水力驱动协同原位微电解系统增强地下水硝基苯污染修复的机理研究

《Journal of Contaminant Hydrology》：Study on the mechanism of enhanced remediation of nitrobenzene contamination in groundwater by hydraulically driven synergistic in-situ microelectrolysis system

　　

•本研究开发了一种GCW与FeC微电解耦合系统。
•FeC微电解系统中氧化与还原反应共存。
•动力学拟合将硝基苯降解分为两个阶段。
•初始浓度对FeC微电解降解能力无明显影响。
•FeC微电解显著增强了GCW对硝基苯的修复效果。

## 引言

地下水循环井（Groundwater Circulation Well, GCW）作为一种原位修复和水力控制技术，通过在井周及井内形成受控的地下水循环模式发挥作用，通常由曝气驱动，或通过双筛管井结构交替进行抽水与注水实现（Fang等, 2024a）。该过程将溶解态污染物捕获至GCW中，从而将污染区域内的污染物富集于井内，便于后续去除（Branco等, 2023；Qiu等, 2024）。与传统"抽提-处理"（Pump & Treat）技术相比，GCW具有以下优势：对含水层的物理扰动较小，且对二次污染风险的控制能力更强（Wang等, 2023；Ciampi等, 2023b）。因此，GCW代表了一种适用于污染地下水修复的多功能且前景广阔的策略。然而，仅依靠抽水或曝气脱除的GCW修复效果极为有限，尤其是对于半挥发性或非挥发性有机污染物而言（Li等, 2024）。因此，GCW需要与其他修复技术耦合，以增强污染物去除效果（Ciampi等, 2023a）。

GCW的运行可分为两个模块：井内水力驱动和井外水循环（Ciampi等, 2024）。因此，GCW的强化修复方法也基于这两个模块进行配置。对于井外强化，已有方法包括在GCW影响区域内采用表面活性剂增溶和电催化降解等。Zhao等发现，在GCW影响区中添加Tween-80可以有效促进萘从含水层介质表面向水相的转移。在GCW地下水流场的驱动下，释放出的萘在井内富集并被去除，修复效率提高了60%–70%（Zhao等, 2015）。Yuan等将电解技术与GCW的水力驱动相结合，开发了电解式地下水循环井（简称"EGCW"）技术（Yuan等, 2020）。在EGCW系统中，GCW促进电解产生的O?和H?迁移，从而诱导含水层中三氯乙烯的原位生物降解。该方法实现了高达73%的污染物去除率，相比GCW独立运行提高了约10%。井内强化则依赖于在GCW内安装强化反应器，结合生物（Zhao等, 2016）或化学（McGuire等, 2016）过程，在地下水携带污染物富集于井内时增强修复效果。Wang等以半挥发性苯胺为目标污染物，证明在GCW中加入原位生物反应器可以显著加快修复速率（从1.66%提升至100%），且不会产生铵离子（NH??）等二次污染。在两种强化策略中，井内强化越来越受到青睐，主要用于优化GCW修复效果，主要原因是其规避了井外非均质含水层条件所带来的不确定性（Ciampi等, 2022；Zhang等, 2025）。此外，关键参数（如温度、溶解氧和pH值）在井内更易于控制，从而提高了过程的稳定性和可预测性。

尽管井内强化具有显著的应用优势，但其效果受限于GCW内部有限的空间（Fang等, 2024b；Tatti等, 2019）。对于大规模地下水污染的修复，这一空间限制要求部署于井内的任何反应器或材料都必须具备高效的去除性能和稳定性（Goo等, 2021；Faisal等, 2017）。在众多现有修复材料中，FeC微电解作为一种原电池系统，在曝气条件下FeC材料或复合材料在溶液中形成大量微型电解单元（Wang等, 2016；Song等, 2019）。铁阳极与碳阴极之间的固有电位差（约1.2 V）驱动了高效的电化学反应，从而实现污染物的有效降解（Li等, 2021a；Galv?o等, 2022；Huang等, 2025；Martínez-Huitle等, 2015）。FeC微电解被公认为一种有效、低成本且环境可持续的预处理方法，能够实现废物治废（Che等, 2017）。由于其适用范围广、污染物降解速度快、操作简便等特点，它已成为处理难降解、高浓度污染液体的优选技术（Wang等, 2024；Hu, 2021）。因此，FeC微电解能够有效满足GCW井内强化反应器的性能要求，在显著提高有机污染物污染地下水修复效率方面具有巨大潜力。

