染料废水污染地下水的可渗透性反应墙(PRB)参数试验研究

2023-10-13李厚恩陈素云马齐悦赵洪宇陈国华

地下水 2023年5期

李厚恩,王林,陈素云,马齐悦,赵洪宇,陈国华

(1.北京市勘察设计研究院有限公司,北京 100038;2.北京环境岩土工程技术中心,北京 100038;3.巢湖市生活废弃物管理中心,安徽巢湖 238000)

0 引言

染料废水常具有高浓度、高色度、成分复杂、难降解、难生化等特点[1],一直是废水处理的难点。被染料废水污染的地下水,由于其治理修复受到地质与水文地质条件的影响,其修复难度较大。近年来,可渗透反应墙(permeable reactive barrier,PRB)技术是目前迅速发展的一种原位修复技术[2]。PRB是一种以污染物治理为目的,将所需的反应介质装入地下的可渗透反应墙体内进行反应的污染物处理系统,它的结构可阻断污羽状体,可将其中的受污染物质转化为低毒可适应环境的物质,PRB可不破坏地下水体的流动性。简单来说,PRB 系统是一个装载特定反应介质的活性反应区,当受污染的地下水流经该区域时,污染水与反应区的反应介质发生各种生物、化学、物理反应从而使受污染水得到净化和去除。这种技术是近些年快速发展的一种处理受污染地下水的原位修复技术,其优势在于稳定高效、安装便捷、维护方便、成本相对较低,在逐渐代替运行费用高、工程复杂、能耗较大的抽出-处理技术,在地下水修复方向具有良好的前景。

染料废水常用的吸附材料微活性炭、大孔树脂等[3]。近年来,将零价铁(ZVI) 用于环境污染治理逐步发展为一种新型、高效的修复手段[4-7]。Zemb 等[8]将 mZVI 应用到 PRB 技术修复污染场地时,监测到1,2-DCA 一定程度的去除,原因是ZVI腐蚀反应生成OH-,中和了含水层酸性物质,为微生物生长提供了中性环境。ZVI还可使地下水快速达到理想的厌氧环境,产生的H2亦可作为电子供体促进厌氧微生物的生长。地下水中的含氯有机物作为电子受体,主要通过两个途径进行还原脱氯:氢解反应(Hydrogenolysis)、β-消除反应(β·elimination)。氢解反应是指化合物中的一个氯原子被氢原子置换,一般一步反应只置换一个氯原子。李书鹏[9]等采用零价铁一缓释碳修复氯代烃污染地下水的中试研究,结果显示:零价铁一缓释碳技术可以高效地将地下含水层中的氯代烃污染物脱氯降解。其中1,2-二氯乙烷的去除率达 99.90%以上,1,1-二氯乙烷的去除率达86.00%以上,氯仿的去除率达98.00%以上。

Fe0和氯代烃类的化学反应如下[10]:

(1)

脱卤反应结果使地下水的pH值升高,在厌氧环境中引起Fe(OH)3和FeCO3沉淀;在富氧环境中,会形成Fe(OH)3和FeCO3沉淀。生成沉淀对于降低Fe的次生污染十分有益;但是由于沉淀和吸附作用,可能在金属表面形成一层反应保护膜,阻碍了反应的进一步进行。

本实验选用受染料废水污染的地下水为研究对象,针对地下水中1,2-二氯乙烷、色度两项特征污染物进行了PRB填料的筛选试验。

1 研究方法

1.1 研究区域概况

1.1.1 研究区域的污染情况

地下水修复区域面积约965 688 m2、修复体量15 264.38 m3。受染料废水的污染,地下水中的特征污染物1,2-二氯乙烷、色度。地下水中污染物浓度与修复目标值见表1。

表1 地下水特征污染物修复目标值一览表

其地下水中1,2-二氯乙烷浓度分布见图1。

图1 地下水中1,2-二氯乙烷浓度分布等值线图

1.1.2 地层分布条件

研究区域最大勘探深度(7.00 m)范围内的土层按地层沉积年代、成因类型可划分为第四纪和奥陶-志留纪地层,现分述如下:

1)第四纪地层

广泛分布于调查地块地表,岩性以含土砂砾石为主,厚度一般小于2 m,局部位置处第四系厚度较大,本次补充调查揭露的第四系最大厚度为7 m(井11位置处)。

2)奥陶-志留纪岩层

第四纪松散层之下为奥陶-志留纪地层,主要岩性为片岩、板岩、千枚岩、变质砂岩。表层风化破碎严重,为全风化-强风化层。全风化-强风化层之下为中风化层,岩石裂隙不发育。

1.1.3 水文地质条件

1)地下水分布条件

研究区域最大勘探深度(7.00 m)范围内可分布1层地下水,主要赋存于第四系含土砂砾石和其下的全风化-强风化基岩中,含水层厚度在0.14～6.41 m之间,地下水类型为潜水。2020年12月17日-2021年1月13日期间地下水监测井中量测的地下水静止水位埋深为0.33～4.44 m,水位标高为1 156.85～1 188.65 m。该层地下水在地块范围内分布不连续,局部位置处未揭露到该层地下水。

