地下水污染修复的可渗透反应墙系统设计

摘要：地下水污染防治是我国水体污染控制的重要任务之一，为此应用可渗透反应墙技术，设计了一套可渗透反应墙系统，可有效去除地下水中的重金属和有机物等，具有造价便宜、稳定性高、可处理污水量大等优点。

关键词：地下水;污染修复;可渗透反应墙

0 引言

如今我国地下水污染问题严重，全国超过200个城市的地下水被检测为较差、极差水质的比例超过59.6%，这主要是由城市垃圾填埋、工业“三废”排放不达标、农业施肥及农药喷洒过量等原因造成，使得地下水中的有害细菌、重金属等聚集，地下水中甚至含有氰化物等有毒物质。地下水污染给人们的日常生活饮用、工业生产、农业生产等造成了极大影响，往往需要投入大量的人力、物力修复被污染的地下水。

针对地下水污染治理问题，已有相关学者进行了研究，如茹佳欢提出了健全地下水环境保护的法律法规，确定合理的地下水使用价格，加强地下水监测等措施。目前地下水污染修复技术主要包括抽出处理技术、化学氧化/还原技术、生物技术、曝气技术、可渗透反应墙技术、监测自然衰减技术、双/多相抽提技术等。其中，抽出、抽提技术等需要利用水泵等设备将地下水抽取出来再进行处理，消耗能源大，控制成本高，其余化学、生物等相关技术则需要往地下水中加入化学物质或生物菌落进行处理，可能会造成二次污染。而可渗透反应墙技术是将特定反应介质安装在地面以下的污染处理系统中，可阻断污染带，将其中的污染物转化为环境可接受的形式，但不破坏地下水的流动性，是目前一种新型的地下水修复处理技术。

1 可渗透反应墙系统原理

目前，可渗透反应墙最常见的结构为连续反应墙式结构。连续反应墙式结构多采用单层的反应介质层，其原理是在地下水区域安装一堵墙体，墙体中间用含有化学、生物降解等物质的填充物填充完整，所选择安装的地下水区域需有一定的流动或渗透能力，当地下水在流动或渗透过程中，经过可渗透反应墙体后，墙体中的物质对地下水产生降解、沉积和吸附等作用，将被污染的地下水转化为可接受的水质。

可渗透反应墙在设计安装过程中，针对污染现场地下水的情况确定反应墙结构类型，主要有连续反应带系统、漏斗-导门式反应系统、注入式反应系统和反应单元被动收集系统等。本文所介绍的连续可渗透反应墙属于连续反应带系统，具有设计结构简单、安装施工方便、造价成本低等优点，如图1所示。

具体来说，可渗透反应墙中含有可降解各种污染物的氧化还原剂、螯合剂、络合剂、吸附剂、沉淀剂或微生物，当污染物随水流通过预先设置好的可渗透反应墙时，各种污染物可以被还原、吸附、沉淀或生物降解。大量研究证实，可渗透反应墙技术可以除去地下水中共存的重金属和有机物（如苯、乙苯、二甲苯和多氯联苯），根据可渗透介质材料控制地下水中的污染物去除种类和效果。

2 可渗透反应墙系统设计

连续可渗透反应墙依势而建，沿地下水流向设置有反应介质层和过滤层，反应介质层用于修复，过滤层用于过滤生物物质等，反应介质一般置于过滤层之间。为了能固定反应介质层，或考虑从结构上便于更换，一般用支撑框架限制介质层。地下水在自身壓差与水力梯度下穿过连续的可渗透反应墙，完成地下水修复工作，可以降低建造成本。

本文介绍的用于地下水修复的可渗透反应墙系统，沿地下水流向设置有两道反应介质层和两道过滤层，两道反应介质层设置于两道过滤层之间，反应介质层包括向上相互叠加的U型支撑框架以及填充于U型支撑框架内的反应介质，两道反应介质层之间设置有缓冲层，具体结构如图2所示。

