CN109179677A - 一种氯代烃污染地下水的复合介质prb修复方法 - Google Patents

一种氯代烃污染地下水的复合介质prb修复方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种有机污染地下水的复合介质PRB修复方法，包括如下步骤：（1）调查待治理区域的地下水深度、地下水流速、地下水流量以及污染物的种类、污染物的浓度和污染物的空间分布；（2）计算地下水污染羽的尺寸，并根据污染羽的尺寸划定污染区域；（3）在地下水污染羽的下游、垂直于地下水流动的方向开挖平行布置的四条沟槽，四条沟槽沿地下水流动方向依次划分为砾石层、第一反应层、第二反应层和吸附层；（4）砾石层、第一反应层、第二反应层、吸附层的底部延伸至治理区域含水层之下，由含水层至各层顶部的高度大于地下水深度；（5）在砾石层的上游5米以及吸附层的下游2米位置分别设置污染物监测井。

Description

一种氯代烃污染地下水的复合介质PRB修复方法
技术领域
本发明涉及一种氯代烃污染地下水的复合介质PRB修复方法。
背景技术
水是人类赖以生存的宝贵资源，地下水作为水资源的重要组成部分，由于其分别广泛，水质良好，便于利用以及水质变化稳定等特点，常常被人们用作理想的供水水源。地下水即是赋存于地面以下岩石空隙中的水，是重要的生态环境因子、灾害因子、地质营力和信息的载体。我国是世界上13个贫水国家之一，我国水资源的人均占有量只有世界人均占有量的四分之一，全国地下水资源储量平均为8218亿吨，约占全国水资源总量的三分之一。
作为重要的水资源，地下水与人类的生产和生活存在着密切的关系。地下水资源具有温度的供水调节，而且水质优良，一直以来作为我国农业灌溉、工矿企业和城市生活用水的主要水源。在有统计的全国655个城市中，有400多个城市以地下水为饮用水源，约占统计总数的61%。其中，北方大部分地区65%以上的生活用水和50%以上的工业用水以及33%以上的灌溉用水均来自地下水。
但随着人类社会的发展，各类环境问题也逐渐凸显，尤其是水资源的污染问题备受人们关注。根据环保部的统计，全国4929个地下水水质监测点钟，水质属于IV类水的监测点约占40%；水质属于V类水的监测点约占17%。我国大、中城市浅层地下水均遭受不同程度的污染，其中超过一半的城市市区地下水污染严重，全国多数城市地下水水质呈下降趋势，部分城市浅层地下水已不能直接饮用，因此也造成了缺水地区日益增多。
我国地下水污染主要来源于生活污水的排放、垃圾堆放、工业废弃物的违规排放和农业大量使用的化肥以及农药。在地下水污染中，有机污染造成了严重的危害。有机污染只要来源于以下几个方面：（1）工业排放的含有机物的废水和废渣通过不同途径进入地下水造成污染；（2）储油设施以及输油管道的泄露导致地下水污染；（3）农业生产中使用的含有机物的化肥农药随着灌溉进入地下水造成污染；（4）生活污水下渗以及垃圾堆放的渗出液下渗造成地下水污染。
近年来，我国地下水中有机污染呈不断恶化的趋势，这类有机污染物主要以氯代烃类污染物最为常见。氯代烃自二十世纪中叶起被大量应用到工业中，用于作为电子元器件的清洗剂以及有机物溶剂。氯代烃一旦进入人体，会加大致癌、致畸、突变的风险，是一种对环境及生物产生严重影响的有机污染物。世界各国对受污染地下水的修复做了大量的工作，先后采用了焚烧、湿式氧化、臭氧氧化、抽提处理和活性炭吸收等技术，但这些技术普遍处理成本高昂。理想的环境污染修复技术应该具备修复效果好，造价低廉的优点。可渗透反应墙技术(PRB)是一种原位被动修复技术，具有原位处理、处理组分多、价格便宜等优点，是地下水污染处理领域发展的趋势。
