某鉻污染場(chǎng)地地下水可滲透反應(yīng)墻技術(shù)（PRB）修復(fù)中試應(yīng)用

鄧江蘭，朱澤民，葉明強(qiáng)

（航天凱天環(huán)保科技股份有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410100）

鉻渣污染不僅會(huì)直接污染場(chǎng)地和危害附近居民的人體健康，而且還會(huì)影響周圍區(qū)域土壤和地下水質(zhì)量的生態(tài)安全。某鉻鹽廠始建于1974年，曾是全國(guó)鉻鹽行業(yè)生產(chǎn)規(guī)模最大的企業(yè)之一，主要生產(chǎn)紅磯鈉、鉻酸酐等鉻系列產(chǎn)品，應(yīng)用十分廣泛。由于該場(chǎng)地區(qū)域位置敏感，最近處距離飲用水源不足50 m，多年生產(chǎn)遺留的大量鉻渣，造成廠區(qū)及周邊土壤和地下水嚴(yán)重污染，地質(zhì)勘察顯示，該場(chǎng)地地下水與飲用水源的河流有對(duì)流聯(lián)系，對(duì)飲用水源和周邊環(huán)境產(chǎn)生了重大影響。為了避免周圍土壤和地下水體進(jìn)一步受到鉻污染，使城市區(qū)域的一個(gè)重大污染源得到有效控制，減輕對(duì)周邊水體的污染損害，確保周圍居民的身體健康，對(duì)該場(chǎng)地地下水進(jìn)行治理。

目前，針對(duì)地下水污染修復(fù)技術(shù)主要有抽出處理、原位注入、可滲透反應(yīng)墻、監(jiān)測(cè)自然衰減、生物曝氣以及化學(xué)還原／氧化［1］技術(shù)。

1 場(chǎng)地概述

1.1 場(chǎng)地周邊環(huán)境

某鉻鹽廠位于市區(qū)，場(chǎng)地位置敏感，其東側(cè)是飲用水源保護(hù)區(qū)，西側(cè)和南側(cè)為居住區(qū)，居住人口約2 500人，北側(cè)毗鄰農(nóng)田和工廠。多年生產(chǎn)遺留的大量鉻渣，對(duì)周邊土壤和地下水造成了嚴(yán)重污染，地質(zhì)勘察顯示，該場(chǎng)地地下水與飲用水源的河流有對(duì)流聯(lián)系，對(duì)飲用水源和周邊環(huán)境產(chǎn)生了重大影響。

1.2 鉻的污染特征分析

1.2.1 鉻的生態(tài)環(huán)境及人體健康風(fēng)險(xiǎn)分析

鉻作為生態(tài)環(huán)境中的一種重金屬污染物，主要以三價(jià)和六價(jià)形態(tài)存在。鉻的毒性與其存在的價(jià)態(tài)有關(guān)，六價(jià)鉻比三價(jià)鉻毒性高100倍，具有容易被人體吸收，不容易代謝的特點(diǎn)。六價(jià)鉻在國(guó)際上被列為對(duì)人體危害最大的8種化學(xué)物質(zhì)之一，是國(guó)際公認(rèn)的3種致癌金屬化合物之一，同時(shí)也是美國(guó)環(huán)保署（USEPA）公認(rèn)的129種重點(diǎn)污染物之一。

1.2.2 鉻的污染特性分析

鉻位于元素周期系第VIB族，有6個(gè)價(jià)電子，最高氧化態(tài)為＋6價(jià)，并具有多種氧化態(tài)的特征，最常見(jiàn)的是＋3和＋6氧化態(tài)的化合物。環(huán)境中的三價(jià)鉻和六價(jià)鉻在一定條件下可以相互轉(zhuǎn)換。鉻具有雙面特性，一方面三價(jià)鉻是一種人體必需的微量元素，鉻通過(guò)葡萄糖耐量因子（GTF）影響糖代謝，是胰島素在哺乳動(dòng)物組織中發(fā)揮最佳功能所必須的。另一方面，六價(jià)鉻具有很強(qiáng)的毒性，已確認(rèn)為致癌物質(zhì)，容易在人體內(nèi)積蓄，對(duì)人體器官造成傷害。自然界中鉻含量超標(biāo)將會(huì)破壞生物鏈的物質(zhì)和能量循環(huán)，從而沿著食物鏈進(jìn)行遷移，最終危害人類。

