重金屬污染底泥的電動力學修復技術研究進展

李 靜，唐青楓，張靈杰，陸春海

(1.成都理工大學 國家環(huán)境保護水土污染協(xié)同控制與聯(lián)合修復重點實驗室，四川 成都 610059； 2.成都理工大學 地學核技術四川省重點實驗室，四川 成都 610059)

底泥污染是城市河流污染的重要研究內(nèi)容之一，也是世界范圍的一個突出環(huán)境問題[1]。作為水體生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，底泥不僅是水體營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)的中心環(huán)節(jié)，而且也是營養(yǎng)物質(zhì)的主要聚集庫。底泥作為水環(huán)境污染物的最終歸宿，水環(huán)境中大量的有毒重金屬通過一系列相互作用沉積在底泥當中[2]，底泥中的重金屬會在后處理和污泥利用過程中造成二次污染[3]。

1 底泥中重金屬的來源及危害

大多數(shù)重金屬對環(huán)境和人類產(chǎn)生有害影響。例如：Cd在腎臟中累積，且毒性易影響腎臟[4]。As可能會誘發(fā)的皮膚癌，砷主要是通過攝入食物和飲用水進入人體[5]。低濃度Hg在體內(nèi)會誘導活性氧物質(zhì)釋放并抑制中和活性氧物質(zhì)的酶[6]。底泥中重金屬來源有自然因素和人為因素，底泥中的重金屬主要有8種，Cd、Cr、Pb、Hg、As、Ni、Cu、Mn，80%以上的Cu、Pb和60%以上的Cr、Cd以有機態(tài)和硫化物的形式存在。弓曉峰[7]等人對潘陽湖底泥進行采樣分析，發(fā)現(xiàn)已受到了不同程度的重金屬污染、各污染物的污染程度大小排列次序為：Cu>Pb>Zn>Cd，主要來源是銅礦開采過程中的酸性廢液排放。葉宏萌[8]等人發(fā)現(xiàn)武夷山某荷塘底泥中的重金屬不僅源于土壤母質(zhì)、生活源、交通運輸排放和大氣沉降等，荷塘的農(nóng)業(yè)管理方式和肥料施用量等也會對蓮的重金屬含量產(chǎn)生不同影響。由于附近金屬工廠的廢水直接進入東大溝河(黃河支流)，導致該直流沉積物中Cd、Hg和As的含量超過國家二級標準[9]。

2 污染底泥中重金屬的修復技術

目前去除城市河道底泥中的重金屬元素的研究主要集中在：化學修復、物理修復、生物修復、電動力學修復等技術[10]?；瘜W修復利用化學制劑與污染物發(fā)生氧化、還原、沉淀、聚合等反應，使污染物從底泥中分離、轉(zhuǎn)化成低毒或無毒的化學形態(tài)，成本高，操作麻煩。物理修復有底泥生態(tài)疏浚、引水、掩蔽等方法，見效快，但工程量大、耗財耗力且修復效果達標難。生物修復分為植物修復和微生物修復。植物修復利用特定植物對某種環(huán)境污染物的吸收、超量積累、降解、固定、轉(zhuǎn)移、揮發(fā)及促進根際微生物共存體系等特性，通過在污染地種植植物進行修復。其優(yōu)點在于處理成本低，操作簡單；易于后處理、效果持久、安全可靠，但是處理速度慢、超富集植物對重金屬具有一定的選擇性。電動力修復技術是一種新興的技術，也可稱為電動恢復、電化學凈化它的優(yōu)勢在于費用低、試劑用量少、安裝方便、操作簡單、能耗低和處理徹底并且能對多種污染物進行去除。

3 電動力學修復技術

3.1 電動力學修復技術的原理及特點

電動力學修復可以通過電滲，電泳和電遷移過程轉(zhuǎn)移多種污染物[11-12]，從而利用弱電場去除土壤中無機和重金屬化合物、降解有機污染物[13]。與其他修復方式相比，電動力學可以解決包括環(huán)境條件，營養(yǎng)物質(zhì)，污染物的性質(zhì)等問題[14]。在電動力學修復過程中會發(fā)生各種反應：(1S)水分子發(fā)生電解，并且在陽極室中形成過量的氫離子，在陰極室中形成氫氧根離子[15]。電解反應的結(jié)果是陽極呈酸性，陰極呈堿性?；旧?，陽極處的pH值將急劇下降并在pH值=2.0～3.0時達到穩(wěn)定性，而在陰極pH值下將增加至12.0，這種情況對電動力學修復有些不利影響。(2)通過向電極施加電場，離子以及帶電膠體(包括陽極，陰極和底泥中的生物膠體(電泳)將朝向具有相反電荷的電極遷移。由于大多數(shù)粘土礦物具有負電荷，負離子將流動并將水分子從陽極室?guī)У疥帢O室(電滲透)。對于去除污染底泥中的重金屬并對它們靠近電極有著重要作用[16-17]。(3)過量的負離子或正離子將向相對電極遷移，導致電滲。(4)在電動力過程中電解質(zhì)濃度越高，氧化過程發(fā)生的可能性越大[18-19]。

