劉彩虹，李福林，陳學群

（山東省水利科學研究院，山東 濟南 250014）

PRB對地下水硝酸鹽去除效果分析

劉彩虹，李福林，陳學群

（山東省水利科學研究院，山東 濟南 250014）

在室內(nèi)試驗的基礎上，通過研究不同PRB填料介質(zhì)對硝酸鹽的處理效果，得出適合野外工程的PRB填料介質(zhì)及比例。結果表明：PRB填料零價鐵+活性炭+中粗砂對硝酸鹽的處理效果較好，硝酸鹽去除率達到53.7%～56.2%，處理后硝酸鹽濃度在10.6～11.2 mg/L，符合飲用水標準。

PRB；硝酸鹽；地下水；零價鐵

隨著工業(yè)的迅猛發(fā)展和人類活動的急劇增加，地下水硝酸鹽污染已成為重要的全球性環(huán)境問題。地下水硝酸鹽污染通常采取異位處理和原位處理技術修復。滲透性反應墻PRB是一種新興的原位處理技術，具有成本低廉、無需外加動力、可持續(xù)原位處理多種污染物、處理效果好、環(huán)境擾動小和可用周期長等特點，目前正在逐步取代傳統(tǒng)的運行費用較高的抽提技術。

實際PRB去除地下水硝酸鹽工程應用中，PRB的活性填料有多種，包括活性炭、沸石、微生物材料、有機材料（如木屑）、還原金屬（Fe、Zn）等，其中最常見的參與反應的活性填料是零價鐵。目前關于PRB活性填料的研究有很多，主要集中在單一填料或者組合填料去除效果，但是對于各單一填料和組合填料介質(zhì)處理效果的對比研究還較少。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于青州市開發(fā)區(qū)，區(qū)域上地形自南向北由高到低，從地貌上劃分為山前沖洪積平原區(qū)。沉積物以沖積物為主，地下水資源豐富，地下水交替強烈，以側向補給和大氣降水為主要補給來源，水的礦化度較低，在由徑流帶向溢出帶漸變過程中，潛水埋藏變淺，蒸發(fā)量增大，水的化學類型多為重碳酸——硫酸或氯化物型水。根據(jù)舒卡列夫分類，結合庫爾洛夫式，研究區(qū)地下水化學類型為 HCO3·Cl-Ca·Na 型水。

通過樣品采集測試，研究區(qū)地下水硝酸鹽濃度為24.18 mg/L，超過國家地下水三類水標準。因此需要進行處理后才能進行集中供水。

2 材料與方法

2.1 室內(nèi)試驗

室內(nèi)試驗采用穩(wěn)定流柱試驗裝置，主要試驗裝置包括自制馬里奧特瓶（容量為18 L）、亞克力圓管（內(nèi)徑10 cm，長度100 cm）及側壁取樣管（間距20 cm，共4個，除取樣外，還用來測量水頭值用以計算滲透系數(shù)）等。馬里奧特瓶內(nèi)安置內(nèi)徑為5 mm的玻璃管，插入瓶內(nèi)液面以下，以保持Δh不變，從而保證水流流態(tài)為穩(wěn)定流，試驗使用轉子流量計控制流量。管底部留約5 cm的水流緩沖區(qū)，防止水流直接沖刷反應材料；管內(nèi)上部預留約15 cm，用來模擬抽水井中PRB材料與水泵抽水位置的空間關系。

柱狀實驗采用初始濃度為80 mg/L的硝酸鹽氮溶液，pH 值為 7.0。 分別在反應 1 d、2 d、3 d、4 d、5 d、6 d、7 d、8 d、9 d、10 d 后進行樣品采集與測試。

野外條件下，尤其是構建PRB去除硝酸鹽污染，如果活性填料的滲透性能低于含水砂層，則地下水流不會穿過PRB，達不到去除硝酸鹽污染的效果。因此，在填料介質(zhì)中摻混中粗砂，一方面可以模擬野外真實條件，另一方面可以提高滲透性能。本次填料介質(zhì)組合為：零價鐵+中粗砂、活性炭+中粗砂、鋸末+中粗砂、零價鐵+活性炭+中粗砂、零價鐵+鋸末+中粗砂。滲透系數(shù)約為6.0×10-2cm/s。

將混合好的填料均分成若干部分，然后分批填入有機玻璃柱，以保證PRB填料的均質(zhì)性。裝填過程中采取分層裝填，逐步飽和的辦法排出介質(zhì)材料內(nèi)的空氣，保證試驗水流為飽和流狀態(tài)。2.2 野外試驗