1.3 鉻鹽生產(chǎn)工藝原理

該鉻鹽廠生產(chǎn)時(shí)的過(guò)程為：（1）鉻酸鈉堿性液的生產(chǎn)過(guò)程；（2）鉻酸鈉堿性液生產(chǎn)重鉻酸鈉的制造過(guò)程；（3）重鉻酸鈉制作鉻酸酐和氧化鉻綠的生產(chǎn)過(guò)程。

三部分的反應(yīng)原理如下：

鉻酸鈉堿性液的主反應(yīng)式如下：

副反應(yīng)式如下：

生產(chǎn)重鉻酸鈉的反應(yīng)式如下：

鉻酸酐和氧化鉻綠的反應(yīng)式如下：

1.4 場(chǎng)地水文地質(zhì)條件

該場(chǎng)地地下水主要為第四系松散巖類孔隙水和基巖裂隙水，為微承壓水。第四系松散巖類孔隙含水巖組，地下水位埋深約2.41～11.81 m，滲透系數(shù)K為3.95～36 m／d，場(chǎng)區(qū)內(nèi)北邊含有少量粉質(zhì)粘土故滲透系數(shù)較小，廠區(qū)中心的原沖溝被填埋，地下水滲透系數(shù)較大。地下水總體自西北向東南流入河流。地下水與河流有密切的水力聯(lián)系，在河流水位上漲期間地下水具有承壓性。

基巖裂隙含水巖組滲透系數(shù)K為0.79～5.88 m／d，基巖裂隙含水巖組流場(chǎng)方向總體自西北向東南，地下水位埋深約5.34～15.06 m。由等水位線的疏密可知，廠區(qū)南側(cè)部位等水位線較疏，滲透系數(shù)較小，東側(cè)止水帷幕旁等水位線較密，滲透系數(shù)較大。

在伴生有石英脈發(fā)育的構(gòu)造斷裂帶附近巖體裂隙較為發(fā)育，其透水性及導(dǎo)水性較同層的強(qiáng)風(fēng)化板巖好，根據(jù)場(chǎng)地水文地質(zhì)條件可知，上覆第四系砂礫石層與下伏強(qiáng)風(fēng)化板巖的直接接觸，第四系松散巖類孔隙水與下部基巖裂隙水是存在聯(lián)系的。在場(chǎng)地范圍內(nèi)的斷裂帶兩側(cè)附近，上層第四系孔隙水進(jìn)入下部基巖裂隙水后，更容易沿著斷裂導(dǎo)水通道運(yùn)移，速度和水量都較同層的強(qiáng)風(fēng)板巖相對(duì)更快更大。

總體來(lái)說(shuō)，第四系松散巖類孔隙含水巖組和基巖裂隙含水巖組中的地下水流方向基本一致，總體自西北向東南流入河流；除了整體的地下水位高程在不同季節(jié)有所升降外，總體地下水流方向基本不受季節(jié)或降雨的影響。

1.5 地下水污染現(xiàn)狀分析及治理目標(biāo)

1.5.1 地下水檢測(cè)結(jié)果分析

基于工程要求，在江邊布設(shè)地下水監(jiān)測(cè)井5口。江邊地下水六價(jià)鉻濃度差異較大，5個(gè)江邊地下水點(diǎn)位中僅北邊存在一個(gè)點(diǎn)位六價(jià)鉻濃度未超標(biāo)，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)按照《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB／T 14848－2017）。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 地下水水質(zhì)特征 mg／L

1.5.2 地下水修復(fù)目標(biāo)值

根據(jù)場(chǎng)地調(diào)查的結(jié)果，該鉻鹽廠地下水的主要污染物是六價(jià)鉻。按照《地下水污染修復(fù)工作指南》，結(jié)合地下水環(huán)境調(diào)查結(jié)果，該場(chǎng)地及周邊區(qū)域?qū)儆诓坏糜糜陲嬘茫喔鹊惹也挥绊懙乇硭h(huán)境功能的區(qū)域，選擇《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB／T 14848－2017）中Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)作為修復(fù)目標(biāo)。目標(biāo)值見(jiàn)表2。

