CN102284474A - 利用电能修复污染土壤和处理固体废物的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种修复污染土壤和处理固体废物的方法及装置，在土壤/固废两端分设阴极和阳极反应池，底部设补水层，补充水中含能提高有机污染物和重金属在水中溶解度的化学药剂，顶部覆盖可更换的污染物收集层，内部设置可更换的人工聚焦带。通过施加高电压和大电流使土壤/固废温度升至数十乃至数百度，挥发性有机污染物因高温从中挥发出来，非挥发性有机污染物和重金属随水上升至收集层在水蒸发后滞留在收集层内，部分重金属离子沿电场方向迁移到电极池和人工聚焦带内。阴、阳两极产生的氢气和氧气被分别收集起来用于焚烧挥发出来的、收集层内和聚焦带内的污染物；氧气还可制成臭氧氧化土壤/固废内或已清理出来的污染物。

Description

利用电能修复污染土壤和处理固体废物的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种利用电能，基于盐碱地形成原理和电动修复原理而发明的用于修复污染土壤和处理固体废物的方法和装置。

背景技术

当工业生产过程中产生的废水或固体废物进入土壤时，会导致土壤和地下水的污染，当该场地改为居住、农业等用地时，必须进行土壤和地下水的修复，消除其中的污染物。

土壤和地下水修复的主要方法有：(1)物理修复：物理分离修复、固化/稳定化修复、蒸汽浸提修复、电动修复等；(2)化学修复：化学淋洗修复、溶剂浸提修复、高温焚烧修复、氧化还原修复等；(3)生物修复：预备床法、土壤堆腐法、泥浆生物反应器法、土地耕作法等。按照土壤是否要挖掘，这些技术可分为原位(in situ)修复技术和异位(ex situ)修复技术。原位修复技术是指通过物理、化学、生物等方法在原位将污染物从土壤和地下水中去除或通过各种方法将污染物限制在原位的一定区域内阻止其向外扩散。异位修复技术是指将污染土壤从原来的位置挖出来在场地内的某个地方或场地外某个地方进行修复或控制填埋。

电动修复技术是利用电化学原理，在污染土壤两侧安放正、负电极，土壤中的污染物在电场作用下通过电迁移和电渗析作用进入电极工作液中，实现将污染物从土壤和地下水中去除的目的。电动修复技术主要用于重金属污染物的去除(利用电迁移原理)，要求土壤温度不能显著升高，以免水分散失，导致污染物无法溶解到土壤水中和土壤电阻升高，所以，电压梯度一般为0.5～2V/cm，电流密度10～100mA/cm²。电动修复技术的缺点是如果用于去除土壤中的有机污染物，因有机污染物通常不带电，只能依靠电渗析作用，而电渗析的电流效率只有电迁移的百分之几，经济可行性远不如蒸汽浸提和微生物修复技术，因此，不适用于有机污染土壤的修复。此外，电动修复还存在两项能源浪费问题：(1)电动修复过程中产生的热能被缓慢释放掉，没有利用；(2)阳极产生的氧气和阴极产生的氢气产生速率低，难以收集，被排放到大气中没有利用。

蒸汽浸提修复是向土壤中通入热蒸汽，通过蒸汽加热土壤使土壤中的挥发性有机污染物从土壤中挥发出来，实现对土壤和地下水的修复。该方法不能用于重金属和难挥发性有机污染物，而且由于土壤透气性的影响，蒸汽注入井远处的温度低于其周围的温度，导致修复效果不均匀。

固体废物目前采用的处理处置方式多为焚烧、填埋和各种资源化利用方式。焚烧和填埋不是将固体废物中的有害物质分离出来，而是混在一起进行处理处置。各种资源化利用方式则是根据各自的需要主要采用机械分选、化学反应提取(如：酸溶解提取)或掺入其他材料中(如制建材、混炼胶等)。由于固体废物与土壤都是固态，一些土壤修复技术最早就来源于固体废物的处理技术(如：有机污染土壤的焚烧、化学氧化还原方法)，一些基于土壤修复开发的技术也可以用于固体废物的处理与处置。

