电极技术在填埋场地下水污染修复中的应用
发布日期：2019-10-11 来源：《中国新技术新产品》 作者：《中国新技术新产品》 浏览次数：1009
摘 要 ：由垃圾填埋场渗透产生的渗滤液经常造成地下水的污染。在低氧条件下，受污染地下水中的氨氮通常难 以衰减。由于受渗滤液污染的地下水中经常发现氯离子浓度处于较高水平，所以该文就一种由惰性电极组成的活 性氯介导电化学修复受氨污染的地下水进行分析，以期加强电动力学修复技术在地下水修复过程的应用。
关键词 ：电极 ；填埋场 ；地下水
地下水污染是垃圾填埋场最严重的环境风险，这是由 于垃圾渗滤液具有渗透性，容易造成各种污染物在地下环境 中的扩散。垃圾渗滤液含有重金属、有机物、氨和无机成分 （例如氯离子和钙离子）等各种污染物。根据现有的垃圾填埋场地下水水质数据，溶解有机质和氨是地下水环境中流动性 较强的典型污染物，一般以化学需氧量（COD）或总有机碳 （TOC）进行量化，通常包括挥发性脂肪酸、溶解性腐殖质类 化合物以及源自家庭或工业化学品的外源有机化合物。在地 下的超氧或低氧环境中，COD 可以通过甲烷生成过程进行自 然衰减。然而，地下水中的氨却很难通过还原过程进行生物转化，这是因为氨中的氮表现出最低且最稳定的还原价。因 此，由于垃圾渗滤液的渗漏和转移，许多垃圾填埋场中地下水的氨氮含量处于较高水平。
1 填埋场地下水污染修复技术分析
目前，从废水或地表水中除氨的最成熟方法是同时进行 硝化和反硝化（SND）过程，该过程与硝化和反硝化细菌发挥的功能有关。氨的硝化作用通常是一个以氧为电子受体的自养生物过程；而后续的反硝化过程通常需要额外的碳源（硫、 氢等还原性物质）作为电子供体，最终实现亚硝酸盐 / 硝酸 盐向氮气的转化。然而，在氨污染地下水的治理中，为了实现氨氮的转化，需要对地下水中的溶解氧和电子供体进行调 节，该过程的经济实用性较差。除了生物转化，吸附、离子 交换和化学氧化（断点氯化法）等过程对水溶液中氨氮的去 除也有效。然而，这些技术并不适用于填埋场氨污染地下水的修复，尤其是长期原位修复的应用。
2 电动力学修复技术在地下水修复过程的应用
有学者认为由正极和负极组成的电化学氧化还原体系 可以为地下水中不同污染物的处理提供一种选择。电化学法具有操作简单、自动化程度高、反应快和通用性强等优点， 是一种很有前途的污染地下水原位修复技术。已有研究证明电诱导氧化还原墙能够在三氯乙烯和三氯甲烷污染场地的原位修复中发挥作用。 研究表明，由铁阳极组成的太阳能电池驱动电化学系统 可用于去除模拟地下水中的各种污染物，如 TCE、Cr（VI） 和硝酸盐等物质。一般来说，电解铁离子和阴极上的电化学 还原过程使电化学系统具备对污染物的去除能力。但是现有数据显示，垃圾填埋场污染地下水中的氯离子浓度呈现出从 百万分之几到千分之一不等的较高水平。针对受氨污染的地v> 下水，需要重新优化电化学系统以实现氨的转化。这个重要的信息给予我们启示，能产生活性氯（氯 / 次氯酸 / 次氯酸 盐）的电化学系统，可以用来修复垃圾填埋场地下的氨污染地下水。
3 电动力学修复技术在地下水修复的影响因素
电生成活性氯对氨氧化的影响主要在于电极材料、电流 密度、初始 pH、氯离子浓度和共存离子等一系列因素。同 时，地下水位波动是含水层中一种常见的水文现象，如果采 用原位修复，可能会改变电极的水流与反应面积。因此，考 虑含水层中水位的波动分析氨浓度变化较为科学。现有研究 表明，初始水位越高，罐式反应器内的地下水浓度越高，产 生的活性氯也会被地下水进一步稀释。高水位污染地下水需 要较长的时间才能达到活性氯的稳定浓度，氨的浓度下降速 度较慢。当反应过程达到稳态时，不同初始水位的出水氨氮 去除率是相同的，这可能是因为初始水位的变化并没有改变 电流强度（mA）与孔隙水体积的比值。然而，活性氯对氨氮 氧化转化在污染地下水的修复研究中还很少。
