【文章內(nèi)容簡介】 物處理技術(shù)，其能耗低、處理成本低，但需較長的處理時間：可滲透反應(yīng)格柵技術(shù)，由于所填充的活性介質(zhì)種類多樣，則可用于修復(fù)多種污染物污染的地下水，該技術(shù)具有處理時間短、不破壞生態(tài)環(huán)境、安裝操作簡便、能耗低、處理成本低等特點。修復(fù)技術(shù) 地下水曝氣技術(shù) 電動修復(fù)技術(shù) 原位化學氧化技術(shù) 原位生物處理技術(shù) 可滲透反應(yīng)格柵技術(shù) 處理對象 揮發(fā)性和半揮發(fā)性有機物 重金屬、有機物 難生物降解的有機物處理時間 較短 較短 短是否破壞安裝操作生態(tài)環(huán)境 過程 否 否 可能 否較簡便 較簡便 較簡便 較簡便能耗 較高 較低 較低 低處理成本 較低 較低 高 低 可生物降解的有機物、硝較長態(tài)氮有機物、重金屬、硝態(tài)氮、氟化物、砷、放射性元素較短等否 較簡便 低 低目前，地下水污染問題在一定程度上得到了緩解，但離最終的解決還存在著較遠的差距。再加之，地下水資源日益短缺且社會發(fā)展對水資源需求量不斷擴大，修復(fù)被污染的地下水使其成為可用資源則成了當前最重要的課題之一。地下水污染原位修復(fù)技術(shù)以其獨特的優(yōu)勢從上個世紀末迅猛發(fā)展至今，對其未來的發(fā)展方向可以總結(jié)為以下3個方面：(1)針對每項技術(shù)自身的改進和完善。如可滲透反應(yīng)格柵技術(shù)，雖然現(xiàn)有的研究成果和應(yīng)用實例很多，但一些反應(yīng)機理至今尚不清晰，而且PRB的應(yīng)用受水文地質(zhì)條件的限制較大，在修復(fù)裂隙水污染中仍存在較大的難度。(2)多項地下水污染原位修復(fù)技術(shù)的復(fù)合應(yīng)用研究。地下水污染原位修復(fù)的每項技術(shù)都具有各自的特點和優(yōu)勢，應(yīng)結(jié)合污染現(xiàn)場情況，取長補短、綜合利用，選擇恰當?shù)募夹g(shù)組合形式。如原位化學氧化技術(shù)，為了避免應(yīng)用過程中對生態(tài)環(huán)境可能造成的二次污染，可以組合原位生物處理技術(shù)或PRB技術(shù)協(xié)同應(yīng)用。(3)地下水污染原位修復(fù)技術(shù)與異位修復(fù)和監(jiān)測自然衰減技術(shù)的復(fù)合應(yīng)用研究。地下水污染異位修復(fù)和監(jiān)測自然衰減技術(shù)發(fā)展至今已經(jīng)成為了一類相對成熟的技術(shù)類型，但其在應(yīng)用過程中出現(xiàn)的一些缺陷至今沒得到很好的完善，原位修復(fù)技術(shù)的優(yōu)勢恰好彌補了這一點。如果能夠合理組合不同技術(shù)類型進行應(yīng)用，必將事半功倍?？傊?，地下水污染原位修復(fù)技術(shù)是一種有效可行的地下水污染修復(fù)技術(shù)，具有廣闊的發(fā)展前景。第四章 地下水原位治理的滲透性反應(yīng)墻技術(shù)滲透性反應(yīng)墻(permeable reactive barrier)是20世紀90年代在歐美等發(fā)達國家新興起來的用于原位去除污染水中污染組分的方法?。它是一種被動處理系統(tǒng)，具有時效長，運行、維護費用低等優(yōu)點，主要用于地下水污染的治理。其主要機理是把合適的反應(yīng)材料填充于墻內(nèi)，然后把墻體設(shè)置在垂直污染水的流向上。