技术交流：美国地下水污染及修复治理技术 电化学砷修复技术

水资源质量的优劣与我们的生活质量息息相关，如果地下水源地受到污染，我们应该怎么办？

美国工程院院士，加州大学伯克利分校安全用水与卫生专业杰出教授、伯克利实验室能源技术领域负责人阿肖克·加吉尔（Ashok Gadgil）教授为我们解惑。

地下水污染已成为全球性环境问题

地下水污染是危及人类健康的大问题。若工业、农业以及城市生活污染源处置不当，工业废水、化学药剂、化肥等污染物渗入至地下，则将引起地下水化学成分、物理性质和生物特征的变化。由于地表以下底层复杂、地下水流动及其缓慢，地下水污染一旦污染，将很难治理和恢复。

地下水污染可划分为以下四个类型：一是地下淡水的过量开采导致沿海地区的海（咸）水入侵；二是地表污（废）水排放和农耕污染造成的硝酸盐污染；三是石油和石油化工产品的污染；四是垃圾填埋场渗漏污染。其中，农耕污染具有量大面广的特征，未经利用的氮肥在经过地层时通过生物或化学转化成硝酸盐和亚硝酸盐，长期饮用这种污染的地下水将可能导致氰紫症、食道癌等疾病的发生。

地下水中的主要污染物、危害

地下水中常见的无机阴离子污染物包括：硝酸根、亚硝酸根、硫酸根、氯离子、氟离子等。天然地下水中一般含有少量上述离子，但是当浓度达到限值或者长期饮用时，这些无机阴离子将会使水质变坏，甚至诱发人体产生各种疾病。

金属离子是地下水中最为普遍的污染物，铬、砷、铀、汞等重金属离子一旦浸入水中，将很难降解，从而产生持久性污染。

以金属砷为例，砷的各种化合物均有毒性。人体摄入约5~50mg三氧化二砷便将中毒，70~180mg即可致死。矿石开采、工业废料、含砷杀虫剂和农药的大量使用，使得许多农田、果园、工厂附近的土壤和地下水收到砷的污染，由砷污染引发的环境问题已引起人们的广泛关注。在全世界，大约有1.4亿人在饮用受砷污染威胁的地下水，在中国估计有1958万人生活在高风险的砷污染地区(Michael, Science，2013）。美国西部、中西部和东北部部分地区地下水砷含量较高，均超过世界卫生组织规定的饮用水水质标准(10μg/L)。

美国地下水中砷的分布（图片引自Ryker and Welch, USGS, 2001）

由于砷污染一般是非点源污染，因此很难将污染源隔离，而目前常用的污染物吸附处理、混凝过滤、离子交换、反渗透亦或是氧化过滤处理方法操作复杂，且需要很高的资本和运营成本。如何经济、高效的去除地下水中的污染物？让我们来学习一下阿肖克·加吉尔（Ashok Gadgil）教授团队的电化学水处理技术和电容去离子技术吧！

电化学砷修复技术

阿肖克·加吉尔教授团队开发了一种新的电化学砷修复技术(Electrochemical Arsenic Remediation ,ECAR)。自2016年以来，该技术已在印度、美国加州等地开展了现场试验。

ECAR如何工作？

ECAR技术基于铁电极电凝(EC)，将二价铁从铁阳极溶解、氧化形成三价铁沉淀，水中的砷与三价铁表面结合形成氧化物沉淀。沉淀的含砷氧化物可通过过滤或重力沉降从水中分离出来。为加快现场处理的时间，ECAR技术主要采用重力沉降加明矾的方法以减少沉降时间。

电化学砷修复技术（图片引自Amrose et al, Science of the Total Environment, 2014）

ECAR现场试验效果

印度西孟加拉邦现场试验结果显示，通过该技术可将地下水中的砷浓度从266μg/L降至约5μg/L，远低于世界卫生组织规定的饮用水水质标准(WHO-MCL)，即砷浓度＜10μg/L。

印度西孟加拉邦现场试验水样含砷量测试结果（图片引自Amrose et al, Science of the Total Environment, 2014）

ECAR运营成本

ECAR技术的主要成本是装置设备、原料（主要为明矾）费用。其运营成本约为0.83~1.04美元/m³。

600L ECAR装置示意图（图片引自Amrose et al, Science of the Total Environment, 2014）

作者简介

阿肖克·加吉尔教授

(加州大学伯克利分校土木与环境工程系安全用水与卫生专业杰出教授、伯克利实验室能源技术领域负责人)

阿肖克·加吉尔教授是美国工程院院士，加州大学伯克利分校土木与环境工程系安全用水与卫生专业杰出教授、伯克利实验室能源技术领域负责人。他长期致力于基于先进科学和工程的全球变革性技术创新研究，在电化学水处理技术和电容去离子技术方面研究经验丰富。

加吉尔教授现为两个大型、多机构协同的工程科学创新和应用国际联盟的美方主任，即美印商业建筑能源效率研究开发联盟CBERD的主任和中美能源与水技术研究开发联盟CERC-WET的主任。同时，加吉尔教授在加州大学伯克利分校创立“发展工程学”（Development Engineering discipline），是该校发展影响实验室（DIL）首席调查员。该实验室是由美国国际开发署资助、伯克利分校领导的大型多校区倡议项目，是一个包括由研究机构、非政府组织（NGO）和致力于通过科技创新推进国际发展的行业合作伙伴组成的全球联盟。通过DIL，加吉尔教授共同创建了一个新的开放访问、同行评议技术期刊《发展工程（Development Engineering）》（由Elsevier发行），并担任共同主编，内容涵盖基于定量社会科学和工程科学的、针对发展问题的解决方案研究。