PRB对地下水硝酸盐去除效果分析

刘彩虹，李福林，陈学群

（山东省水利科学研究院，山东 济南 250014）

PRB对地下水硝酸盐去除效果分析

刘彩虹，李福林，陈学群

（山东省水利科学研究院，山东 济南 250014）

在室内试验的基础上，通过研究不同PRB填料介质对硝酸盐的处理效果，得出适合野外工程的PRB填料介质及比例。结果表明：PRB填料零价铁+活性炭+中粗砂对硝酸盐的处理效果较好，硝酸盐去除率达到53.7%～56.2%，处理后硝酸盐浓度在10.6～11.2 mg/L，符合饮用水标准。

PRB；硝酸盐；地下水；零价铁

随着工业的迅猛发展和人类活动的急剧增加，地下水硝酸盐污染已成为重要的全球性环境问题。地下水硝酸盐污染通常采取异位处理和原位处理技术修复。渗透性反应墙PRB是一种新兴的原位处理技术，具有成本低廉、无需外加动力、可持续原位处理多种污染物、处理效果好、环境扰动小和可用周期长等特点，目前正在逐步取代传统的运行费用较高的抽提技术。

实际PRB去除地下水硝酸盐工程应用中，PRB的活性填料有多种，包括活性炭、沸石、微生物材料、有机材料（如木屑）、还原金属（Fe、Zn）等，其中最常见的参与反应的活性填料是零价铁。目前关于PRB活性填料的研究有很多，主要集中在单一填料或者组合填料去除效果，但是对于各单一填料和组合填料介质处理效果的对比研究还较少。

1 研究区概况

研究区位于青州市开发区，区域上地形自南向北由高到低，从地貌上划分为山前冲洪积平原区。沉积物以冲积物为主，地下水资源丰富，地下水交替强烈，以侧向补给和大气降水为主要补给来源，水的矿化度较低，在由径流带向溢出带渐变过程中，潜水埋藏变浅，蒸发量增大，水的化学类型多为重碳酸——硫酸或氯化物型水。根据舒卡列夫分类，结合库尔洛夫式，研究区地下水化学类型为 HCO3·Cl-Ca·Na 型水。

通过样品采集测试，研究区地下水硝酸盐浓度为24.18 mg/L，超过国家地下水三类水标准。因此需要进行处理后才能进行集中供水。

2 材料与方法

2.1 室内试验

室内试验采用稳定流柱试验装置，主要试验装置包括自制马里奥特瓶（容量为18 L）、亚克力圆管（内径10 cm，长度100 cm）及侧壁取样管（间距20 cm，共4个，除取样外，还用来测量水头值用以计算渗透系数）等。马里奥特瓶内安置内径为5 mm的玻璃管，插入瓶内液面以下，以保持Δh不变，从而保证水流流态为稳定流，试验使用转子流量计控制流量。管底部留约5 cm的水流缓冲区，防止水流直接冲刷反应材料；管内上部预留约15 cm，用来模拟抽水井中PRB材料与水泵抽水位置的空间关系。

柱状实验采用初始浓度为80 mg/L的硝酸盐氮溶液，pH 值为 7.0。 分别在反应 1 d、2 d、3 d、4 d、5 d、6 d、7 d、8 d、9 d、10 d 后进行样品采集与测试。

野外条件下，尤其是构建PRB去除硝酸盐污染，如果活性填料的渗透性能低于含水砂层，则地下水流不会穿过PRB，达不到去除硝酸盐污染的效果。因此，在填料介质中掺混中粗砂，一方面可以模拟野外真实条件，另一方面可以提高渗透性能。本次填料介质组合为：零价铁+中粗砂、活性炭+中粗砂、锯末+中粗砂、零价铁+活性炭+中粗砂、零价铁+锯末+中粗砂。渗透系数约为6.0×10-2cm/s。

将混合好的填料均分成若干部分，然后分批填入有机玻璃柱，以保证PRB填料的均质性。装填过程中采取分层装填，逐步饱和的办法排出介质材料内的空气，保证试验水流为饱和流状态。2.2 野外试验

