武汉市某地块可渗透反应墙风险管控中试效果评估与设计方案

摘 要：将武汉某地块地下水中无机盐（溶解性总固体、总硬度）、金属物（钙、镁、砷）作为去除目标。中试选取沸石、石英砂、活性炭活性作为试验材料。中试试验结果表明适量石英砂可有效提高水样在可渗透反应墙滞留时间，当沸石和活性炭质量比为2：3时，系统作用时间为12小时，溶解性总固体、总硬度、钙含量降至494 mg/L、187 mg/L、87.3 mg/L，去除效率达到最大，且达到设计目标值。依据中试结果设计地下水风险管控可行性方案。

关键词：地下水;可渗透反应墙;活性材料;风险管控措施

武汉某地块地下水水质为：溶解性总固体4060mg/L、总硬度1650mg/L、pH7.04-12.72、砷0.0672mg/L、钙447mg/L、镁28.4mg/L（以上均为最大检出值）。针对此种情况，确定在下游实施地下水原位阻隔+抽提处理工程。同时为应对突发险情，在极端天气下，考虑到抽提处理工程运行能力可能不足，地下水存在外泄风险，因此可渗透反应墙（简称PRB）的布设可作为风险管控的一种可行性措施。

一、可渗透反应墙

1.1 可渗透反应墙简介

可渗透反应墙技术是地下水原位修复中一种常用处理技术，实现对地下水污染物阻截及有效地、选择性的修复。反应墙的填充反应介质包括零价铁、沸石和增强微生物活性的碳源等，处理中包括了物理、化学或生物作用过程。有连续墙型和漏斗-导门型两种类型。

沿受污染地下水流向布设反应墙，在自然水利梯度作用下，通过反应墙中介质材料与受污染地下水发生物化反应（沉淀、吸附、氧化还原等）、生物降解等，实现对目标污染物的阻截与去除。

影响可渗透反应墙对地下水中污染的处理机制和效率的关键因素是填充材料。如填充介质材料为纳米零价铁（NZVI）或零价铁（ZVI）时，由于NZVI或ZVI其比表面积大、还原、微电解作用、混凝吸附等特性在酸性条件下课有效降低重金属价态、降解如染料、多氯化合物等难降解物质，从而降低污染物的迁移性或毒性。反应介质为磷灰石、沸石、熔渣（火山岩渣）或有机质黏土等矿物质时，则主要利用其吸附作用和沉淀作用。反应介质为碳源、营养物质或微生物载体等时，则主要利用其增强微生物反应活性，降解有机污染物。

1.2 PRB技术优缺点

1.2.1 PRB技术优点

（1）该技术是一种无需外加动力和持续供应能量的被动处理系统，有效避免了能量供给的限制。处理系统的运转在地下进行，减少了抽出处理法的抽出处理过程及可能产生的二次污染，对地面生态环境干扰较小。

（2）与传统的地下水处理技术相比，不占地面空间，更加经济、便捷。原位处理工艺，减少了储存、运输及清理工作，可以极大地节省运行费用。能够长期有效运作，对生态环境影响较小。

（3）与异位修复技术相比，不会对修复地块底层造成明显影响。

（4）活性填料具有长效性，且填料可不定期再生或更换，从而延长使用寿命，以达到更好的处理效果。反应填料选择灵活，处理组分的范围广。

（5）对污染物的去除具有普适性。通过填充组合材料可同时去除重金属、有机物等复合污染物。

1.2.2 PRB技术缺点

（1）PRB反应系统在长期运行过程中，细土颗粒的吸入、介质材料的阻截形成的沉淀物以及些许微生物繁殖造成介质空隙堵塞会明显影响PRB的使用寿命。

（2）随着重金属、盐和生物活性物质在PRB中不断地沉积和积累，PRB会逐渐失去其活性，超过其吸附过滤的容量。因此活性填料需要定期更换，以免影响整个PRB系统的处理能力和效率。

二、污染物去除工艺设计

此次PRB工艺设计的目标去除物质主要是：2种无机盐（溶解性总固体、总硬度）、3种金属（钙、镁、砷）。通过查阅文献以及参考以往类似项目工程经验，我们欲选取沸石、活性炭、石英砂三种活性填料作为PRB小试试验材料。

2.1 沸石/生物炭可以交换-吸附溶液中离子（重金属、无机盐）及其他易附着物

沸石的晶体结构是由硅（铝）氧四面体连成三维的格架，格架中有各种大小不同的空穴和通道，具有很大的开放性，不同的沸石具有不同的形态。沸石独特的空间结构，使其具有催化性、可逆脱水性、电导性、离子交换性等特点。对溶液中钙镁离子有着良好的吸附效果。本次试验选用斜发沸石，颗粒长度在0.5-2.0mm之间。

