电动力学技术强化原位生物修复研究
电动力学修复
电动力学修复技术电动力学修复技术是利用土壤和污染物电动力学性质对环境进行修复的新兴技术。
电动力学修复技术既克服传统技术严重影响土壤结构和地下水所处生态环境的缺点，又可以克服现场生物修复过程非常缓慢、效率低的缺点，且投资比较少，成本比较低廉。
技术原理将电极插入受污染的地下水及土壤区域，在施加直流电后，形成直流电场。
由于土壤颗粒表面具有双电层、孔隙水中离子或颗粒带有电荷，引起土壤孔隙水及水中的离子和颗粒物质沿电场方向进行定向运动，统称为动电效应或电动力学现象。
土壤孔隙表面带负电荷，并与孔隙水中的离子形成双电层。
扩散双电层引起孔隙水沿电场从阴极向阳极方向流动，成为电渗析。
孔隙水流动速度与双电层厚度（土壤孔隙表面的Zeta 电位）或者说与水流所携带的动电电流成正比，而与水流中电解质的浓度关系不大。
土壤颗粒表面的双电层厚度一般约为10nm左右，不同类型的土壤带有的电荷及形成的双电层厚度是不同的：沙土<细沙土<高岭土<蒙脱土。
电渗析流与外加电压梯度成正比。
在电压梯度为1V/cm时，电渗析流量高达10-4cm3/(cm2·s）。
电渗析流用以下方程描述：Q=k e×i e×A式中Q是体积流量，k e是电渗析导率系数,一般范围在1×10-9 ~10×10-9 m2/(V·s)，i e是电压梯度，A是截面积。
电渗析在土壤孔隙中产生的水流比较均匀，流动方向容易控制。
对于结合紧密的粘土土壤，电渗析产生的水流渗透率高于水力学渗透率的几个数量级，而且动力消耗低。
电渗析流的速度一般约为2.5cm/d。
通过电渗析方法，密实土壤中的污染物可以被抽取出来以便进行适当的处理。
但是电渗析流也容易引起土壤夯实或裂缝，不易稳定的长期操作。
电动力学第二种机理是带电离子的迁移活动，简称电迁移。
在直流电场中，正离子向阳极迁移，负离子向阴极迁移。
离子在单位电场梯度（也就是1V/cm）中的迁移速度称为离子淌度。
电动力学新技术及其在重金属污染土壤修复中的应用研究
电动力学新技术及其在重金属污染土壤修复中的应用研究
电动力学新技术是一种新型的物理处理技术，它利用电场的作用而发生变形、聚集和吸附，从而达到净化土壤及水体的目的，是土壤和水体修复领域节能减排、非破坏性、无环境污染的基本处理技术。
电动力学技术在重金属污染土壤修复中的应用，主要是通过电场来增大重金属的容量和活性，通过强膨胀颗粒吸附和集合的过程，来排除重金属污染物。
电动力学技术可分为机械式、物理化学式、采用光谱分析仪、温度和pH加热法等。
其中，机
械式电动力学技术是在土壤中加入助剂，再进行振动和机械搅拌，使土壤中的粒子变小，从而增大容量，将污染物排除出土壤，起到净化作用。
物理化学式，则是利用电场将污染物和助剂混合、聚合、变形，然后清淤出来，实现土壤的净化与修复。
此外，采用光谱分析仪、温度和pH加热法等进行的电动力学处理，也可以有效地
净化污染土壤，实现土壤重金属污染的降解和清理。
电动力学技术用于土壤修复时，具有以下优点：
首先，电动力学处理土壤时操作简便，可大大提高土壤修复的效率。
其次，电动力学处理污染土壤的污染物可以彻底移除，而无需像其它处理方式一样需要进行测量、处理和转移，因此可以节省大量的时间和金钱。
再者，电动力学处理对土壤结构无损伤，不会造成污染物扩散和土壤质量降低。
最后，电动力学处理不会造成环境污染，为环境保护有一定的积极作用。
总而言之，电动力学技术在解决重金属污染问题中有着广泛的应用，无论从节能减排、非破坏性或环境污染等方面都是一种理想的技术手段，其应用对重金属污染土壤的修复活动具有重要意义。
8种土壤原位修复技术
8种土壤原位修复技术土壤原位修复技术是指在污染土壤不被挖掘、移动的情况下直接进行处理，以减少或消除土壤中污染物的过程。
