可渗透反应墙(PRB)技术综述

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梅婷
（武汉智汇元环保科技有限公司，湖北 武汉430079）
摘要：为促进PRB 技术在国内的研究和发展，本文对PRB 技术原理、结构类型及优缺点、应用材料及其原理、设计方案等进行阐述,为我国PRB 技术的研究提供一些参考。

关键词：可渗透反应墙；PRB；地下水修复中图分类号：X3 文献标识码：A 文章编号：2095-672X(2019)08-0089-02DOI:10.16647/15-1369/X.2019.08.050
Review of permeable reactive wall (PRB) technology
Mei Ting
(Wuhan Zhihuiyuan Environmental Protection Technology Co.,Ltd.,Wuhan Hubei 430079,China)
Abstract:In order to promote the research and development of PRB technology in China, this paper expounds the PRB technology principle, structure type and advantages and disadvantages, applied materials and their principles and design schemes, and provides some references for the research of PRB technology in China.
Key words:Permeable reaction wall;PRB;Groundwater remediation
有色金属矿山开采产生大量矿山酸性水和重金属污染，尾矿中金属硫化物氧化所释放出金属元素，形成重金属酸水污染晕，危及矿区生态系统和尾矿坝体结构稳定性[1]，所以有必要找到一种可以有效处理矿山酸性废水的技术方法。

1982年由美国环保局提出可渗透反应墙技术，20世纪90年代初期得到了深入的研究，该项技术具有经济、便捷、处理效果好等优点[2]。

1 PRB 的概念及基本原理
PRB 技术的原理是在地下水流方向上填充活性材料，利用天然地下水力梯度使污染地下水优先通过渗透系数大于周围岩土体的透水格栅并与填充在内的活性反应介质相接触反应达到去除污染物的目的[3]。

2 介质材料
2.1 还原型材料2.1.1 零价铁
Fe 0可为卤代烃提供电子，还原卤代烃生成挥发性气体乙烷和可溶性氯化物。

Fe 0也可将铬酸根（CrO 42–）还原六价铬至三价铬化合物沉淀。

1996年6月，美国北卡罗来纳州伊丽莎白城铬污染非常严重，研究人员使用450t 铁屑进行充填安装了一个连续PRB 使地下水通过后，上游铬的浓度由10mg/L 降为0.01mg/L，污染的地下水成功被修复。

铁（Ⅱ）矿物也可还原重金属离子等无机离子以单质或难溶性化合物沉淀去除；也可还原脱除卤素。

2.1.2 双金属
双金属是指在一种金属的表面上镀上第二种金属，采用具有活性差的金属作为PRB 介质材料，用于处理地下水中的卤代烃等。

Grittini 等[7]研究证明铅/铁双金属系统可降解十分难降解的多氯联苯。

另有国外学者研究了铅/铁双金属系统，研究表明铁表面的铅加速脱氯过程，反应速率可以比Fe 0系统大10倍。

随着反应进行，铁氧化膜降低催化剂钯的催化效率。

2.2 沉淀型材料2.2.1 改性赤泥
改性赤泥含有铁铝的水合物、方钠石、氢氧化钙等碱性材料，pH 值8.0～10.5，对多数金属离子有较好的沉淀作用。

孙道兴等将赤泥经强碱浸出氧化铝后，控制变量搅拌1h，静置2h 后研究对Pb 2+
、Cd 2+
、Cr 3+
等离子去除效果，在添加量为20g/L 时，铅、铬、镉的吸附
率分别达到了90%、94%、85%以上，离子初始质量浓度越大，吸附率越小。

还有国内学者研究了采用焙烧和盐水焙烧得到两种赤泥，拥有更能提高酸性水pH 值的能力，金属离子去除能力更强，盐水焙烧联合改性方法使得处理效果更稳定。

2.2.2 石灰石
石灰石与废水中氢离子反应，使得废水的pH 升高。

金属离子（Me）与OH -发生反应生成氢氧化物沉淀。

但是如果地下水中硫酸盐的浓度较高是则不宜大量使用石灰石，因为生成的硫酸钙会覆盖在石灰石表面，导致石灰石失效。

2.2.3 炼钢炉渣
炉渣含有铁、钙、镁、铝元素的氧化物、硅酸盐以及硫和其他微量元素，同时其含有的石灰成分和硅铝酸盐可以作为缓冲剂使得地下水pH 值升高到12～13，Franklin Obiri-Nyarko 等[4]在室内试验使用炼钢炉渣进行试验，研究表明可以被用来处理地下水中的一些污染物。

