PRB技術(shù)在地下污水修復(fù)中的

1、PRB技術(shù)在地下污水修復(fù)中的應(yīng)用1 滲濾液對地下水的污染是近年來較突出的環(huán)境問題之一。世界衛(wèi)生組織的調(diào)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(jīng)成為制約我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的環(huán)境問題之一，因此，研究地下水環(huán)境的污染狀況，預(yù)測其發(fā)展趨勢，制定相應(yīng)的控制措施以及凈化污染的地下水，已經(jīng)成為環(huán)境保護(hù)工作的重要內(nèi)容之一。發(fā)達(dá)國家已經(jīng)投入了大量的人力、物力對受污染環(huán)境進(jìn)行修復(fù)，地下水原位修復(fù)技術(shù)得到了迅速的發(fā)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(fā)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(yè)“三廢”等的不合理處置，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中農(nóng)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(fā)生及科研人員的不斷努力，地下水污染修復(fù)技術(shù)在大量的實(shí)踐應(yīng)用中得到了不斷地改進(jìn)和創(chuàng)新，較典型的地下水污染修復(fù)技術(shù)已經(jīng)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(fù)技術(shù)、化學(xué)法修復(fù)技術(shù)、生物法修復(fù)技術(shù)和復(fù)合修復(fù)技術(shù)。其中復(fù)合法修復(fù)技術(shù)因其兼有以上兩種或多種技術(shù)屬性的污染處理技術(shù)，對地下水污染的治理與控制有較好的效果。其關(guān)鍵技術(shù)是同時(shí)使用物理法、化學(xué)法和生物法中的兩種或全部。如可滲透反應(yīng)墻(Permeable r

3、eaetive barrier，PRB)修復(fù)技術(shù)同時(shí)涉及物理吸附、氧化還原反應(yīng)、生物降解等幾種技術(shù)。3 可滲透反應(yīng)墻(Permeable reaetive barrier，PRB) 技術(shù)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(yīng)介質(zhì)后，其污染物能轉(zhuǎn)化為環(huán)境接受的另一種形式，從而實(shí)現(xiàn)使污染物濃度達(dá)到環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)。它是目前最為廣泛的修復(fù)技術(shù)之一，其主要原理是在污染水土原位設(shè)置一個(gè)填充有活性反應(yīng)介質(zhì)材料的反應(yīng)屏障區(qū)，當(dāng)污染地下水通過該反應(yīng)屏障區(qū)時(shí)，污染物質(zhì)依靠自然水力運(yùn)輸通過預(yù)先設(shè)計(jì)好的介質(zhì)，介質(zhì)對溶解的有機(jī)物、金屬、核素及其他污染物進(jìn)行降解、吸附、沉淀或去除，達(dá)到對污染

4、土壤及地下水進(jìn)行修復(fù)的目標(biāo)。4一 PRB技術(shù)的原理和特點(diǎn)PRB由透水的反應(yīng)介質(zhì)組成，通常將其置于地下水污染羽狀物的下游，當(dāng)污染地下水通過PRB時(shí)，通過產(chǎn)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(tǒng)的污染地下水處理技術(shù)相比較，該技術(shù)是一項(xiàng)無需外加動力的被動系統(tǒng)。該處理系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)在地下進(jìn)行，不占地面空間,比原來的泵取地下水的地面處理技術(shù)要經(jīng)濟(jì)、便捷。由于其在原地直接處理,無需儲存、運(yùn)輸及清理工作，可以節(jié)省開支。5二 PRB技術(shù)的結(jié)構(gòu)類型1 考慮因素 PRB的結(jié)構(gòu)是地下水污染去除效果優(yōu)劣的影響因素之一，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮以下幾個(gè)關(guān)鍵問題： (1) PRB能嵌進(jìn)隔水層

