可滲透反應(yīng)墻對湖南省鎘污染場地的修復(fù)分析

潘瓊

摘要

可滲透反應(yīng)墻是一種在原位對污染物進(jìn)行攔截、阻斷和補(bǔ)救的污染處理技術(shù)，其關(guān)鍵是篩選適宜的反應(yīng)介質(zhì)。通過對湖南省硫酸鋅行業(yè)進(jìn)行深入調(diào)研，發(fā)現(xiàn)硫酸鋅企業(yè)均沿湘江及其支流而建，對湘江污染嚴(yán)重，納入湘江重金屬污染治理方案中。同時通過對硫酸鋅企業(yè)所處位置的地質(zhì)條件進(jìn)行踏勘，得出該區(qū)域適宜建連續(xù)式可滲透反應(yīng)墻。因此對該區(qū)域污染場地產(chǎn)生的滲濾液原樣進(jìn)行試驗(yàn)，選用石灰石（80～100目）與礫石（10～20目）作為PRB的介質(zhì)材料，最優(yōu)配比為0.45時，能最經(jīng)濟(jì)有效去除地下水污染中的Zn、Cd。

關(guān)鍵詞 可滲透反應(yīng)墻；硫酸鋅；反應(yīng)介質(zhì)；污染修復(fù)

中圖分類號 S181.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）27-09506-03

The Remediation Analysis of Permeable Reactive Barrier （PRB） for Hunan Cadmiumpolluted Sites

PAN Qiong

（Changsha Environmental Protection College， Changsha， Hunan 410004）

Abstract Permeable Reactive Barrier （PRB） is a technology of pollution treatment via insitu interception， barrier and remediation of the contaminant， the key for which is to identify suitable reactive medium. In this paper， through indepth investigation and survey of Hunan zinc sulfate industry， it has been found that zinc sulfate manufacturers are all incorporated along Xiang River and its tributary， causing Xiang River to be heavily polluted. They are therefore listed in pollution management scheme of heavy metal in Xiang River. Simultaneously， in term of surveying the geological condition at which zinc sulfate manufacturers are located， it would be concluded that this area is applicable to establish a continuous PRB. Therefore， the author had tested the original samples of leachates which were generated from this polluted area； we were used to select limestone （80-100 meshes）and gravel （10-20 meshes）as PRB medium. When optimum mixing ratio reaches up to 0.45， it can most effectively remove Zn， Cd contained in polluted underground water.

Key words Permeable Reactive Barrier （PRB）； Zinc sulfate； Reaction medium； Pollution remediation

可滲透反應(yīng)墻（Permeable Reactive Barrier，PRB）技術(shù)是一種在原位對污染羽流進(jìn)行攔截、阻斷和補(bǔ)救的污染處理技術(shù)，通常置于污染羽流的下游，并盡可能垂直于羽狀流遷移途徑，以切斷整個污染羽狀流，保證污染區(qū)域內(nèi)的地下水得到修復(fù)^[1]。PRB主要由透水的活性反應(yīng)介質(zhì)組成，污染物羽流在水力梯度作用下通過反應(yīng)墻時，水中污染物與活性反應(yīng)介質(zhì)產(chǎn)生沉淀、吸附、氧化還原和生物降解反應(yīng)等，使水中污染物轉(zhuǎn)化為環(huán)境可接受的形式。其能否成功達(dá)到處理污染地下水的目標(biāo)，介質(zhì)材料起關(guān)鍵作用。因此篩選無害且經(jīng)濟(jì)的PRB反應(yīng)介質(zhì)是可滲透反應(yīng)墻技術(shù)極為關(guān)注的研究課題^[2]。

Cd是生產(chǎn)硫酸鋅行業(yè)場地地下水中一種常見的重金屬污染物。該試驗(yàn)以Zn、Cd作為研究對象，石灰石、石膏和礫石等組成不同混合柱作為反應(yīng)介質(zhì)，探討介質(zhì)配比對PRB修復(fù)效率的影響。