當污染水流經(jīng)反應(yīng)墻時，水中的污染組分與墻內(nèi)的填充物發(fā)生反應(yīng)，或被降解，或被去除，以此達到治理污染的目的。 滲透性反應(yīng)墻的結(jié)構(gòu)、類型與反應(yīng)介質(zhì)滲透性反應(yīng)墻由反應(yīng)單元和隔水漏斗兩部分組成，其中反應(yīng)單元用來放置反應(yīng)介質(zhì)(如鐵屑)，當污染的地下水流經(jīng)反應(yīng)單元時，有機氯化物與反應(yīng)介質(zhì)接觸，被降解為無毒的去鹵化有機化合物和無機氯化物(見圖1)。最簡單滲透反應(yīng)墻就是一個放置在有機污染物羽狀體運移路徑上的反應(yīng)材料帶(如鐵屑)。研究和實際應(yīng)用表明，該方法的最大優(yōu)點在于不需要用泵抽到地上處理，反應(yīng)墻在安裝后自動運行，不需要安裝地面以上的處理設(shè)施，因此只要運行得當，便可以取得很好的處理效果，同時，由于反應(yīng)介質(zhì)消耗得很慢，故滲透反應(yīng)墻對于羽狀體的處理可持續(xù)幾年，甚至幾十年，除了定點監(jiān)測和反應(yīng)介質(zhì)更換外，每年幾乎不需要任何的運行費用。 滲透性反應(yīng)墻主要有連續(xù)墻式反應(yīng)墻系統(tǒng)、隔水漏斗一導(dǎo)水門系統(tǒng)和多沉箱隔水漏斗一導(dǎo)水門系統(tǒng)。其中，連續(xù)墻式反應(yīng)墻系統(tǒng)由含有滲透性反應(yīng)介質(zhì)的反應(yīng)單元組成(見圖2a)；隔水漏斗一導(dǎo)水門系統(tǒng)有一個不透水部分(或隔水漏斗)將截獲的地下水導(dǎo)向滲透部分(或?qū)T)(見圖2b)這種結(jié)構(gòu)有時能更好地控制反應(yīng)單元的安裝和羽狀體的截獲。當?shù)叵滤鬟^的場地是菲均質(zhì)時，隔水漏斗一導(dǎo)水門系統(tǒng)允許反應(yīng)單元被安置在含水層中滲透性較好的地方。在污染物分布不均的條件下，隔水漏斗一導(dǎo)水門系統(tǒng)能更好地將進人反應(yīng)單元的污染物濃度均勻化。在有較寬的羽狀體和較大地下水流速的地方(尤其是當每個反應(yīng)單元或?qū)T尺寸的安裝受到限制時)，采有多沉箱隔水漏斗一導(dǎo)水門系統(tǒng)能夠保證有足夠的停留時間(見圖2c)。圖2 幾種實用有效的隔水漏斗導(dǎo)水門結(jié)構(gòu)反應(yīng)介質(zhì)是滲透性反應(yīng)墻最主要的構(gòu)成要素。反應(yīng)介質(zhì)的種類很多，主要包括零價鐵、雙金屬和新型反應(yīng)介質(zhì)(如陶瓷狀鐵泡沫、膠狀鐵等)。在研究地區(qū)的背景資料基礎(chǔ)上，包括地下水滲流特征、地下水中有機物的組成與濃度、含水層類型、地質(zhì)結(jié)構(gòu)等，選擇合適的反應(yīng)介質(zhì)，同時受下列因素控制：①反應(yīng)性最好選擇使污染物反應(yīng)速率快的介質(zhì)，以在經(jīng)濟可行的滲流厚度(停留時間)內(nèi)還原污染物；②穩(wěn)定性反應(yīng)介質(zhì)或混合介質(zhì)所能保持反應(yīng)時間的長短是需要考慮的一個重要因素，可保證在場地特有的地球化學條件下，在較長時間內(nèi)(幾年或幾十年)維持其反應(yīng)性；③介質(zhì)存在和價格較便宜的與較貴的介質(zhì)相比，當兩者的性能差別不大時，應(yīng)優(yōu)先考慮較便宜的介質(zhì)，因此要求反應(yīng)介質