CN102806228B - 一种污染土壤异位电动修复装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是避免聚焦现象发生、缩短电动修复时间，从而提高修复效果和降低修复费用。为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种污染土壤异位电动修复装置，包括土壤承载系统、电极系统和电极工作液喷淋系统。所述土壤承载系统的底部多孔层Ⅰ。所述电极系统包括分别设置在土壤承载系统上下方的上电极和下电极，工作时，所述上、下电极所带电荷相反。所述电极工作液喷淋系统包括安装在所述土壤承载系统下方的若干喷淋嘴，工作时，所述喷淋嘴向上喷出工作液。

Description

一种污染土壤异位电动修复装置及其方法

技术领域

本发明涉及污染土壤异位修复领域。

背景技术

当工业生产过程中产生的废水和固体废物进入土壤时，会导致土壤的污染，对污染土壤进行修复的方法主要有：（1）物理化学修复：物理分离修复、固化/稳定化修复、蒸汽浸提修复、电动修复、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；（2）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。原位修复技术又可分为原位处理技术和原位控制技术。原位处理技术是指通过物理、化学、生物等方法在原位将污染物从土壤中去除；而原位控制技术是指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，在污染土壤的两端设置正、负电极和工作液，形成直流电场，在电场作用下，土壤中以离子态存在的重金属污染物根据各自所带电荷的不同而向两电极迁移，最后进入电极工作液中，实现将污染物从土壤中去除的目的。而不带电荷的有机污染物随土壤水向阴极迁移，最后进入阴极工作液中，实现将污染物从土壤中去除的目的。电动修复技术通常作为原位修复技术进行使用。

当采用电动修复技术对污染土壤进行原位修复时，通常会发生聚焦现象，即：目标污染物在修复场地内的某些区域或靠近电极的地方积聚，导致这些区域污染物浓度异常增高，可高达电动修复前浓度的数倍。聚焦带出现的位置与污染物浓度的初始分布情况并无直接关系，即：污染物初始浓度高的区域并不一定是聚焦带出现的位置。聚焦的出现为场地修复后的验收工作带来了巨大的困难。此外，污染物在聚焦带内的移动速度远低于没有出现聚焦带的地方，这也导致整个场地电动修复时间延长数倍、电耗也相应增加数倍。电动修复的研究至今已有近二十多年的历史，实验室研究有大量成功案例，但极少见到工程实际应用，聚焦现象导致的实地修复效果、费用及时间的不可预见性是其主要原因之一。对于聚焦现象产生的机理鲜见专门的研究，一般认为是由于金属离子在迁移过程中与OH-离子或其他阴离子发生化学沉淀反应的结果，但这无法解释只要施加足够高的电压或通电时间足够长，聚焦带依然可以缓慢定向移动的现象（沉淀物是不会在电场作用下定向移动的）。本专利申请人经过长期的研究证明，电动修复过程中聚焦带的形成并不是一种化学反应现象，而是由离子诱导电压梯度阱效应（Ion-induced potential gradient well trapping effect）引起的一种物理聚焦现象，与土壤电导分布不均匀有关，简单讲就是土壤中总离子浓度高的地方电阻低，导致该地方分压低，其电压梯度比周围的低，污染物迁移到该处时移动速度降低，出现“交通拥堵”，形成聚焦带。

天然场地由于土壤理化性质的不均匀性导致其土壤电导分布也不均匀，在场地上建设了工厂之后，由于建设和排污的影响，整个场地电导分布不均匀性进一步加大，因此，在污染土壤原位电动修复过程中，聚焦现象或轻或重地普遍存在。

此外，在电动修复过程中，如果电极工作液控制不当或修复时间过长，电极附近土壤的电导也会升高，引起聚焦现象，因此，应尽可能缩短电动修复的时间。

发明内容

本发明的目的是避免聚焦现象发生、缩短电动修复时间，从而提高修复效果和降低修复费用。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的， 一种污染土壤异位电动修复装置，包括土壤承载系统、电极系统和电极工作液喷淋系统。所述土壤承载系统的底部多孔层Ⅰ。所述电极系统包括分别设置在土壤承载系统上下方的上电极和下电极，工作时，所述上、下电极所带电荷相反。所述电极工作液喷淋系统包括安装在所述土壤承载系统下方的若干喷淋嘴，工作时，所述喷淋嘴向上喷出工作液。

