CN101507969B - 重金属污染土壤阳极液淋洗强化电动修复方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种结合电动力学法与化学淋洗法的复合技术,对重金属污染土壤无二次污染的高速原位修复工艺,以投加天然有机络合剂且自身呈酸性的阳极工作液作为淋洗剂,通过电渗流使含重金属的淋洗液迁移至阴极处理区,并结合电迁移可通过低渗透性土壤,低pH阳极工作液可强化固化态重金属解吸的优点,淋洗助剂可选择为相对温和的天然有机酸,从而在源头上避免二次污染;同时,伴随修复过程的进行,对阴极附近形成的pH突跃点进行间歇淋洗,控制酸性迁移带继续行进,使pH突跃点出现在阴极处理区域,避免了酸、碱面在修复部位相遇发生中和反应引起的局部电导率下降,并导致的电流效率随时间降低的问题。
Description
技术领域
本发明涉及对重金属污染土壤无二次污染的高速原位修复工艺,属于环保节能技术领域。
背景技术
土壤是人类赖以生存的衣食之本,在工业科技高度发达的今天,随着生活污水和工业废水、废气、废渣的大量排放,土壤环境正遭到空前的重金属污染。在一些污灌区土壤中,镉的污染超标面积近20年来增加了14.6%,在东南地区,汞、砷、铜、锌等元素的超标面积占污染总面积的45.5%。长江三角洲地区有的城市有万亩连片农田受镉、铅、砷、铜、锌等多种重金属污染,致使10%的土壤基本丧失生产力。由于土壤自身无法消除和稀释重金属的存留,其长期过量的累积不仅会造成地表水和地下水的污染,破坏矿区农业生态系统,危害人类健康。近年来,重金属污染土壤的修复问题在国内外都引起了高度重视,已成为环境科学研究的热点课题。
当前对重金属污染土壤的修复方法主要有:植物修复、化学淋洗、电动修复等。以上方法在应用上各有优缺点。土壤重金属污染具有隐蔽性和滞后性,累积性和地域性,长期性和不可逆性,属于复合型污染。因此单一方法往往效率不高,难于达到预期效果,其修复是一项系统工程,采用组合技术是土壤修复的发展趋势。
化学淋洗法修复过程中,淋洗剂能通过溶解、络合或离子交换等作用把土壤固相中的重金属转移到土壤液相,再对淋洗液进行抽提,起到去除固化态重金属的效果。Wasay等研究了不同种类有机酸对不同质地土壤中重金属的去除率。结果表明,柠檬酸、酒石酸、草酸+柠檬酸砂质土壤中的Pb、Cd去除率能达到80%以上。研究表明,采用适当的单一或组合淋洗剂,可有效解吸土壤中的固化态重金属,但由于该方法存在淋洗剂残留导致二次污染,不易处理低渗透性土壤,淋洗液费用昂贵,不易进行大规模原位修复等问题致使单一的化学淋洗法难以用于矿区等重金属污染土壤的大面积原位修复。
电动修复法是20世纪90年代后才得到重视和发展的土壤原位新型修复技术,它主要是通过在污染土壤两侧施加直流电场形成电势梯度,使土壤中的污染物在电场作用下通过电迁移、电渗流或电泳的方式移动到电极两端,再以离子交换法萃取或电沉积法去除等手段达到清洁污染土壤的效果。Acar提出了增强修复方法,通过向阴极和阳极加入酸性和碱性溶液,中和水解生成的OH和H+,控制体系的pH变化,采用乙酸增强的铅污染土壤修复,经98天的实验提高了Pb的去除率,但约55%的Pb沉积在阴极区附近,阻塞了土壤孔隙,阻止了污染物的进一步迁移和去除。如何对修复过程中产生的酸性迁移带进行有利控制,寻找能够有效把固化态重金属从土壤中解吸出的手段,已成为影响土壤电动修复效果的最关键性因素。
发明内容
本发明针对以往两种方法的不足,提供一种对重金属污染土壤无二次污染的高速原位修复工艺方法,可有效提高重金属去除率,缩短修复流程和时间,降低能耗。
