可渗透反应墙修复受污染地下水的研究进展

可渗透反应墙修复受污染地下水的研究进展

0地下水污染治理现状目前，中国有7亿人使用地下水，主要是地下水，其他城市也使用地下水和地表水进行联合供应。根据我国130个城市和地区地下水水质统计分析,全国大多数城市地下水受到一定程度的污染且呈上升趋势。浅层地下水污染迫使许多地区大量开发深层地下水,易导致地面沉降、海水入侵等地质灾害。且由于地下水对污染源的敏感性、脆弱性及其与土地污染的相关性,地下含水层特别是深部含水层一旦受到污染,治理修复相当困难,不仅经济投入大,而且技术难度高,风险大,治理周期长。我国目前在地下水污染调查及水污染物迁移转化模式方面的研究有很大进展,但在地下水污染治理技术方面研究不多,特别是一些新兴的地下水修复技术,如可渗透反应墙(PermeableReactiveBarrier,PRB)技术,仍处于技术开发及推广阶段。而在国外,尤其是欧美国家,自20世纪70年代以来,在地下水污染修复方面取得了很大的进展。因此,研究地下水修复技术,结合我国国情,引进并创新地下水修复技术是十分有意义的工作。1prb系统水质污染原位修复技术根据处理方式的不同地下水污染修复技术可分为异位修复和原位修复两种。常见原位修复技术有可渗透反应墙、空气曝气、井内曝气、生物曝气和多相抽提等。PRB技术是近年来迅速发展的一种有效的地下水污染原位修复技术。PRB技术不需要外力装置,且活性介质反应速率很慢,可长期发挥修复作用,对生态环境扰动较小,除一次性投资较大和长期监测外,几乎不需要任何费用。因而PRB正逐步取代运行成本高的抽出处理技术,成为最具发展潜力的地下水污染原位修复技术。从1982年至今,欧美国家已经建立了120座以上的PRB。美国环保局(USEPA)定义:PRB技术在广义上来讲,是一种在原位对污染物羽状体进行拦截、阻断和补救的污染处理技术。如图1所示,PRB系统主要由透水的活性反应介质组成,通常置于污染物羽流的下游,与地下水流相垂直。污染物羽流在水力梯度作用下通过反应墙时,水中污染物与活性反应介质产生沉淀、吸附、氧化还原和生物降解反应等,使水中污染物转化为环境可接受的形式。PRB修复机理分为生物和非生物两种,主要包括吸附、沉淀、氧化还原和生物降解,因此PRB按反应性质可分为吸附反应墙、沉淀反应墙、氧化还原反应墙以及生物降解反应墙。目前主要集中于氧化还原反应墙和生物降解反应墙的研究,而对于化学沉淀反应墙和吸附反应墙的研究较少,且大部分集中于零价铁、纳米零价铁、Fe(Ⅱ)矿物、双金属体系及零价铁和超声波工艺组合的研究。2prb结构形式USEPA于2002年对欧美国家的62处PRB进行了统计,其中连续反应墙式结构有29处,漏斗-导水门式结构有26处(见图2)。可见目前国际上所使用的PRB根据结构形式上的差异主要有两种——连续反应墙式和漏斗-导水门式。根据地下水位的深浅,PRB可分为连续反应墙式、漏斗-导水门式和灌注处理带式。此外,也有学者将PRB分为4种类型——装填式、连续墙式、隔水漏斗-导水门式、隔水漏斗-导水门与沉箱联合布置式,使PRB的结构更加细化。2.1接枝层+未充放电网连续反应墙式结构如图3(a)所示,是指在污染羽流的下游区域,设置活性反应墙并尽可能垂直于羽状流迁移途径,以切断整个污染羽状流,保证污染区域内的地下水得到修复。其优点很明显:对地下水流场干扰小;结构简单,易于设计;施工容易。缺点在于只适合含水层埋藏浅且污染物羽流规模较小的情况。如果含水层厚度或污染区域比较大,那么连续反应墙的面积会很大,工程成本将大幅度增加,这就限制了连续反应墙的现场应用。