PRB技術(shù)在地下水污染修復(fù)中的應(yīng)用

郭 彬,蘇宏建

[1.華勘(天津)生態(tài)城市研究院有限責(zé)任公司,天津 300170; 2.華北地質(zhì)勘查局五一四地質(zhì)大隊(duì),河北 承德 067000; 3.河北華勘資環(huán)勘測有限公司,河北 承德 067000]

地下水資源作為重要的水資源之一對于生態(tài)平衡發(fā)展起到了重要作用,但近年來地下水污染問題愈加嚴(yán)重,為了有效解決地下水問題,對PRB技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用研究,結(jié)合物理、化學(xué)及生物手段完成污染物截留和轉(zhuǎn)化,達(dá)到修復(fù)地下水的目的。本研究深入探討了PRB技術(shù)在地下水修復(fù)中的具體應(yīng)用,分析其工作原理,研究其實(shí)際效果,探索可能影響其修復(fù)效果的各種因素,為地下水修復(fù)領(lǐng)域提供新的理論視角和實(shí)踐指導(dǎo)。

1 PRB技術(shù)的應(yīng)用原理、構(gòu)成及工作方式

1.1 PRB技術(shù)的應(yīng)用原理

PRB(Permeable Reactive Barrier)也被稱為固體反應(yīng)屏障技術(shù),是一項(xiàng)專為修復(fù)地下水污染而設(shè)計(jì)的方式,其基礎(chǔ)原理是在地下設(shè)置具有高度通透性的反應(yīng)屏障。屏障的構(gòu)建通常使用特定的反應(yīng)介質(zhì),如零價(jià)鐵或活性炭,促進(jìn)污染物的分解或吸附。PRB技術(shù)應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)是具備被動(dòng)性。安裝完成后,PRB可以長時(shí)間保持穩(wěn)定運(yùn)行,不需要額外的能源或經(jīng)常性的維護(hù)。該技術(shù)能夠?qū)V泛的污染物進(jìn)行有效修復(fù),取決于選擇的反應(yīng)介質(zhì)及其與污染物的相互作用特性。

1.2 PRB的構(gòu)成及工作方式

PRB(Permeable Reactive Barrier)構(gòu)成主要包含兩部分：具有通透性的屏障結(jié)構(gòu)和填充的特定反應(yīng)介質(zhì)。該屏障是沿地下水的流動(dòng)方向垂直放置,確保地下水能有效流經(jīng)而受到修復(fù)處理。反應(yīng)介質(zhì)的選擇關(guān)鍵在于其與特定污染物的相互作用能力。例如,零價(jià)鐵常用于處理氯化物,它可以與其發(fā)生赤化反應(yīng),使氯化物轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)。而活性炭具有高度的吸附能力,常用來去除有機(jī)污染物。此外,某些生物材料也可作為反應(yīng)介質(zhì),通過生物降解的方式去除污染物。PRB工程方式主要是當(dāng)?shù)叵滤鹘?jīng)PRB時(shí),污染物與反應(yīng)介質(zhì)接觸,通過化學(xué)、物理或生物反應(yīng)使污染物得到降解、吸附及轉(zhuǎn)化,將其從地下水中移除或大大降低濃度。整個(gè)過程不需要額外的能源輸入,完全利用地下水的自然流動(dòng)實(shí)現(xiàn)修復(fù),具備高效性與經(jīng)濟(jì)性,對環(huán)境干擾最小。

2 地下水污染樣本獲取

2.1 水樣取樣設(shè)備與方式

地下水樣品的采集是進(jìn)行地下水質(zhì)量評估和監(jiān)測的關(guān)鍵步驟。常用的取樣方式是利用專門設(shè)計(jì)的抽水泵,這種泵可安裝在觀測井內(nèi),確保樣品不受到外部因素的污染。其中,電動(dòng)潛水泵是最為普遍的一種,可確保在深層地下水采樣時(shí)得到連續(xù)具有代表性的水樣。對于污染物濃度較低或需要進(jìn)行微生物分析的樣品,經(jīng)常使用無油真空手動(dòng)抽水泵,以防止任何潛在的污染。巴爾瓦爾夫(Bailers)也是常見的取樣設(shè)備,主要應(yīng)用于需要簡單、快速取樣的場合。在實(shí)際取樣過程中,需在觀測井中排放一定量的地下水,通常為井筒容積的3～5倍,這樣可確保樣品完全代表井下的地下水質(zhì)量。采集完畢后,樣品需要被立即密封、冷藏,并送至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析。每次采樣完成后,所有的設(shè)備都需要進(jìn)行徹底的清洗和消毒,以準(zhǔn)備下一次的采樣,確保樣品不受交叉污染。在數(shù)據(jù)分析階段,采樣深度、位置、時(shí)間等參數(shù)都需要詳細(xì)記錄,并與化學(xué)、物理和生物分析結(jié)果一同考慮,以獲得對地下水污染情況的全面了解。

