电动修复湖泊底泥铬污染的可行性试验

刘广容，周 为，叶春松，曾玉彬，廖冬梅，陆 伟

（1.武汉大学 动力与机械学院，湖北 武汉 430072；2.中国地质大学 生物地质与环境地质国家重点实验室，湖北 武汉 430074）

湖泊底泥是各种污染物的重要源和汇集，特别是重金属污染与底泥关系密切［1］。重金属铬不易被微生物分解，很难去除，除少量通过鱼类等的捕捞带出水体外，大部分沉淀在湖泊底泥中。底泥中的铬容易在风力和水力的作用下进入水体，造成二次污染。铬的危害很大，研究表明，铬一般先以六价铬的形式渗入动物细胞，然后在细胞内还原为三价铬而构成致癌物与细胞内大分子相结合，引起遗传密码的改变，进而引起细胞的突变和癌变，所以世界各国都以铬在水中含量作为水质的卫生标准之一［2－3］。

电动修复是近年来逐渐兴起的原位土壤修复技术，其修复原理是：通过在污染土壤两侧施加直流电压形成电场梯度，土壤中的污染物质在电场下产生的各种电动力学过程，如电迁移、电渗析和电泳等的作用下被带到电极两端从而清洁污染土壤［4－5］。Acar等［6］经过大量研究指出，电动修复技术对黏土类、黏壤土类和壤土类处理效果较好，而对于砂土类处理效果不理想。目前电动方法多用于修复受污染的土壤或高岭土，但鲜见报导该方法用于湖泊底泥的修复［7－8］。底泥与土壤的物理化学特性存在差异，因此本试验以东湖底泥为研究样品，以重金属铬为研究污染物，探讨电动修复技术修复东湖底泥铬污染的可行性试验，以期为湖泊底泥的修复工程提供参考。

1 试验材料与装置

以污染严重的水果湖与郭郑湖相通处为采样点，使用自制的柱状采样器采集东湖底泥。试验装置由反应器、电极槽、石墨电极、直流电源、电流表组成。反应器为内径70mm、长160mm的PVC管材，反应室体积约600mL，电解室体积约为300mL。

参照文献［9］，在恒定电压下电动修复一定时间。试验结束后，测定泥柱中距阳极0～4、4～8、8～12、12～16、16～20cm各处总铬含量、六价铬含量及pH值，测定阴极和阳极工作液总铬含量和六价铬含量。试验过程中，每小时监测电流和工作液中pH值变化。

2 底泥分析

底泥的本底值指标包括pH值、含水率、总铬、六价铬和阳离子交换量，底泥中铬的消解处理方法会直接影响测量结果，底泥中六价铬的测定采用美国EPA METHOD 3060A法，总铬的测定采用 HF－HClO4－HNO3消解法。水样中的铬的测定是采用二苯碳酰二肼分光光度法。测定结果如表1所示。

表1 底泥基本性质

（1）底泥含水率。底泥水分的含量是体现其性质和状态的基本数据，同时也是计算其他各成分含量必不可少的量。分析方法如下［10］：

①称取一定质量的泥土（精确到0.01g），置入已知质量的烧杯中，放入烘箱，在105～110℃温度下烘干至恒重（约6h），取出后放入干燥器内冷却；

②从干燥器内取出烧杯，称量（精确到0.01g）；

③按下式计算含水率W：

其中，m0为烧杯质量（g）；m1为烧杯＋湿泥质量（g）；m2为烧杯＋干泥质量（g）。

（2）底泥pH。取25g风干细土置于50mL的烧杯中，加入25mL蒸馏水，用磁力搅拌器搅拌1min使土体充分分散，静置0.5～1.0h，该过程中应注意避免空气中有挥发性酸或氨水；然后将复合电极插入混浊液中，轻轻搅动，pH仪读数稳定后记下pH值［11］。

（3）底泥中Cr6＋含量。底泥中六价铬的测定采用美国EPA METHOD 3060A法［12］。秤取碾磨过筛孔的烘干泥样1.5g于150mL锥形瓶中，加入20g／L的NaOH和30g／L的Na2CO3混合溶液50mL，再加入1.0mol／L的磷酸缓冲溶液（pH＝7.0）0.5mL，于90～95℃下加热60min；冷却，加入5.0mol／L硝酸溶液调节pH值为7.5；然后过滤、定容；取50mL滤液，采用二苯碳酰二肼分光光度法测定。