(zhì)價格合理，容易獲得；④水力性能反應(yīng)介質(zhì)的粒徑應(yīng)該確保反應(yīng)墻有足夠的能力截獲污染羽狀體，且在特定的地球化學條件下，通過限制沉淀的生成，能夠長時間的維持其孔隙度(滲透性)水平；⑤環(huán)境兼容性反應(yīng)產(chǎn)物(如Fe2+、Fe3+、氧化物、氫氧化物和碳酸鹽)要與環(huán)境兼容，不能向下游環(huán)境產(chǎn)生有害的副產(chǎn)物；在實際應(yīng)用過程中應(yīng)綜合考慮這些因素，并綜合特定場地各種特定因素來確定反應(yīng)介質(zhì)的類型。滲透性反應(yīng)墻去除污染物的機理分為生物的和非生物的兩種，主要包括吸附、沉淀、氧化一還原和生物降解，但人們對去除水中有機物最感興趣的還是還原性脫氯，即應(yīng)用氧化一還原反應(yīng)使有機物降解為無毒害的物質(zhì)。目前，零價的顆粒金屬(特別是鐵)是在實驗室批量試驗、中試和現(xiàn)場應(yīng)用最廣泛的反應(yīng)介質(zhì)，最常用的是零價鐵屑。零價鐵發(fā)生氧化一還原反應(yīng)，產(chǎn)生電子活性將氯化物轉(zhuǎn)化為潛在的無毒物質(zhì)。雖然其它的反應(yīng)介質(zhì)也能產(chǎn)生類似的反應(yīng)，但是反應(yīng)速率不同，以下以鐵為例介紹其反應(yīng)的機理。Sweey等研究表明，盡管存在其它降解機理，但主要是鹵素原子被氫原子取代:Fe+H2O+RCL→RH+Fe+OH+CL(1)鹵素原子被氫氧基取代：2+Fe+2H2O+2RCL→2ROH+Fe+H2+2CL(2)鐵被水消耗，這個反應(yīng)進行很慢：2+Fe+2H2O→2OH+Fe+H2(3)如果地下水進入反應(yīng)單元過程中有氧存在，鐵會被氧化并產(chǎn)生氫氧根離子式，即：2+Fe+O2+2H2O→2Fe+4OH(4)鐵會以Fe(OH)：或Fe(OH)，形式沉淀，阻礙反應(yīng)的進一步進行。因此，在地下水進入反應(yīng)單元之前，應(yīng)采取措施降低或消除水中的溶解氧。一旦去掉溶解氧，像TCE這樣的有機氯化物由于鹵素的存在而處于氧化狀態(tài)，鐵可以通過電子轉(zhuǎn)移與有機氯化物反應(yīng)，主要產(chǎn)物是乙烯和氯化物，如下式所示：2+3Fe→3Fe+6e+2+C2HCL3+3H+6e→C2H4+3CL+(5)3Fe+C2HCL3+3H→C2H4+3CL+3Fe2+上述幾個反應(yīng)都產(chǎn)生OH，所以會使反應(yīng)單元中水的pH值升高，pH值升高會導(dǎo)致TCE降解速率的降低。其間接影響是易形成氫氧化物沉淀而將鐵的表面包圍起來，從而降低了鐵的活性和反應(yīng)單元的導(dǎo)水性。在天然地下水中，溶解的碳酸及重碳酸鹽起了緩沖體系的作用，限制了pH值的升高和沉淀的生成。在堿性條件下，大量CO32形成FeCO3，沉淀，反應(yīng)到一定程度時，CO32達到平衡，則不能限制pH值的升高。H2CO3 +2OH→CO3+2H2O(6)HCO3 +OH→CO3+H2O(7)Gillham和039。Iannesin分別用加入和不加入生物殺蟲劑對受TCE污染的水進行土柱實驗。在這兩種情況下，得到了相近的降解速率，這說明TCE的降解是非生物的過程，能夠在沒有生物參與的情況下進行。在加利福尼亞Sunnyvale一個工廠里進行的一個中試研究中，對地下水進行了微生物分析，結(jié)果表明在含水層22的反應(yīng)介質(zhì)中并不存在微生物。