PRB對地下水硝酸鹽去除效果分析

劉彩虹，李福林，陳學群

（山東省水利科學研究院，山東 濟南 250014）

PRB對地下水硝酸鹽去除效果分析

劉彩虹，李福林，陳學群

（山東省水利科學研究院，山東 濟南 250014）

在室內試驗的基礎上，通過研究不同PRB填料介質對硝酸鹽的處理效果，得出適合野外工程的PRB填料介質及比例。結果表明：PRB填料零價鐵+活性炭+中粗砂對硝酸鹽的處理效果較好，硝酸鹽去除率達到53.7%～56.2%，處理后硝酸鹽濃度在10.6～11.2 mg/L，符合飲用水標準。

PRB；硝酸鹽；地下水；零價鐵

隨著工業(yè)的迅猛發(fā)展和人類活動的急劇增加，地下水硝酸鹽污染已成為重要的全球性環(huán)境問題。地下水硝酸鹽污染通常采取異位處理和原位處理技術修復。滲透性反應墻PRB是一種新興的原位處理技術，具有成本低廉、無需外加動力、可持續(xù)原位處理多種污染物、處理效果好、環(huán)境擾動小和可用周期長等特點，目前正在逐步取代傳統(tǒng)的運行費用較高的抽提技術。

實際PRB去除地下水硝酸鹽工程應用中，PRB的活性填料有多種，包括活性炭、沸石、微生物材料、有機材料（如木屑）、還原金屬（Fe、Zn）等，其中最常見的參與反應的活性填料是零價鐵。目前關于PRB活性填料的研究有很多，主要集中在單一填料或者組合填料去除效果，但是對于各單一填料和組合填料介質處理效果的對比研究還較少。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于青州市開發(fā)區(qū)，區(qū)域上地形自南向北由高到低，從地貌上劃分為山前沖洪積平原區(qū)。沉積物以沖積物為主，地下水資源豐富，地下水交替強烈，以側向補給和大氣降水為主要補給來源，水的礦化度較低，在由徑流帶向溢出帶漸變過程中，潛水埋藏變淺，蒸發(fā)量增大，水的化學類型多為重碳酸——硫酸或氯化物型水。根據舒卡列夫分類，結合庫爾洛夫式，研究區(qū)地下水化學類型為 HCO3·Cl-Ca·Na 型水。

通過樣品采集測試，研究區(qū)地下水硝酸鹽濃度為24.18 mg/L，超過國家地下水三類水標準。因此需要進行處理后才能進行集中供水。

2 材料與方法

2.1 室內試驗

室內試驗采用穩(wěn)定流柱試驗裝置，主要試驗裝置包括自制馬里奧特瓶（容量為18 L）、亞克力圓管（內徑10 cm，長度100 cm）及側壁取樣管（間距20 cm，共4個，除取樣外，還用來測量水頭值用以計算滲透系數）等。馬里奧特瓶內安置內徑為5 mm的玻璃管，插入瓶內液面以下，以保持Δh不變，從而保證水流流態(tài)為穩(wěn)定流，試驗使用轉子流量計控制流量。管底部留約5 cm的水流緩沖區(qū)，防止水流直接沖刷反應材料；管內上部預留約15 cm，用來模擬抽水井中PRB材料與水泵抽水位置的空間關系。

柱狀實驗采用初始濃度為80 mg/L的硝酸鹽氮溶液，pH 值為 7.0。 分別在反應 1 d、2 d、3 d、4 d、5 d、6 d、7 d、8 d、9 d、10 d 后進行樣品采集與測試。

野外條件下，尤其是構建PRB去除硝酸鹽污染，如果活性填料的滲透性能低于含水砂層，則地下水流不會穿過PRB，達不到去除硝酸鹽污染的效果。因此，在填料介質中摻混中粗砂，一方面可以模擬野外真實條件，另一方面可以提高滲透性能。本次填料介質組合為：零價鐵+中粗砂、活性炭+中粗砂、鋸末+中粗砂、零價鐵+活性炭+中粗砂、零價鐵+鋸末+中粗砂。滲透系數約為6.0×10-2cm/s。

將混合好的填料均分成若干部分，然后分批填入有機玻璃柱，以保證PRB填料的均質性。裝填過程中采取分層裝填，逐步飽和的辦法排出介質材料內的空氣，保證試驗水流為飽和流狀態(tài)。2.2 野外試驗

