可渗透反应墙在尾矿处理及垃圾填埋场中的应用

可渗透反应墙PRB在尾矿库及垃圾填埋场中的应用
1.可渗透反应墙PRB
1.1 PRB的概念
可渗透反应墙（permeable reactive barrier，PRB）是目前在欧美等许多发达国家新兴起来的用于原位去除地下水及土壤中污染组分的方法。

根据美国环保署USEPA1998年发行的《污染物修复PRB的技术》手册中指出PRB是在地下安置活性材料墙体以便拦截污染羽状体，使污染羽状体通过反应介质后，其污染物能转化为环境接受的另一种形式，从而实现使污染物浓度达到环境标准的目标。

重金属及石油烃的污染都可用PRB进行控制和处理，当污染物沿地下水水流方向进人PRB处理系统，在具有较低渗透性的化学活性物质的作用下，发生沉淀反应、吸附反应、催化还原反应或催化氧化反应，使污染物转化为低活性的物质或降解为无毒的成分。

相对于传统方法，PRB法具有能持续原位处理污染物（5~10a）、处理多种污染物（如重金属、有机物等）、处理效果好、安装施工方便、性价比相对较高等优点。

1.2 PRB的结构类型
PRB主要由透水的反应介质组成，它通常置于地下水污染羽状体的下游，与地下水流相垂直。

图1 所示为一典型的可渗透反应墙系统的剖面图。

从污染源释放出来的污染物质在向下游渗流过程中,溶解于水形成一个污染地下水羽。

这种污染地下水羽流经反应墙,通过物理、化学及生物过程,得到处理。

USEPA根据PRB在结构形式上的差异将PRB分为两种类型：连续墙式PRB、隔水漏斗—导水门式PRB。

1.2.1 连续墙式PRB（continuous wall PRB）
如图2，当地下水污染羽状体影响范围较小时，将可渗透反应墙体放置于垂直于污染羽状体迁移途径的位置，墙体的宽度及高度要保证整个污染羽状体都能通过。

同时，墙体的厚度也必须保证污染物通过墙体内介质（活性材料）处理后其浓度能达到规定的环境标准。

连续墙式PRB结构比较简单，且不改变地下水的自然流向。

1.2.2 隔水漏斗—导水门式PRB（funnel—and—gate PRB）
如图3，隔水漏斗—导水门式PRB由不透水的介质（隔水漏斗）、导水门及渗透反应介质（活性材料）组成。

隔水漏斗嵌入到隔水层中，以防止污染羽状体通过渗流进入下游未污染区。

隔水漏斗由封闭的片桩或泥浆墙组成，引导或汇集地下水流进入导水门，然后再通过渗透反应介质进行处理，这种PRB系统应用于潜水埋藏浅的大型地下水污染羽状体。

在设计时，要充分考虑污染羽状体的规模流向以便确定隔水漏斗与导水门的倾角，使污染羽状体不至于从旁边迂回流出。

根据不同的实际情况，可以同时设置多个PRB系统，串联或并联使用。

1.2.3 处理机理及反应材料
无论是连续反应墙还是隔水漏斗- 导水门系统,都需要在其墙体或反应器中加入一定的反应材料,用来清除经过的污染地下水中的污染组分。

反应材料的选择是可渗透反应墙设计和研究的重要内容。

为了确保系统的有效,反应材料必须满足三个基本条件: ①当污染地下水流经反应墙或反应器时,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,从而确保其流经系统时,污染组分能全部被清除；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。

