可滲透反應(yīng)墻處理垃圾滲濾液污染地下水的模擬研究

孫金芳，陳文兵

(1 山東建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，山東　濟(jì)南　250101；2 濱州職業(yè)學(xué)院建筑工程學(xué)院，山東　濱州　256603)

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可滲透反應(yīng)墻處理垃圾滲濾液污染地下水的模擬研究

孫金芳1,2，陳文兵1

(1 山東建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，山東濟(jì)南250101；2 濱州職業(yè)學(xué)院建筑工程學(xué)院，山東濱州256603)

為研究可滲透反應(yīng)墻處理垃圾滲濾液污染地下水的影響因素，篩選最優(yōu)實驗條件，本文選擇零價鐵粉、活性碳作為反應(yīng)介質(zhì)，考慮活性炭含量、零價鐵含量、鐵粉粒徑、反應(yīng)時間、污染物初始濃度5個因素，設(shè)計三水平正交實驗。方差分析的結(jié)果表明：活性炭含量對地下水中CODCr的去除率有極顯著影響，活性炭和鐵粉的交互以及鐵粉粒徑對地下水中CODCr的去除有顯著影響，鐵粉含量、反應(yīng)時間、污染物初始濃度對實驗結(jié)果均無顯著影響，最優(yōu)反應(yīng)條件為活性炭含量40%，鐵粉含量20%，鐵粉粒徑120目；驗證實驗表明該方案的CODCr去除率達(dá)80.3%，高于其他方案。

可滲透反應(yīng)墻；垃圾滲濾液；地下水；實驗研究

隨著環(huán)境污染的加劇，地下水污染越來越嚴(yán)重，可滲透反應(yīng)墻(PRB)[1-7]是目前修復(fù)地下水污染的最為經(jīng)濟(jì)可靠的技術(shù)。隨著城市垃圾的增多，垃圾滲濾液逐漸成為一種新的地下水污染物，其成分復(fù)雜，污染物濃度高，治理難度大，逐漸被人們所關(guān)注。關(guān)于垃圾滲濾液污染地下水的治理研究還較少，主要集中在反應(yīng)機(jī)理和反應(yīng)介質(zhì)的篩選上[8-11]。本文在已有研究的基礎(chǔ)上，通過正交實驗探討PRB治理垃圾滲濾液污染地下水中有機(jī)物的影響因素，篩選最優(yōu)反應(yīng)條件，為垃圾滲濾液污染地下水的治理提供參考。

1　實　驗

1.1樣品采集與反應(yīng)液制備

垃圾滲濾液取自濱州市垃圾處理廠，經(jīng)測定其中的CODCr為24120 mg·L-1，地下水取自附近地區(qū)；垃圾滲濾液用地下水分別稀釋60倍、30倍、20倍，模擬被垃圾滲濾液污染的地下水，其CODCr濃度分別為402、804和1206 mg·L-1。

1.2實驗裝置

PRB模擬反應(yīng)器采用有機(jī)玻璃做成，見圖1，內(nèi)徑0.1 m，長度0.5 m，共分三段，Ⅰ段和Ⅲ段用石英砂(0.5～1 mm)填充，主要起緩沖和保護(hù)作用，Ⅱ段用零價鐵粉、活性碳(1～2 mm)、石英砂(0.5～1 mm)的混合物填充，后方留有一取樣口用于取樣分析，進(jìn)出口、段間及取樣口都設(shè)有無紡布，防止填料溢出及摻合。PRB反應(yīng)器水平放置，一側(cè)連接方形配水器，可視需要補(bǔ)充相應(yīng)濃度的反應(yīng)液，另一側(cè)為出水口，流入專用容器，配水器高于反應(yīng)裝置約0.5 m，以保持一定的壓力水頭，使水流速度控制在50 cm/d左右。運(yùn)行前先注入清水濕潤填料和排除氣泡，再注入模擬地下水連續(xù)運(yùn)行，按設(shè)計時間取樣，采用重鉻酸鉀法測定出水中COD的濃度。

圖1　PRB模擬反應(yīng)器簡圖

1.3實驗設(shè)計

本研究采用正交實驗設(shè)計，選擇活性炭、零價鐵作為反應(yīng)介質(zhì)，同時摻加石英砂，起緩沖和保護(hù)作用，不參與反應(yīng)?？紤]活性炭含量(A)、鐵粉含量(B)、鐵粉粒徑(C)、反應(yīng)時間(D)、有機(jī)物初始濃度(E)5個實驗因素，每個因素設(shè)置3個水平，具體見表1。

表1　實驗因素選擇及水平設(shè)置

根據(jù)已有研究[9-11]，活性炭和零價鐵能夠發(fā)生原電池反應(yīng)，實驗設(shè)計時必須考慮二者的交互作用，其他因素間交互不考慮。選擇L18(37)正交表設(shè)計實驗，表頭設(shè)計見表2，其中第3列作為A、B的交互列，第6列作為誤差列，按照表1設(shè)定的因素水平填充反應(yīng)器，控制初始濃度和反應(yīng)時間。