发明内容
本发明公开了一种有机污染地下水的复合介质PRB修复方法，包括如下步骤：
（1）调查待治理区域的地质构造、岩土性质、含水层厚度、低下水位、地下水深度、地下水流速、地下水流量、污染物的浓度和污染物的空间分布。
（2）计算地下水污染羽的尺寸，并根据污染羽的尺寸划定污染区域。
（3）在地下水污染羽的下游、垂直于地下水流动的方向开挖平行布置的四条沟槽，四条沟槽沿地下水流动方向依次划分为砾石层、第一反应层、第二反应层和吸附层，且分别填充有砾石填料、零件铁反应填料、生物反应填料和活性炭填料。
（4）砾石层、第一反应层、第二反应层、吸附层的底部延伸至治理区域含水层之下，由含水层至各层顶部的高度大于地下水深度。
（5）在砾石层的上游5米以及吸附层的下游2米位置分别设置污染物监测井。
在其中一个实施例中，所述砾石层与第一反应层之间的间距为1米，所述第一反应层与第二反应层之间的间距为4米，所述第二反应层与吸附层之间的间距为1米。
在其中一个实施例中，所述砾石填料沿纵向分为三层，底层为初垫层，其内填充有平均粒径为8~10毫米的砾石；中间层为过渡层，其内填充有平均粒径为5~6毫米的砾石；顶层为细垫层，其内填充有平均粒径为2~3毫米的砾石。
其中，粗垫层的主要作用是将流入水体初步离散；过渡层的主要作用是进一步离散水流，使流态趋向均匀，细垫层的主要作用是均衡水流和过滤杂质
在其中一个实施例中，所述零价铁反应填料由包括如下重量份的原料混合而成，平均粒径为1~3毫米的铁屑15~20份，平均粒径为2~3毫米的石英砂45~60份，柱撑膨润土2~5份。零价铁粒径越小，反应器的处理效果越好，但是铁粉易堵塞影响PRB的长期稳定性，柱撑膨润土可以显著增强零价铁对氯代烃的去除能力。
在其中一个实施例中，所述柱撑膨润土为羟基铝柱撑膨润土。羟基铝柱撑膨润土表面羟基的缓冲作用可有效抑制零价铁表面沉淀的产生，可延长零价铁PRB的反应寿命
在其中一个实施例中，所述生物反应填料沿地下水流向分为三层结构，第一层填充有粗砂和微生物固定化泥炭，第二层填充有电气石和微生物固定化泥炭，第三层填充有珍珠岩和微生物固定化泥炭，各层之间的厚度比为2:1:3。按渗透系数逐层增大的原则，以防止堵塞。
在其中一个实施例中，所述第一层的填充物内粗砂与微生物固定化泥炭的体积比为4~3:2~1；所述第二层的填充物内电气石与微生物固定化泥炭的体积比为4~3:2~1；所述第二层的填充物内珍珠岩与微生物固定化泥炭的体积比为4~3:2~1。
在其中一个实施例中，所述活性炭填料由包括如下重量份的原料混合而成，椰子壳活性炭6~10份、平均粒径为2~3毫米的石英砂28~36份、膨润土1~2份。
在其中一个实施例中，所述活性炭填料内还混合有粉煤灰。
粉煤灰中含有大量的硅、铝氧化物，还含有少量铁的氧化物，能与吸附质通过化学键结合，同时粉煤灰具有较大的孔隙度和比表面积，可利用粉煤灰的物理吸附、化学吸附、离子交换吸附和吸附-絮凝沉淀协同作用对污染物进行吸附。
PRB是一种原位被动修复技术，一般安装在地下含水层中，垂直于地下水流方向。当地下水流在自身水力梯度作用下通过PRB时。污染物与反应层内的反应介质发生反应而被去除。零价铁作为活波金属，其氧化还原电位为-0.44V，而氯代烃的氧化还原电位较高，以三氯乙烯和四氯乙烯为例，这两种物质的氧化还原电位为1.5V和2.08V，零价铁能够使多种氯代烃还原脱氯。在反应过程中，水中的O2、H+以及氯代烃都能够成为Fe0的氧化剂，其还原产物分贝是OH-、H2以及氯代烃脱氯产生的各类烃Fe0被氧化成Fe2+。其中发生的主要反应方程式为：
