孫金芳，陳文兵

(1 山東建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，山東　濟(jì)南　250101；2 濱州職業(yè)學(xué)院建筑工程學(xué)院，山東　濱州　256603)

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可滲透反應(yīng)墻處理垃圾滲濾液污染地下水的模擬研究

孫金芳1,2，陳文兵1

(1 山東建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，山東濟(jì)南250101；2 濱州職業(yè)學(xué)院建筑工程學(xué)院，山東濱州256603)

為研究可滲透反應(yīng)墻處理垃圾滲濾液污染地下水的影響因素，篩選最優(yōu)實(shí)驗(yàn)條件，本文選擇零價(jià)鐵粉、活性碳作為反應(yīng)介質(zhì)，考慮活性炭含量、零價(jià)鐵含量、鐵粉粒徑、反應(yīng)時(shí)間、污染物初始濃度5個(gè)因素，設(shè)計(jì)三水平正交實(shí)驗(yàn)。方差分析的結(jié)果表明：活性炭含量對(duì)地下水中CODCr的去除率有極顯著影響，活性炭和鐵粉的交互以及鐵粉粒徑對(duì)地下水中CODCr的去除有顯著影響，鐵粉含量、反應(yīng)時(shí)間、污染物初始濃度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果均無(wú)顯著影響，最優(yōu)反應(yīng)條件為活性炭含量40%，鐵粉含量20%，鐵粉粒徑120目；驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)表明該方案的CODCr去除率達(dá)80.3%，高于其他方案。

可滲透反應(yīng)墻；垃圾滲濾液；地下水；實(shí)驗(yàn)研究

隨著環(huán)境污染的加劇，地下水污染越來(lái)越嚴(yán)重，可滲透反應(yīng)墻(PRB)[1-7]是目前修復(fù)地下水污染的最為經(jīng)濟(jì)可靠的技術(shù)。隨著城市垃圾的增多，垃圾滲濾液逐漸成為一種新的地下水污染物，其成分復(fù)雜，污染物濃度高，治理難度大，逐漸被人們所關(guān)注。關(guān)于垃圾滲濾液污染地下水的治理研究還較少，主要集中在反應(yīng)機(jī)理和反應(yīng)介質(zhì)的篩選上[8-11]。本文在已有研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)探討PRB治理垃圾滲濾液污染地下水中有機(jī)物的影響因素，篩選最優(yōu)反應(yīng)條件，為垃圾滲濾液污染地下水的治理提供參考。

1　實(shí)　驗(yàn)

1.1樣品采集與反應(yīng)液制備

垃圾滲濾液取自濱州市垃圾處理廠，經(jīng)測(cè)定其中的CODCr為24120 mg·L-1，地下水取自附近地區(qū)；垃圾滲濾液用地下水分別稀釋60倍、30倍、20倍，模擬被垃圾滲濾液污染的地下水，其CODCr濃度分別為402、804和1206 mg·L-1。

1.2實(shí)驗(yàn)裝置

PRB模擬反應(yīng)器采用有機(jī)玻璃做成，見(jiàn)圖1，內(nèi)徑0.1 m，長(zhǎng)度0.5 m，共分三段，Ⅰ段和Ⅲ段用石英砂(0.5～1 mm)填充，主要起緩沖和保護(hù)作用，Ⅱ段用零價(jià)鐵粉、活性碳(1～2 mm)、石英砂(0.5～1 mm)的混合物填充，后方留有一取樣口用于取樣分析，進(jìn)出口、段間及取樣口都設(shè)有無(wú)紡布，防止填料溢出及摻合。PRB反應(yīng)器水平放置，一側(cè)連接方形配水器，可視需要補(bǔ)充相應(yīng)濃度的反應(yīng)液，另一側(cè)為出水口，流入專(zhuān)用容器，配水器高于反應(yīng)裝置約0.5 m，以保持一定的壓力水頭，使水流速度控制在50 cm/d左右。運(yùn)行前先注入清水濕潤(rùn)填料和排除氣泡，再注入模擬地下水連續(xù)運(yùn)行，按設(shè)計(jì)時(shí)間取樣，采用重鉻酸鉀法測(cè)定出水中COD的濃度。

圖1　PRB模擬反應(yīng)器簡(jiǎn)圖

1.3實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究采用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，選擇活性炭、零價(jià)鐵作為反應(yīng)介質(zhì)，同時(shí)摻加石英砂，起緩沖和保護(hù)作用，不參與反應(yīng)?？紤]活性炭含量(A)、鐵粉含量(B)、鐵粉粒徑(C)、反應(yīng)時(shí)間(D)、有機(jī)物初始濃度(E)5個(gè)實(shí)驗(yàn)因素，每個(gè)因素設(shè)置3個(gè)水平，具體見(jiàn)表1。