以下是8种常见的土壤原位修复技术：1.热脱附（Thermal Desorption）**-通过加热土壤到一定程度，促使污染物挥发成气态，然后通过捕集系统将这些气体收集并处理，从而去除土壤中的有机污染物。
2.原位生物修复（In Situ Bioremediation）**-利用土壤中存在的自然微生物群落或引入特定的有益微生物来分解土壤中的石油烃类、某些重金属等污染物。
3.化学氧化（Chemical Oxidation）**-添加化学氧化剂（如过硫酸盐、高锰酸钾等）到土壤中，与污染物发生氧化反应，使其转化为低毒或无毒的物质。
4.电动力学修复（Electrokinetic Remediation）**-在土壤中布置电极，利用电解过程驱动污染物离子迁移并通过集中的提取区域进行收集和处理。
5.渗透反应墙（Permeable Reactive Barrier, PRB）**-在地下水流动路径上构建一个含有特定反应材料的墙体，当污染水流经时，污染物会与墙体内的材料发生化学反应，从而达到净化目的。
6.蒸汽注入（Steam Injection）**-向土壤中注入蒸汽，通过加热使污染物蒸发，然后通过抽提井收集蒸气并进行后续处理。
7.原位稳定化/固化（In Situ Stabilization/Solidification, S/S）**-将化学制剂（例如水泥、石灰、磷酸盐等）直接注入受污染的土壤中，使污染物与固化剂结合形成稳定的固体形态，降低其迁移性和生物可利用性。
8.土壤冲洗（Soil Washing）**-虽然严格意义上不属于完全的原位修复技术，但有时也包括局部机械扰动后采用水或其他溶剂清洗土壤，溶解并移除污染物，然后通过物理分离或化学沉淀方式回收污染物。
以上各种技术的选择取决于土壤类型、污染物性质、场地条件及环境因素，并且在实际应用中可能会有多种技术组合使用以实现最佳修复效果。
矿石中重金属的去除新技术研究
矿石中重金属的去除新技术研究在当今的工业生产和资源开发领域，矿石中重金属的去除是一个至关重要的课题。
随着工业化进程的加速，对矿石的需求不断增长，然而矿石中常常伴生着各种重金属，如铅、汞、镉、铬等。
这些重金属若未经有效处理而释放到环境中，将对生态系统和人类健康造成严重威胁。
因此，研究和开发高效、经济、环保的矿石中重金属去除新技术具有极其重要的意义。
一、矿石中重金属的来源与危害矿石中的重金属主要来源于地质过程中的成矿作用以及人类活动的污染。
在成矿过程中，某些重金属元素会与其他矿物质结合形成矿石。
而人类的采矿、选矿、冶炼等活动则可能进一步导致重金属的释放和扩散。
重金属对环境和生物的危害是多方面的。
首先，它们具有毒性，能够在生物体内积累，影响生物体的正常生理功能。
例如，铅会损害神经系统和造血系统，导致智力下降、贫血等症状；汞会损害中枢神经系统和肾脏，引发水俣病等严重疾病。
其次，重金属在环境中难以降解，会通过食物链不断富集，对生态平衡造成破坏。
此外，重金属污染还会导致土壤质量下降、水体污染等问题，影响农业生产和水资源的利用。
二、传统的矿石中重金属去除技术传统的矿石中重金属去除技术主要包括物理法、化学法和生物法。
物理法主要包括重选、磁选、浮选等选矿方法，通过物理性质的差异将重金属与矿石分离。
然而，这些方法对于粒度较细、含量较低的重金属去除效果往往不佳。
化学法包括酸浸、碱浸、氧化还原等方法。
酸浸法是常用的化学提取方法之一，通过使用强酸将重金属从矿石中溶解出来，但该方法容易产生大量的废水和废渣，处理成本较高，且可能造成二次污染。
生物法是利用微生物或植物对重金属的吸附、吸收和转化作用来去除重金属。
例如，某些细菌和真菌能够将重金属离子转化为低毒性的形态。
然而，生物法的处理效率相对较低，且受环境条件的影响较大。