活性炭具有发达的孔隙结构、较大的比表面积和丰富的表面化学反应基团，特异性吸附能力较强。作为固体吸附剂，广泛应用于医疗、化工、环境等领域，近些年来在废水处理中得到大面积应用，可有效吸附废水中的重金属以及印染废水，降低废水色度和COD。生产成本低，生态安全，无污染，在污水治理中已得到廣泛应用。本次试验选用柱状活性炭，颗粒长度在3mm左右。

2.2 石英砂可过滤大颗粒物质及提高水样滞留时间

石英砂是石英石经破碎加工而成的石英颗粒，是一种坚硬、耐磨、化学性能稳定的硅酸盐矿物，呈乳白色、或无色半透明状。在水体净化方面应用广泛，通常与其他水处理滤料配合使用，由于其颗粒较小，密度较大，可有效减缓水体流速，提高净化效果。本次试验采用颗粒长度在2-4mm之间。

三、PRB小试试验

3.1 小试试验目的

通过批试验初步确定所选介质材料在不同时间梯度下对目标物的去除效果，为模拟槽试验提供基础数据参考;在模拟槽中按不同比例投加介质材料，在不同时间梯度下模拟组合介质材料PRB对目标物的去除效果，为后续PRB反应池方案设计提供数据支撑。

3.2 小试试验方法与过程

小试试验主要分为批试验和模拟槽试验两个部分。批试验在实验完成;后期模拟槽试验考虑到用水量较大，因此将试验场地选择在工程施工现场，以便于供试水样随用随取。现场试验条件有限，部分试验容器由其他材料改装而成。

3.2.1 批试验

沸石和活性炭分别称取2kg，分别等重置于3个反应容器中。同时分别向容器中注500mL供试水样。反应时间梯度设置为4h、8h、12h、16h、20h、24h，贴好标签，当反应时间达到预设值后，将同一时间梯度的3个反应容器内水样经80目纱网过滤倒至待瓶内摇匀，备测。

3.2.2 模拟槽试验

根据批试验检测数据以及查阅相关文献，按照活性炭和沸石质量比分别为1：1、1：2、1：3、2：3进行投加，总质量为40kg。模拟槽尺寸依照原PRB池1/4比例设计。反应系统为二折弯流道，包含集水池、单级沸石反应池、布水池、单级活性炭反应池、出水池五个部分组成。集水池、布水池和出水池宽度一致，沸石反应池宽度要大于活性炭反应池的。通过蠕动泵调节进水流速，通过活性物料填充厚度改变质量比例。模拟槽系统反应时间梯度设置为4h、8h、12h、16h、20h、24h。待反应时间达到预设值后收集水样备测。

3.3 小试试验结果分析

样品由具有资质（CMA 和 CNAS）的检测公司进行检测。检测指标为溶解性总固体、总硬度、pH、砷、钙、镁，共计6种。

3.3.1 试验效果目标值

溶解性固体、总硬度三项指标达到《地下水质量标准》（GB/T 14848-2017）III类水质标准值：1000mg/L、450mg/L;

砷达到《地下水质量标准》（GB/T 14848-2017）III类水质标准值0.01mg/L;

钙镁离子本身对身体无害，且现有地下水、饮用水以及天然矿泉水等相关国家标准规范均未对钙镁含量设置标准值，此次试验钙镁去除效果主要参考地下水III类水质总硬度标准值。

3.3.2 结果与分析

此次送样数量为39个，其中原始水样（YS-1，YS-2，YS-3）3个，试验水样36个（AB-1表示沸石/活性炭质量比1：1;AB-2表示沸石/活性炭质量比1：2;AB-3表示沸石/活性炭质量比1：3;AB-4表示沸石/活性炭质量比2：3）。

根据检测结果可知：所有水样pH值范围在10.92-12.42，所选反应活性填料无降低地下水pH功能;部分水样的重金属砷检出值低于检出限，所占比例为36.8%，高于检出限的砷检出值范围在0.0014 mg/L-0.0044 mg/L，远低于《地下水质量标准》（GB/T 14848-2017）III类水质标准值0.01 mg/L;同样，部分水样的镁检出值低于检出限，所占比例为15.8%，高于检出限的镁检出值范围在0.028 mg/L-0.532 mg/L，绝大部分低于日常瓶装饮用水限值（0.1mg/L-1.0 mg/L）。因此不再对pH值、砷、镁的检测数据结果做详细分析，重点分析所选物料对溶解性固体、总硬度、钙含量变化的试验效果。

（1）批试验中活性填料对供试水样的处理效果

由图3-4 中可以看出，单一沸石和活性炭均对供试水样中溶解性总固体、总硬度、钙的含量有降低效果，但单一沸石的试验效果明显优于活性炭的。沸石对供试水样的溶解性总固体、总硬度、钙含量的最大降幅率分别为78.3%、80.1%、76.1%;活性炭对供试水样的溶解性总固体、总硬度、钙含量的最大降幅率分别为27.8%、26.6%、32.0%。;值得注意的是，活性炭对目标物的处理效果曲线呈“过山车”走势。这与活性炭本身空间结构有关，活性炭巨大的表面积和特殊的空隙结构对地下水中的重金属、无机盐具有吸附和部分离子交换功能。