5、或弱透水層中，以防止地下水通過工程墻底部運(yùn)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(yīng)材料中有足夠的水力停留時(shí)間； (3) 能夠保證具有很好的透水性，防止堵塞。6 2 結(jié)構(gòu)類型 PRB有三種基本結(jié)構(gòu)：連續(xù)墻、漏斗一通道結(jié)構(gòu)和灌注處理帶式結(jié)構(gòu)。 (1)連續(xù)墻式PRB即在污染地下水下游區(qū)域內(nèi)安裝滲透墻，此種結(jié)構(gòu)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(gè)羽狀體的寬度和深度。連續(xù)墻結(jié)構(gòu)比較簡單，對流場的復(fù)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(jié)構(gòu)費(fèi)用較高。7 (2) 漏斗一通道結(jié)構(gòu)是使用低滲透性的板樁或泥漿墻來引導(dǎo)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(jù)墻體的性質(zhì)，將挖掘的土壤加入到墻中，以降低土壤的處置費(fèi)用。漏斗一通道結(jié)構(gòu)的長度一般是污染帶寬度1225倍，同時(shí)也取決于非滲透墻和通道的比率以及通道的數(shù)量。漏斗一通道結(jié)構(gòu)反應(yīng)墻反應(yīng)區(qū)域小，在墻體材料被沉淀、微生物的堵塞時(shí)易清除和更換，因而更適合現(xiàn)場治理。8 (3)灌注處理帶式結(jié)構(gòu)，它把溶解狀態(tài)的反應(yīng)物通過井孔注入到含水層中。注入溶劑與含水層介質(zhì)反應(yīng)，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(chǎn)生反應(yīng),使污染物得以去除。9三 PRB技術(shù)的選材及作用機(jī)理 1 PRB技術(shù)的選材 通過研究顯示，為了確保PRB系統(tǒng)的有效性，反應(yīng)材料必須滿足三個(gè)基本條件： (1)污染組

7、分與反應(yīng)材料之間應(yīng)有一定的物理、化學(xué)或生物反應(yīng)性，從而確保其流經(jīng)系統(tǒng)時(shí)，污染組分能全部被清除； (2)反應(yīng)材料應(yīng)能易于大量獲得，以確保處理系統(tǒng)能長期有效地發(fā)揮功用； (3)反應(yīng)材料不應(yīng)產(chǎn)生二次污染。10 常見的地下水污染組分有重金屬、有機(jī)質(zhì)和無機(jī)質(zhì)等等,由于不同的污染組分有著不同的物理化學(xué)特性,在進(jìn)行原位處理時(shí)所需要的機(jī)制及反應(yīng)材料也有所不同。但就反應(yīng)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(fā)生化學(xué)反應(yīng),從而分解污染物使其轉(zhuǎn)化為對人體和環(huán)境無害或危害較輕的組分(接觸脫鹵反應(yīng)、去氮反應(yīng)、氧化反應(yīng))；另一些材料是通過將污染組分從溶液中轉(zhuǎn)移到固體顆粒表面。大量既經(jīng)濟(jì)又適用的反應(yīng)材料已經(jīng)在

8、工程上得到應(yīng)用或正在研究之中。如零價(jià)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(nóng)業(yè)材料的殘料或價(jià)值低廉的產(chǎn)品,它們的使用很大程度上達(dá)到了廢品再生的目的。其中零價(jià)鐵碎屑是目前使用最廣泛的反應(yīng)材料,有關(guān)其在從有機(jī)污染、無機(jī)污染到放射性污染治理的研究和應(yīng)用的報(bào)道已有很多。11 2 PRB技術(shù)的介質(zhì)作用機(jī)理 無論是連續(xù)反應(yīng)墻,還是漏斗一通道系統(tǒng),其去除污染組分的機(jī)理都主要體現(xiàn)在物理、化學(xué)、生物學(xué)等方面,其作用機(jī)理包括:改變地下環(huán)境的pH值,從而改變氧化還原電位,使得對氧化還原環(huán)境變化敏感的污染組分從水中加速析出或衰減;通過反應(yīng)材料

9、的溶解,與污染組分沉淀析出,達(dá)到凈化的目的;通過反應(yīng)材料的高吸附性,去除水中的污染組分;反應(yīng)材料作為微生物活動的除水中的污染組分;反應(yīng)材料作為微生物活動的電子受體或養(yǎng)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(jī)污染物(如PCE,DCE等),且取材容易、價(jià)格便宜,得到了廣泛的重視和實(shí)際應(yīng)用。12 3 最佳配備比的確定 由于地下水污染成分復(fù)雜,單一介質(zhì)的PRB工藝往往起不到很好的處理效果,故選用幾種反應(yīng)介質(zhì)的混合,并尋找各組分的最佳配比是該工藝的關(guān)鍵。 最佳配備比的確定可以按以下幾個(gè)步驟來進(jìn)行： (1)