但是，在一定的條件下，反應(yīng)單元中有可能發(fā)生生物反應(yīng)。到目前為止，在實地裝置中的反應(yīng)單元中沒有發(fā)現(xiàn)明顯的生物活動。 滲透性反應(yīng)墻的安裝反應(yīng)單元就是污染羽狀體流過的、裝填有反應(yīng)介質(zhì)的部分含水層，其常用安裝技術(shù)有：傳統(tǒng)溝槽式開挖(Conventional trench excavation)、沉箱式安裝、芯軸式安裝(mandrelbased emplacement)、連續(xù)挖掘填埋(confinous trenching)。這4種安裝技術(shù)都曾用于現(xiàn)場反應(yīng)單元的安裝，其中溝槽式安裝應(yīng)用最廣。盡管不同場地有所不同，但考慮到地下水位波動和反應(yīng)介質(zhì)的固結(jié)，反應(yīng)單元應(yīng)的上緣一般位于地下水位以上60cm左右，而下部要嵌人隔水層至少30cm。在隔水漏斗一滲透門系統(tǒng)中，漏斗壁部分一般要嵌入隔水層1．5 m。如果隔水層是不連續(xù)的，土工織物和水泥板需要鋪設(shè)在建反應(yīng)單元底部，防止任何污染物通過地下流繞過反應(yīng)單元。在單元建設(shè)期間，監(jiān)測井群可以安裝在反應(yīng)介質(zhì)中或者上游和下游的細礫石中。(1)傳統(tǒng)溝槽開挖(Conventional trench excava—don)根據(jù)滲透性反應(yīng)墻的設(shè)計，安裝反應(yīng)單元需要挖一條裝填反應(yīng)介質(zhì)的溝槽。傳統(tǒng)開挖溝中最常用的設(shè)備是反鏟挖土機(深度小于24 m)和蚌殼式挖泥機(深度大于24 m)。開挖前先沿著擬建反應(yīng)單元的周圍打入臨時性的鋼板樁，并用支撐加固。板樁也可以用于暫時隔離細礫石部分和反應(yīng)介質(zhì)。如果高水位使板樁不能阻止地下水進入反應(yīng)單元，將需要對溝排水。為保持反應(yīng)單元安裝期間溝壁的整體性，要在生物高聚物泥漿壓力下進行開挖，這種生物高聚物泥漿由粉末狀瓜耳木膠構(gòu)成。反應(yīng)墻安裝完之后，大部分瓜耳木膠將降解成為水，對傳統(tǒng)溝槽式反應(yīng)墻的滲透性影響很小。(2)沉箱式安裝沉箱是一種空的、承受荷載的圍欄，其形狀和大小可根據(jù)需要而變化。為了安裝反應(yīng)單元，一個預(yù)制開口的鋼制沉箱可用于暫時幫助開挖。通常， m或更小的沉箱可以推入或夯入地下，其直徑越小，越易驅(qū)入，并且能保持豎直狀態(tài)。 m對反應(yīng)單元的安裝來說是不經(jīng)濟的，這對反應(yīng)單元內(nèi)滲透厚度和停留時間都將受到限制，所以在污染羽狀體較寬、濃度較高、水流速度較大的地方，用多沉箱的隔水漏斗一導(dǎo)水門系統(tǒng)提供適當?shù)耐Ａ魰r間。(3)芯軸式安裝該方法是用一個中空鋼軸或芯軸來開辟一個垂直的空間，然后將反應(yīng)介質(zhì)填進去。在被打入地下以前，芯軸的下部放上一個有利于驅(qū)動的金屬套頭。一旦空間形成，使用一個漏斗管直接將介質(zhì)倒入孔中，到達要求的深度后．把芯軸取出來，留下反應(yīng)介質(zhì)和金屬套頭。其缺點是，反應(yīng)單元的尺寸受到芯軸尺寸的限制，芯軸一般是5cm13 cm，因此安裝一個反應(yīng)單元不可能一次成功；在用振動錘向下安裝芯軸時，可能由于地下的障礙物芯軸偏離方向，而且土壤被壓實后滲透性將降低。優(yōu)點是費用低，不產(chǎn)生泥和石頭，減小了有害廢物的暴露和處置， cm的反應(yīng)材料。