【技術(shù)盤點】污染地下水可滲透反應(yīng)墻修復(fù)技術(shù)簡介與應(yīng)用案例 _ 土星人智庫

1、【技術(shù)盤點】污染地下水可滲透反應(yīng)墻修復(fù)技術(shù)簡介與應(yīng)用案例2015年09月16日 工程技術(shù) 暫無評論 閱讀 22 次 導(dǎo)讀隱藏寫在前面污染地下水可滲透反應(yīng)墻修復(fù)技術(shù)簡介與應(yīng)用案例技術(shù)介紹應(yīng)用案例寫在前面周周向上與土星人智庫自創(chuàng)辦以來持續(xù)關(guān)注土壤與地下水污染,迄今已發(fā)布近千條資訊、視頻、語音、文檔,其中較成系統(tǒng)的成果有:國際土壤污染治理經(jīng)驗盤點系列;國內(nèi)土壤污染與治理進展系列;USEPA污染場地清理技術(shù)介紹系列;美國污染場地清理原聲培訓(xùn)視頻系列;南開大學(xué)土壤環(huán)境化學(xué)視頻課程系列;超級基金與污染場地清理視頻課程系列;臺灣土壤污染防治公益動畫系列;典型土壤與地下水治理案例分析系列。自2015年9月起,

2、擬對國內(nèi)目前常用的修復(fù)技術(shù)進行盤點,力圖經(jīng)過整理、總結(jié),形成第9個系統(tǒng)性成果:國內(nèi)常用修復(fù)工程技術(shù)盤點系列,以供訂閱用戶參考使用,歡迎關(guān)注。感謝關(guān)注土壤與地下水污染!土星人智庫是土壤與地下水污染防治公益顧問機構(gòu)。以下資料整理自環(huán)境保護部官網(wǎng):污染地下水可滲透反應(yīng)墻修復(fù)技術(shù)簡介與應(yīng)用案例技術(shù)介紹1 技術(shù)名稱技術(shù)名稱:地下水修復(fù)可滲透反應(yīng)墻技術(shù)英文名稱:Permeable Reactive Barrier(PRB2 技術(shù)適用性2.1 適用介質(zhì)污染地下水2.2 可處理的污染物類型碳氫化合物(如BTEX(苯、甲苯、乙苯、二甲苯、石油烴、氯代脂肪烴、氯代芳香烴、金屬、非金屬、硝酸鹽、硫酸鹽、放射性物質(zhì)等

3、。2.3 應(yīng)用限制條件不適用于承壓含水層,不宜用于含水層深度超過10m的非承壓含水層,對反應(yīng)墻中沉淀和反應(yīng)介質(zhì)的更換、維護、監(jiān)測要求較高。3 技術(shù)介紹3.1 原理在地下安裝透水的活性材料墻體攔截污染物羽狀體,當污染羽狀體通過反應(yīng)墻時,污染物在可滲透反應(yīng)墻內(nèi)發(fā)生沉淀、吸附、氧化還原、生物降解等作用得以去除或轉(zhuǎn)化,從而實現(xiàn)地下水凈化的目的。最常見的應(yīng)用形式與原理如表1所示。表1 常見的PRB形式與原理 3.2 系統(tǒng)構(gòu)成和主要設(shè)備目前投入應(yīng)用的PRB可分為單處理系統(tǒng)PRB和多單元處理系統(tǒng)PRB。單處理系統(tǒng)PRB的基本結(jié)構(gòu)類型包括連續(xù)墻式PRB和漏斗-導(dǎo)門式PRB,還有一些改進構(gòu)型,如墻簾式PRB、注

4、入式PR B、虹吸式PRB以及隔水墻-原位反應(yīng)器等,適用于污染物比較單一、污染濃度較低、羽狀體規(guī)模較小的場地;多單元處理系統(tǒng)則適用于污染物種類較多、情況復(fù)雜的場地。多單元處理系統(tǒng)又可分為串聯(lián)和并聯(lián)兩種結(jié)構(gòu)。串聯(lián)處理系統(tǒng)多用于污染組分比較復(fù)雜的場地,對于不同的污染組分,串聯(lián)系統(tǒng)中的每個處理單元可以裝填不同的活性填料,以實現(xiàn)將多種污染物同時去除的目的。實際場地中應(yīng)用的串聯(lián)結(jié)構(gòu)有溝箱式PRB、多個連續(xù)溝壕平行式P RB等。并聯(lián)多用于系統(tǒng)污染羽較寬、污染組分相對單一的情況。常用的并聯(lián)結(jié)構(gòu)有漏斗-多通道構(gòu)型、多漏斗-多導(dǎo)門構(gòu)型或多漏斗-通道構(gòu)型。PRB的結(jié)構(gòu)是地下水污染去處效果優(yōu)劣的影響因素之一,其結(jié)構(gòu)

