绿色低碳目标下的地下水可渗透反应墙修复技术的应用和挑战

朱于红，包科科，田 平

（浙江卓锦环保科技股份有限公司，浙江 杭州 310014）

引言

地下水是人类重要的淡水资源，与人们的生产、生活息息相关。然而，随着经济的不断发展，工业三废的排放、农药化肥的施用，导致地下水环境污染的负荷越来越重，造成淡水资源进一步短缺。

根据《2022年国家地下水监测报告》，2022年我国地下水监测网水质综合评价结果显示，IV类地下水占比70.3%，V类地下水占比19.3%。影响水质的 主要超标组分为锰、铁、总硬度、溶解性总固体、钠、硫酸盐、氯化物、碘化物、氟化物、氨氮、砷、耗氧量、铝等。

以杭州为例，俞光明等人[1]针对典型城市功能区的代表性浅层地下水样品进行了定量分析，发现浅层地下水普遍受到卤代烃、多环芳烃和有机氯农药的轻度污染，七氯环氧和P，P'-DDT甚至达到中度污染水平。以某炼油厂区域为例[2]，地下水中最高检出300 mg/L的含油量，严重超标。

地下水污染修复技术可以分为异位修复技术、原位修复技术和自然衰减技术，异位修复技术主要以抽出-处理修复技术为主；原位修复技术包括原位化学氧化技术、原位电动修复技术、原位微生物修复技术、可渗透反应墙修复技术和曝气技术[3]。尽管地下水原位修复技术具有成本低、扰 动小等优势特点，但在我国，修复技术仍采用抽出-处理、原位化学氧化、止水帷幕+清挖等高强度修复措施，以期实现地下水污染总量和浓度的快速削减[4]。

梁竞等人[5]对中美两国污染场地修复技术的应用情况进行了对比分析，1982-2014年我国地下水修复项目中原位修复技术占31%，抽出-处理技术占比为34%；2005-2014年EPA地下水修复以原位修复技术为主，占比为65%。根据生命周期评价研究，清理地下水中单位kg污染物最高可产生130 t的CO2排放，其几何平均值为1.3 t CO2/kg污染物[6]。

近年来，我国制订了一系列方针政策鼓励绿色低碳修复。环办土壤[2023]19号文提到“鼓励将能耗、物耗、温室气体排放等纳入方案比选指标体系，在注重经济可行性的基础上突出资源能源节约高效利用导向，优化工艺设计，优先选择原位修复、生物修复、自然恢复为主的管控修复技术”。国科发社[2023]89号文发布了土壤和生态修复领域的10项绿色低碳先进技术成果。

地下水修复可渗透反应墙（Permeable Reactive Barrier，简称PRB）通过在地下安装透水的活性材料墙体拦截污染物的羽状体，当污染羽状体通过反应墙时，通过在可渗透反应墙内发生沉淀、吸附、氧化还原、生物降解等作用，得到转化或去除，从而实现了地下水净化的目的。地下水修复过程涉及温室气体排放、能源和水资源消耗、空气污染物的排放等环境足迹。

相较于抽出-处理、原位化学氧化、止水帷幕+清挖等高强度修复措施，PRB技术无需投入地上处理设施、无需能源的输入，仅依靠反应介质的周期性更换或恢复即可实现对地下水中污染物的去除，大幅降低了全生命周期的成本[7]，因而PRB技术具备节能减排、绿色低碳的潜力，符合绿色可持续修复的发展趋势。

1 可渗透反应墙技术的应用

可渗透反应墙有两种基本结构类型:连续式（图1a）、漏斗-导水门式（图1b）。

图1 可渗透反应墙的结构类型

连续式PRB墙体采用具有足够渗透性的活性材料，使污染的地下水在自然水力梯度下通过墙体。漏斗-导水门式PRB由导水门和不透水屏障（钢板桩或泥浆墙）组成，导水门垂直于地下水流方向，因而使得受污染的地下水能够通过漏斗进入导水门内可渗透的反应性材料。这种结构设计可以防止受污染的地下水从周围流出，并减小了反应墙的横截面积，从而增加了水力梯度。

可渗透反应墙在国内外得到了较为广泛的应用。例如在20世纪90年代的德国，PRB已被公认为是常规地下水修复技术的潜在替代技术，1998年至2002年间实施了9个PRB项目[8]。

