铁-氢-氧复合电解过程对地下水Redox的调控及污染物的削减效应研究

Contamination of groundwater is very serious in the eastern part of China and mixed contamination is very common in many sites. Technologies aiming at the remediation of groundwater are urgently needed. Based on the previous researches on groundwater remediation, herein the applicants propose a novel remedial technology, iron-hydrogen-oxygen electrolytic process, for the treatment of mixed contamination. This electrolytic process consists of two anodic reactions, iron dissolution and oxygen evolution, and one cathodic reaction on a porous metal cathode. The redox potential of the groundwater can be regulated by varying the current distribution between two anodes. The hydrogen (electron donors) generated from cathode and suitable redox conditions facilitate the biodegradation of contaminants involving specific degradation bacteria. In this project, several analytical methods including environmental chemistry analysis, water analysis, electrochemical analysis and biological analysis are incorporated to investigate the removal efficiencies of different groundwater contaminants under mixed contamination conditions, and to elucidate the bio- and abiotic effects of redox regulation in the iron-hydrogen-oxygen electrolytic process. The results and deliverables of this project will enrich the theories in groundwater remediation, and propel the relevant academic researches in environment remediation and the implementation of this remedial technology.

我国地下水污染问题十分突出，地下水的复合、混合污染状态非常普遍，亟需发展有针对性的修复技术。本项目研究根据已有的工作基础，提出了铁-氢-氧复合电解过程用于地下水中多种污染物的处理。该电解过程通过双阳极过程（铁阳极与惰性催化阳极）和阴极过程（多孔惰性阴极）共同作用来降解地下水中的污染物。而且，通过调节铁阳极与惰性阳极（第二阳极）的电流分配，可以进行地下水的Redox电位调节，形成有利于微生物降解菌的环境条件，将电化学过程中产生的氢气作为污染物还原的电子捐体。项目研究融合了环境化学分析，水化学分析、电化学分析及生物分析等多种手段，将着重考察复合污染条件下，各污染物的去除效率与相互影响，以及Redox调节对地下水修复的生物及非生物综合效应等。研究成果将丰富和充实地下水修复的相关理论和内容，为地下水的修复工程实践提供有价值的参考。

在项目的四年执行期内，研究工作围绕研究科学目标和研究计划，在电化学修复方法和机制、电化学修复技术和修复材料等方面，取得了多项创新性成果。首先，研究工作证实了课题申请时的科学设想，即通过铁-氢-氧复合电解过程，能够有效调控地下水、地表水、废水的氧化还原电位，同时实现复合污染的去除。地下水的中的污染物（三氯乙烯、硝酸根、氟离子、氨氮、甲苯、六价铬、砷等）可以通过铁电解产生的还原效应、氧化效应（氧分子活化方式）、絮凝效应有效去除；同时，电极上的阴极直接还原和阳极直接氧化也能够被调控，用于多种污染物的处理。研究工作还发现，铁电解过程可以被进一步发展为形式多样的修复技术。包括，1）铁电解辅助的原位化学氧化方法（ISCO）用于地下水的修复，该技术采用的化学氧化剂是过硫酸氢盐，而激发剂主要是通过阳极溶出产生的亚铁离子。2）二硅酸根辅助的铁电解-絮凝过程，该过程能够将氧分子活化，产生Fenton氧化效应，使铁电解过程形成强氧化性环境，高效氧化有机物；同时，加入CaO 能够进一步产生絮凝效果。3）采用铁辅助阳极的电化学氧化修复过程。4) 电解修复垃圾填埋场污染地下水。研究还发现，铁-氢-氧复合电解过程的物理效应也可以被充分利用，用于各种水体修复和水处理应用，基于此，课题组利用氢-氧电解过程的析气效应、杀生效应，发展了电活性过滤技术，用于水体修复和废水处理，这一技术有望发展成一类新型的膜分离技术，实现反冲频率低、维护容易，同时具有污染物去除。课题研究内容按照申请书的计划执行，并适当的增加了部分创新内容，达成了课题研究目标。. 课题发表了相关研究论文17篇（包括SCI论文14篇，5篇IF>5的文章），申请和授权6项专利，培养研究生7人，所取得的成果已经实现初步的转化。在之后的两年，还将陆续有成果发表。课题研究经费按照相关规定执行，无超支项目。课题结余部分，主要用于结题后两年内后续成果的发表和补充实验。