D12-地下水修复可渗透反应墙技术
12.1技术名称
技术名称：地下水修复可渗透反应墙，英文名称：Permeable ReactiveBarrier(PRB)
12.2技术适用性
1) 适用的介质：污染地下水
2) 可处理的污染物类型：碳氢化合物（如BTEX(苯、甲苯、乙苯、二甲苯)、石油烃)、氯代脂肪烃、氯代芳香烃、金属、非金属、硝酸盐、硫酸盐、放射性物质等。
3) 应用限制条件：不适用于承压含水层，不宜用于含水层深度超过10m的非承压含水层，对反应墙中沉淀和反应介质的更换、维护、监测要求较高。
12.3技术介绍
原理：在地下安装透水的活性材料墙体拦截污染物羽状体，当污染羽状体通过反应墙时，污染物在可渗透反应墙内发生沉淀、吸附、氧化还原、生物降解等作用得以去除或转化，从而实现地下水净化的目的。
最常见的应用形式与原理如表12-1所示：
表12-1常见的PRB形式与原理
去除原理 |
污染物 |
反应墙类型 |
微生物还原 |
氯代脂肪烃、氯代芳香烃、硝酸盐、硫酸盐 |
厌氧生物反应墙、草皮或有机肥生物反应墙 |
化学还原 |
氯代脂肪烃、氯代芳香烃、硝酸盐、硫酸盐 |
铁反应墙 |
厌氧微生物降解 |
BTEX |
厌氧生物反应墙 |
微生物氧化（矿化） |
苯类、苯乙烯、少量多环芳烃、少量废油 |
厌氧生物反应墙或压缩气体反应墙 |
金属物质的沉淀和还原 |
金属类 |
厌氧生物反应墙、铁反应墙 |
吸附 |
几乎所有污染物 |
活性炭、草皮或有机肥生物反应墙 |
系统构成和主要设备：
目前投入应用的PRB可分为单处理系统PRB和多单元处理系统PRB。单处理系统PRB的基本结构类型包括连续墙式PRB和漏斗-导门式PRB，还有一些改进构型，如墙帘式PRB、注入式PRB、虹吸式PRB以及隔水墙-原位反应器等，适用于污染物比较单一、污染浓度较低、羽状体规模较小的场地；多单元处理系统则适用于污染物种类较多、情况复杂的场地。多单元处理系统又可分为串联和并联两种结构。串联处理系统多用于污染组分比较复杂的场地，对于不同的污染组分，串联系统中的每个处理单元可以装填不同的活性填料，以实现将多种污染物同时去除的目的。实际场地中应用的串联结构有沟箱式PRB、多个连续沟壕平行式PRB等。并联多用于系统污染羽较宽、污染组分相对单一的情况。常用的并联结构有漏斗-多通道构型、多漏斗-多导门构型或多漏斗-通道构型。
PRB的结构是地下水污染去处效果优劣的影响因素之一，其结构设计需要考虑两个关键问题：一是PRB能嵌进隔水层或弱透水层中，以防止地下水通过工程墙底部运移，确保能完全捕获地下水的污染带；二是能确保地下水在反应材料中有足够的水力停留时间。不同结构的PRB适用情况不同（表12-2)，实际应用中应结合具体的地下水水文及污染状况进行合理设计。
项目 |
结构类型 |
备注 |
连续反应墙 |
连续式 |
必须足够大以确保整个污染水羽都通过PRB |
漏斗-通道系统 |
单通道系统 |
用低渗透性隔墙引导污染水羽 |
并联多通道 |
适用于宽污染地下水羽的处理 |
|
串联多通道 |
适用于同时含多种类型污染地下水羽处理 |
PRB的主要设备：沟槽构建设备（双轮槽机、链式挖掘机等)、阻隔幕墙构建设备（大型螺旋钻、打粧机等)、监测系统（氢气、氧化还原电位、pH值、水文地质情况、污染物、反应墙渗透性能的变幅和变化情况等在线监测系统）等。
12.4关键技术参数或指标
主要包括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。
1) PRB安装位置的选择：第一步，通过土壤和地下水体取样、试验室测试研究、现有数据整理，圈定污染区域，其范围应大于污染物羽流，防止污染物随水流从PRB的两侧漏过去，建立污染物三维空间模型，然后选择计算范围，进而建立污染物浓度分布图。第二步，通过现场水文地质勘察，绘出地下水流场，了解地下水大体流向。第三步，根据地下水动力学，探讨污染物的迁移扩散方式和范围，在污染物可能扩散圈的前端划定PRB的安装位置。第四步，在初定位置的可能范围进行地面调查。
2) PRB结构的选择：对于比较深的承压层，采用灌注处理式PRB比较合适；而对于浅层潜水，可采用的PRB形式多种多样。此外，还应考虑反应材料的经济成本问题，若用高成本的反应材料时，可采用材料消耗较少的漏斗-导水门式结构；若使用便宜的反应原料，宜选用连续式渗透反应墙。
3) PRB的规模：根据欧美国家多个PRB工程的现场经验可知，PRB的底端嵌入不透水层至少0.60 m，PRB的顶端需高于地下水最高水位；PRB的宽度主要由污染物羽流的尺寸决定，一般是污染物羽流宽度的1.2〜1.5倍，漏斗一导水门式结构同时取决于隔水漏斗与导水门的比率及导水门的数量。考虑到工程成本因素，当污染物羽流分布过大时，可采用漏斗一导水门式结构的并联方式，设计若干个导水门，以节省经济成本和减少对地下水流场的干扰。
