1、PRB技術在地下污水修復中的應用1 滲濾液對地下水的污染是近年來較突出的環境問題之一。世界衛生組織的調查表明，全世界每年至少有1500萬人死于水污染引起的疾病。我們國家是水資源短缺的國家，人均水資源占有量僅是世界平均水平的1/4，但是超過40%的河川徑流和50%的城市地下水受到污染。地下水污染問題已經成為制約我國經濟發展的環境問題之一，因此，研究地下水環境的污染狀況，預測其發展趨勢，制定相應的控制措施以及凈化污染的地下水，已經成為環境保護工作的重要內容之一。發達國家已經投入了大量的人力、物力對受污染環境進行修復，地下水原位修復技術得到了迅速的發展。2 地下水作為水資源的重要組成部分，在人類社會

2、的發展過程中起著舉足輕重的作用。近20年來，由于城市生活垃圾和工業“三廢”等的不合理處置，農業生產中農藥、化肥的大量使用，全國地下水污染狀況日趨加重。目前，隨著地下水污染事件的不斷發生及科研人員的不斷努力，地下水污染修復技術在大量的實踐應用中得到了不斷地改進和創新，較典型的地下水污染修復技術已經有十多種，按其主要工作原理可歸并為四大類，即物理法修復技術、化學法修復技術、生物法修復技術和復合修復技術。其中復合法修復技術因其兼有以上兩種或多種技術屬性的污染處理技術，對地下水污染的治理與控制有較好的效果。其關鍵技術是同時使用物理法、化學法和生物法中的兩種或全部。如可滲透反應墻(Permeable r

3、eaetive barrier，PRB)修復技術同時涉及物理吸附、氧化還原反應、生物降解等幾種技術。3 可滲透反應墻(Permeable reaetive barrier，PRB) 技術是指在地下安裝活性材料墻體以便攔截污染物羽狀體，使污染羽狀體通過反應介質后，其污染物能轉化為環境接受的另一種形式，從而實現使污染物濃度達到環境標準的目標。它是目前最為廣泛的修復技術之一，其主要原理是在污染水土原位設置一個填充有活性反應介質材料的反應屏障區，當污染地下水通過該反應屏障區時，污染物質依靠自然水力運輸通過預先設計好的介質，介質對溶解的有機物、金屬、核素及其他污染物進行降解、吸附、沉淀或去除，達到對污染

4、土壤及地下水進行修復的目標。4一 PRB技術的原理和特點PRB由透水的反應介質組成，通常將其置于地下水污染羽狀物的下游，當污染地下水通過PRB時，通過產生沉淀、吸附、氧化還原等作用來去除水體中的污染物，從而得到清潔的地下水。與傳統的污染地下水處理技術相比較，該技術是一項無需外加動力的被動系統。該處理系統的運轉在地下進行，不占地面空間,比原來的泵取地下水的地面處理技術要經濟、便捷。由于其在原地直接處理,無需儲存、運輸及清理工作，可以節省開支。5二 PRB技術的結構類型1 考慮因素 PRB的結構是地下水污染去除效果優劣的影響因素之一，其結構設計需要考慮以下幾個關鍵問題： (1) PRB能嵌進隔水層

5、或弱透水層中，以防止地下水通過工程墻底部運移，確保能完全捕獲地下水的污染帶； (2)能確保地下水在反應材料中有足夠的水力停留時間； (3) 能夠保證具有很好的透水性，防止堵塞。6 2 結構類型 PRB有三種基本結構：連續墻、漏斗一通道結構和灌注處理帶式結構。 (1)連續墻式PRB即在污染地下水下游區域內安裝滲透墻，此種結構適于處理地下水污染的羽狀體較小的情況，墻體必須囊括整個羽狀體的寬度和深度。連續墻結構比較簡單，對流場的復雜性敏感度低，不會改變自然地下水流向，但相對于漏斗一通道結構費用較高。7 (2) 漏斗一通道結構是使用低滲透性的板樁或泥漿墻來引導污染的地下水流向可滲透處理通道。板樁不用移

6、動土壤。泥漿墻可根據墻體的性質，將挖掘的土壤加入到墻中，以降低土壤的處置費用。漏斗一通道結構的長度一般是污染帶寬度1225倍，同時也取決于非滲透墻和通道的比率以及通道的數量。漏斗一通道結構反應墻反應區域小，在墻體材料被沉淀、微生物的堵塞時易清除和更換，因而更適合現場治理。8 (3)灌注處理帶式結構，它把溶解狀態的反應物通過井孔注入到含水層中。注入溶劑與含水層介質反應，并包裹在含水層固體顆粒表面，形成處理帶。污染地下水流過處理帶產生反應,使污染物得以去除。9三 PRB技術的選材及作用機理 1 PRB技術的選材 通過研究顯示，為了確保PRB系統的有效性，反應材料必須滿足三個基本條件： (1)污染組