表2　正交實驗表頭設(shè)計

2　結(jié)果與分析

2.1影響因素分析

以出水中CODCr的去除率(%)作為實驗效果的評價指標(biāo)，實驗結(jié)果見表3。

表3　反應(yīng)液出水中CODCr的去除率

說明：T1、T2、T3為各列同水平CODCr去除率之和，T為所有實驗CODCr去除率之和。

采用方差分析探討影響反應(yīng)液中有機(jī)物去除的各種因素，篩選最優(yōu)實驗條件。通過計算偏差平方和和自由度可計算方差及F值，方差分析表見表4。從表4可看出，E列F值小于1，說明初始濃度對實驗結(jié)果無顯著影響，為提高檢驗的靈敏度，將E列和誤差列合并作為新的誤差列，重新進(jìn)行方差分析，方差分析表見表5。

表4　方差分析表(一)

表5　方差分析表(二)

注：**、*和無標(biāo)記分別表示實驗因素對實驗結(jié)果有極顯著影響、顯著影響和無顯著影響。

綜合表3～表5可看出：(1)活性炭含量對CODCr的去除有極顯著影響，活性炭比表面積大，吸附作用強(qiáng)，能有效去除地下水中的有機(jī)污染物，而且活性炭含量越大，去除效果越好；(2)鐵粉含量對CODCr的去除無顯著影響，鐵粉也具有較大的比表面積，但其吸附能力明顯弱于活性炭；(3)活性炭和鐵粉的交互對實驗結(jié)果有顯著影響，二者結(jié)合能夠形成很多個微小原電池，鐵粉失去電子被氧化，部分大分子有機(jī)物(如氯代脂肪烴等)得到電子被還原成小分子有機(jī)物，為進(jìn)一步的去除創(chuàng)造了條件；(4)鐵粉粒徑對CODCr的去除有顯著影響，粒徑過大，比表面積越小，吸附作用以及和活性炭接觸發(fā)生交互的機(jī)會也會降低，而粒徑過小，反應(yīng)介質(zhì)易堵塞，污染物和反應(yīng)介質(zhì)接觸的機(jī)會降低，影響處理效果，實驗結(jié)果也表明適中的粒徑(120目)處理效果較好；(5)反應(yīng)的前6天反應(yīng)時間對實驗結(jié)果并無顯著影響，反應(yīng)開始的2d污染物去除較快，繼續(xù)增加反應(yīng)時間，去除率無顯著提高；(6)污染物初始濃度對CODCr的去除無顯著影響。

2.2最優(yōu)水平的確定

通過以上分析，對地下水中CODCr的去除影響最大的是活性炭含量，其次是，再次是活性炭和鐵粉的交互作用，其他因素對實驗結(jié)果影響不顯著。通過比較T1、T2、T3，可看出鐵粉粒徑為120目時CODCr的去除率最大，由于活性炭和鐵粉存在交互作用，其最優(yōu)水平必須通過比較兩個因素三個水平相互組合的CODCr的去除率來確定，結(jié)果見表6。

表6　活性炭和鐵粉交互作用結(jié)果比較

可以看出，活性炭含量為40%、鐵粉含量為20%時處理效果最好，因此最優(yōu)實驗方案為A3B3C2，該實驗方案并不在已有的18個實驗里面，下面通過實驗來驗證。

2.3最優(yōu)水平的驗證

實驗條件設(shè)計為：活性炭含量40%，鐵粉含量20%，鐵粉粒徑120目，反應(yīng)液CODCr初始濃度為1206 mg/L，反應(yīng)器運(yùn)行14 d，每隔2 d取一次樣。出水中CODCr濃度的變化規(guī)律見圖2。

圖2　反應(yīng)器出水CODCr濃度變化趨勢

從圖2可以看出，反應(yīng)的前兩天CODCr濃度下降較快，隨后下降趨勢減緩。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，介質(zhì)內(nèi)部孔隙逐漸被污染物填充，當(dāng)有機(jī)物被分解的速率小于被吸附的速率時，介質(zhì)表面吸附的有機(jī)物會逐漸增多，吸附能力下降，活性炭和零價鐵的接觸也受到阻礙，發(fā)生交互反應(yīng)分解有機(jī)物的能力受到影響，但有機(jī)物出水濃度仍在降低；第6天去除率達(dá)到80.3%，高于其他實驗方案；6天之后，出水濃度出現(xiàn)升高趨勢，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，介質(zhì)表面累積的污染物越來越多，又不能被及時分解，而鐵粉發(fā)生原電池反應(yīng)后能夠生成Fe(OH)3，沉淀在反應(yīng)介質(zhì)表面，阻礙反應(yīng)的繼續(xù)進(jìn)行，導(dǎo)致有機(jī)物出水濃度升高，但第10天出水濃度又開始降低，一方面，隨著反應(yīng)的進(jìn)行活性炭表面附著的微生物逐漸適應(yīng)新的環(huán)境而被活化，能夠分解吸附的有機(jī)物，介質(zhì)的吸附能力得到再生，另一方面，隨著有機(jī)物的分解，活性炭和零價鐵接觸發(fā)生原電池反應(yīng)的機(jī)會增加，有機(jī)物被逐漸分解，出水濃度降低。

