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第1章 地下水氯代烃溶剂污染和修复综述1

1.1 引言1

1.2 氯代烃溶剂的用途1

1.3 氯代烃溶剂污染发展史和清除技术4

1.3.1 氯代烃溶剂污染的发现4

1.3.2 清除技术的发展5

1.3.3 运移和演化6

1.3.4 超级基金7

1.4 物理和化学性质7

1.5 污染问题的本质8

1.6 污染处理技术9

1.6.1 传统的抽出-处理技术10

1.6.2 空气注入技术10

1.6.3 生物降解技术12

1.6.4 助溶剂和表面活性剂冲洗技术13

1.6.5 原位热处理技术14

1.6.6 原位化学处理技术15

1.7 修复策略17

1.8 修复效果20

1.9 总结21

参考文献22

第2章 氯代烃溶剂的化学特征：结构、术语和特性26

2.1 引言26

2.2 结构和术语26

2.3 特性29

2.3.1 溶解性30

2.3.2 固-液分配特性31

2.3.3 气-液分配特性31

2.3.4 固-气分配特性32

2.3.5 转化反应32

参考文献32

第3章 氯乙烯的生物降解34

3.1 引言34

3.2 生物降解定义34

3.3 乙烯氯化物生物降解研究的历史回顾34

3.4 乙烯氯化物的生物降解和氧化还原条件36

3.4.1 氧化还原条件在乙烯氯化物生物降解中的作用36

3.4.2 氧化还原术语36

3.5 乙烯氯化物的微生物还原脱氯38

3.5.1 还原脱氯和原位氧化还原条件38

3.5.2 乙烯氯化物的原位氯代呼吸39

3.5.3 乙烯氯化物还原脱氯的动力学约束40

3.5.4 电子供体的有效性41

3.5.5 小结42

3.6 有氧条件下乙烯氯化物的微生物矿化43

3.6.1 有氧条件下的共代谢氧化43

3.6.2 有氧条件下乙烯氯化物的降解44

3.6.3 有氧条件下乙烯氯化物降解的重要性45

3.6.4 小结45

3.7 厌氧条件下乙烯氯化物的矿化46

3.7.1 厌氧野外条件的定义46

3.7.2 试验误差最小化46

3.7.3 厌氧条件下乙烯氯化物矿化的证据47

3.7.4 厌氧条件下乙烯氯化物矿化的机理48

3.7.5 小结49

3.8 原位生物降解的指示剂：降解产物的积累49

3.9 结论52

参考文献52

第4章 影响氯代烃溶剂修复的非生物作用60

4.1 引言60

4.2 吸附作用60

4.2.1 化学吸附和物理吸附60

4.2.2 吸附作用的测量和评估61

4.3 挥发作用65

4.3.1 平衡状态下的空气-水分配65

4.3.2 包气带中氯代烃溶剂的气相运移67

4.4 非生物转化作用70

4.4.1 取代反应与去除反应71

4.4.2 还原和氧化反应73

4.4.3 反应动力学82

4.4.4 非生物转换速率评估85

4.5 耦合非生物-生物作用87

4.5.1 生物催化作用87

4.5.2 生物成矿作用89

参考文献90

第5章 氯代烃溶剂的修复工程与施工97

5.1 引言97

5.2 综述97

5.3 场地识别问题98

5.3.1 识别优化99

5.3.2 地质和水文地质条件初步识别100

5.3.3 污染物概略描述101

5.3.4 场地特征的识别方法102

5.4 场地特征给修复带来的挑战104

5.4.1 非均质地下环境中的试剂投放105

5.4.2 地球化学制约因素108

5.4.3 微生物制约因素109

5.4.4 持续排放的污染源110

5.4.5 混合污染物111

5.5 公众关注的问题111

5.5.1 法规问题111

5.5.2 公众关注问题114

5.5.3 室内毒气潜在入侵115

5.6 污染修复施工的挑战115

5.6.1 基础设施的妨碍116

5.6.2 修复后的反弹116

5.6.3 污染物迁移117

5.6.4 井和地层结垢117

5.6.5 修复结果预测的困难118

5.7 应对挑战方法的补充讨论118

5.7.1 识别优化管理方法119

5.7.2 复杂地层试剂投放方法119

5.7.3 修复效果不确定的应对策略120

5.7.4 应对多重挑战的组合修复技术122

5.8 总结122

参考文献123

第6章 氯代烃溶剂污染修复模拟127

6.1 引言127

6.2 降解和运移模拟127

6.2.1 降解和运移模拟的基本公式128