三、新兴的矿石中重金属去除技术随着科技的不断进步，一些新兴的矿石中重金属去除技术逐渐崭露头角。
1、纳米技术纳米材料具有巨大的比表面积和特殊的表面性质，能够有效地吸附和去除重金属离子。
土壤常规原位修复技术简介
土壤常规原位修复技术简介1、物理-化学修复技术物理-化学修复是利用污染物或污染介质的物理化学特性，以破坏（如改变化学性质）、分离或固化污染物为主要方式，具有实施周期短、可用于处理各种污染物等优点。
主要包括：原位加热抽提技术处理技术、原位土壤固化-稳定化技术、原位淋洗技术、原位氧化还原技术、原位电动力学修复技术和土壤性能改良技术等。
①原位加热抽提技术该技术通过抽气井产生真空，使形成一个压力或浓度梯度，并使气相中的挥发性有机物由抽气井抽出，从而使土壤中的挥发性或半挥发性污染物质得到去除。
工程实施时，往往需要在地表面覆盖地形膜，以防止发生短路，并可增加抽气井的作用范围。
该技术主要用于挥发性有机污染物(通常为亨利系数，大于0.01或者蒸汽压大于66.66Pa的有机物)的处理，但要求土壤的质地均一、渗透性好、孔隙率大、湿度小且地下水位较低。
有时，该技术也用于去除土壤中的油类、有机金属、多环芳烃(PAHs)或二噁英等污染物。
另外，由于原位蒸汽抽提技术在实施时向土壤中连续引入空气流，促进了土壤中一些低挥发性有机物的生物好氧降解过程。
根据要求的修复程度、修复土壤的体积、污染物浓度及分布、现场条件(如土壤渗透性、各向异质性等)、工艺设施的工作能力等情况的不同，该技术所需的实施时间为，6~12个月，所需费用约为26~78美元/m3 。
A=空气C=污染E=抽取（引风机）图1原位加热抽提技术示意图②土壤淋洗技术土壤淋洗技术指借助能促进土壤环境中污染物溶解或迁移作用的溶剂，通过水力压头推动清洗液，将其注入被污染土层中，然后再将包含污染物的液体从土层中抽提出，在地面处理后再排放或回灌的一种方法。
由于淋洗液的注入，可改变地下水/土壤与污染物的吸/脱附特性、氧化还原状态、界面张力、酸碱状态及分配、溶解、沉淀状态等，达到增加污染物溶解度，造成污染物与溶液形成乳液（emulsion）或产生化学反应，促使原本吸附在土壤中或以液体型式存在的污染物容易随地下水移动，从而去除污染物。
地下水生态修复技术
地下水生态修复技术随着科学技术的进步，各项地下水修复技术也在不断发展，有传统修复技术、气体抽提技术、原位化学反应技术、生物修复技术、植物修复技术、空气吹脱技术、水力和气压裂缝方法、污染带阻截墙技术、稳定和固化技术以及电动力学修复技术等。
1.传统修复技术采用传统修复技术处理受到污染的地下水层时，用水泵将地下水抽取出来，在地面进行处理、净化。
这样，一方面取出来的地下水可以在地面得到合适的处理、净化，然后再重新注入地下水或者排放进入地表水体，从而减少了地下水和土壤的污染程度；另一方面可以防止受污染的地下水向周围迁移，减少污染扩散。
2.原位化学反应技术微生物生长繁殖过程存在必需营养物，通过深井向地下水层中添加微生物生长过程必需的营养物和具有高氧化还原电位的化合物，改变地下水体的营养状况和氧化还原状态，依靠本土微生物的作用促进地下水中污染物分解和氧化。
3.生物修复技术原位自然生物修复，是利用土壤和地下水原有的微生物，在自然条件下对污染区域进行自然修复。
但是，自然生物修复也并不是不采取任何行动措施，同样需要制定详细的计划方案，鉴定现场活性微生物，监测污染物降解速率和污染带的迁移等。
原位工程生物修复指采取工程措施，有目的地操控土壤和地下水中的生物过程，加快环境修复。
原位工程生物修复技术有两种途径：一种途径是提供微生物生长所需要的营养，改善微生物生长的环境条件，从而大幅度提高野生微生物的数量和活性，提高其降解污染物的能力，这种途径称为生物强化修复；另一种途径是投加实验室培养的对污染物具有特殊亲和性的微生物，使其能够降解土壤和地下水中的污染物，称为生物接种修复。