2.2从地面采出液出的深度和断面方式分为了弥补连续墙式结构在处理大型地下水污染羽状体上的不足,提出了隔水漏斗-导水门式结构,见图3(b)。该系统主要由隔水漏斗、导水门及处理单元(活性材料)组成。隔水漏斗嵌入到隔水层中一定深度,以防止污染羽状体渗流进入下游未污染区。隔水漏斗由低渗透性的板桩或泥浆墙组成,引导或汇集地下水流进入导水门,再通过导水门的渗透反应介质进行修复。其优点是所需反应材料较少,工程费用低,适用于潜水埋藏浅的大型地下水污染羽状体。此外,这种结构能更好地控制反应单元的安装和羽状体的截获。例如,当地下水流过的场地是非均质时,能允许反应单元被安置在含水层中渗透性较好的地方。在污染物分布不均的条件下,能更好地将进入反应单元的污染物浓度均匀化;在有较宽的羽状体和较大地下水流速的地方(尤其是当每个反应单元或导水门尺寸的安装受到限制时),采有多沉箱隔水漏斗-导水门系统能够保证足够的停留时间。缺点是严重干扰了地下水流场。根据地下水污染物性质和分布特征,漏斗-导水门式系统可分为单处理单元系统和多处理单元系统。多处理单元系统又可为串联系统和并联系统。当污染羽状流很宽时,可采用并联多处理单元系统;而当污染组分复杂多样时,可采用串联多处理单元系统。根据不同污染组分,串联系统中每个处理单元可填充不同的活性材料。以上两种结构只适合污染地下水的水位很浅的情况;对于水位较深的情况,则可采用灌注处理带式PRB技术。3prb的设计3.1prb生命周期PRB系统的设计施工比较复杂,加上PRB修复污染物的过程涉及物理、化学、生物等多学科领域,因此,在设计PRB时需要综合考虑很多因素。只有经过前期可行性调研、水文地质勘察,获得一些参数后才能进行设计。参数主要包括:污染物特征如非饱和土壤和含水层污染物的种类、浓度、三维空间分布、迁移方式及转化条件;当地的地理地质概况和水文气象、地下水的埋深、各运动要素、季节性变化;含水层的厚度及其渗透系数、孔隙度、颗粒粒径和级配、地下水的地球化学特性(如pH值、Eh、DO、温度、电导率,Ca2+、Mg2+、NO-3、SO4+等离子的含量等);现场微生物活性和群落;现场施工环境条件、对周围环境的影响;治理周期、效益、成本、监测;工程项目的经费。完成后的PRB的生命周期应满足以下要求:1)反应墙的渗透系数应大于含水层的渗透系数,以最大限度降低对地下水流场的影响;2)根据污染物类型和分布状况,通过室内试验,选择适合的介质材料、墙体规模和方位,以保证修复效果;3)设置必要的监测井,以监控PRB的性能,保证其长期安全运行和降低当地生态环境的不良影响;4)尽可能做到安全、经济、技术及环保的最大优化。3.2prb的设置、安装和水动力学在活性重一般情况下,在提出PRB设计方案之前,需要调研污染物特征和测定现场水文地质条件参数,然后在试验室进行批量试验和圆柱试验,确定活性反应介质并测试其修复效果和反应动力学参数,建立水动力学模型。根据这些参数计算确定PRB的结构、安装位置、方位及尺寸、使用期限、监测方案,并估算总投资费用。具体设计的基本程序见图4。3.3渗透系数及活性材料的选择PRB设计的内容主要包括PRB安装位置的选择、结构的选择、埋深、规模、水力停留时间、方位、反应墙的渗透系数、活性材料的选择及其配比。由于设计是建立在现场水文地质研究的基础上,而现场水文地质相关参数具有不确定性,整个设计不可能象结构工程直接进行精确计算,只能应用递次求近法,以求达到修复效果的最大化,即“不求精确计算,只求判断准确”的岩土工程设计理念。