PRB概念

可(kě)滲透反應牆(permeable reactive barrier，PRB)(圖1)是近年(nián)來(lái)新興起來(lái)的用于原位去(qù)除地下水及土(tǔ)壤中污染組分(fēn)的方法。美國(guó)環保署(USEPA)1998年(nián)發行的《污染物修複的PRB技術(shù)》手冊将PRB定義爲：在地下安置活性材料牆體(tǐ)以便攔截污染羽狀體(tǐ)，使污染羽狀體(tǐ)通過反應介質後，其污染物能轉化爲環境接受的另一種形式，從(cóng)而實現使污染物濃度達到環境标準的目标。

圖1可(kě)滲透反應牆技術(shù)

PRB技術(shù)原理(lǐ)

實際上，污染組分(fēn)是通過天然或人(rén)工的水力梯度被運送到經過精心放(fàng)置的處理(lǐ)介質中，污染物與介質發生(shēng)物理(lǐ)、化學或生(shēng)物作(zuò)用，如(rú)降解、吸附、淋濾、或者去(qù)除溶解的有機(jī)質、金屬、放(fàng)射性以及其他(tā)的污染物質，從(cóng)而得(de)到清潔的地下水。牆體(tǐ)可(kě)能包含一些反應物用于降解揮發的有機(jī)質，螯合劑用于滞留重金屬，營養及氧氣用于提高微生(shēng)物的生(shēng)物降解作(zuò)用，以及其他(tā)組分(fēn)。

PRB組成和結構

PRB主要由透水反應介質組成，通常置于地下水污染羽狀體(tǐ)的下遊，與地下水流相(xiàng)垂直(圖 2)。

圖 2 PRB系統示意圖

根據其結構形式，PRB主要分(fēn)爲2類:連續牆式PRB(圖3A)、隔水漏鬥-導水門(mén)式PRB(圖3B)。

連續牆式PRB。當地下水污染羽狀體(tǐ)影(yǐng)響範圍較小時，将可(kě)滲透反應牆體(tǐ)放(fàng)置于垂直于污染羽狀體(tǐ)遷移途徑的位置，牆體(tǐ)的寬度及高度要保證整個污染羽狀體(tǐ)都(dōu)能通過，牆體(tǐ)的厚度必須保證污染物通過活性材料處理(lǐ)後其濃度能達到規定的環境标準。連續牆式PRB結構比較簡單,且不改變地下水的自(zì)然流向。

圖3 PRB結構類型

隔水漏鬥-導水門(mén)式PRB。由隔水漏鬥、導水門(mén)及活性材料組成，用于潛水埋藏淺的大(dà)型地下水污染羽狀體(tǐ)。隔水漏鬥由封閉的片樁或泥漿牆組成，并嵌入到隔水層中，引導或彙集地下水流進入導水門(mén)，通過活性材料進行處理(lǐ)。隔水漏鬥嵌入到隔水層中，以防止污染羽狀體(tǐ)通過滲流進入下遊未污染區。在設計(jì)時，要充分(fēn)考慮污染羽狀體(tǐ)的規模流向以便确定隔水漏鬥與導水門(mén)的傾角，使污染羽狀體(tǐ)不至于從(cóng)旁邊迂回流出。

在一些情況下，污染地下水羽位于含水層的上部，如(rú)污染源爲包氣帶中的LNAPL(light non-aqueous phase liquids)或揮發性液體(tǐ)，那麽系統隻需截斷羽體(tǐ)即可(kě)。但(dàn)是在另一些情況下，如(rú)果污染地下水羽穿透整個含水層，諸如(rú)DNAPL(dense non-aqueous phase liquids)污染情形，那麽原位反應牆和漏鬥-通道系統也必須穿過該含水層。在一些特殊情況，DNAPL穿過含水層，進入粘土(tǔ)層。由于粘土(tǔ)中發育很多裂隙，使得(de)DNAPL穿過粘土(tǔ)層，繼續向下遷移。采用垂直反應牆就(jiù)無法截斷污染源羽流，使得(de)垂直反應牆失效。因此，針對這種情況，采用所謂的水平牆就(jiù)顯得(de)更加有效。如(rú)圖4所示，在污染羽流前端，裂隙粘土(tǔ)層中，采用水壓緻裂法，修建一水平方向的可(kě)滲透反應牆，通過該反應牆的滞留、降解、吸附等過程以達到治理(lǐ)污染的目的。