工作时，待处理土壤中的污染物为Pb²⁺、Cd²⁺等重金属阳离子或有机污染物时，上电极为阳极，下电极为阴极；待处理土壤中的污染物为HCrO₄ ^-、 CrO₄ ^2-或Cr₂O₇ ^2-等重金属阴离子时，上电极为阴极，下电极为阳极。目的是要让污染物向下迁移（离子推流，或有机物电渗）。

本发明提供采用上述装置进行污染土壤异位电动修复的方法，包括以下步骤：

1）土壤预处理：含有污染物的被污染土壤经湿式破碎、调质（主要是通过搅拌使土质均匀，必要时可同时加入化学药剂，促进污染物的溶解或调整土壤的pH值）和过滤形成泥浆后，注入土壤承载系统内铺成小于10cm厚的薄泥层。

2）修复处理：所述上、下电极接通电源，所述喷淋嘴向上喷出工作液。在电场作用下，污染物在所述薄泥层中向下迁移，进入透水层后，被喷淋嘴喷出的工作液冲洗出来。

在电极间距离的设置方面（也可以近似于待处理土壤的厚度，因为电极紧靠待处理土壤或土壤上下的覆盖物，如多孔层、透水层等），现有技术中，现场中试一般将电极间距设置在1m以上，以减少单位土方电极的使用量和钻孔量，从而降低费用。实验室小试通常取10cm以上，以方便实验操作为准，但有条件的一般尽可能取大间距，以接近实际应用。但是，细长的结构会延长电动修复时间，且易在电极附近的土壤中出现聚焦带，导致修复时间延长，修复效果变差。

本发明所采用的工作液可以是水，也可以根据待处理的污染物不同采用针对性强的工作液。如处理Pb²⁺时为醋酸+醋酸钠缓冲液。

本发明中，小于10cm厚的薄泥层，能够使得电动修复时间大幅减少、能耗降低。较好的是5cm，也可以是1cm，但小于0.2cm时效果不优，特别是土壤中残留的污染物浓度升高，参看下表1的实验结果：

表1 某场地铅污染土壤修复实验效果

以Pb²⁺离子为例，通过理论计算：对于相同的土方量（如：100cm³），若将土壤形状由图4中的结构长×宽×高=100cm×1cm×1cm，改为图5中的结构（长×宽×高=1cm×10cm×10cm），同时保持电压梯度不变（1V/cm），那么在这两种情况下，（1）通过每1cm²土壤的电流密度相同（实验中为1mA/cm²）；（2）Pb²⁺离子在电场作用下的迁移速度相同（迁移速度与电压梯度成正比，实验中为2cm/h）。那么，图4中电动修复消耗的电功率为：W1=电流×总电压=(1mA/cm²×1cm×1cm)×(1V/cm×100cm) = 0.1W，图5中电动修复消耗的电功率为：W2= 电流×总电压=(1mA/cm²×10cm×10cm)×(1V/cm×1cm) = 0.1W，二者单位时间内的电耗相同。但是，在电动修复中，离子是以推流的方式沿电场方向平移，位于阳极端土壤中的Pb²⁺离子必须跨过整个土壤长度才能到达阴极，这就导致图4中Pb2+离子全部移出土壤所需的时间t1=土壤长度÷迁移速度=100cm÷2cm/h=50h，总耗电量Q1=电功率×时间=W1×t1=0.1W×50h=5×10^-3kWh；而图5中Pb²⁺离子全部移出土壤所需的时间t2==土壤长度÷迁移速度=1cm÷2cm/h=0.5h，总耗电量Q2=电功率×时间=W2×t2=0.1W×0.5h=0.05×10^-3kWh；图4消耗的时间和电耗是图5的100倍。测试结果显示，虽然泥层太薄时，因修复时间太短，一些土壤颗粒中的重金属来不及溶解到水中，使修复效果下降，但能耗的降低幅度还是非常显著得。

