染料廢水污染地下水的可滲透性反應(yīng)墻(PRB)參數(shù)試驗(yàn)研究

李厚恩,王 林,陳素云,馬齊悅,趙洪宇,陳國(guó)華

(1.北京市勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,北京 100038;2.北京環(huán)境巖土工程技術(shù)中心,北京 100038;3.巢湖市生活廢棄物管理中心,安徽 巢湖 238000)

0 引言

染料廢水常具有高濃度、高色度、成分復(fù)雜、難降解、難生化等特點(diǎn)[1],一直是廢水處理的難點(diǎn)。被染料廢水污染的地下水,由于其治理修復(fù)受到地質(zhì)與水文地質(zhì)條件的影響,其修復(fù)難度較大。近年來,可滲透反應(yīng)墻(permeable reactive barrier,PRB)技術(shù)是目前迅速發(fā)展的一種原位修復(fù)技術(shù)[2]。PRB是一種以污染物治理為目的,將所需的反應(yīng)介質(zhì)裝入地下的可滲透反應(yīng)墻體內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)的污染物處理系統(tǒng),它的結(jié)構(gòu)可阻斷污羽狀體,可將其中的受污染物質(zhì)轉(zhuǎn)化為低毒可適應(yīng)環(huán)境的物質(zhì),PRB可不破壞地下水體的流動(dòng)性。簡(jiǎn)單來說,PRB 系統(tǒng)是一個(gè)裝載特定反應(yīng)介質(zhì)的活性反應(yīng)區(qū),當(dāng)受污染的地下水流經(jīng)該區(qū)域時(shí),污染水與反應(yīng)區(qū)的反應(yīng)介質(zhì)發(fā)生各種生物、化學(xué)、物理反應(yīng)從而使受污染水得到凈化和去除。這種技術(shù)是近些年快速發(fā)展的一種處理受污染地下水的原位修復(fù)技術(shù),其優(yōu)勢(shì)在于穩(wěn)定高效、安裝便捷、維護(hù)方便、成本相對(duì)較低,在逐漸代替運(yùn)行費(fèi)用高、工程復(fù)雜、能耗較大的抽出-處理技術(shù),在地下水修復(fù)方向具有良好的前景。

染料廢水常用的吸附材料微活性炭、大孔樹脂等[3]。近年來,將零價(jià)鐵(ZVI) 用于環(huán)境污染治理逐步發(fā)展為一種新型、高效的修復(fù)手段[4-7]。Zemb 等[8]將 mZVI 應(yīng)用到 PRB 技術(shù)修復(fù)污染場(chǎng)地時(shí),監(jiān)測(cè)到1,2-DCA 一定程度的去除,原因是ZVI腐蝕反應(yīng)生成OH-,中和了含水層酸性物質(zhì),為微生物生長(zhǎng)提供了中性環(huán)境。ZVI還可使地下水快速達(dá)到理想的厭氧環(huán)境,產(chǎn)生的H2亦可作為電子供體促進(jìn)厭氧微生物的生長(zhǎng)。地下水中的含氯有機(jī)物作為電子受體,主要通過兩個(gè)途徑進(jìn)行還原脫氯:氫解反應(yīng)(Hydrogenolysis)、β-消除反應(yīng)(β·elimination)。氫解反應(yīng)是指化合物中的一個(gè)氯原子被氫原子置換,一般一步反應(yīng)只置換一個(gè)氯原子。李書鵬[9]等采用零價(jià)鐵一緩釋碳修復(fù)氯代烴污染地下水的中試研究,結(jié)果顯示:零價(jià)鐵一緩釋碳技術(shù)可以高效地將地下含水層中的氯代烴污染物脫氯降解。其中1,2-二氯乙烷的去除率達(dá) 99.90%以上,1,1-二氯乙烷的去除率達(dá)86.00%以上,氯仿的去除率達(dá)98.00%以上。

Fe0和氯代烴類的化學(xué)反應(yīng)如下[10]:

(1)

脫鹵反應(yīng)結(jié)果使地下水的pH值升高,在厭氧環(huán)境中引起Fe(OH)3和FeCO3沉淀;在富氧環(huán)境中,會(huì)形成Fe(OH)3和FeCO3沉淀。生成沉淀對(duì)于降低Fe的次生污染十分有益;但是由于沉淀和吸附作用,可能在金屬表面形成一層反應(yīng)保護(hù)膜,阻礙了反應(yīng)的進(jìn)一步進(jìn)行。

本實(shí)驗(yàn)選用受染料廢水污染的地下水為研究對(duì)象,針對(duì)地下水中1,2-二氯乙烷、色度兩項(xiàng)特征污染物進(jìn)行了PRB填料的篩選試驗(yàn)。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

1.1.1 研究區(qū)域的污染情況

地下水修復(fù)區(qū)域面積約965 688 m2、修復(fù)體量15 264.38 m3。受染料廢水的污染,地下水中的特征污染物1,2-二氯乙烷、色度。地下水中污染物濃度與修復(fù)目標(biāo)值見表1。