本文介绍的可渗透反应墙系统，沿地下水流向设置有两道反应介质层、两道过滤层和两道监测井。两道反应介质层设置于两道过滤层之间;反应介质层和过滤层均设置于两道监测井之间;反应介质层包括向上相互叠加的U型支撑框架以及填充于U型支撑框架内的反应介质，两道反应介质层之间设置有缓冲层。其中，监测井和反应介质层顶部均设置有封盖，封盖露出于地表，监测井一前一后，对地下水修复前后状态进行监测;封盖可根据需要打开，对监测井进行监测数据的提取，或对反应介质的状态进行观测。介质层、缓冲层、过滤层、监测井均架设于水平设置的隔水层之上，隔水层防止地下水流进一步向其他区域渗透，使其集中从可渗透反应墙流过，确保修复效果。

从结构上来看，本系统设计通过架设两道反应介质层，并在反应介质层之间架设缓冲层，能够更大量地处理受污染的地下水，且反应介质层的框架采用累加的U型支撑框架，稳定性高，可装填量大，具有综合处理效率高、可处理污水量大等优点。

3 可渗透反应墙修复机理

可渗透反应墙的实施核心是过滤层与反应介质层中修复机理的设定。修复机理的选择需根据地下水污染情况决定，主要的修复机理有以下几种：

3.1    ZVI填料修复机理

该修复机理主要用于含氯有机物的脱氯以产生无毒物质、重金属离子的去除以及含氧酸根离子的还原去除等，该修复机理主要通过化学反应实现。当反应介质中添加的ZVI填料消耗完后，其修复效果也会丧失，因此需要及时监测和更换填料。

3.2    矿物质修复机理

矿物质的主要功能是通过矿物相的溶解和沉积来固定污染物，起到吸附作用，最常用的矿物质有硅酸盐、黏土、磷石灰及沸石等，其中磷石灰与沸石主要用于处理重金属物质，如铅、镉等。因此，该修复机理一般使用于因工业废水造成的地下水重金属污染区域。

3.3    其他修复机理

除以上主要物质外，活性炭、微生物菌剂也常被用作修复机理进行填充。活性炭具有很好的吸附能力，分子状态稳定，不溶于水和有机溶剂，成本低。微生物菌剂利用微生物的特性实现修复作用，但同时也容易受到水质温度、pH值等的影响。

总之，在可渗透反应墙的实施过程中，要根据当地地下水的实际情况选用不同的修复机理，并需实时监测修复的效果。本文所述过滤层为活性炭层或多孔陶瓷过滤板，主要起到吸附作用;缓冲层选用石灰石层，起到固定和降低地下水流动速度的作用;反应介质层为以磷石灰石为填充材料的混合硫酸盐还原菌层，以修复污染物较为复杂的地下水。

4 存在问题及进一步改进计划

可渗透反应墙有着良好的发展前景，但同时也存在一定的不足。首先，反应介质使用一段时间后，内部集聚的重金属、生物活性物质等越来越多，化学、生物反应物质逐渐减少，其净化作用逐渐降低，导致整个系统失效，有时也会由于物质集聚太多而堵塞，需要定期更换反应物质，因此对反应墙结构设计提出了新的要求;其次，反应介质是一次设定和添加的，当地下水污染源变动或者污染成分变动后，提升了目标污染物净化去除的不确定性，因此在实时监控的同时，应及时变更反应介质中的物质;再次，可渗透反应墙的设计安装因地而异，需要根据施工地质环境、地下水深度、污染物特点等因素综合考虑，因此需要掌握充分的监测数据;最后，该系统运用于较高浓度污染的地下水处理时，处理效果较差，限制了其推广使用。

總之，可渗透反应墙的应用需要根据需求做出充分判断，本设计将进一步优化反应介质的更换方式，提升反应墙的应用灵活性，延长其使用寿命。

5 结语

本文设计的用于地下水污染修复的可渗透反应墙，可广泛适用于受重金属污染、有机物污染等的地下水区域，其具有以下优势：

（1）反应介质通过累加的U型支撑框架固定，可装填量大，便于反应介质的更换和实时调整;

（2）系统结构可根据实际场地调整尺寸大小，或按地下水处理量设置反应介质，灵活性强;

（3）该可渗透反应墙具有结构简单、造价低、稳定性高、可处理污水量大等优点。

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收稿日期：2020-05-06

作者简介：梁峻铭（1990—），男，广西南宁人，助理工程师，研究方向：环境治理与监察。