1 湖南省硫酸鋅行業(yè)分布

根據(jù)2014年現(xiàn)場調(diào)研，湖南省主要以硫酸鋅為最終產(chǎn)品的企業(yè)共有14家，3家在建，1家停產(chǎn)整治，10家企業(yè)正常生產(chǎn)。企業(yè)生產(chǎn)能力均不大于2萬t/a（一家5萬t/a除外）。企業(yè)約86%分布在衡陽，14%分布在株洲。用GPS對14家生產(chǎn)企業(yè)定位發(fā)現(xiàn)，這類企業(yè)集中在112°35′～113°33′ E，26°23′～27°50′ N，均沿湘江及其支流而建，約79%的企業(yè)分布在湘江中上游（圖1），是湘江主要重金屬污染源之一，已列入《湘江流域重金屬污染治理方案》中。硫酸鋅生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的銅鎘渣，隨廢水、廢渣等釋放到環(huán)境中，隨地表水滲入地下，造成地下水Cd污染嚴(yán)重。

2 PRB結(jié)構(gòu)的選擇

湖南省衡陽地區(qū)氣候溫暖濕潤，雨量充沛，屬亞熱帶季風(fēng)氣候。地貌類型以丘崗為主，四周山、丘圍繞，中部平、崗丘交錯，整個地形比降為7.9‰。地質(zhì)構(gòu)造簡單，無活動斷裂通過，未發(fā)現(xiàn)不良地質(zhì)現(xiàn)象，場地和地基穩(wěn)定。區(qū)域地層依次為碳酸鹽巖、碎屑巖與頁巖、紅色碎屑巖。區(qū)域內(nèi)地震基本烈度<6度，設(shè)計(jì)地震加速度<0.05 g，未發(fā)現(xiàn)飽和砂土層。地下水類型為上層滯水及基巖裂隙水，水量貧乏；透漏分析發(fā)現(xiàn)巖石土層透水性為中等-弱透水，底部下伏基巖風(fēng)化較為強(qiáng)烈，透水性強(qiáng)，因此適宜建可滲透反應(yīng)墻。擬建可滲透反應(yīng)墻采用天然地基淺基礎(chǔ)，持力層選擇全風(fēng)化板巖或強(qiáng)風(fēng)化板巖，為防止可滲透反應(yīng)底部有毒有害元素通過底部基巖滲漏到下游，需對基礎(chǔ)底部基巖進(jìn)行防滲處理。

該地區(qū)含水層埋藏淺，地下水污染物羽流規(guī)模小，因此PRB結(jié)構(gòu)選用連續(xù)反應(yīng)墻式（圖2）。在污染區(qū)下游修建一個連續(xù)反應(yīng)墻，墻體的寬度及高度能保證整個污染羽狀體通過，墻體的厚度能切斷整個污染羽狀流，保證污染區(qū)域內(nèi)的地下水得到修復(fù)^[3]。 區(qū)域硫酸鋅企業(yè)生產(chǎn)能力和生產(chǎn)工藝基本相同，區(qū)域污染物特征也類似。根據(jù)該區(qū)域水流特征、污染物濃度和排放標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，擬建可滲透反應(yīng)墻可按照頂部厚度約2.0 m，底部厚度約1.3 m，反應(yīng)墻寬度約15 m，高度約6 m的模式選擇，采用礫石基體材料，修復(fù)Cd、Pb、Zn等重金屬的活性材料建造。反應(yīng)墻的使用壽命按30年設(shè)計(jì)，重金屬離子與活性材料發(fā)生物理吸附及化學(xué)反應(yīng)形成重金屬碳酸鹽沉淀，達(dá)到地下水重金屬Cd含量<0.10 mg/L，Zn含量<2.0 mg/L的要求。

3 PRB介質(zhì)的選擇

PRB介質(zhì)材料選擇時應(yīng)該考慮下列幾個方面：第一，介質(zhì)材料能否與地下水中的污染物發(fā)生一定的物理、化學(xué)或生物反應(yīng)，從而使污染物能夠全部被清除；第二，介質(zhì)材料能否大量取材，同時在反應(yīng)中不易溶解或消耗，從而使 PRB 系統(tǒng)達(dá)到30年設(shè)計(jì)要求；第三，介質(zhì)材料既經(jīng)濟(jì)又不產(chǎn)生二次污染^[4]。

3.1 試驗(yàn)方法

該次試驗(yàn)以湖南省硫酸鋅行業(yè)污染場地產(chǎn)生的滲濾液原樣進(jìn)行分析，滲濾液水質(zhì)特性為Zn=36.30 mg/L， Cd=1.53 mg/L。通過實(shí)驗(yàn)室土柱試驗(yàn)?zāi)MPRB可滲透反應(yīng)墻，探索石灰、石灰石混合料等不同介質(zhì)材料與填充方式對滲濾液中Zn、Cd等重金屬在不同滲透時間下的去除效果，并判斷介質(zhì)材料的最佳細(xì)度、最優(yōu)配比和反應(yīng)時間，確定PRB技術(shù)防治地下水Cd污染的可行性。