表1　實(shí)驗(yàn)因素選擇及水平設(shè)置

根據(jù)已有研究[9-11]，活性炭和零價(jià)鐵能夠發(fā)生原電池反應(yīng)，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮二者的交互作用，其他因素間交互不考慮。選擇L18(37)正交表設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，表頭設(shè)計(jì)見(jiàn)表2，其中第3列作為A、B的交互列，第6列作為誤差列，按照表1設(shè)定的因素水平填充反應(yīng)器，控制初始濃度和反應(yīng)時(shí)間。

表2　正交實(shí)驗(yàn)表頭設(shè)計(jì)

2　結(jié)果與分析

2.1影響因素分析

以出水中CODCr的去除率(%)作為實(shí)驗(yàn)效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3　反應(yīng)液出水中CODCr的去除率

說(shuō)明：T1、T2、T3為各列同水平CODCr去除率之和，T為所有實(shí)驗(yàn)CODCr去除率之和。

采用方差分析探討影響反應(yīng)液中有機(jī)物去除的各種因素，篩選最優(yōu)實(shí)驗(yàn)條件。通過(guò)計(jì)算偏差平方和和自由度可計(jì)算方差及F值，方差分析表見(jiàn)表4。從表4可看出，E列F值小于1，說(shuō)明初始濃度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果無(wú)顯著影響，為提高檢驗(yàn)的靈敏度，將E列和誤差列合并作為新的誤差列，重新進(jìn)行方差分析，方差分析表見(jiàn)表5。

表4　方差分析表(一)

表5　方差分析表(二)

注：**、*和無(wú)標(biāo)記分別表示實(shí)驗(yàn)因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有極顯著影響、顯著影響和無(wú)顯著影響。

綜合表3～表5可看出：(1)活性炭含量對(duì)CODCr的去除有極顯著影響，活性炭比表面積大，吸附作用強(qiáng)，能有效去除地下水中的有機(jī)污染物，而且活性炭含量越大，去除效果越好；(2)鐵粉含量對(duì)CODCr的去除無(wú)顯著影響，鐵粉也具有較大的比表面積，但其吸附能力明顯弱于活性炭；(3)活性炭和鐵粉的交互對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有顯著影響，二者結(jié)合能夠形成很多個(gè)微小原電池，鐵粉失去電子被氧化，部分大分子有機(jī)物(如氯代脂肪烴等)得到電子被還原成小分子有機(jī)物，為進(jìn)一步的去除創(chuàng)造了條件；(4)鐵粉粒徑對(duì)CODCr的去除有顯著影響，粒徑過(guò)大，比表面積越小，吸附作用以及和活性炭接觸發(fā)生交互的機(jī)會(huì)也會(huì)降低，而粒徑過(guò)小，反應(yīng)介質(zhì)易堵塞，污染物和反應(yīng)介質(zhì)接觸的機(jī)會(huì)降低，影響處理效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明適中的粒徑(120目)處理效果較好；(5)反應(yīng)的前6天反應(yīng)時(shí)間對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果并無(wú)顯著影響，反應(yīng)開(kāi)始的2d污染物去除較快，繼續(xù)增加反應(yīng)時(shí)間，去除率無(wú)顯著提高；(6)污染物初始濃度對(duì)CODCr的去除無(wú)顯著影響。

2.2最優(yōu)水平的確定

通過(guò)以上分析，對(duì)地下水中CODCr的去除影響最大的是活性炭含量，其次是，再次是活性炭和鐵粉的交互作用，其他因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響不顯著。通過(guò)比較T1、T2、T3，可看出鐵粉粒徑為120目時(shí)CODCr的去除率最大，由于活性炭和鐵粉存在交互作用，其最優(yōu)水平必須通過(guò)比較兩個(gè)因素三個(gè)水平相互組合的CODCr的去除率來(lái)確定，結(jié)果見(jiàn)表6。

表6　活性炭和鐵粉交互作用結(jié)果比較

可以看出，活性炭含量為40%、鐵粉含量為20%時(shí)處理效果最好，因此最優(yōu)實(shí)驗(yàn)方案為A3B3C2，該實(shí)驗(yàn)方案并不在已有的18個(gè)實(shí)驗(yàn)里面，下面通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。

2.3最優(yōu)水平的驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)條件設(shè)計(jì)為：活性炭含量40%，鐵粉含量20%，鐵粉粒徑120目，反應(yīng)液CODCr初始濃度為1206 mg/L，反應(yīng)器運(yùn)行14 d，每隔2 d取一次樣。出水中CODCr濃度的變化規(guī)律見(jiàn)圖2。

