渗透性生化反应井在地下水污染治理中的应用探讨

桂恒俊，万小琼

（华中农业大学 资源与环境学院，湖北 武汉 430070）

1 引言

地下水，是贮存于包气带以下地层空隙，包括岩石孔隙、裂隙和溶洞之中的水，是非常重要的水资源，陆地的淡水，除冰川外，地下水所占的份额最大，为1／4。随着人口的增长和社会经济的快速发展，对水资源的需求量也呈现了大幅度增长的趋势，而地下水无疑在提供水资源的过程中担当了十分重要的角色。

近年来，我国地表环境遭受到的破坏和污染情况极为严重，致使地下水的水质日趋恶化。目前中国已有90%的地下水遭受污染，呈现出由点向面扩展的趋势，污染的方式有：通过包气带渗入，由集中通道直接注入，由地表水体侧向渗入，含水层之间的垂直越流污染等。受污染地下水中包含的各类有机污染物、无机污染物对人体的健康会构成极大的威胁。长期饮用高硝酸盐浓度的地下水会引起消化道疾病、婴儿高铁血红蛋白症，导致婴儿窒息或死亡；长期饮用含汞超标的地下水可引起肝炎、肾炎、运动失调等疾病，往往导致死亡或遗患终生；而饮用被镉污染的地下水则往往引起人的慢性中毒，损害人的肝、肾和骨骼等。

鉴于此，采取积极有效的措施对地下水的污染进行预防和治理已经成为一种迫切的需要。在早期，地下水的修复是以传统方法为主的，传统治理地下水污染的方法主要有隔离法、泵提法、吸附法、化学栅栏法、电化学法以及空气吹脱法等物理和化学方法[1]。而随着科技的进步和相关理念的成熟，地下水污染的修复方法截至目前已经十分丰富，并且也不停地朝着高效、环保、经济的方向发展。此处提出一种以渗透性生化反应井群为主体的综合性治理地下水污染的工程设计。

2 渗透性生化反应井设计

渗透性生化反应井的设计是PRB（可渗透反应墙）与活性污泥法曝气反应池的改造完善与结合工作的体现。

PRB（Permeable Reactive Barrier）是一种被动的原位修复技术，根据美国环保局（USEPA，1998）发行的《污染物修复的PRB技术》手册的定义，PRB技术是指在地下安装活性材料墙体以便拦截污染物羽状体，使污染羽状体通过反应介质后，其污染物能转化为环境接受的另一种形式，从而实现使污染物浓度达到环境标准的目标。PRB由透水的反应介质组成，通常将其置于地下水污染羽状物的下游，当污染地下水通过PRB时，通过产生沉淀、吸附、氧化还原等作用来去除水体中的污染物，从而得到清洁的地下水[2]。然而目前的PRB技术在处理地下水的污染当中存在着不小的限制性。首先，PRB技术建立的巨大墙体需要由大量的反应材料来构成，造价高昂。其次，PRB技术在处理污染物的过程中带有不小的随机性，在污染物的清除效果上面得不到保证。再者，在PRB的施工过程中，受地下水水流以及地质环境的影响较大。

活性污泥法曝气反应池是一种通过向池内鼓入空气从而加速活性污泥对污水中的有机污染物消化分解的生化处理方法。常见的曝气反应池有推流式、完全混合式、封闭环流式、序批式[3]。由于其日处理污水量庞大，故通常建造时具有占地面积和开挖土方量大的特点。

渗透性生化反应井通过在地下水污染晕区内建立适当数量的反应井，以大功率水泵抽取地下水形成水力梯度，将周围的受污染地下水引导入井内进行处理。在井群地面区域设置抽水的泵房和供给空气的鼓风室（图1）。