10、根據(jù)擬處理的地下水污染物特征確定采用的PRB介質(zhì)； (2)設(shè)計(jì)單一介質(zhì)實(shí)驗(yàn)確定單一介質(zhì)作用時(shí)介質(zhì)的最佳投加量； (3)設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)確定各介質(zhì)間是否存在相互影響； (4)設(shè)計(jì)多介質(zhì)混合處理實(shí)驗(yàn)，確定各反應(yīng)介質(zhì)最佳配備比。13四 PRB的設(shè)計(jì)與施工 1 設(shè)計(jì)考慮因素 為了保證反應(yīng)墻長期有效而又方便的使用,反應(yīng)墻設(shè)計(jì)需要考慮的因素有很多,而且不同的反應(yīng)材料和處理機(jī)制對墻體設(shè)計(jì)的考慮因素亦各不相同。但總括起來主要有以下幾點(diǎn): (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?yàn)橛泻芏嘞拗埔蛩氐淖饔?使得系統(tǒng)的滲透

11、性隨時(shí)間逐漸降低。因此,為了確保其滲透性,墻體經(jīng)常設(shè)計(jì)成由濾層、篩網(wǎng)和反應(yīng)材料組成。同時(shí)應(yīng)該避免地下水物理化學(xué)特征(溫度、壓力、含氧量、pH值、營養(yǎng)組分)的變化,當(dāng)然應(yīng)該知道如果這些變化對污染治理有利,應(yīng)加以利用。14 (2)反應(yīng)墻的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮系統(tǒng)運(yùn)行幾年或幾十年后,反應(yīng)材料的更新。(3)墻體內(nèi)應(yīng)設(shè)計(jì)一管道系統(tǒng),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(yīng)墻系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)開口,用于對系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測與檢查和反應(yīng)材料更新。 上述為主要的墻體因素,其他的因素包括:地質(zhì)和水文地質(zhì)(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(xué)等等)、污染物的濃度和

12、范圍、場地人類活動、費(fèi)用等等。15 2PRB的設(shè)計(jì) PRB的設(shè)計(jì)通常從研究出發(fā),根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)特征、PRB的地區(qū)適用性,污染組分類別和濃度、數(shù)學(xué)模型模擬結(jié)果以及實(shí)驗(yàn)室柱體實(shí)驗(yàn)結(jié)果,確定PRB的位置、配置、結(jié)構(gòu)尺寸、使用壽命、監(jiān)測方案,并估算總投資費(fèi)用。16 3 PRB技術(shù)的施工 PRB系統(tǒng)的施工一般包括兩部分,即土體的挖掘和反應(yīng)材料的回填 (包括漏斗一通道系統(tǒng)中漏斗區(qū)材料的回填)。土體的挖掘是PRB系統(tǒng)施工的重點(diǎn),挖掘方法要考慮污染區(qū)的地質(zhì)條件、污染狀況、地上和地下建筑、施工過程中廢棄物的產(chǎn)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(shí),往往采用挖掘機(jī)施工或者履

13、帶式連續(xù)挖掘方法:常用挖掘機(jī)的挖掘深度在9m左右,經(jīng)過改裝的挖掘深度可達(dá)24m,蚌殼式的挖掘機(jī)挖掘深度可以到45m,后面的兩種機(jī)械挖掘會產(chǎn)生大量的廢棄物,同時(shí)代價(jià)也非常大;履帶式連續(xù)挖掘的挖掘探度可達(dá)45m,挖掘效率非常高,同時(shí)其成本也非常高。當(dāng)挖掘深度大于10 m時(shí),為了降低成本,一般很少采用挖掘技術(shù)方法,而改用其他,諸如:泥漿墻法、連續(xù)打樁、水力壓裂、高壓噴射、深土混合等技術(shù)方法來實(shí)施。17五PRB技術(shù)存在的主要問題 PRB技術(shù)的工程設(shè)施較簡單,安裝操作可一次完成,大大降低了修復(fù)后期的運(yùn)轉(zhuǎn)及維護(hù)費(fèi)用,并且可根據(jù)污染物場地特點(diǎn)及治理目標(biāo)選擇相應(yīng)的修復(fù)設(shè)計(jì)方案,優(yōu)化修復(fù)過程,提高修復(fù)效率。雖然