在我国，Guohua Hou等人[9]在沈阳市浑河边建设的沸石PRB可能是国内第一个PRB示范工程，该工程采用了漏斗-导水门式PBR，长度为3 m+9 m+3 m（U字形）。经过5个多月的运行所得数据表明，地下水中的NH4+浓度从2～10 mg/L下降到0.5 mg/L，NH4+的去除主要是通过吸附和离子交换实现的。李传维等人[10]以赤铁矿∶石灰石=2∶1作为填充材料建设连续式PRB，设计墙体的厚度为1.5 m，PRB建成使用1～3月后，场内监测井污染物数据均可以达到地下水Ⅳ类标准。

Gibert等人[11]关于PRB原位修复硝酸盐污染地下水的研究表明：CO2、CH4和N2O等温室气体通过地下水非饱和带向上扩散的排放通量与其他生态系统相当，所以PRB技术对大 气温室气体含量的贡献程度较小，因面环境碳足迹也较少。Higgins等人[12]采用生命周期评价法比较了可渗透反应墙和抽出-处理法用于治理美国某空军基地氯代烃污染地下水的环境影响，结果表明：要使可渗透反应墙的所有类别环境影响均低于抽出-处理系统，则运行时间要超过10年，说明在长期运行条件下PRB系统方可显示出相对其他技术更好的环境友好特性。因此，我们有必要对PRB地下水修复系统进行长期的效果评价。

据文献记载，PRB技术已有多个10年以上的应用案例。美国北卡罗来纳州伊丽莎白市的某电镀厂及其下游的地下水受到铬、三氯乙烯、顺二氯乙烯、氯乙烯的复合污染。在地下水污染羽下游设置PRB，长度为46 m，深度为7.3 m，厚度为0.6 m，反应材料为零价铁（ZVI）。根据14年的长期评估，PRB内部和下游的铬浓度降低至0.1～3 ppb，处理效率平均为99.5%。辅以污染源削减措施和自然衰减效应，流入PRB的地下水铬浓度随着时间的推移而下降。此外，三氯乙烯的平均处理效率为90%以上。

伊丽莎白市在应用PRB技术处理六价铬和三氯乙烯方面显示出积极和长效的结果，为可能与以下3个关键因素有关：（1）PRB内的pH值和氧化还原条件保持在有利于铬还原的理想水平；（2）进水地下水中溶解性固体的含量低，因此碳酸盐沉淀导致的矿物堆积对反应性和水力传导性没有显著影响；（3）进水溶解氧的负荷较低，因此铁腐蚀效应对反应性和水力传导性没有显著影响[13]。

2 应用可渗透反应墙技术面临的挑战

同抽出-处理、原位化学氧化等修复技术一样，PRB技术的应用同样依赖于地下水污染特征和水文地质条件的精准描述。地下水污染具有隐蔽性，同时由于地下水具有流动性，所以污染物在岩层中会发生扩散迁移、吸附和解吸、化学反应、微生物反应等现象。污染物的分布和环境行为受到含水介质和水力条件的影响。污染物的类型、浓度、分布范围和深度、含水层条件等因素，直接影响PRB系统的设计和运行。在PRB系统运行过程中，工作人员需要对地下水水位、水质进行实时监测，并根据监测结果及时调整运行参数。

PRB技术的处理效果和环境影响与介质材料息息相关。根据Higgins等人[12]的研究，在以ZVI为反应材料的PRB系统中，材料贡献了90%以上的环境影响，其中反应材料ZVI造成的影响最高，为43%～70%。因此，相关研究人员有必要寻求和试验对环境影响更低的替代材料，例如高价铁矿物、泥炭或堆肥等生物废弃物材料。同时通过提高反应介质的寿命，控制环境影响的程度并提高相对效益。除反应介质之外，钢板桩等钢材的使用也会产生大量碳排放，所以在设计和施工过程中应尽量减少钢铁的消耗[14]。

3 结语

PRB技术具有可持续性、长效性的优点，但其属于被动修复技术，前期起效相对更慢。抽出-处理法、原位化学氧化技术目前应用更为广泛，这些技术在前期表现出较高的修复效率和较强的处理能力，但在后期可能会出现污染物拖尾和反弹的现象。为了实现起效快、持续久的修复效果，同时还能尽可能地降低环境的影响，建议将PRB技术与抽出-处理等技术进行联保合使用，从而实现更好的处理效果。