6种PRB反应填料处理模拟酸性矿井废水效果对比

万海洮，徐建平

(安徽工程大学生物与化学工程学院，安徽芜湖 241000)

可渗透反应墙(permeable reactive barrier，PRB)是目前欧美等发达国家新兴的原位去除地下水中污染组分的方法。目前欧美发达国家对其已经有普遍研究，并已经开始商业化应用［1－2］。PRB一般安装在地下蓄水层中，垂直于地下水流方向。当污染的地下水流在自身水力梯度作用下通过反应墙时，污染物与墙体中的反应材料发生物理、化学反应而被去除，从而达到污染修复的目的［3］。PRB 处理酸性矿井水开始于 1995 年［4］。相较于传统的石灰中和、硫化物沉淀、工程覆盖、湿地处理等方法，PRB法具有作用时间长、处理污染物种类多、处理效果好、安装施工方便、投资和运行费用低等优点。

我国对PRB技术的研究起步较晚，目前还处于实验室研究阶段［5－8］。马文超等［9］研究了5 种PRB反应材料处理地下水污染的效果，分别用活性炭、天然沸石、粉煤灰、陶土、人工沸石为反应材料，设计了5种不同介质的PRB反应器，通过对COD值与氨氮含量的测定进行了实验室模拟研究。目前，PRB正逐步取代运行成本高昂的抽出－处理技术，成为地下水修复技术的主要发展方向［10］。

1 实验材料

1.1 实验装置和器具

实验所用的PRB反应器为笔者设计的有机玻璃柱柱体，反应柱的内径为6 cm，高度为60 cm，进水口距反应器底部5 cm，出水口距反应器顶部10 cm。其他器具包括蠕动泵、烧杯、量筒、玻璃回流装置、加热装置、滴定管、漏斗。

1.2 实验材料和仪器

实验所用的酸性矿井水为笔者制备的模拟水，配置过程如下:将 K2HPO4、NH4Cl，Na2SO4、CaCl2·2H2O、MgSO4·7H2O 、70%乳酸钠溶液、Fe(NH4)2(SO4)2·6H2O、MgSO4按照一定的量溶于蒸馏水中，用盐酸调节pH值到4左右，配成的模拟水COD和硫酸根浓度在4 000 mg/L左右。

反应介质为陶粒(3～5 mm与5～8 mm两种粒径范围)、竹炭(3～5 mm与5～8 mm两种粒径范围)、粉煤灰、煤渣等6种反应填料。

实验仪器有紫外分光光度计、万分之一电子天平、pH计等。

1.3 实验步骤

1)填装自制的有机玻璃柱作为实验装置，填料的填充高度为45 cm。

2)采用蠕动泵向反应柱供水，反应8 h后取第1次出水测量水质。之后每8 h取一次水样测量水质。

2 实验结果及分析

2.1 填料性能的初步测试

测试结果见表1。由表1可以看出:填料性能的初步测试结果良好，各种反应填料对模拟酸性矿井水均有一定的处理效果;6种反应填料对酸性矿井废水中的污染物都有一定的处理效果，其中小粒径陶粒对COD的去除效果较好，可达50%以上;粉煤灰对矿井废水的pH值调节作用较好。

2.2 单种填料反应2 d

将填料装进反应柱，打开蠕动泵进水，8 h取第1次出水，然后每8 h取一次水样测其水质。实验结果见图1。

由图1可看出 :① 填料对酸性矿井废水的pH值有很好的调节作用，其中粉煤灰的效果最好，可调节至8以上，且效果较稳定，煤渣效果相对较差;②陶粒对COD有较好的处理效果，粉煤灰对COD的处理效果也较理想，竹炭对COD的处理效果不理想，但对硫酸根处理效果较好，陶粒和竹炭的粒径大小对COD去除效果影响不显著;③煤渣对酸性矿井水中各种污染物的去除效果较差，考虑进行下一步实验时将其淘汰。

2.3 填料的耐久性测试

根据单种填料反应2 d的效果，选取其中4种处理效果相对较好的填料(粉煤灰、陶粒、两种粒径的竹炭)做耐久性实验，测试填料的吸附性能和最大吸附量。粉煤灰和大粒径竹炭的处理效果见图2，陶粒和小粒径竹炭的处理效果见图3。

表1 填料性能初步测试结果

图1 单种填料反应2d实验结果

图2 粉煤灰和大粒径竹炭的处理效果

图3 陶粒和小粒径竹炭的处理效果

由图2、3可以看出:① 粉煤灰对酸性矿井水有较好的调节作用，反应10 d依然能将pH值调节到5以上;陶粒对pH的调节在前48 h均有较好的效果，之后基本无调节作用。竹炭对pH的调节作用较差。②粉煤灰和竹炭对COD的去除效果良好，在反应48 h左右去除率可达50%以上，反应116 h还有一定处理效果。在反应10 d以后基本无处理效果。③粉煤灰对硫酸根的去除率在48 h内较好，之后处理效果较差。陶粒对硫酸根的去除效果较好，且相对稳定。

3 结论

1)6种反应材料对模拟酸性矿井水中的COD、硫酸根都有一定的去除效果，但是耐久性不佳。粉煤灰对矿井废水的pH值有极好的调节作用，反应10 d后效果良好。小粒径的竹炭对硫酸根的的去除效果最好，粉煤灰和陶粒对COD的处理效果较好，但是耐久性较差，反应10 d后基本无处理效果。煤渣对酸性矿井水的处理效果最差。

2)在实际的酸性矿井水修复过程中，可将各种反应材料按一定比例混合，去除效果会更好。还可将高效降解菌(例如硫酸盐还原菌)固定在反应填料上制成生物反应材料，去除效果将会大幅度提高，且可以延长反应材料的使用寿命。

3)为了节约资源，可以考虑对反应填料进行再生以提高填料的利用效率。

［1］崔俊芳，郑西来，林国庆.地下水有机污染处理的渗透性反应墙技术［J］.水科学进展，2003，14(3):363－367.

［2］翟斌.PRB在地下水污染修复中的应用［J］.中国环保产业，2005(2):33－35.

［3］陆泗进，王红旗，杜琳娜.污染地下水原位治理技术透水性反应墙法［J］.环境污染与防治，2006，28(6):452－ 457.

［4］Benner S G，Blowes D W，Gould W D，et al.Geochemistry of a permeable reactive barrier for metals and Acid mine drainage［J］.Environmental Science ＆ Technology，1999，33(16):2793 －2799.

［5］董军，赵勇胜，赵晓波，等.垃圾渗滤液对地下水污染的PRB原位处理技术［J］.环境科学，2003，24(5):151－156.

［6］董军，赵勇胜.用双层PRB技术处理垃圾填埋场地下水污染的可行性研究［J］.环境科学学报，2004，24(6):1021－1026.

［7］郝志伟，李亮，马鲁铭.零价铁还原法脱除地下水中硝酸盐的研究［J］.中国给水排水，2008，24(17):36－39.

［8］李宗良，丁爱中，唐广鸣，等.PRB修复渗滤液污染地下水的实验研究［J］.污染防治技术，2007，20(3):13－16.

［9］马文超，赵光宇，阎鸿.五种PRB反应材料处理地下水污染效果对比［J］.中国环境管理，2006，6(2):29－31.

［10］Richard T W，Robert W P，Guy W S.Long-term performance of permeable reactive barriers using zero-valent iron:geochemical and microbiological effects［J］.Ground Water，2003，41(4):493 －503.