滲透性生化反應(yīng)井在地下水污染治理中的應(yīng)用探討

桂恒俊，萬小瓊

（華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430070）

1 引言

地下水，是貯存于包氣帶以下地層空隙，包括巖石孔隙、裂隙和溶洞之中的水，是非常重要的水資源，陸地的淡水，除冰川外，地下水所占的份額最大，為1／4。隨著人口的增長(zhǎng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)水資源的需求量也呈現(xiàn)了大幅度增長(zhǎng)的趨勢(shì)，而地下水無疑在提供水資源的過程中擔(dān)當(dāng)了十分重要的角色。

近年來，我國(guó)地表環(huán)境遭受到的破壞和污染情況極為嚴(yán)重，致使地下水的水質(zhì)日趨惡化。目前中國(guó)已有90%的地下水遭受污染，呈現(xiàn)出由點(diǎn)向面擴(kuò)展的趨勢(shì)，污染的方式有：通過包氣帶滲入，由集中通道直接注入，由地表水體側(cè)向滲入，含水層之間的垂直越流污染等。受污染地下水中包含的各類有機(jī)污染物、無機(jī)污染物對(duì)人體的健康會(huì)構(gòu)成極大的威脅。長(zhǎng)期飲用高硝酸鹽濃度的地下水會(huì)引起消化道疾病、嬰兒高鐵血紅蛋白癥，導(dǎo)致嬰兒窒息或死亡；長(zhǎng)期飲用含汞超標(biāo)的地下水可引起肝炎、腎炎、運(yùn)動(dòng)失調(diào)等疾病，往往導(dǎo)致死亡或遺患終生；而飲用被鎘污染的地下水則往往引起人的慢性中毒，損害人的肝、腎和骨骼等。

鑒于此，采取積極有效的措施對(duì)地下水的污染進(jìn)行預(yù)防和治理已經(jīng)成為一種迫切的需要。在早期，地下水的修復(fù)是以傳統(tǒng)方法為主的，傳統(tǒng)治理地下水污染的方法主要有隔離法、泵提法、吸附法、化學(xué)柵欄法、電化學(xué)法以及空氣吹脫法等物理和化學(xué)方法[1]。而隨著科技的進(jìn)步和相關(guān)理念的成熟，地下水污染的修復(fù)方法截至目前已經(jīng)十分豐富，并且也不停地朝著高效、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的方向發(fā)展。此處提出一種以滲透性生化反應(yīng)井群為主體的綜合性治理地下水污染的工程設(shè)計(jì)。

2 滲透性生化反應(yīng)井設(shè)計(jì)

滲透性生化反應(yīng)井的設(shè)計(jì)是PRB（可滲透反應(yīng)墻）與活性污泥法曝氣反應(yīng)池的改造完善與結(jié)合工作的體現(xiàn)。

PRB（Permeable Reactive Barrier）是一種被動(dòng)的原位修復(fù)技術(shù)，根據(jù)美國(guó)環(huán)保局（USEPA，1998）發(fā)行的《污染物修復(fù)的PRB技術(shù)》手冊(cè)的定義，PRB技術(shù)是指在地下安裝活性材料墻體以便攔截污染物羽狀體，使污染羽狀體通過反應(yīng)介質(zhì)后，其污染物能轉(zhuǎn)化為環(huán)境接受的另一種形式，從而實(shí)現(xiàn)使污染物濃度達(dá)到環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)。PRB由透水的反應(yīng)介質(zhì)組成，通常將其置于地下水污染羽狀物的下游，當(dāng)污染地下水通過PRB時(shí)，通過產(chǎn)生沉淀、吸附、氧化還原等作用來去除水體中的污染物，從而得到清潔的地下水[2]。然而目前的PRB技術(shù)在處理地下水的污染當(dāng)中存在著不小的限制性。首先，PRB技術(shù)建立的巨大墻體需要由大量的反應(yīng)材料來構(gòu)成，造價(jià)高昂。其次，PRB技術(shù)在處理污染物的過程中帶有不小的隨機(jī)性，在污染物的清除效果上面得不到保證。再者，在PRB的施工過程中，受地下水水流以及地質(zhì)環(huán)境的影響較大。

活性污泥法曝氣反應(yīng)池是一種通過向池內(nèi)鼓入空氣從而加速活性污泥對(duì)污水中的有機(jī)污染物消化分解的生化處理方法。常見的曝氣反應(yīng)池有推流式、完全混合式、封閉環(huán)流式、序批式[3]。由于其日處理污水量龐大，故通常建造時(shí)具有占地面積和開挖土方量大的特點(diǎn)。

滲透性生化反應(yīng)井通過在地下水污染暈區(qū)內(nèi)建立適當(dāng)數(shù)量的反應(yīng)井，以大功率水泵抽取地下水形成水力梯度，將周圍的受污染地下水引導(dǎo)入井內(nèi)進(jìn)行處理。在井群地面區(qū)域設(shè)置抽水的泵房和供給空氣的鼓風(fēng)室（圖1）。

圖1 滲透性生化反應(yīng)井概念模型

圖2 反應(yīng)井結(jié)構(gòu)

反應(yīng)井（圖2）的大小型號(hào)和數(shù)量可以根據(jù)地下水受污染面積、受污染程度的不同進(jìn)行調(diào)整，但其主要結(jié)構(gòu)包含為以下幾個(gè)部分。

2.1 PRB井壁

PRB井壁由透水的反應(yīng)介質(zhì)組成，在材料的選取上應(yīng)滿足以下3個(gè)條件。

（1）反應(yīng)材料與污染物必須有良好的反應(yīng)性，即能夠與污染組分發(fā)生物理、化學(xué)或生物反應(yīng)，從而確保地下水流經(jīng)井壁時(shí)，污染物能有效地被去除。

