PRB在地下水污染修复中的应用与研究进展_邱锦安

PRB在地下水污染修复中的应用与研究进展邱锦安1，张澄博1,2，李洪艺1,2，张永定1，陈仲如1，林涛1，彭利群1（1.中山大学地球科学系，广东广州510275；2.广东省地质过程与矿产资源探查重点实验室，广东广州510275）摘要：地下水污染已成为当今世界严峻的环境问题。

为保护地下水资源，采取有效的地下水污染防治措施已迫在眉睫。

PRB 作为原位治理领域中的新型技术，具有处理时效长、可同时处理多种污染物、运行费用低等优点。

综述了PRB的结构类型、反应介质、反应机理和国内外研究进展，分析了存在的问题，并对其应用前景进行了展望。

关键词：地下水污染；PRB；原位治理；研究进展中图分类号：X52文献标识码：A文章编号：1004-874X（2011）13-0144-03Application and research progress of PRB inremediation of polluted groudwaterQIU Jin-an1,ZHANG Cheng-bo1,2,LI Hong-yi1,2,ZHANG Yong-ding1,CHEN Zhong-ru1,LIN Tao1,PENG Li-qun1(1.Department of Earth Science,Sun Yat-sen University,Guangzhou510275,China；2.Guangdong Province Key Laboratory of Geological Processes and Mineral Resources Exploration,Guangzhou510275,China)Abstract:Pollution of the groundwater had became a serious environmental problem in the world today.To protect the groundwater resources,taking effective prevention-control measures of groundwater pollution was very urgent.As a new technology in the field of treatment in situ,Permeable reactive barrier had many advantages such as long processing ag e ing,simultaneous processing various pollutants,inexpensive operating cost and so on.Structure types,reactive medium,reactive mechanism,research progress at home and abroad were discussed generally in the paper.Some problems were analyzed,and the developing prospect was expected.Key words:groundwater pollution；permeable reactive barrier；treating in situ；research progress经济社会不断向前发展，生活、工业、农业等人为活动产生了大量污染物，不但引起地表水污染，还导致了地下水污染。

据统计，我国超过50%的城市地下水污染较严重，大多数的城市地下水水质不断恶化[1]。

在许多农村地区，由重金属引起的土壤污染也日趋严重[2]。

土壤系统与地下水系统紧密联系，土壤污染也导致了地下水污染。

保护人类宝贵地下水资源和治理地下水污染已刻不容缓。

相比传统的异位处理法(如抽出处理法)，属于原位修复的可渗透反应墙（Permeable Reactive Barrier，简称PRB)技术无需外加动力，具有处理效果好、可同时处理多种污染物、处理时效长、运行费用低等优点。

1998年美国环保署将其定义为:在地下安装活性材料墙体用来拦截污染羽状体,使污染羽体依靠自然水力传输，通过预先设计好的反应介质后,溶解的有机物、金属、核素等污染物被降解、吸附、沉淀或去除[3]。

目前欧美发达国家普遍研究PRB 并将其商业化应用，而我国有关PRB技术的研究起步较晚，仍处于试验研究阶段。

1PRB系统及其反应机理1.1PRB简介PRB系统结构类型主要有两类：连续式可渗透反应墙（Continuous PRB）、漏斗-渗透门式反应墙(Funnel and Gate PRB)。

连续式PRB结构比较简单，但它要设计得足够大，确保整个污染水羽体都能通过。

而漏斗-渗透门式PRB将隔水漏斗嵌入隔水层中，引导污水流进导水门，汇集后经过含有反应介质的可渗透反应墙，就可进行污水修复了。

漏斗-渗透门式PRB系统又可分为单通道系统和多通道系统。

多通道又有并连多通道和串连多通道两类。

当污染地下水羽较宽时,主要采用并连多通道系统处理；而对于不同类型污染物混合情况下的地下水处理,一般采用串连多通道系统。

在实际应用时应根据场地、污染物、水流等特征采用结构合理的PRB系统。

在PRB系统构筑过程中，如何选取合理有效、费用低廉的反应材料是个关键问题。

Blowes等[4]研究指出：高效的反应材料必须满足3个基本条件:(1)当污染地下水流经反应墙时,污染组分与反应材料之间应有一定的物理、化学或生物反应性；(2)处理区的反应材料应能大量获得,以确保处理系统能长期有效地发挥功用；(3)反应材料不应产生二次污染。

PRB介质材料主要有零价铁（Fe0）、活性炭、沸石、粘土矿物、煤炭、离子交换树脂、硅酸盐、磷酸盐、高锰酸钾晶粒、石灰石、铁的氧化物和氢氧化物、双金属、微生物、轮胎碎片、泥煤、稻草、锯末、树叶、黑麦籽、堆肥以及泥炭和砂的混合物等[5]。