并且上述反应能够使地下水的pH值升高，在缺氧环境中引起Fe（OH）2和FeCO3沉淀，在富氧环境下会形成Fe（OH）3和FeCO3沉淀，生产沉淀对于降低Fe的次生污染十分有益。
氯代烃作为地下水中最常见的有机污染物，能够被微生物利用并为微生物活动提供碳源以及能源。采用生物降解的方法修复氯代烃的污染，即通过筛选、培养、富集对某种化合物具有降解效果的优势菌群，通过添加降解活动所需的各类其他物质，用以强化微生物活动，从而达到对污染物的降解的目的。好氧微生物降解氯代烃的效率较高且比较完全，因此当治理表层土壤以及地下水埋深较浅的土壤和地下水氯代烃污染时，可以通过提高水中的溶解氧含量，促进好氧微生物的活动，达到降解氯代烃的目的。
在本修复方法中，生物反应填料中的微生物采用泥炭固定，泥炭是沼泽发育过程中的产物，质地松软，材料天然无菌，保水通气，孔隙发达，适合做微生物固定化载体。
电气石是一种由硼、铝、钠、铁、钙、镁等元素组成，且含有大量羟基的环状硅酸盐晶体矿物。电气石是一种热释电材料，内部存在自发极化，具有辐射中远红外线、诱生负离子等作用。电气石的自发电极和表面吸附特性，使得其在酸性、碱性水溶液中可以改变溶液的pH和电导率；同时，溶液中的羟基离子与电气石自发电极诱导电荷作用产生氧气，可以增加溶液的DO；电气石产生的红外辐射可以使水分子发生振动，引起部分氢键断裂，因此使得水分子团簇结构减小，提高水的渗透性。基于电气石以上所述特性，采用电气石为作为PRB的活性材料，将其应用于氯代烃污染地下水的修复，不仅可以保持微生物的活性和对氯代烃的降解，还能有效缓解运行中的堵塞问题，有利于长期、有效的运行。
PRB填充介质前端有机物浓度较高，故此处微生物的繁殖速度较快，从而引起该部分渗透系数较快，从而发生堵塞。因此，生物反应填充介质后部采用渗透系数较大的珍珠岩加固定化泥炭，使得经过处理后的水体能够较快的通过。
综上所述，零价铁是一种廉价高效应用广泛的修复材料，对氯代烃具有极高的还原效率；而同时微生物能够降解氯代烃。所以可以利用零价铁还原氯代烃以及微生物厌氧降解氯代烃的特点，结合PRB技术，采用复合介质PRB修复地下水中的氯代烃和氯代烃污染，能够很好的修复地下水中的氯代烃和氯代烃的混合污染。本发明将零价铁对氯代烃的修复与微生物对氯代烃的修复进行了有机的结合，构建了复合介质PRB，能够很好的修复地下水中以氯代烃和氯代烃为代表的混合污染。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种有机污染地下水的复合介质PRB修复方法，包括如下步骤：
（1）调查待治理区域的地质构造、岩土性质、含水层厚度、低下水位、地下水深度、地下水流速、地下水流量、污染物的浓度和污染物的空间分布。
（2）计算地下水污染羽的尺寸，并根据污染羽的尺寸划定污染区域。
（3）在地下水污染羽的下游、垂直于地下水流动的方向开挖平行布置的四条沟槽，四条沟槽沿地下水流动方向依次划分为砾石层、第一反应层、第二反应层和吸附层，且分别填充有砾石填料、零件铁反应填料、生物反应填料和活性炭填料。
所述砾石层与第一反应层之间的间距为1米，所述第一反应层与第二反应层之间的间距为4米，所述第二反应层与吸附层之间的间距为1米。
所述砾石填料沿纵向分为三层，底层为初垫层，其内填充有平均粒径为8~10毫米的砾石；中间层为过渡层，其内填充有平均粒径为5~6毫米的砾石；顶层为细垫层，其内填充有平均粒径为2~3毫米的砾石。
所述零价铁反应填料由包括如下重量份的原料混合而成，平均粒径为1~3毫米的铁屑15份，平均粒径为2毫米的石英砂45份，羟基铝柱撑膨润土2份。