（2）反應(yīng)材料必須能夠大量地獲得，從而使反應(yīng)井系統(tǒng)能長(zhǎng)期有效地運(yùn)轉(zhuǎn)。

（3）反應(yīng)材料應(yīng)盡量避免產(chǎn)生二次污染。在目前的研究階段，主要使用的反應(yīng)材料有：活性炭、沸石、石灰石、粘土礦物、煤炭、離子交換樹脂、鐵氧化物、氫氧化物、磷酸鹽以及城市堆肥、木屑等有機(jī)材料，而其中得到最廣泛應(yīng)用的材料是零價(jià)鐵，因其能夠降解和吸附多種重金屬以及有機(jī)物質(zhì)，且原料容易獲得，經(jīng)濟(jì)價(jià)值高，從而得到了廣泛的重視[4]。零價(jià)鐵的還原性使其能與地下水中的金屬離子以及擁有氧化作用的有機(jī)物發(fā)生氧化還原反應(yīng)，從而使重金屬以單質(zhì)或者其他不可溶的物質(zhì)析出，降解有害的有機(jī)物，達(dá)到改善地下水環(huán)境的效果[5]。

2.2 污泥斗

在井底設(shè)置污泥斗，建筑污泥斗的材料要有良好的防水性，將地下水與井內(nèi)水體隔離開來。投入適量活性污泥，進(jìn)行曝氣處理之后污泥量會(huì)增加，剩余污泥通過井底坡向污泥斗內(nèi)進(jìn)行濃縮。其體積要根據(jù)每日剩余污泥量來設(shè)計(jì)。

2.3 曝氣管與水泵的布設(shè)

根據(jù)地下水有機(jī)污染物含量的不同，設(shè)計(jì)不同的曝氣量，再相應(yīng)地布設(shè)曝氣管，有機(jī)物含量高的需要布設(shè)多根曝氣管，含量低的可僅布設(shè)1根曝氣管。為保證水體的混合效果，曝氣孔口一般置于距井底1.0m處。水泵的設(shè)置主要用于泵取井水和井底活性污泥，使處理過后的地下水和剩余污泥能夠及時(shí)排出。

系統(tǒng)運(yùn)作時(shí)，各反應(yīng)井同時(shí)進(jìn)行工作，水泵抽取井水使井內(nèi)水位下降，反應(yīng)井周圍受污染地下水在水力梯度的推動(dòng)下進(jìn)入井內(nèi)。在透過PRB井壁的過程中，污染物發(fā)生吸附、沉淀、氧化還原等作用被凈化處理。井內(nèi)投入適量的活性污泥，并進(jìn)行曝氣處理，將污水內(nèi)的有機(jī)物進(jìn)一步消化分解。經(jīng)過處理的地下水用水泵提升至地面的沉淀池進(jìn)行沉淀，在重力作用下達(dá)到泥水分離的效果。為了提高對(duì)受污染地下水的生化處理效果，可以將沉淀池的污泥收集并調(diào)節(jié)之后重新回灌到地下水當(dāng)中，經(jīng)過馴養(yǎng)的微生物將會(huì)加速污染物的分解。

對(duì)于地下儲(chǔ)油罐泄露以及其他有毒有害物質(zhì)排放引起的地下水大量集中污染狀況可以通過滲透性生化反應(yīng)井進(jìn)行高效及時(shí)的處理，根據(jù)污染的具體情況和資金狀況可以建設(shè)不同數(shù)量不同型號(hào)的反應(yīng)井，實(shí)現(xiàn)靈活操作。同時(shí)在將反應(yīng)井進(jìn)行一定的改造之后還可以用于工農(nóng)業(yè)污水深井排放前的進(jìn)一步處理。

3 結(jié)語

滲透性生化反應(yīng)井的結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單，易于使設(shè)計(jì)和配套設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化，進(jìn)而使施工方便，性價(jià)比比較高，能夠持續(xù)原位處理多種污染物，操作簡(jiǎn)單靈活，適用于多種不同的地質(zhì)環(huán)境。在其可調(diào)性和適應(yīng)性上，反應(yīng)井井壁的反應(yīng)材料可以根據(jù)污染物的種類和性質(zhì)上的差異進(jìn)行替換，反應(yīng)井規(guī)模的大小和建設(shè)數(shù)量也可以根據(jù)污染面積和污染物的量進(jìn)行調(diào)節(jié)。物化方法和生化方法的有機(jī)結(jié)合能夠保證反應(yīng)井適用于多種地下水污染情況的處理效果。

[1]Mohammed N，Allayla R I，Nakhla G F，F(xiàn)arooq S，Husain T.State－ of－ art review bioremediation studies[J].Journal of Environmental Science and Health，1996，31：1547－1574.

[2]USEPA.Pemeable reactive barrier technologies for contaminant remediation[R].EPA／600／R－98／125，1998.

[3]高廷耀，顧國(guó)維，周 琪.水污染控制工程（下冊(cè)）[M].3版.北京：高等教育出版社，2007：106～109.

[4]朱敬濤，韓志勇，魏相君，等.地下水原位治理的滲透性反應(yīng)墻技術(shù)[J].環(huán)境科學(xué)與管理，2010，31（9）：74～78.

[5]魏相君，韓志勇，李建壁.組合材料PRB技術(shù)處理硝酸鹽廢水實(shí)驗(yàn)研究[J].甘肅科學(xué)學(xué)報(bào)，2013，25（1）：48～51.