一种用于PFAS污染阻控的多层复合屏障系统

本发明涉及污染场地风险管控、地下水污染防控和环境岩土工程，具体涉及一种用于pfas污染阻控的多层复合屏障系统。

背景技术：

1、pfas（per- and polyfluoroalkyl substances，pfas）是一类含有全氟或多氟碳链结构的人工合成有机化合物，曾被应用于消防泡沫、金属表面处理、电子制造、纺织整理和防油防水材料等领域。部分pfas具有较强的环境持久性，进入土壤和地下水后可随渗滤液、降水入渗或地下水流动发生迁移，进而扩大污染影响范围。

2、不同pfas在碳链结构、官能团、电离状态、水溶性和固相亲和性等方面存在差异。在同一污染场地中，混合存在的pfas可能表现出不同的吸附容量、传质速率和迁移距离。采用单一黏土材料、单一碳基材料或者单一改性吸附材料构成的屏障，往往难以同时兼顾吸附容量、迁移阻滞和长期稳定性。

3、现有低渗屏障通常由压实黏土、土工合成黏土衬垫、土工膜或者注浆防渗体构成，其主要作用是降低地下水渗流通量。低渗结构能够限制污染物的对流迁移，但对经材料孔隙、结构接缝或者局部缺陷发生的pfas质量迁移仍需设置吸附和阻滞措施。另一方面，将不同粒径和不同渗透特征的吸附材料直接相邻铺设，容易发生细颗粒迁移、局部堵塞或者层间接触不连续，影响屏障整体运行。

4、此外，现有屏障结构与运行监测通常相互分离，现场获得的地下水水压力、井周边土体含水率和pfas浓度检测结果难以按照屏障上游侧与下游侧的对应关系进行持续比较，因而不利于及时识别渗流状态变化、污染物迁移趋势和屏障服役性能变化。

5、因此，有必要提供一种层序清楚、各功能层相互衔接并配置运行监测手段的多层复合屏障系统，使污染源侧负荷缓冲、pfas吸附、层间过渡、残余pfas阻滞、低渗防护以及运行评价形成连续的技术链条。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是现有pfas污染场地屏障难以兼顾不同迁移特征pfas的分级吸附和迁移阻滞、相邻功能材料层之间衔接不足、吸附阻滞与低渗防护相互割裂，以及屏障上下游监测数据缺乏连续对比，难以对pfas迁移趋势和屏障服役性能进行评价的问题。

2、本发明的技术方案如下。

3、一种用于pfas污染阻控的多层复合屏障系统，包括用于阻滞pfas迁移的屏障主体、分别设置在所述屏障主体沿pfas迁移方向上游侧和下游侧的2个监测井、监测组件和数据采集与分析系统；所述监测组件包括水压力传感器、含水率传感器和地下水采样管；

4、所述屏障主体设置于pfas由污染区域向受保护区域迁移的路径上，并沿pfas迁移方向依次包括污染源隔离层、第一功能吸附层、界面调控层、第二功能阻滞层和低渗防护层；

5、所述监测井包括实壁井管、位于地下水监测段并与实壁井管下端连接的筛管；所述水压力传感器设置于所述筛管的内部，用于获取水压力监测数据，所述含水率传感器埋设于监测井外侧的周边土体中，用于获取含水率监测数据，所述地下水采样管下端插入所述筛管内，用于采集地下水样品；

6、数据采集与分析系统接收两个传感器的监测数据、对地下水样品进行pfas浓度检测得到的数据，并根据监测数据和pfas浓度检测数据对所述屏障主体的运行状态进行分析和评价。

7、优选地，所述污染源隔离层为单层结构或者复合结构；

8、所述单层结构由压实黏土层、稳定化处理土层和土工膜层中的任意一种构成，所述复合结构由压实黏土层、稳定化处理土层和土工膜层中的任意两种以上叠合形成。

9、优选地，所述第一功能吸附层由有机阳离子改性黏土材料和碳基吸附材料组成；所述第一功能吸附层的厚度为5cm～50cm；

10、所述有机阳离子改性黏土材料选自季铵盐改性蒙脱石和季铵盐改性膨润土中的任意一种或两种，所述碳基吸附材料选自生物炭和活性炭中的任意一种或两种；

11、所述有机阳离子改性黏土材料与碳基吸附材料的干基质量比为1∶1～10∶1；

12、所述第一功能吸附层的构建包括以下步骤：对有机阳离子改性黏土材料进行筛分和纯化处理；通过离子交换方式向有机阳离子改性黏土材料中引入有机阳离子改性剂；将改性后的黏土材料与碳基吸附材料混合。

13、优选地，所述界面调控层由天然黏土和细砂混合形成，所述界面调控层的厚度为1cm～20cm。

14、优选地，所述第二功能阻滞层由黏土矿物材料和带正电功能材料混合组成；所述第二功能阻滞层的厚度为5cm～50cm；

15、所述黏土矿物材料选自蒙脱石、膨润土和高岭石中的任意一种或两种以上，所述带正电功能材料选自聚阳离子改性黏土以及在目标地下水ph条件下表面带正电的金属氧化物负载黏土中的任意一种或两种以上。