2.2 水樣初始污染物分析

對地下水樣本進(jìn)行初步分析是評估地下水污染程度和后續(xù)PRB技術(shù)應(yīng)用的前提。利用高效液相色譜(HPLC)和氣相色譜-質(zhì)譜(GC-MS)對水樣進(jìn)行有機(jī)污染物的定性與定量分析。數(shù)據(jù)顯示,受污染的地下水中含有多種有機(jī)化合物,其中苯、甲苯和二甲苯的濃度分別為50 μg/L、120 μg/L和80 μg/L,遠(yuǎn)超過安全標(biāo)準(zhǔn)。通過離子色譜法對無機(jī)離子如鉛、鉻和汞進(jìn)行測定,分析結(jié)果顯示濃度分別為15 μg/L、25 μg/L和2 μg/L,超出了國家設(shè)定的飲用水標(biāo)準(zhǔn)。研究發(fā)現(xiàn),地下水具有豐富的污染物種類,污染物呈現(xiàn)出高濃度,需對其進(jìn)行及時(shí)修復(fù)。需運(yùn)用PRB技術(shù),針對地下水污染實(shí)際情況,設(shè)計(jì)合適的PRB實(shí)驗(yàn)方案,為實(shí)驗(yàn)結(jié)果提供有力的對照基準(zhǔn),以確保PRB技術(shù)在地下水修復(fù)中的應(yīng)用價(jià)值得到充分體現(xiàn)。

3 PRB技術(shù)應(yīng)用試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方案

基于初步污染物分析,針對地下水中檢測到的關(guān)鍵污染物如苯、甲苯、二甲苯及鉛、鉻、汞,設(shè)計(jì)了PRB技術(shù)應(yīng)用試驗(yàn)方案。考慮到有機(jī)污染物的性質(zhì),選用零價(jià)鐵作為主要的反應(yīng)介質(zhì),其與有機(jī)化合物可進(jìn)行赤化反應(yīng),有效降解有機(jī)物。為了解決無機(jī)金屬離子污染問題,在反應(yīng)屏障中加入生物活性炭,利用其高吸附能力對金屬離子進(jìn)行吸附去除。PRB的厚度設(shè)計(jì)為1.5 m,確保水流完全經(jīng)過此屏障并與反應(yīng)介質(zhì)充分接觸。根據(jù)地下水流速和污染物濃度,預(yù)計(jì)PRB使用周期達(dá)5年,之后需進(jìn)行材料的替換或再生。為了監(jiān)測PRB的修復(fù)效果,計(jì)劃在PRB的上游和下游各設(shè)置3個(gè)觀測井,以定期取樣并分析污染物的去除效果。此試驗(yàn)方案旨在通過合理的設(shè)計(jì)和實(shí)施,確保PRB技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中能夠達(dá)到預(yù)期的修復(fù)效果。

3.2 試驗(yàn)條件

為確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和地下水污染樣本的代表性,試驗(yàn)條件必須經(jīng)過嚴(yán)格控制。所有觀測井的深度均為30 m,確保從地下水含水層的中部取得樣本,更能反映真實(shí)的地下水質(zhì)?？紤]到地下水的流速約為0.5 m/d,取樣頻率設(shè)定為每月一次,以便獲得時(shí)間分辨率上的污染變化情況。水樣采集時(shí),泵浦的流速設(shè)定為0.2 L/min,確保取樣過程中不受氣泡和沉積物的干擾。所有水樣都應(yīng)在15 ℃的恒溫條件下保存,并在24 h內(nèi)送至實(shí)驗(yàn)室分析,以減少污染物的揮發(fā)或生物降解。使用高效液相色譜(HPLC)和氣相色譜-質(zhì)譜(GC-MS)分析時(shí),控制儀器的室溫在22 ℃,以保證分析的準(zhǔn)確性和重復(fù)性。在上述試驗(yàn)條件下,苯、甲苯和二甲苯的濃度分布穩(wěn)定,與PRB技術(shù)應(yīng)用試驗(yàn)研究的數(shù)據(jù)吻合,證明試驗(yàn)條件的嚴(yán)格控制為整個(gè)研究提供了可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3.3 數(shù)據(jù)收集

數(shù)據(jù)收集與分析是確保地下水污染樣本代表性的關(guān)鍵步驟。對于苯、甲苯和二甲苯等有機(jī)污染物的濃度測量,采用高效液相色譜(HPLC)及氣相色譜-質(zhì)譜(GC-MS)技術(shù),每月在恒定的30 m深度通過特制不銹鋼水樣器進(jìn)行水樣采集,確保樣本的完整性,避免二次污染。在實(shí)驗(yàn)室中,樣品經(jīng)過預(yù)處理后,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)制備的校準(zhǔn)曲線進(jìn)行定量分析。其公式如下：

(1)

其中,Cx是待測樣品濃度,Ax是樣品的峰面積,As是標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的峰面積,Cs是標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的濃度。為了確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,每次測量都進(jìn)行3次復(fù)測,取其平均值作為該月的污染物濃度。為了探討不同月份間的差異是否顯著,進(jìn)行了方差分析(ANOVA),結(jié)果顯示,苯、甲苯和二甲苯的濃度隨月份存在顯著性差異(p<0.05)。如表1所示。運(yùn)用質(zhì)譜分析對水樣中的其他有機(jī)物進(jìn)行識別,以了解除了已知的幾種污染物外還可能存在哪些潛在的有機(jī)污染源。通過數(shù)據(jù)收集,將為PRB技術(shù)的優(yōu)化和進(jìn)一步應(yīng)用提供參考依據(jù)。