上述方案由于电动修复时间大幅度缩短，避免了因长时间电极反应导致的电极反应产物大量聚集在电极附近的土壤中，从而克服了聚焦现象的发生。

在本发明优选范围内薄层结构的另一优点是上电极产生的H⁺（当上电极带正电荷时）或OH^-（当上电极带负电荷时）可以在短时间内贯穿整个土壤泥浆层，促进整个泥层中污染物从土壤颗粒中转移到土壤溶液中，同时使整个土壤层的pH保持基本一致，进一步提高修复效率和稳定修复效果。

本发明中，土壤的含水率远高于其他电动修复方法，原因有四：一是土壤湿式破碎和调质的需要；二是薄层填充方便的需要；三是上电极2没有单独的电极工作液，需要利用泥浆中的土壤溶液作为其电极工作液；四是上电极2产生的H+或OH-可以通过水溶液的浓差扩散（而非速度相对较慢的电迁移）更快地贯穿整个泥浆层，使得在整个电动修复过程中泥浆层沿电场方向的pH 变化幅度远低于其他电动修复技术，同时还可以避免上电极附近土壤过渡酸化或碱化的问题。

本发明的另一个目的是实现对被污染的土壤进行连续化处理。

所采用的装置中，所述土壤承载系统还包括设置在所述多孔层Ⅰ内的两层多孔层Ⅱ，所述多孔层Ⅱ包夹土壤；所述多孔层Ⅰ和/或多孔层Ⅱ为滤布，所述上、下电极与滤布接触。所述多孔层Ⅱ连接牵引装置。

对应的方法包括以下步骤：

1）土壤预处理：含有污染物的被污染土壤经湿式破碎、调质和过滤形成泥浆后，注入土壤承载系统内铺成小于10cm厚的薄泥层；

2）修复处理：所述上、下电极接通电源，所述喷淋嘴向上喷出工作液；在电场作用下，污染物在所述薄泥层中向下迁移，进入透水层后被喷淋嘴喷出的工作液冲洗出来，冲洗后的工作液进入废水处理单元，经过处理后循环利用；所述牵引装置使得薄泥层随多孔层Ⅱ移动，实现连续处理。

本发明适用范围广泛，还可以用来处理其他固态或泥状的固体废物，如污水处理厂/站的污泥、河底淤泥、飞灰等固体废物。特别是采用连续生产作业，工作效率高、能耗低。

附图说明

本发明的装置可以通过附图给出的非限定性实施例进一步说明。

图1为薄层式无聚焦污染土壤电动修复批处理装置工作原理示意图；

图2为薄层式无聚焦污染土壤电动修复连续处理装置工作原理示意图；

图3为多层薄层无聚焦污染土壤电动修复批处理装置工作原理示意图；

图4为典型污染土壤电动修复原理示意图；

图5 为薄层式污染土壤电动修复原理示意图。

图中： 1－薄泥层，2－上电极，3－下电极，4－多孔层Ⅰ，5－透水层，6－刚性透水支撑层，7－喷淋嘴，8－集水槽，9－废水处理单元，10－循环水泵，11－多孔层Ⅱ。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，作出各种替换和变更，均应包括在本发明范围内。

实施例的技术方案是：一种污染土壤异位电动修复装置，包括土壤承载系统、电极系统和电极工作液喷淋系统。所述土壤承载系统的底部为多孔层Ⅰ4。所述电极系统包括分别设置在土壤承载系统上下方的上电极2和下电极3，工作时，所述上、下电极2、3所带电荷相反。所述电极工作液喷淋系统包括安装在所述土壤承载系统下方的若干喷淋嘴7，工作时，所述喷淋嘴7向上喷出工作液。实施例中，所述土壤承载系统只有一层多孔层Ⅰ4时，即仅仅底部为多孔层Ⅰ4时，土壤由多孔层Ⅰ4承载。根据电动修复原理，电场要施加于待修复土壤，一般说来，电极要与土壤接触。但本发明中由于采用了喷工作液的方式，且待处理土壤一般是湿润的。因此，电极并不严格要求与土壤直接接触，与工作液接触，或是与土壤上下的覆盖物（如多孔层、透水层等）接触即可，只要能够通过电场影响土壤中污染物的运动即可。