地面生物处理是将受污染的土壤挖掘出来，在地面建造的处理设施内进行生物处理，主要有泥浆生物反应器和地面堆肥等。
4.生物反应器法生物反应器法是把抽提地下水系统和回注系统结合并加以改进的方法，就是将地下水抽提到地上，用生物反应器加以处理的过程。
这种处理方法自然形成一个闭路环，包括以下4个步骤。
地下水环境修复技术进展
种含硫多齿配位化合物能够安全有效地去除这些金属离子
１ 异 位 修 复 ． ４
异位修复是将地下水通过水泵抽取提升至地上后进行处理 ， 达标后
进行 回灌 主要的处理技术有 ： 第一 ． 膜技术。 利用半 渗透膜 、 反渗透膜等 分离水中有机物 、 重金属 和盐类 。 第二 ． 生物降解。 利用污水处理工艺（ 例
控制阳极 的极 化。在低渗透性土壤中可通过添加氧化剂或 控制 ｐ Ｈ值等 方法来增强 电动力修复效率。ＳｏＳｍｋ ｏ—ａ ｍ等的研究表明 ． Ｈ０ 和弱 ｉ 以 ’
酸作 为阳极 洗剂 ，可以有效去 除低渗 透性 土壤 中不溶性有 机污染 物 ；
物的生物可利用率等因素有关。因此 ． 研究的热点集中在通过传送营养物 质、 电子受体 、 表面活性剂、 共代谢基质等增加微生物的活性 ． 污染物的生 物可利用性或添加生物催化剂加速生物降解速度和效率等方面 对于难降解 的污染物 ． 原生微生物 的降解效 率并不 高 ， 有必要 驯化 培养一些具 有特定性能能高速分解难 降解化合物并能 与原生微生 物共
微生物修复就是利用原生微生物在污染场地不同区域的好 氧、 氧、 兼
厌氧微生物反应降解污染物质的环境修复方法。 一般 单纯利用原生微生物 降解污染物 ． 降解效率低， 所需时间长。因此 ， 强化原生微生物降解污染物
的效率就十分关键。研究表明 ， 微生物的降解效果与温度 、 营养物质 、 污染
活性渗滤墙技术是一种 原位被动修复技术 ， 其原理是 当地下水通过
活性渗滤墙 时． 污染物与墙体材 料发生 化学 反应而被 除去 。 目 前活性材 料常用 的是 活性 炭 、 零价铁等 ． 因其 能有 效吸附和降解多种重金 属和有
机污染物且 价格便宜而受到重视 。活性炭是强大的吸附材料 ． 可将通过
土壤修复复习题剖析
一、名词解释环境：环境是对某一中心事物而言，广义指围绕着人群的空间及其可影响人类生产、生活和发展的各种自然因素和社会因素的总和。
土壤污染：对人类及动、植物有害的化学物质经人类活动进入土壤，其积累数量和速度超过土壤净化速度的现象。
超富集植物：能够超量吸收和积累重金属的植物。
土壤背景值：未受或少受人类活动（特别是人为污染）影响的土壤环境本身的化学元素组成及其含量。
水体富营养化：湖泊、水库和海湾等封闭或半封闭的水体中氮磷等植物营养物质含量过多所引起的水质污染现象。
农药残留期：土壤中农药因降解等原因含量减少75%-100%所需要的时间。
土壤圈：覆盖于地球和浅水域底部的土壤所构成的一种连续体或覆盖层，它是地圈系统的重要组成部分。
土壤污染修复技术：采用化学、物理学和生物学的技术和方法从降低土壤中污染物的浓度，固定土壤污染物，将土壤污染物转化成为低毒或无毒的物质，阻断土壤污染物在生态系统中的转移途径的总称。
原位修复技术：对未挖掘的土壤进行治理的过程，对土壤没有太大的扰动。
土壤生物污染：指一个或几个有害的生物种群从外界环境侵入土壤，大量繁衍，破坏原来的动态平衡，对人类健康和土壤生态系统造成不良影响。
土壤环境容量：一定土壤环境单元、在一定时限内、遵循环境质量标准，既维持土壤生态系统的正常结构与功能，保证农产品的生物学产量与质量，也不使环境系统污染时，土壤环境所能容纳污染物的最大负荷量。