采用二重井式PRB可渗透反应墙工艺对青州王母宫水源地试验区的地下水硝酸盐污染进行原位修复、去除，使其达到饮用水水质标准。PRB材料井建设完成后，采用不同流量泵进行抽水试验，并在抽水 0.5 h、1 h、1.5 h、2 h、2.5 h、3 h、3.5 h、4 h、4.5 h、5 h、5.5 h、6.5 h、7.5 h、8.5 h 进行地下水样品采集与测试。

2.3 三氮浓度测定

硝酸盐氮采用紫外分光光度法、亚硝酸盐氮采用重氮偶合分光光度法、氨氮采用纳氏试剂分光光度法进行测定。同时在现场采用硝酸根离子浓度测定仪器对硝酸根离子浓度进行测定。

3 效果分析

3.1 室内试验结果

对不同PRB填料介质中硝酸盐氮、亚硝酸盐氮和氨氮的浓度变化进行分析，结果显示不同填料介质对硝酸盐的去除效果有明显差异。

中粗砂+零价铁1 d时间其浓度就降至10 mg/L，随后硝酸盐浓度在8.1~12.2 mg/L之间，硝酸盐去除效果较好；中粗砂+活性炭中，在1 d内硝酸盐氮浓度降低至18 mg/L，随后硝酸盐浓度迅速增大，这是由于活性炭对硝酸盐氮有一定的物理吸附作用，当吸附达到饱和时，活性炭就失去作用，可见该方案对硝酸盐的去除效果不理想，仅适用于少量水样处理；锯末+中粗砂组合介质，硝酸盐浓度降低缓慢，在10 d后硝酸盐浓度由80 mg/L降低至19.1 mg/L，反应时间较长。零价铁+活性炭+中粗砂、零价铁+锯末+中粗砂填料方案中，硝酸盐氮去除效果较为明显，均在1 d内降低至10 mg/L以下，随后浓度基本不变，零价铁+活性炭+中粗砂填料介质的去除效果较零价铁+锯末+中粗砂更加明显。

从反应过程中的产物进行对比分析，整个试验过程中都产生了一定量的NO2--N和NH4+-N。零价铁+活性炭+中粗砂、中粗砂+零价铁方案反应过程中的NO2--N含量最低。由以上分析可知，零价铁+中粗砂+活性炭的处理效果最好，因此，采用零价铁、活性炭、中粗砂以3∶1∶6的组合作为PRB填料进行野外试验。

3.2 野外试验结果

野外PRB井建设完成后进行了抽水试验，对PRB材料井的处理效果进行检验。处理前地下水中硝酸盐浓度为24.18 mg/L，抽水0.5 h降低至10.6 mg/L，随后硝酸盐浓度在10.6~11.2 mg/L之间，符合地下水水质标准，硝酸盐去除率达53.7%~56.2%，处理效果较好。

氨氮浓度在反应1 h的时候最高为1.98 mg/L，随后逐渐降低，反应5 h后氨氮浓度低于地下水三类水标准，6.5 h后略高于三类水标准。亚硝酸盐浓度变化幅度较大，亚硝酸盐浓度变化无规律，超标率达43%。

由此可见，在野外试验中，地下水硝酸盐去除效果较好，由25 mg/L降低至11.2 mg/L以下，完全符合地下水饮用水标准。

在反应一个月以后抽取地下水样进行测试，地下水硝酸盐浓度为12.6 mg/L，亚硝酸盐氮为0.028 mg/L，氨氮未检测到，可见，反应时间越久，处理效果越好。经过PRB井处理过的地下水与未经处理过的地下水以1∶3进行混合后，硝酸盐浓度为14.8 mg/L，亚硝酸盐浓度为0.08 mg/L，氨氮没有检测到，可见，处理并混合后的地下水三氮均符合饮用水标准。

4 结论

通过室内试验与野外工程，得出以下结论：

1）零价铁+活性炭+中粗砂的组合填料介质对硝酸盐处理效果最好，中间产物主要为氨氮。其次为零价铁+粗砂，粗砂+活性炭、粗砂+锯末的数理效果不好。2）野外实验结果表明PRB材料井对硝酸盐的处理效果较好。处理前地下水中硝酸盐浓度为24.18 mg/L，抽水0.5 h降低至10.6 mg/L，完全符合地下水水质标准，硝酸盐去除率达到53.7%~56.2%。

（责任编辑 崔春梅）

P641.8

B

1009-6159（2017）-10-0059-02

刘彩虹（1987—），女，博士，工程师

水利部科技推广项目（SF-201624）