PRB技术在地下污水修复中的

1、PRB技术在地下污水修复中的应用1 渗滤液对地下水的污染是近年来较突出的环境问题之一。世界卫生组织的调查表明，全世界每年至少有1500万人死于水污染引起的疾病。我们国家是水资源短缺的国家，人均水资源占有量仅是世界平均水平的1/4，但是超过40%的河川径流和50%的城市地下水受到污染。地下水污染问题已经成为制约我国经济发展的环境问题之一，因此，研究地下水环境的污染状况，预测其发展趋势，制定相应的控制措施以及净化污染的地下水，已经成为环境保护工作的重要内容之一。发达国家已经投入了大量的人力、物力对受污染环境进行修复，地下水原位修复技术得到了迅速的发展。2 地下水作为水资源的重要组成部分，在人类社会

2、的发展过程中起着举足轻重的作用。近20年来，由于城市生活垃圾和工业“三废”等的不合理处置，农业生产中农药、化肥的大量使用，全国地下水污染状况日趋加重。目前，随着地下水污染事件的不断发生及科研人员的不断努力，地下水污染修复技术在大量的实践应用中得到了不断地改进和创新，较典型的地下水污染修复技术已经有十多种，按其主要工作原理可归并为四大类，即物理法修复技术、化学法修复技术、生物法修复技术和复合修复技术。其中复合法修复技术因其兼有以上两种或多种技术属性的污染处理技术，对地下水污染的治理与控制有较好的效果。其关键技术是同时使用物理法、化学法和生物法中的两种或全部。如可渗透反应墙(Permeable r

3、eaetive barrier，PRB)修复技术同时涉及物理吸附、氧化还原反应、生物降解等几种技术。3 可渗透反应墙(Permeable reaetive barrier，PRB) 技术是指在地下安装活性材料墙体以便拦截污染物羽状体，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。它是目前最为广泛的修复技术之一，其主要原理是在污染水土原位设置一个填充有活性反应介质材料的反应屏障区，当污染地下水通过该反应屏障区时，污染物质依靠自然水力运输通过预先设计好的介质，介质对溶解的有机物、金属、核素及其他污染物进行降解、吸附、沉淀或去除，达到对污染

4、土壤及地下水进行修复的目标。4一 PRB技术的原理和特点PRB由透水的反应介质组成，通常将其置于地下水污染羽状物的下游，当污染地下水通过PRB时，通过产生沉淀、吸附、氧化还原等作用来去除水体中的污染物，从而得到清洁的地下水。与传统的污染地下水处理技术相比较，该技术是一项无需外加动力的被动系统。该处理系统的运转在地下进行，不占地面空间,比原来的泵取地下水的地面处理技术要经济、便捷。由于其在原地直接处理,无需储存、运输及清理工作，可以节省开支。5二 PRB技术的结构类型1 考虑因素 PRB的结构是地下水污染去除效果优劣的影响因素之一，其结构设计需要考虑以下几个关键问题： (1) PRB能嵌进隔水层

5、或弱透水层中，以防止地下水通过工程墙底部运移，确保能完全捕获地下水的污染带； (2)能确保地下水在反应材料中有足够的水力停留时间； (3) 能够保证具有很好的透水性，防止堵塞。6 2 结构类型 PRB有三种基本结构：连续墙、漏斗一通道结构和灌注处理带式结构。 (1)连续墙式PRB即在污染地下水下游区域内安装渗透墙，此种结构适于处理地下水污染的羽状体较小的情况，墙体必须囊括整个羽状体的宽度和深度。连续墙结构比较简单，对流场的复杂性敏感度低，不会改变自然地下水流向，但相对于漏斗一通道结构费用较高。7 (2) 漏斗一通道结构是使用低渗透性的板桩或泥浆墙来引导污染的地下水流向可渗透处理通道。板桩不用移

6、动土壤。泥浆墙可根据墙体的性质，将挖掘的土壤加入到墙中，以降低土壤的处置费用。漏斗一通道结构的长度一般是污染带宽度1225倍，同时也取决于非渗透墙和通道的比率以及通道的数量。漏斗一通道结构反应墙反应区域小，在墙体材料被沉淀、微生物的堵塞时易清除和更换，因而更适合现场治理。8 (3)灌注处理带式结构，它把溶解状态的反应物通过井孔注入到含水层中。注入溶剂与含水层介质反应，并包裹在含水层固体颗粒表面，形成处理带。污染地下水流过处理带产生反应,使污染物得以去除。9三 PRB技术的选材及作用机理 1 PRB技术的选材 通过研究显示，为了确保PRB系统的有效性，反应材料必须满足三个基本条件： (1)污染组

