1 引言
我國(guó)北方是以地下水作為主要飲用水源和工農(nóng)業(yè)用水的地區(qū)，但近年來該地區(qū)尤其是大中城市及周邊的淺層地下水污染問題突出，嚴(yán)重制約了工農(nóng)業(yè)發(fā)展和危害人體健康(陳德華等，2008).NH4+-N歷來是地下水中的主要污染物.通過對(duì)松嫩平原的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)施用大量的化肥導(dǎo)致了大部分地下水中NH4+-N、亞硝酸鹽氮(NO-2-N)超標(biāo)(王長(zhǎng)琪等，2014);對(duì)于華北平原而言，在典型剖面上，29%的地下水樣NH4+-N均已超過地下水Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，14%的地下水樣NH4+-N超過Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)(萬長(zhǎng)園等，2014).沈陽(yáng)市是以傍河型地下水源為主的城市，地下水供水量占到供水總量的2/3.傍河取水管井一般布設(shè)于渾河、遼河沿岸，但由于兩側(cè)工廠污染源的排放，導(dǎo)致河水NH4+-N濃度較高，加之沿岸地質(zhì)和水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)利于河水補(bǔ)給地下水，導(dǎo)致地下水中NH4+-N污染嚴(yán)重(楊維等，2007).
滲透反應(yīng)格柵(Permeable Reactive Barrier，PRB)是一種常用的地下水原位修復(fù)技術(shù)(王業(yè)耀等，2004).其中，采用沸石構(gòu)建的PRB因?qū)H4+-N具有優(yōu)先選擇交換、再生容易和運(yùn)行成本低及溫度適用范圍廣等特點(diǎn)，被廣泛運(yùn)用于地下水修復(fù).此外，沸石的吸附作用與微生物的硝化作用聯(lián)用也得到了學(xué)者們的關(guān)注，沸石可以為微生物提供附著場(chǎng)所，微生物可以將沸石吸附的NH4+-N降解，二者又可以與PRB技術(shù)相結(jié)合，并在室內(nèi)研究中證明了其可行性.
PRB的設(shè)計(jì)除依據(jù)目標(biāo)污染物的污染羽特征之外，還要與修復(fù)場(chǎng)地的水文地質(zhì)特征相結(jié)合.一般來說，PRB構(gòu)建深度一般在地面以下不超過30 m.針對(duì)更大深度的地下水污染羽，PRB的適用性尚不明確.同時(shí)，受我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和其他技術(shù)條件的制約，國(guó)內(nèi)PRB基本以室內(nèi)研究為主，而工程應(yīng)用性研究較少(侯國(guó)華，2014)，致使PRB在調(diào)查設(shè)計(jì)及施工方面可以借鑒的經(jīng)驗(yàn)有限.
本文針對(duì)沈陽(yáng)市地下飲用水源水中NH4+-N問題，通過現(xiàn)場(chǎng)踏勘、結(jié)合室內(nèi)實(shí)驗(yàn)等手段，查清了研究區(qū)水文地質(zhì)和水質(zhì)特征，獲取了PRB設(shè)計(jì)參數(shù)(包括介質(zhì)的最大吸附量、滲透系數(shù)、介質(zhì)復(fù)配方案、設(shè)計(jì)方案、格柵厚度等)，提出了PRB構(gòu)建思路，構(gòu)建了示范工程尺度的PRB，以期為實(shí)際場(chǎng)地的PRB設(shè)計(jì)與構(gòu)建提供理論依據(jù)和技術(shù)支持.
2 研究區(qū)概況
研究區(qū)是位于渾河中下游的一個(gè)傍河型地下水源地，面積約36 km2，分布有約60口水源井，其中，15#水源井為目標(biāo)井，水源井保護(hù)區(qū)范圍距離渾河150~200 m.該區(qū)屬于遼河平原東北渾河沖洪積扇地，沖洪積扇第四紀(jì)地層發(fā)育齊全，主要由下更新統(tǒng)冰水沉積層、上更新統(tǒng)沖洪積、坡洪積層、全新統(tǒng)沖積、沖洪積層等地層構(gòu)成，厚度由東向西逐漸變厚，總趨勢(shì)為由東北向西南逐漸降低，坡降0.75%，地面高程平均為海拔45~50 m.東部上緣寬9 km，高程60 m;扇面下緣寬28 km，高程30 m;扇東西長(zhǎng)40 km.
