綠色低碳目標下的地下水可滲透反應墻修復技術的應用和挑戰

朱于紅，包科科，田 平

（浙江卓錦環保科技股份有限公司，浙江 杭州 310014）

引言

地下水是人類重要的淡水資源，與人們的生產、生活息息相關。然而，隨著經濟的不斷發展，工業三廢的排放、農藥化肥的施用，導致地下水環境污染的負荷越來越重，造成淡水資源進一步短缺。

根據《2022年國家地下水監測報告》，2022年我國地下水監測網水質綜合評價結果顯示，IV類地下水占比70.3%，V類地下水占比19.3%。影響水質的 主要超標組分為錳、鐵、總硬度、溶解性總固體、鈉、硫酸鹽、氯化物、碘化物、氟化物、氨氮、砷、耗氧量、鋁等。

以杭州為例，俞光明等人[1]針對典型城市功能區的代表性淺層地下水樣品進行了定量分析，發現淺層地下水普遍受到鹵代烴、多環芳烴和有機氯農藥的輕度污染，七氯環氧和P，P'-DDT甚至達到中度污染水平。以某煉油廠區域為例[2]，地下水中最高檢出300 mg/L的含油量，嚴重超標。

地下水污染修復技術可以分為異位修復技術、原位修復技術和自然衰減技術，異位修復技術主要以抽出-處理修復技術為主；原位修復技術包括原位化學氧化技術、原位電動修復技術、原位微生物修復技術、可滲透反應墻修復技術和曝氣技術[3]。盡管地下水原位修復技術具有成本低、擾 動小等優勢特點，但在我國，修復技術仍采用抽出-處理、原位化學氧化、止水帷幕+清挖等高強度修復措施，以期實現地下水污染總量和濃度的快速削減[4]。

梁競等人[5]對中美兩國污染場地修復技術的應用情況進行了對比分析，1982-2014年我國地下水修復項目中原位修復技術占31%，抽出-處理技術占比為34%；2005-2014年EPA地下水修復以原位修復技術為主，占比為65%。根據生命周期評價研究，清理地下水中單位kg污染物最高可產生130 t的CO2排放，其幾何平均值為1.3 t CO2/kg污染物[6]。

近年來，我國制訂了一系列方針政策鼓勵綠色低碳修復。環辦土壤[2023]19號文提到“鼓勵將能耗、物耗、溫室氣體排放等納入方案比選指標體系，在注重經濟可行性的基礎上突出資源能源節約高效利用導向，優化工藝設計，優先選擇原位修復、生物修復、自然恢復為主的管控修復技術”。國科發社[2023]89號文發布了土壤和生態修復領域的10項綠色低碳先進技術成果。

地下水修復可滲透反應墻（Permeable Reactive Barrier，簡稱PRB）通過在地下安裝透水的活性材料墻體攔截污染物的羽狀體，當污染羽狀體通過反應墻時，通過在可滲透反應墻內發生沉淀、吸附、氧化還原、生物降解等作用，得到轉化或去除，從而實現了地下水凈化的目的。地下水修復過程涉及溫室氣體排放、能源和水資源消耗、空氣污染物的排放等環境足跡。

相較于抽出-處理、原位化學氧化、止水帷幕+清挖等高強度修復措施，PRB技術無需投入地上處理設施、無需能源的輸入，僅依靠反應介質的周期性更換或恢復即可實現對地下水中污染物的去除，大幅降低了全生命周期的成本[7]，因而PRB技術具備節能減排、綠色低碳的潛力，符合綠色可持續修復的發展趨勢。

1 可滲透反應墻技術的應用

可滲透反應墻有兩種基本結構類型:連續式（圖1a）、漏斗-導水門式（圖1b）。

圖1 可滲透反應墻的結構類型

連續式PRB墻體采用具有足夠滲透性的活性材料，使污染的地下水在自然水力梯度下通過墻體。漏斗-導水門式PRB由導水門和不透水屏障（鋼板樁或泥漿墻）組成，導水門垂直于地下水流方向，因而使得受污染的地下水能夠通過漏斗進入導水門內可滲透的反應性材料。這種結構設計可以防止受污染的地下水從周圍流出，并減小了反應墻的橫截面積，從而增加了水力梯度。

可滲透反應墻在國內外得到了較為廣泛的應用。例如在20世紀90年代的德國，PRB已被公認為是常規地下水修復技術的潛在替代技術，1998年至2002年間實施了9個PRB項目[8]。

