摘要：為促進(jìn)PRB技術(shù)在國(guó)內(nèi)的研究和發(fā)展，本文對(duì)PRB技術(shù)原理、結(jié)構(gòu)類(lèi)型及優(yōu)缺點(diǎn)、應(yīng)用材料及其原理、設(shè)計(jì)方案等進(jìn)行闡述，為我國(guó)PRB技術(shù)的研究提供一些參考。

關(guān)鍵詞：可滲透反應(yīng)墻;PRB;地下水修復(fù)

中圖分類(lèi)號(hào)：X3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-672X（2019）08-00-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2019.08.050

Review of permeable reactive wall （PRB） technology

Mei Ting

（Wuhan Zhihuiyuan Environmental Protection Technology Co.，Ltd.，Wuhan Hubei 430079，China）

Abstract：In order to promote the research and development of PRB technology in China， this paper expounds the PRB technology principle， structure type and advantages and disadvantages， applied materials and their principles and design schemes， and provides some references for the research of PRB technology in China.

Key words：Permeable reaction wall;PRB;Groundwater remediation

有色金屬礦山開(kāi)采產(chǎn)生大量礦山酸性水和重金屬污染，尾礦中金屬硫化物氧化所釋放出金屬元素，形成重金屬酸水污染暈，危及礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)和尾礦壩體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[1]，所以有必要找到一種可以有效處理礦山酸性廢水的技術(shù)方法。

1982年由美國(guó)環(huán)保局提出可滲透反應(yīng)墻技術(shù)，20世紀(jì)90年代初期得到了深入的研究，該項(xiàng)技術(shù)具有經(jīng)濟(jì)、便捷、處理效果好等優(yōu)點(diǎn)[2]。

1 PRB的概念及基本原理

PRB技術(shù)的原理是在地下水流方向上填充活性材料，利用天然地下水力梯度使污染地下水優(yōu)先通過(guò)滲透系數(shù)大于周?chē)鷰r土體的透水格柵并與填充在內(nèi)的活性反應(yīng)介質(zhì)相接觸反應(yīng)達(dá)到去除污染物的目的[3]。

2 介質(zhì)材料

2.1 還原型材料

2.1.1 零價(jià)鐵

Fe0可為鹵代烴提供電子，還原鹵代烴生成揮發(fā)性氣體乙烷和可溶性氯化物。Fe0也可將鉻酸根（CrO42–）還原六價(jià)鉻至三價(jià)鉻化合物沉淀。

1996年6月，美國(guó)北卡羅來(lái)納州伊麗莎白城鉻污染非常嚴(yán)重，研究人員使用450t鐵屑進(jìn)行充填安裝了一個(gè)連續(xù)PRB使地下水通過(guò)后，上游鉻的濃度由10mg/L降為0.01mg/L，污染的地下水成功被修復(fù)。鐵（Ⅱ）礦物也可還原重金屬離子等無(wú)機(jī)離子以單質(zhì)或難溶性化合物沉淀去除;也可還原脫除鹵素。

2.1.2 雙金屬

雙金屬是指在一種金屬的表面上鍍上第二種金屬，采用具有活性差的金屬作為PRB介質(zhì)材料，用于處理地下水中的鹵代烴等。Grittini等[7]研究證明鉛/鐵雙金屬系統(tǒng)可降解十分難降解的多氯聯(lián)苯。另有國(guó)外學(xué)者研究了鉛/鐵雙金屬系統(tǒng)，研究表明鐵表面的鉛加速脫氯過(guò)程，反應(yīng)速率可以比Fe0系統(tǒng)大10倍。隨著反應(yīng)進(jìn)行，鐵氧化膜降低催化劑鈀的催化效率。

