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PRB概念

可滲透反應墻(permeable reactive barrier，PRB)(圖1)是近年來新興起來的用于原位去除地下水及土壤中污染組分的方法。美國環保署(USEPA)1998年發行的《污染物修復的PRB技術》手冊將PRB定義為：在地下安置活性材料墻體以便攔截污染羽狀體，使污染羽狀體通過反應介質后，其污染物能轉化為環境接受的另一種形式，從而實現使污染物濃度達到環境標準的目標。

圖1可滲透反應墻技術

PRB技術原理

實際上，污染組分是通過天然或人工的水力梯度被運送到經過精心放置的處理介質中，污染物與介質發生物理、化學或生物作用，如降解、吸附、淋濾、或者去除溶解的有機質、金屬、放射性以及其他的污染物質，從而得到清潔的地下水。墻體可能包含一些反應物用于降解揮發的有機質，螯合劑用于滯留重金屬，營養及氧氣用于提高微生物的生物降解作用，以及其他組分。

PRB組成和結構

PRB主要由透水反應介質組成，通常置于地下水污染羽狀體的下游，與地下水流相垂直(圖 2)。

圖 2 PRB系統示意圖

根據其結構形式，PRB主要分為2類:連續墻式PRB(圖3A)、隔水漏斗-導水門式PRB(圖3B)。

連續墻式PRB。當地下水污染羽狀體影響范圍較小時，將可滲透反應墻體放置于垂直于污染羽狀體遷移途徑的位置，墻體的寬度及高度要保證整個污染羽狀體都能通過，墻體的厚度必須保證污染物通過活性材料處理后其濃度能達到規定的環境標準。連續墻式PRB結構比較簡單,且不改變地下水的自然流向。

圖3 PRB結構類型

隔水漏斗-導水門式PRB。由隔水漏斗、導水門及活性材料組成，用于潛水埋藏淺的大型地下水污染羽狀體。隔水漏斗由封閉的片樁或泥漿墻組成，并嵌入到隔水層中，引導或匯集地下水流進入導水門，通過活性材料進行處理。隔水漏斗嵌入到隔水層中，以防止污染羽狀體通過滲流進入下游未污染區。在設計時，要充分考慮污染羽狀體的規模流向以便確定隔水漏斗與導水門的傾角，使污染羽狀體不至于從旁邊迂回流出。

在一些情況下，污染地下水羽位于含水層的上部，如污染源為包氣帶中的LNAPL(light non-aqueous phase liquids)或揮發性液體，那么系統只需截斷羽體即可。但是在另一些情況下，如果污染地下水羽穿透整個含水層，諸如DNAPL(dense non-aqueous phase liquids)污染情形，那么原位反應墻和漏斗-通道系統也必須穿過該含水層。在一些特殊情況，DNAPL穿過含水層，進入粘土層。由于粘土中發育很多裂隙，使得DNAPL穿過粘土層，繼續向下遷移。采用垂直反應墻就無法截斷污染源羽流，使得垂直反應墻失效。因此，針對這種情況，采用所謂的水平墻就顯得更加有效。如圖4所示，在污染羽流前端，裂隙粘土層中，采用水壓致裂法，修建一水平方向的可滲透反應墻，通過該反應墻的滯留、降解、吸附等過程以達到治理污染的目的。

圖4典型的垂直可滲透反應墻系統

PRB反應介質（活性材料）

PRB 活性材料選取PRB反應材料要適合地下環境，在反應材料和污染物反應時，不會發生有害化學反應或產生副產品;反應材料在反應中穩定，不易溶解或消耗;選擇的材料不應有過小的粒徑，以防止地下水流有過長的水力停留時間，也不應由不同粒徑的顆粒組成，以防止堵塞粒間空隙;其滲透系數要是含水層滲透系數的2倍以上甚至更多，在含水層滲透系數較好的地區，如果活性材料的滲透系數與含水層滲透系數的比值過高，會影響到活性材料的穩定性;在含水層滲透系數較差的地區，如果活性材料的滲透系數與含水層滲透系數的比值過低，則由于反應后的沉淀物又富集在反應墻的表面，又可造成地下水的滯留現象。

反應材料最常見的是零價鐵，因其能有效吸附和降解多種重金屬和有機物(如PCE和DCE)，容易取材、價格便宜，得到了廣泛的重視和實際運用。其他還有活性炭、沸石、石灰石、離子交換樹脂、鐵的氧化物和氫氧化物、磷酸鹽以及有機材料(城市堆肥、木屑)等。實驗證明，反應材料對地下水中COD及氨氮有明顯的去除效果，陶土和粉煤灰對COD的去除效果最好，活性炭對COD的去除效果穩定，沸石對氨氮的去除效果最好，去除率可持續達到90% 以上，粉煤灰和陶土對氨氮的去除率持續保持在 30%～50%，活性炭對氨氮的去除效果最差。在實際修復過程中，可將各種反應材料按比例混合，去除效果會更好。

PRB優缺點

相對于傳統方法，PRB法具有持續原位處理污染物(5～10a)、處理多種污染物(如重金屬、有機物等)、擾動小、處理效果好、安裝施工方便、性價比相對較高等優點。

PRB技術也有一定技術限制，如地下反應墻介質容量有限，不可能無限制地對污染物進行去除，所以需要定期的更換活性物質，以保證處理效率。而更換下來的活性材料需作為有害廢棄物加以處置。對于高濃度的污染物，也需要考慮污染物的去除能量和容量，有時會縮短PRB的使用壽命。此外，反應介質中的作用有可能導致物質的沉淀，使地下水在反應墻和其附近的流場發生變化，反應介質的堵塞可以導致PRB的失效。

應用實例

目前，在歐美一些發達國家，已對其進行了大量的試驗及工程技術研究，并已開始投入商業應用，取得了不錯的效果，從1982年至今，歐美國家已經建立了120座以上的PRB，而在我國仍處于實驗摸索階段。1996年在美國Elizabeth地區的東南部安裝了一個連續墻式Fe⁰-PRB，污染羽狀體中含有較高濃度的鉻(>10mg/L)及一部分TCE(>19mg/L)、DCE等有機物，污染羽狀體經過反應墻的連續反應，其中鉻的濃度小于0.01mg/L，TCE、DCE等有機物的濃度也達到了相應的標準。吉林大學通過實驗模擬裝置成功去除地下水中的部分金屬和有機物。

結語

我國是一個以農業為基礎，以工業為發展驅動的發展中國家，農藥以及工業廢水對于土壤和地下水的污染相當嚴重。土壤以及地下水中的污染物包括氯代烴、有機氯化合物農藥以及鉻、砷和鉛等有毒有害重金屬，污染位點較分散。采用PRB技術較傳統的修復方法更加的高效、經濟，比較符合我國的經濟形勢。而在今后的幾年中，若是該技術廣泛使用，則必須在現有基礎上深入研究其處理機理，在改善現有弊端的基礎上，發展更加合理的處理介質，以便在更加廣泛的水文地質條件下使用，處理盡量多的地下水污染物。可以預見，隨著研究的不斷深入，PRB技術必將在我國地下水的污染處理舞臺上大放異彩。