2.1 究區(qū)地下水補(bǔ)給、徑流和排泄條件
研究區(qū)地下水主要補(bǔ)給來源是大氣降雨入滲、渾河入滲和地下側(cè)向徑流.大氣降雨入滲補(bǔ)給多集中在每年的7、8、9月份，多年平均降雨量多在650 mm左右;地下水位低于渾河水位，渾河水常年通過垂向和側(cè)向入滲補(bǔ)給潛水含水層;地下水基本上呈北東至南西方向流動(dòng)，水力坡度逐漸減小，該區(qū)地下水在接受來自東南、東北、西北邊界地區(qū)地下水的匯流后，向南西邊界地區(qū)徑流排泄.
研究區(qū)地下水主要排泄方式是人工開采，其中，工業(yè)開采常年連續(xù)穩(wěn)定且開采量大，用于供給工業(yè)用水及城鎮(zhèn)居民生活用水;農(nóng)業(yè)用水開采量并不大.人類大量開采地下水導(dǎo)致區(qū)內(nèi)地下水位埋深很大(10~11 m)，進(jìn)而地下水蒸發(fā)排泄降至很小甚至可以忽略.側(cè)向徑流排泄較弱，有時(shí)甚至變?yōu)閭?cè)向補(bǔ)給.
2.2 研究區(qū)水文地質(zhì)條件
研究區(qū)位于渾河中下游高漫灘及一級(jí)階地，地層巖性結(jié)構(gòu)特征相對(duì)比較簡(jiǎn)單，除表層分布有4 m左右的亞砂土和壤土外，巖層巖性為中粗砂及粗砂夾卵礫石，卵礫石含量及粒徑隨著距河流距離的增加而減少.在粗砂夾卵礫石的巖層中有不連續(xù)的粘土層分布，靠近渾河處厚度1~2 m，隨著距渾河距離的增加，厚度可增加至5 m.
研究區(qū)地下40 m處有粘土層且連續(xù)分布，區(qū)內(nèi)的淺層地下水賦存于第四系全新統(tǒng)孔隙潛水含水層和承壓水含水層.潛水含水層埋深約10~12 m，底板位于埋深40 m處，含水層有效厚度30 m，下伏有粘土和淤泥質(zhì)粘土構(gòu)成的弱透水層，厚度4~6 m(圖 1).該潛水含水層主要受渾河補(bǔ)給，是NH4+-N超標(biāo)的主要含水層.
?圖 1 研究區(qū)水文地質(zhì)剖面圖
抽水試驗(yàn)和高密度電法物探結(jié)果表明：研究區(qū)的滲透系數(shù)平均為60~80 m · d-1;地表水對(duì)地下水的補(bǔ)給主要以底部滲漏為主，基本不存在側(cè)向補(bǔ)給.天然條件下河水首先補(bǔ)給第一含水層，部分水會(huì)通過天窗繼續(xù)補(bǔ)給第二含水層，隨著地下水開采量的增加，在第一粘土層和第二粘土層之間存在越流補(bǔ)給.
2.3 研究區(qū)地下水NH4+-N污染特征
河水和地下水樣品檢測(cè)結(jié)果表明，受季節(jié)因素和上游污染物濃度變化的影響，渾河中NH4+-N濃度變化較為明顯，枯水期(3月)，河水中的NH4+-N濃度較高(7~10 mg · L-1)，導(dǎo)致研究區(qū)15#水源井地區(qū)NH4+-N濃度較高(>2 mg · L-1);豐水期(6月)和平水期(9月)，河水中NH4+-N濃度均較低(<4 mg · L-1)，但研究區(qū)15#水源井(150~200 m)NH4+-N濃度依然在2 mg · L-1以上(圖 2).產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是枯水期殘存在含水層中的NH4+-N解吸所致.可見，渾河是研究區(qū)NH4+-N污染的主要來源，其污染分布特征是由渾河始，沿渾河逐步向外部地下含水層擴(kuò)散.