圖4典型的垂直可(kě)滲透反應牆系統

PRB反應介質（活性材料）

PRB 活性材料選取PRB反應材料要适合地下環境，在反應材料和污染物反應時，不會發生(shēng)有害化學反應或産生(shēng)副産品;反應材料在反應中穩定，不易溶解或消耗;選擇的材料不應有過小的粒徑，以防止地下水流有過長的水力停留時間，也不應由不同粒徑的顆粒組成，以防止堵塞粒間空隙;其滲透系數要是含水層滲透系數的2倍以上甚至更多，在含水層滲透系數較好的地區，如(rú)果活性材料的滲透系數與含水層滲透系數的比值過高，會影(yǐng)響到活性材料的穩定性;在含水層滲透系數較差的地區，如(rú)果活性材料的滲透系數與含水層滲透系數的比值過低，則由于反應後的沉澱物又富集在反應牆的表面，又可(kě)造成地下水的滞留現象。

反應材料最常見(jiàn)的是零價鐵，因其能有效吸附和降解多種重金屬和有機(jī)物(如(rú)PCE和DCE)，容易取材、價格便宜，得(de)到了廣泛的重視和實際運用。其他(tā)還(hái)有活性炭、沸石、石灰石、離(lí)子交換樹(shù)脂、鐵的氧化物和氫氧化物、磷酸鹽以及有機(jī)材料(城(chéng)市堆肥、木屑)等。實驗證明，反應材料對地下水中COD及氨氮有明顯的去(qù)除效果，陶土(tǔ)和粉煤灰對COD的去(qù)除效果最好，活性炭對COD的去(qù)除效果穩定，沸石對氨氮的去(qù)除效果最好，去(qù)除率可(kě)持續達到90% 以上，粉煤灰和陶土(tǔ)對氨氮的去(qù)除率持續保持在 30%～50%，活性炭對氨氮的去(qù)除效果最差。在實際修複過程中，可(kě)将各種反應材料按比例混合，去(qù)除效果會更好。

PRB優缺點

相(xiàng)對于傳統方法，PRB法具有持續原位處理(lǐ)污染物(5～10a)、處理(lǐ)多種污染物(如(rú)重金屬、有機(jī)物等)、擾動小、處理(lǐ)效果好、安裝施工方便、性價比相(xiàng)對較高等優點。

PRB技術(shù)也有一定技術(shù)限制，如(rú)地下反應牆介質容量有限，不可(kě)能無限制地對污染物進行去(qù)除，所以需要定期的更換活性物質，以保證處理(lǐ)效率。而更換下來(lái)的活性材料需作(zuò)爲有害廢棄物加以處置。對于高濃度的污染物，也需要考慮污染物的去(qù)除能量和容量，有時會縮短(duǎn)PRB的使用壽命。此外，反應介質中的作(zuò)用有可(kě)能導緻物質的沉澱，使地下水在反應牆和其附近的流場發生(shēng)變化，反應介質的堵塞可(kě)以導緻PRB的失效。

應用實例

目前，在歐美一些發達國(guó)家，已對其進行了大(dà)量的試驗及工程技術(shù)研究，并已開始投入商業應用，取得(de)了不錯的效果，從(cóng)1982年(nián)至今，歐美國(guó)家已經建立了120座以上的PRB，而在我國(guó)仍處于實驗摸索階段。1996年(nián)在美國(guó)Elizabeth地區的東南(nán)部安裝了一個連續牆式Fe⁰-PRB，污染羽狀體(tǐ)中含有較高濃度的鉻(>10mg/L)及一部分(fēn)TCE(>19mg/L)、DCE等有機(jī)物，污染羽狀體(tǐ)經過反應牆的連續反應，其中鉻的濃度小于0.01mg/L，TCE、DCE等有機(jī)物的濃度也達到了相(xiàng)應的标準。吉林大(dà)學通過實驗模拟裝置成功去(qù)除地下水中的部分(fēn)金屬和有機(jī)物。

結語

我國(guó)是一個以農業爲基礎，以工業爲發展驅動的發展中國(guó)家，農藥以及工業廢水對于土(tǔ)壤和地下水的污染相(xiàng)當嚴重。土(tǔ)壤以及地下水中的污染物包括氯代烴、有機(jī)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(fēn)散。采用PRB技術(shù)較傳統的修複方法更加的高效、經濟，比較符合我國(guó)的經濟形勢。而在今後的幾年(nián)中，若是該技術(shù)廣泛使用，則必須在現有基礎上深入研究其處理(lǐ)機(jī)理(lǐ)，在改善現有弊端的基礎上，發展更加合理(lǐ)的處理(lǐ)介質，以便在更加廣泛的水文地質條件(jiàn)下使用，處理(lǐ)盡量多的地下水污染物。可(kě)以預見(jiàn)，随着研究的不斷深入，PRB技術(shù)必将在我國(guó)地下水的污染處理(lǐ)舞台上大(dà)放(fàng)異彩。