滲透性生化反應(yīng)井在地下水污染治理中的應(yīng)用探討

桂恒俊，萬小瓊

（華中農(nóng)業(yè)大學 資源與環(huán)境學院，湖北 武漢 430070）

1 引言

地下水，是貯存于包氣帶以下地層空隙，包括巖石孔隙、裂隙和溶洞之中的水，是非常重要的水資源，陸地的淡水，除冰川外，地下水所占的份額最大，為1／4。隨著人口的增長和社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，對水資源的需求量也呈現(xiàn)了大幅度增長的趨勢，而地下水無疑在提供水資源的過程中擔當了十分重要的角色。

近年來，我國地表環(huán)境遭受到的破壞和污染情況極為嚴重，致使地下水的水質(zhì)日趨惡化。目前中國已有90%的地下水遭受污染，呈現(xiàn)出由點向面擴展的趨勢，污染的方式有：通過包氣帶滲入，由集中通道直接注入，由地表水體側(cè)向滲入，含水層之間的垂直越流污染等。受污染地下水中包含的各類有機污染物、無機污染物對人體的健康會構(gòu)成極大的威脅。長期飲用高硝酸鹽濃度的地下水會引起消化道疾病、嬰兒高鐵血紅蛋白癥，導致嬰兒窒息或死亡；長期飲用含汞超標的地下水可引起肝炎、腎炎、運動失調(diào)等疾病，往往導致死亡或遺患終生；而飲用被鎘污染的地下水則往往引起人的慢性中毒，損害人的肝、腎和骨骼等。

鑒于此，采取積極有效的措施對地下水的污染進行預防和治理已經(jīng)成為一種迫切的需要。在早期，地下水的修復是以傳統(tǒng)方法為主的，傳統(tǒng)治理地下水污染的方法主要有隔離法、泵提法、吸附法、化學柵欄法、電化學法以及空氣吹脫法等物理和化學方法[1]。而隨著科技的進步和相關(guān)理念的成熟，地下水污染的修復方法截至目前已經(jīng)十分豐富，并且也不停地朝著高效、環(huán)保、經(jīng)濟的方向發(fā)展。此處提出一種以滲透性生化反應(yīng)井群為主體的綜合性治理地下水污染的工程設(shè)計。

2 滲透性生化反應(yīng)井設(shè)計

滲透性生化反應(yīng)井的設(shè)計是PRB（可滲透反應(yīng)墻）與活性污泥法曝氣反應(yīng)池的改造完善與結(jié)合工作的體現(xiàn)。

PRB（Permeable Reactive Barrier）是一種被動的原位修復技術(shù)，根據(jù)美國環(huán)保局（USEPA，1998）發(fā)行的《污染物修復的PRB技術(shù)》手冊的定義，PRB技術(shù)是指在地下安裝活性材料墻體以便攔截污染物羽狀體，使污染羽狀體通過反應(yīng)介質(zhì)后，其污染物能轉(zhuǎn)化為環(huán)境接受的另一種形式，從而實現(xiàn)使污染物濃度達到環(huán)境標準的目標。PRB由透水的反應(yīng)介質(zhì)組成，通常將其置于地下水污染羽狀物的下游，當污染地下水通過PRB時，通過產(chǎn)生沉淀、吸附、氧化還原等作用來去除水體中的污染物，從而得到清潔的地下水[2]。然而目前的PRB技術(shù)在處理地下水的污染當中存在著不小的限制性。首先，PRB技術(shù)建立的巨大墻體需要由大量的反應(yīng)材料來構(gòu)成，造價高昂。其次，PRB技術(shù)在處理污染物的過程中帶有不小的隨機性，在污染物的清除效果上面得不到保證。再者，在PRB的施工過程中，受地下水水流以及地質(zhì)環(huán)境的影響較大。

活性污泥法曝氣反應(yīng)池是一種通過向池內(nèi)鼓入空氣從而加速活性污泥對污水中的有機污染物消化分解的生化處理方法。常見的曝氣反應(yīng)池有推流式、完全混合式、封閉環(huán)流式、序批式[3]。由于其日處理污水量龐大，故通常建造時具有占地面積和開挖土方量大的特點。

滲透性生化反應(yīng)井通過在地下水污染暈區(qū)內(nèi)建立適當數(shù)量的反應(yīng)井，以大功率水泵抽取地下水形成水力梯度，將周圍的受污染地下水引導入井內(nèi)進行處理。在井群地面區(qū)域設(shè)置抽水的泵房和供給空氣的鼓風室（圖1）。

圖1 滲透性生化反應(yīng)井概念模型

圖2 反應(yīng)井結(jié)構(gòu)

反應(yīng)井（圖2）的大小型號和數(shù)量可以根據(jù)地下水受污染面積、受污染程度的不同進行調(diào)整，但其主要結(jié)構(gòu)包含為以下幾個部分。

2.1 PRB井壁

PRB井壁由透水的反應(yīng)介質(zhì)組成，在材料的選取上應(yīng)滿足以下3個條件。

（1）反應(yīng)材料與污染物必須有良好的反應(yīng)性，即能夠與污染組分發(fā)生物理、化學或生物反應(yīng)，從而確保地下水流經(jīng)井壁時，污染物能有效地被去除。

