第四届环境模拟与污染控制学术研讨会论文集电动强化生物修复技术中电极构型的优化马建伟卜，王慧1范向字1 ，罗启仕2( 1 清华大学环境科学与工程系环境模拟与污染控制国家重点联合实验室，北京1 0 0 0 8 4 ；2上海市环境科学研究院，上海2 0 0 2 3 3 )1 课题背景 电动生物修复( e l e c t r o k i n e t i cr e m e d i a t i o n ) 是一种新兴的土壤修复技术。 其基本原理是将电极插入受污染土壤地下水区域，施加微弱直流电形成电场，利 用直流电场产生的各种电动力学效应( 包括电渗析、电迁移和电泳等) 增强地下 环境中污染物的生物可利用性，或为生物输送各种必需的外源物质：由于该技术 具有效率高、无二次污染、节省能源等优点，近年来受到国内外土壤修复专家的 广泛关注。研究表明，周期性地切换电场的极性可以有效地控制电极附近P H 和 土壤水分的变化，增加系统运行稳定性，而其中的旋转切换方式由于产生多方向 的电动力，因此能够更好地适应土壤异质性的特征。尽管旋转切换具有独特的优 势，但是目前对该运行方式下电极构型的研究尚未开展。 本研究设计多种旋转电极构型，采用电动力学方法模拟其电场分布，通过对 有效作用区的定义和分析，从中优化出合理的电极构型，并将其用于小型的污染 物修复实验，通过实验验证构型理论优化方法的可行性和被优化构型的实用性。2 研究方法 受试土壤为2 ，4 - D C P 人工污染土壤，污染浓度为l O O m g 肛g 实验采用的电极 为圆柱状高纯石墨电极。实验开始前和结束后分别取样测定土壤P H ，含水率和氯 酚浓度。土壤中氯酚经乙氰提取后采用高压液相色谱( H e w l e t tP a c k a r d1 0 5 0 )测定，流动相组成为甲醇：5 冰乙酸水溶液= 6 7 ：3 3 ，检测波长为2 8 4 n m ，电极上 施加的电压通过直流稳压电源产生。含水率和P H 的测定则采用土壤指标的标准分析方法来完成。3 结果与讨论 3 1 有效作用区性状及大小确定 由于修复的效果与场强大小密切相关，因而电场大小常常用于定义电动生物 修复的有效作用区。本研究首先考察了土壤中电极对间场强的分布。根据电流场 理论，通过电场场强的叠加获得了单对电极间电场强度分布。理论模拟的结果表 明，电极对间的等场强线的边缘接近直线。因此，电极之间的修复有效作用区可近似为长为电极间距的长方形。 为了验证上述结论，并确定长方形有效作用区( 长度为电极间距L ) 的宽度， 对苯酚污染的土壤进行电动生物修复实验，实验采用旋转电极( 即外加电压以旋 转的方式围绕某一中心在不同电极对之间进行切换，旋转运行时在某一时刻只有 一对电极通电) 运行方式见3 2 中l - R - 2 ，单元内有效作用分布与苯酚残留分布 如图l 、2 示。实验结果表明采用叠加的方法获得二维旋转构型的有效作用区是 可行的并进一步得出将有效作用区的宽度为电极间距的0 6 倍。- - 建伟( 1 9 8 1 ) ，男，山东青岛人，硕士生，主要从事环境修复技术研究本研究由图家9 7 3 项目( 编号：2 0 0 4 C B 4 1 8 5 0 6 ) 和8 6 3 项目( 编号：2 0 0 4 A A 6 4 9 2 0 ) 资助第四届环境模拟与污染控制学术研讨会论文集图l单元内有效作用区分布图2 苯酚残留率的分布3 2 电极矩阵构型设计 为了更好地满足现场修复的要求，需要获得合理实用的电极构型。图3 列 举了使用的几种电极构型。为了使2 - D 电极单元组合起来更加方便，选择的电极 构型以三角形、正方形和六边形为主。为了便于横向比较，异性电极间距统一设定为L 。 这七种电极构型按运行方式可以分成两大类。其中前四种为第一类，后三 种为第二类，二者的区别在于第二类构型的电场在旋转过程中中央电极和周围电 极的极性会发生周期性的切换，电场每旋转一周二者间极性切换一次。尽管第二 类构型在运行方式上有其特殊的一面，但是它们同样满足旋转过程中只有单对电极通电的条件，因而叠加求有效作用区的方法对它们仍然适用。 田0 圈。正掘负极。用置 。电摄图3七种常用的电极构型3 3 最优构型的选择 通过单电极有效作用面积、单元内无效作用面积比例和单元内、外有效作用 面积之比这三个量化指标可以得出如下结论：在第一类旋转运行方式下，将电极 按照中字形( 构型1 - R - 2 ) 排列最合理；而在第二类旋转运行方式下，将电极按 照六边形( 2 - R - 3 ) 排列最合理。 3 4 实验验证与前景分析 修复实验分别证实了卜R 一2 构型和2 一R - 6 构型的实用性。采用这两种构型进 行电动生物修复，系统运行稳定，污染物去除均匀，电极单元内无明显死角区，因而具有良好应用前景。1 7 4