可渗透反应墙处理垃圾渗滤液污染地下水的模拟研究

孙金芳，陈文兵

(1 山东建筑大学市政与环境工程学院，山东　济南　250101；2 滨州职业学院建筑工程学院，山东　滨州　256603)



可渗透反应墙处理垃圾渗滤液污染地下水的模拟研究

孙金芳1,2，陈文兵1

(1 山东建筑大学市政与环境工程学院，山东济南250101；2 滨州职业学院建筑工程学院，山东滨州256603)

为研究可渗透反应墙处理垃圾渗滤液污染地下水的影响因素，筛选最优实验条件，本文选择零价铁粉、活性碳作为反应介质，考虑活性炭含量、零价铁含量、铁粉粒径、反应时间、污染物初始浓度5个因素，设计三水平正交实验。方差分析的结果表明：活性炭含量对地下水中CODCr的去除率有极显著影响，活性炭和铁粉的交互以及铁粉粒径对地下水中CODCr的去除有显著影响，铁粉含量、反应时间、污染物初始浓度对实验结果均无显著影响，最优反应条件为活性炭含量40%，铁粉含量20%，铁粉粒径120目；验证实验表明该方案的CODCr去除率达80.3%，高于其他方案。

可渗透反应墙；垃圾渗滤液；地下水；实验研究

随着环境污染的加剧，地下水污染越来越严重，可渗透反应墙(PRB)[1-7]是目前修复地下水污染的最为经济可靠的技术。随着城市垃圾的增多，垃圾渗滤液逐渐成为一种新的地下水污染物，其成分复杂，污染物浓度高，治理难度大，逐渐被人们所关注。关于垃圾渗滤液污染地下水的治理研究还较少，主要集中在反应机理和反应介质的筛选上[8-11]。本文在已有研究的基础上，通过正交实验探讨PRB治理垃圾渗滤液污染地下水中有机物的影响因素，筛选最优反应条件，为垃圾渗滤液污染地下水的治理提供参考。

1　实　验

1.1样品采集与反应液制备

垃圾渗滤液取自滨州市垃圾处理厂，经测定其中的CODCr为24120 mg·L-1，地下水取自附近地区；垃圾渗滤液用地下水分别稀释60倍、30倍、20倍，模拟被垃圾渗滤液污染的地下水，其CODCr浓度分别为402、804和1206 mg·L-1。

1.2实验装置

PRB模拟反应器采用有机玻璃做成，见图1，内径0.1 m，长度0.5 m，共分三段，Ⅰ段和Ⅲ段用石英砂(0.5～1 mm)填充，主要起缓冲和保护作用，Ⅱ段用零价铁粉、活性碳(1～2 mm)、石英砂(0.5～1 mm)的混合物填充，后方留有一取样口用于取样分析，进出口、段间及取样口都设有无纺布，防止填料溢出及掺合。PRB反应器水平放置，一侧连接方形配水器，可视需要补充相应浓度的反应液，另一侧为出水口，流入专用容器，配水器高于反应装置约0.5 m，以保持一定的压力水头，使水流速度控制在50 cm/d左右。运行前先注入清水湿润填料和排除气泡，再注入模拟地下水连续运行，按设计时间取样，采用重铬酸钾法测定出水中COD的浓度。

图1　PRB模拟反应器简图

1.3实验设计

本研究采用正交实验设计，选择活性炭、零价铁作为反应介质，同时掺加石英砂，起缓冲和保护作用，不参与反应。考虑活性炭含量(A)、铁粉含量(B)、铁粉粒径(C)、反应时间(D)、有机物初始浓度(E)5个实验因素，每个因素设置3个水平，具体见表1。

表1　实验因素选择及水平设置

根据已有研究[9-11]，活性炭和零价铁能够发生原电池反应，实验设计时必须考虑二者的交互作用，其他因素间交互不考虑。选择L18(37)正交表设计实验，表头设计见表2，其中第3列作为A、B的交互列，第6列作为误差列，按照表1设定的因素水平填充反应器，控制初始浓度和反应时间。

表2　正交实验表头设计

2　结果与分析

2.1影响因素分析

以出水中CODCr的去除率(%)作为实验效果的评价指标，实验结果见表3。

表3　反应液出水中CODCr的去除率

说明：T1、T2、T3为各列同水平CODCr去除率之和，T为所有实验CODCr去除率之和。

采用方差分析探讨影响反应液中有机物去除的各种因素，筛选最优实验条件。通过计算偏差平方和和自由度可计算方差及F值，方差分析表见表4。从表4可看出，E列F值小于1，说明初始浓度对实验结果无显著影响，为提高检验的灵敏度，将E列和误差列合并作为新的误差列，重新进行方差分析，方差分析表见表5。