2.2 沉淀型材料

2.2.1 改性赤泥

改性赤泥含有鐵鋁的水合物、方鈉石、氫氧化鈣等堿性材料，pH值8.0～10.5，對(duì)多數(shù)金屬離子有較好的沉淀作用。孫道興等將赤泥經(jīng)強(qiáng)堿浸出氧化鋁后，控制變量攪拌1h，靜置2h后研究對(duì)Pb2+、Cd2+、Cr3+等離子去除效果，在添加量為20g/L時(shí)，鉛、鉻、鎘的吸附率分別達(dá)到了90%、94%、85%以上，離子初始質(zhì)量濃度越大，吸附率越小。還有國(guó)內(nèi)學(xué)者研究了采用焙燒和鹽水焙燒得到兩種赤泥，擁有更能提高酸性水pH值的能力，金屬離子去除能力更強(qiáng)，鹽水焙燒聯(lián)合改性方法使得處理效果更穩(wěn)定。

2.2.2 石灰石

石灰石與廢水中氫離子反應(yīng)，使得廢水的pH升高。金屬離子（Me）與OH-發(fā)生反應(yīng)生成氫氧化物沉淀。但是如果地下水中硫酸鹽的濃度較高是則不宜大量使用石灰石，因?yàn)樯傻牧蛩徕}會(huì)覆蓋在石灰石表面，導(dǎo)致石灰石失效。

2.2.3 煉鋼爐渣

爐渣含有鐵、鈣、鎂、鋁元素的氧化物、硅酸鹽以及硫和其他微量元素，同時(shí)其含有的石灰成分和硅鋁酸鹽可以作為緩沖劑使得地下水pH值升高到12～13，F(xiàn)ranklin Obiri-Nyarko等[4]在室內(nèi)試驗(yàn)使用煉鋼爐渣進(jìn)行試驗(yàn)，研究表明可以被用來(lái)處理地下水中的一些污染物。除此之外還使用過(guò)亞硫酸氫鈉、硅鋁酸鹽、羥基磷灰石等沉淀型材料。

2.3 吸附型材料

2.3.1 活性炭

活性炭本身是一種很強(qiáng)的有機(jī)物吸附劑，對(duì)大分子的芳香烴、小分子腐殖質(zhì)等有很高的吸附去除率。

李莉等通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)零價(jià)鐵和活性炭質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為40%、30%時(shí)，對(duì)六價(jià)鉻的還原能力最強(qiáng)，除污效果非常明顯。還有國(guó)內(nèi)學(xué)者利用ORC（釋氧化合物）、GAC（活性碳顆粒）和Fe0聯(lián)合起來(lái)使用。該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于能使溫度、壓力和二氧化碳的濃度保持一定的穩(wěn)定性，不易形成沉淀，可防止“生物堵塞”。

2.3.2 沸石

沸石是一種鋁硅酸鹽礦物，沸石表面孔隙結(jié)構(gòu)允許用于選擇性吸附污染物，但不適合吸附有機(jī)化合物。

A.Z.WOINARSKI等人在南極洲重金屬污染水域發(fā)現(xiàn)具有Cu2+交換特性的天然斜發(fā)沸石在2～22℃可促進(jìn)PRB修復(fù)重金屬。根據(jù)一維質(zhì)量轉(zhuǎn)換模型的非平衡吸附Cu2+固定床反應(yīng)流顯示，質(zhì)量轉(zhuǎn)換與流量無(wú)關(guān)，但傳質(zhì)系數(shù)隨流速增加而增大。在相同的批試驗(yàn)中固定床內(nèi)斜發(fā)沸石容量約為固定床的50%，傳質(zhì)系數(shù)在2～8倍之間。低溫下固定床性能明顯降低，在2℃時(shí)，其突破點(diǎn)和飽和容量比28℃要小60%～65%，低溫對(duì)天然沸石處理重金屬產(chǎn)生不利影響。

2.4 降解型材料

2.4.1 厭氧型生物降解材料

生物反應(yīng)墻主要采用覆蓋堆肥的方法將固態(tài)有機(jī)質(zhì)混合堆放使之發(fā)酵培育厭氧微生物還原處理污染物，達(dá)到降解污染物的目的。樹(shù)葉、木材廢料和堆肥等廉價(jià)材料已經(jīng)被用于從地下水中去除硝酸鹽。Robertson等研究了沙粒和木屑混合物對(duì)硝酸鹽的長(zhǎng)期去除率。

