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1、污染地下水原位处理方法: 可渗透反应墙X束善治 袁 勇( 同济大学土木工程学院, 上海 200092)摘 要 可渗透反应墙法是 20 世纪 90 年代新兴的一种地下水污染原位处理方法, 该方法目前在欧美已开始进入广泛的工程应用阶段。该方法与早期的一些处理方法相比, 具有能持续原位处理、 处理组分多、 价格相对便宜等特点。本文 系统介绍了该处理方法的基本原理、 系统的结构构造和类型、 处理机理和反应材料以及设计与施工等, 为在我国开展该方 法的研究和应用打下基础。 关键词 地下水 污染处理方法 可渗漏反应墙In situ remediation of contaminated ground wa
2、ter: permeable reactive barrierShu Shanzhi Yuan Yong ( Civil Engineering College, Tongji University, Shanghai 200092)Abstract Permeable reactive barrier is an approach developed recently to in situ remedy the contam- i nants of underground water system, it has widely been used in practical projects
3、in America and Europe. The approach, compared to the earlier method, is characteristic with in situ remediation, good long -term perfor - mance, many remediable contaminants and low costs. Remediation mechanism and the reactive materials, and design and construction of the system are introduced and
4、analyzed in the paper to initiate a pilot study of the approach in China. Key words underground water; contamination remediation approaches; permeable reactive barrier1 引 言地下水资源的保护和污染地下水及土地资源的治理, 目前在环境、 水资源及岩土工程等相关领域日益受到重视。传统的地下水处理主要采用所谓的抽 出处理( pump -and -treat) 的方法, 该方法能有效地将污染区限制在抽出井上游。但是其作为一种长期的地下
5、水处理方法, 具有下列缺点 1: 该方法只能 限制污染的进一步扩散, 不能够现场就地修复, 特别是当非水相液体( non -aqueous phase liquids, NAPLs)出现时, 由于毛细张力而滞留的 NAPL 几乎不太可能通过泵抽的办法清除; 如果污染源不采取其他 的办法将其封闭, 当停止泵抽时, 在许多情况下溶解的污染区又会形成, 这就意味着为了阻止污染区的进一步扩大, 泵抽处理系统必须持续很长时间, 经常要求几十年或几百年; 泵抽抽出方法要求持续的 能量供给, 以确保地下水的抽出以及水处理系统的运行, 同时还要求对系统进行定期的维护与监测, 这样就使得该方法处理污染地下水非常
6、昂贵; 地下水的抽出和处理浪费了宝贵的地下水资源。另外, 在垃圾处理方面, 经常采用的方法是在垃圾场四周修建所谓的不可渗透垂直墙法, 如灌浆帷幕, 来阻止被污染的地下水的水平迁移。尽管已经证明在一些 实例中, 污染组分可以被滞留或吸附在粘土墙中, 但该方法主要还是仅仅限制污染水的迁移, 而不是从根本上清除污染组分。可渗透反应墙( permeable reactive barrier, PRB) 是目前在欧美等发达国家新兴起来的用于原位去除污染水中污染组分的方法。早在 1982 年, 采用可渗透反应墙处理污染水中的污染组分的思想就由美国X本文受国家自然科学基金资助( 批准号: 40002023)
7、第 3 卷第 1 期环境污染治理技术与设备Vol. 3, No. 1 2 00 2 年 1 月Techniques and Equipment for Environmental Pollution ControlJan . , 2 0 0 2环保局发行的环境处理手册上的图示反映出来, 但是整个 20 世纪 80 年代, 如此全新的地下水处理技 术并没有得到进一步发展。1989 年, 加拿大滑铁卢大学更清楚地认识到该方法的潜能, 并对其进行了进一步开发。从那以后, 他们通过大量的试验, 最后在加拿大安大略省的保登( Borden) 成功地进行了该 方法原位处理污染地下水的现场演示。目前, 在欧
8、美等国, 已进行了大量该方法的工程研究及试验研究, 并已开始商业应用。现在有关可渗透反应墙处理污染地下水的研究 主要集中在如下几个方面: 存在于介质及含水层中的各种过程, 如水力过程、 地球化学过程等等; 合适的墙体反应材料; 系统的设计与施工; 长期 处理的有效性; 多种污染物混合情况下的处理; 系统施工与检测的标准。尽管有关 PRB 还存在着许多问题需要进一步研究, 但是如果用 PRB 方法取代传统的抽出处理法, 经济上的节省潜能是显著的, 一般应在 30% 以上。本文系统介绍有关原位可渗透反应墙方法处理污染地下水以及国外在此领域研究的最新进展。2 基本原理按照美国环保局的定义2, 可渗透
