武漢市某地塊可滲透反應墻風險管控中試效果評估與設計方案

摘 要：將武漢某地塊地下水中無機鹽（溶解性總固體、總硬度）、金屬物（鈣、鎂、砷）作為去除目標。中試選取沸石、石英砂、活性炭活性作為試驗材料。中試試驗結(jié)果表明適量石英砂可有效提高水樣在可滲透反應墻滯留時間，當沸石和活性炭質(zhì)量比為2：3時，系統(tǒng)作用時間為12小時，溶解性總固體、總硬度、鈣含量降至494 mg/L、187 mg/L、87.3 mg/L，去除效率達到最大，且達到設計目標值。依據(jù)中試結(jié)果設計地下水風險管控可行性方案。

關鍵詞：地下水;可滲透反應墻;活性材料;風險管控措施

武漢某地塊地下水水質(zhì)為：溶解性總固體4060mg/L、總硬度1650mg/L、pH7.04-12.72、砷0.0672mg/L、鈣447mg/L、鎂28.4mg/L（以上均為最大檢出值）。針對此種情況，確定在下游實施地下水原位阻隔+抽提處理工程。同時為應對突發(fā)險情，在極端天氣下，考慮到抽提處理工程運行能力可能不足，地下水存在外泄風險，因此可滲透反應墻（簡稱PRB）的布設可作為風險管控的一種可行性措施。

一、可滲透反應墻

1.1 可滲透反應墻簡介

可滲透反應墻技術是地下水原位修復中一種常用處理技術，實現(xiàn)對地下水污染物阻截及有效地、選擇性的修復。反應墻的填充反應介質(zhì)包括零價鐵、沸石和增強微生物活性的碳源等，處理中包括了物理、化學或生物作用過程。有連續(xù)墻型和漏斗-導門型兩種類型。

沿受污染地下水流向布設反應墻，在自然水利梯度作用下，通過反應墻中介質(zhì)材料與受污染地下水發(fā)生物化反應（沉淀、吸附、氧化還原等）、生物降解等，實現(xiàn)對目標污染物的阻截與去除。

影響可滲透反應墻對地下水中污染的處理機制和效率的關鍵因素是填充材料。如填充介質(zhì)材料為納米零價鐵（NZVI）或零價鐵（ZVI）時，由于NZVI或ZVI其比表面積大、還原、微電解作用、混凝吸附等特性在酸性條件下課有效降低重金屬價態(tài)、降解如染料、多氯化合物等難降解物質(zhì)，從而降低污染物的遷移性或毒性。反應介質(zhì)為磷灰石、沸石、熔渣（火山巖渣）或有機質(zhì)黏土等礦物質(zhì)時，則主要利用其吸附作用和沉淀作用。反應介質(zhì)為碳源、營養(yǎng)物質(zhì)或微生物載體等時，則主要利用其增強微生物反應活性，降解有機污染物。

1.2 PRB技術優(yōu)缺點

1.2.1 PRB技術優(yōu)點

（1）該技術是一種無需外加動力和持續(xù)供應能量的被動處理系統(tǒng)，有效避免了能量供給的限制。處理系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)在地下進行，減少了抽出處理法的抽出處理過程及可能產(chǎn)生的二次污染，對地面生態(tài)環(huán)境干擾較小。

（2）與傳統(tǒng)的地下水處理技術相比，不占地面空間，更加經(jīng)濟、便捷。原位處理工藝，減少了儲存、運輸及清理工作，可以極大地節(jié)省運行費用。能夠長期有效運作，對生態(tài)環(huán)境影響較小。

（3）與異位修復技術相比，不會對修復地塊底層造成明顯影響。

（4）活性填料具有長效性，且填料可不定期再生或更換，從而延長使用壽命，以達到更好的處理效果。反應填料選擇靈活，處理組分的范圍廣。

（5）對污染物的去除具有普適性。通過填充組合材料可同時去除重金屬、有機物等復合污染物。

1.2.2 PRB技術缺點

（1）PRB反應系統(tǒng)在長期運行過程中，細土顆粒的吸入、介質(zhì)材料的阻截形成的沉淀物以及些許微生物繁殖造成介質(zhì)空隙堵塞會明顯影響PRB的使用壽命。