3.1.1

介質(zhì)的選材。試驗(yàn)設(shè)計(jì)了3個塑料柱（1、2、3），每個反應(yīng)器的總高度為50 cm，內(nèi)徑為5 cm，底部填充5 cm厚的砂層，起過濾、緩沖和保護(hù)作用；上部為10 cm厚的砂層，以隔絕空氣；中間為反應(yīng)器主體部分，高度為20 cm。試驗(yàn)幾種不同填充方式的反應(yīng)效果：1號柱內(nèi)填充礫石+石灰單層，2號柱內(nèi)填充礫石+石灰+礫石多層，3號柱內(nèi)填充石灰+礫石混合料。

3.1.2

反應(yīng)柱運(yùn)行。該次試驗(yàn)分析多種介質(zhì)及其細(xì)度和配比對Zn、Cd的去除效果。根據(jù)試驗(yàn)需要，選擇需混合的活性材料，裝入混合機(jī)充分混合。反應(yīng)柱運(yùn)行14 h，且均以4 ml/min左右的流速往塑料柱內(nèi)滴加滲濾液，每隔2 h左右取一次樣進(jìn)行重金屬定量檢測，分析3個柱內(nèi)Zn、Cd達(dá)標(biāo)持續(xù)的時間。參考柱試驗(yàn)結(jié)果，估算工程應(yīng)用中所需的原料和數(shù)量，完善可滲透反應(yīng)墻的設(shè)計(jì)方案。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

裝置運(yùn)行后，3個塑料柱同步運(yùn)行監(jiān)測，樣品送化驗(yàn)室分析各塑料柱輸出液Zn、Cd濃度，綜合對比介質(zhì)細(xì)度、介質(zhì)配比對Zn、Cd的去除情況。3個塑料柱出水Cd和Zn濃度值隨滲透時間的變化曲線見圖3。由圖3可知，試驗(yàn)效果較好的是3號柱。3號柱的介質(zhì)材料是石灰石和礫石混合柱，石灰石細(xì)度為80～100目，礫石細(xì)度為10～20目，石灰石與礫石的比例為0.45。在該配比中，2～11 h任意點(diǎn)取樣，去除Cd的效率都在97%以上，而10 h時，出水Zn濃度為1.468 mg/L，達(dá)到環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)要求，11 h時出水Zn濃度為5.186 mg/L，超出環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)要求。因此取該試驗(yàn)出水達(dá)標(biāo)時間為10 h，即10 h時最優(yōu)配比為0.45的石灰石混合柱達(dá)到吸附飽和狀態(tài)。

介質(zhì)材料之所以選擇石灰石是因?yàn)樵谔囟尚行詼y試中，它的重金屬負(fù)載能力和去除能力比其他材質(zhì)好（石灰石≈骨炭粉>硅肥>高爐渣），且石灰石比骨炭粉經(jīng)濟(jì)。因此，工程應(yīng)用上，可滲透反應(yīng)墻選擇石灰石（80～100目）與礫石（10～20目）混合，比例為0.45為宜。

4 結(jié)語

（1）湖南省硫酸鋅企業(yè)主要沿湘江水系分布，重金屬污染嚴(yán)重，是湘江流域重金屬污染治理重點(diǎn)污染源。

（2）湖南省硫酸鋅企業(yè)主要集中在衡陽地區(qū)，從水文地質(zhì)地層等分析，該區(qū)域適宜采用連續(xù)式可滲透反應(yīng)墻。

（3）以石灰石（80～100目）與礫石（10～20目）作為PRB的介質(zhì)材料，最優(yōu)配比為0.45時，可以經(jīng)濟(jì)有效去除模擬污染地下水中的Zn、Cd濃度，滿足環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)要求。

參考文獻(xiàn)

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[2] 楊維，王立東，徐麗，等.鉻污染地下水的PRB反應(yīng)介質(zhì)篩選及修復(fù)試驗(yàn)[J].吉林大學(xué)學(xué)報：地球科學(xué)版，2008，38（5）：854-858.

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