PRB技術在地下水污染修復中的應用

郭 彬,蘇宏建

[1.華勘(天津)生態城市研究院有限責任公司,天津 300170; 2.華北地質勘查局五一四地質大隊,河北 承德 067000; 3.河北華勘資環勘測有限公司,河北 承德 067000]

地下水資源作為重要的水資源之一對于生態平衡發展起到了重要作用,但近年來地下水污染問題愈加嚴重,為了有效解決地下水問題,對PRB技術進行應用研究,結合物理、化學及生物手段完成污染物截留和轉化,達到修復地下水的目的。本研究深入探討了PRB技術在地下水修復中的具體應用,分析其工作原理,研究其實際效果,探索可能影響其修復效果的各種因素,為地下水修復領域提供新的理論視角和實踐指導。

1 PRB技術的應用原理、構成及工作方式

1.1 PRB技術的應用原理

PRB(Permeable Reactive Barrier)也被稱為固體反應屏障技術,是一項專為修復地下水污染而設計的方式,其基礎原理是在地下設置具有高度通透性的反應屏障。屏障的構建通常使用特定的反應介質,如零價鐵或活性炭,促進污染物的分解或吸附。PRB技術應用優點是具備被動性。安裝完成后,PRB可以長時間保持穩定運行,不需要額外的能源或經常性的維護。該技術能夠對廣泛的污染物進行有效修復,取決于選擇的反應介質及其與污染物的相互作用特性。

1.2 PRB的構成及工作方式

PRB(Permeable Reactive Barrier)構成主要包含兩部分：具有通透性的屏障結構和填充的特定反應介質。該屏障是沿地下水的流動方向垂直放置,確保地下水能有效流經而受到修復處理。反應介質的選擇關鍵在于其與特定污染物的相互作用能力。例如,零價鐵常用于處理氯化物,它可以與其發生赤化反應,使氯化物轉化為無害物質。而活性炭具有高度的吸附能力,常用來去除有機污染物。此外,某些生物材料也可作為反應介質,通過生物降解的方式去除污染物。PRB工程方式主要是當地下水流經PRB時,污染物與反應介質接觸,通過化學、物理或生物反應使污染物得到降解、吸附及轉化,將其從地下水中移除或大大降低濃度。整個過程不需要額外的能源輸入,完全利用地下水的自然流動實現修復,具備高效性與經濟性,對環境干擾最小。

2 地下水污染樣本獲取

2.1 水樣取樣設備與方式

地下水樣品的采集是進行地下水質量評估和監測的關鍵步驟。常用的取樣方式是利用專門設計的抽水泵,這種泵可安裝在觀測井內,確保樣品不受到外部因素的污染。其中,電動潛水泵是最為普遍的一種,可確保在深層地下水采樣時得到連續具有代表性的水樣。對于污染物濃度較低或需要進行微生物分析的樣品,經常使用無油真空手動抽水泵,以防止任何潛在的污染。巴爾瓦爾夫(Bailers)也是常見的取樣設備,主要應用于需要簡單、快速取樣的場合。在實際取樣過程中,需在觀測井中排放一定量的地下水,通常為井筒容積的3～5倍,這樣可確保樣品完全代表井下的地下水質量。采集完畢后,樣品需要被立即密封、冷藏,并送至實驗室進行分析。每次采樣完成后,所有的設備都需要進行徹底的清洗和消毒,以準備下一次的采樣,確保樣品不受交叉污染。在數據分析階段,采樣深度、位置、時間等參數都需要詳細記錄,并與化學、物理和生物分析結果一同考慮,以獲得對地下水污染情況的全面了解。

2.2 水樣初始污染物分析

對地下水樣本進行初步分析是評估地下水污染程度和后續PRB技術應用的前提。利用高效液相色譜(HPLC)和氣相色譜-質譜(GC-MS)對水樣進行有機污染物的定性與定量分析。數據顯示,受污染的地下水中含有多種有機化合物,其中苯、甲苯和二甲苯的濃度分別為50 μg/L、120 μg/L和80 μg/L,遠超過安全標準。通過離子色譜法對無機離子如鉛、鉻和汞進行測定,分析結果顯示濃度分別為15 μg/L、25 μg/L和2 μg/L,超出了國家設定的飲用水標準。研究發現,地下水具有豐富的污染物種類,污染物呈現出高濃度,需對其進行及時修復。需運用PRB技術,針對地下水污染實際情況,設計合適的PRB實驗方案,為實驗結果提供有力的對照基準,以確保PRB技術在地下水修復中的應用價值得到充分體現。

3 PRB技術應用試驗

3.1 試驗方案

基于初步污染物分析,針對地下水中檢測到的關鍵污染物如苯、甲苯、二甲苯及鉛、鉻、汞,設計了PRB技術應用試驗方案?？紤]到有機污染物的性質,選用零價鐵作為主要的反應介質,其與有機化合物可進行赤化反應,有效降解有機物。為了解決無機金屬離子污染問題,在反應屏障中加入生物活性炭,利用其高吸附能力對金屬離子進行吸附去除。PRB的厚度設計為1.5 m,確保水流完全經過此屏障并與反應介質充分接觸。根據地下水流速和污染物濃度,預計PRB使用周期達5年,之后需進行材料的替換或再生。為了監測PRB的修復效果,計劃在PRB的上游和下游各設置3個觀測井,以定期取樣并分析污染物的去除效果。此試驗方案旨在通過合理的設計和實施,確保PRB技術在實際應用中能夠達到預期的修復效果。

