電極技術(shù)在填埋場地下水污染修復(fù)中的應(yīng)用

王雷 楊茹月

摘 要：由垃圾填埋場滲透產(chǎn)生的滲濾液經(jīng)常造成地下水的污染。在低氧條件下，受污染地下水中的氨氮通常難以衰減。由于受滲濾液污染的地下水中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)氯離子濃度處于較高水平，所以該文就一種由惰性電極組成的活性氯介導(dǎo)電化學(xué)修復(fù)受氨污染的地下水進(jìn)行分析，以期加強電動力學(xué)修復(fù)技術(shù)在地下水修復(fù)過程的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：電極；填埋場；地下水

中圖分類號：X523 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

地下水污染是垃圾填埋場最嚴(yán)重的環(huán)境風(fēng)險，這是由于垃圾滲濾液具有滲透性，容易造成各種污染物在地下環(huán)境中的擴散。垃圾滲濾液含有重金屬、有機物、氨和無機成分（例如氯離子和鈣離子）等各種污染物。根據(jù)現(xiàn)有的垃圾填埋場地下水水質(zhì)數(shù)據(jù)，溶解有機質(zhì)和氨是地下水環(huán)境中流動性較強的典型污染物，一般以化學(xué)需氧量（COD）或總有機碳（TOC）進(jìn)行量化，通常包括揮發(fā)性脂肪酸、溶解性腐殖質(zhì)類化合物以及源自家庭或工業(yè)化學(xué)品的外源有機化合物。在地下的超氧或低氧環(huán)境中，COD可以通過甲烷生成過程進(jìn)行自然衰減。然而，地下水中的氨卻很難通過還原過程進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化，這是因為氨中的氮表現(xiàn)出最低且最穩(wěn)定的還原價。因此，由于垃圾滲濾液的滲漏和轉(zhuǎn)移，許多垃圾填埋場中地下水的氨氮含量處于較高水平。

1 填埋場地下水污染修復(fù)技術(shù)分析

目前，從廢水或地表水中除氨的最成熟方法是同時進(jìn)行硝化和反硝化（SND）過程，該過程與硝化和反硝化細(xì)菌發(fā)揮的功能有關(guān)。氨的硝化作用通常是一個以氧為電子受體的自養(yǎng)生物過程；而后續(xù)的反硝化過程通常需要額外的碳源（硫、氫等還原性物質(zhì)）作為電子供體，最終實現(xiàn)亞硝酸鹽/硝酸鹽向氮氣的轉(zhuǎn)化。然而，在氨污染地下水的治理中，為了實現(xiàn)氨氮的轉(zhuǎn)化，需要對地下水中的溶解氧和電子供體進(jìn)行調(diào)節(jié)，該過程的經(jīng)濟實用性較差。除了生物轉(zhuǎn)化，吸附、離子交換和化學(xué)氧化（斷點氯化法）等過程對水溶液中氨氮的去除也有效。然而，這些技術(shù)并不適用于填埋場氨污染地下水的修復(fù)，尤其是長期原位修復(fù)的應(yīng)用。

2 電動力學(xué)修復(fù)技術(shù)在地下水修復(fù)過程的應(yīng)用

有學(xué)者認(rèn)為由正極和負(fù)極組成的電化學(xué)氧化還原體系可以為地下水中不同污染物的處理提供一種選擇。電化學(xué)法具有操作簡單、自動化程度高、反應(yīng)快和通用性強等優(yōu)點，是一種很有前途的污染地下水原位修復(fù)技術(shù)。已有研究證明電誘導(dǎo)氧化還原墻能夠在三氯乙烯和三氯甲烷污染場地的原位修復(fù)中發(fā)揮作用。

研究表明，由鐵陽極組成的太陽能電池驅(qū)動電化學(xué)系統(tǒng)可用于去除模擬地下水中的各種污染物，如TCE、Cr（VI）和硝酸鹽等物質(zhì)。一般來說，電解鐵離子和陰極上的電化學(xué)還原過程使電化學(xué)系統(tǒng)具備對污染物的去除能力。但是現(xiàn)有數(shù)據(jù)顯示，垃圾填埋場污染地下水中的氯離子濃度呈現(xiàn)出從百萬分之幾到千分之一不等的較高水平。針對受氨污染的地下水，需要重新優(yōu)化電化學(xué)系統(tǒng)以實現(xiàn)氨的轉(zhuǎn)化。這個重要的信息給予我們啟示，能產(chǎn)生活性氯（氯/次氯酸/次氯酸鹽）的電化學(xué)系統(tǒng)，可以用來修復(fù)垃圾填埋場地下的氨污染地下水。