发明内容

本发明是利用盐碱地的形成原理和电动修复原理，将土壤本身作为一个电发热体，通过(a)在被修复的土壤/固体废物1底部设置补水层6和14；(b)在土壤的顶部覆盖可拆卸更换的污染物收集层7和22；(c)土壤/固体废物内部设置可拆卸更换的人工聚焦带13；(d)在阳极池3上设置密闭氧气收集罩8，用气泵将氧气输送到氧气储罐17中，阴极池5上设置密闭氢气收集罩9，用气泵将氢气输送到氢气储罐18中，氧气和氢气被导入废气焚烧装置16中用于焚烧来自废气储罐15的废气；(e)氧气储罐17中的氧气被导入臭氧发生器10产生臭氧，臭氧被导入废气氧化装置19用于氧化来自废气储罐15的废气或通过管道20进入土壤氧化土壤中的污染物，也可用来氧化修复过程中产生的废水；(f)采用大功率高压直流电源12在土壤上施加高电压大电流使土壤温度升至40℃甚至300℃以上高于一些难挥发有机污染物的沸点(如：六六六的沸点为288℃)，实现(a)电能在短时间内集中消耗，产生的热量来不及释放，土壤/固体废物温度上升，使其中的有机污染物因高温而随水蒸气一起挥发出来；(b)重金属污染物(如：Zn²⁺、Cd²⁺、Pb²⁺、Cr³⁺、CrO₄ ^2-、Ni²⁺、Cu²⁺等)、没有挥发的有机物甚至放射性污染物随土壤/固体废物内的水通过毛细管作用上升到收集层7中，水在收集层内蒸发掉(可利用阳光、风、红外辐射或微波加热进一步强化收集层内水分的蒸发)，重金属和没有挥发的有机物留在收集层中(盐碱地的形成原理)。修复结束或修复过程中，将收集层取出用水清洗出其中的污染物，最后与阳极工作液3和阴极工作液5一起采用相应的废水处理技术进行处理，也可在焚烧装置16中将收集层中的有机污染物焚烧掉。修复过程中还有部分重金属离子沿直流电场横向迁移进入电极工作液3和5以及人工聚焦带13从土壤/固体废物中去除(电动修复原理)。修复过程中从土壤/固体废物中蒸发散失的水分通过设置在底部的补水层6进行补充，同时，根据需要可在补充水内添加络合剂(如：EDTA等)、酸(如：醋酸、硝酸、盐酸等)或盐类(如：硝酸钠、醋酸钠等)提高重金属的去除率或降低土壤/固体废物的电阻以提高电流强度。从土壤/固体废物中释放出来的有机污染物采用密闭集气罩11负压收集到废气储罐15中，根据其化学特性采用(a)在焚烧装置16中用氢气和氧气焚烧掉或(b)在废气氧化装置19中用臭氧氧化。当土壤/固体废物中存在不溶于水的大分子高沸点难挥发有机物时，可通过补水层6或在土壤/固体废物中铺设布气管道20将臭氧通入土壤中，以氧化分解这些有机物，使其变成易于从土壤/固体废物中去除的小分子有机物。

本发明的方法可同时去除土壤/固体废物中的重金属污染物和有机污染物，兼具了电动修复和蒸汽浸提两种方法的功能和优势。主要体现在(a)与电动修复技术相比，本发明新增了有机污染物去除功能；(b)因采用了高电压梯度，离子迁移速度提高，修复时间缩短；(c)重金属离子的去除除了电迁移一条途径外，新增了一条向上进入收集层的去除途径，在消耗同样电能情况下，总去除率提高，修复时间缩短；(d)高温增加了一些污染物在土壤/固体废物含水中的溶解度，提高了修复效果；(e)在电动修复效率较低的沙质土壤中能实现较高的去除率(因为毛细管作用在沙质土壤中比在粘土强烈)；(f)因电流增大氧气和氢气的释放速率大幅度增加，方便了氢气和氧气的回收利用；(g)与蒸汽浸提相比，土壤温度可以提高到数百度，使一些沸点高的难挥发有机物得以从土壤中挥发去除；(h)电极释放的氢气和氧气被回收用于焚烧从土壤/固体废物中去除污染物，节约了能源；对于缺水地区，焚烧产生的水蒸汽可以冷凝下来回流到补充水中；(i)土壤温度分布均匀度高，提高了修复效果。

