朱于紅，包科科，田 平

（浙江卓錦環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?，浙江 杭州 310014）

引言

地下水是人類重要的淡水資源，與人們的生產(chǎn)、生活息息相關(guān)。然而，隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，工業(yè)三廢的排放、農(nóng)藥化肥的施用，導(dǎo)致地下水環(huán)境污染的負(fù)荷越來越重，造成淡水資源進一步短缺。

根據(jù)《2022年國家地下水監(jiān)測報告》，2022年我國地下水監(jiān)測網(wǎng)水質(zhì)綜合評價結(jié)果顯示，IV類地下水占比70.3%，V類地下水占比19.3%。影響水質(zhì)的 主要超標(biāo)組分為錳、鐵、總硬度、溶解性總固體、鈉、硫酸鹽、氯化物、碘化物、氟化物、氨氮、砷、耗氧量、鋁等。

以杭州為例，俞光明等人[1]針對典型城市功能區(qū)的代表性淺層地下水樣品進行了定量分析，發(fā)現(xiàn)淺層地下水普遍受到鹵代烴、多環(huán)芳烴和有機氯農(nóng)藥的輕度污染，七氯環(huán)氧和P，P'-DDT甚至達到中度污染水平。以某煉油廠區(qū)域為例[2]，地下水中最高檢出300 mg/L的含油量，嚴(yán)重超標(biāo)。

地下水污染修復(fù)技術(shù)可以分為異位修復(fù)技術(shù)、原位修復(fù)技術(shù)和自然衰減技術(shù)，異位修復(fù)技術(shù)主要以抽出-處理修復(fù)技術(shù)為主；原位修復(fù)技術(shù)包括原位化學(xué)氧化技術(shù)、原位電動修復(fù)技術(shù)、原位微生物修復(fù)技術(shù)、可滲透反應(yīng)墻修復(fù)技術(shù)和曝氣技術(shù)[3]。盡管地下水原位修復(fù)技術(shù)具有成本低、擾 動小等優(yōu)勢特點，但在我國，修復(fù)技術(shù)仍采用抽出-處理、原位化學(xué)氧化、止水帷幕+清挖等高強度修復(fù)措施，以期實現(xiàn)地下水污染總量和濃度的快速削減[4]。

梁競等人[5]對中美兩國污染場地修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用情況進行了對比分析，1982-2014年我國地下水修復(fù)項目中原位修復(fù)技術(shù)占31%，抽出-處理技術(shù)占比為34%；2005-2014年EPA地下水修復(fù)以原位修復(fù)技術(shù)為主，占比為65%。根據(jù)生命周期評價研究，清理地下水中單位kg污染物最高可產(chǎn)生130 t的CO2排放，其幾何平均值為1.3 t CO2/kg污染物[6]。

近年來，我國制訂了一系列方針政策鼓勵綠色低碳修復(fù)。環(huán)辦土壤[2023]19號文提到“鼓勵將能耗、物耗、溫室氣體排放等納入方案比選指標(biāo)體系，在注重經(jīng)濟可行性的基礎(chǔ)上突出資源能源節(jié)約高效利用導(dǎo)向，優(yōu)化工藝設(shè)計，優(yōu)先選擇原位修復(fù)、生物修復(fù)、自然恢復(fù)為主的管控修復(fù)技術(shù)”。國科發(fā)社[2023]89號文發(fā)布了土壤和生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域的10項綠色低碳先進技術(shù)成果。

地下水修復(fù)可滲透反應(yīng)墻（Permeable Reactive Barrier，簡稱PRB）通過在地下安裝透水的活性材料墻體攔截污染物的羽狀體，當(dāng)污染羽狀體通過反應(yīng)墻時，通過在可滲透反應(yīng)墻內(nèi)發(fā)生沉淀、吸附、氧化還原、生物降解等作用，得到轉(zhuǎn)化或去除，從而實現(xiàn)了地下水凈化的目的。地下水修復(fù)過程涉及溫室氣體排放、能源和水資源消耗、空氣污染物的排放等環(huán)境足跡。

相較于抽出-處理、原位化學(xué)氧化、止水帷幕+清挖等高強度修復(fù)措施，PRB技術(shù)無需投入地上處理設(shè)施、無需能源的輸入，僅依靠反應(yīng)介質(zhì)的周期性更換或恢復(fù)即可實現(xiàn)對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技術(shù)具備節(jié)能減排、綠色低碳的潛力，符合綠色可持續(xù)修復(fù)的發(fā)展趨勢。

1 可滲透反應(yīng)墻技術(shù)的應(yīng)用

可滲透反應(yīng)墻有兩種基本結(jié)構(gòu)類型:連續(xù)式（圖1a）、漏斗-導(dǎo)水門式（圖1b）。

圖1 可滲透反應(yīng)墻的結(jié)構(gòu)類型

連續(xù)式PRB墻體采用具有足夠滲透性的活性材料，使污染的地下水在自然水力梯度下通過墻體。漏斗-導(dǎo)水門式PRB由導(dǎo)水門和不透水屏障（鋼板樁或泥漿墻）組成，導(dǎo)水門垂直于地下水流方向，因而使得受污染的地下水能夠通過漏斗進入導(dǎo)水門內(nèi)可滲透的反應(yīng)性材料。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計可以防止受污染的地下水從周圍流出，并減小了反應(yīng)墻的橫截面積，從而增加了水力梯度。

可滲透反應(yīng)墻在國內(nèi)外得到了較為廣泛的應(yīng)用。例如在20世紀(jì)90年代的德國，PRB已被公認(rèn)為是常規(guī)地下水修復(fù)技術(shù)的潛在替代技術(shù)，1998年至2002年間實施了9個PRB項目[8]。