（2）隨著重金屬、鹽和生物活性物質(zhì)在PRB中不斷地沉積和積累，PRB會逐漸失去其活性，超過其吸附過濾的容量。因此活性填料需要定期更換，以免影響整個PRB系統(tǒng)的處理能力和效率。

二、污染物去除工藝設計

此次PRB工藝設計的目標去除物質(zhì)主要是：2種無機鹽（溶解性總固體、總硬度）、3種金屬（鈣、鎂、砷）。通過查閱文獻以及參考以往類似項目工程經(jīng)驗，我們欲選取沸石、活性炭、石英砂三種活性填料作為PRB小試試驗材料。

2.1 沸石/生物炭可以交換-吸附溶液中離子（重金屬、無機鹽）及其他易附著物

沸石的晶體結(jié)構是由硅（鋁）氧四面體連成三維的格架，格架中有各種大小不同的空穴和通道，具有很大的開放性，不同的沸石具有不同的形態(tài)。沸石獨特的空間結(jié)構，使其具有催化性、可逆脫水性、電導性、離子交換性等特點。對溶液中鈣鎂離子有著良好的吸附效果。本次試驗選用斜發(fā)沸石，顆粒長度在0.5-2.0mm之間。

活性炭具有發(fā)達的孔隙結(jié)構、較大的比表面積和豐富的表面化學反應基團，特異性吸附能力較強。作為固體吸附劑，廣泛應用于醫(yī)療、化工、環(huán)境等領域，近些年來在廢水處理中得到大面積應用，可有效吸附廢水中的重金屬以及印染廢水，降低廢水色度和COD。生產(chǎn)成本低，生態(tài)安全，無污染，在污水治理中已得到廣泛應用。本次試驗選用柱狀活性炭，顆粒長度在3mm左右。

2.2 石英砂可過濾大顆粒物質(zhì)及提高水樣滯留時間

石英砂是石英石經(jīng)破碎加工而成的石英顆粒，是一種堅硬、耐磨、化學性能穩(wěn)定的硅酸鹽礦物，呈乳白色、或無色半透明狀。在水體凈化方面應用廣泛，通常與其他水處理濾料配合使用，由于其顆粒較小，密度較大，可有效減緩水體流速，提高凈化效果。本次試驗采用顆粒長度在2-4mm之間。

三、PRB小試試驗

3.1 小試試驗目的

通過批試驗初步確定所選介質(zhì)材料在不同時間梯度下對目標物的去除效果，為模擬槽試驗提供基礎數(shù)據(jù)參考;在模擬槽中按不同比例投加介質(zhì)材料，在不同時間梯度下模擬組合介質(zhì)材料PRB對目標物的去除效果，為后續(xù)PRB反應池方案設計提供數(shù)據(jù)支撐。

3.2 小試試驗方法與過程

小試試驗主要分為批試驗和模擬槽試驗兩個部分。批試驗在實驗完成;后期模擬槽試驗考慮到用水量較大，因此將試驗場地選擇在工程施工現(xiàn)場，以便于供試水樣隨用隨取?，F(xiàn)場試驗條件有限，部分試驗容器由其他材料改裝而成。

3.2.1 批試驗

沸石和活性炭分別稱取2kg，分別等重置于3個反應容器中。同時分別向容器中注500mL供試水樣。反應時間梯度設置為4h、8h、12h、16h、20h、24h，貼好標簽，當反應時間達到預設值后，將同一時間梯度的3個反應容器內(nèi)水樣經(jīng)80目紗網(wǎng)過濾倒至待瓶內(nèi)搖勻，備測。

3.2.2 模擬槽試驗

根據(jù)批試驗檢測數(shù)據(jù)以及查閱相關文獻，按照活性炭和沸石質(zhì)量比分別為1：1、1：2、1：3、2：3進行投加，總質(zhì)量為40kg。模擬槽尺寸依照原PRB池1/4比例設計。反應系統(tǒng)為二折彎流道，包含集水池、單級沸石反應池、布水池、單級活性炭反應池、出水池五個部分組成。集水池、布水池和出水池寬度一致，沸石反應池寬度要大于活性炭反應池的。通過蠕動泵調(diào)節(jié)進水流速，通過活性物料填充厚度改變質(zhì)量比例。模擬槽系統(tǒng)反應時間梯度設置為4h、8h、12h、16h、20h、24h。待反應時間達到預設值后收集水樣備測。