4) PRB水力停留时间：污染物羽流在反应墙的停留时间主要由污染物的半衰期和流入反应墙时的初始浓度决定。污染物的半衰期由室内柱式试验确定。
5) PRB走向：一般来说，反应墙的走向垂直于地下水流向，以便最大限度截获污染物羽流。在实际工程设计中，一般根据以下两点确定反应墙的走向：a)根据长期的地下水水文资料，确定地下水流向随季节变化的规律；b)建立考虑时间的地下水动力学模型，根据近乎垂直原理，确定反应墙的走向。
6) PRB的渗透系数：一般来说，反应墙的渗透系数宜为含水层渗透系数的2倍以上，对于漏斗一导水门结构甚至是10倍以上。
7) 活性材料的选择及其配比：反应介质的选择主要考虑稳定性、环境友好性、水力性能、反应速率、经济性和粒度均匀性等因素。PRB处理污染地下水使用的反应材料，最常见的是零价铁，其它还有活性碳、沸石、石灰石、离子交换树脂、铁的氧化物和氢氧化物、磷酸盐以及有机材料（城市堆肥物料、木屑）等。
12.5 技术应用基础和前期准备
PRB系统的设计施工比较复杂，加上PRB修复污染物的过程涉及物理、化学、生物等多学科领域，在设计PRB时需要综合考虑很多因素。只有经过前期可行性调研、水文地质勘察，获得一些参数后才能进行设计。需调研的参数主要包括：污染物特征，如非饱和土壤
和含水层污染物的种类、浓度、三维空间分布、迁移方式及转化条件；当地的地理地质概况和水文气象、地下水的埋深、运移参数、季节性变化；含水层的厚度及其渗透系数、孔隙度、颗粒粒径和级配、地下水的地球化学特性（如pH值、Eh、DO、温度、电导率、Ca2+、Mg2+、NO3-、SOZ等离子含量等）；现场微生物活性和群落；现场施工环境条件、对周围环境的影响；治理周期、效益、成本、监测；工程项目经费。然后在试验室进行批量试验和柱式试验，确定活性反应介质并测试其修复效果和反应动力学参数，建立水动力学模型。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。
12.6主要实施过程
1) 对于深度不超过10m的浅层PRB，在污染羽流向的垂向位置，使用连续挖沟机进行挖掘，并回填活性材料，同时设置监测井、排水管、水位控制孔等，最后在墙体上覆盖土层。也可采用板粧、地沟箱、螺旋钻孔等挖掘方式。
2) 对于深度大于10m的PRB，有多种方式进行开挖和回填。由于深度较大，回填时常采用生物泥浆运送反应材料，通常是采用瓜尔豆胶，并在混合物中添加酶，可以使瓜尔豆胶在几天内降解，留下空隙，形成高渗透性的结构。采用该胶时，安装前先测试地下水的化学性质是否与反应材料和生物泥浆的混合物相适合，以确定生物泥浆能否在合适的时间内得到降解。
3) 采用深层土壤混合法时，一般采用螺旋钻机进行钻挖和回填，随着螺旋钻在土壤中缓慢推进，将生物泥浆和反应材料的混合物注入并与土壤混合。在松散的沉积层中可将反应材料放置到地表下近50m处。采用旋喷注入法时，将喷注工具推进到需要的深度，通过管口高压注射反应材料和生物泥浆，连续喷注一系列的钻孔形成可渗透反应墙。垂直水力压裂法是将专用工具放入钻孔中来定向垂直裂缝，利用低速高压水流，将材料注入土壤层，形成裂缝，由一系列并排邻近的钻孔水力压裂形成渗透反应墙。
12.7 运行维护和监测
PRB建好后，需进行长期观测、运行和管理。其运行维护相对简单，运行过程中仅需在长期监测的基础上对反应介质进行定期更换。为了精确测量监测效果，需在PRB上下游及PRB内布置监测井观测水位深度变化，并周期性地监测相关的水文地质化学参数、流速等。监测井的布置要保证能够捕获污染羽流的运动方向，因此应在浓度较高或接近反应墙的位置集中布置监测井。常用的监测指标有目标污染物、降解中间产物、ORP(氧化还原电位)、pH值、Eh、BOD5、COD等。
12.7修复周期及参考成本
PRB的处理周期较长，一般需要数年，常通过实验室小试或中试确定。其处理成本与PRB类型、工程规模等因素相关。据2012年3月美国海军工程司令部发布的技术报告（编号：TR-NAVFAC-ESC-EV-1207，Permeable reactive barrier cost and performance report)，处理地下水的成本介于1.5-37.0美元/m3。目前，国内尚无可参考的工程案例成本。
12.8国外应用情况
12.8.1国外应用概况