(4)連續(xù)式開挖安裝該方法受開挖深度限制，不如其它挖土機使用那樣普遍，但連續(xù)式開挖機對深度為10 m12 m的墻是一個很好的選擇。它能連續(xù)開挖一個40 cm60 cm的窄槽，同時立即用反應(yīng)介質(zhì)回填或放人防滲的高密度聚氯乙烯(HDPE)連續(xù)隔膜。這種挖掘機開挖時，不需要對含水的溝槽排水，也不需要安裝鋼板樁暫時支護溝槽墻壁。因為開挖時吊桿幾乎是垂直而沒有坡度，可以最大限度地減小開挖時產(chǎn)生的泥土和巖石，而且開挖的效率也很高。反應(yīng)單元的設(shè)計也包括引導(dǎo)或匯聚地下水向滲流門的側(cè)面隔水墻，最常用的是鋼板樁隔水墻和泥漿隔水墻，一般都將其嵌人隔水層中防止地下水向下游遷移，有時用懸掛式隔水墻的來阻止懸浮的污染物。如果含水層缺乏連續(xù)性或部分缺失，灌漿防滲底板可達到36m深。(1)鋼板樁鋼板樁在巖土工程建設(shè)中是一種常用的地下工程。它通常在開挖過程中用做固定墻來防止溝槽的崩塌和阻止地下水的流入。它以其強度和完整性而聞名，并且可以防止水力壓裂。根據(jù)土壤中的氧含量和污染物的腐蝕性，鋼板墻的有效使用期在7到40年之間。一般板樁的長度為12 m，但如果需要更大的深度可將其焊接在一塊。在放入地下之前，將他們在邊緣的嵌連處連接起來。雖然在過去曾放到過24 m的深度，可在18m左右就偏離了垂直方向。在多巖石的土壤中安裝時可能被損壞或放不下去，且板樁嵌連處會發(fā)生滲漏，使應(yīng)用受到限制?；F盧大學開發(fā)了一種滲透性低、安裝速度決、擾動小的無縫板樁，并已經(jīng)在幾個污染區(qū)用作隔離墻。像一般的鋼板樁一樣，為了保證板樁的完整性，新型板樁的安裝深度也應(yīng)該限制在18 m以內(nèi)，而由于多巖石的土壤或高度固結(jié)的沉積物在安裝過程中會損壞板樁，所以施工受到地質(zhì)條件的限制。同時，受密封性、形狀和使用要求影響。沉箱式隔水漏斗一滲透門系統(tǒng)很難應(yīng)用板樁。目前。這種無縫板樁只在加拿大的一個地區(qū)生產(chǎn)．其推廣和使用也受到限制。(2)泥漿墻 泥漿墻是改變污染水流方向最常用的地下墻。首先在膨潤土和水混合的泥漿壓力下開挖一道壕溝，通過在溝壁上形成泥餅來保持溝的穩(wěn)定性。壕溝被開挖后，迅速用選擇的回填材料與膨潤土混合物回填。最常見的泥漿墻是土壤一膨潤土泥漿墻、水泥一膨潤土泥漿墻、塑料一膨潤土泥漿墻和復(fù)合泥漿墻。由于泥漿墻和反應(yīng)單元的密封容易解決，因此特別適合于沉箱式隔水漏斗一導(dǎo)水門系統(tǒng)。其中，土壤一膨潤土泥漿墻應(yīng)用最普遍。它安裝費用較少，滲透性很低，能承受各種溶解性的污染物的化學侵蝕，墻的建造也非常簡單。開挖一開始就引入膨潤土泥漿。挖出的土壤可與水和膨潤土混合，當溝槽達到需要的深度和一定的長度時，混合的充填物就可進行回填。水泥一膨潤土泥漿墻主要應(yīng)用于沒有足夠空地混合回填物的情況，在水、膨潤土和水泥組成的泥漿壓力下挖一條溝槽，不回填土壤，泥漿慢慢凝固，和土壤一起形成粘土墻。填溝時需要大量的水泥，故其造價高，同時，因挖出的土壤不回填，需要額外的處置費用；墻體中大部分都是水，而固體少，故滲透性較高，易被污染物滲透，因此，水泥一膨潤土泥漿墻在環(huán)境中的應(yīng)用受到限制。其優(yōu)點是強度大、可在特殊地形條件下進行安裝。塑料混凝土泥漿墻是由水、膨潤土、水泥和聚集體的混合物組成，具有很大的剪切強度和韌性。塑料混凝土泥漿墻是在膨潤土泥漿的壓力下分段建造的，當一端挖好后，就用導(dǎo)管