?圖 2 研究區(qū)NH4+-N分布圖
3 PRB設(shè)計(jì)參數(shù)的獲取
3.1 反應(yīng)介質(zhì)對(duì)NH4+-N的吸附特征
熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)：向去離子水中投加NH4Cl配置的10組不同濃度的NH4+-N溶液(20、50、100、150、200、250、300、350、400和500 mg · L-1).向聚乙烯瓶中投加1 g粒徑為0.9~2.0 mm的沸石和100 mL不同質(zhì)量濃度的溶液，置入SHZ-03水浴振蕩器中，轉(zhuǎn)速設(shè)定為150 r · min-1，反應(yīng)溫度設(shè)定為25 ℃，反應(yīng)時(shí)間設(shè)定為24 h，每組設(shè)置3個(gè)平行樣.反應(yīng)結(jié)束后，迅速將溶液放入離心管中，4000 r · min-1離心后取上清液進(jìn)行測(cè)試.
動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)：向聚乙烯瓶中投加1g粒徑分別為0.9~2.0 mm和3.3~4.0 mm的沸石和100 mL NH4+-N濃度為500 mg · L-1和50 mg · L-1的溶液，置入H2Q-C空氣浴振蕩器中，反應(yīng)溫度設(shè)定為25 ℃，振蕩轉(zhuǎn)速設(shè)定為150 r · min-1.反應(yīng)時(shí)間依次為0、5、10、20、30、60、120、300、540和1440 min，每組設(shè)置3個(gè)平行樣.反應(yīng)結(jié)束后，迅速將溶液放入離心管中，4000 r · min-1離心后取上清液進(jìn)行測(cè)試.
通過熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型的擬合可以看出，法庫(kù)天然沸石對(duì)NH4+-N的吸附過程符合Langmuir方程， R2達(dá)到0.973，最大吸附量qm=10.41 mg · g-1(圖 3a).由Freundlich方程擬合發(fā)現(xiàn)，吸附速率常數(shù)k=1.804，N=0.311，表明NH4+-N易于被沸石吸附.當(dāng)液相NH4+-N濃度小于100 mg · L-1時(shí)，沸石吸附量增加較快，隨著NH4+-N濃度的增加，沸石吸附量的增加速率變得平緩，這是因?yàn)榉惺砻娴奈近c(diǎn)位逐漸達(dá)到飽和(張英，2012).
?圖 3 法庫(kù)天然沸石對(duì)NH4+-N的等溫吸附線(a，25℃)和吸附動(dòng)力學(xué)(b，準(zhǔn)二級(jí)模型)?
動(dòng)力學(xué)參數(shù)擬合發(fā)現(xiàn)，粒徑0.9~2.0 mm的沸石較粒徑3.3~4.0 mm的沸石吸附速率明顯較快(圖 3b)，可知表面粒徑越小的沸石對(duì)NH4+-N的吸附速率越快.沸石粒徑越小，沸石單位面積可供交換的離子越多，從而增加了對(duì)NH4+-N的吸附能力(張暉，2005;徐電波，2013)，同時(shí)，還可以發(fā)現(xiàn)沸石對(duì)NH4+-N是一個(gè)“快速吸附，緩慢平衡”的過程.總的來看，沸石可以有效快速地去除地下水中NH4+-N，且吸附量較大.
3.2 反應(yīng)介質(zhì)滲透系數(shù)的獲取
一般來說，含水層滲透系數(shù)(Ka)在1~5 m · d-1之間時(shí)，反應(yīng)介質(zhì)滲透系數(shù)(Kp)對(duì)溶質(zhì)運(yùn)移總量影響不大，當(dāng)Kp/Ka≥10時(shí)，增加Kp對(duì)促進(jìn)溶質(zhì)運(yùn)移作用較小(牛少鳳等，2009).PRB截獲寬度在Ka一定時(shí)隨著Kp增加而增加，但當(dāng)Kp/Ka大于10時(shí)，相對(duì)截獲區(qū)寬度變化基本不大(Liu et al., 2011; 嚴(yán)建偉，2013)，同時(shí)當(dāng)Kp/Ka大于10時(shí)，由沉淀或者其他原因?qū)е翶p減少不會(huì)引起截獲寬度的大量減小.因此，只要保證Kp/Ka≥10，PRB能夠避免沉淀對(duì)截獲寬度的影響.
