic organic pollutants，inorganic pollu-tants，bacteria，pathogens etc.On the basis of simply outline of purification，further research directions of a riverbank filtration system are also presented.
Key words：wastewater；riverbank filtration system；purification function