土壤污染物：输入土壤环境中的足以影响土壤环境正常功能，降低作物产量和生物学质量，有害于人体健康的那些物质。
包括无机污染物、有机污染物、土壤生物污染、固体废弃物和放射性污染。
固体废物：在生产、生活和其他活动中产生的丧失原有利用价值或者虽未丧失利用价值但被抛弃或者放弃的固态、半固态和置于容器中的气态的物品、物质以及法律、行政法规规定纳入固体废物管理的物品、物质。
土壤：在地球表面生物，气候，母质，地形和时间等因素综合作用下所形成的能够生长植物，具有生态环境调控功能，处于永恒变化中的矿物质与有机质的疏松混合物。
电动修复
Electrok lean
原位 或异 位 原位
对缓冲能力高的 土壤和存在多种 污染物的土壤去 除效果差 电解产生的气泡 覆盖在电极上, 使电极导电性降 低
L asagna
结论
电动力学修复技术去除土壤重金属污染是新兴 的原位修复技术, 特别是在纹理细密的土壤和土壤 基质中去除效果更好。由于该技术是通过电极间 的直流电场来去除污染物的, 不需大量开挖土壤, 污染土壤的定位准确, 而且可以应用于饱和及不饱 和土壤中, 此外, 该技术的成本也较其他方法低廉 然而该技术的应用也有一些限制, 主要是重金属离 子的溶解与沉淀受土壤pH 值的影响太大。相信随 着研究工作的进一步开展，这些问题终将得以解 决! 土壤的电动修复技术也必将呈现广阔的应用前 景。
在电动力学过程中, 发生的电子转移主 要是电极上水的电解反应( E0 为标准电极电 位) : 阴极: 2H2O + 2e-→2OH-+ H2( g) E0= - 0. 83 V 阳极: H2O→ 2H++12 O2( g) + 2eE0= - 1. 23 V
电动力学修复原理示意图
影响因素： PH值的变化 极化问题 酸性带迁移
电动力学修复的联用技术 将电修复技术与离子交换和生物降 解等技术相结合，发展复合型土壤修 复Байду номын сангаас术，已成为当前国际上土壤修复 领域研究开发的前沿之一。
电动力学修复联用技术比较
修复技术 技术特点 适用土壤 适用 修复 原位 主要优点 不需要外加微生物 群体 主要缺点 高浓度污染物会 毒害微生物, 需 要的修复时间长 通过生物电技术 饱和及非 向土壤土著微生 饱和土壤 物加入营养物 电极外包聚合材 不详 料以俘获向电极 迁移的离子 利用土壤中催化 不详 剂作污染物的氧 化降解剂 向土壤外加电压 饱和及非 时加入增强剂 饱和土壤 ( 主要是酸类) 由几个渗透反应 饱和粘性 区组成 土
浅谈土壤与地下水修复技术
浅谈土壤与地下水修复技术1概论随着人类农业、工业活动的加强，大量施用化肥、农药以及工业固体废物的倾倒，使许多有毒有害的化学污染物不断地进入土壤系统，同时对地表水及地下水造成了二次污染。
污染物可通过饮用水或上壤一植物系统，经由食物链进入人体，直接危及人类健康。
土壤污染按其污染物类型可分为重金属污染和有机物污染两大类，而土壤重金属污染又常常伴有有机物的污染。
据报道，目前我国受镉、砷、铬、铅等重金属污染的耕地面积近2000万hm²,约占总耕地面积的1/5;其中工业“三废”污染耕地1000万hm²,污水灌溉的农田面积已达330多万hm²。
因此，土壤与地下水的修复已成为我国政府和学者广泛关注的问题。
土壤和地下水的修复技术较多，月前从理论和技术上可行的修复技术主要有物理化学修复技术、生物修复技术(这里主要指微生物修复)、植物修复技术和综合修复技术等。
根据处理土壤和地下水的位置是否改变，污染土壤和地下水修复技术又可以分为原位修复(in-situ remediation)和异位修复(ex-situ remediation)两种。
原位修复是指对土壤和地下水中的污染物进行就地处置，使之得以降解和减毒，不需要建设昂贵的地面环境工程基础设施和远程运输，操作维护起来比较简单。