对反应材料的总体要求可概括成有效、经济和安全。

从反应材料去除污染组分的机理上来看,总结出五种不同的反应器。

第一种主要通过改
变地下环境的pH 值,这种改变将影响对污染物中pH值或氧化还原电位敏感的组分的溶解度以及衰减反应的速率。

第二种主要是通过土中矿物颗粒的溶解和沉淀析出作用, 达到处理污染组分的目的。

第三种反应器的处理机理是吸附。

如通过活性炭的吸附作用去除憎水性的有机组分,采用沸石或合成的离子交换树脂去除地下水中的离子型污染组分。

需要指出的是,吸附是一个可逆过程,因此有必要定期对吸附材料进行更新。

第四种反应器采用为微生物的降解作用提供养料的办法。

最后一种是采用一些物理过程来去除污染组分。

如对一些挥发性的有机污染组分可以通过曝气法来达到清除的目的。

2.PRB在尾矿或垃圾填埋场的应用
现阶段，大部分的尾矿库或者垃圾填埋场在对污染物填埋处理之后没有进一步的处理，而污染物的自然降解过程往往需要几时、甚至上百年的时间。

这种单纯的填埋处理方式，实际上并没有从根本上解决问题，污染物对于环境的损害会逐渐在以后漫长的遂于文中显现出来，对后世子孙的生存环境形成巨大隐患。

将PRB在尾矿库和垃圾填埋场的建设过程中同步修建其中，可以在原位对污染物进行处理。

如，下游式尾矿库PRB建设示意图如图4，图5。

PRB固定在基础层上，库底铺设防渗层。

利用库底的坡度，水流带动污染物移动至PRB 处，得以清除。

3.PRB的设计与施工
为了保证反应墙长期有效而又方便的使用，反应墙设计需要考虑的因素有很多，而且不同的反应材料和处理机制对墙体设计的考虑因素亦各不相同。

但总括起来主要有以下几点: (1) 墙体水力特征的考虑，也就是墙体的渗透性，这是最主要的考虑因素。

一般要求墙体的渗透性是含水层的两倍，但是最好要求是含水层的十倍以上。

因为有很多限制因素的作用，使得系统的渗透性随时间逐渐降低。

如细的土颗粒的流入和沉积，导致墙体孔隙体积的减少，降低其渗透性；碳酸盐(碳酸钙、碳酸镁) 的沉淀析出，氧化铁、氢氧化铁、碳酸亚铁以及其他金属的此类化合物的沉淀析出；不可控制的微生物的增长形成所谓的生物堵塞现象，以及其他的可能降低系统渗透性的未知因素。

因此，为了确保其渗透性，墙体经常设计成由滤层、筛网和反应材料组成。

同时应该避免地下水物理化学特征(温度、压力、含氧量、pH 值、营养组分) 的变化，当然应该知道如果这些变化对污染治理有利，应加以利用。

(2) 反应墙的设计应考虑系统运行几年或几十年后,反应材料的更新。

(3) 墙体内应设计一管道系统,用于向其注入用于冲洗的水或空气,来消除沉淀物或泥沙,或者搅拌材料。

(4) 反应墙系统应设计开口,用于对系统进行监测与检查和反应材料更新。

上述为主要的墙体因素,其他的因素包括:地质和水文地质(地形地貌、地下水埋深、含水层厚度、地下水流向、含水层的渗透性、水文地球化学等等) 、污染物的浓度和范围、场地人类活动、费用等等。

可渗透反应墙通常通过土体开挖和反应材料的回填的办法进行施工。

但是这种办法开挖的深度一般限制在约8m 以内。

超过8m 以后,从费用上的考虑一般将放弃该施工方法。

在美国,针对超过8m的情况,通常采用泥浆墙法、高压喷射法、深土混合以及水压致裂法。

而在
德国也有很多方法正在研究和试验中,如大口径垂直钻孔法、泥浆法、改进的深墙施工方法等等。

4.展望
目前国外对于PRB应用研究较为深入，国内相关资料较少。

而将PRB应用到尾矿库和垃圾填埋场的原位处理方面未找到类似信息，所以此构想的可行性尚需实际检验。

尾矿库和垃圾填埋场的深入治理也是人们终究要面临的问题。

PRB作为一种污染处理技术有其独特的优势，为此问题的解决提供了一种可能性。