所述生物反应填料沿地下水流向分为三层结构，第一层填充有体积比为3: 1的粗砂和微生物固定化泥炭。第二层填充有体积比为3:1的电气石和微生物固定化泥炭。第三层填充有体积比为3:1的珍珠岩和微生物固定化泥炭。各层之间的厚度比为2:1:3。
所述活性炭填料由包括如下重量份的原料混合而成，椰子壳活性炭6份、平均粒径为2~3毫米的石英砂28份、膨润土1份。
所述活性炭填料内还混合有粉煤灰。
（4）砾石层、第一反应层、第二反应层、吸附层的底部延伸至治理区域含水层之下，由含水层至各层顶部的高度大于地下水深度。
（5）在砾石层的上游5米以及吸附层的下游2米位置分别设置污染物监测井。
实施例2
一种有机污染地下水的复合介质PRB修复方法，包括如下步骤：
（1）调查待治理区域的地质构造、岩土性质、含水层厚度、低下水位、地下水深度、地下水流速、地下水流量、污染物的浓度和污染物的空间分布。
（2）计算地下水污染羽的尺寸，并根据污染羽的尺寸划定污染区域。
（3）在地下水污染羽的下游、垂直于地下水流动的方向开挖平行布置的四条沟槽，四条沟槽沿地下水流动方向依次划分为砾石层、第一反应层、第二反应层和吸附层，且分别填充有砾石填料、零件铁反应填料、生物反应填料和活性炭填料。
所述砾石层与第一反应层之间的间距为1米，所述第一反应层与第二反应层之间的间距为4米，所述第二反应层与吸附层之间的间距为1米。
所述砾石填料沿纵向分为三层，底层为初垫层，其内填充有平均粒径为8~10毫米的砾石；中间层为过渡层，其内填充有平均粒径为5~6毫米的砾石；顶层为细垫层，其内填充有平均粒径为2~3毫米的砾石。
所述零价铁反应填料由包括如下重量份的原料混合而成，平均粒径为1~3毫米的铁屑20份，平均粒径为2~3毫米的石英砂60份，羟基铝柱撑膨润土5份。
所述生物反应填料沿地下水流向分为三层结构，第一层填充有体积比为4:1的粗砂和微生物固定化泥炭。第二层填充有体积比为4:1的电气石和微生物固定化泥炭。第三层填充有体积比为4:1的珍珠岩和微生物固定化泥炭。各层之间的厚度比为2:1:3。
所述活性炭填料由包括如下重量份的原料混合而成，椰子壳活性炭10份、平均粒径为2~3毫米的石英砂36份、膨润土2份。
所述活性炭填料内还混合有粉煤灰。
（4）砾石层、第一反应层、第二反应层、吸附层的底部延伸至治理区域含水层之下，由含水层至各层顶部的高度大于地下水深度。
（5）在砾石层的上游5米以及吸附层的下游2米位置分别设置污染物监测井。
实施例3
一种有机污染地下水的复合介质PRB修复方法，包括如下步骤：
（1）调查待治理区域的地质构造、岩土性质、含水层厚度、低下水位、地下水深度、地下水流速、地下水流量、污染物的浓度和污染物的空间分布。
（2）计算地下水污染羽的尺寸，并根据污染羽的尺寸划定污染区域。
（3）在地下水污染羽的下游、垂直于地下水流动的方向开挖平行布置的四条沟槽，四条沟槽沿地下水流动方向依次划分为砾石层、第一反应层、第二反应层和吸附层，且分别填充有砾石填料、零件铁反应填料、生物反应填料和活性炭填料。
所述砾石层与第一反应层之间的间距为1米，所述第一反应层与第二反应层之间的间距为4米，所述第二反应层与吸附层之间的间距为1米。
所述砾石填料沿纵向分为三层，底层为初垫层，其内填充有平均粒径为8~10毫米的砾石；中间层为过渡层，其内填充有平均粒径为5~6毫米的砾石；顶层为细垫层，其内填充有平均粒径为2~3毫米的砾石。
所述零价铁反应填料由包括如下重量份的原料混合而成，平均粒径为1~3毫米的铁屑17份，平均粒径为2~3毫米的石英砂48份，羟基铝柱撑膨润土3份。