另外，原位修复还有一个优点就是可以对深层次污染的土壤和地下水进行修复。
异位修复则是将土壤挖出或将地下水泵出后再进行处理的修复方式。
两者相比较而言，原位修复更为经济有效，但异位修复技术的环境风险较低，系统处理的预测性均高于原位修复。
本节重点介绍一些较为常用的土壤和地下水修复技术。
2污染土壤的物理化学修复技术（1）电动力学修复技术电动力学现象最初发现于19世纪，此后主要应用于土木工程领域，如水坝和土壤的脱水与夯实。
但在原位土壤修复方面的应用还只是最近几年的事情，是刚发展起来的。
新兴的原位土壤修复技术，是一种从饱和或不饱和土壤层中分离提取重金属或有机污染物的过程。
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第一作者:罗启仕,男,1971年生,博士,主要从事环境污染防治与修复研究。
3日本地球环境产业技术研究机构资助项目。
电动力学技术强化原位生物修复研究进展3罗启仕1 王 慧1 张锡辉1,2 钱 易1(11清华大学环境科学与工程系环境模拟与污染控制国家重点联合实验室,北京100084;21清华大学深圳研究生院环境工程与管理研究中心,广东深圳518055)摘要 介绍了利用电动力学技术强化土壤及地下水原位生物修复的原理和最新进展。
电动力学强化的基本原理是利用电渗析、电迁移和电泳等电动力学效应加速污染环境中有机污染物和微生物运动,注入营养物、电子受体或活性微生物,或者利用电极反应和电流热效应为地下生物降解创造有利条件。
研究表明,电动力学技术能有效地强化原位生物修复,而且该技术不破环生态环境,安装和操作简单,成本低廉,有广泛的应用前景。
关键词 电动力学 原位生物修复 强化技术 传统的强化方法是利用水力梯度将各种添加物注入地下污染区。
这种强化方法的效率较低,而且不适用于密实的异质性土壤。
一种最新的强化技术是利用电动力学方法强化[1～4]。
电动力学强化技术[5,6]能够避免土壤异质性与低渗透性的限制,有效增强原位生物修复过程。
该技术安装和运行简单,成本更低,许多国家已逐渐将该技术作为一种主流环境技术项目。
本文主要阐述电动力学强化技术的原理及其最新进展。
1 电动力学强化技术原理电动力学强化技术是将电极插入受污染土壤地下水区域,施加微弱直流电形成电场,利用直流电场产生的各种电动力学效应(包括电渗析、电迁移和电泳等)增强地下环境中污染物的生物可利用性;或将各种添加物有效地输送到地下污染区;或利用电流热效应和电极反应为地下生物转化过程提供适宜的温度、pH 和氧化还原条件。
图1概括了电动力学技术强化的原理。
图1 电动力学强化技术原理示意图1.1 电渗析电渗析是指由外加电场引起的土壤孔隙水运动。
大多数土壤颗粒表面通常带负电荷[7]。
当土壤与孔隙水接触时,孔隙水中的可交换阳离子与土粒表面的负电荷形成扩散双电层[8]。
双电层中可移动阳离子比阴离子多,在外加电场作用下过量阳离子对孔隙水产生的拖动力比阴离子强,因而会拖着孔隙水向阴极运动。
电渗析作用产生的水流比较均匀,流动方向容易控制[3]。
根据H el m ho ltz 2Sm o luchow sk i 理论,电渗析流速度V eo s 和流量Q 可分别表示为[9]:Veo s=k e n i e ,Q =k e ie A ,其中k e =ΕΦΓn 式中:k e 为电渗析导率系数,m 2(V ・s ),表示单位电压梯度下通过单位面积的孔隙水流量;Ε为土壤介电常数,F m ;Φ为Zeta 电位,V ;i e 为外加电压梯度,V m ;Γ为孔隙水粘度,Pa m 2;n 为土壤孔度;A 为截面积,m 2。
电渗析流速度一般约为2.9×10-7m s 。
电压梯度为100V m 时,通过单位截面积的电渗析流量可高达10-10m 3 s [3]。