表1 地下水特征污染物修復(fù)目標(biāo)值一覽表

其地下水中1,2-二氯乙烷濃度分布見圖1。

圖1 地下水中1,2-二氯乙烷濃度分布等值線圖

1.1.2 地層分布條件

研究區(qū)域最大勘探深度(7.00 m)范圍內(nèi)的土層按地層沉積年代、成因類型可劃分為第四紀(jì)和奧陶-志留紀(jì)地層,現(xiàn)分述如下:

1)第四紀(jì)地層

廣泛分布于調(diào)查地塊地表,巖性以含土砂礫石為主,厚度一般小于2 m,局部位置處第四系厚度較大,本次補(bǔ)充調(diào)查揭露的第四系最大厚度為7 m(井11位置處)。

2)奧陶-志留紀(jì)巖層

第四紀(jì)松散層之下為奧陶-志留紀(jì)地層,主要巖性為片巖、板巖、千枚巖、變質(zhì)砂巖。表層風(fēng)化破碎嚴(yán)重,為全風(fēng)化-強(qiáng)風(fēng)化層。全風(fēng)化-強(qiáng)風(fēng)化層之下為中風(fēng)化層,巖石裂隙不發(fā)育。

1.1.3 水文地質(zhì)條件

1)地下水分布條件

研究區(qū)域最大勘探深度(7.00 m)范圍內(nèi)可分布1層地下水,主要賦存于第四系含土砂礫石和其下的全風(fēng)化-強(qiáng)風(fēng)化基巖中,含水層厚度在0.14～6.41 m之間,地下水類型為潛水。2020年12月17日-2021年1月13日期間地下水監(jiān)測(cè)井中量測(cè)的地下水靜止水位埋深為0.33～4.44 m,水位標(biāo)高為1 156.85～1 188.65 m。該層地下水在地塊范圍內(nèi)分布不連續(xù),局部位置處未揭露到該層地下水。

2)地下水流場(chǎng)

地下水的總體流向?yàn)樽员毕蚰?地塊中部區(qū)域的地下水流向?yàn)樽晕鞅毕驏|南。地塊南部區(qū)域地下水水力梯度約為4‰,其他區(qū)域地下水水力梯度約為8‰～9‰。

1.2 研究方法

1.2.1 PRB墻活性炭吸附材料的配比試驗(yàn)

選擇活性炭作吸附材料,進(jìn)行活性炭添加量試驗(yàn),試驗(yàn)用水采用修復(fù)地塊內(nèi)的地下水。

取5個(gè)燒杯,分別加入1L污染水,其中1號(hào)為對(duì)照組,2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)分別加入質(zhì)量配比0.5‰、1‰、2‰、4‰的再生活性炭,充分?jǐn)嚢琛?/p>

1.2.2 PRB墻零價(jià)鐵(ZVI)還原材料的配比試驗(yàn)

采用DN80的PVC管作為試驗(yàn)工具,內(nèi)分別放入0 m、0.1 m、0.3 m、0.5 m的零價(jià)鐵粉、0.1 m的鐵粉+0.4 m次氯酸鈣進(jìn)行ZVI還原1,2-二氯乙烷可行性與配比試驗(yàn)。試驗(yàn)用水采用修復(fù)地塊內(nèi)的地下水,4 L的試驗(yàn)用水從試驗(yàn)裝置頂部裝入,通過填料淋濾,淋濾液送往實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)。

2 結(jié)果與討論

2.1 活性炭吸附脫色結(jié)果分析

活性炭吸附脫色試驗(yàn)過程照片見圖2。

圖2 活性炭吸附效果照片

由活性炭修復(fù)脫色試驗(yàn)過程對(duì)比照片可知,分別加入相應(yīng)配比的活性炭后充分?jǐn)嚢?溶液立即變?yōu)楹谏?短時(shí)間內(nèi)活性炭難以沉淀,大約 2 d活性炭基本能夠沉淀并吸附大部分有機(jī)物并基本去除溶液顏色。根據(jù)試驗(yàn),0.5‰～1‰的質(zhì)量配比的活性炭能夠有效去除染料廢水的顏色。

2.2 鐵粉還原1,2-二氯乙烷效果分析

鐵粉還原1,2-二氯乙烷的結(jié)果見表2。

表2 鐵粉還原1,2-二氯乙烷結(jié)果一覽表

由表2可知,采用不同厚度的鐵粉還原1,2-二氯乙烷,鐵粉的滲透系數(shù)為0.64 m/d,處理4L濃度為375 ug/L的1,2-二氯乙烷的地下水,其中0.5 m厚的鐵粉還原1,2-二氯乙烷的效果較好,1,2-二氯乙烷的去除率為73%;0.1 m厚的鐵粉與次氯酸鈉混合去除1,2-二氯乙烷的效果與單獨(dú)0.1 m厚鐵粉去除1,2-二氯乙烷效果相比,1,2-二氯乙烷的去除率沒有明顯提高,鐵粉與修復(fù)污染水的質(zhì)量比為489%。

