可滲透反應墻(PRB)技術綜述

摘要：為促進PRB技術在國內的研究和發展，本文對PRB技術原理、結構類型及優缺點、應用材料及其原理、設計方案等進行闡述，為我國PRB技術的研究提供一些參考。

關鍵詞：可滲透反應墻;PRB;地下水修復

中圖分類號：X3 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2019）08-00-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/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

有色金屬礦山開采產生大量礦山酸性水和重金屬污染，尾礦中金屬硫化物氧化所釋放出金屬元素，形成重金屬酸水污染暈，危及礦區生態系統和尾礦壩體結構穩定性[1]，所以有必要找到一種可以有效處理礦山酸性廢水的技術方法。

1982年由美國環保局提出可滲透反應墻技術，20世紀90年代初期得到了深入的研究，該項技術具有經濟、便捷、處理效果好等優點[2]。

1 PRB的概念及基本原理

PRB技術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優先通過滲透系數大于周圍巖土體的透水格柵并與填充在內的活性反應介質相接觸反應達到去除污染物的目的[3]。

2 介質材料

2.1 還原型材料

2.1.1 零價鐵

Fe0可為鹵代烴提供電子，還原鹵代烴生成揮發性氣體乙烷和可溶性氯化物。Fe0也可將鉻酸根（CrO42–）還原六價鉻至三價鉻化合物沉淀。

1996年6月，美國北卡羅來納州伊麗莎白城鉻污染非常嚴重，研究人員使用450t鐵屑進行充填安裝了一個連續PRB使地下水通過后，上游鉻的濃度由10mg/L降為0.01mg/L，污染的地下水成功被修復。鐵（Ⅱ）礦物也可還原重金屬離子等無機離子以單質或難溶性化合物沉淀去除;也可還原脫除鹵素。

2.1.2 雙金屬

雙金屬是指在一種金屬的表面上鍍上第二種金屬，采用具有活性差的金屬作為PRB介質材料，用于處理地下水中的鹵代烴等。Grittini等[7]研究證明鉛/鐵雙金屬系統可降解十分難降解的多氯聯苯。另有國外學者研究了鉛/鐵雙金屬系統，研究表明鐵表面的鉛加速脫氯過程，反應速率可以比Fe0系統大10倍。隨著反應進行，鐵氧化膜降低催化劑鈀的催化效率。

2.2 沉淀型材料

2.2.1 改性赤泥

改性赤泥含有鐵鋁的水合物、方鈉石、氫氧化鈣等堿性材料，pH值8.0～10.5，對多數金屬離子有較好的沉淀作用。孫道興等將赤泥經強堿浸出氧化鋁后，控制變量攪拌1h，靜置2h后研究對Pb2+、Cd2+、Cr3+等離子去除效果，在添加量為20g/L時，鉛、鉻、鎘的吸附率分別達到了90%、94%、85%以上，離子初始質量濃度越大，吸附率越小。還有國內學者研究了采用焙燒和鹽水焙燒得到兩種赤泥，擁有更能提高酸性水pH值的能力，金屬離子去除能力更強，鹽水焙燒聯合改性方法使得處理效果更穩定。

2.2.2 石灰石

石灰石與廢水中氫離子反應，使得廢水的pH升高。金屬離子（Me）與OH-發生反應生成氫氧化物沉淀。但是如果地下水中硫酸鹽的濃度較高是則不宜大量使用石灰石，因為生成的硫酸鈣會覆蓋在石灰石表面，導致石灰石失效。

2.2.3 煉鋼爐渣

爐渣含有鐵、鈣、鎂、鋁元素的氧化物、硅酸鹽以及硫和其他微量元素，同時其含有的石灰成分和硅鋁酸鹽可以作為緩沖劑使得地下水pH值升高到12～13，Franklin Obiri-Nyarko等[4]在室內試驗使用煉鋼爐渣進行試驗，研究表明可以被用來處理地下水中的一些污染物。除此之外還使用過亞硫酸氫鈉、硅鋁酸鹽、羥基磷灰石等沉淀型材料。