虽然单一沸石对目标物含量的降低已经满足控制目标，但是该区域地下水中重金属、无机盐及其他物质的含量在长时间范围内是处于变化之中，为保证PRB池能够长时间有效、稳定处理该场地区域地下水，需要沸石和活性炭共同作用實现。即通过组合填料的形式实现对该区域地下水潜在超标污染物的风险管控。

（2）模拟槽试验中组合物料对供试水样的处理效果

由图4-5中可以得知，沸石和活性炭质量比为2：3时对供试水样中的溶解性总固体、总硬度、钙处理效果最优，其含量最大降幅率86.5%、87.1%、90.6%，同样优于单一沸石的处理效果;随着活性炭质量比例增加，供水水样的溶解性总固体、总硬度、钙含量降幅最值增大;值得注意的是，当沸石和活性炭质量比为2：3时，系统作用时间为12小时，溶解性总固体、总硬度、钙含量降至494 mg/L、187 mg/L、87.3 mg/，基本达到控制目标值。并且此时曲线斜率与其他比例组合填料相比较是最大的，说明在组合填料在质量比2：3时，处理效率达到最大值。

为进一步确定在沸石和活性炭质量比为2：3时，优化系统作用时间。利用Origin9.0 软件对数据进行拟合，且经过多次模拟拟合发现，组合填料对目标去的去除效果曲线更加符合线性曲线。拟合结果发现当供试水样的总溶解性固体含量降至1000 mg/L时，所需时间为2.66 h;总硬度含量降至450 mg/L，所需时间为6.50 h，且此时的钙含量为171.4 mg/L。因此理论上组合填料沸石和活性炭对供试水样目标物的最小处理时间是6.50 h。

四、 PRB填料池填料设计

4.1 地下水流速估算

地下水流塑估算公式如下：

V=K*I

I=（H1-H2）/L

依据上述公式求得地下水平均流速，其中：

V：地下水流速;

K：渗透系数;

I：水力坡度;

H1，H2：水头差;

L：渗透途径

根据《武钢金资公司冶金渣分厂一渣场一渣场地块地下水现状调查与评估报告》，地下水流向为为西南向东北方向。厂区正常作业期间水位标高10.79-20.72m。该区域渗透系数为（参照距离PRB池约20m抽水试验井测的数据）1.46e-3 cm/s;

我們通过3组典型点位水头差和渗透路径计算出整个厂区平均地下水流速。并以最大值作为PRB池结构设计中进水流速参考值。并经计算该厂区地下水平均流速最大值为0.001m/h。

4.2 PRB池结构设计

（1）根据武汉历史气象数据，为应对极端天气下，地下水水位急剧上升，流速增大，因此将PRB池进水流速按原平均流速10倍的安全系数设定，即为0.01m/h。经现场水位测定，PRB池周边水位埋深约1.4m，因此设定物料填充厚度按原水位埋深1.5倍的安全系数设定，即活性物料填充厚度为2.1m。鉴于填料深度应高于安全系数下计算出的填料厚度，则实际填料厚度设置为2.5m。PRB 反应池内，PRB 填充料尺寸为 2 m×3 m×3 m（宽×长×深）。物料填充顺序按照水流方向设定为石英砂→活性炭→沸石。理论上在最大流速情况下，水力停留时间为200h，是小试试验最小停留时间的16.7倍，足够满足活性填料的对地下水目标物的处理时间，提高了活性填料的使用寿命，减少介质更换频率。具体单级反应池尺寸及地下水处理路径详见图4-1。

（2）通过设置预透水孔，将地下水引入PRB 反应池的过滤池内。

（3）单一反应单元尺寸设计如图，池顶可加可移动盖，活性填料更换周期为18个月。石英砂、活性炭、沸石单级反应池采用80目加厚尼龙纱网相隔。两个PRB池填料量共计25.6m?，其中石英砂6.3 m?，活性炭13m?，沸石6.3m?。详见图5-2。

（4）PRB 池活性填料各项性能指标须满足设计要求。

图4-1 填料顺序、尺寸及地下水路径   图4-2 单级反应池引流管大样图

五、结论

（1）PRB反应系统设计关键影响因素包含污染物特征、场地水文和工程地质条件，设计方案施工之前需进行小试和中试，建立动力学反应模型，确定污染去除机制和效率。

（2）PRB反应系统设计内容应包含池体结构、介质材料种类、厚度、填充顺序、地下水流速、渗透系数、水力停留时间等。

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作者简介：张显，男，汉族，籍贯：河南省信阳市淮滨县，学历：硕士;研究方向：土壤和地下水修复，单位：上海雨辰工程技术有限公司。