14、PRB技術(shù)在地下水修復(fù)中得到了廣泛的研究和應(yīng)用,但技術(shù)本身仍面臨著一些缺陷和問題。 (1)目前對地下水復(fù)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(jī)物共同作用的污染研究較少。運(yùn)用PRB技術(shù)進(jìn)行修復(fù)的實(shí)際過程中,常常因?yàn)閷Φ刭|(zhì)條件和反應(yīng)單元中污染物的地球化學(xué)作用的研究不夠,以及對地下水滲流特征、地下水中有機(jī)物的組成與濃度、含水層類型、地質(zhì)結(jié)構(gòu)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(fù)費(fèi)用等因素了解的不透徹,導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)與現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果不一致。同時(shí),由于孔隙介質(zhì)的存在,使地下水中的污染物同時(shí)受到固液兩相的影響。因此

15、,針對以上的問題, PRB技術(shù)還有待于在研究和應(yīng)用中不斷調(diào)整和改進(jìn)。18 (2)在PRB試驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用中,填充材料都是其核心裝置,反應(yīng)墻中如填充材料選擇不當(dāng),運(yùn)行過程中產(chǎn)生的沉淀會引起介質(zhì)的阻塞、反應(yīng)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(zhì)需要進(jìn)行更換,這些更換的反應(yīng)介質(zhì),含有各種重金屬等有害物質(zhì),有必要作為危險(xiǎn)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(shè)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(chǎn)生不易還原且毒性更大的氯代烴有機(jī)物或者在雙金屬系統(tǒng)運(yùn)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(xiàng)

16、目應(yīng)謹(jǐn)慎選擇填充材料及其配比,盡量克服或者避免出現(xiàn)以上不利問題。對于PRB技術(shù)其墻體填充材料是關(guān)鍵,提高填充材料的利用率,降低墻體填充介質(zhì)的成本,防止反應(yīng)墻堵塞后效率下降,采取有效工程措施使得反應(yīng)墻長期穩(wěn)定運(yùn)行是當(dāng)前及今后主要研究任務(wù)及發(fā)展方向。 19六 PRB 技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展方向 在我國,目前已逐步開展了透水性反應(yīng)墻技術(shù)的研究,但絕大部分還屬于實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)理論研究,實(shí)地應(yīng)用研究非常少。資金的緊缺、人們對于污染地下水修復(fù)缺乏足夠的關(guān)注以及由于對污染地下水地區(qū)的土壤類型、地質(zhì)狀況、污染組分、污染強(qiáng)度、影響深度、范圍、平均污染響應(yīng)時(shí)間和氣候水文等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)都非常欠缺等因素都限制了透水性反應(yīng)墻技術(shù)在

17、我國的發(fā)展。 在歐美的一些發(fā)達(dá)國家，PRB技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。美國北卡羅來納州1Elizabeth地區(qū)的六價(jià)鉻和TCE污染嚴(yán)重，采用鐵屑作為活性材料，構(gòu)建的連續(xù)型可滲透反應(yīng)墻，成功的修復(fù)了該地區(qū)被污染的地下水。經(jīng)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(dá)到了當(dāng)?shù)氐南嚓P(guān)地下水標(biāo)準(zhǔn)9,10。20 PRB技術(shù)的興起，起初主要是用于地下水原為修復(fù)的研究，隨著其不斷發(fā)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(xiàn)了很大的優(yōu)勢。特別是在金屬礦山酸性廢水的治理中，PRB技術(shù)正處在實(shí)驗(yàn)研究的火熱階段。21七 結(jié)語與展望 我國是一個(gè)以農(nóng)業(yè)為基礎(chǔ)，以工業(yè)為發(fā)展驅(qū)動的發(fā)展中國家，農(nóng)藥以及工業(yè)廢水對于土壤和地下水的污染相當(dāng)嚴(yán)重。研究表明，土壤以及地下水中的污染物包括氯代烴、有機(jī)氯化合物農(nóng)藥以及鉻、砷和鉛等有毒有害重金屬，污染位點(diǎn)較分散。采用PRB技術(shù)較傳統(tǒng)的抽取修復(fù)方法更加的高效、經(jīng)濟(jì)，比較符合我國的經(jīng)濟(jì)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(guān)地下水污