表2 地下水修復(fù)目標(biāo)值 mg／L

2 修復(fù)技術(shù)篩選

2.1 抽出處理

抽出處理技術(shù)［2］是將污染的地下水通過(guò)抽提系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到地上，然后再進(jìn)行處理的技術(shù)，主要適用于滲透性較好的含水層。抽出處理技術(shù)的適用范圍廣，對(duì)于污染范圍大、污染羽埋藏深、具有多種污染物的污染場(chǎng)地治理具有優(yōu)勢(shì)。

優(yōu)勢(shì)：應(yīng)用廣泛、應(yīng)用較早、成熟度高。

劣勢(shì)：治理時(shí)間長(zhǎng)，難以將污染物徹底去除；污染地下水抽出處理后的后續(xù)處置問(wèn)題較難解決；抽出井群影響半徑有限；受地層滲透性能影響較大。

2.2 原位注入

原位注入是指通過(guò)建井或者直推等方式往地下水污染區(qū)域注入特定的藥劑，通過(guò)與污染物發(fā)生化學(xué)生物反應(yīng)，使地下水中的污染物轉(zhuǎn)換為無(wú)毒或毒性較小的物質(zhì)，并降低其遷移性，從而達(dá)到減小污染物濃度和污染羽范圍的目的。整套系統(tǒng)由藥劑制備／儲(chǔ)存系統(tǒng)、藥劑注入井（孔）、藥劑注入系統(tǒng)（注入和攪拌）、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等組成。

優(yōu)勢(shì)：原位化學(xué)氧化／還原技術(shù)反應(yīng)速度快，清除時(shí)間短；反應(yīng)強(qiáng)度大，對(duì)污染物性質(zhì)和濃度不敏感；二次污染風(fēng)險(xiǎn)較小。

劣勢(shì)：土層地質(zhì)條件對(duì)原位注入影響較大，土層若存在大孔隙優(yōu)先通道時(shí)，原位注入藥劑會(huì)不均勻從而造成浪費(fèi)；又如在卵礫石層，注射半徑偏??；包氣帶條件不利于藥劑的擴(kuò)散和反應(yīng)［3］。

2.3 化學(xué)修復(fù)

化學(xué)修復(fù)［4］包括氧化和還原兩種技術(shù)類型，其原理就是通過(guò)加入氧化和還原藥劑與地下水中的重金屬離子發(fā)生氧化還原反應(yīng)，從而降低重金屬毒性，最終達(dá)到處理污水的目的。常見(jiàn)的氧化藥劑包括臭氧、高錳酸鹽、芬頓試劑和過(guò)硫酸鹽等，還原藥劑包括零價(jià)鐵、硫化氫等。

適用條件：適用于具有滲透性較好的孔隙、裂隙和巖溶含水層地塊，其中，氧化法適用于石油烴、酚類、甲基叔丁基醚、氯代烴、多環(huán)芳烴和農(nóng)藥等污染物，還原法適用適用于重金屬和氯代烴等污染物。

優(yōu)點(diǎn)：修復(fù)時(shí)間短，反應(yīng)速度快，效率高。

缺點(diǎn)：成本高，地塊水文地質(zhì)條件可能會(huì)限制化學(xué)物質(zhì)的傳輸；受腐殖酸含量、還原性金屬含量、土壤滲透性、pH變化影響較大。

2.4 監(jiān)測(cè)自然衰減

監(jiān)測(cè)自然衰減法［5］是利用污染場(chǎng)地天然存在的物理、化學(xué)和生物反應(yīng)作用，使污染羽濃度和總量降低，在合理的時(shí)間范圍內(nèi)使得地下水和土壤中污染物達(dá)到修復(fù)目標(biāo)的一種地下水污染修復(fù)方法。

監(jiān)測(cè)自然衰減可減少修復(fù)過(guò)程中污染物產(chǎn)生量，自然衰減修復(fù)法可以作為特定污染場(chǎng)地的修復(fù)方法或是搭配其他的修復(fù)技術(shù)一起使用；

優(yōu)勢(shì)：相較于其它工程修復(fù)技術(shù)，監(jiān)測(cè)自然衰減方法可以降低污染修復(fù)總成本。

劣勢(shì)：監(jiān)測(cè)自然衰減只能在特定的環(huán)境條件時(shí)才能使用，修復(fù)時(shí)間很長(zhǎng)，不適合工期短的污染場(chǎng)地；自然衰減需要長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)管理要求高。

