一种可持续降解地下水中复合污染的PRB结构形式

本发明涉及为地下水环境工程领域，尤其涉及用于处理地下水中多种污染类型的的渗透性反应墙体（prb）以及使用渗透性反应墙处理浅层（1-50m）土壤饱和含水层中的复合污染的方法。本发明涉及的领域包括地质资源与地质工程、环境科学与工程、材料科学与工程等一级学科领域。

背景技术：

1、现有市场prb装置普遍以大型反应装置为主，结构原理主要是循环水式多层渗透异位处理装置，原位prb墙体基本采用开挖大量填充或大型浅表地下水处理装置。在面对污染物治理时，现有的prb填料多面向单一污染形式，在治理过程中的维护阶段通常采取再开挖以更换填料保证性能，且填料多以吸附性填料为主，反应型填料针对的污染物较为单一。现有产品的填料结构制备方法难度较低，工艺成熟，prb结构的制造及施工流程简单，施工过程一般为材料制备-现场开挖-材料填充-再开挖维护并填充。

2、大型反应装置在应用过程中存在抽取型的异位处理，典型如污水处理厂。由于大型装置的地表所占空间较大，且建造成本较多，所建厂区选址难度大，大部分处理厂对地下水及地表水的污染处理形式都为异位抽取再释放的形式，这在水污染处理形式中成本巨大。

3、还存在区别于固定处理场所的大型深反应装置，虽具备一定灵活性，但这种深大型装置无效体积所占比高，实际运用的建设成本高昂。产品中的吸附性材料或者填料制备多采用介孔材料的通用制备手法，一般为从原材料前处理再到烧制，反应型填料的制备方式较为多样但种类较少。现有prb单元结构的布置，多以开挖后填埋的流程进行，已存在的单元结构难以在不开挖的条件下在地下构建起相互联系，形成墙体。

4、对于目前prb产品中存在的技术问题和缺陷，主要原因是新材料或者新型填料的应用及试验成本高昂，难以进行prb的应用研发，导致技术和试验人员对新材料或者新填料的接触范围和研究方法受限，降低材料的生产及应用成本，是prb在场地及室内试验应用中面对的主要问题。

5、特别是，现有prb可渗透反应墙的填料存在下列缺点和难题中的至少一种：

6、1、填料材料使用成本大

7、prb技术中墙体材料和开挖成本是工程首要考虑的两种主要成本来源，现有prb可渗透反应墙技术存在材料浪费，虽有价格较为低廉高效的填充材料，但面对大范围大尺度治理范围，单一墙体填充层中生产填料的成本巨大，由于难以跨越的尺度成本几何式增长，研发新材料产量小、成本高昂，使得大多数新型材料更加难以应用于实际工程场地当中，甚至于实验室尺度模拟的prb试验也难以进行。由于实际场地中饱和含水层位置往往于地面下较深处，在开挖成本已经较大的条件下，节省材料成本显得尤其重要。

8、2、prb维护成本大

9、对于一般prb墙体填料，堵塞问题是prb使用寿命的决定性因素，由于大面积开挖和填充材料生产成本巨大，在填料造成堵塞问题时（一般是金属盐沉淀堵塞或者微生物繁衍堵塞），仍需要再次开挖以更换prb填料，这也使得prb在现实场地的运用与维护成本翻倍增长，所以解决prb的堵塞问题、延长填料的更换周期及减少工程开挖次数是该种地下水污染处理形式大面积应用的关键。

10、3、材料应用后的高处理效率与高持续性难以统一

11、对于一定成本下进行的prb墙体填充工作，选择对应的墙体耗材是十分重要的，耗材应以价格低廉，效率高，使用持久为选择的前提条件，填充材料应对相应污染具有高效的处理效果以解决prb建设场地地下水中的污染迁移问题，这种处理效果的持久性也是评价该材料适用性的一个重要参考。对于现有的prb填料结构，基本以物理吸附和化学反应为主，对于单一或复合污染形式存在吸附材料污染处理效率低、反应材料污染降解持续性差的弊端，而常年处于饱和带中的污染物迁移过程一直存在，导致现有填料结构无法在周期运行下一直保持对污染物的高效率降解。