所述生物反应填料沿地下水流向分为三层结构，第一层填充有体积比为2:1的粗砂和微生物固定化泥炭。第二层填充有体积比为2:1的电气石和微生物固定化泥炭。第三层填充有体积比为2:1的珍珠岩和微生物固定化泥炭。各层之间的厚度比为2:1:3。
所述活性炭填料由包括如下重量份的原料混合而成，椰子壳活性8份、平均粒径为2~3毫米的石英砂31份、膨润土1份。
所述活性炭填料内还混合有粉煤灰。
（4）砾石层、第一反应层、第二反应层、吸附层的底部延伸至治理区域含水层之下，由含水层至各层顶部的高度大于地下水深度。
（5）在砾石层的上游5米以及吸附层的下游2米位置分别设置污染物监测井。

Claims (9)

1.一种氯代烃污染地下水的复合介质PRB修复方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）调查待治理区域的地质构造、岩土性质、含水层厚度、低下水位、地下水深度、地下水流速、地下水流量、污染物的浓度和污染物的空间分布；
（2）计算地下水污染羽的尺寸，并根据污染羽的尺寸划定污染区域；
（3）在地下水污染羽的下游、垂直于地下水流动的方向开挖平行布置的四条沟槽，四条沟槽沿地下水流动方向依次划分为砾石层、第一反应层、第二反应层和吸附层，且分别填充有砾石填料、零件铁反应填料、生物反应填料和活性炭填料；
（4）砾石层、第一反应层、第二反应层、吸附层的底部延伸至治理区域含水层之下，由含水层至各层顶部的高度大于地下水深度；
（5）在砾石层的上游5米以及吸附层的下游2米位置分别设置污染物监测井。
2.根据权利要求1所述的氯代烃污染地下水的复合介质PRB修复方法，其特征在于：所述砾石层与第一反应层之间的间距为1米，所述第一反应层与第二反应层之间的间距为4米，所述第二反应层与吸附层之间的间距为1米。
3.根据权利要求1所述的氯代烃污染地下水的复合介质PRB修复方法，其特征在于：所述砾石填料沿纵向分为三层，底层为初垫层，其内填充有平均粒径为8~10毫米的砾石；中间层为过渡层，其内填充有平均粒径为5~6毫米的砾石；顶层为细垫层，其内填充有平均粒径为2~3毫米的砾石。
4.根据权利要求1所述的氯代烃污染地下水的复合介质PRB修复方法，其特征在于：所述零价铁反应填料由包括如下重量份的原料混合而成，平均粒径为1~3毫米的铁屑15~20份，平均粒径为2~3毫米的石英砂45~60份，柱撑膨润土2~5份。
5.根据权利要求4所述的氯代烃污染地下水的复合介质PRB修复方法，其特征在于：所述柱撑膨润土为羟基铝柱撑膨润土。
6.根据权利要求1所述的氯代烃污染地下水的复合介质PRB修复方法，其特征在于：所述生物反应填料沿地下水流向分为三层结构，第一层填充有粗砂和微生物固定化泥炭，第二层填充有电气石和微生物固定化泥炭，第三层填充有珍珠岩和微生物固定化泥炭，各层之间的厚度比为2:1:3。
7.根据权利要求6所述的氯代烃污染地下水的复合介质PRB修复方法，其特征在于：所述第一层的填充物内粗砂与微生物固定化泥炭的体积比为4~3:2~1；所述第二层的填充物内电气石与微生物固定化泥炭的体积比为4~3:2~1；所述第二层的填充物内珍珠岩与微生物固定化泥炭的体积比为4~3:2~1。
8.根据权利要求1所述的氯代烃污染地下水的复合介质PRB修复方法，其特征在于：所述活性炭填料由包括如下重量份的原料混合而成，椰子壳活性炭6~10份、平均粒径为2~3毫米的石英砂28~36份、膨润土1~2份。
9.根据权利要求8所述的氯代烃污染地下水的复合介质PRB修复方法，其特征在于：所述活性炭填料内还混合有粉煤灰。
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