除此之外还使用过亚硫酸氢钠、硅铝酸盐、羟基磷灰石等沉淀型材料。

2.3 吸附型材料2.3.1 活性炭
活性炭本身是一种很强的有机物吸附剂，对大分子的芳香烃、小分子腐殖质等有很高的吸附去除率。

李莉等通过对比实验发现，当零价铁和活性炭质量分数分别为40%、30%时，对六价铬的还原能力最强，除污效果非常明显。

还有国内学者利用ORC （释氧化合物）、GAC （活性碳颗粒）和Fe 0联合起来使用。

该技术的优势在于能使温度、压力和二氧化碳的浓度保持一定的稳定性，不易形成沉淀，可防止“生物堵塞”。

2.3.2 沸石
沸石是一种铝硅酸盐矿物，沸石表面孔隙结构允许用于选择性吸附污染物，但不适合吸附有机化合物。

A.Z.WOINARSKI 等人在南极洲重金属污染水域发现具有Cu 2+交换特性的天然斜发沸石在2～22℃可促进PRB 修复重金属。

根据一维质量转换模型的非平衡吸附Cu 2+固定床反应流显示，质量转换与流量无关，但传质系数随流速增加而增大。

在相同的批试验中固定床内斜发沸石容量约为固定床的50%，传质系数在2～8倍之间。

低温下固定床性能明显降低，在2℃时，其突破点和饱和容量比28℃要小60%～65%，低温
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对天然沸石处理重金属产生不利影响。

2.4 降解型材料
2.4.1 厌氧型生物降解材料
生物反应墙主要采用覆盖堆肥的方法将固态有机质混合堆放使之发酵培育厌氧微生物还原处理污染物，达到降解污染物的目的。

树叶、木材废料和堆肥等廉价材料已经被用于从地下水中去除硝酸盐。

Robertson 等研究了沙粒和木屑混合物对硝酸盐的长期去除率。

2.4.2 曝气型生物降解材料
CaO 2、MgO 2等固体氧和硝酸盐释放化合物（ORC）在地下释放氧气或形成有氧活跃带。

曾有国外学者利用水泥浸渍ORC 作为氧的来源来去除苯和甲苯。

Mackay 等人还在范登堡空军基地和惠尼梅港海军建设营中心两个地点对使用PRB 的甲基叔丁基醚（MTBE）原位有氧生物处理进行评估。

研究结果表明，引入氧气刺激两个位点的微生物，可使MTBE 完全降解。

3 PRB 的设计
3.1 设计原则
墙体渗透系数应大于含水层的渗透系数，以最大限度降低对地下水流场的影响；根据污染物类型，通过室内试验确定合适的介质材料、墙体规模和方位，以保证修复效果；设置监测井监控PRB 的性能，保证其长期安全运行和降低当地生态环境的不良影响。

3.2 设计参数
PRB 主要的设计参数包括PRB 安装位置的选择、结构的选择、埋深、规模、水力停留时间、方位、反应墙的渗透系数、活性材料的选择及其配比。

根据这些参数计算确定PRB 的结构、安装位置、方位及尺寸、使用期限、监测方案，并估算总投资费用。

4 技术经济性
同其他地下水修复技术相比，PRB 技术具有效率高、造价低的特点。

根据污染物种类、介质材料、设计规模和使用寿命不同，造价一般在几万到几百万美元不等。

5 结语
（1）主要介质材料的选取和试验分析其效果、影响因素、配比等研究仍处于初级阶段，研究经费占比较低。

目前研究多为参考国外案例经验为主，缺乏材料的自主研发。

（2）目前研究仍大范围局限于室内试验，现场试验案例仍然较少，同时缺乏对前期场地的调研和PRB 技术结构设计方面的经验，缺少现场试验的经验参数和同步研究，还应考虑前期勘察、结构、运行监测等方面的因素。

