生物电化学还原技术在地下水六价铬处理中的现场应用

《Journal of Contaminant Hydrology》：Field application of bioelectrochemical reduction technology for treating hexavalent chromium in groundwater

地下水六价铬污染电化学还原修复技术试验研究显示，采用商业化生物电化学还原系统（E-Redox?-R）在河南某污染场地成功实现Cr(VI)浓度降低24%-99%，阴极区下游监测井去除率达65%-96%。研究证实该技术可有效突破低渗透性粘土和裂隙岩层限制，兼具低能耗（家用电压）和长效修复优势。

　　铬污染地下水治理是当前环境修复领域的重要课题之一。六价铬（Cr(VI)）因其高毒性和强迁移性，常成为地下水污染的主要污染物之一。在许多工业区和矿区，由于历史上的铬冶炼、电镀等工艺，土壤和地下水中的铬污染问题尤为突出。特别是在中国，由于铬污染源的广泛分布，治理此类污染显得尤为迫切。针对这一问题，传统的“接触反应”式治理技术，如化学还原、化学固定和生物还原等，虽然在某些条件下取得了成效，但其应用常常受到地质条件的限制，例如在黏土、粉砂和裂隙岩层等低渗透性地层中，这些技术的效率和可行性受到严重影响。因此，寻找一种能够有效克服地质限制、实现原位修复的新型技术成为研究的重点。

近年来，电化学修复技术因其独特的运行机制和较高的适用性，逐渐受到关注。电化学技术通过在污染介质中建立电场，利用电子迁移、电渗流和电泳等物理化学过程，促进污染物的迁移和转化。其中，生物电化学还原（BECR）技术因其结合了生物降解和电化学还原的双重优势，展现出良好的应用前景。BECR技术的核心在于利用电场诱导的氧化还原反应，使土壤颗粒、离子、金属、有机质以及具有胞外电子传递能力的微生物等环境组分成为“微电极”或电子载体，从而形成一系列的氧化还原反应链，实现污染物的高效去除。

本研究中应用的BECR技术，由美国Advanced Environmental Technologies, LLC公司研发并注册商标为“E-Redox?-R”。该技术在实验室条件下已显示出良好的去除效果，但在实际应用中仍存在一定的挑战。特别是在中国，由于地下水系统复杂、污染源多样，以及地质条件的不确定性，BECR技术的实际应用案例相对较少。因此，本研究在河南省新乡市开展了一项针对Cr(VI)污染地下水的BECR技术试点项目，旨在评估该技术在实际环境中的表现，并为后续推广提供科学依据。

试点项目采用了一个由四个单元组成的BECR系统，每个单元包含一个阳极井和两个阴极井，整体布置在一个38.5米的监测断面上。阳极井与阴极井之间的间距为5.5米，形成一个稳定的电场环境。在项目运行的前10个月内，阴极井中的Cr(VI)浓度显著下降，范围从0.3毫克/升到46.5毫克/升，去除率介于24%到99%之间。这一结果表明，即使在存在铬从土壤基质中释放到水相的“掩蔽效应”下，BECR技术仍能有效降低地下水中的Cr(VI)含量。此外，位于阳极附近的上游监测井中，Cr(VI)浓度分别下降了21%和42%，而位于阴极附近的下游监测井中，Cr(VI)浓度下降幅度更大，分别达到65%至96%。这些数据充分说明了BECR技术在复杂地质条件下的高效性和稳定性。

在BECR系统运行过程中，电流和电压的变化对污染物的去除效果产生了重要影响。从2023年6月11日至9月18日，阳极井的电流和电压分别维持在1.5安培和10-14伏特之间。随后，为了进一步提升系统效率，电流和电压被调整为1.75安培和11-15伏特。这种动态调整不仅有助于提高系统的反应速率，还能在一定程度上优化污染物的迁移路径，从而实现更高效的去除效果。此外，BECR系统在运行过程中还表现出一定的自我调节能力，能够在不同地质条件下维持稳定的电场分布，进而保障污染物的持续去除。