7、分与反应材料之间应有一定的物理、化学或生物反应性，从而确保其流经系统时，污染组分能全部被清除； (2)反应材料应能易于大量获得，以确保处理系统能长期有效地发挥功用； (3)反应材料不应产生二次污染。10 常见的地下水污染组分有重金属、有机质和无机质等等,由于不同的污染组分有着不同的物理化学特性,在进行原位处理时所需要的机制及反应材料也有所不同。但就反应材料来讲,其大体上可以分成两类:一些材料可以和污染物发生化学反应,从而分解污染物使其转化为对人体和环境无害或危害较轻的组分(接触脱卤反应、去氮反应、氧化反应)；另一些材料是通过将污染组分从溶液中转移到固体颗粒表面。大量既经济又适用的反应材料已经在

8、工程上得到应用或正在研究之中。如零价铁屑、活性炭、轮胎碎片、泥煤、稻草、锯末、树叶、黑麦籽、高锰酸钾晶粒以及泥炭和砂的混合物等等。这些材料大部分都是工农业材料的残料或价值低廉的产品,它们的使用很大程度上达到了废品再生的目的。其中零价铁碎屑是目前使用最广泛的反应材料,有关其在从有机污染、无机污染到放射性污染治理的研究和应用的报道已有很多。11 2 PRB技术的介质作用机理 无论是连续反应墙,还是漏斗一通道系统,其去除污染组分的机理都主要体现在物理、化学、生物学等方面,其作用机理包括:改变地下环境的pH值,从而改变氧化还原电位,使得对氧化还原环境变化敏感的污染组分从水中加速析出或衰减;通过反应材料

9、的溶解,与污染组分沉淀析出,达到净化的目的;通过反应材料的高吸附性,去除水中的污染组分;反应材料作为微生物活动的除水中的污染组分;反应材料作为微生物活动的电子受体或养分供给,加速地下水中的微生物活动,增大污染组分的生物降解速率等。目前,活性渗滤墙体最常用的材料是Fe0,因其能有效吸附和降解多种重金属和有机污染物(如PCE,DCE等),且取材容易、价格便宜,得到了广泛的重视和实际应用。12 3 最佳配备比的确定 由于地下水污染成分复杂,单一介质的PRB工艺往往起不到很好的处理效果,故选用几种反应介质的混合,并寻找各组分的最佳配比是该工艺的关键。 最佳配备比的确定可以按以下几个步骤来进行： (1)

10、根据拟处理的地下水污染物特征确定采用的PRB介质； (2)设计单一介质实验确定单一介质作用时介质的最佳投加量； (3)设计正交实验确定各介质间是否存在相互影响； (4)设计多介质混合处理实验，确定各反应介质最佳配备比。13四 PRB的设计与施工 1 设计考虑因素 为了保证反应墙长期有效而又方便的使用,反应墙设计需要考虑的因素有很多,而且不同的反应材料和处理机制对墙体设计的考虑因素亦各不相同。但总括起来主要有以下几点: (1) 墙体水力特征的考虑,也就是墙体的渗透性,这是最主要的考虑因素。一般要求墙体的渗透性是含水层的两倍,但是最好要求是含水层的十倍以上。因为有很多限制因素的作用,使得系统的渗透

11、性随时间逐渐降低。因此,为了确保其渗透性,墙体经常设计成由滤层、筛网和反应材料组成。同时应该避免地下水物理化学特征(温度、压力、含氧量、pH值、营养组分)的变化,当然应该知道如果这些变化对污染治理有利,应加以利用。14 (2)反应墙的设计应考虑系统运行几年或几十年后,反应材料的更新。(3)墙体内应设计一管道系统,用于向其注入用于冲洗的水或空气,来消除沉淀物或泥沙,或者搅拌材料。(4)反应墙系统应设计开口,用于对系统进行监测与检查和反应材料更新。 上述为主要的墙体因素,其他的因素包括:地质和水文地质(地形地貌、地下水埋深、含水层厚度、地下水流向、含水层的渗透性、水文地球化学等等)、污染物的浓度和

12、范围、场地人类活动、费用等等。15 2PRB的设计 PRB的设计通常从研究出发,根据区域水文地质特征、PRB的地区适用性,污染组分类别和浓度、数学模型模拟结果以及实验室柱体实验结果,确定PRB的位置、配置、结构尺寸、使用寿命、监测方案,并估算总投资费用。16 3 PRB技术的施工 PRB系统的施工一般包括两部分,即土体的挖掘和反应材料的回填 (包括漏斗一通道系统中漏斗区材料的回填)。土体的挖掘是PRB系统施工的重点,挖掘方法要考虑污染区的地质条件、污染状况、地上和地下建筑、施工过程中废弃物的产生与处置、以及对施工人员健康与安全的影响因素等方面。在PRB的埋藏深度不深时,往往采用挖掘机施工或者履