（3）环境修复成本较高，PRB 技术研发缺乏相应的融资途径和资金来源。

目前亟待解决技术研发的资金成本问题。

参考文献
[1]束善治,袁勇.污染地下水原位处理方法:可渗透反应墙[J].环境污染治理技术与设备,2002(01):47-51.
[2]Franz-Georg Simon, Tamás Meggyes, Removal of organic and inorganic pollutants from groundwater using permeable reactive barriers[J].Land Contamination & Reclamation, Vol.8,Issue2,103-116(2000).
[3]USEPA. Washington, DC: EPA, 1998.
[4]Franklin Obiri-Nyarko, S,etal.An overview of permeable reactive barriers for in situ sustainable groundwater remediation[J].Chemosphere, 2014(111):243-259.
收稿日期：2019-03-21
作者简介：梅婷（1992-），女，汉族，硕士，技术员，研究方向为环境修复、环境调查与评估、环境规划等。

（上接第88页）
有效的处理，不仅会对环境产生重要的影响，而且还会造成大量的金属离子的流失，这些金属离子通过食物链转移到人体当中，会严重的影响身体健康。

传统的污水处理工艺处理成本高、效果不稳定，而且固液分离差，不能满足当前的污水排放标准。

以某钢铁企业冷轧厂重金属废水为例，常规混凝采用聚合氯化铝，投加浓度为3%，助凝剂为阴性聚丙烯酰胺，投加浓度为1‰。

在磁混凝技术中，投加磁粉的密度＞5.0mg/L，在污水中形成的絮体密度为3～4mg/L，污水处理能力远大于常规混凝技术。

主要是由于磁混凝技术中投加的磁粉粒径小，而且带有负电荷，能够有效的促进絮体的增大，也提高了吸附架桥的影响。

因此，该钢铁企业采用了磁混凝工艺来处理废水，HRT为10.5min，占地面积为8.5m 2，重金属去除率为99%，在各项数据上均优于传统的混凝技术。

但存在的缺点是，在整个处理工艺中增加了投资费用和运行费用。

2.2.3 焦化废水
焦化废水是难降解废水类型之一，在常规的生化处理后仍然存在一些氰化物、硫化物、硫氰化物、多环芳烃、吡啶、喹啉等难生物降解污染物。

GB 16171—2012《炼焦化学工业污染物排放标准》对焦化废水中氰化氢、酚类以及多环芳烃等有毒有害物质有着严格的指标。

因此，对焦化废水的前段处理有着非常重要的作用。

磁混凝技术是在常规的混凝技术基础上结合了磁分离的物理过程，通过在污水中投加磁粉、混凝剂或者磁性混凝剂，使其和污染物发生混凝絮凝作用，形成絮体，在外加磁场的作用下发生沉淀，实现污染物的沉淀分离。

近年来随着磁混凝技术的不断成熟，其在焦化废水处理中也
取得了一定的成效。

有研究者在处理焦化废水过程中，依次添加磁粉、PFS 和 PAM，并且进行快速搅拌，增加了混凝剂于磁粉以及污染物的碰撞次数，更容易形成复合磁絮凝体，该工艺对焦化废水中的COD、氨氮和浊度有着极佳的处理效果。

敬双怡等研究发现经过磁化处理后PFS 来处理焦化废水，混凝产生的絮体更为紧实，更容易聚集，而且含水率低，出水水质相比单纯投加混凝剂有显著提高，但磁粉投加量较多，回收率低，要在低资金投入下保证良好的出水效果，还需要进一步的研究。

3 结语
混凝技术是废水处理过程中重要的技术环节。

磁混凝沉淀工艺相比传统的混凝沉淀技术具有较好的污染物去除效果和较少的基建投资，而且出水稳定、运行操作简便，在污水处理工艺中得到了更广泛的应用。

但其磁粉投加量、磁种回收技术以及混凝剂的分散性等限制了磁混凝技术的发展，因此，在磁混凝这项技术中需要更多的工作来克服缺点、研发新技术和降低成本。

参考文献
[1]蒋海,安琳,欧芳.磁混凝沉淀技术在城市污水处理中的应用[J].环境保护工程,2012,1(30):108-113.
[2]宋立堂.磁混凝沉淀工艺在污水处理中的应用[J].环境保护工程,2018,4(36):192-194.
收稿日期：2019-03-14
作者简介：周曼莉（1984-），女，汉族，本科学历，工程师，研究方向为环境工程。