3.3 小試試驗結(jié)果分析

樣品由具有資質(zhì)（CMA 和 CNAS）的檢測公司進行檢測。檢測指標為溶解性總固體、總硬度、pH、砷、鈣、鎂，共計6種。

3.3.1 試驗效果目標值

溶解性固體、總硬度三項指標達到《地下水質(zhì)量標準》（GB/T 14848-2017）III類水質(zhì)標準值：1000mg/L、450mg/L;

砷達到《地下水質(zhì)量標準》（GB/T 14848-2017）III類水質(zhì)標準值0.01mg/L;

鈣鎂離子本身對身體無害，且現(xiàn)有地下水、飲用水以及天然礦泉水等相關國家標準規(guī)范均未對鈣鎂含量設置標準值，此次試驗鈣鎂去除效果主要參考地下水III類水質(zhì)總硬度標準值。

3.3.2 結(jié)果與分析

此次送樣數(shù)量為39個，其中原始水樣（YS-1，YS-2，YS-3）3個，試驗水樣36個（AB-1表示沸石/活性炭質(zhì)量比1：1;AB-2表示沸石/活性炭質(zhì)量比1：2;AB-3表示沸石/活性炭質(zhì)量比1：3;AB-4表示沸石/活性炭質(zhì)量比2：3）。

根據(jù)檢測結(jié)果可知：所有水樣pH值范圍在10.92-12.42，所選反應活性填料無降低地下水pH功能;部分水樣的重金屬砷檢出值低于檢出限，所占比例為36.8%，高于檢出限的砷檢出值范圍在0.0014 mg/L-0.0044 mg/L，遠低于《地下水質(zhì)量標準》（GB/T 14848-2017）III類水質(zhì)標準值0.01 mg/L;同樣，部分水樣的鎂檢出值低于檢出限，所占比例為15.8%，高于檢出限的鎂檢出值范圍在0.028 mg/L-0.532 mg/L，絕大部分低于日常瓶裝飲用水限值（0.1mg/L-1.0 mg/L）。因此不再對pH值、砷、鎂的檢測數(shù)據(jù)結(jié)果做詳細分析，重點分析所選物料對溶解性固體、總硬度、鈣含量變化的試驗效果。

（1）批試驗中活性填料對供試水樣的處理效果

由圖3-4 中可以看出，單一沸石和活性炭均對供試水樣中溶解性總固體、總硬度、鈣的含量有降低效果，但單一沸石的試驗效果明顯優(yōu)于活性炭的。沸石對供試水樣的溶解性總固體、總硬度、鈣含量的最大降幅率分別為78.3%、80.1%、76.1%;活性炭對供試水樣的溶解性總固體、總硬度、鈣含量的最大降幅率分別為27.8%、26.6%、32.0%。;值得注意的是，活性炭對目標物的處理效果曲線呈“過山車”走勢。這與活性炭本身空間結(jié)構有關，活性炭巨大的表面積和特殊的空隙結(jié)構對地下水中的重金屬、無機鹽具有吸附和部分離子交換功能。

雖然單一沸石對目標物含量的降低已經(jīng)滿足控制目標，但是該區(qū)域地下水中重金屬、無機鹽及其他物質(zhì)的含量在長時間范圍內(nèi)是處于變化之中，為保證PRB池能夠長時間有效、穩(wěn)定處理該場地區(qū)域地下水，需要沸石和活性炭共同作用實現(xiàn)。即通過組合填料的形式實現(xiàn)對該區(qū)域地下水潛在超標污染物的風險管控。

（2）模擬槽試驗中組合物料對供試水樣的處理效果

由圖4-5中可以得知，沸石和活性炭質(zhì)量比為2：3時對供試水樣中的溶解性總固體、總硬度、鈣處理效果最優(yōu)，其含量最大降幅率86.5%、87.1%、90.6%，同樣優(yōu)于單一沸石的處理效果;隨著活性炭質(zhì)量比例增加，供水水樣的溶解性總固體、總硬度、鈣含量降幅最值增大;值得注意的是，當沸石和活性炭質(zhì)量比為2：3時，系統(tǒng)作用時間為12小時，溶解性總固體、總硬度、鈣含量降至494 mg/L、187 mg/L、87.3 mg/，基本達到控制目標值。并且此時曲線斜率與其他比例組合填料相比較是最大的，說明在組合填料在質(zhì)量比2：3時，處理效率達到最大值。