（4）底泥中总铬含量。底泥中总铬的测定采用HF－HClO4－HNO3消解法［13］。称取污泥干样0.5g，加入体积比为4∶2∶15的 HF、HClO4、HNO3混合溶液10mL，振荡30min，5 000r／min离心30min，取上清液，采用二苯碳酰二肼分光光度法测定。

（5）阳离子交换容量。准确称取0.200 0g样品于100mL烧杯中，加25mL、1mol／L的 NH4C1溶液，100℃水浴加热30min（中间轻轻摇动2次），取出，用定量滤纸过滤，将残渣全部转入滤纸并多次洗涤烧杯壁和滤纸至无Cl－离子存在。残渣连同滤纸浆一起用1mol／L的KC1溶液洗回原烧杯（约20mL），加2.5mL中性甲醛溶液（2＋1），2滴酚酞指示剂，用0.1 mol／L的NaOH滴定至pH＝9.0即为终点［14］。由下式计算阳离子交换容量CCEC（10μmol／g）：

其中：c为 NaOH 溶液的浓度（mol／L）；V为消耗NaOH溶液的体积（mL）；m为样品的质量（g）。

3 试验结果与分析

3.1 pH值变化

电动修复48h后，阴极室pH、阳极室pH以及底泥pH随距离的变化见图1。由图1可见，阳极液pH由中性降到了1.5，阴极液pH由中性升到了12.0，底泥的pH从靠近阳极的3.5逐渐增大到靠近阴极的9左右。显酸性的区域在4～16cm，碱性区域在16～20cm。

图1 pH的变化

图1中的1#、2#、3#、4#、5#分别表示距阳极0～4cm、4～8cm、8～12cm、12～16cm和16～20cm之间底泥区域。以上实验结果说明阳极产生了一个向阴极移动的酸区，同时阴极也产生了一个向阳极移动的碱区。由于H＋电迁移速率要比OH－快，所以酸性区域要比碱性区域大些，两区在12～16cm区域相遇。在整个电动修复过程中，底泥的pH值都在阴极液和阳极液的pH值之间，这说明底泥具有一定的缓冲能力，能承受一定的电解带来的酸碱污染。

3.2 电流变化

试验过程中，记录的电流变化见图2。

图2 电流随时间的变化曲线

由图3可见，电流先增加后下降，最终维持稳定。增加的原因是由于工作液中电解质的迁移，增加了导电性；下降是由于污泥中其他离子在碱性环境中发生沉淀／吸附和污泥中水分减少等原因造成的。

电流大小影响着重金属离子的迁移速率，过大的电流又会造成泥土发热、能耗增加等。

3.3 铬含量变化

一定条件下，电动修复48h后，试验得到的六价铬和三价铬含量分布如图3所示，其中三价铬为总铬与六价铬含量之差。经计算，六价铬和三价铬的平均去除率分别为57.3%和18.4%。

图3 距离阳极不同位置铬含量的分布

由图3可以看出，底泥中六价铬含量明显低于三价铬；六价铬含量从阴极向阳极方向呈增大的趋势，说明六价铬在电场作用下发生了迁移，且迁移方向是从阴极至阳极；三价格含量从阳极向阴极呈增大的趋势，说明三价铬以带正电荷的形式，向阴极发生了迁移。

4 结论

（1）试验中，重金属铬在电场的作用下发生迁移，其中六价铬向阳极迁移，三价铬向阴极迁移，三价铬和六价铬的平均去除率分别达到57.3%和18.4%，去除较明显，电动修复适用于东湖底泥铬污染的修复。

（2）电动修复会造成一定的酸碱污染，但污泥具有很强的缓冲作用，能减轻这种污染。

（3）污泥中铬大部分以三价铬的形态存在，只有较少的一部分是六价铬。电动修复对六价铬去除率比三价铬高，所以提高三价铬的去除率是提高电动修复效果的重要方面。为了提高去除率，后期将对电动修复的一些影响因素（电压大小、处理时间、络合剂种类和电场分布等）进行研究。

（References）

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