此外，FeC微电解与GCW在工程操作和修复机理方面既有相似之处又具有互补性（Tatti等, 2019）。首先，两个系统均需要曝气运行。对于GCW，曝气驱动地下水循环，增强井内污染物的挥发作用（Li等, 2024）。相反，FeC微电解材料利用有氧条件催化产生活性氧物种（ROS），如羟基自由基（•OH），进而降解污染物（Zeng等, 2022）。其次，两种方法均通过关键组分的循环运动或重复使用来提高修复效率。在GCW的影响区内，污染物在井与含水层之间经历多次循环后才会向下游迁移（Ciampi等, 2024）。类似地，FeC材料作为ROS生成的可重复使用催化剂发挥作用（Qian等, 2022）。这一循环再生原理同样被应用于废水处理中，其中出水常被回用以提高整体去除效率。这些共同的操作和机理特征为两种技术的集成提供了理论基础。

因此，本研究的目的是：（1）选择半挥发性有机污染物硝基苯（NB）作为目标污染物，设计一种与GCW及FeC微电解材料均兼容的井内强化反应器；（2）研究曝气流量、硝基苯初始浓度及模拟地下水pH值对FeC微电解材料修复性能的影响；（3）建立将GCW与井内FeC微电解反应器集成的实验室模拟系统，评估该耦合系统对硝基苯污染地下水的修复效率。本研究旨在为耦合技术的广泛应用和推广提供理论与技术支撑。

## 实验材料与仪器

本研究采用河沙作为模拟含水层介质。将河沙进行筛分、清洗和自然干燥处理，获得粒径范围为0.25–0.5 mm的中砂，用于模拟实验。实验试剂包括硝基苯、还原铁粉（80–120目）、活性炭粉（80–120目）、碳酸氢铵及聚四氟乙烯（PTFE）分散剂，均为分析纯级别，购自成都科隆化工有限公司。

## 曝气流量

图3展示了不同曝气流量下FeC微电解反应器中硝基苯浓度变化、动力学拟合结果、溶解氧（DO）含量及pH值的变化情况。如图3所示，反应器中的FeC微电解材料持续降解硝基苯，使硝基苯浓度呈稳定下降趋势。同时，在曝气作用下，溶解氧含量维持在相对较高水平。相比之下，连续……

## 结论

本研究通过构建FeC微电解耦合GCW系统，实现了对硝基苯污染地下水的强化修复。系统研究了曝气流量、硝基苯初始浓度及溶液pH值等关键参数对FeC微电解反应器性能的影响。通过模拟沙箱实验考察了FeC微电解耦合GCW系统对硝基苯的修复效率。

## CRediT作者贡献声明

李博文：撰写——审阅与编辑、监督、资源、资金获取、概念构思。
段来美：撰写——初稿、方法论、调查研究、形式化分析、概念构思。
刘雨欣：撰写——审阅与编辑。
蒋瀚：撰写——审阅与编辑。
王新辉：撰写——审阅与编辑。
吴世杰：撰写——审阅与编辑。
姚萌：撰写——审阅与编辑、调查研究、形式化分析、概念构思。

## 利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的、可能影响本文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。

## 致谢

本研究得到国家重点研发计划（No. 2020YFC1808300）、国家自然科学基金（42007167）及四川省自然科学基金（2024NSFSC0851）的资助。

李博文 | 段来美 | 刘雨欣 | 蒋瀚 | 王新辉 | 吴世杰 | 姚萌