BECR技术的优势在于其能够在低渗透性地层中实现高效的原位修复。与传统的电动力修复技术相比，BECR系统不仅能够减少对高能耗设备的依赖，还能降低整体运行成本。通过使用普通的家庭用电水平，BECR系统能够以较低的成本维持长期运行，这对于大规模污染场地的修复具有重要意义。此外，BECR技术还能够促进微生物活动，增强污染物的降解和转化能力。在电场作用下，土壤中的微生物群体可能会受到刺激，从而加速铬的还原过程。这种生物与电化学的协同作用，不仅提高了修复效率，还为后续的生态恢复提供了可能。

试点项目所处的污染场地具有典型的地质特征，主要由粉砂和细砂构成，地表覆盖层中还含有砾石层。地下水的流速约为2.0米/年，这表明污染物质的迁移速度相对较慢，对修复技术提出了更高的要求。在这种条件下，BECR技术能够有效克服低渗透性地层对污染物迁移的阻碍，实现污染物的原位转化和去除。同时，试点项目还验证了BECR技术在复杂污染环境中的适用性，尤其是在存在多种共存污染物的情况下，如三氯乙烯和砷（III）等，该技术依然能够保持较高的去除效率。

从技术角度来看，BECR系统的设计和运行体现了对实际环境条件的深入理解和科学应对。系统采用模块化设计，便于在不同场地进行灵活部署。每个单元的电极布置方式经过优化，确保了电场的均匀分布和污染物的有效捕获。此外，系统的运行参数（如电流和电压）可以根据污染程度和地质条件进行动态调整，从而实现最佳的修复效果。这种灵活性和适应性，使得BECR技术能够广泛应用于不同类型的污染场地，尤其是在那些传统技术难以奏效的区域。

试点项目的结果不仅为BECR技术的实际应用提供了有力支持，也为铬污染地下水的治理提供了新的思路。在传统技术受限的情况下，BECR技术通过电化学与生物过程的结合，展现出独特的修复优势。其低能耗、高效率、适应性强等特点，使其成为一种具有潜力的可持续原位修复技术。特别是在中国，随着工业化进程的加快，铬污染问题日益严峻，BECR技术的应用将有助于缓解这一环境压力。

此外，BECR技术的推广和应用还需要进一步的技术优化和成本控制。尽管目前的试点项目已经取得了良好的效果，但在更大规模的应用中，如何提高系统的稳定性、延长使用寿命以及降低维护成本仍然是需要解决的问题。同时，BECR技术在不同地质条件下的适用性也需要更多的实证研究。例如，在高盐度或高有机质含量的环境中，电场的分布和污染物的迁移路径可能会发生变化，从而影响修复效果。因此，未来的研究应更加关注这些环境因素对BECR技术性能的影响，并探索相应的优化策略。

在环境治理的背景下，BECR技术的应用不仅有助于解决当前的铬污染问题，还可能为其他重金属或有机污染物的治理提供参考。例如，该技术可以被扩展用于硝酸盐污染、氯代溶剂污染等其他类型的地下水修复。通过进一步的研究和开发，BECR技术有望成为一种多功能、多场景的环境修复工具，为实现可持续的地下水治理提供新的解决方案。

试点项目的成功实施，标志着BECR技术在中国地下水修复领域的首次应用。这一突破不仅为相关技术的推广提供了实践基础，也为中国乃至全球的铬污染治理提供了新的思路。未来，随着对BECR技术理解的深入和实际应用经验的积累，该技术有望在更多污染场地得到推广，为解决复杂的地下水污染问题作出更大贡献。同时，该技术的成功也为其他污染治理技术的发展提供了启示，即通过结合物理、化学和生物过程，可以实现对污染物的高效、可持续去除。