2.3 吸附型材料

2.3.1 活性炭

活性炭本身是一種很強的有機物吸附劑，對大分子的芳香烴、小分子腐殖質等有很高的吸附去除率。

李莉等通過對比實驗發現，當零價鐵和活性炭質量分數分別為40%、30%時，對六價鉻的還原能力最強，除污效果非常明顯。還有國內學者利用ORC（釋氧化合物）、GAC（活性碳顆粒）和Fe0聯合起來使用。該技術的優勢在于能使溫度、壓力和二氧化碳的濃度保持一定的穩定性，不易形成沉淀，可防止“生物堵塞”。

2.3.2 沸石

沸石是一種鋁硅酸鹽礦物，沸石表面孔隙結構允許用于選擇性吸附污染物，但不適合吸附有機化合物。

A.Z.WOINARSKI等人在南極洲重金屬污染水域發現具有Cu2+交換特性的天然斜發沸石在2～22℃可促進PRB修復重金屬。根據一維質量轉換模型的非平衡吸附Cu2+固定床反應流顯示，質量轉換與流量無關，但傳質系數隨流速增加而增大。在相同的批試驗中固定床內斜發沸石容量約為固定床的50%，傳質系數在2～8倍之間。低溫下固定床性能明顯降低，在2℃時，其突破點和飽和容量比28℃要小60%～65%，低溫對天然沸石處理重金屬產生不利影響。

2.4 降解型材料

2.4.1 厭氧型生物降解材料

生物反應墻主要采用覆蓋堆肥的方法將固態有機質混合堆放使之發酵培育厭氧微生物還原處理污染物，達到降解污染物的目的。樹葉、木材廢料和堆肥等廉價材料已經被用于從地下水中去除硝酸鹽。Robertson等研究了沙粒和木屑混合物對硝酸鹽的長期去除率。

2.4.2 曝氣型生物降解材料

CaO2、MgO2等固體氧和硝酸鹽釋放化合物（ORC）在地下釋放氧氣或形成有氧活躍帶。曾有國外學者利用水泥浸漬ORC作為氧的來源來去除苯和甲苯。Mackay 等人還在范登堡空軍基地和惠尼梅港海軍建設營中心兩個地點對使用PRB的甲基叔丁基醚（MTBE）原位有氧生物處理進行評估。研究結果表明，引入氧氣刺激兩個位點的微生物，可使MTBE完全降解。

3 PRB的設計

3.1 設計原則

墻體滲透系數應大于含水層的滲透系數，以最大限度降低對地下水流場的影響;根據污染物類型，通過室內試驗確定合適的介質材料、墻體規模和方位，以保證修復效果;設置監測井監控PRB的性能，保證其長期安全運行和降低當地生態環境的不良影響。

3.2 設計參數

PRB主要的設計參數包括PRB安裝位置的選擇、結構的選擇、埋深、規模、水力停留時間、方位、反應墻的滲透系數、活性材料的選擇及其配比。根據這些參數計算確定PRB的結構、安裝位置、方位及尺寸、使用期限、監測方案，并估算總投資費用。

4 技術經濟性

同其他地下水修復技術相比，PRB技術具有效率高、造價低的特點。根據污染物種類、介質材料、設計規模和使用壽命不同，造價一般在幾萬到幾百萬美元不等。

5 結語

（1）主要介質材料的選取和試驗分析其效果、影響因素、配比等研究仍處于初級階段，研究經費占比較低。目前研究多為參考國外案例經驗為主，缺乏材料的自主研發。

（2）目前研究仍大范圍局限于室內試驗，現場試驗案例仍然較少，同時缺乏對前期場地的調研和PRB技術結構設計方面的經驗，缺少現場試驗的經驗參數和同步研究，還應考慮前期勘察、結構、運行監測等方面的因素。

（3）環境修復成本較高，PRB技術研發缺乏相應的融資途徑和資金來源。目前亟待解決技術研發的資金成本問題。

參考文獻

[1]束善治，袁勇.污染地下水原位處理方法：可滲透反應墻[J].環境污染治理技術與設備，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

作者簡介：梅婷（1992-），女，漢族，碩士，技術員，研究方向為環境修復、環境調查與評估、環境規劃等。