5、設(shè)計需要考慮兩個關(guān)鍵問題:一是PRB能嵌進隔水層或弱透水層中,以防止地下水通過工程墻底部運移,確保能完全捕獲地下水的污染帶;二是能確保地下水在反應(yīng)材料中有足夠的水力停留時間。不同結(jié)構(gòu)的PRB 適用情況不同(表2,實際應(yīng)用中應(yīng)結(jié)合具體的地下水水文及污染狀況進行合理設(shè)計。表2 PRB的結(jié)構(gòu)類型 PRB的主要設(shè)備:溝槽構(gòu)建設(shè)備(雙輪槽機、鏈式挖掘機等、阻隔幕墻構(gòu)建設(shè)備(大型螺旋鉆、打樁機等、監(jiān)測系統(tǒng)(氫氣、氧化還原電位、pH值、水文地質(zhì)情況、污染物、反應(yīng)墻滲透性能的變幅和變化情況等在線監(jiān)測系統(tǒng)等。3.3 關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)或指標主要包括PRB安裝位置的選擇、結(jié)構(gòu)的選擇、埋深、規(guī)模、水力停留時間、方位、反應(yīng)

6、墻的滲透系數(shù)、活性材料的選擇及其配比。(1PRB安裝位置的選擇第一步,通過土壤和地下水體取樣、試驗室測試研究、現(xiàn)有數(shù)據(jù)整理,圈定污染區(qū)域,其范圍應(yīng)大于污染物羽流,防止污染物隨水流從PRB的兩側(cè)漏過去,建立污染物三維空間模型,然后選擇計算范圍,進而建立污染物濃度分布圖。第二步,通過現(xiàn)場水文地質(zhì)勘察,繪出地下水流場,了解地下水大體流向。第三步,根據(jù)地下水動力學(xué),探討污染物的遷移擴散方式和范圍,在污染物可能擴散圈的前端劃定PRB的安裝位置。第四步,在初定位置的可能范圍進行地面調(diào)查。(2PRB結(jié)構(gòu)的選擇對于比較深的承壓層,采用灌注處理式PRB比較合適;而對于淺層潛水,可采用的PRB形式多種多樣。此外,

7、還應(yīng)考慮反應(yīng)材料的經(jīng)濟成本問題,若用高成本的反應(yīng)材料時,可采用材料消耗較少的漏斗-導(dǎo)水門式結(jié)構(gòu);若使用便宜的反應(yīng)原料,宜選用連續(xù)式滲透反應(yīng)墻。(3PRB的規(guī)模根據(jù)歐美國家多個PRB工程的現(xiàn)場經(jīng)驗可知,PRB的底端嵌入不透水層至少0.60m,PRB的頂端需高于地下水最高水位;PRB的寬度主要由污染物羽流的尺寸決定,一般是污染物羽流寬度的1.21.5倍,漏斗導(dǎo)水門式結(jié)構(gòu)同時取決于隔水漏斗與導(dǎo)水門的比率及導(dǎo)水門的數(shù)量?？紤]到工程成本因素,當污染物羽流分布過大時,可采用漏斗導(dǎo)水門式結(jié)構(gòu)的并聯(lián)方式,設(shè)計若干個導(dǎo)水門,以節(jié)省經(jīng)濟成本和減少對地下水流場的干擾。(4PRB水力停留時間污染物羽流在反應(yīng)墻的停留時

8、間主要由污染物的半衰期和流入反應(yīng)墻時的初始濃度決定。污染物的半衰期由室內(nèi)柱式試驗確定。(5PRB走向一般來說,反應(yīng)墻的走向垂直于地下水流向,以便最大限度截獲污染物羽流。在實際工程設(shè)計中,一般根據(jù)以下兩點確定反應(yīng)墻的走向:a根據(jù)長期的地下水水文資料,確定地下水流向隨季節(jié)變化的規(guī)律;b建立考慮時間的地下水動力學(xué)模型,根據(jù)近乎垂直原理,確定反應(yīng)墻的走向。(6PRB的滲透系數(shù)一般來說,反應(yīng)墻的滲透系數(shù)宜為含水層滲透系數(shù)的2倍以上,對于漏斗導(dǎo)水門結(jié)構(gòu)甚至是10倍以上。(7活性材料的選擇及其配比反應(yīng)介質(zhì)的選擇主要考慮穩(wěn)定性、環(huán)境友好性、水力性能、反應(yīng)速率、經(jīng)濟性和粒度均勻性等因素。PRB處理污染地下水使用