2)地下水流场

地下水的总体流向为自北向南,地块中部区域的地下水流向为自西北向东南。地块南部区域地下水水力梯度约为4‰,其他区域地下水水力梯度约为8‰～9‰。

1.2 研究方法

1.2.1 PRB墙活性炭吸附材料的配比试验

选择活性炭作吸附材料,进行活性炭添加量试验,试验用水采用修复地块内的地下水。

取5个烧杯,分别加入1L污染水,其中1号为对照组,2号、3号、4号、5号分别加入质量配比0.5‰、1‰、2‰、4‰的再生活性炭,充分搅拌。

1.2.2 PRB墙零价铁(ZVI)还原材料的配比试验

采用DN80的PVC管作为试验工具,内分别放入0 m、0.1 m、0.3 m、0.5 m的零价铁粉、0.1 m的铁粉+0.4 m次氯酸钙进行ZVI还原1,2-二氯乙烷可行性与配比试验。试验用水采用修复地块内的地下水,4 L的试验用水从试验装置顶部装入,通过填料淋滤,淋滤液送往实验室检测。

2 结果与讨论

2.1 活性炭吸附脱色结果分析

活性炭吸附脱色试验过程照片见图2。

图2 活性炭吸附效果照片

由活性炭修复脱色试验过程对比照片可知,分别加入相应配比的活性炭后充分搅拌,溶液立即变为黑色,短时间内活性炭难以沉淀,大约 2 d活性炭基本能够沉淀并吸附大部分有机物并基本去除溶液颜色。根据试验,0.5‰～1‰的质量配比的活性炭能够有效去除染料废水的颜色。

2.2 铁粉还原1,2-二氯乙烷效果分析

铁粉还原1,2-二氯乙烷的结果见表2。

表2 铁粉还原1,2-二氯乙烷结果一览表

由表2可知,采用不同厚度的铁粉还原1,2-二氯乙烷,铁粉的渗透系数为0.64 m/d,处理4L浓度为375 ug/L的1,2-二氯乙烷的地下水,其中0.5 m厚的铁粉还原1,2-二氯乙烷的效果较好,1,2-二氯乙烷的去除率为73%;0.1 m厚的铁粉与次氯酸钠混合去除1,2-二氯乙烷的效果与单独0.1 m厚铁粉去除1,2-二氯乙烷效果相比,1,2-二氯乙烷的去除率没有明显提高,铁粉与修复污染水的质量比为489%。

2.3 PRB墙参数设计

2.3.1 反应单元厚度设计

反应单元厚度计算公式如下:

b=SF·v·tres

(2)

式中:b为PRB的最小厚度(m);v为通过反应介质格栅的地下水流速(m/d);SF为安全系数;

(3)

式中:tres为滞留时间(d);C0为进入PRB的污染物浓度(mg/L);CT为PRB下游污染物(含副产物)的设计浓度(mg/L);k为反应速率(1/d)。

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根据研究地块的水文地质条件,含水层渗透系数取13.3 m/d,地下水的水力梯度为8‰,PRB填料采用颗粒活性炭、铁粉、石英砂,填料的渗透系数最小为周边地层的2倍,最佳为10倍,故活性炭等填料的渗透系数最佳为130 m/d,最小为26.6 m/d。,则通过反应介质通过格栅的地下水流速v为0.21～3.12 m/d;tres根据试验结果确定,按照活性炭的吸附时间2 d计,安全系数SF按1.5计,则墙体厚度b最佳为3 m,最小为0.65 m。

2.3.2 墙体深度与墙体长度的选择

根据研究地块的水文地质条件,墙体深度应嵌入中风化基岩层为1.5 m,含水层厚度为1.10 m;墙体长度需根据污染源与污染羽的分布特征确定,初步按30 m计。

2.3.3 填料的添加量

1)根据测定的实际场地地下水污染物浓度、地下水流速和流量,计算每年流过反应介质的污染物总质量t1,单位:g/a;

2)采用等温吸附试验,以实际的地下水为反应体系,建立吸附反应动力学曲线,计算Freundlich和Langmuir模型的动力学参数,获得反应介质对某个污染物的最大吸附量t2,单位:g/kg;试验地块的填料最大处理量采用活性炭与铁粉的试验结果。

3)根据反应格栅介质的添加量w(kg),计算反应介质的理论寿命N:

N=t2w/t1

(4)

N按8 a考虑。

则W铁粉=2 734.7 kg、W活性炭=14 000 kg。

为了保证反应格栅介质的渗透系数为周边地层渗透系数的10倍,需添加石英砂调整填料的渗透系数,石英砂的添加比例根据渗透系数试验确定。