電動修復湖泊底泥鉻污染的可行性試驗

劉廣容，周 為，葉春松，曾玉彬，廖冬梅，陸 偉

（1.武漢大學 動力與機械學院，湖北 武漢 430072；2.中國地質大學 生物地質與環境地質國家重點實驗室，湖北 武漢 430074）

湖泊底泥是各種污染物的重要源和匯集，特別是重金屬污染與底泥關系密切［1］。重金屬鉻不易被微生物分解，很難去除，除少量通過魚類等的捕撈帶出水體外，大部分沉淀在湖泊底泥中。底泥中的鉻容易在風力和水力的作用下進入水體，造成二次污染。鉻的危害很大，研究表明，鉻一般先以六價鉻的形式滲入動物細胞，然后在細胞內還原為三價鉻而構成致癌物與細胞內大分子相結合，引起遺傳密碼的改變，進而引起細胞的突變和癌變，所以世界各國都以鉻在水中含量作為水質的衛生標準之一［2－3］。

電動修復是近年來逐漸興起的原位土壤修復技術，其修復原理是：通過在污染土壤兩側施加直流電壓形成電場梯度，土壤中的污染物質在電場下產生的各種電動力學過程，如電遷移、電滲析和電泳等的作用下被帶到電極兩端從而清潔污染土壤［4－5］。Acar等［6］經過大量研究指出，電動修復技術對黏土類、黏壤土類和壤土類處理效果較好，而對于砂土類處理效果不理想。目前電動方法多用于修復受污染的土壤或高嶺土，但鮮見報導該方法用于湖泊底泥的修復［7－8］。底泥與土壤的物理化學特性存在差異，因此本試驗以東湖底泥為研究樣品，以重金屬鉻為研究污染物，探討電動修復技術修復東湖底泥鉻污染的可行性試驗，以期為湖泊底泥的修復工程提供參考。

1 試驗材料與裝置

以污染嚴重的水果湖與郭鄭湖相通處為采樣點，使用自制的柱狀采樣器采集東湖底泥。試驗裝置由反應器、電極槽、石墨電極、直流電源、電流表組成。反應器為內徑70mm、長160mm的PVC管材，反應室體積約600mL，電解室體積約為300mL。

參照文獻［9］，在恒定電壓下電動修復一定時間。試驗結束后，測定泥柱中距陽極0～4、4～8、8～12、12～16、16～20cm各處總鉻含量、六價鉻含量及pH值，測定陰極和陽極工作液總鉻含量和六價鉻含量。試驗過程中，每小時監測電流和工作液中pH值變化。

2 底泥分析

底泥的本底值指標包括pH值、含水率、總鉻、六價鉻和陽離子交換量，底泥中鉻的消解處理方法會直接影響測量結果，底泥中六價鉻的測定采用美國EPA METHOD 3060A法，總鉻的測定采用 HF－HClO4－HNO3消解法。水樣中的鉻的測定是采用二苯碳酰二肼分光光度法。測定結果如表1所示。

表1 底泥基本性質

（1）底泥含水率。底泥水分的含量是體現其性質和狀態的基本數據，同時也是計算其他各成分含量必不可少的量。分析方法如下［10］：

①稱取一定質量的泥土（精確到0.01g），置入已知質量的燒杯中，放入烘箱，在105～110℃溫度下烘干至恒重（約6h），取出后放入干燥器內冷卻；

②從干燥器內取出燒杯，稱量（精確到0.01g）；

③按下式計算含水率W：

其中，m0為燒杯質量（g）；m1為燒杯＋濕泥質量（g）；m2為燒杯＋干泥質量（g）。

（2）底泥pH。取25g風干細土置于50mL的燒杯中，加入25mL蒸餾水，用磁力攪拌器攪拌1min使土體充分分散，靜置0.5～1.0h，該過程中應注意避免空氣中有揮發性酸或氨水；然后將復合電極插入混濁液中，輕輕攪動，pH儀讀數穩定后記下pH值［11］。

（3）底泥中Cr6＋含量。底泥中六價鉻的測定采用美國EPA METHOD 3060A法［12］。秤取碾磨過篩孔的烘干泥樣1.5g于150mL錐形瓶中，加入20g／L的NaOH和30g／L的Na2CO3混合溶液50mL，再加入1.0mol／L的磷酸緩沖溶液（pH＝7.0）0.5mL，于90～95℃下加熱60min；冷卻，加入5.0mol／L硝酸溶液調節pH值為7.5；然后過濾、定容；取50mL濾液，采用二苯碳酰二肼分光光度法測定。