12、4、材料面对单一或复杂污染时仍具有弊端

13、在实际工程场地中，地下水污染由于污染源的点面污染形式不同，污染源所释放的污染种类复杂，既存在大量的单一污染形式，也存在多种复杂污染物共存的形式。现有以化学反应原理降解地下水中污染物的填料结构在面对单一类型污染具有强针对性，但在地下水中多种复杂污染共存条件下却难以应对的现状，而以物理吸附为主的材料对地下水中的多种污染物都具有无差别的吸附作用，但其吸附容量有限性及解吸附特性难以应对地下水中源源不断的污染物。

14、5、现有材料易产生的二次污染

15、在面对地下水中的污染物时，现有反应型prb填料结构由于面对不同污染物时自身结构稳定性差，易溶性高，使得材料本身易成为地下水中二次污染的直接源头，同时反应型材料还存在反应不彻底性，虽然可通过加大填料投放、改善填料构成、优化墙体参数及反应形式等方式解决，但针对易产生低/高价态的同元素化合物或离子、低卤代物等中间产物的污染物还是难以通过这些手段实现无风险降解。现有吸附性prb填料结构，在材料达到吸附饱和状态时存在的解吸附特性是该类型材料产生二次污染的主要原因。

16、6、现有prb填料中所需材料的制备原材料获取难度大，制备工艺复杂

17、现有反应型填料结构获取便捷性较差，新型材料研发工艺成本巨大导致材料应用成本高昂，prb填料的选择与生产是该地下水污染处理形式的源头工作，大部分的反应型填料研发成本较高，导致直接使用的成本巨大，同时，存在制备某些特殊材料使用的原材料的制备条件苛刻，难以直接获取，原材料的制备工艺不成熟等问题。

18、7、现有prb填料结构的环保再生性差

19、由于prb使用成本已相对高昂，对于现有大部分的填料，环保再生是一种节约成本的重要手段，不可再生填料仍需在首次填埋达到一段时间后再次重复开挖并用新材料填埋，这无形中增加了prb的应用成本。可重复再生填料的再生次数也由于填料本身性质及地下水运动呈现较低趋势，针对可再生填料的再生手段的实施也位于异位工作（开挖或抽取）后再进行相应再生操作，这也是资金的主要支出项。

20、8、以大型prb装置布置的灵活性及实用性差

21、现有prb布置形式采用大型反应装置较多，统一协调施工对施工人员的综合素质要求较高，且大型反应装置拆卸及组装灵活性较差，加之实际场地的地下水污染含水层的地层更为复杂，特别是处于深处的饱和含水层，在发现存在土壤中的大型岩层时，建设大型装置及反应池的形式适用性不高，在面对复杂形状与规模的岩层时灵活度欠缺，导致地下水中的污染物仍会通过巨大空隙空间绕过反应墙体，无形中降低了prb形式处理地下水污染物的有效性。

22、因此，仍然需要至少在上述任一方面改善的prb及其应用方式。

技术实现思路

1、鉴于以上现有技术的不足，发明的目的在于提供一种用于处理地下水中多种污染类型的渗透性反应墙体（prb）以及使用渗透性反应墙体的方法。

2、具体来说，本发明提供了一种用于处理地下水中多种污染类型的渗透反应性墙体prb，包括多个相互连接的漏斗-导门型结构单元，其中每个漏斗-导门型结构单元包括漏斗形引流头、第一输送管道和第二输送管道，其中所述漏斗形引流头包括相对的第一开口以及第二开口和围绕所述第一开口和第二开口的非渗透性侧壁，所述第一开口的面积大于第二开口的面积，所述第一输送管道与所述第二开口密封连接，所述第二输送管道与所述第一输送管道在远离所述的引流头的一侧连接，所述第一输送管道填充有第一复合填料，所述第二输送管道填充有第二复合填料，所述第一复合填料包含生物炭、吸附性层状双氢氧化物ldh1、催化性层状双氢氧化物ldh2和纳米零价铁nzvi，所述第二复合填料包含所述生物炭、吸附性层状双氢氧化物ldh1及催化性层状双氢氧化物ldh2。