對(duì)法庫(kù)沸石(3~5 mm)進(jìn)行了達(dá)西實(shí)驗(yàn)，利用達(dá)西定律，計(jì)算出理想條件下該沸石的滲透系數(shù)為Kp =0.009 m · s-1=777.6 m · d-1，而場(chǎng)地含水層介質(zhì)Ka=80 m · d-1.可見，Kp/Ka基本約等于10，表明3~5 mm分選性較好的沸石顆粒完全能夠滿足PRB設(shè)計(jì)中對(duì)反應(yīng)介質(zhì)滲透系數(shù)的要求.
3.3 介質(zhì)復(fù)配方案比選
本次研究設(shè)計(jì)了6根實(shí)驗(yàn)柱，污染物采用地下水配制，至上而下進(jìn)水方式，提出了5種介質(zhì)復(fù)配方 案(表 1)：柱1(PRB1)：模擬天然條件下含水層的自凈能力;柱2(PRB2)：考察依靠天然斜發(fā)沸石的吸附作用去除地下水中NH4+-N;柱3(PRB3)：釋氧材料(ORC)，用于釋放氧氣;沸石，利用沸石的吸附作用和生物硝作用實(shí)現(xiàn)NH4+-N的去除;柱4(PRB4)：NH4+-N去除機(jī)理與PRB 3相似，但陶粒比沸石更利于微生物附著;柱5(PRB5)：陶粒與沸石混合，去除機(jī)理與PRB 3類似;柱6(PRB6)：去除機(jī)理及效果與PRB 3類似，鐵顆粒主要用于將硝化作用生成的硝酸鹽氮(NO3--N)還原.
表 1 柱實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
?
圖 4 不同PRB柱實(shí)驗(yàn)NH4+-N和NO3--N的濃度變化?
NH4+-N在柱實(shí)驗(yàn)中的去除涉及兩種作用，一種是沸石的離子交換性能，另外一種是硝化細(xì)菌的硝化作用，具體如下.
離子交換反應(yīng)：
硝化細(xì)菌硝化反應(yīng)：
柱實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在PRB 1中，依靠天然河沙的自凈作用，NH4+-N去除效率最高只有40%，出水NH4+-N濃度依然較高(5.7~9.7 mg · L-1)，達(dá)不到有效去除NH4+-N的目的.在PRB 2中，NH4+-N的去除率高達(dá)99%，出水NH4+-N濃度較低(<0.02 mg · L-1)，但沸石對(duì)NH4+-N的吸附只是將其從液相轉(zhuǎn)移到固相，存在吸附飽和問題，并未將其徹底去除.
在PRB3中，NH4+-N在沸石的吸附作用和微生物作用下迅速被去除，微生物作用使NH4+-N部分轉(zhuǎn)化為NO3--N，可以延長(zhǎng)沸石使用壽命和促進(jìn)沸石的生物再生.PRB 3對(duì)NH4+-N的去除率高達(dá)99%，NO3--N生成量在2.1～19.7 mg · L-1之間變化.
在PRB4和PRB5中，其NH4+-N去除機(jī)理和效果與PRB 3類似，PRB 3中，NO3--N生成量在2.1~19.7 mg · L-1之間，PRB 4和PRB 5中，NO3--N生成量分別在2.4~27.6 mg · L-1和3.1~18.6 mg · L-1之間.更重要的是，在PRB 4和PRB 5中，NO3--N在出水中隨時(shí)間的變化規(guī)律可以看出，相對(duì)于PRB 3而言，PRB4和PRB5中NO3--N的積累更穩(wěn)定，因此可以推測(cè)，陶粒的掛膜效果較沸石稍好一些，陶粒、沸石均勻混填的復(fù)配方式能更好地利用沸石的吸附特性和微生物在陶粒上的易掛膜性，使PRB4和PRB5獲得的硝化作用更強(qiáng)烈，NO3--N積累更穩(wěn)定，硝化作用對(duì)NH4+-N去除的貢獻(xiàn)量更大.