实施例1：

本实施例中，所述多孔层Ⅰ4包括上下两层，对土壤进行包夹。

进一步，所述土壤承载系统还包括设置在所述多孔层Ⅰ4内的两层多孔层Ⅱ 11，所述多孔层Ⅱ 11包夹土壤。所述多孔层Ⅰ4和/或多孔层Ⅱ 11为滤布，所述上、下电极2、3与滤布接触。

本实施例的方法包括以下步骤：

1）土壤预处理：含有污染物的被污染土壤经湿式破碎、调质和过滤形成泥浆后，注入土壤承载系统内铺成小于10cm厚的薄泥层1。

2）修复处理：所述上、下电极2、3接通电源，所述喷淋嘴7向上喷出工作液。在电场作用下，污染物在所述薄泥层1中向下迁移，被喷淋嘴7喷出的工作液冲洗出来。

本实施例中，喷淋嘴7可能嵌入透水层5中，所述透水层5是由透水石等透水材料制成，因此污染物是进入透水层5后被喷淋嘴7喷出的工作液冲洗出来。

本实施例所公开的方法，可以处理的土壤含有重金属阴离子、重金属阳离子或有机污染物。

实施例2：

本实施例中，所述土壤承载系统和电极工作液喷淋系统之间设置有透水层5，所述喷淋嘴7嵌入所述透水层5中。所述透水层5下方依次安装所述下电极3、刚性透水支撑层6。

进一步，所述电极工作液喷淋系统还包括集水槽8、废水处理单元9、循环水泵10。通过所述喷淋嘴7喷出的工作液向下汇入集水槽8后，经过所述废水处理单元9处理，再通过所述循环水泵10重新进入喷淋嘴7。

相对于实施例1的方法，本实施例的方法中，所述步骤1中，所述泥浆含水率为15～60％，所述薄泥层1厚度为0.2～10cm。所述步骤2中，冲洗后的工作液进入废水处理单元，经过处理后循环利用。

本实施例中，将污染土壤从原位挖出后可直接倒入搅拌机内，同时向搅拌机内注水并进行搅拌，以形成含水率在15～60%之间的泥浆，必要时还可加入一些促进污染物溶解或调整土壤pH值的化学药剂。在某些情况下，还需要采用机械过滤将泥浆中粒径大于0.2cm的石块剔除。更好的是采用自带滤网的湿式破碎机，破碎与过滤已在同一个设备中完成，提高了工作效率。

本实施例作为优选方式，将被污染土壤制成15～60%之间的泥浆，过干或过稀的土壤都不利于处理。

实施例3：

本实施例提供一种连续的生产方式，即在实施例1或2的基础上还包括牵引装置。一般地，所述牵引装置与a）土壤承载系统，或与b）电极系统和电极工作液喷淋系统相连。使得a）土壤承载系统，与b）电极系统和电极工作液喷淋系统发生相对运动。

作为一种优选方式，所述土壤承载系统还包括设置在所述多孔层Ⅰ4内的两层多孔层Ⅱ11，所述多孔层Ⅱ11包夹土壤。所述多孔层Ⅰ4和/或多孔层Ⅱ11为滤布，所述上、下电极2、3与滤布接触。所述多孔层Ⅱ11连接牵引装置。

连续的方法包括以下步骤：

1）土壤预处理：含有污染物的被污染土壤经湿式破碎、调质和过滤形成泥浆后，注入土壤承载系统内铺成小于10cm厚的薄泥层1。

2）修复处理：所述上、下电极2、3接通电源，所述喷淋嘴7向上喷出工作液。在电场作用下，污染物在所述薄泥层1中向下迁移，进入透水层（5）后被喷淋嘴7喷出的工作液冲洗出来，冲洗后的工作液进入废水处理单元，经过处理后循环利用。所述牵引装置使得薄泥层1随多孔层Ⅱ11移动，实现连续处理。