3　結(jié)　論

通過以上分析，可得出以下幾點結(jié)論：

(1)反應(yīng)6天內(nèi)，活性炭含量對地下水中CODCr的去除有極顯著影響，活性炭和鐵粉的交互以及鐵粉粒徑對地下水中CODCr的去除有顯著影響，鐵粉含量、反應(yīng)時間、反應(yīng)液初始濃度對實驗結(jié)果無顯著影響。

(2)通過方差分析和實驗驗證，最優(yōu)實驗條件為：活性炭含量40%，鐵粉含量20%，鐵粉粒徑120目，第6天的CODCr去除率能夠達(dá)到80.3%。

(3)反應(yīng)進(jìn)行了6天后，隨著介質(zhì)表面累積的污染物增多，出水有機(jī)物濃度出現(xiàn)波動，如何解決介質(zhì)的堵塞是今后重點考慮的問題之一。只有加快反應(yīng)介質(zhì)的再生速率，才能保持或提高有機(jī)物的去除率，活性炭和零價鐵的交互作用、活性炭上附著的微生物均可以分解有機(jī)物，是需重點考慮的因素，可為微生物的生長創(chuàng)造適宜條件(如降低反應(yīng)液初始濃度和毒性、調(diào)節(jié)溫度和pH、增加溶解氧濃度等)，使其盡快被活化并參與污染物的降解。

[1]Richard T W,Robert W P,Guy W S.Long-term performance of permeable reactive barriers using zero-valent iron:geochemical and microbiological effects[J].Ground Water,2003,41(4):493-503.

[2]USEPA.Long term performance of permeable reactive barriers using zero-valent iron:an evaluation at two sites[R].EPA/600/S-02/001,2002.

[3]David W B,Carol J P,Shawn G.B,et al.Treatment of inorganic contaminants using permeable reactive barriers[J].Journal of Contaminant Hydrology,2000,45:123-137.

[4]Andrea K P D,Lai C K,Kjeldsen P,et al.Effect of groundwater inorganics on the reductive dechlorination of TCE by zero-valent iron[J].Water Air Soil Pollute,2005,162:401-420.

[5]Komnitsas K,Bartzas G,Paspaliaris I,et al.Inorganic contaminant fate assessment in zero-valent iron treatment walls[J].Environmental Forensics,2006,7:207-217.

[6]Kamolpornwijit W,Liang L,West O R,et al.Preferential flow path development and its influence on long-term PRB performance:column study[J].J.Contam.Hydrol.,2003,66:161-178.

[7]Benner S G,Gould W D,Blowes D W.Microbial populations associated with the generation and treatment of acid mine drainage[J].Chem.Geol.,2000,169:435-448.

[8]張先斌,施永生,張磊.PRB技術(shù)處理垃圾滲濾液污染地下水的應(yīng)用研究[J].化學(xué)與生物工程,2011,28(12):83-86.

[9]崔海煒,孫繼朝,陳璽,等.PRB技術(shù)在垃圾滲濾液污染地下水修復(fù)中的可行性研究[J].南水北調(diào)與水利科技,2010,8(6):66-69.

[10]李宗良,丁愛中,唐廣鳴,等.PRB修復(fù)滲濾液污染地下水的實驗研究[J].污染防治技術(shù),2007,20(3):13-16.

[11]崔海煒,孫繼朝,張英,等.可滲透反應(yīng)墻原位修復(fù)垃圾滲濾液污染地下水[J].環(huán)境工程學(xué)報,2012,6(8):2698-2704.

Research on Treatment on Groundwater Polluted by Landfill Leachate with Permeable Reactive Barrier

SUN Jin-fang1,2，CHEN Wen-bing1

(1 School of Municipal and Environmental Engineering,Shandong Jianzhu University,Shandong Jinan 250101; 2 School of Architecture Engineering,Binzhou Vocational College,Shandong Binzhou 256603,China)

In order to research the influence factors of treatment on groundwater polluted by landfill leachate by PRB and select the best experiment conditions,a three levels orthogonal experimrnt was designed with the reaction mediums of zero-valent iron and activated carbon considering five factors of activated carbon content,zero-valent iron content,zero-valent iron particle size,reaction time and pollutant initial concentration.Through the analysis of variance,it concluded that activated carbon content had highly significant influence on the removal rate of CODCr.The interaction of activated carbon and zero-valent iron and zero-valent iron particle size both had significant influence on the removal rate of CODCr.Zero-valent iron content,reaction time and pollutant initial concentration had unsignificant influence on the removal rate of CODCr.The best reaction conditions concluded activated carbon content of 40%,zero-valent iron content of 20% and zero-valent iron particle size of 120.The removal rate of CODCrof the experiment program could reach to 80.3%,which was higher than others.The blocking of reaction mediums must be solved in future.

permeable reactive barrier; landfill leachate; groundwater; experiment research

孫金芳(1980-)，女，講師，從事市政環(huán)境方面的教學(xué)和研究工作。

X523

A

1001-9677(2016)011-0135-04