浅析地下水修复的PBR技术
张懿文
摘要：可渗透反应栅(墙)PRB技术被认为是修复地下水污染的新型自动高效技术。本文对PBR技术进行了简要的综述，包括概念、类型、原理和反应介质方面。并且从地下水铬污染和高氟地下水两个方面简要的分析了PBR技术修复地下水的机理。同时对PBR技术在我国实行提出了若干建议。
关键词：可渗透反应栅；PBR；地下水修复
随着人类生产的发展和生活水平的提高，产生的固体、气体及液体废物越来越多，从不同途径对地下水环境造成污染。我国城市1 817个地下水饮用水源地中，存在水质安全问题的高达49．48％。
矿井、制造厂、提炼厂、垃圾填埋场等都是造成地下水污染的主要来源。工业处理中使用的金属、煤炭、石油，不适当的废料处理，突发性事故造成的具有放射性危害物质的泄露等，导致地下水受到有机、无机以及放射性污染。可渗透反应栅(墙)PRB技术被认为是修复地下水污染的新型自动高效技术。
1. PBR技术的概念
渗透反应栅(墙)PRB是一个位于地下，装填有反应介质，用于阻挡处理污染羽的反应栅。在反应栅内，污染羽在自然水力梯度下穿越反应介质后被转化成环境可接受的物质，达到修复水质的目标。
滑铁卢大学的学者在19世纪90年代初期首先提出了PRB的概念。第一座试用PRB墙于1991年安装在加拿大安大略省的Borden，用于处理污染地下水的氯代溶解污染羽。第一座商用PRB墙于1994年安装在美国加利福尼亚的Sunnyvale，同样也用于处理氯代溶解污染羽。此后，PRB技术在全世界范围内开始广泛应用。在众多应用案例中，PRB技术被认为是处理地下水有机污染或无机污染的一种有效手段。
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2. PBR的类型
PRB的结构是地下水污染去处效果优劣的影响因素之一，在该技术的研究中发展了两种基本结构：连续墙结构和漏斗——通道结构。连续墙结构比较简单，对流场的复杂性敏感度低．不会改变自然地下水流向，但相对于漏斗——通道结构费用较高。漏斗——通道结构是使用低渗透性的板桩或泥浆墙来引导污染的地下水流向可渗透处理通道。不同结构的PRB
适用情况不同，实际应用中应结合具体的地下水水文及污染状况进行合理设计。
近些年，随着对PRB的深入研究，出现了一些新形式反应墙：微生物反应墙(SRB PRB)、原位氧化还原控制墙(IsRM)、地质虹吸墙(geosiphson cells)。
3. PBR的原理
PRB的反应介质与污染物的反应过程主要有以下几种：
吸附反应：这是一种将地下水污染羽吸附在反应栅上的污染羽物理消除方式。吸附时，污染羽的分子或颗粒结合在反应介质表面，吸附程度与反应介质的性质和pH值有关。常用的吸附剂有：零价铁、纳米铁、沸石、非晶态铁的氢氧化物等。
沉淀反应：这是一种通过无机矿物的沉淀来去除污染物的方式。在沉淀反应过程中，低溶解的污染物质首先被沉淀析出，并被截留在反应栅中。常用的沉淀反应介质：石灰岩和磷灰石。
降解反应：降解包括非生物降解和生物降解。非生物降解通过一系列分解污染羽的化学反应，最终使污染羽形成沉淀留在反应栅内或形成无害物质渗过反应栅。而生物降解是在降解初期提供微生物分解污染羽所需的电子供体和营养物质。
4. PRB介质的材料类型
4.1 零价铁和纳米铁
零价铁是一种化学还原性相当强的还原剂，它与地下水的有机污染物与无机污染物产生反应时，与多种氯代烃、有机氯农药及毒性金属产生反应，其主要机理为还原性脱氯。采用零价铁作为反应介质时，最突出的问题就是反应产物的沉淀导致其孔隙率减小，进而影响PRB的运行。
纳米铁颗粒小(粒径在1～100 nm范围内)，比表面积大，反应活性高。在金属离子污染液中，纳米铁将金属离子还原为难溶态物质析出，比零价铁具有更高的还原效率和反应速率。 4.2 炭材料
材料主要是利用自身的吸附作用去除地下水污染羽中的可吸附污染物。炭材料种类较多，包括各种非晶态活性炭、石墨及生物炭材料，其中活性炭应用较广泛。活性炭具有较发达的孔隙结构、较大的比表面积和独特的表面官能团，因而对溶液中的有机污染物或无机污染物以及胶体颗粒等有很强的吸附作用。 4.3 沸石
沸石是一种天然硅铝酸盐矿石，具有内表面积大、孔隙多、吸附能力强和离子交换等特
点。沸石对污染羽中的各种阳离子有一定的选择性。有研究表明，沸石对氨氮的去除效果远好于零价铁和活性炭。 4.4 膨润土