9、反应墙是一个被动的反应材料的原位处理区, 这些反应材料能 够降解和滞留流经该墙体地下水的污染组分, 从而达到治理污染组分的目的。实际上, 污染组分是通过天然或人工的水力梯度被运送到经过精心放置的 处理介质中, 经过介质的降解、 吸附、 淋滤、 或者去除溶解的有机质、 金属、 放射性以及其他的污染物质。墙体可能包含一些反应物用于降解挥发的有机质,螯合剂用于滞留重金属, 营养及氧气用于提高微生 物的生物降解作用, 以及其他组分。3 可渗透反应墙系统结构及类型图 1 所示为一典型的可渗透反应墙系统的剖面 图。从污染源释放出来的污染物质在向下游渗流过程中, 溶解于水形成一个污染地下水羽。这种污染地下水
10、羽流经反应墙, 通过物理、 化学及生物过程, 得到处理。通常意义上所说的可渗透反应墙实际上包括两种类型, 连续反应墙和漏斗- 通道系统。连续反应墙经常也直接被说成原位反应墙, 就是在污染区的下游修建一个连续的反应墙, 该墙能够控制 整个污染羽流( 如图 2a 所示) 。为了成功地处理一个污染羽, 原位反应墙必须足够大以确保整个羽体都通过反应墙。如果羽体很宽或延伸很深, 那么所 需要的反应墙的尺寸就很大, 从而使原位反应墙技术变成不现实。为了解决上述问题, 采用低渗透性的隔断墙来引导地下水流, 从而可以采用更小的原位反应器代替原位反应墙来处理污染羽流( 见图 2b) , 这种原位反应器与隔墙的组
11、合被形象地称为漏斗- 通道系统( funne- l and -gate system) 。加拿大滑铁卢大学已于 1992 年在世界上许多国家申请了这种可渗透反应墙的漏斗- 通道系统的专利。图 1 典型的可渗透反应墙系统的剖面图图 2 两种不同的可渗透墙系统( a. 连续反应墙;b. 漏斗- 通道系统)根据原位反应器的多少, 漏斗- 通道系统又可以分为单通道系统和多通道系统( 图 3) 。多通道又有并连多通道和串连多通道两类。并连多通道主要 处理宽污染地下水羽的情况; 对于不同类型污染物混合情况下的地下水处理, 经常需要不同种类的原位反应器, 这时一般采用串连多通道系统。48环 境 污 染 治
12、理 技 术 与 设 备3 卷图 3 漏斗- 通道系统类型( a. 单通道系统 ; b. 多通道系统)图 4 典型的垂直可渗透反应墙系统在一些情况下, 污染地下水羽位于含水层的上部, 如污染源为包气带中的 LNAPL( light non -aque -ous phase liquids) 或挥发性液体, 那么系统只需截断羽体即可。但是在另一些情况下, 如果污染地下水羽穿透整个含水层, 诸如 DNAPL( dense non -aqueousphase liquids) 污染情形, 那么原位反应墙和漏斗-通道系统也必须穿过该含水层。在一些特殊情况,DNAPL 穿过含水层, 进入粘土层。由于粘土中
13、发育很多裂隙, 使得 DNAPL 穿过粘土层, 继续向下迁 移。采用垂直反应墙就无法截断污染源羽流, 使得垂直反应墙失效。因此, 针对这种情况, 采用所谓的水平墙就显得更加有效。如图 4 所示, 在污染羽流前端, 裂隙粘土层中, 采用水压致裂法, 修建一水平 方向的可渗透反应墙, 通过该反应墙的滞留、 降解、吸附等过程以达到治理污染的目的。4 处理机理及反应材料无论是连续反应墙还是漏斗- 通道系统, 都需要在其墙体或反应器中加入一定的反应材料, 用来清除经过的污染地下水中的污染组分。反应材料的 选择是可渗透反应墙设计和研究的重要内容。Blowes 等研究指出: 为了确保系统的有效, 反应材料必
14、须满足三个基本条件: 当污染地下水流经反应墙或反应器时, 污染组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; 处理区的反应材料应能大量获得, 以确保处理系统能长期有效地发挥功 用; 反应材料不应产生二次污染3。对反应材料的总体要求可概括成有效、 经济和安全。从反应材料去除污染组分的机理上来看, Starr 和 Cherry 总结出五种不同的反应器4。第一种主要通过改变 地下环境的 pH 值, 这种改变将影响对污染物中 pH值或氧化还原电位敏感的组分的溶解度以及衰减反应的速率。如: 铬在氧化条件下的溶解度要大于还 原条件下溶解度, 这样就
15、可以通过产生还原环境的办法使铬在反应材料中析出; 一些种类的有机物, 如从汽油中提炼的芳香烃, 在好氧条件下比在厌氧条件下更容易生物衰减, 因此可以通过改变氧化还原 条件来增加这些有机化合物的生物衰减速度,Shields和 Reagin 在文献中较详细介绍了细菌在有氧条件下降解三氯乙烯和其他氯代烃的过程5。因此可以对含水层进行人为通风, 在反应器或反应 墙内加入这些微生物达到去除污染组分的目的。第二种主要是通过土中矿物颗粒的溶解和沉淀析出作用, 达 到 处 理 污 染 组 分 的 目 的。例 如 Xu 和 Schwartz介绍了一种采用羟磷灰石( 磷酸钙) 作为反应材料的反应器, 羟磷灰石的溶
16、解导致磷酸根离子浓度增大, 磷酸根离子与铅结合形成磷酸铅颗粒并在水中析出, 从而达到去除污染成分铅的目的6。 第三种反应器的处理机理是吸附。如通过活性炭的491期束善治等: 污染地下水原位处理方法: 可渗透反应墙吸附作用去除憎水性的有机组分, 采用沸石或合成的离子交换树脂去除地下水中的离子型污染组分。 需要指出的是, 吸附是一个可逆过程, 因此有必要定期对吸附材料进行更新。Burris 和 Antworth 介绍了一种技术, 采用注入阳离子表面活性剂到地下水中, 表面活性剂分子的离子端被吸附到矿物颗粒表 面, 而有机成分被吸附到表面活性剂分子的非离子端。采用这种技术增大有孔介质对憎水性有机质的吸附能力7。第四种反应器采用为微生物的降解作用提供养料的办法。在自然环境下微生物的生长 及其新陈代谢总是受电子给体( electron donors) 、 电子受体( electron acceptors) 和其他养料的限制。对于污染地下水环境而言, 由于污染地下水一般有机 组分含量较大, 可以作为微生物活动电子给体, 因此
