胶州市前韩地下水源地硝酸盐污染的PRB修复试验研究

摘要

我国是一个水资源极度贫乏的国家，尤其是在干旱、半干旱和缺水的中西部地区，地下水更是一种宝贵淡水资源。随着地下水开发不合理、供需紧张等问题日趋加剧，尤其是水体污染越来越受到人们的关注。其中硝酸盐是一种分布范围广且日益增加的地下水污染物质。2005年对胶州市126眼监测地下水井监测资料显示：其地下水主要污染物为硝酸盐氮，硝酸盐氮的最大检测值为85.2mg/L。农业活动被视为地下水硝酸盐的主要来源。硝酸盐不仅污染人类生活的环境，更重要的是危害人体健康。因此，地下水硝酸盐氮污染的控制和修复研究问题已成为国内外相关学者研究的热点和重点。
　　 最早修复地下水污染的技术是“抽出—处理”(pump-treat)技术，这种方法成本很高，且治理效果往往不理想。可渗透反应墙(Permeable Reactive Barrier，PRB)技术是被实践证明的高效、可行的原位修复污染地下水的技术。以零价铁(Fe0)为反应介质的Fe0-PRB技术作为PRB技术的一个重要分支，具有取材容易，价格便宜、效率高、操作简便、可持续性强等优势而得到广泛关注和快速发展，成为近30年国内外研究的热点和重点。
　　 本论文在对胶州前韩水源地硝酸盐氮污染调查基础上，通过批试验和柱试验，研究了以铁粉为主要的PRB反应介质去除硝酸盐的主要影响因素和去除效果，探讨Fe0-PRB用于胶州前韩水源地地下水硝酸盐污染的较佳介质组成和可行性，主要内容和结论如下：
　　 (1)在批试验中，利用自配硝酸钾溶液模拟研究区胶州前韩受硝酸盐氮污染的地下水。分别研究了铁粉粒径、预处理铁粉、转速、铁粉投加量、初始溶液浓度、初始溶液pH、添加活性炭、常见离子等对硝酸盐氮去除效果，以筛选能够有效去除硝酸盐氮的PRB介质，并根据试验效果探讨去除硝酸盐氮的主要影响因素和反应机理。批试验结果显示，在酸性环境下硝酸盐的去除效果最好。此外，铁粉粒径小、铁粉杂质含量多、铁粉表面预处理、提高振荡速度、增加铁粉用量、减小溶液浓度、加入活性炭都能不同程度地提高硝酸盐氮的去除量。其中铁粉表面预处理发挥了较大的作用，选用水洗工业铁粉作为主要的反应介质效果较为理想。批试验表明，加入的阳离子Fe2+、Fe3+、Cu2+、Zn2+对硝酸盐的还原具有促进作用，促进效果大小由高到低的顺序为：Zn2+＞Fe3+＞Cu2+＞Fe2+。在反应体系中，Fe2+对硝酸盐的还原起了非常重要的作用，它不仅能加快电子的传递，而且还参与了还原反应并转化成Fe3O4。加入的阴离子C2O42-、HCO3-、CO32-、CH3COO-、HPO42-对硝酸盐的影响不是很大。其中C2O42-能促进硝酸盐的还原，它的主要作用是通过络合或螯合作用加快铁的溶解，并在一定程度上减少铁的氧化物和氢氧化物的形成。而HCO3-、CO32-、CH3COO-、HPO42-则抑制硝酸盐的还原，其抑制顺序为CH3COO＞HPO42＞HCO3＞CO32-。
　　 (2)在柱试验中研究了掺杂介质粒径、铁砂配比、添加活性炭和锯末对硝酸盐氮去除的影响，同时测定了出水中其他参数情况及各反应柱的渗透系数。柱试验研究结果表明，加入的砂子粒径和量影响硝酸盐的去除，本文选用粗砂作为分散质，铁粉和粗砂的比例为4∶6。加入的活性炭和锯末都能促进硝酸盐的去除。铁粉还原硝酸盐氮的主要产物为氨氮，并引起pH值升高。加入锯末则产生亚硝酸盐氮。活性炭不仅能增大反应介质的渗透系数，还能提高出水水质。最后确定PRB反应介质为水洗生锈工业铁粉、活性炭、粗砂，其比例为3∶1∶6。
　　 (3)要想让PRB达到理想的目的，需要考虑诸多影响因素。本研究面临的最大困难是堵塞问题。因此，在设计实际反应器时，溶液初始浓度、水流速度应与实地相应参数一致，PRB渗透系数为实地含水层渗透系数的1.5-2.5倍。

目录

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摘要

第一章 绪论

1.1 地下水资源及硝酸盐污染现状

1.2 地下水硝酸盐来源、特点及危害

1.3 国内外研究现状及存在的问题

1.3.1 硝酸盐污染评价方法和治理技术

1.3.2 PRB原位修复技术

1.3.3 国内外研究存在的问题

1.4 选题依据与研究内容

1.4.1 选题依据

1.4.2 研究内容

1.4.3 研究方法的创新性

第二章 研究区概况及硝酸盐污染调查

2.1 研究区水文地质及经济发展情况

2.2 研究区地下水硝酸盐污染情况调查

第三章 硝酸盐去除批试验

3.1 试验材料与方法

3.1.1 试验主要仪器与材料

3.1.2 硝酸盐氮和pH的测定方法‘

3.1.3 分析方法及步骤

3.1.4 批试验目的

3.2 结果与讨论

3.2.1 铁粉粒径对硝酸盐去除的影响

3.2.2 预处理铁粉对硝酸盐去除的影响

3.2.3 转速对硝酸盐去除的影响

3.2.4 铁粉投加量对硝酸盐去除的影响

3.2.5 溶液初始浓度对硝酸盐去除的影响

3.2.6 溶液初始pH对硝酸盐去除的影响

3.2.7 添加活性炭对硝酸盐去除的影响

3.2.8 野外常见离子对硝酸盐去除的影响

3.3 结论

第四章 硝酸盐污染去除柱试验

4.1 试验材料、装置及方法

4.1.1 试验材料

4.1.2 试验装置

4.1.3 出水水质的测试方法

4.1.4 柱试验目的

4.2 结果与讨论

4.2.1 掺杂物粒径对硝酸盐去除的影响

4.2.2 铁/砂配比对硝酸盐去除的影响

4.2.3 活性炭对硝酸盐去除的影响

4.2.4 锯末对硝酸盐去除的影响

4.2.5 化学-生物-物理联合法对硝酸盐去除的影响

4.2.6 出水水质的测定

4.2.7 不同反应介质渗透系数的测定

4.3 结论

第五章 结论和建议

5.1 结论

5.2 存在的问题

5.3 建议

参考文献

致谢

附录