9、的反應(yīng)材料,最常見的是零價鐵,其它還有活性碳、沸石、石灰石、離子交換樹脂、鐵的氧化物和氫氧化物、磷酸鹽以及有機材料(城市堆肥物料、木屑等。4 技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)和前期準備PRB系統(tǒng)的設(shè)計施工比較復(fù)雜,加上PRB修復(fù)污染物的過程涉及物理、化學(xué)、生物等多學(xué)科領(lǐng)域,在設(shè)計PRB時需要綜合考慮很多因素。只有經(jīng)過前期可行性調(diào)研、水文地質(zhì)勘察,獲得一些參數(shù)后才能進行設(shè)計。需調(diào)研的參數(shù)主要包括:污染物特征,如非飽和土壤和含水層污染物的種類、濃度、三維空間分布、遷移方式及轉(zhuǎn)化條件;當?shù)氐牡乩淼刭|(zhì)概況和水文氣象、地下水的埋深、運移參數(shù)、季節(jié)性變化;含水層的厚度及其滲透系數(shù)、孔隙度、顆粒粒徑和級配、地下水的地球化學(xué)特性

10、(如pH值、Eh、DO、溫度、電導(dǎo)率、Ca2+、Mg2+、NO3-、SO42-等離子含量等;現(xiàn)場微生物活性和群落;現(xiàn)場施工環(huán)境條件、對周圍環(huán)境的影響;治理周期、效益、成本、監(jiān)測;工程項目經(jīng)費。然后在試驗室進行批量試驗和柱式試驗,確定活性反應(yīng)介質(zhì)并測試其修復(fù)效果和反應(yīng)動力學(xué)參數(shù),建立水動力學(xué)模型。根據(jù)這些參數(shù)計算確定PRB的結(jié)構(gòu)、安裝位置、方位及尺寸、使用期限、監(jiān)測方案,并估算總投資費用。5 主要實施過程(1對于深度不超過10m的淺層PRB,在污染羽流向的垂向位置,使用連續(xù)挖溝機進行挖掘,并回填活性材料,同時設(shè)置監(jiān)測井、排水管、水位控制孔等,最后在墻體上覆蓋土層。也可采用板樁、地溝箱、螺旋鉆孔等

11、挖掘方式。(2對于深度大于10m的PRB,有多種方式進行開挖和回填。由于深度較大,回填時常采用生物泥漿運送反應(yīng)材料,通常是采用瓜爾豆膠,并在混合物中添加酶,可以使瓜爾豆膠在幾天內(nèi)降解,留下空隙,形成高滲透性的結(jié)構(gòu)。采用該膠時,安裝前先測試地下水的化學(xué)性質(zhì)是否與反應(yīng)材料和生物泥漿的混合物相適合,以確定生物泥漿能否在合適的時間內(nèi)得到降解。采用深層土壤混合法時,一般采用螺旋鉆機進行鉆挖和回填,隨著螺旋鉆在土壤中緩慢推進,將生物泥漿和反應(yīng)材料的混合物注入并與土壤混合。在松散的沉積層中可將反應(yīng)材料放置到地表下近50m處。采用旋噴注入法時,將噴注工具推進到需要的深度,通過管口高壓注射反應(yīng)材料和生物泥漿,連

12、續(xù)噴注一系列的鉆孔形成可滲透反應(yīng)墻。垂直水力壓裂法是將專用工具放入鉆孔中來定向垂直裂縫,利用低速高壓水流,將材料注入土壤層,形成裂縫,由一系列并排鄰近的鉆孔水力壓裂形成滲透反應(yīng)墻。6 運行維護和監(jiān)測PRB建好后,需進行長期觀測、運行和管理。其運行維護相對簡單,運行過程中僅需在長期監(jiān)測的基礎(chǔ)上對反應(yīng)介質(zhì)進行定期更換。為了精確測量監(jiān)測效果,需在PRB上下游及PRB內(nèi)布置監(jiān)測井觀測水位深度變化,并周期性地監(jiān)測相關(guān)的水文地質(zhì)化學(xué)參數(shù)、流速等。監(jiān)測井的布置要保證能夠捕獲污染羽流的運動方向,因此應(yīng)在濃度較高或接近反應(yīng)墻的位置集中布置監(jiān)測井。常用的監(jiān)測指標有目標污染物、降解中間產(chǎn)物、ORP(氧化還原電位、p