本发明的上述目的是这样实现的:重金属污染土壤阳极液淋洗强化电动修复方法,其特征在于:在重金属污染土壤两端设置阴、阳极室,阳极室内预储以天然有机酸为溶质的工作液,并通过导管及泵与工作液储槽连接,两极间以稳压直流电源施加电场;通过导管与泵对阳极工作液进行间歇式抽提,并对受修复土壤部位的淋洗液渗透层进行淋洗、渗透,促进该局部附近土壤中固化态重金属的解吸;以局部pH及重金属去除率为指示,2~30小时为间歇淋洗周期,不断将淋洗部位靠近阴极电解室,直到完成土壤修复。
阳极室长度∶修复土壤长度∶阴极室长度=1∶8~15∶1.5~3,且阴、阳极室与修复土壤之间由夹层为滤纸、滤布的两块多孔聚甲基丙烯酸甲酯,或在酸性、碱性条件下呈惰性的多孔板材隔开。
阳极电解工作液采用0.2~2.0mol/l的酒石酸-酒石酸钾钠溶液、草酸-草酸钾溶液、乙酸-乙酸钾溶液;阴极室初始电解液为0.01~0.05mol/l的KNO3溶液,修复过程开始后不再添加。
所述施加电场的强度为10~50V/m。
所述的受修复土壤部位的淋洗液渗透层是:从阴极电解室起,向土壤中并列排布3~15个淋洗渗透薄层,作为阳极工作液的淋洗部位,具体数量由实际修复土壤长度及土壤理化性质决定,距阴极电解室至其最远端一个渗透层的长度不超过处理土壤的1/2。
所述的淋洗渗透薄层中每个淋洗渗透薄层长度为处理土壤总长度的1/120~1/20,每个淋洗渗透薄层深度∶修复土壤深度=1∶2~1,宽度与修复区域同宽,且每层均由粗砂砾、细石子或在本修复环境下不发生化学反应的有机、无机颗粒组成。
修复过程中对依次进行的每个淋洗渗薄透层的pH控制在2~4之间,淋洗液施加由连通阳极工作液的导管及蠕动泵实现。
结合电动力学法与化学淋洗法,以投加天然有机络合剂且自身呈酸性的阳极工作液作为淋洗剂,在修复进行中,以1~5小时为周期连续取样监测土壤pH值,对于pH稳定在6~8的区间(即pH突跃点),在该区间相邻的淋洗渗透层进行阳极工作液淋洗,开动与阳极储液槽连通的蠕动泵,维持阳极电解液与液面高度,同时打开阴极室排液阀门,排出相当于淋洗剂量的回收液。
受处理土壤pH监测由置于渗透层中的多孔导管中取液,以数字酸度计测定。
淋洗量以该渗透层近阴极侧土壤pH达到2~4间某一定值为指示,此时停止淋洗并关闭阴极室排液阀门,并重复上述步骤继续修复。如此淋洗区间不断向阴极电解区移动,直到整个污染土壤的修复完成。
通过电渗流使含重金属的淋洗液迁移至阴极处理区,解决了化学淋洗法中分离土壤与淋洗液的技术难点,并结合电迁移可通过低渗透性土壤,低pH阳极工作液可强化固化态重金属解吸的优点,淋洗助剂可选择为相对温和的天然有机酸,从而在源头上避免二次污染;同时,伴随修复过程的进行,对阴极附近形成的pH突跃点进行间歇淋洗,控制酸性迁移带继续行进,使pH突跃点出现在阴极处理区域,克服以往工艺中大量重金属在阴极处理区外提前富集、沉积的关键性弱点,且由于PH突跃点由土壤移到溶液,避免了酸、碱面在修复部位相遇发生中和反应引起的局部电导率下降,并导致的电流效率随时间降低的问题。
附图说明
下面以实例进一步说明本发明的实质内容,但本发明的内容并不限于此。
图1是本发明重金属污染土壤阳极液淋洗强化电动修复装置的结构示意图。
图1中:(1).直流电源;(2).检流计;(3).软管;(4).蠕动泵;(5).流量计;(6).淋洗端;(7).阳极储液;(8).蠕动泵;(9).阳极室;(10).阳极工作液;(11).石墨阳极;(12).滤纸;(13).石英砂;(14).多孔管;(15).淋洗渗透层;(16).滤布;(17)滤纸;(18).阴极;(19).阴极室;(20).排液口;(21.)阀门;(22).回收液。