3、本发明还提供了一种使用所述的渗透性反应墙体处理浅层土壤饱和含水层中的复合污染的方法，包括将多组漏斗-导门型结构单元根据实际场地中污染物迁移深度、跨度、速度及污染源类型布置在场地中，以构建所述渗透性反应墙体prb。

4、本发明的有益效果如下：

5、1 、大量节省prb所用填料材料的应用成本

6、在填料结构方面，所用的复合填料结构以更高降解效率、更强的场地污染适用性、更加持久的降解周期、更加优异的循环再生性节省了prb所用填料结构的应用成本。在应用形式方面，该种布置结构的漏斗-导门式prb可凭借组装拆卸的灵活性及小体积应用单元构成反应墙的形式适用于土层深处的饱和含水层的复杂空间，单独的prb反应单元凭借结构布置的合理性，大面积减少了材料的无效空间应用，提高了单位空间内的材料利用率，同时，导水式的结构设计也适用于对地下水中污染的有效汇集与集中处理，这也从布置形式上节省了大量的应用成本。

7、2、提高了填料结构的应用效率、扩展了prb填料结构的污染适用范围。

8、本发明由于prb填料结构中各材料获取方式便捷且成本低廉，对于除生物炭基的材料之外的吸附性ldh1和催化性ldh2（层状双金属氢氧化物系列：mgal-cl-&co32--ldhs、nife-cl-&co32--ldhs）、nzvi及pms的制备方式已相当成熟，且制备所用反应物料的获取途径简单。复合材料形式结合了各材料优点，充分填补了prb所需的实际应用方式，分别联用pms和/或nzvi以实现氧化和还原去除地下水中的污染物，以更高效合理的污染降解形式应对污染场地地下水中多种污染共存情况，对复合型污染实现高效去除。同时，该填料结构可实现对地下水中污染物的持续高效降解，利用催化性ldh2（nife-ldhs）分别与nzvi、pms联用来达到催化促进氧化还原反应的目的，同时，在复合bc（生物炭）后，大大提高了吸附容量，利用ldhs极好的缓释性，将所吸附污染物缓慢向反应填料释放，使得反应充分进行，减少因反应不充分而产生的二次污染。

9、3、减少了prb结构应用过程中的建设及维护成本

10、通过该发明处理地下水中的污染物时，可针对性较高的自由选择组合式墙体单元构成规模化地下反应墙，单元结构中可挑选针对相应污染物迁移特征的治理材料，使其对应位于墙体的不同深度平面或不同跨度平面，依托于地下水中污染物迁移模拟软件进行设置，根据模拟精度合理设置对应污染物迁移范围内的反应单元，调整其内部填料结构及单元墙体布置形式，实现各污染协调性降解，有效解决prb建设的层数多、厚度大的特点。在prb结构的维护层面，依托于ldhs的稳定性及结构记忆效应，该种具备催化和吸附性的超薄层晶体片材料不易溶解，稳定性极高，针对某些特别的有机溶剂类污染，在溶解后根据层间结构记忆效应可在短时间内重构该结构。ldhs的离子交换性使其材料可以进行循环利用与更新，使用高浓度的无污染性无机盐溶液接触，由于材料本身具备结构记忆效应，便可完成材料中间层阴离子的重新插层进行材料更新，使其具备可持久循环利用的特点。同时，由于其对菌类繁衍具有一定抑制性，ldhs材料本身具备自洁性，这区别于其它易由微生物造成堵塞的介孔型prb填料，这种便携式的prb应用结构的革新也增加了ldhs的有效循环利用次数及周期内的有效使用时间。