表4　方差分析表(一)

表5　方差分析表(二)

注：**、*和无标记分别表示实验因素对实验结果有极显著影响、显著影响和无显著影响。

综合表3～表5可看出：(1)活性炭含量对CODCr的去除有极显著影响，活性炭比表面积大，吸附作用强，能有效去除地下水中的有机污染物，而且活性炭含量越大，去除效果越好；(2)铁粉含量对CODCr的去除无显著影响，铁粉也具有较大的比表面积，但其吸附能力明显弱于活性炭；(3)活性炭和铁粉的交互对实验结果有显著影响，二者结合能够形成很多个微小原电池，铁粉失去电子被氧化，部分大分子有机物(如氯代脂肪烃等)得到电子被还原成小分子有机物，为进一步的去除创造了条件；(4)铁粉粒径对CODCr的去除有显著影响，粒径过大，比表面积越小，吸附作用以及和活性炭接触发生交互的机会也会降低，而粒径过小，反应介质易堵塞，污染物和反应介质接触的机会降低，影响处理效果，实验结果也表明适中的粒径(120目)处理效果较好；(5)反应的前6天反应时间对实验结果并无显著影响，反应开始的2d污染物去除较快，继续增加反应时间，去除率无显著提高；(6)污染物初始浓度对CODCr的去除无显著影响。

2.2最优水平的确定

通过以上分析，对地下水中CODCr的去除影响最大的是活性炭含量，其次是，再次是活性炭和铁粉的交互作用，其他因素对实验结果影响不显著。通过比较T1、T2、T3，可看出铁粉粒径为120目时CODCr的去除率最大，由于活性炭和铁粉存在交互作用，其最优水平必须通过比较两个因素三个水平相互组合的CODCr的去除率来确定，结果见表6。

表6　活性炭和铁粉交互作用结果比较

可以看出，活性炭含量为40%、铁粉含量为20%时处理效果最好，因此最优实验方案为A3B3C2，该实验方案并不在已有的18个实验里面，下面通过实验来验证。

2.3最优水平的验证

实验条件设计为：活性炭含量40%，铁粉含量20%，铁粉粒径120目，反应液CODCr初始浓度为1206 mg/L，反应器运行14 d，每隔2 d取一次样。出水中CODCr浓度的变化规律见图2。

图2　反应器出水CODCr浓度变化趋势

从图2可以看出，反应的前两天CODCr浓度下降较快，随后下降趋势减缓。随着反应的进行，介质内部孔隙逐渐被污染物填充，当有机物被分解的速率小于被吸附的速率时，介质表面吸附的有机物会逐渐增多，吸附能力下降，活性炭和零价铁的接触也受到阻碍，发生交互反应分解有机物的能力受到影响，但有机物出水浓度仍在降低；第6天去除率达到80.3%，高于其他实验方案；6天之后，出水浓度出现升高趋势，随着反应的进行，介质表面累积的污染物越来越多，又不能被及时分解，而铁粉发生原电池反应后能够生成Fe(OH)3，沉淀在反应介质表面，阻碍反应的继续进行，导致有机物出水浓度升高，但第10天出水浓度又开始降低，一方面，随着反应的进行活性炭表面附着的微生物逐渐适应新的环境而被活化，能够分解吸附的有机物，介质的吸附能力得到再生，另一方面，随着有机物的分解，活性炭和零价铁接触发生原电池反应的机会增加，有机物被逐渐分解，出水浓度降低。

3　结　论

通过以上分析，可得出以下几点结论：

(1)反应6天内，活性炭含量对地下水中CODCr的去除有极显著影响，活性炭和铁粉的交互以及铁粉粒径对地下水中CODCr的去除有显著影响，铁粉含量、反应时间、反应液初始浓度对实验结果无显著影响。

(2)通过方差分析和实验验证，最优实验条件为：活性炭含量40%，铁粉含量20%，铁粉粒径120目，第6天的CODCr去除率能够达到80.3%。

(3)反应进行了6天后，随着介质表面累积的污染物增多，出水有机物浓度出现波动，如何解决介质的堵塞是今后重点考虑的问题之一。只有加快反应介质的再生速率，才能保持或提高有机物的去除率，活性炭和零价铁的交互作用、活性炭上附着的微生物均可以分解有机物，是需重点考虑的因素，可为微生物的生长创造适宜条件(如降低反应液初始浓度和毒性、调节温度和pH、增加溶解氧浓度等)，使其尽快被活化并参与污染物的降解。

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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

孙金芳(1980-)，女，讲师，从事市政环境方面的教学和研究工作。

X523

A

1001-9677(2016)011-0135-04