7、分與反應材料之間應有一定的物理、化學或生物反應性，從而確保其流經系統時，污染組分能全部被清除； (2)反應材料應能易于大量獲得，以確保處理系統能長期有效地發揮功用； (3)反應材料不應產生二次污染。10 常見的地下水污染組分有重金屬、有機質和無機質等等,由于不同的污染組分有著不同的物理化學特性,在進行原位處理時所需要的機制及反應材料也有所不同。但就反應材料來講,其大體上可以分成兩類:一些材料可以和污染物發生化學反應,從而分解污染物使其轉化為對人體和環境無害或危害較輕的組分(接觸脫鹵反應、去氮反應、氧化反應)；另一些材料是通過將污染組分從溶液中轉移到固體顆粒表面。大量既經濟又適用的反應材料已經在

8、工程上得到應用或正在研究之中。如零價鐵屑、活性炭、輪胎碎片、泥煤、稻草、鋸末、樹葉、黑麥籽、高錳酸鉀晶粒以及泥炭和砂的混合物等等。這些材料大部分都是工農業材料的殘料或價值低廉的產品,它們的使用很大程度上達到了廢品再生的目的。其中零價鐵碎屑是目前使用最廣泛的反應材料,有關其在從有機污染、無機污染到放射性污染治理的研究和應用的報道已有很多。11 2 PRB技術的介質作用機理 無論是連續反應墻,還是漏斗一通道系統,其去除污染組分的機理都主要體現在物理、化學、生物學等方面,其作用機理包括:改變地下環境的pH值,從而改變氧化還原電位,使得對氧化還原環境變化敏感的污染組分從水中加速析出或衰減;通過反應材料

9、的溶解,與污染組分沉淀析出,達到凈化的目的;通過反應材料的高吸附性,去除水中的污染組分;反應材料作為微生物活動的除水中的污染組分;反應材料作為微生物活動的電子受體或養分供給,加速地下水中的微生物活動,增大污染組分的生物降解速率等。目前,活性滲濾墻體最常用的材料是Fe0,因其能有效吸附和降解多種重金屬和有機污染物(如PCE,DCE等),且取材容易、價格便宜,得到了廣泛的重視和實際應用。12 3 最佳配備比的確定 由于地下水污染成分復雜,單一介質的PRB工藝往往起不到很好的處理效果,故選用幾種反應介質的混合,并尋找各組分的最佳配比是該工藝的關鍵。 最佳配備比的確定可以按以下幾個步驟來進行： (1)

10、根據擬處理的地下水污染物特征確定采用的PRB介質； (2)設計單一介質實驗確定單一介質作用時介質的最佳投加量； (3)設計正交實驗確定各介質間是否存在相互影響； (4)設計多介質混合處理實驗，確定各反應介質最佳配備比。13四 PRB的設計與施工 1 設計考慮因素 為了保證反應墻長期有效而又方便的使用,反應墻設計需要考慮的因素有很多,而且不同的反應材料和處理機制對墻體設計的考慮因素亦各不相同。但總括起來主要有以下幾點: (1) 墻體水力特征的考慮,也就是墻體的滲透性,這是最主要的考慮因素。一般要求墻體的滲透性是含水層的兩倍,但是最好要求是含水層的十倍以上。因為有很多限制因素的作用,使得系統的滲透

11、性隨時間逐漸降低。因此,為了確保其滲透性,墻體經常設計成由濾層、篩網和反應材料組成。同時應該避免地下水物理化學特征(溫度、壓力、含氧量、pH值、營養組分)的變化,當然應該知道如果這些變化對污染治理有利,應加以利用。14 (2)反應墻的設計應考慮系統運行幾年或幾十年后,反應材料的更新。(3)墻體內應設計一管道系統,用于向其注入用于沖洗的水或空氣,來消除沉淀物或泥沙,或者攪拌材料。(4)反應墻系統應設計開口,用于對系統進行監測與檢查和反應材料更新。 上述為主要的墻體因素,其他的因素包括:地質和水文地質(地形地貌、地下水埋深、含水層厚度、地下水流向、含水層的滲透性、水文地球化學等等)、污染物的濃度和

12、范圍、場地人類活動、費用等等。15 2PRB的設計 PRB的設計通常從研究出發,根據區域水文地質特征、PRB的地區適用性,污染組分類別和濃度、數學模型模擬結果以及實驗室柱體實驗結果,確定PRB的位置、配置、結構尺寸、使用壽命、監測方案,并估算總投資費用。16 3 PRB技術的施工 PRB系統的施工一般包括兩部分,即土體的挖掘和反應材料的回填 (包括漏斗一通道系統中漏斗區材料的回填)。土體的挖掘是PRB系統施工的重點,挖掘方法要考慮污染區的地質條件、污染狀況、地上和地下建筑、施工過程中廢棄物的產生與處置、以及對施工人員健康與安全的影響因素等方面。在PRB的埋藏深度不深時,往往采用挖掘機施工或者履