在PRB6中，生成的NO3--N(4~20.6 mg · L-1)部分被鐵還原(其主要產(chǎn)物為NH4+-N 2.0~9.5 mg · L-1)，部分被反硝化為氮?dú)?<8 mg · L-1)，導(dǎo)致出水NH4+-N濃度較高(>2.0 mg · L-1)，達(dá)不到高效去除NH4+-N的目的.
綜上所述，PRB1、PRB6不能實(shí)現(xiàn)NH4+-N的有效去除，PRB2、PRB3、PRB4及PRB5對(duì)NH4+-N去除效果明顯(去除率>99%).但PRB 2存在沸石吸附飽和問題，PRB 3 能解決沸石吸附飽和的問題且造價(jià)低廉，PRB 4及PRB 5使用的陶粒價(jià)格昂貴，但對(duì)生物硝化的增強(qiáng)作用并不特別明顯.沸石的購(gòu)買價(jià)格為120元 · t-1，陶粒為1000元 · t-1，綜合考慮成本、運(yùn)行效果及壽命等各方面因素影響，PRB3的工程應(yīng)用價(jià)值最高，因此，建議工程示范中采用ORC+沸石分層填充的復(fù)配方式.
3.4 PRB設(shè)計(jì)方案的選擇
基于研究區(qū)條件，設(shè)計(jì)PRB長(zhǎng)15 m左右、深40 m、在下游抽水井(距離PRB 1 m位置)抽水量(Q)120 m3 · d-1的情況下PRB應(yīng)能夠獲得最大水力截獲面積，使得進(jìn)入抽水井的水都能得到處理.利用 Visual Modflow中的 particle-tracking 程序包，對(duì)地下水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)移軌跡進(jìn)行了計(jì)算，不同的PRB構(gòu)建方案模擬效果如圖 5和圖 6所示.
?圖 5 直線型PRB截獲區(qū)(a，直線部分15 m)、30°連續(xù)PRB截獲區(qū)(b，PRB直線部分6.25 m，弧部分2×4.5 m)、 45°連續(xù)PRB截獲區(qū)(c，PRB直線部分6.25 m，弧部分2×4.5 m)、 60°連續(xù)PRB截獲區(qū)(d，直線部分6.25 m，弧部分2×4.5 m)效果模擬(圖中垂直方向的線表示地下水等水位線(單位：m)，水平箭頭方向表示地下水流向)?
?
圖 6 場(chǎng)地PRB工程位置及結(jié)構(gòu)圖?
通過對(duì)以上PRB構(gòu)建方案進(jìn)行對(duì)比(圖 5)，由于場(chǎng)地受抽水的影響，帶有一定弧度的PRB在同等長(zhǎng)度(15 m)下能夠獲取相對(duì)較大的截獲寬度，保證目標(biāo)井的水質(zhì)安全.并且不同角度之間，當(dāng)PRB平行于擬建位置的等水位線時(shí)，處理效果會(huì)更好.綜合考慮場(chǎng)地的水文地質(zhì)條件、水力條件、施工條件及處理效果，45°弧度的連續(xù)型PRB方案更具優(yōu)勢(shì)(圖 5c).
3.5 PRB厚度的選擇
實(shí)驗(yàn)條件下獲得NH4+-N在沸石中運(yùn)移的遲滯因子(R)為283.147，在抽水條件下(Q=120 m3 · d-1)PRB處地下水流速V0約為0.63 m · d-1，NH4+-N通過反應(yīng)介質(zhì)的運(yùn)移速度V=V0/R，約為0.0022 m · d-1.NH4+-N的微生物降解半衰期約為1 d，假設(shè)初始濃度為10 mg · L-1的NH4+-N在生物作用下能夠完全轉(zhuǎn)化為NO3--N，則到目標(biāo)濃度0.5 mg · L-1以下需經(jīng)過5個(gè)半衰期，因此，單獨(dú)依靠生物轉(zhuǎn)化去除NH4+-N的時(shí)間為5 d.
在保證被反應(yīng)介質(zhì)吸附的NH4+-N能夠完全被生物去除所需的時(shí)間條件下，可得PRB的厚度B=0.0022 m · d-1×5 d≈0.011 m.考慮到實(shí)際運(yùn)行過程中的水質(zhì)波動(dòng)及其他環(huán)境條件變化對(duì)微生物的影響，選取安全因子為3.0，因此，示范工程應(yīng)保證PRB厚度不小于0.033 m.