利用电渗析作用可以有效控制地下环境中水分运动,满足原位生物修复水分需求。
电渗析流还会影响地下环境中污染物和微生物的迁移与分布。
孔隙水中的溶解性物质可以随电渗析流一起移动,胶体颗粒和细菌也能随电渗析流迁移。
研究表明,采用电渗析淋洗技术可以从饱和粘土中有效去除三氯乙烯、乙酸、苯酚、六氯苯和B ETX 类污染物[3,5]。
但是,溶解性较低和吸附程度较强的污染物受电渗析・862・ 环境污染与防治 第26卷 第4期 2004年8月流影响较小。
另外,电渗析流容易引起土壤夯实或裂缝,不易长期稳定地操作。
1.2 电迁移电迁移是指土壤和地下水中带电离子和离子性复合物在外加电场作用下的运动。
阳离子型物质向阴极迁移,阴离子型物质向阳极迁移[3]。
电迁移是利用电动力学方法向地下污染区输送离子型营养物和电子受体的主要机理。
一般将阳离子型物质(如N H+4、K+)和阴离子型物质(如NO-3、SO2-4)分别在阳极区和阴极区加入,通过电迁移方式可以将其均匀地输送到地下污染区或生物活性区。
与电渗析流相比,离子电迁移速度要快得多。
在单位电压梯度下,离子平均电迁移速率约为5×10-6m s,比孔隙水的平均电渗析流速率大10倍左右[1]。
A car等[10]发现,在高岭土中离子电迁移速率比电渗析流约大300倍。
与电渗析流不同,电迁移速率取决于被迁移物质整体(如无机离子、带电荷的有机物和微生物等)的电荷密度,而与土壤本身的电荷密度和Zeta电位无关。
离子电迁移与土壤孔隙大小和土壤导水性无关,在细粒和粗粒土壤(如粗沙土和沙砾土)中都能发生,而电渗析流在水分少的粗沙土中则可能消失[3]。
离子电迁移速度(V i e m)可以表示为[9]:V i e m=u3i i e,其中u3i=u i nΣ式中:u3i和u i分别为离子在污染环境中和无限稀溶液中的电迁移率,m2 (V・s);Σ为土壤曲度系数;其他符号同前。
在无限稀溶液中,离子的电迁移率一般为10-8～10-13m2 (V・s);在实际污染环境中,由于土壤孔隙的影响,离子迁移路径长而曲折,有效电迁移率范围一般为3×10-9～1×10-8 m2 (V・s)[9]。
A car等[10]报道,当电压梯度为100 V m时,在导水率为10-9m s的高岭土中离子有效电迁移速率为5.8×10-7～1.2×10-6m s。
孔隙水中的离子同时受电渗析流和电迁移驱动,其实际迁移速度等于这两种速度的矢量和[8,11]。
电迁移和电渗析对阳离子的作用方向相同,对阴离子作用方向相反,所以阳离子实际迁移速度(V c)被加强;阴离子实际迁移速度(V a)被减弱,即:V c=u3c+k eni e,V a=u3a-k eni e不带电荷的中性物质不受电迁移作用影响,只可能随电渗析流移动。
1.3 电 泳电泳是指土壤和地下水中带电荷的胶体粒子(如细小粘土颗粒、腐殖质颗粒和微生物细胞等)在电场作用下的运动。
Kuo等[12]观察到了胶体颗粒在毛细孔隙中的电泳运动,运动的方向和速度取决于外加电场和毛细孔隙的直径等因素。
电泳运动有助于污染物以胶束态物质或离子胶束的形式迁移。
向地下污染环境中注入表面活性剂形成胶束时,电泳就成为一种非常重要的强化机理。
如果胶体上吸附了化学物质,电泳运动也会对污染物迁移起重要作用[13]。
利用细胞的电泳运动可以控制地下环境中微生物的运动与分布。
细胞表面的聚合物含有可离子化的基团,使细胞具有两性性质。
在高pH时细胞表面通常带净负电荷,低pH时带净正电荷,在中性pH 时大多数细菌相当于带负电荷的胶体颗粒,在电场中以电泳方式向阳极移动[14]。
1.4 电极反应及其控制将惰性电极插入受污染土壤地下水中,污染场址本身和所插入的电极就构成了一种电解池系统。
施加直流电后,在电极表面会产生各种电极反应。