采用二重井式PRB可滲透反應墻工藝對青州王母宮水源地試驗區(qū)的地下水硝酸鹽污染進行原位修復、去除，使其達到飲用水水質(zhì)標準。PRB材料井建設完成后，采用不同流量泵進行抽水試驗，并在抽水 0.5 h、1 h、1.5 h、2 h、2.5 h、3 h、3.5 h、4 h、4.5 h、5 h、5.5 h、6.5 h、7.5 h、8.5 h 進行地下水樣品采集與測試。

2.3 三氮濃度測定

硝酸鹽氮采用紫外分光光度法、亞硝酸鹽氮采用重氮偶合分光光度法、氨氮采用納氏試劑分光光度法進行測定。同時在現(xiàn)場采用硝酸根離子濃度測定儀器對硝酸根離子濃度進行測定。

3 效果分析

3.1 室內(nèi)試驗結果

對不同PRB填料介質(zhì)中硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮和氨氮的濃度變化進行分析，結果顯示不同填料介質(zhì)對硝酸鹽的去除效果有明顯差異。

中粗砂+零價鐵1 d時間其濃度就降至10 mg/L，隨后硝酸鹽濃度在8.1~12.2 mg/L之間，硝酸鹽去除效果較好；中粗砂+活性炭中，在1 d內(nèi)硝酸鹽氮濃度降低至18 mg/L，隨后硝酸鹽濃度迅速增大，這是由于活性炭對硝酸鹽氮有一定的物理吸附作用，當吸附達到飽和時，活性炭就失去作用，可見該方案對硝酸鹽的去除效果不理想，僅適用于少量水樣處理；鋸末+中粗砂組合介質(zhì)，硝酸鹽濃度降低緩慢，在10 d后硝酸鹽濃度由80 mg/L降低至19.1 mg/L，反應時間較長。零價鐵+活性炭+中粗砂、零價鐵+鋸末+中粗砂填料方案中，硝酸鹽氮去除效果較為明顯，均在1 d內(nèi)降低至10 mg/L以下，隨后濃度基本不變，零價鐵+活性炭+中粗砂填料介質(zhì)的去除效果較零價鐵+鋸末+中粗砂更加明顯。

從反應過程中的產(chǎn)物進行對比分析，整個試驗過程中都產(chǎn)生了一定量的NO2--N和NH4+-N。零價鐵+活性炭+中粗砂、中粗砂+零價鐵方案反應過程中的NO2--N含量最低。由以上分析可知，零價鐵+中粗砂+活性炭的處理效果最好，因此，采用零價鐵、活性炭、中粗砂以3∶1∶6的組合作為PRB填料進行野外試驗。

3.2 野外試驗結果

野外PRB井建設完成后進行了抽水試驗，對PRB材料井的處理效果進行檢驗。處理前地下水中硝酸鹽濃度為24.18 mg/L，抽水0.5 h降低至10.6 mg/L，隨后硝酸鹽濃度在10.6~11.2 mg/L之間，符合地下水水質(zhì)標準，硝酸鹽去除率達53.7%~56.2%，處理效果較好。

氨氮濃度在反應1 h的時候最高為1.98 mg/L，隨后逐漸降低，反應5 h后氨氮濃度低于地下水三類水標準，6.5 h后略高于三類水標準。亞硝酸鹽濃度變化幅度較大，亞硝酸鹽濃度變化無規(guī)律，超標率達43%。

由此可見，在野外試驗中，地下水硝酸鹽去除效果較好，由25 mg/L降低至11.2 mg/L以下，完全符合地下水飲用水標準。

在反應一個月以后抽取地下水樣進行測試，地下水硝酸鹽濃度為12.6 mg/L，亞硝酸鹽氮為0.028 mg/L，氨氮未檢測到，可見，反應時間越久，處理效果越好。經(jīng)過PRB井處理過的地下水與未經(jīng)處理過的地下水以1∶3進行混合后，硝酸鹽濃度為14.8 mg/L，亞硝酸鹽濃度為0.08 mg/L，氨氮沒有檢測到，可見，處理并混合后的地下水三氮均符合飲用水標準。

4 結論

通過室內(nèi)試驗與野外工程，得出以下結論：

1）零價鐵+活性炭+中粗砂的組合填料介質(zhì)對硝酸鹽處理效果最好，中間產(chǎn)物主要為氨氮。其次為零價鐵+粗砂，粗砂+活性炭、粗砂+鋸末的數(shù)理效果不好。2）野外實驗結果表明PRB材料井對硝酸鹽的處理效果較好。處理前地下水中硝酸鹽濃度為24.18 mg/L，抽水0.5 h降低至10.6 mg/L，完全符合地下水水質(zhì)標準，硝酸鹽去除率達到53.7%~56.2%。

（責任編輯 崔春梅）

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1009-6159（2017）-10-0059-02

劉彩虹（1987—），女，博士，工程師

水利部科技推廣項目（SF-201624）