考慮到PRB運(yùn)行壽命及冬季微生物活性降低的情況，設(shè)計(jì)PRB運(yùn)行年限(T)為10年，根據(jù)含水層特點(diǎn)，PRB有效深度(H)需為30 m，擬設(shè)計(jì)PRB長(zhǎng)度(L)為15 m，沸石密度(ρ)為1.70 kg · m-3，孔隙度(n)為0.4，研究區(qū)抽水量為120 m3 · d-1，地下水全部通過PRB進(jìn)入抽水井，可得PRB日處理水量(Q)為120 m3，NH4+-N濃度(C0)為10 mg · L-1，沸石飽和吸附量(qmax)為4.74 mg · g-1(供應(yīng)商提供，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)中得到的值遠(yuǎn)大于此).假設(shè)水體中75%的NH4+-N可依靠硝化作用而被轉(zhuǎn)化為NO3--N去除(參照中試柱實(shí)驗(yàn)結(jié)果)，其余25%完全依靠沸石進(jìn)行吸附.
連續(xù)運(yùn)行10年通過沸石吸附的NH4+-N總量q(NH4+-N)=q×T×365×C0×25%=1095 kg(以氮計(jì));所需沸石總量G(沸石)=Q(NH4+-N)/qmax(沸石)=231.1 t;所需沸石體積V(沸石)=G(沸石)/ρ(沸石)=135.89 m3;考慮孔隙體積后PRB總體積V(總)=V(沸石)/(1-n)=226.48 m3;PRB厚度B=V(總)/(H×L)=0.50 m.
以PRB正常運(yùn)行10年為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，示范工程PRB厚度應(yīng)為0.50 m.考慮到實(shí)際條件的復(fù)雜性，示范工程選取PRB厚度為1 m，并保證PRB最小有效厚度不小于0.6 m.
4 PRB示范工程的構(gòu)建
4.1 PRB示范工程構(gòu)建方案
根據(jù)實(shí)際場(chǎng)地條件構(gòu)建的PRB系統(tǒng)由反應(yīng)系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成(圖 6)，其中，反應(yīng)系統(tǒng)由吸附-生物PRB構(gòu)成(15 m×1 m×40 m)，內(nèi)填沸石(粒徑3~5 mm).監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由PRB內(nèi)部監(jiān)測(cè)井(M1~M10)，前部監(jiān)測(cè)井(F1~F4)和后部監(jiān)測(cè)井(B1~B5)構(gòu)成，單井內(nèi)徑200 mm、深40 m(圖 7).PRB示范工程(4.5 m+6.25 m+4.5 m)為兩個(gè)邊翼呈45°向目標(biāo)井P1彎曲，以便能夠最大截獲進(jìn)入P1井的上游來水.
為了便于添加ORC，通過ORC與地下水接觸釋放氧氣增加反應(yīng)系統(tǒng)中的溶解氧，增強(qiáng)生物硝化反應(yīng)，進(jìn)而達(dá)到生物氧化NH4+-N的目的，在PRB系統(tǒng)上游3 m處設(shè)置了5口釋氧井，平行于PRB 1行5列布置，井徑400 mm，在埋深14~35 m處為氧氣釋放部位.當(dāng)?shù)叵滤蠳H4+-N含量較低時(shí)，ORC可以暫不放入.
值得注意的是，為了防止受污染的地下水從PRB底部繞流，PRB垂直安裝于地下40 m的潛水含水層隔水底板上.
??圖 7 2012年示范工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(渾河和監(jiān)測(cè)井之間的距離是150 m，PRB距離監(jiān)測(cè)井的距離分別是1 m和3 m)?
4.2 PRB示范工程構(gòu)建
針對(duì)研究區(qū)含水層厚度大、地下水埋藏深、含水層介質(zhì)滲透系數(shù)大的特點(diǎn)，PRB示范工程采用了高壓旋噴水泥帷幕固定包氣帶，結(jié)合深層連續(xù)鉆探的反應(yīng)墻構(gòu)筑技術(shù)及井填式的反應(yīng)介質(zhì)安裝技術(shù)，突破了PRB技術(shù)應(yīng)用構(gòu)建不超過30 m的極限，解決了一般反應(yīng)墻可能存在的不連續(xù)性問題.