2.4.2 曝氣型生物降解材料

CaO2、MgO2等固體氧和硝酸鹽釋放化合物（ORC）在地下釋放氧氣或形成有氧活躍帶。曾有國(guó)外學(xué)者利用水泥浸漬ORC作為氧的來(lái)源來(lái)去除苯和甲苯。Mackay 等人還在范登堡空軍基地和惠尼梅港海軍建設(shè)營(yíng)中心兩個(gè)地點(diǎn)對(duì)使用PRB的甲基叔丁基醚（MTBE）原位有氧生物處理進(jìn)行評(píng)估。研究結(jié)果表明，引入氧氣刺激兩個(gè)位點(diǎn)的微生物，可使MTBE完全降解。

3 PRB的設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)原則

墻體滲透系數(shù)應(yīng)大于含水層的滲透系數(shù)，以最大限度降低對(duì)地下水流場(chǎng)的影響;根據(jù)污染物類(lèi)型，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)確定合適的介質(zhì)材料、墻體規(guī)模和方位，以保證修復(fù)效果;設(shè)置監(jiān)測(cè)井監(jiān)控PRB的性能，保證其長(zhǎng)期安全運(yùn)行和降低當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的不良影響。

3.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

PRB主要的設(shè)計(jì)參數(shù)包括PRB安裝位置的選擇、結(jié)構(gòu)的選擇、埋深、規(guī)模、水力停留時(shí)間、方位、反應(yīng)墻的滲透系數(shù)、活性材料的選擇及其配比。根據(jù)這些參數(shù)計(jì)算確定PRB的結(jié)構(gòu)、安裝位置、方位及尺寸、使用期限、監(jiān)測(cè)方案，并估算總投資費(fèi)用。

4 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性

同其他地下水修復(fù)技術(shù)相比，PRB技術(shù)具有效率高、造價(jià)低的特點(diǎn)。根據(jù)污染物種類(lèi)、介質(zhì)材料、設(shè)計(jì)規(guī)模和使用壽命不同，造價(jià)一般在幾萬(wàn)到幾百萬(wàn)美元不等。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）主要介質(zhì)材料的選取和試驗(yàn)分析其效果、影響因素、配比等研究仍處于初級(jí)階段，研究經(jīng)費(fèi)占比較低。目前研究多為參考國(guó)外案例經(jīng)驗(yàn)為主，缺乏材料的自主研發(fā)。

（2）目前研究仍大范圍局限于室內(nèi)試驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)案例仍然較少，同時(shí)缺乏對(duì)前期場(chǎng)地的調(diào)研和PRB技術(shù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的經(jīng)驗(yàn)，缺少現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)和同步研究，還應(yīng)考慮前期勘察、結(jié)構(gòu)、運(yùn)行監(jiān)測(cè)等方面的因素。

（3）環(huán)境修復(fù)成本較高，PRB技術(shù)研發(fā)缺乏相應(yīng)的融資途徑和資金來(lái)源。目前亟待解決技術(shù)研發(fā)的資金成本問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)

[1]束善治，袁勇.污染地下水原位處理方法：可滲透反應(yīng)墻[J].環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備，2002（01）：47-51.

[2]Franz-Georg Simon， Tamás Meggyes， Removal of organic and inorganic pollutants from groundwater using permeable reactive barriers[J].Land Contamination & Reclamation， Vol.8，Issue2，103-116（2000）.

[3]USEPA. Washington， DC： EPA， 1998.

[4]Franklin Obiri-Nyarko， S，etal.An overview of permeable reactive barriers for in situ sustainable groundwater remediation[J].Chemosphere， 2014（111）：243-259.

收稿日期：2019-03-21

作者簡(jiǎn)介：梅婷（1992-），女，漢族，碩士，技術(shù)員，研究方向?yàn)榄h(huán)境修復(fù)、環(huán)境調(diào)查與評(píng)估、環(huán)境規(guī)劃等。