前沿动态可渗透反应墙[PRB]地下水污染修复技术

查看全部 · 发表于 2021-4-6 17:23:16

可渗透反应墙(permeable reactive barrier，PRB)(图1)是近年来新兴起来的用于原位去除地下水及土壤中污染组分的方法。美国环保署(USEPA)1998年发行的《污染物修复的PRB技术》手册将PRB定义为：在地下安置活性材料墙体以便拦截污染羽状体，使污染羽状体通过反应介质后，其污染物能转化为环境接受的另一种形式，从而实现使污染物浓度达到环境标准的目标。

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图1可渗透反应墙技术

PRB技术原理

实际上，污染组分是通过天然或人工的水力梯度被运送到经过精心放置的处理介质中，污染物与介质发生物理、化学或生物作用，如降解、吸附、淋滤、或者去除溶解的有机质、金属、放射性以及其他的污染物质，从而得到清洁的地下水。墙体可能包含一些反应物用于降解挥发的有机质，螯合剂用于滞留重金属，营养及氧气用于提高微生物的生物降解作用，以及其他组分。

PRB组成和结构

PRB主要由透水反应介质组成，通常置于地下水污染羽状体的下游，与地下水流相垂直(图 2)。

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图 2 PRB系统示意图

根据其结构形式，PRB主要分为2类:连续墙式PRB(图3A)、隔水漏斗-导水门式PRB(图3B)。

连续墙式PRB。当地下水污染羽状体影响范围较小时，将可渗透反应墙体放置于垂直于污染羽状体迁移途径的位置，墙体的宽度及高度要保证整个污染羽状体都能通过，墙体的厚度必须保证污染物通过活性材料处理后其浓度能达到规定的环境标准。连续墙式PRB结构比较简单,且不改变地下水的自然流向。

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图3 PRB结构类型

隔水漏斗-导水门式PRB。由隔水漏斗、导水门及活性材料组成，用于潜水埋藏浅的大型地下水污染羽状体。隔水漏斗由封闭的片桩或泥浆墙组成，并嵌入到隔水层中，引导或汇集地下水流进入导水门，通过活性材料进行处理。隔水漏斗嵌入到隔水层中，以防止污染羽状体通过渗流进入下游未污染区。在设计时，要充分考虑污染羽状体的规模流向以便确定隔水漏斗与导水门的倾角，使污染羽状体不至于从旁边迂回流出。

在一些情况下，污染地下水羽位于含水层的上部，如污染源为包气带中的LNAPL(light non-aqueous phase liquids)或挥发性液体，那么系统只需截断羽体即可。但是在另一些情况下，如果污染地下水羽穿透整个含水层，诸如DNAPL(dense non-aqueous phase liquids)污染情形，那么原位反应墙和漏斗-通道系统也必须穿过该含水层。在一些特殊情况，DNAPL穿过含水层，进入粘土层。由于粘土中发育很多裂隙，使得DNAPL穿过粘土层，继续向下迁移。采用垂直反应墙就无法截断污染源羽流，使得垂直反应墙失效。因此，针对这种情况，采用所谓的水平墙就显得更加有效。如图4所示，在污染羽流前端，裂隙粘土层中，采用水压致裂法，修建一水平方向的可渗透反应墙，通过该反应墙的滞留、降解、吸附等过程以达到治理污染的目的。

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图4典型的垂直可渗透反应墙系统

PRB反应介质（活性材料）

PRB 活性材料选取PRB反应材料要适合地下环境，在反应材料和污染物反应时，不会发生有害化学反应或产生副产品;反应材料在反应中稳定，不易溶解或消耗;选择的材料不应有过小的粒径，以防止地下水流有过长的水力停留时间，也不应由不同粒径的颗粒组成，以防止堵塞粒间空隙;其渗透系数要是含水层渗透系数的2倍以上甚至更多，在含水层渗透系数较好的地区，如果活性材料的渗透系数与含水层渗透系数的比值过高，会影响到活性材料的稳定性;在含水层渗透系数较差的地区，如果活性材料的渗透系数与含水层渗透系数的比值过低，则由于反应后的沉淀物又富集在反应墙的表面，又可造成地下水的滞留现象。

反应材料最常见的是零价铁，因其能有效吸附和降解多种重金属和有机物(如PCE和DCE)，容易取材、价格便宜，得到了广泛的重视和实际运用。其他还有活性炭、沸石、石灰石、离子交换树脂、铁的氧化物和氢氧化物、磷酸盐以及有机材料(城市堆肥、木屑)等。实验证明，反应材料对地下水中COD及氨氮有明显的去除效果，陶土和粉煤灰对COD的去除效果最好，活性炭对COD的去除效果稳定，沸石对氨氮的去除效果最好，去除率可持续达到90% 以上，粉煤灰和陶土对氨氮的去除率持续保持在 30%～50%，活性炭对氨氮的去除效果最差。在实际修复过程中，可将各种反应材料按比例混合，去除效果会更好。

PRB优缺点

相对于传统方法，PRB法具有持续原位处理污染物(5～10a)、处理多种污染物(如重金属、有机物等)、扰动小、处理效果好、安装施工方便、性价比相对较高等优点。

PRB技术也有一定技术限制，如地下反应墙介质容量有限，不可能无限制地对污染物进行去除，所以需要定期的更换活性物质，以保证处理效率。而更换下来的活性材料需作为有害废弃物加以处置。对于高浓度的污染物，也需要考虑污染物的去除能量和容量，有时会缩短PRB的使用寿命。此外，反应介质中的作用有可能导致物质的沉淀，使地下水在反应墙和其附近的流场发生变化，反应介质的堵塞可以导致PRB的失效。

应用实例

目前，在欧美一些发达国家，已对其进行了大量的试验及工程技术研究，并已开始投入商业应用，取得了不错的效果，从1982年至今，欧美国家已经建立了120座以上的PRB，而在我国仍处于实验摸索阶段。1996年在美国Elizabeth地区的东南部安装了一个连续墙式Fe0-PRB，污染羽状体中含有较高浓度的铬(>10mg/L)及一部分TCE(>19mg/L)、DCE等有机物，污染羽状体经过反应墙的连续反应，其中铬的浓度小于0.01mg/L，TCE、DCE等有机物的浓度也达到了相应的标准。吉林大学通过实验模拟装置成功去除地下水中的部分金属和有机物。

结语

我国是一个以农业为基础，以工业为发展驱动的发展中国家，农药以及工业废水对于土壤和地下水的污染相当严重。土壤以及地下水中的污染物包括氯代烃、有机氯化合物农药以及铬、砷和铅等有毒有害重金属，污染位点较分散。采用PRB技术较传统的修复方法更加的高效、经济，比较符合我国的经济形势。而在今后的几年中，若是该技术广泛使用，则必须在现有基础上深入研究其处理机理，在改善现有弊端的基础上，发展更加合理的处理介质，以便在更加广泛的水文地质条件下使用，处理尽量多的地下水污染物。可以预见，随着研究的不断深入，PRB技术必将在我国地下水的污染处理舞台上大放异彩。