表1 不同月份樣本污染物濃度變化

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 PRB技術(shù)修復(fù)效果

PRB技術(shù)作為一種被廣泛應(yīng)用于地下水修復(fù)的方法,旨在形成一個(gè)固定的反應(yīng)帶,以降低通過的污染物濃度。在實(shí)驗(yàn)中使用了一個(gè)鋼鐵壁,利用其還原性來降解有機(jī)污染物,特別是苯、甲苯和二甲苯。PRB的構(gòu)建位置選定為污染物濃度最高的位置,確保得到最佳的修復(fù)效果。經(jīng)過6個(gè)月的實(shí)驗(yàn)周期后,從PRB下游取得的地下水樣品顯示,相較于沒有設(shè)置PRB的情況,苯、甲苯和二甲苯的濃度均大幅降低。如表2所示。

表2 PRB技術(shù)修復(fù)效果

修復(fù)效率是評估PRB效果的關(guān)鍵指標(biāo)。其計(jì)算公式如下：

(2)

其中,R代表修復(fù)效率,Ci是地下水污染物濃度,Cf是PRB修復(fù)后地下水污染物濃度。除了對有機(jī)污染物的修復(fù),還對無機(jī)離子進(jìn)行了分析。結(jié)果顯示,地下水污染物含有的硝酸鹽濃度從30 mg/L降至2 mg/L,鐵的濃度從0.5 mg/L上升到2 mg/L。這可能是由于PRB中鋼鐵與硝酸鹽發(fā)生反應(yīng),導(dǎo)致鐵離子的釋放。通過質(zhì)譜分析檢測到的有機(jī)污染物也得到了不同程度的降解。這表明PRB不僅針對主要的有機(jī)污染物,還對其他污染物具有一定的修復(fù)效果。

4.2 PRB修復(fù)效果影響因素

PRB在地下水修復(fù)領(lǐng)域已被證明具有應(yīng)用價(jià)值,但其修復(fù)效果受到多種因素的影響。為了更全面地評估和預(yù)測其在實(shí)際應(yīng)用中的表現(xiàn),對幾個(gè)關(guān)鍵因素進(jìn)行探討。PRB的物理特性是一個(gè)決定性因子。以鐵壁為例,其顆粒大小、孔隙度及比表面積直接關(guān)系到反應(yīng)速度。數(shù)據(jù)顯示,顆粒直徑在1～2 mm的鐵壁對于有機(jī)污染物的修復(fù)效果明顯優(yōu)于5～6 mm的鐵壁。此外,孔隙度高的鐵壁因?yàn)樘峁┝烁嗟牧鲃?dòng)通道,其修復(fù)效果較好。如表3所示。

表3 鐵壁顆粒對PRB技術(shù)修復(fù)效果產(chǎn)生的影響

污染物的初始濃度和類型會(huì)影響修復(fù)效果。例如,對于高濃度的苯和甲苯,需要更長的修復(fù)時(shí)間和更大的反應(yīng)物比例。而某些金屬離子,如銅和鋅,可能與鐵壁產(chǎn)生競爭吸附,從而降低有機(jī)污染物的修復(fù)效率。地下水流速是另一個(gè)重要的影響因子。通過觀察,流速在0.2～0.4 m/d的區(qū)域,PRB修復(fù)效果最佳,其為有機(jī)污染物與反應(yīng)物提供了足夠的接觸時(shí)間。而在流速較高或較低的區(qū)域,效果都會(huì)受到一定程度的影響。環(huán)境因子,如地下水的pH值、溫度及紅ox條件也與PRB的修復(fù)效果密切相關(guān)。一般來說,pH值在6.5～7.5,溫度在10 ℃～25 ℃,較為還原的環(huán)境是最適宜鐵壁進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的。PRB的修復(fù)效果受到多種因素的綜合影響。在設(shè)計(jì)和部署PRB時(shí),必須綜合考慮上述因素,以確保其在實(shí)際場景中達(dá)到預(yù)期效果。

5 結(jié)束語

PRB技術(shù)作為一種高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的地下水修復(fù)方法已在多個(gè)場景中展現(xiàn)了其優(yōu)越性。對PRB技術(shù)進(jìn)行深入探討和實(shí)驗(yàn)研究,分析其在地下水修復(fù)中的作用機(jī)制、修復(fù)效果及影響其效果的多種因素,為今后廣泛應(yīng)用PRB技術(shù)提供了重要的理論支持和實(shí)踐指導(dǎo)。但PRB技術(shù)研究仍有很多尚未觸及的領(lǐng)域,需要人們共同努力,進(jìn)一步優(yōu)化技術(shù),擴(kuò)大應(yīng)用范圍,為保護(hù)和恢復(fù)地下水資源做出更大的貢獻(xiàn)。