6.2.2 建模过程132

6.3 氯代烃溶剂生物降解、吸附和非生物作用模拟137

6.4 地下水模拟中的代表性污染源139

6.4.1 重质非水相污染源区140

6.4.2 源区污染物评估142

6.5 已开发模型143

6.5.1 常用的解析模型144

6.5.2 数值模型现状145

6.6 应用实例148

6.6.1 Biochlor模拟应用实例——佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地的消防训练区148

6.6.2 RT3D模拟实例——乳化油生物墙处理氯代烃和高氯酸盐的模拟150

6.7 结论156

参考文献156

第7章 污染源管理对氯代烃污染羽的影响162

7.1 引言162

7.2 氯代烃溶剂在地下的运移及分布162

7.2.1 重质非水相液体163

7.2.2 气相165

7.2.3 液相166

7.2.4 吸附相170

7.3 地质条件的重要属性171

7.3.1 类型Ⅰ——中到高渗透性的高均质粗颗粒介质171

7.3.2 类型Ⅱ——低渗透性的非均质粗颗粒介质172

7.3.3 类型Ⅲ——中到高非均质性的粗颗粒介质173

7.3.4 类型Ⅳ——孔隙度低的裂隙介质173

7.3.5 类型Ⅴ——孔隙度高的裂隙介质174

7.3.6 复杂地质条件污染源区175

7.4 氯代烃溶剂污染场地的演化176

7.5 污染源衰减或密封对污染羽的影响180

7.5.1 概述181

7.5.2 污染源的功能181

7.5.3 污染羽对修复措施的响应182

7.6 结论188

参考文献188

第8章 氯代烃溶剂重质非水相液体污染场地调查192

8.1 引言192

8.2 污染场地调查的目的193

8.2.1 评估污染物的性质和污染程度194

8.2.2 风险评价198

8.2.3 污染修复决策与监控199

8.3 场地调查步骤和方法200

8.3.1 松散介质污染源区调查202

8.3.2 裂隙介质污染源调查207

8.3.3 污染物下渗和交叉污染的风险210

8.4 数据解译212

8.4.1 重质非水相液体存在与否的解释212

8.4.2 源强212

8.4.3 污染物通量213

8.4.4 污染羽存在时间213

美国实验与材料协会（ASTM）标准213

附录8.A214

参考文献235

第9章 氯代烃溶剂污染羽修复技术筛选246

9.1 引言246

9.2 修复技术选择流程247

9.3 原位修复248

9.3.1 优势与不足248

9.3.2 原位修复技术249

9.4 生物处理技术252

9.4.1 强化还原脱氯技术252

9.4.2 有氧共代谢技术254

9.4.3 植物修复技术254

9.4.4 监测自然衰减技术255

9.5 化学处理技术256

9.5.1 原位化学氧化技术256

9.5.2 原位化学还原技术257

9.5.3 电化学还原技术258

9.6 物理处理技术258

9.6.1 原位曝气技术258

9.7 决策指南259

9.7.1 达到管理目标的能力259

9.7.2 场地条件对技术的限制263

9.8 总结265

参考文献265

第10章 氯代烃溶剂污染羽生物修复技术270

10.1 引言270

10.1.1 原位生物修复技术270

10.1.2 原位生物修复的优势271

10.1.3 原位生物修复局限性272

10.2 生物修复技术简史273

10.3 分子生物技术275

10.4 原位厌氧生物技术的使用277

10.5 总结277

参考文献278

第11章 氯代烃溶剂污染羽监测自然衰减技术284

11.1 技术概况284

11.2 双子城陆军弹药厂案例研究286

11.3 分子生物技术的使用294

11.4 脱氯拟杆菌的16SrRNA聚合酶链反应试验与自然衰减速率之间的对应关系295

11.5 利用生物地球化学指标预测脱氯拟杆菌DNA的存在300

11.6 稳定同位素技术识别自然生物降解301

11.7 监测自然衰减技术在未来的应用307

参考文献308

第12章 氯代烃溶剂厌氧生物修复的生物刺激技术312

12.1 引言312

12.1.1 修复目标313

12.1.2 监管验收314

12.1.3 生物刺激技术的优缺点314

12.2 技术说明317

12.2.1 适用的污染物（氯代烃溶剂）317

12.2.2 氯代烃溶剂的厌氧降解途径317