在我國，Guohua Hou等人[9]在沈陽市渾河邊建設的沸石PRB可能是國內第一個PRB示范工程，該工程采用了漏斗-導水門式PBR，長度為3 m+9 m+3 m（U字形）。經過5個多月的運行所得數據表明，地下水中的NH4+濃度從2～10 mg/L下降到0.5 mg/L，NH4+的去除主要是通過吸附和離子交換實現的。李傳維等人[10]以赤鐵礦∶石灰石=2∶1作為填充材料建設連續式PRB，設計墻體的厚度為1.5 m，PRB建成使用1～3月后，場內監測井污染物數據均可以達到地下水Ⅳ類標準。

Gibert等人[11]關于PRB原位修復硝酸鹽污染地下水的研究表明：CO2、CH4和N2O等溫室氣體通過地下水非飽和帶向上擴散的排放通量與其他生態系統相當，所以PRB技術對大 氣溫室氣體含量的貢獻程度較小，因面環境碳足跡也較少。Higgins等人[12]采用生命周期評價法比較了可滲透反應墻和抽出-處理法用于治理美國某空軍基地氯代烴污染地下水的環境影響，結果表明：要使可滲透反應墻的所有類別環境影響均低于抽出-處理系統，則運行時間要超過10年，說明在長期運行條件下PRB系統方可顯示出相對其他技術更好的環境友好特性。因此，我們有必要對PRB地下水修復系統進行長期的效果評價。

據文獻記載，PRB技術已有多個10年以上的應用案例。美國北卡羅來納州伊麗莎白市的某電鍍廠及其下游的地下水受到鉻、三氯乙烯、順二氯乙烯、氯乙烯的復合污染。在地下水污染羽下游設置PRB，長度為46 m，深度為7.3 m，厚度為0.6 m，反應材料為零價鐵（ZVI）。根據14年的長期評估，PRB內部和下游的鉻濃度降低至0.1～3 ppb，處理效率平均為99.5%。輔以污染源削減措施和自然衰減效應，流入PRB的地下水鉻濃度隨著時間的推移而下降。此外，三氯乙烯的平均處理效率為90%以上。

伊麗莎白市在應用PRB技術處理六價鉻和三氯乙烯方面顯示出積極和長效的結果，為可能與以下3個關鍵因素有關：（1）PRB內的pH值和氧化還原條件保持在有利于鉻還原的理想水平；（2）進水地下水中溶解性固體的含量低，因此碳酸鹽沉淀導致的礦物堆積對反應性和水力傳導性沒有顯著影響；（3）進水溶解氧的負荷較低，因此鐵腐蝕效應對反應性和水力傳導性沒有顯著影響[13]。

2 應用可滲透反應墻技術面臨的挑戰

同抽出-處理、原位化學氧化等修復技術一樣，PRB技術的應用同樣依賴于地下水污染特征和水文地質條件的精準描述。地下水污染具有隱蔽性，同時由于地下水具有流動性，所以污染物在巖層中會發生擴散遷移、吸附和解吸、化學反應、微生物反應等現象。污染物的分布和環境行為受到含水介質和水力條件的影響。污染物的類型、濃度、分布范圍和深度、含水層條件等因素，直接影響PRB系統的設計和運行。在PRB系統運行過程中，工作人員需要對地下水水位、水質進行實時監測，并根據監測結果及時調整運行參數。

PRB技術的處理效果和環境影響與介質材料息息相關。根據Higgins等人[12]的研究，在以ZVI為反應材料的PRB系統中，材料貢獻了90%以上的環境影響，其中反應材料ZVI造成的影響最高，為43%～70%。因此，相關研究人員有必要尋求和試驗對環境影響更低的替代材料，例如高價鐵礦物、泥炭或堆肥等生物廢棄物材料。同時通過提高反應介質的壽命，控制環境影響的程度并提高相對效益。除反應介質之外，鋼板樁等鋼材的使用也會產生大量碳排放，所以在設計和施工過程中應盡量減少鋼鐵的消耗[14]。

3 結語

PRB技術具有可持續性、長效性的優點，但其屬于被動修復技術，前期起效相對更慢。抽出-處理法、原位化學氧化技術目前應用更為廣泛，這些技術在前期表現出較高的修復效率和較強的處理能力，但在后期可能會出現污染物拖尾和反彈的現象。為了實現起效快、持續久的修復效果，同時還能盡可能地降低環境的影響，建議將PRB技術與抽出-處理等技術進行聯保合使用，從而實現更好的處理效果。