3.2 電動力學修復中的電解質(zhì)

利用電動力學修復去除污泥中重金屬的研究主要集中在將污泥置于陽極室和陰極區(qū)域之間，污泥中可能會存在一些重金屬如硫化物、Hg等其導電性很差，為了去除他們就需要初步溶解金屬。在這種情況下可以通過添加酸降低pH值[20]，或改變陰極室中的電解質(zhì)完成[21]。較低的pH值可以通過將穩(wěn)定的重金屬化合物溶解和分解為可交換的金屬離子形態(tài)來提高重金屬的去除率[22]。然而，去除效率隨所用化學品(陽極電解液)和金屬修復的類型而變化[23]。例如，Lee[24]等人將KH2PO4作為陽極電解液對于As和Cu的去除效率明顯，但去除Pb和Zn的效率相對較低(<20%)。Rozas和Castellote[25]分析了在不同電解質(zhì)的類型、應用水平、沉淀常數(shù)和螯合平衡、陰極電解質(zhì)和陽極電解液的初始和最終pH以及zeta電位的去除重金屬的有效性。Zeta電位取決于溶液中的pH和離子濃度[26]，Zeta電位是確定土壤水孔基質(zhì)中電動力學反應的關鍵參數(shù)，不同的電解質(zhì)溶液的zeta電位、陰極溶液的pH值都會影響電動修復的效率。陽離子表面活性劑使得zeta電位在酸性條件下更加陽性，反之亦然，陰離子表面活性劑降低了zeta電位值。非離子表面活性劑也能夠降低zeta值，盡管不如陰離子表面活性劑那么多。更負的zeta電位可以通過向特定介質(zhì)中添加陽離子實現(xiàn)。電解質(zhì)中增強劑可以與黏土顆粒緊密結(jié)合在一起，它對于增加有機和金屬化合物的去除也是必不可少的。使用與螯合劑混合的表面活性劑可以提高電滲率[13]。使用適當?shù)碾娊赓|(zhì)(蒸餾水，有機酸或合成螯合物)可以提高電動修復方法的去除效率[27]。因為大多數(shù)金屬乙酸鹽可以溶解，乙酸作為陰極電解液。其具有高生物降解性，醋酸根離子可以防止在陰極形成不溶性鹽，從而防止電導率增加和增加能量消耗[28]。硝酸最好與表面活性劑一起使用，支持電滲透增強并增強溶解過程和烴類氧化。檸檬酸銨的使用對zeta電位降低有影響，從而增加陽離子去除[26]。Lee等[29]人通過添加乙二胺二琥珀酸鹽(EDDS)提高Pb和Cd的修復效率。在螯合劑中，EDTA被認為是對重金屬元素Pb最有效的電動力學修復添加劑[30]。

Ammami M T[31]等人施加與低濃度檸檬酸和表面活性劑吐溫20相關的周期性電壓梯度為去除海洋沉積物中的Zn、Cd，吐溫80和SDBS(3∶2)的混合物可以在1.5 V/cm的電壓梯度下將解吸10天后污染物的去除效率達到64.58%[32]。Pedersen K B[33]等人采用電滲析去除港口沉積物重金屬，同時滿足低電流密度和酸化兩個條件，其生物堿修復可以進行。鐘青云[34]等人研究發(fā)現(xiàn)添加磷酸氫二銨對底泥中Pb的穩(wěn)定有良好效果，然而對Zn、As卻產(chǎn)生了極大的活化作用、碳酸鈣對底泥中的Pb、Cd、Zn的穩(wěn)定有良好效果，但是對As的穩(wěn)定沒有明顯作用。Krcmar D[35]等人為了增強電場面積，提高泥漿中去除重金屬的驅(qū)動力以及更高的傳輸速度，采用六方二維系統(tǒng)進行電動處理。Jing J[36]等人開發(fā)了一種簡單的一步法合成方法，將富鐵污水污泥轉(zhuǎn)化為顆粒污泥碳(GSC)，進一步用作三維電化學反應器(3DER)中的顆粒電極進行廢水處理。

3.3 電動力學聯(lián)合修復技術

電動力修復技術還能夠與其他技術聯(lián)合使用。電動-生物聯(lián)合修復技術克服了生物修復周期長的特點，它只需要很短的處理時間，降解和去除相同量的污染物時，電動-生物聯(lián)合修復技術需要在5～50天[17]，生物修復14～90天才能完成[37]。

4 總結(jié)

電動力學修復具有修復效率高，操作簡便等優(yōu)點。針對底泥中重金屬的修復采用電動力學目前已有很多學者研究，在電動力修復過程中不同電解質(zhì)的添加會對其修復效率產(chǎn)生影響，通過添加有機酸、契合劑等可以有效改善修復效果。除此之外采用電動力學修復與生物修復方式相結(jié)合，也能夠提高重金屬的去除率。今后應多研究電動力學修復與其他修復方式聯(lián)合使用對于底泥中重金屬的修復效果，尋求到更有效，耗能更低的方法。