复杂海岸带含水层中砷污染的地下水循环井修复技术：迁移再循环动力学与强化净化机制

《Green Technologies and Sustainability》：Arsenic Mobilization and Recirculation Dynamics: Groundwater Circulation Wells for Enhanced Decontamination in Complex Coastal Aquifer Environments

为解决沿海含水层砷(As)污染修复难题，本研究创新性地应用地下水循环井(GCW)技术，通过建立三维水文地质模型和550天现场监测，证实GCW能有效形成地下水循环单元，将砷浓度从~9000 μg/L（超标900倍）降至6500 μg/L，去除效率达66%（提取约80 kg砷），为复杂水文地质条件下的可持续修复提供了重要技术支撑。

　　

在全球范围内，地下水砷(As)污染已成为威胁人类健康和环境安全的严峻挑战，尤其是在水文地质条件复杂的海岸带地区。世界卫生组织(WHO)规定的饮用水砷含量标准为10 μg/L，然而全球有超过1亿人正暴露于超标砷水中，其中约4500万人接触的浓度甚至超过50 μg/L。海岸带含水层因其异质性岩性、海水入侵以及复杂的水文地球化学动力学而显得尤为脆弱，这些因素不仅限制了传统泵处理(P&T)系统的有效性，还使得修复工作面临前所未有的挑战。

面对这一难题，来自意大利罗马第一大学地球科学系的Paolo Ciampi等人，在《Green Technologies and Sustainability》上发表了一项开创性研究。他们聚焦于一个长期受砷污染的海岸带工业场地，系统评估了地下水循环井(GCW)作为一种创新修复技术，在复杂含水层环境中对砷的迁移和去除效能。这项研究的核心在于揭示GCW所诱导形成的地下水再循环单元的动力学过程，并量化其修复效果。

为了精准回答科学问题，研究人员整合了来自76个钻孔、41个测压计、2个多级采样井(MLSW)和1口GCW的庞大数据库，构建了高分辨率的三维地层模型。基于此模型，他们设计并安装了一口深度23米的GCW，其滤水管分别设置在6-8米、12-15米和19-22米深度。研究的关键技术路径包括：利用GCW抽取地下水，通过地表处理厂（采用氧化-混凝-沉淀-过滤工艺，使用NaClO和FeCl₃作为药剂）净化后，再回灌至含水层，从而形成一个封闭的循环系统。在长达550天的监测期内，通过高频次的水化学和电导率(EC)监测，动态捕捉了砷迁移、去除以及盐度混合的时空演变规律。

3.1. 试点场地的水文地质条件

场地地质结构由不同粒度的沉积层交替构成，含水层主要由中细砂和粉砂质砂组成，内部夹有黏土质粉砂和粉砂质黏土的透镜体，其平均水力传导系数约为2×10^-4 m/s。地下水位平均埋深约6米，GCW和MLSWs的滤水管段穿透了饱水带的不同厚度层位，为研究垂向循环提供了理想条件。

3.2. 试点测试性能

监测结果显示，GCW启动后，从深层(30A)和中层(20A)滤水管抽取的地下水砷浓度显著上升，分别从约3800 μg/L骤增至8000 μg/L和从2300 μg/L增至6000 μg/L。这一初始激增归因于GCW产生的垂向水力梯度有效动员了吸附在低渗透性透镜体中的砷。随后，砷浓度在约9000 μg/L的高位波动，标志着再循环单元完全发育成熟。在监测后期，浓度缓慢下降并稳定在约6500 μg/L，表明GCW影响范围内的二次污染源正在被逐步清除。整个过程中，系统共动员了约120千克砷，回灌约40千克，净去除约80千克砷，去除效率达到66%，且实现了地下水的零消耗循环。

3.3. 再循环单元时空发育的物理化学证据

通过MLSW2和MLSW3的监测数据，研究获得了再循环单元发育的直接证据。系统启动前，砷浓度呈现明显的垂向分层，深层浓度最高（约3500 μg/L），浅层最低（约200-500 μg/L）。GCW运行后，各层位砷浓度均出现显著上升并趋于均一化，这清晰地反映了GCW驱动的垂向混合作用。同时，EC监测数据揭示了盐碱水楔的垂向运移。原本仅存在于深层的咸水（高EC值）在GCW作用下向上运移，导致浅层和中层水体的EC值升高并趋于一致（25000-30000 μS/cm），这从盐度角度印证了地下水混合的强烈发生，证明再循环单元的影响范围至少可延伸至距离GCW 11米处。

研究的讨论部分深刻剖析了上述发现。GCW诱导的强烈水力循环不仅加速了吸附态砷的解析和迁移，其引发的盐度变化也可能通过竞争离子交换等机制进一步促进砷的释放。与传统的P&T技术相比，GCW技术展现出显著优势：它避免了大量地下水的抽取消耗，能更有效地触及并清除低渗透性区域中的污染物，实现了更高的单位水量污染物去除效率。尽管该技术在处理大量砷时可能产生污泥等二次废物，且回灌能力受含水层导水能力限制，但本研究通过详实的现场数据证明，GCW为修复具有复杂岩性和盐度影响的沿海含水层中的持久性砷污染，提供了一条可行且可持续的新途径。这项工作不仅验证了GCW技术的现场有效性，其集成三维建模、实时监测与地球化学分析的综合研究方法，也为未来类似复杂环境下的修复实践提供了重要借鉴。