2.3 PRB墻參數(shù)設(shè)計(jì)

2.3.1 反應(yīng)單元厚度設(shè)計(jì)

反應(yīng)單元厚度計(jì)算公式如下:

b=SF·v·tres

(2)

式中:b為PRB的最小厚度(m);v為通過反應(yīng)介質(zhì)格柵的地下水流速(m/d);SF為安全系數(shù);

(3)

式中:tres為滯留時(shí)間(d);C0為進(jìn)入PRB的污染物濃度(mg/L);CT為PRB下游污染物(含副產(chǎn)物)的設(shè)計(jì)濃度(mg/L);k為反應(yīng)速率(1/d)。

成本低、收益高、來錢快，這是不少人從事酒托的主要原因。對(duì)此，司法機(jī)關(guān)應(yīng)依法嚴(yán)懲。無論是將酒托案的性質(zhì)定為詐騙，還是強(qiáng)迫交易，涉案者都會(huì)面臨嚴(yán)厲的法律制裁。為何仍有人鋌而走險(xiǎn)？大概與僥幸心理有關(guān)，即認(rèn)定受害者寧愿吃啞巴虧，也不會(huì)報(bào)警，受害者的沉默就是對(duì)酒托的縱容。

根據(jù)研究地塊的水文地質(zhì)條件,含水層滲透系數(shù)取13.3 m/d,地下水的水力梯度為8‰,PRB填料采用顆粒活性炭、鐵粉、石英砂,填料的滲透系數(shù)最小為周邊地層的2倍,最佳為10倍,故活性炭等填料的滲透系數(shù)最佳為130 m/d,最小為26.6 m/d。,則通過反應(yīng)介質(zhì)通過格柵的地下水流速v為0.21～3.12 m/d;tres根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定,按照活性炭的吸附時(shí)間2 d計(jì),安全系數(shù)SF按1.5計(jì),則墻體厚度b最佳為3 m,最小為0.65 m。

2.3.2 墻體深度與墻體長(zhǎng)度的選擇

根據(jù)研究地塊的水文地質(zhì)條件,墻體深度應(yīng)嵌入中風(fēng)化基巖層為1.5 m,含水層厚度為1.10 m;墻體長(zhǎng)度需根據(jù)污染源與污染羽的分布特征確定,初步按30 m計(jì)。

2.3.3 填料的添加量

1)根據(jù)測(cè)定的實(shí)際場(chǎng)地地下水污染物濃度、地下水流速和流量,計(jì)算每年流過反應(yīng)介質(zhì)的污染物總質(zhì)量t1,單位:g/a;

2)采用等溫吸附試驗(yàn),以實(shí)際的地下水為反應(yīng)體系,建立吸附反應(yīng)動(dòng)力學(xué)曲線,計(jì)算Freundlich和Langmuir模型的動(dòng)力學(xué)參數(shù),獲得反應(yīng)介質(zhì)對(duì)某個(gè)污染物的最大吸附量t2,單位:g/kg;試驗(yàn)地塊的填料最大處理量采用活性炭與鐵粉的試驗(yàn)結(jié)果。

3)根據(jù)反應(yīng)格柵介質(zhì)的添加量w(kg),計(jì)算反應(yīng)介質(zhì)的理論壽命N:

N=t2w/t1

(4)

N按8 a考慮。

則W鐵粉=2 734.7 kg、W活性炭=14 000 kg。

為了保證反應(yīng)格柵介質(zhì)的滲透系數(shù)為周邊地層滲透系數(shù)的10倍,需添加石英砂調(diào)整填料的滲透系數(shù),石英砂的添加比例根據(jù)滲透系數(shù)試驗(yàn)確定。

3 結(jié)語

(1)針對(duì)染料廢水中的色度,采用活性炭吸附能夠有效地吸附,活性炭與污染地下水的配比為0.5‰～1‰的質(zhì)量配比。

(2)采用不同厚度的零價(jià)鐵(ZⅥ)還原1,2-二氯乙烷,鐵粉的滲透系數(shù)為6.4 m/L,處理4L濃度為375 ug/L的1,2-二氯乙烷的地下水,其中0.5 m厚的鐵粉還原1,2-二氯乙烷效果較好,1,2-二氯乙烷的去除率為73%,鐵粉與修復(fù)污染水的質(zhì)量比為489%。

(3)在進(jìn)行可滲透性反應(yīng)墻設(shè)計(jì)時(shí),需考慮含水層的滲透系數(shù)、水力梯度、停留時(shí)間等計(jì)算墻體厚度;考慮地下水中目標(biāo)污染物濃度、設(shè)計(jì)年限等,根據(jù)試驗(yàn)確定的配比等確定填料的添加量;在設(shè)計(jì)時(shí),需考慮安全系數(shù)。