（4）底泥中總鉻含量。底泥中總鉻的測定采用HF－HClO4－HNO3消解法［13］。稱取污泥干樣0.5g，加入體積比為4∶2∶15的 HF、HClO4、HNO3混合溶液10mL，振蕩30min，5 000r／min離心30min，取上清液，采用二苯碳酰二肼分光光度法測定。

（5）陽離子交換容量。準確稱取0.200 0g樣品于100mL燒杯中，加25mL、1mol／L的 NH4C1溶液，100℃水浴加熱30min（中間輕輕搖動2次），取出，用定量濾紙過濾，將殘渣全部轉入濾紙并多次洗滌燒杯壁和濾紙至無Cl－離子存在。殘渣連同濾紙漿一起用1mol／L的KC1溶液洗回原燒杯（約20mL），加2.5mL中性甲醛溶液（2＋1），2滴酚酞指示劑，用0.1 mol／L的NaOH滴定至pH＝9.0即為終點［14］。由下式計算陽離子交換容量CCEC（10μmol／g）：

其中：c為 NaOH 溶液的濃度（mol／L）；V為消耗NaOH溶液的體積（mL）；m為樣品的質量（g）。

3 試驗結果與分析

3.1 pH值變化

電動修復48h后，陰極室pH、陽極室pH以及底泥pH隨距離的變化見圖1。由圖1可見，陽極液pH由中性降到了1.5，陰極液pH由中性升到了12.0，底泥的pH從靠近陽極的3.5逐漸增大到靠近陰極的9左右。顯酸性的區域在4～16cm，堿性區域在16～20cm。

圖1 pH的變化

圖1中的1#、2#、3#、4#、5#分別表示距陽極0～4cm、4～8cm、8～12cm、12～16cm和16～20cm之間底泥區域。以上實驗結果說明陽極產生了一個向陰極移動的酸區，同時陰極也產生了一個向陽極移動的堿區。由于H＋電遷移速率要比OH－快，所以酸性區域要比堿性區域大些，兩區在12～16cm區域相遇。在整個電動修復過程中，底泥的pH值都在陰極液和陽極液的pH值之間，這說明底泥具有一定的緩沖能力，能承受一定的電解帶來的酸堿污染。

3.2 電流變化

試驗過程中，記錄的電流變化見圖2。

圖2 電流隨時間的變化曲線

由圖3可見，電流先增加后下降，最終維持穩定。增加的原因是由于工作液中電解質的遷移，增加了導電性；下降是由于污泥中其他離子在堿性環境中發生沉淀／吸附和污泥中水分減少等原因造成的。

電流大小影響著重金屬離子的遷移速率，過大的電流又會造成泥土發熱、能耗增加等。

3.3 鉻含量變化

一定條件下，電動修復48h后，試驗得到的六價鉻和三價鉻含量分布如圖3所示，其中三價鉻為總鉻與六價鉻含量之差。經計算，六價鉻和三價鉻的平均去除率分別為57.3%和18.4%。

圖3 距離陽極不同位置鉻含量的分布

由圖3可以看出，底泥中六價鉻含量明顯低于三價鉻；六價鉻含量從陰極向陽極方向呈增大的趨勢，說明六價鉻在電場作用下發生了遷移，且遷移方向是從陰極至陽極；三價格含量從陽極向陰極呈增大的趨勢，說明三價鉻以帶正電荷的形式，向陰極發生了遷移。

4 結論

（1）試驗中，重金屬鉻在電場的作用下發生遷移，其中六價鉻向陽極遷移，三價鉻向陰極遷移，三價鉻和六價鉻的平均去除率分別達到57.3%和18.4%，去除較明顯，電動修復適用于東湖底泥鉻污染的修復。

（2）電動修復會造成一定的酸堿污染，但污泥具有很強的緩沖作用，能減輕這種污染。

（3）污泥中鉻大部分以三價鉻的形態存在，只有較少的一部分是六價鉻。電動修復對六價鉻去除率比三價鉻高，所以提高三價鉻的去除率是提高電動修復效果的重要方面。為了提高去除率，后期將對電動修復的一些影響因素（電壓大小、處理時間、絡合劑種類和電場分布等）進行研究。

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