高壓旋噴水泥帷幕技術(shù)主要用于解決在施工過程中包氣帶松散巖層的坍塌問題，通過水泥帷幕將研究區(qū)含沙較多的松散巖層固定，避免在施工挖掘過程中出現(xiàn)巖層坍塌堵塞鉆孔.深層連續(xù)鉆探技術(shù)采用大型旋挖機(jī)進(jìn)行PRB的構(gòu)建，以解決大深度PRB的連續(xù)施工問題.
5 PRB的運(yùn)行效果
為便于對(duì)PRB示范工程修復(fù)效果及有效性進(jìn)行評(píng)估，通過監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)PRB的上下游及內(nèi)部的地下水污染變化特征進(jìn)行監(jiān)測(cè)，評(píng)估PRB的修復(fù)效果及對(duì)場(chǎng)地地球化學(xué)條件的影響.地下水主要監(jiān)測(cè)指標(biāo)包括pH、Eh、DO、堿度、三氮、TDS及主要的陰陽(yáng)離子.除了每月定期監(jiān)測(cè)這些指標(biāo)外，為了增加數(shù)據(jù)的可靠性及準(zhǔn)確度，臨時(shí)增加PRB附近其他采樣點(diǎn)的樣品采集測(cè)試分析.
PRB 反應(yīng)介質(zhì)主要是天然沸石，其對(duì)NH4+-N的去除依靠沸石的吸附作用和附著在沸石表面的微生物的硝化作用共同實(shí)現(xiàn).基于柱實(shí)驗(yàn)PRB 3的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，PRB示范工程是ORC安置在PRB前部，沸石填充于PRB后部，二者有機(jī)結(jié)合，共同實(shí)現(xiàn)NH4+-N的去除.為考察天然條件下地下含水層中微生物活性強(qiáng)弱，ORC暫不加入到PRB中.
依靠沸石的吸附作用和天然條件下的微生物活動(dòng)，在地下水流速0.63 m · d-1左右和進(jìn)水NH4+-N濃度波動(dòng)的情況下，PRB示范工程保持著較高的NH4+-N去除效率.因抽水井取水深度在25 m處，PRB示范工程N(yùn)H4+-N取樣點(diǎn)選擇在25 m處.因取樣點(diǎn)在第二含水層，NH4+-N進(jìn)水濃度比潛水含水層較低，進(jìn)水濃度在0.08~2.73 mg · L-1間波動(dòng)，經(jīng)過PRB處理后，出水NH4+-N濃度均0.5 mg · L-1的限值要求(地下水四類水標(biāo)準(zhǔn))(圖 7).
同時(shí)，格柵出水中NO3--N和NO-2-N也發(fā)生了相應(yīng)的變化(圖 7).總體來說，NO3--N濃度略有升高，NO-2-N濃度逐漸降低，據(jù)此推測(cè)在PRB內(nèi)略微發(fā)生了生物硝化作用.可見，PRB示范工程初步實(shí)現(xiàn)了沸石吸附和微生物硝化的耦合.另外，可以推測(cè)，日后添加ORC材料會(huì)增強(qiáng)生物硝化能力.具體參見 污水處理技術(shù)資料或污水技術(shù)資料更多相關(guān)技術(shù)文檔。
6 結(jié)論
在研究區(qū)調(diào)查的基礎(chǔ)上，結(jié)合室內(nèi)批試驗(yàn)及柱實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，通過工程措施，成功突破了大深度PRB的構(gòu)建限制，實(shí)現(xiàn)了在較復(fù)雜含水層中PRB的設(shè)計(jì)、構(gòu)建和應(yīng)用.帶有一定弧度的PRB設(shè)計(jì)，能更有效的實(shí)現(xiàn)地下水截獲，保護(hù)水源井.沸石的吸附作用結(jié)合微生物的硝化作用在實(shí)際地下水氨氮修復(fù)中的應(yīng)用是可行的，能保證PRB氨氮出水濃度低于0.5 mg · L-1，且硝酸鹽氮和亞硝酸鹽出水濃度符合地下水三類水標(biāo)準(zhǔn).