3 電動力學(xué)修復(fù)技術(shù)在地下水修復(fù)的影響因素

電生成活性氯對氨氧化的影響主要在于電極材料、電流密度、初始pH、氯離子濃度和共存離子等一系列因素。同時，地下水位波動是含水層中一種常見的水文現(xiàn)象，如果采用原位修復(fù)，可能會改變電極的水流與反應(yīng)面積。因此，考慮含水層中水位的波動分析氨濃度變化較為科學(xué)?，F(xiàn)有研究表明，初始水位越高，罐式反應(yīng)器內(nèi)的地下水濃度越高，產(chǎn)生的活性氯也會被地下水進(jìn)一步稀釋。高水位污染地下水需要較長的時間才能達(dá)到活性氯的穩(wěn)定濃度，氨的濃度下降速度較慢。當(dāng)反應(yīng)過程達(dá)到穩(wěn)態(tài)時，不同初始水位的出水氨氮去除率是相同的，這可能是因為初始水位的變化并沒有改變電流強度（mA）與孔隙水體積的比值。然而，活性氯對氨氮氧化轉(zhuǎn)化在污染地下水的修復(fù)研究中還很少。

3.1 陽極材料影響

硝酸鹽也被認(rèn)為是地下水的一種污染物，因此從氨轉(zhuǎn)化為硝酸鹽對地下水的修復(fù)是不利的。開始電化學(xué)氧化后，硝酸鹽與轉(zhuǎn)化氨（η）的比值迅速上升，在含有氯離子的溶液中，活性氯氧化氨顯然是主要反應(yīng)，陽極上氨仍發(fā)生直接氧化。據(jù)報道，硝酸鹽的產(chǎn)生部分與電極上氨的直接氧化有關(guān)（如氨與陽極上吸附的自由基的反應(yīng)）。電極具有較高的氧化電勢，產(chǎn)生較強的氧化能力，可通過直接氧化過程將氨轉(zhuǎn)化為硝酸鹽。

3.2 電流密度的影響

調(diào)節(jié)電流密度是控制電化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)的一種簡便方法，電流密度越大，氨的去除率越高。電流密度為20 mA/cm2時，去除率最高，達(dá)88 %。由于陽極附近電活性氯的濃度與施加的電流密度成正比，較高的電流密度為氨氧化提供了更多的氧化活性氯，從而提高了去除率。當(dāng)電流密度超過15 mA/cm2時，特定的能源消耗迅速上升到價值高于1.13 kWh/gN，這表明，在250 mg/L氯化條件下，氧進(jìn)化的趨勢和電池電壓的上升占主要因素，而電流密度小于15 mA/cm2是較好的選擇。

3.3 電極的穩(wěn)定性

在現(xiàn)場修復(fù)中，電極的穩(wěn)定性是保證電極系統(tǒng)長期運行的關(guān)鍵。在恒電流條件下，電池電壓在7.6 V左右波動，在電解過程中沒有明顯上升。系統(tǒng)中陰極電解后表面形成了鱗片狀污垢，陰極上的垢物可以被識別為可能對電解產(chǎn)生不利影響的潛在因素，幸運的是，這些垢物可以通過極性反轉(zhuǎn)和陽極電解來清洗，如果在陰極上進(jìn)行極性反轉(zhuǎn)，電極上的污垢可以被清洗干凈。

4 結(jié)語

采用電化學(xué)生成活性氯治理地下水中的氨，可以有效地轉(zhuǎn)化為氮而不是亞硝酸鹽/硝酸鹽。同時，電流密度越高，產(chǎn)生的活性氯越多，對氨的去除效率越高，而當(dāng)電流與孔隙水體積比值發(fā)生變化時，水位的變化會改變氨的去除效率。

此外，與溶解的有機物相比，氨氮更容易受到氯介導(dǎo)的活性氧化。這初步表明，電動力學(xué)修復(fù)技術(shù)在垃圾填埋場地下水氨污染修復(fù)中具有廣闊的應(yīng)用前景。但在實際應(yīng)用前，還需對現(xiàn)場試驗進(jìn)行綜合評價。

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