3.1 阳极材料影响
硝酸盐也被认为是地下水的一种污染物，因此从氨转化 为硝酸盐对地下水的修复是不利的。开始电化学氧化后，硝 酸盐与转化氨（η）的比值迅速上升，在含有氯离子的溶液中， 活性氯氧化氨显然是主要反应，阳极上氨仍发生直接氧化。据 报道，硝酸盐的产生部分与电极上氨的直接氧化有关（如氨与阳极上吸附的自由基的反应）。电极具有较高的氧化电势，产 生较强的氧化能力，可通过直接氧化过程将氨转化为硝酸盐。
3.2 电流密度的影响
调节电流密度是控制电化学反应动力学的一种简便方 法，电流密度越大，氨的去除率越高。电流密度为 20 mA/cm2 时，去除率最高，达 88 %。由于阳极附近电活性氯的浓度与施加的电流密度成正比，较高的电流密度为氨氧化提供了更多的氧化活性氯，从而提高了去除率。当电流密度超过 15 mA/cm2 时，特定的能源消耗迅速上升到价值高于 1.13 kWh/gN，这表 明，在 250 mg/L 氯化条件下，氧进化的趋势和电池电压的上升占主要因素，而电流密度小于 15 mA/cm2 是较好的选择。
3.3 电极的稳定性
在现场修复中，电极的稳定性是保证电极系统长期运行的关键。在恒电流条件下，电池电压在 7.6 V 左右波动，在电解过程中没有明显上升。系统中阴极电解后表面形成了鳞片状污垢，阴极上的垢物可以被识别为可能对电解产生不利 影响的潜在因素，幸运的是，这些垢物可以通过极性反转和阳极电解来清洗，如果在阴极上进行极性反转，电极上的污垢可以被清洗干净。
4 结语
采用电化学生成活性氯治理地下水中的氨，可以有效地转化为氮而不是亚硝酸盐 / 硝酸盐。同时，电流密度越高，产生的活性氯越多，对氨的去除效率越高，而当电流与孔隙水 体积比值发生变化时，水位的变化会改变氨的去除效率。 此外，与溶解的有机物相比，氨氮更容易受到氯介导的 活性氧化。这初步表明，电动力学修复技术在垃圾填埋场地下水氨污染修复中具有广阔的应用前景。但在实际应用前， 还需对现场试验进行综合评价。
关键词 ：电极 ；填埋场 ；地下水
地下水污染是垃圾填埋场最严重的环境风险，这是由 于垃圾渗滤液具有渗透性，容易造成各种污染物在地下环境 中的扩散。垃圾渗滤液含有重金属、有机物、氨和无机成分 （例如氯离子和钙离子）等各种污染物。根据现有的垃圾填埋场地下水水质数据，溶解有机质和氨是地下水环境中流动性 较强的典型污染物，一般以化学需氧量（COD）或总有机碳 （TOC）进行量化，通常包括挥发性脂肪酸、溶解性腐殖质类 化合物以及源自家庭或工业化学品的外源有机化合物。在地 下的超氧或低氧环境中，COD 可以通过甲烷生成过程进行自 然衰减。然而，地下水中的氨却很难通过还原过程进行生物转化，这是因为氨中的氮表现出最低且最稳定的还原价。因 此，由于垃圾渗滤液的渗漏和转移，许多垃圾填埋场中地下水的氨氮含量处于较高水平。
1 填埋场地下水污染修复技术分析
目前，从废水或地表水中除氨的最成熟方法是同时进行 硝化和反硝化（SND）过程，该过程与硝化和反硝化细菌发挥的功能有关。氨的硝化作用通常是一个以氧为电子受体的自养生物过程；而后续的反硝化过程通常需要额外的碳源（硫、 氢等还原性物质）作为电子供体，最终实现亚硝酸盐 / 硝酸 盐向氮气的转化。然而，在氨污染地下水的治理中，为了实现氨氮的转化，需要对地下水中的溶解氧和电子供体进行调 节，该过程的经济实用性较差。除了生物转化，吸附、离子 交换和化学氧化（断点氯化法）等过程对水溶液中氨氮的去 除也有效。然而，这些技术并不适用于填埋场氨污染地下水的修复，尤其是长期原位修复的应用。
2 电动力学修复技术在地下水修复过程的应用