（2）反應(yīng)材料必須能夠大量地獲得，從而使反應(yīng)井系統(tǒng)能長期有效地運轉(zhuǎn)。

（3）反應(yīng)材料應(yīng)盡量避免產(chǎn)生二次污染。在目前的研究階段，主要使用的反應(yīng)材料有：活性炭、沸石、石灰石、粘土礦物、煤炭、離子交換樹脂、鐵氧化物、氫氧化物、磷酸鹽以及城市堆肥、木屑等有機材料，而其中得到最廣泛應(yīng)用的材料是零價鐵，因其能夠降解和吸附多種重金屬以及有機物質(zhì)，且原料容易獲得，經(jīng)濟價值高，從而得到了廣泛的重視[4]。零價鐵的還原性使其能與地下水中的金屬離子以及擁有氧化作用的有機物發(fā)生氧化還原反應(yīng)，從而使重金屬以單質(zhì)或者其他不可溶的物質(zhì)析出，降解有害的有機物，達到改善地下水環(huán)境的效果[5]。

2.2 污泥斗

在井底設(shè)置污泥斗，建筑污泥斗的材料要有良好的防水性，將地下水與井內(nèi)水體隔離開來。投入適量活性污泥，進行曝氣處理之后污泥量會增加，剩余污泥通過井底坡向污泥斗內(nèi)進行濃縮。其體積要根據(jù)每日剩余污泥量來設(shè)計。

2.3 曝氣管與水泵的布設(shè)

根據(jù)地下水有機污染物含量的不同，設(shè)計不同的曝氣量，再相應(yīng)地布設(shè)曝氣管，有機物含量高的需要布設(shè)多根曝氣管，含量低的可僅布設(shè)1根曝氣管。為保證水體的混合效果，曝氣孔口一般置于距井底1.0m處。水泵的設(shè)置主要用于泵取井水和井底活性污泥，使處理過后的地下水和剩余污泥能夠及時排出。

系統(tǒng)運作時，各反應(yīng)井同時進行工作，水泵抽取井水使井內(nèi)水位下降，反應(yīng)井周圍受污染地下水在水力梯度的推動下進入井內(nèi)。在透過PRB井壁的過程中，污染物發(fā)生吸附、沉淀、氧化還原等作用被凈化處理。井內(nèi)投入適量的活性污泥，并進行曝氣處理，將污水內(nèi)的有機物進一步消化分解。經(jīng)過處理的地下水用水泵提升至地面的沉淀池進行沉淀，在重力作用下達到泥水分離的效果。為了提高對受污染地下水的生化處理效果，可以將沉淀池的污泥收集并調(diào)節(jié)之后重新回灌到地下水當中，經(jīng)過馴養(yǎng)的微生物將會加速污染物的分解。

對于地下儲油罐泄露以及其他有毒有害物質(zhì)排放引起的地下水大量集中污染狀況可以通過滲透性生化反應(yīng)井進行高效及時的處理，根據(jù)污染的具體情況和資金狀況可以建設(shè)不同數(shù)量不同型號的反應(yīng)井，實現(xiàn)靈活操作。同時在將反應(yīng)井進行一定的改造之后還可以用于工農(nóng)業(yè)污水深井排放前的進一步處理。

3 結(jié)語

滲透性生化反應(yīng)井的結(jié)構(gòu)十分簡單，易于使設(shè)計和配套設(shè)備標準化，進而使施工方便，性價比比較高，能夠持續(xù)原位處理多種污染物，操作簡單靈活，適用于多種不同的地質(zhì)環(huán)境。在其可調(diào)性和適應(yīng)性上，反應(yīng)井井壁的反應(yīng)材料可以根據(jù)污染物的種類和性質(zhì)上的差異進行替換，反應(yīng)井規(guī)模的大小和建設(shè)數(shù)量也可以根據(jù)污染面積和污染物的量進行調(diào)節(jié)。物化方法和生化方法的有機結(jié)合能夠保證反應(yīng)井適用于多種地下水污染情況的處理效果。

[1]Mohammed N，Allayla R I，Nakhla G F，F(xiàn)arooq S，Husain T.State－ of－ art review bioremediation studies[J].Journal of Environmental Science and Health，1996，31：1547－1574.

[2]USEPA.Pemeable reactive barrier technologies for contaminant remediation[R].EPA／600／R－98／125，1998.

[3]高廷耀，顧國維，周 琪.水污染控制工程（下冊）[M].3版.北京：高等教育出版社，2007：106～109.

[4]朱敬濤，韓志勇，魏相君，等.地下水原位治理的滲透性反應(yīng)墻技術(shù)[J].環(huán)境科學與管理，2010，31（9）：74～78.

[5]魏相君，韓志勇，李建壁.組合材料PRB技術(shù)處理硝酸鹽廢水實驗研究[J].甘肅科學學報，2013，25（1）：48～51.