固体废物，如污水处理厂的污泥、堰塘河流及湖泊的底泥、工业废水处理产生的污泥(如：电镀废水处理污泥、采选矿废水处理产生的污泥、化工废水处理污泥等)、工业和矿业生产排放的废渣(如：铬渣、含重金属或放射性物质的尾矿等)，可采用本方法将其中的有毒有害污染物去除或降低其浓度。对于固体废物中以氧化物、氢氧化物或非水溶性盐形式存在的重金属污染物，先加入酸、EDTA等化学药剂将其转化为水溶性的盐，然后再用本方法进行处理。对于不导电的固体废物(如：一些化工污泥)，先在其中加入强电解质(如：硝酸钾、硝酸钠、醋酸钾、醋酸钠、氯化钾、氯化钠等)，使其导电，然后再用本方法进行处理。

本发明提出的实现上述方法的装置结构如下：

装置分基本型和提高型。基本型(图1)的结构为(a)阳极2和阳极工作液3、阴极4和阴极工作液5、土壤/固体废物1以及直流电源12组成一个闭路电路；(b)土壤/固体废物底部的补水层6采用沙、碎石、透水石/砖、玻璃棉等多孔材料制成，补水层内部开有进水槽以利布水均匀并与外界进水管相连，补水层两端与电极池3和5不连通；(c)土壤顶部覆盖收集层7，材质为透水性强的棉布、化纤布、土工布、石膏板/粉、纸板、透水石/砖、玻璃棉、细沙、木屑等透水材料，收集层的两端与电极池3和5也不连通。当收集层的材料为棉布、化纤布、木屑等可燃材料时，用后可将其在焚烧装置16或水泥窑、垃圾焚烧炉以及其他工业炉窑内焚烧掉；可在收集层7上方悬挂安装风扇、红外线或微波加热装置提高水分蒸发速度；(d)密闭的废气集气罩11收集的废气被抽到废气储罐15贮存，之后通入焚烧装置16或废气氧化装置19进行处理；(e)密闭的阳极集气罩8收集的氧气抽到氧气储罐17中贮存，密闭的阴极集气罩9收集的氢气抽到氢气储罐18中贮存，(f)氧气和氢气被输送到焚烧装置16内作为燃料，如果不需要焚烧处理，则氢气高空排放或燃烧掉，防止积聚导致火灾；(g)收集的氧气还可导入臭氧发生器10制造臭氧，产生的臭氧被引入废气氧化装置19用来氧化来自废气罐15中的废气。

提高型装置可分为提高型I型(图2和图3)、提高型II型(图4)和提高型III型(图5)。

提高型I型(图2和图3)主要是针对渗透系数低(如：＜10^-6cm/s)的粘土/固体废物中的重金属污染物，在土壤/固体废物中设置透水性好、含盐量高的人工聚焦带13(参见发明专利申请号201110082498.7，申请人重庆大学，发明人李东)，材料可选用渗透系数高的土壤(＞10^-5cm/s)、沙、透水石/砖、木板、木屑、纸板、棉布、化纤布、土工布、玻璃棉、石膏板等，人工聚焦带在修复过程中可停电更换。当采用布、废纸、木屑/板等可燃材料时，用后可送到焚烧装置16或水泥窑、垃圾焚烧炉以及其他工业炉窑焚烧掉。聚焦带的含盐量要求高于土壤/固体废物，补充水的含盐量也高，因此，人工聚焦带补水层14在结构上与土壤/固体废物补水层6隔开，各自分别进水。电动迁移到人工聚焦带13内的污染物沿聚焦带向上进入到收集层7中，必要时可在人工聚焦带13顶部独立设置高真空度废气集气罩21、污染物收集层22(图3)和红外线或微波加热装置，以使人工聚焦带内水分蒸发的速度高于土壤/固体废物内水分蒸发的速度。

提高型II型(图4)主要是针对土壤/固体废物中不溶于水的大分子难挥发有机污染物。根据这些污染物在土壤/固体废物中的分布位置，通过耐腐蚀管道20将臭氧引入土壤/固体废物中对其进行氧化分解，也可将臭氧通入补水层随水流进入土壤/固体废物中。如果土壤/固体废物透气性不好，可混入少量沙土、木屑等提高土壤/固体废物的透气性。