2.5 可滲透反應(yīng)墻

可滲透反應(yīng)墻修復(fù)技術(shù)［6］通過(guò)可滲透的反應(yīng)墻對(duì)地下水污染羽進(jìn)行阻截和修復(fù)，反應(yīng)墻中填充反應(yīng)介質(zhì)，處理機(jī)理包括了物理吸附、化學(xué)吸附、化學(xué)還原以及生物降解等作用?？蓾B透反應(yīng)墻技術(shù)利用地下水自然流動(dòng)，是一種無(wú)需附加額外動(dòng)力的修復(fù)技術(shù)，一般垂直安裝于地下水流方向上，隨著污染地下水流經(jīng)可滲透反應(yīng)墻，使污染物濃度降低，可以有效防止污染羽狀體擴(kuò)散?？蓾B透反應(yīng)墻修復(fù)技術(shù)具有能持續(xù)原位處理、能耗低、靈活性強(qiáng)、無(wú)二次污染等優(yōu)勢(shì)，在國(guó)內(nèi)外得到了快速發(fā)展。

可滲透反應(yīng)墻的填充介質(zhì)是該技術(shù)的核心。研究表明，殼聚糖是一種較好的吸附填充材料，以殼聚糖作為可滲透反應(yīng)墻的填充介質(zhì)，水體中六價(jià)鉻濃度峰值有明顯下降，但隨著吸附反應(yīng)時(shí)間的推移，殼聚糖吸附的六價(jià)鉻會(huì)有部分解吸，從而影響修復(fù)效果。針對(duì)殼聚糖吸附容量有限、易解吸、運(yùn)行時(shí)間短等問(wèn)題，朱文會(huì)、聶寧［7］等研發(fā)了改性沸石和零價(jià)鐵的復(fù)合材料，該復(fù)合材料充分利用了改性沸石的吸附性能和增強(qiáng)了鐵粉的還原性。用零價(jià)鐵處理六價(jià)鉻時(shí)，包括吸附沉淀和還原兩個(gè)化學(xué)過(guò)程，其中吸附作用機(jī)理是零價(jià)鐵與水和氧反應(yīng)可生成具有強(qiáng)吸附能力的鐵氧化物如Fe2O3、Fe3O4、FeOOH等，進(jìn)而有效吸附并固定土壤和地下水中的重金屬，形成穩(wěn)定的復(fù)合物。還原機(jī)理主要有零價(jià)鐵與污染物發(fā)生電子轉(zhuǎn)移將污染物還原、零價(jià)鐵與水相互作用產(chǎn)生氫氣還原污染物以及零價(jià)鐵腐蝕過(guò)程中產(chǎn)生的Fe2＋作為電子供體還原污染物。李思琪等［8］在鐵屑、麥飯石和硫酸鹽還原菌的耦合體系中，麥飯石作為一種硅酸鹽，對(duì)三價(jià)鉻具有較強(qiáng)的吸附能力，從而使六價(jià)鉻去除率較高，同時(shí)麥飯石溶出的營(yíng)養(yǎng)元素促進(jìn)微生物生長(zhǎng)，形成活性污泥膜，活性污泥膜對(duì)六價(jià)鉻的去除包括還原、沉淀以及細(xì)胞膜吸附等作用，所以該填充介質(zhì)不僅可以提高去除效率，而且還可保持較高的去除穩(wěn)定性。

目前，世界范圍內(nèi)已經(jīng)有幾百個(gè)污染場(chǎng)地應(yīng)用可滲透反應(yīng)墻技術(shù)修復(fù)，主要集中于歐美地區(qū)。這些工程所用的反應(yīng)介質(zhì)有零價(jià)鐵、活性炭、陶粒、釋氧材料等；處理對(duì)象包括重金屬和有機(jī)污染物等?？蓾B透反應(yīng)墻由于其經(jīng)濟(jì)、環(huán)保無(wú)二次污染、高效靈活被廣泛用于六價(jià)鉻污染地下水的修復(fù)中。