3.3.1通过执法进取,建立污染环境PRB的选址直接关系到整个工程项目的预算和修复效果,主要依靠前期可行性调研,根据污染物特征、迁移方式和转化条件,当地的水文地质概况、地下水水动力参数和地球化学特性及现场微生物活性和群落等条件综合考虑。具体步骤如下。第一步:通过土壤和地下水体取样、试验室测试研究、现有数据整理,圈定污染区域,其范围应大于污染物羽流,防止污染物随水流从PRB的两侧漏过去,建立污染物三维空间模型,然后选择计算范围,进而建立污染物浓度分布图。第二步:通过现场水文地质勘察,绘出地下水流场,了解地下水大体流向。第三步:联系地下水动力学,探讨污染物的迁移扩散方式和范围,在污染物可能扩散圈的尖处初步划定PRB的安装位置。第四步:在初定位置的可能范围进行地面调查,为便于征地和施工,在非居住区确定PRB的最终安装位置。3.3.2带水层压缩压的带水混凝土复合结构的选择PRB设计应该尽可能选用技术性能更好、经济效益更高以及更适合现有施工条件的结构类型。应根据污染物羽流的分布特征、各种结构的优缺点、含水层的埋深、施工设备、施工环境、施工队伍经验以及活性材料的供应条件等,选择经济合理、安全适用的结构类型和施工工艺。结构的选择过程中,水文地质学的研究是最关键的一步。对于比较深的承压层,采用灌注处理带式PRB比较合适;而对于浅层潜水,可采用的PRB形式多种多样。此外,还应考虑反应材料的经济成本问题,若用高成本的反应材料时,漏斗-导水门式结构更好,因为它的反应区要求的材料较少;若使用便宜的反应原料,则选用连续式渗透反应墙更好,它避免了修建漏斗-导水门式结构两边的不可渗透性墙。3.3.3非织造材料的结构参数和设计要点PRB的规模包括高度、宽度和反应墙的厚度,其规模的大小主要取决于污染物的三维空间分布和地下水特征,直接关系到整个工程项目的成本投入。在PRB的设计中,确定反应墙的厚度是至关重要的环节。反应墙的厚度(B)主要由地下水流速(v)和水力停留时间(t)来确定。B=vt(1)式中v为地下水流速,cm/s;t为修复污染物所需的反应时间,即污染物羽流在反应墙的停留时间,对于混合污染物采用修复其中污染物的最长时间,s。需注意的是,地下水流速(v)是指地下水通过反应墙的平均流速,主要由反应介质的孔隙率和含水层的渗透系数决定。在长期运行中,反应介质的孔隙率逐渐减小,因此在设计中一般采用最大流速值。此外,假如采用漏斗-导水门式结构,还应考虑隔水漏斗对地下水流速的影响,具体的影响系数还需待研究。污染物羽流在反应墙的停留时间(t)主要由污染物的半存留期(Half-life)和流入反应墙时的初始浓度决定。污染物的半存留期(t0.5)由室内圆柱试验确定。由于现场的地下水污染物浓度分布不均匀,基于工程的安全长久性考虑,设计时一般按污染物的最大浓度值计算。此外,还要考虑到温度、反应介质密度和工程安全等因素。具体的计算公式为t=nt0.5u1u2R(2)式中n为修复污染物浓度达到环境标准所需要的半存留期的次数;t0.5为半存留期,t0.5=ln2/k(k为一次反应速率);u1为温度校正因子,温度主要通过阿伦尼斯方程影响其反应速率,可取2.0～2.5,正常温度为20～25℃;u2为密度校正因子,主要影响反应介质的渗透系数,可取1.5～2.0;R为安全系数,可取2.0～3.0。需要指出,以上的校正因子和安全系数是借鉴美国的《可渗透反应墙技术》,真正运用到国内相关工程中还需更多的工程实践验证和修改。PRB的高度主要由不透水层或弱透水层的埋深和厚度决定。