可渗透反应墙(PRB)技术综述

摘要：为促进PRB技术在国内的研究和发展，本文对PRB技术原理、结构类型及优缺点、应用材料及其原理、设计方案等进行阐述，为我国PRB技术的研究提供一些参考。

关键词：可渗透反应墙;PRB;地下水修复

中图分类号：X3 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2019）08-00-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2019.08.050

Review of permeable reactive wall （PRB） technology

Mei Ting

（Wuhan Zhihuiyuan Environmental Protection Technology Co.，Ltd.，Wuhan Hubei 430079，China）

Abstract：In order to promote the research and development of PRB technology in China， this paper expounds the PRB technology principle， structure type and advantages and disadvantages， applied materials and their principles and design schemes， and provides some references for the research of PRB technology in China.

Key words：Permeable reaction wall;PRB;Groundwater remediation

有色金属矿山开采产生大量矿山酸性水和重金属污染，尾矿中金属硫化物氧化所释放出金属元素，形成重金属酸水污染晕，危及矿区生态系统和尾矿坝体结构稳定性[1]，所以有必要找到一种可以有效处理矿山酸性废水的技术方法。

1982年由美国环保局提出可渗透反应墙技术，20世纪90年代初期得到了深入的研究，该项技术具有经济、便捷、处理效果好等优点[2]。

1 PRB的概念及基本原理

PRB技术的原理是在地下水流方向上填充活性材料，利用天然地下水力梯度使污染地下水优先通过渗透系数大于周围岩土体的透水格栅并与填充在内的活性反应介质相接触反应达到去除污染物的目的[3]。

2 介质材料

2.1 还原型材料

2.1.1 零价铁

Fe0可为卤代烃提供电子，还原卤代烃生成挥发性气体乙烷和可溶性氯化物。Fe0也可将铬酸根（CrO42–）还原六价铬至三价铬化合物沉淀。

1996年6月，美国北卡罗来纳州伊丽莎白城铬污染非常严重，研究人员使用450t铁屑进行充填安装了一个连续PRB使地下水通过后，上游铬的浓度由10mg/L降为0.01mg/L，污染的地下水成功被修复。铁（Ⅱ）矿物也可还原重金属离子等无机离子以单质或难溶性化合物沉淀去除;也可还原脱除卤素。

2.1.2 双金属

双金属是指在一种金属的表面上镀上第二种金属，采用具有活性差的金属作为PRB介质材料，用于处理地下水中的卤代烃等。Grittini等[7]研究证明铅/铁双金属系统可降解十分难降解的多氯联苯。另有国外学者研究了铅/铁双金属系统，研究表明铁表面的铅加速脱氯过程，反应速率可以比Fe0系统大10倍。随着反应进行，铁氧化膜降低催化剂钯的催化效率。

2.2 沉淀型材料

2.2.1 改性赤泥

改性赤泥含有铁铝的水合物、方钠石、氢氧化钙等碱性材料，pH值8.0～10.5，对多数金属离子有较好的沉淀作用。孙道兴等将赤泥经强碱浸出氧化铝后，控制变量搅拌1h，静置2h后研究对Pb2+、Cd2+、Cr3+等离子去除效果，在添加量为20g/L时，铅、铬、镉的吸附率分别达到了90%、94%、85%以上，离子初始质量浓度越大，吸附率越小。还有国内学者研究了采用焙烧和盐水焙烧得到两种赤泥，拥有更能提高酸性水pH值的能力，金属离子去除能力更强，盐水焙烧联合改性方法使得处理效果更稳定。

2.2.2 石灰石

石灰石与废水中氢离子反应，使得废水的pH升高。金属离子（Me）与OH-发生反应生成氢氧化物沉淀。但是如果地下水中硫酸盐的浓度较高是则不宜大量使用石灰石，因为生成的硫酸钙会覆盖在石灰石表面，导致石灰石失效。

2.2.3 炼钢炉渣

炉渣含有铁、钙、镁、铝元素的氧化物、硅酸盐以及硫和其他微量元素，同时其含有的石灰成分和硅铝酸盐可以作为缓冲剂使得地下水pH值升高到12～13，Franklin Obiri-Nyarko等[4]在室内试验使用炼钢炉渣进行试验，研究表明可以被用来处理地下水中的一些污染物。除此之外还使用过亚硫酸氢钠、硅铝酸盐、羟基磷灰石等沉淀型材料。