提高型III型(图5)是将基本型、提高I型和提高II型的土壤/固体废物的修复单元(土壤/固体废物1、阳极2、阳极池3、阴极4、阴极池5、补水层6、收集层7、氧气集气罩8、氢气集气罩9、废气集气罩11、人工聚焦带13、人工聚焦带补水层14和臭氧输送管道20)做成多层结构，缩小每层土壤/固体废物厚度，提高单位质量土壤/固体废物的蒸发表面积，从而提高修复效率；

上述装置可加工成组装成成套设备使用，也可以加工成拼装型部件，现场拼装使用。

附图说明

图1利用电能修复污染土壤和处理固体废物的装置基本型的结构示意图

图2利用电能修复污染土壤和处理固体废物的装置提高型I型的结构示意图a

图3利用电能修复污染土壤和处理固体废物的装置提高型I型的结构示意图b

图4利用电能修复污染土壤和处理固体废物的装置提高型II型的结构示意图

图5利用电能修复污染土壤和处理固体废物的装置提高型III型的结构示意图

具体实施方式

(1)按照图1至图4所示，将设备在修复现场组装好；

(2)采用人工或设备对土壤/固体废物进行翻抛混合，使其疏松且均匀，同时剔除大的石块、树根以及金属物，如果土壤/固体废物透水性太差，可混入沙、木屑或其他能增加透水性的固体废物(如：磷石膏等)；需要提前加入盐、酸、络合剂等化学药剂的，也在此时加入并混合均匀；

(3)将上述预处理好的土壤/固体废物放入装置内，厚度一般不超过1m(对挥发性有机污染物而言，土壤/固体废物层越薄越好，在多层的提高型III型中，土壤/固体废物的厚度可小于0.1m)，并且不要压实，顶部修理平整后铺上收集层7(如果污染物只有挥发性有机物，可以不加收集层7)，土壤/固体废物1与电极池3和5之间用滤布或透水石/砖隔开；

(4)将阳极工作液注入阳极池3、阴极工作液注入阴极池5，接通电源12，同时打开与各集气罩的气泵将废气、氧气和氢气分别抽到各自的储气罐中；

(5)向补水层6内注入清水或含络合剂(如：EDTA等)、酸(如：醋酸、硝酸、盐酸等)、盐类(如：硝酸钠、醋酸钠等)或有机溶剂(如洗洁精等)，并根据土壤/固体废物1含水情况保持一定的水头压力；

(6)根据收集层7中富集的污染物的情况，可在修复过程中更换新的覆盖层；

(7)当安装有人工聚焦带13时，可通过调节人工聚焦带补水层14内的水头压力和收集层22内水分的蒸发速度(调节集气罩21的真空度和收集层22的温度)来控制人工聚焦带13中水上升的速度；

(8)当氧气储罐17和氢气储罐18内储存了足够量的气体时，可开始在焚烧装置16内焚烧废气或通过臭氧发生器10制取臭氧用于氧化废气、废水或通入土壤/固体废物1中；

(9)修复结束时，断开电源12，抽出阳极工作液3和阴极工作液5，取出收集层7和人工聚焦层13；

(10)将处理好的土壤/固体废物挖出，回填原来的位置，重复步骤(2)～(9)进行下一批土壤/固体废物的处理；

(11)用氧气和氢气将收集层7和人工聚焦带13焚烧掉或用清水、含洗涤剂的溶液将其中的污染物清洗出来，产生的废水采用相应的废水处理技术进行处理；

(12)如果最后氧气罐17和氢气罐18内还剩有气体，从安全考虑，要将其全部燃烧掉。

Claims (10)

1.一种利用电能修复污染土壤和处理固体废物的方法，所述方法将土壤/固体废物作为一个电发热体，两端设有阴极和阳极反应池，土壤/固体废物底部设置补水层，补充水内含各种能增加有机污染物和重金属在土壤/固体废物水中溶解度和土壤/固体废物电导的化学药剂，顶部覆盖可拆卸更换的污染物收集层，土壤/固体废物内设置可拆卸更换的人工聚焦带，通过施加高电压和大电流使土壤温度升至数十乃至数百度，土壤/固体废物中的有机污染物因高温从土壤中挥发出来，重金属污染物和部分没有挥发的有机污染物随土壤/固体废物内的水上升至收集层在水蒸发后滞留在收集层内，部分重金属离子沿电场方向迁移到电极池和人工聚焦带内，阳极产生的氧气和阴极产生的氢气被分别收集起来用于焚烧从土壤/固体废物中挥发出来的废气、收集层和人工聚焦带内的污染物，阳极产生的氧气还作为臭氧发生器的气源制造臭氧用于氧化土壤/固体废物中的污染物和修复过程中产生的废气和废水；