圖2　反應(yīng)器出水CODCr濃度變化趨勢(shì)

從圖2可以看出，反應(yīng)的前兩天CODCr濃度下降較快，隨后下降趨勢(shì)減緩。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，介質(zhì)內(nèi)部孔隙逐漸被污染物填充，當(dāng)有機(jī)物被分解的速率小于被吸附的速率時(shí)，介質(zhì)表面吸附的有機(jī)物會(huì)逐漸增多，吸附能力下降，活性炭和零價(jià)鐵的接觸也受到阻礙，發(fā)生交互反應(yīng)分解有機(jī)物的能力受到影響，但有機(jī)物出水濃度仍在降低；第6天去除率達(dá)到80.3%，高于其他實(shí)驗(yàn)方案；6天之后，出水濃度出現(xiàn)升高趨勢(shì)，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，介質(zhì)表面累積的污染物越來(lái)越多，又不能被及時(shí)分解，而鐵粉發(fā)生原電池反應(yīng)后能夠生成Fe(OH)3，沉淀在反應(yīng)介質(zhì)表面，阻礙反應(yīng)的繼續(xù)進(jìn)行，導(dǎo)致有機(jī)物出水濃度升高，但第10天出水濃度又開(kāi)始降低，一方面，隨著反應(yīng)的進(jìn)行活性炭表面附著的微生物逐漸適應(yīng)新的環(huán)境而被活化，能夠分解吸附的有機(jī)物，介質(zhì)的吸附能力得到再生，另一方面，隨著有機(jī)物的分解，活性炭和零價(jià)鐵接觸發(fā)生原電池反應(yīng)的機(jī)會(huì)增加，有機(jī)物被逐漸分解，出水濃度降低。

3　結(jié)　論

通過(guò)以上分析，可得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)反應(yīng)6天內(nèi)，活性炭含量對(duì)地下水中CODCr的去除有極顯著影響，活性炭和鐵粉的交互以及鐵粉粒徑對(duì)地下水中CODCr的去除有顯著影響，鐵粉含量、反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)液初始濃度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果無(wú)顯著影響。

(2)通過(guò)方差分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最優(yōu)實(shí)驗(yàn)條件為：活性炭含量40%，鐵粉含量20%，鐵粉粒徑120目，第6天的CODCr去除率能夠達(dá)到80.3%。

(3)反應(yīng)進(jìn)行了6天后，隨著介質(zhì)表面累積的污染物增多，出水有機(jī)物濃度出現(xiàn)波動(dòng)，如何解決介質(zhì)的堵塞是今后重點(diǎn)考慮的問(wèn)題之一。只有加快反應(yīng)介質(zhì)的再生速率，才能保持或提高有機(jī)物的去除率，活性炭和零價(jià)鐵的交互作用、活性炭上附著的微生物均可以分解有機(jī)物，是需重點(diǎn)考慮的因素，可為微生物的生長(zhǎng)創(chuàng)造適宜條件(如降低反應(yīng)液初始濃度和毒性、調(diào)節(jié)溫度和pH、增加溶解氧濃度等)，使其盡快被活化并參與污染物的降解。

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Research on Treatment on Groundwater Polluted by Landfill Leachate with Permeable Reactive Barrier

SUN Jin-fang1,2，CHEN Wen-bing1

(1 School of Municipal and Environmental Engineering,Shandong Jianzhu University,Shandong Jinan 250101; 2 School of Architecture Engineering,Binzhou Vocational College,Shandong Binzhou 256603,China)

In order to research the influence factors of treatment on groundwater polluted by landfill leachate by PRB and select the best experiment conditions,a three levels orthogonal experimrnt was designed with the reaction mediums of zero-valent iron and activated carbon considering five factors of activated carbon content,zero-valent iron content,zero-valent iron particle size,reaction time and pollutant initial concentration.Through the analysis of variance,it concluded that activated carbon content had highly significant influence on the removal rate of CODCr.The interaction of activated carbon and zero-valent iron and zero-valent iron particle size both had significant influence on the removal rate of CODCr.Zero-valent iron content,reaction time and pollutant initial concentration had unsignificant influence on the removal rate of CODCr.The best reaction conditions concluded activated carbon content of 40%,zero-valent iron content of 20% and zero-valent iron particle size of 120.The removal rate of CODCrof the experiment program could reach to 80.3%,which was higher than others.The blocking of reaction mediums must be solved in future.

permeable reactive barrier; landfill leachate; groundwater; experiment research

孫金芳(1980-)，女，講師，從事市政環(huán)境方面的教學(xué)和研究工作。

X523

A

1001-9677(2016)011-0135-04