6種PRB反應填料處理模擬酸性礦井廢水效果對比

萬海洮，徐建平

(安徽工程大學生物與化學工程學院，安徽蕪湖 241000)

可滲透反應墻(permeable reactive barrier，PRB)是目前歐美等發達國家新興的原位去除地下水中污染組分的方法。目前歐美發達國家對其已經有普遍研究，并已經開始商業化應用［1－2］。PRB一般安裝在地下蓄水層中，垂直于地下水流方向。當污染的地下水流在自身水力梯度作用下通過反應墻時，污染物與墻體中的反應材料發生物理、化學反應而被去除，從而達到污染修復的目的［3］。PRB 處理酸性礦井水開始于 1995 年［4］。相較于傳統的石灰中和、硫化物沉淀、工程覆蓋、濕地處理等方法，PRB法具有作用時間長、處理污染物種類多、處理效果好、安裝施工方便、投資和運行費用低等優點。

我國對PRB技術的研究起步較晚，目前還處于實驗室研究階段［5－8］。馬文超等［9］研究了5 種PRB反應材料處理地下水污染的效果，分別用活性炭、天然沸石、粉煤灰、陶土、人工沸石為反應材料，設計了5種不同介質的PRB反應器，通過對COD值與氨氮含量的測定進行了實驗室模擬研究。目前，PRB正逐步取代運行成本高昂的抽出－處理技術，成為地下水修復技術的主要發展方向［10］。

1 實驗材料

1.1 實驗裝置和器具

實驗所用的PRB反應器為筆者設計的有機玻璃柱柱體，反應柱的內徑為6 cm，高度為60 cm，進水口距反應器底部5 cm，出水口距反應器頂部10 cm。其他器具包括蠕動泵、燒杯、量筒、玻璃回流裝置、加熱裝置、滴定管、漏斗。

1.2 實驗材料和儀器

實驗所用的酸性礦井水為筆者制備的模擬水，配置過程如下:將 K2HPO4、NH4Cl，Na2SO4、CaCl2·2H2O、MgSO4·7H2O 、70%乳酸鈉溶液、Fe(NH4)2(SO4)2·6H2O、MgSO4按照一定的量溶于蒸餾水中，用鹽酸調節pH值到4左右，配成的模擬水COD和硫酸根濃度在4 000 mg/L左右。

反應介質為陶粒(3～5 mm與5～8 mm兩種粒徑范圍)、竹炭(3～5 mm與5～8 mm兩種粒徑范圍)、粉煤灰、煤渣等6種反應填料。

實驗儀器有紫外分光光度計、萬分之一電子天平、pH計等。

1.3 實驗步驟

1)填裝自制的有機玻璃柱作為實驗裝置，填料的填充高度為45 cm。

2)采用蠕動泵向反應柱供水，反應8 h后取第1次出水測量水質。之后每8 h取一次水樣測量水質。

2 實驗結果及分析

2.1 填料性能的初步測試

測試結果見表1。由表1可以看出:填料性能的初步測試結果良好，各種反應填料對模擬酸性礦井水均有一定的處理效果;6種反應填料對酸性礦井廢水中的污染物都有一定的處理效果，其中小粒徑陶粒對COD的去除效果較好，可達50%以上;粉煤灰對礦井廢水的pH值調節作用較好。

2.2 單種填料反應2 d

將填料裝進反應柱，打開蠕動泵進水，8 h取第1次出水，然后每8 h取一次水樣測其水質。實驗結果見圖1。

由圖1可看出 :① 填料對酸性礦井廢水的pH值有很好的調節作用，其中粉煤灰的效果最好，可調節至8以上，且效果較穩定，煤渣效果相對較差;②陶粒對COD有較好的處理效果，粉煤灰對COD的處理效果也較理想，竹炭對COD的處理效果不理想，但對硫酸根處理效果較好，陶粒和竹炭的粒徑大小對COD去除效果影響不顯著;③煤渣對酸性礦井水中各種污染物的去除效果較差，考慮進行下一步實驗時將其淘汰。

