关于机场径流中新兴污染物环境归趋的实验室规模研究

《Journal of Contaminant Hydrology》：Lab-scale insights into the environmental fate of emerging contaminants from airport runoff

PFAS、 alkylphenols、 benzotriazoles等新兴污染物在机场径流中的迁移与Loess沉积物吸附和生物降解机制研究，评估了其在Hesbaye石灰岩含水层中的自然净化潜力。通过批量实验发现PFAS主要被吸附而苯并三唑类则依赖生物降解，揭示了PFAS的持久性风险。

　　在现代水资源管理中，人工补给地下水（Managed Aquifer Recharge, MAR）作为一种有效的策略，被广泛应用于缓解全球水资源需求增长与地下水过度开采带来的挑战。通过人工方式增强地下水的补给，不仅可以提升地下水资源的储存能力，还能改善地下水质量，促进资源的可持续利用。MAR技术还能够应对一些环境问题，例如海水入侵和地面沉降，这些现象在一些沿海和地质条件特殊的地区尤为严重。此外，MAR还可以通过土壤-含水层处理（Soil Aquifer Treatment, SAT）系统提升用于补给的水体质量，利用土壤和地下环境中的自然物理、化学和生物过程去除污染物，从而降低对地下水系统的潜在威胁。

在这一背景下，机场径流作为潜在的MAR水源引起了广泛关注。机场区域由于其高度的不透水表面，如跑道、停机坪和停车场，会产生大量径流。这些径流通常包含多种污染物，如除冰剂、液压油、燃料残留物和其他与航空活动相关的化学物质。这些污染物在降雨事件中被冲刷并汇入雨水收集池，进而可能通过MAR系统被引入地下水含水层。然而，径流中的污染物成分复杂，特别是其中的新兴污染物（Contaminants of Emerging Concern, CECs），如全氟烷基物质（PFAS）、烷基酚和苯并三唑类化合物，它们的环境行为和去除机制仍存在诸多不确定性。因此，评估这些污染物在土壤中的去除能力，对于确保MAR系统的安全性和有效性至关重要。

本研究聚焦于比利时Hesbaye地区的白垩纪粉质石灰岩含水层，该区域由于长期的地下水开采，导致地下水位下降和水质恶化。为了评估机场径流作为MAR水源的可行性，研究团队对覆盖该含水层的黄土沉积物进行了系统的实验室实验。黄土是一种广泛分布于欧洲的沉积物类型，具有较高的孔隙度和有机质含量，这使其在污染物去除方面具备一定的潜力。然而，黄土对不同污染物的去除能力可能存在显著差异，因此需要对其在实际环境条件下的行为进行深入研究。

研究团队采集了Hesbaye地区机场和周边道路的雨水收集池中的径流样本，并在春季2022年和冬季2023年进行采样，以捕捉季节性变化对污染物迁移的影响。通过分析这些样本，研究人员确定了其中存在的主要CECs，包括PFAS、烷基酚和苯并三唑类化合物。这些污染物主要来源于机场日常运营，如除冰剂的使用、燃料的泄漏以及清洁剂的排放。在这些污染物中，PFAS因其高度的稳定性和持久性而受到特别关注，它们在自然环境中难以降解，且可能对生态系统和人类健康造成长期影响。

为了评估黄土沉积物对这些污染物的去除能力，研究团队设计并实施了一系列受控的批次实验。实验过程中，将径流样本与黄土沉积物混合，并在实验室条件下模拟污染物与土壤的相互作用。实验采用三重重复，以确保数据的可靠性和一致性。同时，为了区分污染物的去除机制，实验中还设置了无生物作用的对照组。通过这些实验，研究人员能够量化不同污染物在黄土沉积物中的去除率，并进一步分析其去除过程是否主要依赖于吸附作用、生物降解或其他物理化学机制。

实验结果表明，不同污染物在黄土沉积物中的去除行为存在显著差异。例如，壬基酚二乙氧基酯的去除率最高，主要归因于其生物降解作用，而吸附作用对其去除几乎没有贡献。相比之下，PFAS类化合物的去除则主要依赖于吸附作用，部分化合物如PFOS和6:2 FTS表现出中等程度的去除，而PFOA、PFHxA和PFECHS等PFAS化合物的去除率较低，且几乎没有生物降解的迹象。这些结果揭示了黄土沉积物对不同类型污染物的处理能力存在明显差异，同时也突显了PFAS类化合物在地下水补给过程中的持久性问题。

本研究的发现对MAR系统的规划和设计具有重要意义。首先，它表明黄土沉积物在去除某些CECs方面具有一定的潜力，特别是在处理以生物降解为主的污染物时。这为未来在类似地质条件下利用SAT系统进行地下水补给提供了理论依据。然而，研究也指出，对于PFAS等难以降解的污染物，黄土沉积物的去除能力有限，因此需要采取额外的措施来确保这些污染物不会对地下水系统造成污染。例如，可以结合其他处理技术，如活性炭吸附或高级氧化工艺，以进一步降低PFAS的浓度。

此外，研究还探讨了氧化还原条件对污染物去除的影响。氧化还原条件的变化可能会影响土壤中微生物的活性，从而改变污染物的生物降解效率。通过分析不同氧化还原条件下的实验结果，研究人员能够更全面地理解污染物在土壤-含水层系统中的迁移和转化机制。这一信息对于优化SAT系统的运行条件，提高其对不同类型污染物的去除能力，具有重要的指导意义。

在实际应用中，如何选择合适的水源进行MAR操作是关键问题之一。虽然机场径流具有较高的可利用性，但其污染物含量可能较高，尤其是在某些特定季节或特定区域。因此，在利用机场径流作为地下水补给源之前，必须对其进行充分的水质评估，并结合土壤和地下水的特性，制定相应的处理方案。这不仅有助于提高MAR系统的效率，还能确保地下水系统的长期安全。

研究团队还强调了实验室研究在理解污染物行为方面的重要性。尽管实验室实验无法完全模拟自然环境的复杂性，但它们能够提供关键的参数，用于构建更精确的污染物迁移模型。这些模型可以帮助预测污染物在不同环境条件下的行为，从而指导实际工程设计和管理决策。然而，研究也指出，未来的研究需要进一步结合现场实验和长期监测，以更全面地评估污染物在自然环境中的动态变化。

总体而言，本研究为利用机场径流进行MAR提供了重要的科学依据。通过揭示黄土沉积物对不同CECs的去除机制，研究人员为优化SAT系统的性能和安全性提供了新的视角。同时，研究也指出了PFAS类化合物在地下水补给过程中的潜在风险，强调了在设计和实施MAR项目时，必须对这类污染物进行特别关注。未来的研究应继续探索其他类型的土壤和地下水系统对CECs的处理能力，以支持更广泛的水资源管理实践。