13、帶式連續挖掘方法:常用挖掘機的挖掘深度在9m左右,經過改裝的挖掘深度可達24m,蚌殼式的挖掘機挖掘深度可以到45m,后面的兩種機械挖掘會產生大量的廢棄物,同時代價也非常大;履帶式連續挖掘的挖掘探度可達45m,挖掘效率非常高,同時其成本也非常高。當挖掘深度大于10 m時,為了降低成本,一般很少采用挖掘技術方法,而改用其他,諸如:泥漿墻法、連續打樁、水力壓裂、高壓噴射、深土混合等技術方法來實施。17五PRB技術存在的主要問題 PRB技術的工程設施較簡單,安裝操作可一次完成,大大降低了修復后期的運轉及維護費用,并且可根據污染物場地特點及治理目標選擇相應的修復設計方案,優化修復過程,提高修復效率。雖然

14、PRB技術在地下水修復中得到了廣泛的研究和應用,但技術本身仍面臨著一些缺陷和問題。 (1)目前對地下水復雜行為的了解及研究不夠深入,研究對象較單一,對多組分、多相有機物共同作用的污染研究較少。運用PRB技術進行修復的實際過程中,常常因為對地質條件和反應單元中污染物的地球化學作用的研究不夠,以及對地下水滲流特征、地下水中有機物的組成與濃度、含水層類型、地質結構等以及地形地貌、地下水埋深、含水層厚度、地下水流向、含水層的滲透性、污染物的濃度和范圍、場地、人類活動、修復費用等因素了解的不透徹,導致實驗室試驗與現場應用結果不一致。同時,由于孔隙介質的存在,使地下水中的污染物同時受到固液兩相的影響。因此

15、,針對以上的問題, PRB技術還有待于在研究和應用中不斷調整和改進。18 (2)在PRB試驗和實際應用中,填充材料都是其核心裝置,反應墻中如填充材料選擇不當,運行過程中產生的沉淀會引起介質的阻塞、反應材料失活等;對于超過其吸附過濾的容量或者堵塞的活性介質需要進行更換,這些更換的反應介質,含有各種重金屬等有害物質,有必要作為危險廢棄物加以處置,或采用一定的方式予以封存；填充材料不可能保證把地下水污染羽中的污染物完全按設想處理的要求予以攔截和捕捉；在還原脫氯的過程中可能產生不易還原且毒性更大的氯代烴有機物或者在雙金屬系統運行過程中也可能引起地下水二次污染等不良影響。因此,針對滲濾液污染地下水,本項

16、目應謹慎選擇填充材料及其配比,盡量克服或者避免出現以上不利問題。對于PRB技術其墻體填充材料是關鍵,提高填充材料的利用率,降低墻體填充介質的成本,防止反應墻堵塞后效率下降,采取有效工程措施使得反應墻長期穩定運行是當前及今后主要研究任務及發展方向。 19六 PRB 技術的應用和發展方向 在我國,目前已逐步開展了透水性反應墻技術的研究,但絕大部分還屬于實驗室的基礎理論研究,實地應用研究非常少。資金的緊缺、人們對于污染地下水修復缺乏足夠的關注以及由于對污染地下水地區的土壤類型、地質狀況、污染組分、污染強度、影響深度、范圍、平均污染響應時間和氣候水文等基礎數據都非常欠缺等因素都限制了透水性反應墻技術在

17、我國的發展。 在歐美的一些發達國家，PRB技術已經得到了廣泛的應用。美國北卡羅來納州1Elizabeth地區的六價鉻和TCE污染嚴重，采用鐵屑作為活性材料，構建的連續型可滲透反應墻，成功的修復了該地區被污染的地下水。經過墻體后，地下水中鉻的濃度由10.00mg/L降為0.010mg/L，TCE由6.000mg/L降為0.005mg/L，達到了當地的相關地下水標準9,10。20 PRB技術的興起，起初主要是用于地下水原為修復的研究，隨著其不斷發展，目前其在垃圾填埋場滲濾液的治理和礦山廢水的處理中也展現了很大的優勢。特別是在金屬礦山酸性廢水的治理中，PRB技術正處在實驗研究的火熱階段。21七 結語與展望 我國是一個以農業為基礎，以工業為發展驅動的發展中國家，農藥以及工業廢水對于土壤和地下水的污染相當嚴重。研究表明，土壤以及地下水中的污染物包括氯代烴、有機氯化合物農藥以及鉻、砷和鉛等有毒有害重金屬，污染位點較分散。采用PRB技術較傳統的抽取修復方法更加的高效、經濟，比較符合我國的經濟形。 我國是水資源非常短缺的國家,人均水資源占有量只是世界平均水平的1/4,然而,超過50%的城市地下水受到污染我國地下水污染治理形勢不容樂觀,有關地下水污