2.3 吸附型材料

2.3.1 活性炭

活性炭本身是一种很强的有机物吸附剂，对大分子的芳香烃、小分子腐殖質等有很高的吸附去除率。

李莉等通过对比实验发现，当零价铁和活性炭质量分数分别为40%、30%时，对六价铬的还原能力最强，除污效果非常明显。还有国内学者利用ORC（释氧化合物）、GAC（活性碳颗粒）和Fe0联合起来使用。该技术的优势在于能使温度、压力和二氧化碳的浓度保持一定的稳定性，不易形成沉淀，可防止“生物堵塞”。

2.3.2 沸石

沸石是一种铝硅酸盐矿物，沸石表面孔隙结构允许用于选择性吸附污染物，但不适合吸附有机化合物。

A.Z.WOINARSKI等人在南极洲重金属污染水域发现具有Cu2+交换特性的天然斜发沸石在2～22℃可促进PRB修复重金属。根据一维质量转换模型的非平衡吸附Cu2+固定床反应流显示，质量转换与流量无关，但传质系数随流速增加而增大。在相同的批试验中固定床内斜发沸石容量约为固定床的50%，传质系数在2～8倍之间。低温下固定床性能明显降低，在2℃时，其突破点和饱和容量比28℃要小60%～65%，低温对天然沸石处理重金属产生不利影响。

2.4 降解型材料

2.4.1 厌氧型生物降解材料

生物反应墙主要采用覆盖堆肥的方法将固态有机质混合堆放使之发酵培育厌氧微生物还原处理污染物，达到降解污染物的目的。树叶、木材废料和堆肥等廉价材料已经被用于从地下水中去除硝酸盐。Robertson等研究了沙粒和木屑混合物对硝酸盐的长期去除率。

2.4.2 曝气型生物降解材料

CaO2、MgO2等固体氧和硝酸盐释放化合物（ORC）在地下释放氧气或形成有氧活跃带。曾有国外学者利用水泥浸渍ORC作为氧的来源来去除苯和甲苯。Mackay 等人还在范登堡空军基地和惠尼梅港海军建设营中心兩个地点对使用PRB的甲基叔丁基醚（MTBE）原位有氧生物处理进行评估。研究结果表明，引入氧气刺激两个位点的微生物，可使MTBE完全降解。

3 PRB的设计

3.1 设计原则

墙体渗透系数应大于含水层的渗透系数，以最大限度降低对地下水流场的影响;根据污染物类型，通过室内试验确定合适的介质材料、墙体规模和方位，以保证修复效果;设置监测井监控PRB的性能，保证其长期安全运行和降低当地生态环境的不良影响。

3.2 设计参数

PRB主要的设计参数包括PRB安装位置的选择、结构的选择、埋深、规模、水力停留时间、方位、反应墙的渗透系数、活性材料的选择及其配比。根据这些参数计算确定PRB的结构、安装位置、方位及尺寸、使用期限、监测方案，并估算总投资费用。

4 技术经济性

同其他地下水修复技术相比，PRB技术具有效率高、造价低的特点。根据污染物种类、介质材料、设计规模和使用寿命不同，造价一般在几万到几百万美元不等。

5 结语

（1）主要介质材料的选取和试验分析其效果、影响因素、配比等研究仍处于初级阶段，研究经费占比较低。目前研究多为参考国外案例经验为主，缺乏材料的自主研发。

（2）目前研究仍大范围局限于室内试验，现场试验案例仍然较少，同时缺乏对前期场地的调研和PRB技术结构设计方面的经验，缺少现场试验的经验参数和同步研究，还应考虑前期勘察、结构、运行监测等方面的因素。

（3）环境修复成本较高，PRB技术研发缺乏相应的融资途径和资金来源。目前亟待解决技术研发的资金成本问题。

参考文献

[1]束善治，袁勇.污染地下水原位处理方法：可渗透反应墙[J].环境污染治理技术与设备，2002（01）：47-51.

[2]Franz-Georg Simon， Tamás Meggyes， Removal of organic and inorganic pollutants from groundwater using permeable reactive barriers[J].Land Contamination & Reclamation， Vol.8，Issue2，103-116（2000）.

[3]USEPA. Washington， DC： EPA， 1998.

[4]Franklin Obiri-Nyarko， S，etal.An overview of permeable reactive barriers for in situ sustainable groundwater remediation[J].Chemosphere， 2014（111）：243-259.

收稿日期：2019-03-21

作者简介：梅婷（1992-），女，汉族，硕士，技术员，研究方向为环境修复、环境调查与评估、环境规划等。