優(yōu)勢(shì)：工作壽命長(zhǎng)，效果好，運(yùn)行成本低。劣勢(shì)：不適用于承壓含水層，對(duì)反應(yīng)墻中沉淀和反應(yīng)介質(zhì)的更換、維護(hù)、監(jiān)測(cè)要求較高。

2.6 篩選小結(jié)

由于該場(chǎng)地污染含水層層位為5～20 m，要求修復(fù)工期較短，含水層為砂礫層，污染物為重金屬鉻。從修復(fù)工期來(lái)看，監(jiān)測(cè)自然衰減要求較長(zhǎng)，不適合本工程；從土壤地質(zhì)條件分析，由于該地層有較多的孔隙和包氣帶，不適合原位注入；從技術(shù)可行性分析，抽出處理技術(shù)、可滲透反應(yīng)墻技術(shù)、化學(xué)還原技術(shù)均可行；在滿足上述初步選擇的基礎(chǔ)上，結(jié)合修復(fù)費(fèi)用、場(chǎng)地空間和對(duì)環(huán)境影響的大小等因素，選擇費(fèi)用低，地表處理設(shè)施少，對(duì)周邊環(huán)境和地層沉降影響小的可滲透反應(yīng)墻技術(shù)。

3 修復(fù)效果分析

3.1 修復(fù)效果分析

該項(xiàng)目建設(shè)了50 m長(zhǎng)、20 m深、厚度2 m的可滲透性反應(yīng)墻，填料為Fe0＋陶瓷＋活性炭，從2020年2月開(kāi)始建設(shè)運(yùn)營(yíng)。鉻污染地下水經(jīng)過(guò)可滲透反應(yīng)墻的治理后，每天取一個(gè)綜合樣，樣品檢測(cè)分析見(jiàn)表3。

表3 中試檢測(cè)結(jié)果分析表 mg／L

從表3檢測(cè)結(jié)果分析可知，經(jīng)過(guò)可滲透反應(yīng)墻處理后，所取的樣品均達(dá)到修復(fù)目標(biāo)值，最高從323.24 mg／L降至0.1 mg／L以下，表明修復(fù)效果良好。

3.2 修復(fù)長(zhǎng)效分析

為了驗(yàn)證本次中試的有效時(shí)長(zhǎng)，根據(jù)小試的篩選結(jié)果，在現(xiàn)場(chǎng)布置了中試試驗(yàn)場(chǎng)，從2020年2月開(kāi)始至2020年8月結(jié)束，進(jìn)行了6個(gè)月的運(yùn)營(yíng)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

從圖1的試驗(yàn)結(jié)果可知，設(shè)計(jì)的可滲透反應(yīng)墻效果較好，從開(kāi)始運(yùn)行至第24周，六價(jià)鉻濃度均低于修復(fù)目標(biāo)限值0.1 mg／L，隨著時(shí)間的推移，從第25周開(kāi)始，六價(jià)鉻濃度超過(guò)目標(biāo)限值，同時(shí)表明從第24周開(kāi)始，需要更換吸附填料。

圖1 鉻濃度隨時(shí)間變化圖

4 結(jié) 語(yǔ)

1.由于受污染地下水存在于強(qiáng)風(fēng)化板巖中，污染羽的傳輸、對(duì)流、排泄都集中在板巖的裂隙中，在中試過(guò)程中，影響了可滲透反應(yīng)墻的安裝。在今后的實(shí)施安裝過(guò)程中，可滲透性反應(yīng)墻的建設(shè)需要根據(jù)地質(zhì)（巖層）的特性作出及時(shí)調(diào)整，以確保修復(fù)效果最大化。

2.在中試過(guò)程中，有個(gè)別點(diǎn)的修復(fù)周期較長(zhǎng)，分析原因是由于在強(qiáng)風(fēng)化巖土中有個(gè)別點(diǎn)的污染因子濃度超過(guò)預(yù)期，從而影響整體治理方案的實(shí)施周期。

3.中試深度下可滲透反應(yīng)墻墻體不能完全截獲污染羽，在滯留時(shí)間和捕獲區(qū)寬度評(píng)價(jià)指標(biāo)基礎(chǔ)上，將通過(guò)墻體的鉻通量作為不同方案篩選的另一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。

4.通過(guò)墻體的鉻通量差異性較大，變異系數(shù)高達(dá)76.32%，主要由地下水中的鉻濃度空間分布不均引起。