13、H值、Eh、BOD 5、COD等。7 修復(fù)周期及參考成本PRB的處理周期較長,一般需要數(shù)年,常通過實驗室小試或中試確定。其處理成本與PRB類型、工程規(guī)模等因素相關(guān)。據(jù)2012年3月美國海軍工程司令部發(fā)布的技術(shù)報告(編號:TR-NAV FAC-ESC-EV-1207,Permeable reactive barrier cost and performance report,處理地下水的成本介于1.5-37.0美元/m。目前,國內(nèi)尚無可參考的工程案例成本。應(yīng)用案例8 國外應(yīng)用情況8.1 應(yīng)用概況該技術(shù)較為成熟,在北美和歐洲等發(fā)達國家有較多應(yīng)用。美國環(huán)保署、美國海軍工程服務(wù)中心等機構(gòu)已制定并發(fā)布了

14、本技術(shù)的工程設(shè)計手冊。根據(jù)美國超級基金項目統(tǒng)計,2005-2008年有8個項目使用了該技術(shù)。國外部分應(yīng)用案例信息如表3所示。表3 PRB技術(shù)應(yīng)用案例 8.2 國外應(yīng)用案例(1工程背景上世紀90年代初美國北卡羅來納州Elizabeth城東南5公里處海岸警衛(wèi)飛機場79號機庫污染場地Cr6+和TCE(三氯乙烯污染嚴重,位于Pasquotank河南岸60m。場地之前為一鍍鉻廠舊址,使用歷史長達30多年。在使用過程中排放了酸性含鉻廢物和有機溶劑,它們通過混凝土地板上的小洞穿透土壤進入地下含水層。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果,該污染羽寬約35米,深至地下6.3米,圖2 PRB平面布置圖 （7）主要工藝及設(shè)備參數(shù) 對于反應(yīng)

15、材料的選擇，設(shè)計者專門抽取了區(qū)域內(nèi)的地下水進行試驗。在第34號監(jiān)測井中測 得的TCE和Cr6+的質(zhì)量濃度分別為750g/L和8mg/L，為了試驗方便，兩者質(zhì)量濃度分別被提 高到2000g/L和10mg/L。在經(jīng)過批量試驗和圓柱試驗后，發(fā)現(xiàn)零價鐵顆?；旌衔飳θコ齌CE 和Cr6+的效果很好，因此采用零價鐵作為反應(yīng)材料。其中鐵顆粒的設(shè)計粒徑為0.4mm，表面積 為0.80.9/g?；趯龅貤l件、工程使用與維護的方便和成本的要求及長期監(jiān)測成本的考慮 ，該PRB工程選擇了連續(xù)墻的形式。該工程設(shè)計要達到的目標為使 Cr6+的質(zhì)量濃度降為0.05mg/L以下和TCE的質(zhì)量濃度降為0.5g/L以下。反應(yīng)墻

16、體為連續(xù) 墻形式，填充450噸零價鐵為反應(yīng)材料，大致呈東西走向，長46m，深7.3m，寬0.6m，墻體垂 直于地下水的流向。 （8）成本分析 該項目包含建設(shè)施工投資、設(shè)備投資、運行管理總費用約為70萬美元，其中第一年的運行 管理費用為85000美元，之后的運行管理費用為30000美元/年。據(jù)估算，如果該系統(tǒng)運行20年 ，將比采用抽出處理系統(tǒng)節(jié)省400萬美元的運行和維護成本。 （9）修復(fù)效果 該PRB建成投產(chǎn)后，3年的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，未經(jīng)處理時Cr6+的質(zhì)量濃度最高達2mg/L，而 經(jīng)過PRB反應(yīng)墻后，Cr6+的質(zhì)量濃度接近于0或者是無法檢出；未經(jīng)處理的TCE質(zhì)量濃度最高可 達114g/L，經(jīng)過處

17、理后TCE的質(zhì)量濃度最大僅為2.9g/L。該工程對Cr6+和TCE的去除效果非 常明顯，滿足修復(fù)要求并通過環(huán)保局的修復(fù)驗收。 案例信息來源于： (1 Robert WP, David WB, Robert WG. Long-term performance monitoring for a per meablereactive barrier at the U.S. Coast Guard SupportCenter, Elizabeth City, North Car olina. Journal of Hazardous Materials, 1999, 68:_ 109-124. (2 Evalua