有学者认为由正极和负极组成的电化学氧化还原体系 可以为地下水中不同污染物的处理提供一种选择。电化学法具有操作简单、自动化程度高、反应快和通用性强等优点， 是一种很有前途的污染地下水原位修复技术。已有研究证明电诱导氧化还原墙能够在三氯乙烯和三氯甲烷污染场地的原位修复中发挥作用。 研究表明，由铁阳极组成的太阳能电池驱动电化学系统 可用于去除模拟地下水中的各种污染物，如 TCE、Cr（VI） 和硝酸盐等物质。一般来说，电解铁离子和阴极上的电化学 还原过程使电化学系统具备对污染物的去除能力。但是现有数据显示，垃圾填埋场污染地下水中的氯离子浓度呈现出从 百万分之几到千分之一不等的较高水平。针对受氨污染的地v> 下水，需要重新优化电化学系统以实现氨的转化。这个重要的信息给予我们启示，能产生活性氯（氯 / 次氯酸 / 次氯酸 盐）的电化学系统，可以用来修复垃圾填埋场地下的氨污染地下水。
3 电动力学修复技术在地下水修复的影响因素
电生成活性氯对氨氧化的影响主要在于电极材料、电流 密度、初始 pH、氯离子浓度和共存离子等一系列因素。同 时，地下水位波动是含水层中一种常见的水文现象，如果采 用原位修复，可能会改变电极的水流与反应面积。因此，考 虑含水层中水位的波动分析氨浓度变化较为科学。现有研究 表明，初始水位越高，罐式反应器内的地下水浓度越高，产 生的活性氯也会被地下水进一步稀释。高水位污染地下水需 要较长的时间才能达到活性氯的稳定浓度，氨的浓度下降速 度较慢。当反应过程达到稳态时，不同初始水位的出水氨氮 去除率是相同的，这可能是因为初始水位的变化并没有改变 电流强度（mA）与孔隙水体积的比值。然而，活性氯对氨氮 氧化转化在污染地下水的修复研究中还很少。
3.1 阳极材料影响
硝酸盐也被认为是地下水的一种污染物，因此从氨转化 为硝酸盐对地下水的修复是不利的。开始电化学氧化后，硝 酸盐与转化氨（η）的比值迅速上升，在含有氯离子的溶液中， 活性氯氧化氨显然是主要反应，阳极上氨仍发生直接氧化。据 报道，硝酸盐的产生部分与电极上氨的直接氧化有关（如氨与阳极上吸附的自由基的反应）。电极具有较高的氧化电势，产 生较强的氧化能力，可通过直接氧化过程将氨转化为硝酸盐。
3.2 电流密度的影响
调节电流密度是控制电化学反应动力学的一种简便方 法，电流密度越大，氨的去除率越高。电流密度为 20 mA/cm2 时，去除率最高，达 88 %。由于阳极附近电活性氯的浓度与施加的电流密度成正比，较高的电流密度为氨氧化提供了更多的氧化活性氯，从而提高了去除率。当电流密度超过 15 mA/cm2 时，特定的能源消耗迅速上升到价值高于 1.13 kWh/gN，这表 明，在 250 mg/L 氯化条件下，氧进化的趋势和电池电压的上升占主要因素，而电流密度小于 15 mA/cm2 是较好的选择。
3.3 电极的稳定性
在现场修复中，电极的稳定性是保证电极系统长期运行的关键。在恒电流条件下，电池电压在 7.6 V 左右波动，在电解过程中没有明显上升。系统中阴极电解后表面形成了鳞片状污垢，阴极上的垢物可以被识别为可能对电解产生不利 影响的潜在因素，幸运的是，这些垢物可以通过极性反转和阳极电解来清洗，如果在阴极上进行极性反转，电极上的污垢可以被清洗干净。
4 结语
采用电化学生成活性氯治理地下水中的氨，可以有效地转化为氮而不是亚硝酸盐 / 硝酸盐。同时，电流密度越高，产生的活性氯越多，对氨的去除效率越高，而当电流与孔隙水 体积比值发生变化时，水位的变化会改变氨的去除效率。 此外，与溶解的有机物相比，氨氮更容易受到氯介导的 活性氧化。这初步表明，电动力学修复技术在垃圾填埋场地下水氨污染修复中具有广阔的应用前景。但在实际应用前， 还需对现场试验进行综合评价。