11、4、增强了布置prb处理地下水污染的适用性

12、由于地下环境的不确定性，实际工程场地的饱和含水层往往含有非均质且多样的多孔介质，饱和含水层的位置通常位于地下较深处。根据基本地层资料及污染形式，基于模拟软件所作出的污染物迁移路径（深度与跨度）可合理地预测出各污染物是否在实际地层里进入到饱和含水层当中，进而确定prb的设置参数及位置。该种结构单元组合prb的形式对整体结构进行了网格制划分，可以更细节、更高效、更准确、更经济、更环保地处理地下水中各污染物，同时，借助ldhs的各种类优势特点及便携式的循环利用方式，使该种prb形式更加适合于处理地下水的复合污染。另外，凭借着高度精细刻画且更具布置灵活性的细小化处理单位模块，其更适配于复杂多变的地下土层环境，对于实际场地不可避免的不同体积的不规则岩层也可进行避绕设置，从而减小了因复杂岩土地质条件带来的针对大型反应装置难以进行布置的痛点，使prb处理地下水污染的形式更适用于多种地层条件。

技术特征：

1.一种用于处理地下水中多种污染类型的渗透反应性墙体prb，其特征在于包括多个相互连接的漏斗-导门型结构单元，

2.根据权利要求1所述的渗透反应性墙体，其特征在于ldh1和ldh2由下式表示：

3.根据权利要求1或2所述的渗透反应性墙体，其特征在于，所述第二复合填料还包含作为氧化剂的过一硫酸盐pms，其中pms的加入量占所述第二复合填料总重量的1-10%，并且是在prb维护过程中以溶液形式加入。

4.根据权利要求1或2所述的渗透反应性墙体，其特征在于包括多组漏斗-导门型结构单元，每四个相互连接的漏斗-导门型结构单元构成一组，其中第一开口为迎水面，并且在每一组中，相邻的漏斗-导门型结构单元通过设置在迎水面的密闭型连接扣条相互连接。

5.根据权利要求3所述的渗透反应性墙体，其特征在于，所述第一输送管道和所述第二输送管道还包括设置在其中的200-400目的双向渗透滤网，其中所述第一复合填料和所述第二复合填料分别容纳在所述双向渗透滤网中.

6.根据权利要求4所述的渗透反应性墙体，其特征在于，至少三组漏斗-导门型结构单元通过硬质非建筑材料或者柔质材料单独布设在一起，或者

7.根据权利要求6所述的渗透反应性墙体，其特征在于，所述硬质非建筑材料选自不锈钢、聚乙烯、聚丙烯酸只中的至少一者，或者所述柔质材料选自防渗布、防水幕布中的至少一者，并且/或者所述建筑地下工程构件由混凝土和/或水泥和/或砂浆制成。

8.一种使用权利要求1到7中任意一项所述的渗透性反应墙体处理浅层土壤饱和含水层中的复合污染的方法，其特征在于包括将多组漏斗-导门型结构单元根据实际场地中污染物迁移深度、跨度、速度及污染源类型布置在场地中，以构建所述渗透性反应墙体prb。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，多组漏斗-导门型结构单元采用多列墙竖向布置（包括弧度型和直列型）、垂直向布置（包括弧度型和直列型）及环弧筒型（包括全弧和非全弧）中的至少一种布置形式。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，该方法还包括在维护用接口链接输送管，以用于补充消耗的nzvi及pms，或者输送碱性naoh及na2co3在所述复合填料中形成新的单元素lhd结构，或者输送包含na2so4、na2co3和/或nacl的溶液进行ldh1和ldh2的插层重建，条件是nzvi及pms仍具有氧化还原性。

技术总结
本发明公开了一种用于处理地下水中多种污染类型的渗透反应性墙体。渗透反应性墙体包括多个相互连接的漏斗‑导门型结构单元，其中每个漏斗‑导门型结构单元包括漏斗形引流头、第一输送管道和第二输送管道，所述第一输送管道填充有第一复合填料，所述第二输送管道填充有第二复合填料。渗透反应性墙体能够持续高效处理浅层土壤饱和含水层中的复合污染。

技术研发人员：谢一鸣,曹广祝,覃荣高,强毅,路艳峰,曹强,徐琬,赖美丹
受保护的技术使用者：昆明理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5