根据欧美国家多个PRB工程的现场经验可知,PRB的底端嵌入不透水层至少0.60m,以防止污染物羽流发生底渗作用流向下游地区。为了防止地下水溢出反应墙,加上地下水位的季节性波动,反应墙顶端的零价铁等反应介质易腐蚀,PRB的顶端需高于地下水最高水位。PRB的宽度主要由污染物羽流的尺寸决定,但考虑到地下水流向的不稳定和污染羽尺寸进一步扩大的可能,PRB的实际宽度应该适当加大,防止污染物随水流从PRB的两侧漏过去,一般是污染物羽流宽度的1.2～1.5倍,漏斗-导水门式结构同时取决于隔水漏斗与导水门的比率及导水门的数量。考虑到工程成本因素,当污染物羽流分布过大时,可采用漏斗-导水门式结构的并联方式,设计若干个导水门,以节省经济成本和减少对地下水流场的干扰。3.3.4地下水流场的季节变化一般来说,反应墙的走向垂直于地下水流向,以便最大限度截获污染物羽流。而地下水流向的确定主要依赖于现场水文地质勘察,增加了设计中的不确定因素,特别是不稳定、不均匀的地下水流场中,这种不确定因素更加突出。实际上,确定现场的地下水流向极其困难,特别是平原地区,即使了解当地的地下水大体流向,在反应墙(特别是漏斗-导水门式结构)附近也有可能发生改变,季节性降水也会影响地下水流向。因此建立精确地下水动力学模型,对于一个实用的PRB设计方案具有重大意义。此外,应充分考虑污染物羽流的规模和流向,以便确定隔水漏斗与导水门的倾角,使污染物羽流不至于从旁迂回流出。在实际工程设计中,一般根据以下两点确定反应墙的走向。1)根据长期的地下水水文资料,确定地下水流向随季节变化的规律。例如,在英国多佛海军基地PRB设计项目中,由当地水文地质资料分析得知,地下水流向随季节变化约30°。2)建立考虑时间的地下水动力学模型,根据近乎垂直原理,确定反应墙的走向。3.3.5复合介质的渗透系数在PRB的设计中,反应墙的渗透系数也是一个不可忽视的因素。在设计中要注意渗透系数和修复效果之间的优化配置,既要有好的修复效果,又要保证合理的渗透速度,尽可能减少地下水流场干扰。在渗透系数较大的含水层,如果反应介质的渗透系数远大于含水层渗透系数,势必影响到活性介质的稳定性;而在渗透系数较小的含水层,如果反应介质的渗透系数远小于含水层渗透系数,则反应产物富集沉淀在反应墙的表面,易造成反应墙的堵塞,从而出现地下水的滞留现象,缩短PRB的使用期限。然而,建立计算反应介质渗透系数的精确理论公式比较困难,因此反应介质的渗透系数与含水层渗透系数的具体倍数关系应针对现场实际情况加以试验模拟分析确定。调节反应介质的孔隙比或者密实度,以便获得最佳修复率,同时确保活性材料的长期使用。一般来说,反应墙的渗透系数是含水层渗透系数的2倍以上,对于漏斗-导水门结构甚至是10倍以上。因此,为了确保其渗透性,墙体经常设计成由滤层(砂层)、筛网和反应材料组成。4连续墙+trt-pcr反应墙的设计及效果北卡罗纳州PRB工程建于1996年6月,坐落在美国海岸警卫队供应中心(U.S.CoastGuardSupportCenter),位于伊丽莎白(Elizabeth)市东南方大约5km处。该工程建设于帕斯阔坦克(Paspuotank)河的南岸,距离帕斯阔坦克(Paspuotank)河仅60m。工程反应墙体为连续墙形式,大致呈东西走向,长46m,深7.3m,宽0.6m,墙体垂直于地下水的流向。对于反应材料的选择,设计者专门抽取了区域内的地下水进行试验。在第34号监测井中测得的TCE(三氯乙烯)和Cr6+的质量浓度分别为750μg/L和8mg/L,为了试验方便