具体实施方式
实验土壤采自埋深0~30cm的云南兰坪铅锌矿废弃地。土样经风干后,过2mm筛。经原子吸收分光光度计测定该土样中重金属Pb、Cd、Cu含量如表1所示。
采用污染土壤阳极液淋洗强化电动修复工艺方法如图1的装置进行修复,整个修复装置宽10cm,高16cm。阳极电解室9、处理土壤、阴极电解室19的长度分别为5cm、50cm、8cm。阳极电解室9内加入0.3mol/l酒石酸溶液,阴极电解室19内为0.05mol/l的KNO3溶液。自阴极电解室19起以3cm为间距的6个粒径为1.2mm的粗砂砾淋洗渗透薄层15,每层用滤布和土壤隔开,层厚0.5cm。阴、阳极均采用石墨电极,电压梯度0.5V/cm。电动处理5小时后,阳极侧第一个淋洗渗透薄层15右侧土壤pH升高至7.4,检流计2所示电流明显下降,此时启动阳极工作液淋洗,开动与阳极储液槽连通的蠕动泵8,维持阳极电解液与液面高度,同时打开阴极室排液阀门21,排出相当于淋洗剂量的回收液22。2小时后原测点土壤pH降至3.6,关闭淋洗系统,继续电动修复,如此淋洗部位向阴极端移动5次,完成本次土壤修复。总处理时间60小时。对于Pb、Cd、Cu的去除率如表1所示。
表1兰坪矿区废弃地土样修复前后重金属含量
Claims (7)
1.一种重金属污染土壤阳极液淋洗强化电动修复方法,其特征在于:在重金属污染土壤两端设置阴、阳极室,阳极室内预储以天然有机酸为溶质的工作液,并通过导管及连接在导管上的泵与工作液储槽连接,两极间以稳压直流电源施加电场;通过导管与泵对阳极工作液进行间歇式抽提,并对受修复土壤部位的淋洗液渗透层进行淋洗、渗透,促进该局部附近土壤中固化态重金属的解吸;以局部pH及重金属去除率为指示,2~30小时为间歇淋洗周期,不断将淋洗部位靠近阴极电解室,直到完成土壤修复。
2.根据权利要求1所述的重金属污染土壤阳极液淋洗强化电动修复方法,其特征是:阳极室长度∶修复土壤长度∶阴极室长度=1∶8~15∶1.5~3,且阴、阳极室与修复土壤之间由夹层为滤纸、滤布的两块多孔聚甲基丙烯酸甲酯,或在酸性、碱性条件下呈惰性的多孔板材隔开。
3.根据权利要求1所述的重金属污染土壤阳极液淋洗强化电动修复方法,其特征是:阳极电解工作液采用0.2~2.0mol/l的酒石酸-酒石酸钾钠溶液、草酸-草酸钾溶液、乙酸-乙酸钾溶液;阴极室初始电解液为0.01~0.05mol/l的KNO3溶液,修复过程开始后不再添加。
4.根据权利要求1所述的重金属污染土壤阳极液淋洗强化电动修复方法,其特征是:所述施加电场的强度为10~50V/m。
5.根据权利要求1所述的重金属污染土壤阳极液淋洗强化电动修复方法,其特征是:所述的受修复土壤部位的淋洗液渗透层是:从阴极电解室起,向土壤中并列排布3~15个淋洗渗透薄层,作为阳极工作液的淋洗部位,具体数量由实际修复土壤长度及土壤理化性质决定,距阴极电解室至其最远端一个渗透层的长度不超过处理土壤的1/2。
6.根据权利要求5所述的重金属污染土壤阳极液淋洗强化电动修复方法,其特征是:所述的淋洗渗透薄层中每个淋洗渗透薄层长度为处理土壤总长度的1/120~1/20,每个淋洗渗透薄层深度∶修复土壤深度=1∶2~1,宽度与修复区域同宽,且每层均由粗砂砾、细石子或在本修复环境下不发生化学反应的有机、无机颗粒组成。
7.根据权利要求5所述的重金属污染土壤阳极液淋洗强化电动修复方法,其特征是:修复过程中对依次进行的每个淋洗渗薄透层的pH控制在2~4之间,淋洗液施加由连通阳极工作液的导管及连接在导管上的泵蠕动实现。
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