2.3 填料的耐久性測試

根據單種填料反應2 d的效果，選取其中4種處理效果相對較好的填料(粉煤灰、陶粒、兩種粒徑的竹炭)做耐久性實驗，測試填料的吸附性能和最大吸附量。粉煤灰和大粒徑竹炭的處理效果見圖2，陶粒和小粒徑竹炭的處理效果見圖3。

表1 填料性能初步測試結果

圖1 單種填料反應2d實驗結果

圖2 粉煤灰和大粒徑竹炭的處理效果

圖3 陶粒和小粒徑竹炭的處理效果

由圖2、3可以看出:① 粉煤灰對酸性礦井水有較好的調節作用，反應10 d依然能將pH值調節到5以上;陶粒對pH的調節在前48 h均有較好的效果，之后基本無調節作用。竹炭對pH的調節作用較差。②粉煤灰和竹炭對COD的去除效果良好，在反應48 h左右去除率可達50%以上，反應116 h還有一定處理效果。在反應10 d以后基本無處理效果。③粉煤灰對硫酸根的去除率在48 h內較好，之后處理效果較差。陶粒對硫酸根的去除效果較好，且相對穩定。

3 結論

1)6種反應材料對模擬酸性礦井水中的COD、硫酸根都有一定的去除效果，但是耐久性不佳。粉煤灰對礦井廢水的pH值有極好的調節作用，反應10 d后效果良好。小粒徑的竹炭對硫酸根的的去除效果最好，粉煤灰和陶粒對COD的處理效果較好，但是耐久性較差，反應10 d后基本無處理效果。煤渣對酸性礦井水的處理效果最差。

2)在實際的酸性礦井水修復過程中，可將各種反應材料按一定比例混合，去除效果會更好。還可將高效降解菌(例如硫酸鹽還原菌)固定在反應填料上制成生物反應材料，去除效果將會大幅度提高，且可以延長反應材料的使用壽命。

3)為了節約資源，可以考慮對反應填料進行再生以提高填料的利用效率。

［1］崔俊芳，鄭西來，林國慶.地下水有機污染處理的滲透性反應墻技術［J］.水科學進展，2003，14(3):363－367.

［2］翟斌.PRB在地下水污染修復中的應用［J］.中國環保產業，2005(2):33－35.

［3］陸泗進，王紅旗，杜琳娜.污染地下水原位治理技術透水性反應墻法［J］.環境污染與防治，2006，28(6):452－ 457.

［4］Benner S G，Blowes D W，Gould W D，et al.Geochemistry of a permeable reactive barrier for metals and Acid mine drainage［J］.Environmental Science ＆ Technology，1999，33(16):2793 －2799.

［5］董軍，趙勇勝，趙曉波，等.垃圾滲濾液對地下水污染的PRB原位處理技術［J］.環境科學，2003，24(5):151－156.

［6］董軍，趙勇勝.用雙層PRB技術處理垃圾填埋場地下水污染的可行性研究［J］.環境科學學報，2004，24(6):1021－1026.

［7］郝志偉，李亮，馬魯銘.零價鐵還原法脫除地下水中硝酸鹽的研究［J］.中國給水排水，2008，24(17):36－39.

［8］李宗良，丁愛中，唐廣鳴，等.PRB修復滲濾液污染地下水的實驗研究［J］.污染防治技術，2007，20(3):13－16.

［9］馬文超，趙光宇，閻鴻.五種PRB反應材料處理地下水污染效果對比［J］.中國環境管理，2006，6(2):29－31.

［10］Richard T W，Robert W P，Guy W S.Long-term performance of permeable reactive barriers using zero-valent iron:geochemical and microbiological effects［J］.Ground Water，2003，41(4):493 －503.