膨润土又称为硼润岩或斑脱岩，是以蒙脱石为主要成分的黏土岩。膨润土的制备简单，具有比表面积大、吸附能力强和阳离子交换等特点，可以广泛应用于处理地下水无机污染和有机污染。实验结果表明，膨润土可以用来处理垃圾渗滤液中的金属离子污染物。 4.5 其他介质
郭红岩等利用树脂基作为PRB的填充材料有效去除了地下水中的极性和非极性有机污染物。2003年加拿大温哥华与美国华盛顿的边境铬黄矿场应用基硫酸钠拌和有pH缓冲物(碳酸钾)的原位氧化还原控制反应墙(IsRM)，成功处理了地下水铬化物污染。此外，第四纪沼泽植物的残体不能完全分解堆积而成的草炭土及农业土也被作为新型的反应介质来处理地下水污染。 4.6 复合介质
零价铁是应用最广的反应介质，通常将零价铁与其他活性材料相互混合作为反应介质。除了采用不同配合比的复合介质，有的学者探讨了PRB生物介质的可能性，将聚乙烯醇(PVA)作为微生物载体，采用微生物固定化技术及包埋法将硝化与反硝化细菌混合包埋固定，制成负载生物介质，作为PRB介质治理地下水污染中的硝酸盐。
5. PRB在不同类型的地下水污染中的作用
对于铬离子浓度为0.5mg/L 的污水，零价铁和改良性膨润土（以硫酸铝为改性剂）都对其有较好的去除效果，去除率分别为97.8%和98.2%。
零价铁对铬的去除可归结为零价铁是一种还原性极强的物质，可以提供大量电子给铬离子使其被还原而去除。同时，反应生成大量氢氧根离子，氢氧根离子与二价铁离子和三价铁离子反应生成铁水化合物，铁水化合物具有较强吸附性能的物质，进一步提高了对铬离子的去除率。但随着反应的进行，零价铁表面被氧化及铁水化合物的生成，减少了零价铁有效反应点位，零价铁的使用寿命缩短。
改良性膨润土对Cr(VI)的去除机理可归结为：(1) 改良性膨润土层间距的增大，有利于水溶液Cr(VI)与改良性膨润土的有效接触，提高了表面吸附和离子交换的速率；有利于Cr2O7或HCrO4进入层间，进而发生层间吸附离子交换和层间络合作用；(2)A1离子交换了膨润土中的低价阳离子，降低了晶格负电荷，降低了改性膨润土对Cr(VI)阴离子静电斥力，
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有利于吸附作用的进行。
对于高氟地下水PRB修复介质材料主要有：用于物理吸附的活性炭、沸石、骨炭、黏土矿物、铝硅酸盐等；用于化学吸附的活性氧化铝、石灰石、硅酸铁盐、钛氧化物、等，还有其他一些如树脂、复合材料、高分子铁盐混凝剂等。
由于大部分介质材料在除氟性能、去除效率、吸附容量、出水水质、再生、原料价格及获取难易程度等方面存在着不同程度的不足，直接处理含氟水的效果不大理想，故对其改性是增加除氟效果的良好法，现在研究较多的改性方法有：高温煅烧、酸碱浸泡、铝铁和镁盐溶液浸泡和通过在沸石表面负债高分子有机物。
除了以上两种情况，由于地下水污染物质和PBR反应介质种类的多样化，不同的地下水污染可以根据实验结果选择合适的反应介质。
6. PBR技术的展望
1994年，欧洲第一座以零价铁为反应介质的PRB在英国的贝尔法斯特的电子合成加工厂开始使用，用于处理地下水污染羽流中的氯代溶解物。经过十几年的发展，PRB技术已经在美国、德国、奥地利、瑞典、法国、英国、丹麦等国家相继成功应用。与欧美等国的成功应用相比，廉价高效的PRB技术在我国目前还处在可行性研究阶段，因此，PRB技术在我国地下水修复领域中仍需考虑和解决以下问题。
我国关于PRB技术的研究主要集中在反应介质的处理效果、配合比、影响因素等方面，而这一部分所花费的资金在PRB总费用中只有1／5。因此，在研究PRB技术时，不应局限于研究反应介质，还应考虑前期勘察、结构、运行监测等方面的因素。
PRB技术无能耗且可以长期运行，因此，在设计时需要重点考虑在各种复杂因素下(例如偶然性强降雨)PRB是否能有效捕获污染羽流，如何避免反应介质堵塞或失效，监测井位置及深度是否合理等问题。
为了能充分发挥PRB技术的处理效果，前期勘察是重中之重，断层的位置、弱围岩层的透水性等都需要详细勘察。我国地理条件非常复杂，如，黄土高原地下水埋深较深，人渗作用和排泄作用都较强且矿化度高；东北地区和西南部高原地区冬季会出现冻土；西南部地貌为岩溶地貌等，在这些复杂区域应用PRB技术需要经过一定的试点试验后，才能应用于更大的场地范围。
参考文献
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