该技术较为成熟，在北美和欧洲等发达国家有较多应用。美国环保署、美国海军工程服务中心等机构已制定并发布了本技术的工程设计手册。根据美国超级基金项目统计，2005-2008年有8个项目使用了该技术。国外部分应用案例信息如表12-3所示。
表12-3 PRB技术应用案例
12.8.2国外应用案例
(1)工程背景：
上世纪90年代初美国北卡罗来纳州Elizabeth城东南5公里处海岸警卫飞机场79号机库污染场地Cr6+和TCE(三氯乙烯）污染严重，位于Pasquotank河南岸60 m。场地之前为一镀铬厂旧址，使用历史长达30多年。在使用过程中排放了酸性含铬废物和有机溶剂，它们通过混凝土地板上的小洞穿透土壤进入地下含水层。根据监测结果，该污染羽宽约35米，深至地下6.3米，长约60米，从机库一直延伸至Pasquotank河。该场地平面布置图如12-1所示。整个监测网络包含130多个地下取样点，安装于1996年11月，为PRB的布设提供了详实的地球化学孔隙水空间和时间变化数据。修复目标值：Cr6+0.05mg/L；TCE 5^g/L；c-DCE 70咫/L；VC 2咫/L。
图12-1 79号机库附近的场地平面布置图
（2）工程规模：约13230m3
（3）主要污染物及污染程度：土壤和地下水中的污染物为Cr6+和TCE，污染调查阶段揭露的最大检出浓度为14.5 g/kg，地下水中六价铬最大浓度超过10 mg/L，TCE最大浓度19 mg/L。研究表明，其在零价铁还原条件下降解性能较好，因此，能够采用化学还原的方式进行降解。
（4）水文地质特征：对土壤的理化特征测试表明，含水层上部2m为砂质粉性粘土。地下水位介于1.5m至2.0m，含水层传导性0.3-9.0m/d，含水层深度7.2m，地下水流速
0.12-0.18m/d，平均横向水力梯度0.0011-0.0033，渗透系数0.3-8.6m/d。
（5）技术选择：综合以上污染物特性、污染物浓度、水文地质特征以及项目修复目标值，最终选定处理能力大、设备成熟、运行管理简单、无二次污染的PRB技术。
（6）工艺流程和关键设备：
其平面布置如图12-2所示：
图12-2 PRB平面布置图
主要工艺及设备参数：
对于反应材料的选择，设计者专门抽取了区域内的地下水进行试验。在第34号监测井中测得的TCE和Cr6+的质量浓度分别为750^g/L和8 mg/L，为了试验方便，两者质量浓度分别被提高到2 000^g/L和10 mg/L。在经过批量试验和圆柱试验后，发现零价铁颗粒混合物对去除TCE和Cr6+的效果很好，因此采用零价铁作为反应材料。其中铁颗粒的设计粒径为0.4 mm，表面积为0.8~0.9 m2/g。基于对场地条件、工程使用与维护的方便和成本的要求及长期监测成本的考虑，该PRB工程选择了连续墙的形式。该工程设计要达到的目标为使Cr6+的质量浓度降为0.05 mg/L以下和TCE的质量浓度降为0.5^g/L以下。反应墙体为连续墙形式，填充450吨零价铁为反应材料，大致呈东西走向，长46 m，深7.3 m，宽0.6 m，墙体垂直于地下水的流向。
（7）成本分析：
该项目包含建设施工投资、设备投资、运行管理总费用约为70万美元，其中第一年的运行管理费用为85000美元，之后的运行管理费用为30000美元/年。据估算，如果该系统运行20年，将比采用抽出处理系统节省400万美元的运行和维护成本。
（8）修复效果：
该PRB建成投产后，3年的监测数据显示，未经处理时Cr6+的质量浓度最高达2 mg/L，而经过PRB反应墙后，Cr6+的质量浓度接近于0或者是无法检出；未经处理的TCE质量浓度最高可达114胆/L，经过处理后TCE的质量浓度最大仅为2.9胆/L。该工程对Cr6+和TCE的去除效果非常明显，满足修复要求并通过环保局的修复验收。
案例信息来源于：
Robert WP,David WB,Robert WG.Long-term performance monitoring for a permeablereactive barrier at the U.S.Coast Guard SupportCenter,Elizabeth City,North Carolina.Journal of Hazardous Materials,1999,68:_109-124.
Evaluation of Permeable ReactiveBarrier Performance.Member Agencies of theFederalRemediation Technologies Roundtable,2002.
12.9国内应用情况
该技术在我国尚处于中试阶段，缺乏工程应用案
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