参见图2，该方式即一种连续进泥和出泥的运行方式，在泥浆制成的薄泥层1和滤布制成的多孔层Ⅰ4之间具有多孔层Ⅱ 11，多孔层Ⅱ同样由滤布制成，多孔层Ⅱ11在两端辊轴的带动下缓慢水平移动，夹在中间的泥浆随多孔层Ⅱ一起移动，其进泥、出泥方式和运动原理与带式污泥浓缩脱水机相同。移动速度等于上、下电极2、3沿移动方向的长度除以电动修复时间。多孔层Ⅱ 11在自动卸泥之后经过一个自动冲洗装置冲洗。该方式可实现连续进、出泥。参见图3，本发明的装置还可以多层结合使用。

本实施例中，如图1所示的处理单元还可以重叠起来设计成图3所示的多层结构，提高设备单位占地面积的处理能力。

Claims (8)

1.一种污染土壤异位电动修复装置，其特征在于：包括土壤承载系统、电极系统和电极工作液喷淋系统；所述土壤承载系统的底部为多孔层Ⅰ；所述电极系统包括分别设置在土壤承载系统上下方的上电极和下电极；工作时，所述上、下电极所带电荷相反，即：上电极为阳极、下电极为阴极，或上电极为阴极、下电极为阳极；所述电极工作液喷淋系统包括安装在所述土壤承载系统下方的若干喷淋嘴，工作时，所述喷淋嘴向上喷出水质工作液，所述水质工作液是水；所述土壤承载系统还包括设置在所述多孔层Ⅰ内的两层多孔层Ⅱ，所述多孔层Ⅱ连接牵引装置，所述牵引装置与土壤承载系统相连，或与由电极系统和电极工作液喷淋系统形成的组合相连；使得由电极系统和电极工作液喷淋系统形成的组合与土壤承载系统之间发生相对运动。

2.根据权利要求1所述的污染土壤异位电动修复装置，其特征在于：所述多孔层Ⅰ包括上下两层，对土壤进行包夹。

3.根据权利要求2所述的污染土壤异位电动修复装置，其特征在于：所述多孔层Ⅱ包夹土壤；所述多孔层Ⅰ或多孔层Ⅱ为滤布，所述上、下电极与滤布接触。

4.根据权利要求1所述的污染土壤异位电动修复装置，其特征在于：所述土壤承载系统和电极工作液喷淋系统之间设置有透水层，所述喷淋嘴嵌入所述透水层中；所述透水层下方依次安装所述下电极、刚性透水支撑层。

5.根据1～4任一权利要求所述的污染土壤异位电动修复装置，其特征在于：所述电极工作液喷淋系统还包括集水槽、废水处理单元、循环水泵；通过所述喷淋嘴喷出的工作液向下汇入集水槽后，经过所述废水处理单元处理，再通过所述循环水泵重新进入喷淋嘴。

6.采用权利要求1～5任一装置进行污染土壤异位电动修复的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）土壤预处理：含有的被污染土壤经湿式破碎、调质和过滤形成泥浆后，注入土壤承载系统内铺成小于10cm厚的薄泥层；

2）修复处理：所述上、下电极接通电源，所述喷淋嘴向上喷出工作液，所述工作液是水；在电场作用下，污染物在所述薄泥层中向下迁移，被喷淋嘴喷出的工作液冲洗出来。

7.根据权利要求6所述的污染土壤异位电动修复的方法，其特征在于：所述步骤1）中，所述泥浆含水率为15～60％，所述薄泥层厚度为0.2～10cm；所述步骤2）中，冲洗后的工作液进入废水处理单元，经过处理后循环利用。

8.采用权利要求4所述装置进行污染土壤异位电动修复的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）土壤预处理：含有污染物的被污染土壤经湿式破碎、调质和过滤形成泥浆后，注入土壤承载系统内铺成小于10cm厚的薄泥层；

2）修复处理：所述上、下电极接通电源，所述喷淋嘴向上喷出工作液；在电场作用下，污染物在所述薄泥层中向下迁移，进入透水层后被喷淋嘴喷出的工作液冲洗出来，冲洗后的工作液进入废水处理单元，经过处理后循环利用；所述牵引装置使得薄泥层随多孔层Ⅱ移动，实现连续处理。

Images