為進一步確定在沸石和活性炭質(zhì)量比為2：3時，優(yōu)化系統(tǒng)作用時間。利用Origin9.0 軟件對數(shù)據(jù)進行擬合，且經(jīng)過多次模擬擬合發(fā)現(xiàn)，組合填料對目標去的去除效果曲線更加符合線性曲線。擬合結(jié)果發(fā)現(xiàn)當供試水樣的總?cè)芙庑怨腆w含量降至1000 mg/L時，所需時間為2.66 h;總硬度含量降至450 mg/L，所需時間為6.50 h，且此時的鈣含量為171.4 mg/L。因此理論上組合填料沸石和活性炭對供試水樣目標物的最小處理時間是6.50 h。

四、 PRB填料池填料設計

4.1 地下水流速估算

地下水流塑估算公式如下：

V=K*I

I=（H1-H2）/L

依據(jù)上述公式求得地下水平均流速，其中：

V：地下水流速;

K：滲透系數(shù);

I：水力坡度;

H1，H2：水頭差;

L：滲透途徑

根據(jù)《武鋼金資公司冶金渣分廠一渣場一渣場地塊地下水現(xiàn)狀調(diào)查與評估報告》，地下水流向為為西南向東北方向。廠區(qū)正常作業(yè)期間水位標高10.79-20.72m。該區(qū)域滲透系數(shù)為（參照距離PRB池約20m抽水試驗井測的數(shù)據(jù)）1.46e-3 cm/s;

我們通過3組典型點位水頭差和滲透路徑計算出整個廠區(qū)平均地下水流速。并以最大值作為PRB池結(jié)構設計中進水流速參考值。并經(jīng)計算該廠區(qū)地下水平均流速最大值為0.001m/h。

4.2 PRB池結(jié)構設計

（1）根據(jù)武漢歷史氣象數(shù)據(jù)，為應對極端天氣下，地下水水位急劇上升，流速增大，因此將PRB池進水流速按原平均流速10倍的安全系數(shù)設定，即為0.01m/h。經(jīng)現(xiàn)場水位測定，PRB池周邊水位埋深約1.4m，因此設定物料填充厚度按原水位埋深1.5倍的安全系數(shù)設定，即活性物料填充厚度為2.1m。鑒于填料深度應高于安全系數(shù)下計算出的填料厚度，則實際填料厚度設置為2.5m。PRB 反應池內(nèi)，PRB 填充料尺寸為 2 m×3 m×3 m（寬×長×深）。物料填充順序按照水流方向設定為石英砂→活性炭→沸石。理論上在最大流速情況下，水力停留時間為200h，是小試試驗最小停留時間的16.7倍，足夠滿足活性填料的對地下水目標物的處理時間，提高了活性填料的使用壽命，減少介質(zhì)更換頻率。具體單級反應池尺寸及地下水處理路徑詳見圖4-1。

（2）通過設置預透水孔，將地下水引入PRB 反應池的過濾池內(nèi)。

（3）單一反應單元尺寸設計如圖，池頂可加可移動蓋，活性填料更換周期為18個月。石英砂、活性炭、沸石單級反應池采用80目加厚尼龍紗網(wǎng)相隔。兩個PRB池填料量共計25.6m?，其中石英砂6.3 m?，活性炭13m?，沸石6.3m?。詳見圖5-2。

（4）PRB 池活性填料各項性能指標須滿足設計要求。

圖4-1 填料順序、尺寸及地下水路徑? ?圖4-2 單級反應池引流管大樣圖

五、結(jié)論

（1）PRB反應系統(tǒng)設計關鍵影響因素包含污染物特征、場地水文和工程地質(zhì)條件，設計方案施工之前需進行小試和中試，建立動力學反應模型，確定污染去除機制和效率。

（2）PRB反應系統(tǒng)設計內(nèi)容應包含池體結(jié)構、介質(zhì)材料種類、厚度、填充順序、地下水流速、滲透系數(shù)、水力停留時間等。

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作者簡介：張顯，男，漢族，籍貫：河南省信陽市淮濱縣，學歷：碩士;研究方向：土壤和地下水修復，單位：上海雨辰工程技術有限公司。