目前,PRB技术反应介质采用最多的材料是Fe0,它可以加速污染物中的难生物降解有机物的还原或分解,可以有效去除重金属，且取材容易、价格便宜。

PRB系统要在地下运行多年，对于污染成分复杂的地下水，单一的反应介质无法有效地去除这些污染物。

选择收稿日期：2011-05-19基金项目:广东省科技计划项目（2005A30402004）作者简介:邱锦安（1985-），男，在读硕士生，E-mail:qiujinan_sysu @通讯作者:张澄博（1970-），男，博士，副教授，E-mail:eeszcb@mail. 广东农业科学2011年第13期144多元化、多级化的PRB处理系统,其反应介质达到最佳配比，吸附效果会更好。

吉林大学杜连柱等[6]以还原铁粉、铸铁粉、和铸铁粉与活性炭组成的混合物为可渗透反应墙的主要反应介质，分别设计了3种反应体系,处理多氯联苯PCBs污染的地下水，证明了混合介质处理效果要比单一介质反应时要好。

尹国勋等[7]利用铁屑和粉煤灰组合来处理地下水Cr6+，试验研究表明铁与粉煤灰的比值对处理结果有较大影响，当介质投加量一定时，铁屑与粉煤灰的比值越大，其处理效果越好，但当达到一定数值后(1∶1)，随着其比例的增大，去除率又呈缓慢下降趋势。

铁屑与粉煤灰的比值在1时，去除率最高。

1.2反应机理PRB技术有物理、化学、生物3种修复机理，还可再细分为吸附、沉淀、氧化还原和生物降解等多种反应机理[8]。

吸附反应中不同的吸附剂，有着不同的反应机理。

如通过活性炭的吸附作用去除有机组分；采用沸石或者合成的离子交换树脂去除地下水中的离子型污染组分；通过注入阳离子表面活性剂到地下水中，增大有孔介质对有机物的吸附能力。

沉淀反应机理是通过矿物颗粒的溶解和沉淀析出作用来处理污染组分。

如采用羟磷灰石作为活性物质，羟磷灰石的溶解导致磷酸根离子浓度增大，磷酸根离子与铅结合形成磷酸铅颗粒并在水中析出，这样就去除污染组分———铅。

氧化还原反应机理在Fe0－PRB技术中最常见。

如利用零价铁作为电子供体来氧化作为电子受体的氯代有机物，使有机物发生脱卤或氢解反应实现脱毒[9]，从而达到净化水质的目的。

PRB系统的生物降解机理就是消除污染环境中的微生物生长和新陈代谢的限制，从而增大微生物对污染组分的降解速率。

反应介质可以为微生物降解作用提供营养物质，例如用锯末灰来提供可溶解的有机炭，作为硝化细菌的营养物质，从而增大硝酸根的降解速率，使其转换为亚硝酸根或氮气，从而达到了去除污染物的目的。

2PRB应用与研究进展2.1国外应用进展PRB最初的应用可追溯到20世纪70年代[10]，当时将含有石灰岩介质的PRB用于修复酸性矿山污水。

80年代新型的PRB技术并没有得到进一步发展。

直到1989年，加拿大滑铁卢大学安大略省的保登(Borden)现场演示用PRB技术修复受污染的地下水[11]。

进入90年代，PRB技术得到了极大的发展,欧美国家对PRB进行大量的工程研究及试验研究,并已开始将其商业化应用。

1994年，Gillham等[12]首次实地试验考察了零价铁对氯代有机物的还原性脱氯效果，该系统运行5年后，去除效果仍然没有明显下降。

这种成本低廉和处理效果好的技术立刻倍受关注，引起来国内外对PRB的研究潮流。

2001年Conca等[13]在美国Success矿附近修建了PRB 用于修复尾矿库排出的污水。

反应材料是磷灰石。

实验结果表明:地下水中铅、锌和镉浓度减少99%；出水镉和铅的浓度低于检测限以下，pH值增加到6.5～7.0；硫酸盐浓度从250mg/L降到35～150mg/L。

欧洲国家对于PRB的工程实践应用也较早，使用效果也很好。

1995年，英国研究人员[14]在北爱尔兰区的Monkstown 安装了一个漏斗-渗透门式的PRB用来修复治理含有高浓度的除油剂———三氯乙烯的地下水。

这些受污染的地下水流经以Fe0为反应介质的PRB被动反应区后，水中的三氯乙烯浓度减少了。

2002年研究人员在匈牙利安装了一个以碎铁屑为反应介质的连续式PRB系统用来修复受铀污染的地下水[15]。

1年后检测时发现，地下水含铀浓聚物从大约1000 mg/L减少到10mg/L，浓度降幅达99%。

但是发现有大量的沉淀物在PRB系统里，这影响了地下水通过PRB的流量，减弱了Fe0的反应灵敏度。

尽管如此，这个PRB系统还可持续运行60年左右。

2004年保加利亚西部也安装了一个连续式PRB装置，用来修复pH值达2.5～3.7的铀矿矿山酸性污水，这些污水含有高浓度的放射性核素（主要是铀和镭）、重金属、砷和硫酸盐[16]。

这个PRB系统放置了可生物降解的混合有机材料（木屑、牛粪肥等混合物）、压碎的石灰岩、沸石等作为反应介质，硫酸盐还原细菌和其他微生物也在PRB 系统里面。