采用二重井式PRB可滲透反應墻工藝對青州王母宮水源地試驗區(qū)的地下水硝酸鹽污染進行原位修復、去除，使其達到飲用水水質標準。PRB材料井建設完成后，采用不同流量泵進行抽水試驗，并在抽水 0.5 h、1 h、1.5 h、2 h、2.5 h、3 h、3.5 h、4 h、4.5 h、5 h、5.5 h、6.5 h、7.5 h、8.5 h 進行地下水樣品采集與測試。

2.3 三氮濃度測定

硝酸鹽氮采用紫外分光光度法、亞硝酸鹽氮采用重氮偶合分光光度法、氨氮采用納氏試劑分光光度法進行測定。同時在現場采用硝酸根離子濃度測定儀器對硝酸根離子濃度進行測定。

3 效果分析

3.1 室內試驗結果

對不同PRB填料介質中硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮和氨氮的濃度變化進行分析，結果顯示不同填料介質對硝酸鹽的去除效果有明顯差異。

中粗砂+零價鐵1 d時間其濃度就降至10 mg/L，隨后硝酸鹽濃度在8.1~12.2 mg/L之間，硝酸鹽去除效果較好；中粗砂+活性炭中，在1 d內硝酸鹽氮濃度降低至18 mg/L，隨后硝酸鹽濃度迅速增大，這是由于活性炭對硝酸鹽氮有一定的物理吸附作用，當吸附達到飽和時，活性炭就失去作用，可見該方案對硝酸鹽的去除效果不理想，僅適用于少量水樣處理；鋸末+中粗砂組合介質，硝酸鹽濃度降低緩慢，在10 d后硝酸鹽濃度由80 mg/L降低至19.1 mg/L，反應時間較長。零價鐵+活性炭+中粗砂、零價鐵+鋸末+中粗砂填料方案中，硝酸鹽氮去除效果較為明顯，均在1 d內降低至10 mg/L以下，隨后濃度基本不變，零價鐵+活性炭+中粗砂填料介質的去除效果較零價鐵+鋸末+中粗砂更加明顯。

從反應過程中的產物進行對比分析，整個試驗過程中都產生了一定量的NO2--N和NH4+-N。零價鐵+活性炭+中粗砂、中粗砂+零價鐵方案反應過程中的NO2--N含量最低。由以上分析可知，零價鐵+中粗砂+活性炭的處理效果最好，因此，采用零價鐵、活性炭、中粗砂以3∶1∶6的組合作為PRB填料進行野外試驗。

3.2 野外試驗結果

野外PRB井建設完成后進行了抽水試驗，對PRB材料井的處理效果進行檢驗。處理前地下水中硝酸鹽濃度為24.18 mg/L，抽水0.5 h降低至10.6 mg/L，隨后硝酸鹽濃度在10.6~11.2 mg/L之間，符合地下水水質標準，硝酸鹽去除率達53.7%~56.2%，處理效果較好。

氨氮濃度在反應1 h的時候最高為1.98 mg/L，隨后逐漸降低，反應5 h后氨氮濃度低于地下水三類水標準，6.5 h后略高于三類水標準。亞硝酸鹽濃度變化幅度較大，亞硝酸鹽濃度變化無規(guī)律，超標率達43%。

由此可見，在野外試驗中，地下水硝酸鹽去除效果較好，由25 mg/L降低至11.2 mg/L以下，完全符合地下水飲用水標準。

在反應一個月以后抽取地下水樣進行測試，地下水硝酸鹽濃度為12.6 mg/L，亞硝酸鹽氮為0.028 mg/L，氨氮未檢測到，可見，反應時間越久，處理效果越好。經過PRB井處理過的地下水與未經處理過的地下水以1∶3進行混合后，硝酸鹽濃度為14.8 mg/L，亞硝酸鹽濃度為0.08 mg/L，氨氮沒有檢測到，可見，處理并混合后的地下水三氮均符合飲用水標準。

4 結論

通過室內試驗與野外工程，得出以下結論：

1）零價鐵+活性炭+中粗砂的組合填料介質對硝酸鹽處理效果最好，中間產物主要為氨氮。其次為零價鐵+粗砂，粗砂+活性炭、粗砂+鋸末的數理效果不好。2）野外實驗結果表明PRB材料井對硝酸鹽的處理效果較好。處理前地下水中硝酸鹽濃度為24.18 mg/L，抽水0.5 h降低至10.6 mg/L，完全符合地下水水質標準，硝酸鹽去除率達到53.7%~56.2%。

（責任編輯 崔春梅）

P641.8

B

1009-6159（2017）-10-0059-02

劉彩虹（1987—），女，博士，工程師

水利部科技推廣項目（SF-201624）