3.2 試驗條件

為確保數據的準確性和地下水污染樣本的代表性,試驗條件必須經過嚴格控制。所有觀測井的深度均為30 m,確保從地下水含水層的中部取得樣本,更能反映真實的地下水質?？紤]到地下水的流速約為0.5 m/d,取樣頻率設定為每月一次,以便獲得時間分辨率上的污染變化情況。水樣采集時,泵浦的流速設定為0.2 L/min,確保取樣過程中不受氣泡和沉積物的干擾。所有水樣都應在15 ℃的恒溫條件下保存,并在24 h內送至實驗室分析,以減少污染物的揮發或生物降解。使用高效液相色譜(HPLC)和氣相色譜-質譜(GC-MS)分析時,控制儀器的室溫在22 ℃,以保證分析的準確性和重復性。在上述試驗條件下,苯、甲苯和二甲苯的濃度分布穩定,與PRB技術應用試驗研究的數據吻合,證明試驗條件的嚴格控制為整個研究提供了可靠的數據基礎。

3.3 數據收集

數據收集與分析是確保地下水污染樣本代表性的關鍵步驟。對于苯、甲苯和二甲苯等有機污染物的濃度測量,采用高效液相色譜(HPLC)及氣相色譜-質譜(GC-MS)技術,每月在恒定的30 m深度通過特制不銹鋼水樣器進行水樣采集,確保樣本的完整性,避免二次污染。在實驗室中,樣品經過預處理后,根據標準物質制備的校準曲線進行定量分析。其公式如下：

(1)

其中,Cx是待測樣品濃度,Ax是樣品的峰面積,As是標準物質的峰面積,Cs是標準物質的濃度。為了確保數據的準確性,每次測量都進行3次復測,取其平均值作為該月的污染物濃度。為了探討不同月份間的差異是否顯著,進行了方差分析(ANOVA),結果顯示,苯、甲苯和二甲苯的濃度隨月份存在顯著性差異(p<0.05)。如表1所示。運用質譜分析對水樣中的其他有機物進行識別,以了解除了已知的幾種污染物外還可能存在哪些潛在的有機污染源。通過數據收集,將為PRB技術的優化和進一步應用提供參考依據。

表1 不同月份樣本污染物濃度變化

4 實驗結果

4.1 PRB技術修復效果

PRB技術作為一種被廣泛應用于地下水修復的方法,旨在形成一個固定的反應帶,以降低通過的污染物濃度。在實驗中使用了一個鋼鐵壁,利用其還原性來降解有機污染物,特別是苯、甲苯和二甲苯。PRB的構建位置選定為污染物濃度最高的位置,確保得到最佳的修復效果。經過6個月的實驗周期后,從PRB下游取得的地下水樣品顯示,相較于沒有設置PRB的情況,苯、甲苯和二甲苯的濃度均大幅降低。如表2所示。

表2 PRB技術修復效果

修復效率是評估PRB效果的關鍵指標。其計算公式如下：

(2)

其中,R代表修復效率,Ci是地下水污染物濃度,Cf是PRB修復后地下水污染物濃度。除了對有機污染物的修復,還對無機離子進行了分析。結果顯示,地下水污染物含有的硝酸鹽濃度從30 mg/L降至2 mg/L,鐵的濃度從0.5 mg/L上升到2 mg/L。這可能是由于PRB中鋼鐵與硝酸鹽發生反應,導致鐵離子的釋放。通過質譜分析檢測到的有機污染物也得到了不同程度的降解。這表明PRB不僅針對主要的有機污染物,還對其他污染物具有一定的修復效果。

4.2 PRB修復效果影響因素

PRB在地下水修復領域已被證明具有應用價值,但其修復效果受到多種因素的影響。為了更全面地評估和預測其在實際應用中的表現,對幾個關鍵因素進行探討。PRB的物理特性是一個決定性因子。以鐵壁為例,其顆粒大小、孔隙度及比表面積直接關系到反應速度。數據顯示,顆粒直徑在1～2 mm的鐵壁對于有機污染物的修復效果明顯優于5～6 mm的鐵壁。此外,孔隙度高的鐵壁因為提供了更多的流動通道,其修復效果較好。如表3所示。

表3 鐵壁顆粒對PRB技術修復效果產生的影響

污染物的初始濃度和類型會影響修復效果。例如,對于高濃度的苯和甲苯,需要更長的修復時間和更大的反應物比例。而某些金屬離子,如銅和鋅,可能與鐵壁產生競爭吸附,從而降低有機污染物的修復效率。地下水流速是另一個重要的影響因子。通過觀察,流速在0.2～0.4 m/d的區域,PRB修復效果最佳,其為有機污染物與反應物提供了足夠的接觸時間。而在流速較高或較低的區域,效果都會受到一定程度的影響。環境因子,如地下水的pH值、溫度及紅ox條件也與PRB的修復效果密切相關。一般來說,pH值在6.5～7.5,溫度在10 ℃～25 ℃,較為還原的環境是最適宜鐵壁進行化學反應的。PRB的修復效果受到多種因素的綜合影響。在設計和部署PRB時,必須綜合考慮上述因素,以確保其在實際場景中達到預期效果。

5 結束語

PRB技術作為一種高效、經濟、環保的地下水修復方法已在多個場景中展現了其優越性。對PRB技術進行深入探討和實驗研究,分析其在地下水修復中的作用機制、修復效果及影響其效果的多種因素,為今后廣泛應用PRB技術提供了重要的理論支持和實踐指導。但PRB技術研究仍有很多尚未觸及的領域,需要人們共同努力,進一步優化技術,擴大應用范圍,為保護和恢復地下水資源做出更大的貢獻。