16、优选地，所述低渗防护层为单层防渗结构或复合防渗结构；

17、所述单层防渗结构由压实黏土层、土工合成黏土衬垫、土工膜层和注浆防渗体中的一种构成，所述复合防渗结构由其中任意两种以上叠合形成；

18、所述压实黏土层、土工合成黏土衬垫和注浆防渗体的饱和渗透系数不大于1×10-9m/s，所述土工膜层的接缝以及土工膜层与相邻防渗结构的连接部位采用密封连接。

19、优选地，所述筛管的外侧填充与含水层粒径相适配的滤料，筛管上方设置止水密封盖，以限制不同深度地下水沿井壁发生串流。

20、优选地，所述数据采集与分析系统包括数据接收模块、趋势分析模块和风险评价模块；

21、所述趋势分析模块被配置为比较所述屏障主体上游侧与下游侧的水压力监测数据、含水率监测数据和pfas浓度检测结果，计算下游侧pfas浓度与上游侧pfas浓度的比值，分析所述比值随时间的变化趋势，并将含水率数据的时序变化作为所述监测井周边土体渗流状态异常的辅助判据；

22、所述风险评价模块被配置为根据水压力变化、含水率变化、所述比值及所述比值随时间的变化趋势生成所述屏障主体的服役性能评价结果，并在下游侧pfas浓度或所述比值达到预设风险控制阈值时生成屏障检查提示和加密采样提示。

23、优选地，所述对所述屏障主体的运行状态进行分析和评价的工作过程包括：

24、在多层复合屏障系统运行之前，通过监测组件实时采集所述屏障主体两侧地下水的初始水压力数据、监测井周边土体的初始含水率数据，并将所述初始水压力数据和所述初始含水率数据传输至所述数据采集与分析系统；采集地下水样品并检测pfas浓度，将pfas浓度检测结果录入所述数据采集与分析系统，建立系统运行基线数据；

25、在多层复合屏障系统运行期间，通过所述监测组件实时获取并传输水压力监测数据和含水率监测数据，定期采集地下水样品并检测pfas浓度，并将pfas浓度检测结果录入所述数据采集与分析系统；通过所述数据采集与分析系统比较所述屏障主体上游侧与下游侧的水压力监测数据、含水率监测数据和pfas浓度检测结果，分析pfas迁移趋势并评价所述屏障主体的服役性能。通过所述数据采集与分析系统比较所述屏障主体上游侧与下游侧的水压力监测数据、含水率监测数据和pfas浓度检测结果，分析pfas迁移趋势并评价所述屏障主体的服役性能。

26、优选地，该多层复合屏障系统的构建包括以下步骤：

27、步骤1，调查pfas污染场地，查明目标pfas的种类和浓度分布、污染区域范围、地下水流向、水力梯度以及地层结构；

28、步骤2，根据场地调查结果确定屏障主体的设置位置、延伸范围和各层厚度，并确定监测井的布设位置；

29、步骤3，沿pfas迁移方向依次构建污染源隔离层、第一功能吸附层、界面调控层、第二功能阻滞层和低渗防护层，形成屏障主体；

30、所述屏障主体采用分段沟槽开挖和分层回填方式施工，并按照污染源隔离层、第一功能吸附层、界面调控层、第二功能阻滞层和低渗防护层的顺序依次铺设；

31、施工过程中，控制由土质材料构成的各层的含水率和压实度，并控制相邻层之间的连续性；对所述污染源隔离层和所述低渗防护层中设置的土工膜层连接部位进行密封性检查与控制；

32、步骤4，在所述屏障主体沿pfas迁移方向的上游侧和下游侧分别设置监测井，在监测井内设置水压力传感器和地下水采样管，在监测井的周边土体中埋设含水率传感器；

33、步骤5，设置数据采集与分析系统，并建立该系统与两个传感器之间的关系。

34、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。

35、1.本发明沿pfas由污染区域向受保护区域的迁移方向依次设置污染源隔离层、第一功能吸附层、界面调控层、第二功能阻滞层和低渗防护层，使污染源侧隔离、pfas初级吸附、层间过渡、残余pfas阻滞和低渗防护形成连续的多层阻控结构。

36、2.本发明在第一功能吸附层中组合使用有机阳离子改性黏土材料和碳基吸附材料，并在第二功能阻滞层中组合使用黏土矿物材料和带正电功能材料，使不同材料的吸附位点、孔隙结构和迁移阻力相互配合，有利于对具有不同迁移特征的pfas进行连续吸附和阻滞。

37、3.本发明在第一功能吸附层与第二功能阻滞层之间设置界面调控层，有利于改善相邻功能层的接触连续性和孔隙过渡，限制细颗粒在相邻层之间迁移，降低因材料粒径及孔隙结构突变形成局部堵塞或优先通道的可能性。

38、4.本发明将前置吸附阻滞结构与低渗防护层组合，使到达低渗防护层的pfas质量通量得到前置削减，并通过低渗防护层进一步限制地下水渗流作用下pfas的对流迁移。

39、5.本发明在屏障主体上游侧和下游侧设置监测井，并将水压力数据、井周边土体含水率数据及地下水样品的pfas浓度检测结果输入数据采集与分析系统进行对比分析，有利于连续评价pfas迁移趋势和屏障服役性能，并根据预设风险控制阈值生成屏障检查提示和加密采样提示。