12.2.3 控制地下水的氧化还原条件320

12.2.4 生物刺激技术的场地选择322

12.2.5 可行性研究324

12.3 生物刺激技术的应用326

12.3.1 底物选择326

12.3.2 二次生物刺激修正技术328

12.3.3 生物添加技术329

12.3.4 底物需求和加载率330

12.3.5 系统配置337

12.3.6 底物混合和输送系统338

12.3.7 健康和安全注意事项351

12.3.8 生物刺激技术设计总结352

12.4 生物刺激技术性能评价352

12.4.1 修复目标352

12.4.2 性能测试353

12.4.3 系统修正和应急措施360

12.5 总结361

12.5.1 氯代烃溶剂生物刺激技术的应用361

12.5.2 生物刺激技术有关的技术协议、参考文献及网络资源362

12.5.3 生物刺激技术前景363

12.6 致谢363

参考文献364

第13章 氯代烃溶剂厌氧生物修复的生物添加技术372

13.1 引言372

13.2 科学依据373

13.2.1 脱卤呼吸作用和脱氯拟杆菌374

13.2.2 地下环境中生物添加培养菌的生存和分布375

13.2.3 应用前沿377

13.3 生物添加技术应用378

13.3.1 可用的微生物培养物378

13.3.2 质量保证与质量控制381

13.3.3 实施方法382

13.3.4 影响生物添加技术成功的因素382

13.4 技术选择问题383

13.4.1 是否需要使用生物添加技术384

13.4.2 何时使用生物添加技术386

13.5 评估生物添加需求的工具387

13.5.1 直接检测387

13.5.2 微观测试387

13.5.3 地球化学调查388

13.6 不确定性388

13.7 案例研究390

13.7.1 美国密歇根州巴克曼路现场试验390

13.7.2 美国特拉华州多佛空军基地391

13.7.3 美国德克萨斯州凯利空军基地392

13.8 总结393

参考文献394

第14章 氯代烃溶剂污染羽曝气处理技术400

14.1 引言400

14.2 原位曝气技术修复示范的设计基础402

14.2.1 控制性能的主要因素402

14.2.2 含水层中的空气流动和分布402

14.2.3 原位曝气系统中污染物的去除404

14.2.4 影响可行性评估和设计的因素405

14.3 原位曝气系统设计范例405

14.3.1 场地特征描述405

14.3.2 技术的初步筛选407

14.4 试点试验413

14.5 曝气修复系统设计418

14.6 原位曝气系统的监测和优化419

14.7 原位曝气系统的典型设计和运行缺陷420

14.8 总结421

参考文献421

第15章 氯代烃溶剂化学氧化还原修复技术425

15.1 引言425

15.2 原位化学氧化技术427

15.2.1 原位化学氧化技术的发展427

15.2.2 应用于原位化学氧化技术的氧化剂430

15.2.3 过氧化氢432

15.2.4 高锰酸盐439

15.2.5 过硫酸钠449

15.2.6 臭氧456

15.2.7 小结461

15.3 原位化学还原技术461

15.3.1 原位化学还原的基础461

15.3.2 原位化学还原技术的持续发展464

15.3.3 原位化学还原技术的应用467

15.3.4 原位化学还原技术的研究需求469

15.3.5 结论469

参考文献470

第16章 氯代烃溶剂铁反应墙修复技术475

16.1 引言475

16.2 有关反应过程的阐述477

16.2.1 反应原理477

16.2.2 反应途径478

16.2.3 降解动力学478

16.2.4 特定的反应速率482

16.3 铁质可渗透性反应墙的设计483

16.3.1 速率常数的解译和应用483

16.3.2 反应墙的设计484

16.3.3 可渗透性反应墙的结构486

16.3.4 建设方法487

16.3.5 反应墙在裂隙岩体中的安装490

16.4 铁质渗透性反应墙的长期性能490

16.4.1 定义和潜在因素490

16.4.2 金属铁的耐久性491

16.4.3 竞争性氧化剂491

16.4.4 次生矿物的生成493

16.4.5 微生物效应495

16.5 实例研究495

16.5.1 纽约的国防部设施495

16.5.2 马萨诸塞州的老工业设施497