13、带式连续挖掘方法:常用挖掘机的挖掘深度在9m左右,经过改装的挖掘深度可达24m,蚌壳式的挖掘机挖掘深度可以到45m,后面的两种机械挖掘会产生大量的废弃物,同时代价也非常大;履带式连续挖掘的挖掘探度可达45m,挖掘效率非常高,同时其成本也非常高。当挖掘深度大于10 m时,为了降低成本,一般很少采用挖掘技术方法,而改用其他,诸如:泥浆墙法、连续打桩、水力压裂、高压喷射、深土混合等技术方法来实施。17五PRB技术存在的主要问题 PRB技术的工程设施较简单,安装操作可一次完成,大大降低了修复后期的运转及维护费用,并且可根据污染物场地特点及治理目标选择相应的修复设计方案,优化修复过程,提高修复效率。虽然

14、PRB技术在地下水修复中得到了广泛的研究和应用,但技术本身仍面临着一些缺陷和问题。 (1)目前对地下水复杂行为的了解及研究不够深入,研究对象较单一,对多组分、多相有机物共同作用的污染研究较少。运用PRB技术进行修复的实际过程中,常常因为对地质条件和反应单元中污染物的地球化学作用的研究不够,以及对地下水渗流特征、地下水中有机物的组成与浓度、含水层类型、地质结构等以及地形地貌、地下水埋深、含水层厚度、地下水流向、含水层的渗透性、污染物的浓度和范围、场地、人类活动、修复费用等因素了解的不透彻,导致实验室试验与现场应用结果不一致。同时,由于孔隙介质的存在,使地下水中的污染物同时受到固液两相的影响。因此

15、,针对以上的问题, PRB技术还有待于在研究和应用中不断调整和改进。18 (2)在PRB试验和实际应用中,填充材料都是其核心装置,反应墙中如填充材料选择不当,运行过程中产生的沉淀会引起介质的阻塞、反应材料失活等;对于超过其吸附过滤的容量或者堵塞的活性介质需要进行更换,这些更换的反应介质,含有各种重金属等有害物质,有必要作为危险废弃物加以处置,或采用一定的方式予以封存；填充材料不可能保证把地下水污染羽中的污染物完全按设想处理的要求予以拦截和捕捉；在还原脱氯的过程中可能产生不易还原且毒性更大的氯代烃有机物或者在双金属系统运行过程中也可能引起地下水二次污染等不良影响。因此,针对渗滤液污染地下水,本项

16、目应谨慎选择填充材料及其配比,尽量克服或者避免出现以上不利问题。对于PRB技术其墙体填充材料是关键,提高填充材料的利用率,降低墙体填充介质的成本,防止反应墙堵塞后效率下降,采取有效工程措施使得反应墙长期稳定运行是当前及今后主要研究任务及发展方向。 19六 PRB 技术的应用和发展方向 在我国,目前已逐步开展了透水性反应墙技术的研究,但绝大部分还属于实验室的基础理论研究,实地应用研究非常少。资金的紧缺、人们对于污染地下水修复缺乏足够的关注以及由于对污染地下水地区的土壤类型、地质状况、污染组分、污染强度、影响深度、范围、平均污染响应时间和气候水文等基础数据都非常欠缺等因素都限制了透水性反应墙技术在

17、我国的发展。 在欧美的一些发达国家，PRB技术已经得到了广泛的应用。美国北卡罗来纳州1Elizabeth地区的六价铬和TCE污染严重，采用铁屑作为活性材料，构建的连续型可渗透反应墙，成功的修复了该地区被污染的地下水。经过墙体后，地下水中铬的浓度由10.00mg/L降为0.010mg/L，TCE由6.000mg/L降为0.005mg/L，达到了当地的相关地下水标准9,10。20 PRB技术的兴起，起初主要是用于地下水原为修复的研究，随着其不断发展，目前其在垃圾填埋场渗滤液的治理和矿山废水的处理中也展现了很大的优势。特别是在金属矿山酸性废水的治理中，PRB技术正处在实验研究的火热阶段。21七 结语与展望 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。研究表明，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技术较传统的抽取修复方法更加的高效、经济，比较符合我国的经济形。 我国是水资源非常短缺的国家,人均水资源占有量只是世界平均水平的1/4,然而,超过50%的城市地下水受到污染我国地下水污染治理形势不容乐观,有关地下水污