2.根据权利要求1所述的利用电能修复污染土壤和处理固体废物的方法，其特征在于：采用高电压大电流使土壤/固体废物温度上升至数十度乃至数百度以高于有机污染物的沸点，使污染物挥发或随土壤/固体废物内的水上升至收集层在水蒸发后滞留在收集层内；

3.根据权利要求1所述的利用电能修复污染土壤和处理固体废物的方法，其特征在于：土壤/固体废物底部设置有补水层用来补充散失的水分，材质可以是沙、碎石、透水石/砖、玻璃棉等多孔性透水材料，补水层内开有布水槽，补充水中可根据要去除的污染物化学特性添加络合剂(如：EDTA等)、酸(如：醋酸、硝酸、盐酸等)、盐类(如：硝酸钠、醋酸钠等)、有机溶剂(如洗洁精等)等增加有机污染物和重金属在土壤/固体废物水中溶解度和土壤/固体废物电导；

4.根据权利要求1所述的利用电能修复污染土壤和处理固体废物的方法，其特征在于：土壤/固体废物顶部设置有可拆卸污染物收集层，在修复过程中或修复结束后可以取出更换，材质为透水性强的沙、碎石、透水石/砖、玻璃棉、棉布、化纤布、土工布、纸板、木屑/板、石膏板/粉等透水材料，当采用布、废纸、木屑/板等可燃材料时，废弃的收集层连同其中的污染物可送到现场焚烧装置或水泥窑、垃圾焚烧炉以及其他工业炉窑进行焚烧处置，收集层上面可悬挂安装风扇、红外辐射或微波加热器提高收集层内水分蒸发速度；

5.根据权利要求1所述的利用电能修复污染土壤和处理固体废物的方法，其特征在于：在土壤/固体废物中设置可拆卸的高透水性的人工聚焦带，聚焦带底部设有结构上独立的补水层，顶部可根据蒸发量的需要设置结构上独立的废气集气罩、污染物收集层和强化水分蒸发的红外或微波加热装置，聚焦带在修复过程中或修复结束后可以取出更换，材质为渗透系数高的土壤(＞10^-5cm/s)、沙、透水石/砖、玻璃棉、棉布、化纤布、土工布、纸板、木屑/板、木板、石膏板/粉等，当采用布、废纸、木屑/板等可燃材料时，废弃的人工聚焦带连同其中的污染物可送到现场焚烧装置或水泥窑、垃圾焚烧炉以及其他工业炉窑进行焚烧处置；

6.根据权利要求1所述的利用电能修复污染土壤和处理固体废物的方法，其特征在于：阳极产生的氧气和阴极产生的氢气被分别收集起来用于焚烧从土壤中挥发出来的废气、收集层和人工聚焦带内的污染物；

7.根据权利要求1所述的利用电能修复污染土壤和处理固体废物的方法，其特征在于：阳极产生的氧气被作为臭氧发生器的气源制造臭氧用于氧化土壤中的污染物和修复过程中产生的废气和废水；

8.实现权利要求1所述方法的装置，所述装置在土壤/固体废物两端安装阴极和阳极反应池，底部安装补水层，顶部覆盖可拆卸更换的收集层，外罩废气集气和存储系统，大功率高压直流电源通过安装在阴极池和阳极池内的电极对土壤/固体废物通电，阴极池上安装氢气收集存储系统，收集的气体导入焚烧装置内，阳极池上安装氧气收集存储系统，收集的气体被导入焚烧装置内或臭氧发生器中，臭氧发生器产生的臭氧被导入土壤/固体废物、废气氧化装置或废水处理装置内，土壤/固体废物中安装高透水性的人工聚焦带；

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于：土壤/固体废物的修复单元(土壤/固体废物槽1、阳极2、阳极池3、阴极4、阴极池5、补水层6、收集层7、氧气集气罩8、氢气集气罩9、废气集气罩11、人工聚焦带13、人工聚焦带补水层14)做成多层结构，缩小每层土壤/固体废物的厚度，以提高水分蒸发的面积；

10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于：所述装置的可加工成拼装的形式，在现场根据场地情况拼装组合。

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