在我國，Guohua Hou等人[9]在沈陽市渾河邊建設(shè)的沸石PRB可能是國內(nèi)第一個PRB示范工程，該工程采用了漏斗-導(dǎo)水門式PBR，長度為3 m+9 m+3 m（U字形）。經(jīng)過5個多月的運行所得數(shù)據(jù)表明，地下水中的NH4+濃度從2～10 mg/L下降到0.5 mg/L，NH4+的去除主要是通過吸附和離子交換實現(xiàn)的。李傳維等人[10]以赤鐵礦∶石灰石=2∶1作為填充材料建設(shè)連續(xù)式PRB，設(shè)計墻體的厚度為1.5 m，PRB建成使用1～3月后，場內(nèi)監(jiān)測井污染物數(shù)據(jù)均可以達到地下水Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)。

Gibert等人[11]關(guān)于PRB原位修復(fù)硝酸鹽污染地下水的研究表明：CO2、CH4和N2O等溫室氣體通過地下水非飽和帶向上擴散的排放通量與其他生態(tài)系統(tǒng)相當(dāng)，所以PRB技術(shù)對大 氣溫室氣體含量的貢獻程度較小，因面環(huán)境碳足跡也較少。Higgins等人[12]采用生命周期評價法比較了可滲透反應(yīng)墻和抽出-處理法用于治理美國某空軍基地氯代烴污染地下水的環(huán)境影響，結(jié)果表明：要使可滲透反應(yīng)墻的所有類別環(huán)境影響均低于抽出-處理系統(tǒng)，則運行時間要超過10年，說明在長期運行條件下PRB系統(tǒng)方可顯示出相對其他技術(shù)更好的環(huán)境友好特性。因此，我們有必要對PRB地下水修復(fù)系統(tǒng)進行長期的效果評價。

據(jù)文獻記載，PRB技術(shù)已有多個10年以上的應(yīng)用案例。美國北卡羅來納州伊麗莎白市的某電鍍廠及其下游的地下水受到鉻、三氯乙烯、順二氯乙烯、氯乙烯的復(fù)合污染。在地下水污染羽下游設(shè)置PRB，長度為46 m，深度為7.3 m，厚度為0.6 m，反應(yīng)材料為零價鐵（ZVI）。根據(jù)14年的長期評估，PRB內(nèi)部和下游的鉻濃度降低至0.1～3 ppb，處理效率平均為99.5%。輔以污染源削減措施和自然衰減效應(yīng)，流入PRB的地下水鉻濃度隨著時間的推移而下降。此外，三氯乙烯的平均處理效率為90%以上。

伊麗莎白市在應(yīng)用PRB技術(shù)處理六價鉻和三氯乙烯方面顯示出積極和長效的結(jié)果，為可能與以下3個關(guān)鍵因素有關(guān)：（1）PRB內(nèi)的pH值和氧化還原條件保持在有利于鉻還原的理想水平；（2）進水地下水中溶解性固體的含量低，因此碳酸鹽沉淀導(dǎo)致的礦物堆積對反應(yīng)性和水力傳導(dǎo)性沒有顯著影響；（3）進水溶解氧的負(fù)荷較低，因此鐵腐蝕效應(yīng)對反應(yīng)性和水力傳導(dǎo)性沒有顯著影響[13]。

2 應(yīng)用可滲透反應(yīng)墻技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

同抽出-處理、原位化學(xué)氧化等修復(fù)技術(shù)一樣，PRB技術(shù)的應(yīng)用同樣依賴于地下水污染特征和水文地質(zhì)條件的精準(zhǔn)描述。地下水污染具有隱蔽性，同時由于地下水具有流動性，所以污染物在巖層中會發(fā)生擴散遷移、吸附和解吸、化學(xué)反應(yīng)、微生物反應(yīng)等現(xiàn)象。污染物的分布和環(huán)境行為受到含水介質(zhì)和水力條件的影響。污染物的類型、濃度、分布范圍和深度、含水層條件等因素，直接影響PRB系統(tǒng)的設(shè)計和運行。在PRB系統(tǒng)運行過程中，工作人員需要對地下水水位、水質(zhì)進行實時監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果及時調(diào)整運行參數(shù)。

PRB技術(shù)的處理效果和環(huán)境影響與介質(zhì)材料息息相關(guān)。根據(jù)Higgins等人[12]的研究，在以ZVI為反應(yīng)材料的PRB系統(tǒng)中，材料貢獻了90%以上的環(huán)境影響，其中反應(yīng)材料ZVI造成的影響最高，為43%～70%。因此，相關(guān)研究人員有必要尋求和試驗對環(huán)境影響更低的替代材料，例如高價鐵礦物、泥炭或堆肥等生物廢棄物材料。同時通過提高反應(yīng)介質(zhì)的壽命，控制環(huán)境影響的程度并提高相對效益。除反應(yīng)介質(zhì)之外，鋼板樁等鋼材的使用也會產(chǎn)生大量碳排放，所以在設(shè)計和施工過程中應(yīng)盡量減少鋼鐵的消耗[14]。

3 結(jié)語

PRB技術(shù)具有可持續(xù)性、長效性的優(yōu)點，但其屬于被動修復(fù)技術(shù)，前期起效相對更慢。抽出-處理法、原位化學(xué)氧化技術(shù)目前應(yīng)用更為廣泛，這些技術(shù)在前期表現(xiàn)出較高的修復(fù)效率和較強的處理能力，但在后期可能會出現(xiàn)污染物拖尾和反彈的現(xiàn)象。為了實現(xiàn)起效快、持續(xù)久的修復(fù)效果，同時還能盡可能地降低環(huán)境的影響，建議將PRB技術(shù)與抽出-處理等技術(shù)進行聯(lián)保合使用，從而實現(xiàn)更好的處理效果。