電極技術在填埋場地下水污染修復中的應用

王雷 楊茹月

摘 要：由垃圾填埋場滲透產生的滲濾液經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常發現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電化學修復受氨污染的地下水進行分析，以期加強電動力學修復技術在地下水修復過程的應用。

關鍵詞：電極；填埋場；地下水

中圖分類號：X523 文獻標志碼：A

地下水污染是垃圾填埋場最嚴重的環境風險，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。根據現有的垃圾填埋場地下水水質數據，溶解有機質和氨是地下水環境中流動性較強的典型污染物，一般以化學需氧量（COD）或總有機碳（TOC）進行量化，通常包括揮發性脂肪酸、溶解性腐殖質類化合物以及源自家庭或工業化學品的外源有機化合物。在地下的超氧或低氧環境中，COD可以通過甲烷生成過程進行自然衰減。然而，地下水中的氨卻很難通過還原過程進行生物轉化，這是因為氨中的氮表現出最低且最穩定的還原價。因此，由于垃圾滲濾液的滲漏和轉移，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技術分析

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

2 電動力學修復技術在地下水修復過程的應用

有學者認為由正極和負極組成的電化學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。電化學法具有操作簡單、自動化程度高、反應快和通用性強等優點，是一種很有前途的污染地下水原位修復技術。已有研究證明電誘導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中發揮作用。

研究表明，由鐵陽極組成的太陽能電池驅動電化學系統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。一般來說，電解鐵離子和陰極上的電化學還原過程使電化學系統具備對污染物的去除能力。但是現有數據顯示，垃圾填埋場污染地下水中的氯離子濃度呈現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，需要重新優化電化學系統以實現氨的轉化。這個重要的信息給予我們啟示，能產生活性氯（氯/次氯酸/次氯酸鹽）的電化學系統，可以用來修復垃圾填埋場地下的氨污染地下水。

3 電動力學修復技術在地下水修復的影響因素

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象，如果采用原位修復，可能會改變電極的水流與反應面積。因此，考慮含水層中水位的波動分析氨濃度變化較為科學。現有研究表明，初始水位越高，罐式反應器內的地下水濃度越高，產生的活性氯也會被地下水進一步稀釋。高水位污染地下水需要較長的時間才能達到活性氯的穩定濃度，氨的濃度下降速度較慢。當反應過程達到穩態時，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化在污染地下水的修復研究中還很少。

3.1 陽極材料影響

硝酸鹽也被認為是地下水的一種污染物，因此從氨轉化為硝酸鹽對地下水的修復是不利的。開始電化學氧化后，硝酸鹽與轉化氨（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，陽極上氨仍發生直接氧化。據報道，硝酸鹽的產生部分與電極上氨的直接氧化有關（如氨與陽極上吸附的自由基的反應）。電極具有較高的氧化電勢，產生較強的氧化能力，可通過直接氧化過程將氨轉化為硝酸鹽。

3.2 電流密度的影響

調節電流密度是控制電化學反應動力學的一種簡便方法，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 電極的穩定性

在現場修復中，電極的穩定性是保證電極系統長期運行的關鍵。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和陽極電解來清洗，如果在陰極上進行極性反轉，電極上的污垢可以被清洗干凈。

4 結語

采用電化學生成活性氯治理地下水中的氨，可以有效地轉化為氮而不是亞硝酸鹽/硝酸鹽。同時，電流密度越高，產生的活性氯越多，對氨的去除效率越高，而當電流與孔隙水體積比值發生變化時，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的活性氧化。這初步表明，電動力學修復技術在垃圾填埋場地下水氨污染修復中具有廣闊的應用前景。但在實際應用前，還需對現場試驗進行綜合評價。

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