16.6 技术发展阶段500

16.6.1 场地数量及其性能500

16.6.2 未来发展500

参考文献501

第17章 氯代烃溶剂电解反应墙修复技术507

17.1 引言507

17.1.1 优势和局限性508

17.2 技术介绍508

17.2.1 工作原理508

17.2.2 施工材料510

17.2.3 电解反应墙的操作512

17.2.4 安装方法513

17.2.5 污染物处理513

17.3 性能513

17.3.1 实验室研究513

17.3.2 现场研究515

17.3.3 与其他反应墙技术的成本对比515

17.3.4 潜在的副作用517

17.3.5 经验总结518

17.4 案例研究：F.E.Warren空军基地现场试验518

17.4.1 场地描述518

17.4.2 安装、操作及监测519

17.4.3 试验结果521

17.5 结论521

参考文献522

第18章 氯代烃溶剂井中修复技术524

18.1 引言524

18.1.1 背景524

18.1.2 技术现状525

18.1.3 井系统设计526

18.1.4 专利／许可证问题527

18.2 工作原理528

18.2.1 抽取地下水的方法529

18.2.2 处理方法530

18.3 适用性和局限性533

18.3.1 生物处理法536

18.3.2 地下水的越流536

18.4 健康安全因素537

18.5 场地特征描述的要求和系统的选择537

18.5.1 抽水试验537

18.5.2 偶极试验538

18.5.3 微水试验538

18.6 系统设计要求539

18.7 性能监测要求539

18.7.1 井中修复技术的监测540

18.7.2 修复进展的监测540

18.8 场地关闭问题543

18.9 案例分析543

18.9.1 案例1：加州March空军基地的UVB试验案例543

18.9.2 案例2：加州海军航空站北岛的NoVOCsTM实验549

18.10 技术文件552

18.10.1 ESTCP协议552

18.10.2 美国环保署（USEPA）场地试验项目报告552

18.10.3 美国马萨诸塞州空军保护区文件553

参考文献553

第19章 氯代烃溶剂污染羽植物修复技术557

19.1 引言557

19.1.1 植物修复的概念557

19.1.2 植物修复氯代烃的过程560

19.2 实施575

19.2.1 植物修复适用性的评价575

19.2.2 设计要素577

19.2.3 监测578

19.3 案例分析579

19.3.1 德克萨斯州沃斯堡市海军航空站联合储备基地（NAS-JEB）——用美洲杨树处理三氯乙烯污染的地下水579

19.3.2 马里兰州埃奇伍德市的超级基金场地——Aberdeen试验场，利用小黑杨树处理卤代挥发有机化合物584

19.3.3 利用小黑杨处理康涅狄格州索辛顿市新英格兰溶剂回收服务中心（SRSNE）氯代挥发性有机物588

参考文献589

第20章 修复方法的成本分析597

20.1 引言597

20.2 成本分析步骤597

20.2.1 示范场地描述597

20.2.2 成本的类别和组成599

20.3 修复技术的评估600

20.3.1 案例1：残留源区600

20.3.2 案例2：浅层反应墙602

20.3.3 案例3：深层反应墙604

20.4 成本分析606

20.4.1 案例1：残留源区606

20.4.2 案例2：浅层反应墙608

20.4.3 案例3：深层反应墙611

20.4.4 原位修复与抽出-处理技术的对比613

20.4.5 影响成本计算的贴现率615

20.5 总结615

参考文献616

第21章 氯代烃溶剂污染羽修复的发展趋势617

21.1 引言617

21.2 为什么还需要进一步的研究和发展？618

21.2.1 存在的不确定因素618

21.2.2 重新关注污染羽619

21.2.3 社会发展需求620

21.3 需要什么具体的研究和发展？621

21.3.1 应用系统工程分析621

21.3.2 量化和最小化不确定性622

21.3.3 改进预测模型622

21.3.4 加强基础理论研究625

21.3.5 改进修复技术627

21.3.6 改进检测工具630

21.3.7 改进监测手段633

21.4 总结635

参考文献635

缩略词表641

术语表647