图1 渗透性生化反应井概念模型

图2 反应井结构

反应井（图2）的大小型号和数量可以根据地下水受污染面积、受污染程度的不同进行调整，但其主要结构包含为以下几个部分。

2.1 PRB井壁

PRB井壁由透水的反应介质组成，在材料的选取上应满足以下3个条件。

（1）反应材料与污染物必须有良好的反应性，即能够与污染组分发生物理、化学或生物反应，从而确保地下水流经井壁时，污染物能有效地被去除。

（2）反应材料必须能够大量地获得，从而使反应井系统能长期有效地运转。

（3）反应材料应尽量避免产生二次污染。在目前的研究阶段，主要使用的反应材料有：活性炭、沸石、石灰石、粘土矿物、煤炭、离子交换树脂、铁氧化物、氢氧化物、磷酸盐以及城市堆肥、木屑等有机材料，而其中得到最广泛应用的材料是零价铁，因其能够降解和吸附多种重金属以及有机物质，且原料容易获得，经济价值高，从而得到了广泛的重视[4]。零价铁的还原性使其能与地下水中的金属离子以及拥有氧化作用的有机物发生氧化还原反应，从而使重金属以单质或者其他不可溶的物质析出，降解有害的有机物，达到改善地下水环境的效果[5]。

2.2 污泥斗

在井底设置污泥斗，建筑污泥斗的材料要有良好的防水性，将地下水与井内水体隔离开来。投入适量活性污泥，进行曝气处理之后污泥量会增加，剩余污泥通过井底坡向污泥斗内进行浓缩。其体积要根据每日剩余污泥量来设计。

2.3 曝气管与水泵的布设

根据地下水有机污染物含量的不同，设计不同的曝气量，再相应地布设曝气管，有机物含量高的需要布设多根曝气管，含量低的可仅布设1根曝气管。为保证水体的混合效果，曝气孔口一般置于距井底1.0m处。水泵的设置主要用于泵取井水和井底活性污泥，使处理过后的地下水和剩余污泥能够及时排出。

系统运作时，各反应井同时进行工作，水泵抽取井水使井内水位下降，反应井周围受污染地下水在水力梯度的推动下进入井内。在透过PRB井壁的过程中，污染物发生吸附、沉淀、氧化还原等作用被净化处理。井内投入适量的活性污泥，并进行曝气处理，将污水内的有机物进一步消化分解。经过处理的地下水用水泵提升至地面的沉淀池进行沉淀，在重力作用下达到泥水分离的效果。为了提高对受污染地下水的生化处理效果，可以将沉淀池的污泥收集并调节之后重新回灌到地下水当中，经过驯养的微生物将会加速污染物的分解。

对于地下储油罐泄露以及其他有毒有害物质排放引起的地下水大量集中污染状况可以通过渗透性生化反应井进行高效及时的处理，根据污染的具体情况和资金状况可以建设不同数量不同型号的反应井，实现灵活操作。同时在将反应井进行一定的改造之后还可以用于工农业污水深井排放前的进一步处理。

3 结语

渗透性生化反应井的结构十分简单，易于使设计和配套设备标准化，进而使施工方便，性价比比较高，能够持续原位处理多种污染物，操作简单灵活，适用于多种不同的地质环境。在其可调性和适应性上，反应井井壁的反应材料可以根据污染物的种类和性质上的差异进行替换，反应井规模的大小和建设数量也可以根据污染面积和污染物的量进行调节。物化方法和生化方法的有机结合能够保证反应井适用于多种地下水污染情况的处理效果。

[1]Mohammed N，Allayla R I，Nakhla G F，Farooq 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，顾国维，周 琪.水污染控制工程（下册）[M].3版.北京：高等教育出版社，2007：106～109.

[4]朱敬涛，韩志勇，魏相君，等.地下水原位治理的渗透性反应墙技术[J].环境科学与管理，2010，31（9）：74～78.

[5]魏相君，韩志勇，李建壁.组合材料PRB技术处理硝酸盐废水实验研究[J].甘肃科学学报，2013，25（1）：48～51.