电极反应的类型取决于污染物质的可利用性和反应的电化学势。
在电动力学强化过程的早期阶段,水的电解反应是主要的[1,3],即:阳极:2H2O+4e-→O2+4H+E0=-1.229阴极:2H2O+4e-→H2+2O H-E0=-0.828电极反应产生的H+和O H-通过电迁移方式分别向阴极和阳极运动,在土壤中形成酸性迁移带和碱性迁移带。
由于H+电迁移率约为O H-的两倍,且与电渗析流同向,所以土壤中更易发生酸性带迁移。
如果对酸性带不加控制,将会引起土壤矿物溶解,增加孔隙水的离子强度和导电性,使电渗析流减弱,甚至改变方向,还增加系统的操作电压和能耗[3]。
如果不对电极反应加以控制,电极附近土壤的pH会发生剧烈变化,足以杀死大量不耐酸碱的微生物,严重影响微生物活性和生物修复过程[3]。
因此,土壤pH 的控制一直是电动力学强化技术研究的重要内容。
目前控制酸性带迁移的方法有:添加缓冲性物质提高土壤缓冲能力;在阳极区设置防止H+透过的选择性膜(见图1);用弱碱性物质中和阳极反应产生的H+。
控制碱性带迁移的方法有:在阴极区设置O H-无法透过的选择性膜(见图1);用弱酸性物质中和阴极反应产生的O H-;直接将阴极液回流到阳极室,与阳极液中和[15]。
电极反应产生的O2随电渗析流进入土壤中,能改变土壤的氧化还原条件。
M ailllacheruvu等[16]・962・罗启仕等 电动力学技术强化原位生物修复研究进展发现,电极反应能使密闭反应器系统中的溶解氧浓度增加。
溶解氧浓度增加对土壤污染物好氧生物降解是有利的。
电极反应产生的H 2进入土壤中可作为污染物转化的电子供体或受体。
另一方面,O 2和H 2覆盖在电极表面,容易引起电极极化现象,使修复过程变慢[2]。
1.5 温度效应在电动力学强化过程中,电流热效应能使土壤温度升高,这是由部分电能转化为焦耳热引起的。
焦耳热(P )与电流(I )和介质电阻(R )成正比[11]:P =I 2R =i 2e kA式中:k 为土壤导电率,S m ;其他符号同前。
室内研究采用的电流密度通常小于0.5A m 2,处理时间很短,往往不会观察到热效应。
但A car 等[15]试验发现,不对电压梯度进行任何控制时,焦耳热使土壤温度升高了10～20℃,而在中试研究中发现,焦耳热效应可使土壤温度升高40～50℃。
温度升高会影响离子电迁移、电渗析流和吸附反应等。
B araud 等[11]发现,随着土壤温度升高,阴离子和阳离子的电迁移速度都有所增加;Ch ilingar 等[17]试验表明,土壤温度升高后,土壤中含烃液体的粘度降低,电渗析流速率增加。
土壤温度适当升高,能够加快污染物的生物转化速率,克服原位修复温度太低的限制。
大多数微生物能够快速生长的温度范围为20～45℃,温度超过45℃时会显著影响微生物生长[5]。
因此,用电动力学方法强化生物修复时,应根据污染场址的电化学特性,选择适当的电流或电压。
最优的电流强度或电压梯度可以根据土壤特性、电极距离和处理时间要求进行估算[4]。
2 研究与应用进展目前,电动力学技术强化原位生物修复主要有以下几种形式。
2.1 注入营养物和电子受体微生物代谢活动需要氮、磷等营养物。
污染物生物转化过程也需要某些电子受体,典型的电子受体包括O 2、CO 2、NO -3、SO 2-4和M n 2+、Fe 3+等一些阳离子。
地下污染区往往缺乏这些必需物质[1,18]。
Segall 等[19]将硝酸盐从阳极区加入,结果无法将硝酸盐迁移到阴极。
T hevanayagam 等[20]将硝酸盐从阴极区加入,结果显示,阳极与注入点之间的硝酸盐平均质量浓度从2m g kg 增加到60m g kg ,而阴极与注入点之间尽管存在明显的液体流动,但该区域内硝酸盐质量浓度仅为3～4m g kg 。