CN103143560A - 一种持久性有机污染土壤电动力强化淋洗原位修复装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于环境保护技术领域，特别涉及一种持久性有机污染土壤电动力强化淋洗原位修复装置。本发明装置由电源、电极阳极、电极阴极、注射井、抽提井、淋洗剂储藏室、固液分离设备、淋洗剂回用处理设备、阳极室以及阴极室组成；本发明设计了一种全新的阴、阳电极，可以大幅度提高电渗析、电泳、电迁移作用。能够有效促进持久性有机污染物的水解以及迁移。同时在阴、阳两极分别插入一定数目的注射井和抽提井，通过电动力和化学淋洗的结合从而将淋洗剂包裹的污染物迁移至电阴极达到强化去除污染物的效果。本发明结合电动力强化下污染物去除率可达63%~98%。

Description

一种持久性有机污染土壤电动力强化淋洗原位修复装置

技术领域

本发明属于环境保护技术领域，特别涉及一种持久性有机污染土壤电动力强化淋洗原位修复装置。

背景技术

近年来，随着我国城市化进程和产业转移步伐的加快，以及国家“退二进三”“退城进园”等政策的实施，出现了大批由企业关闭和搬迁导致的持久性有机污染物污染场地。当前大多数持久性有机污染场地面临用地功能的转换和二次开发，如：商业用地、居民住宅等。这些场地中潜在的高风险污染土壤将成为人类“化学定时炸弹”，严重威胁人体健康和环境安全，已成为当前亟需解决的土壤环境问题。

持久性有机污染物在土壤中具有稳定、易于累积和不易去除的特点，通过食物链对人畜产生慢性中毒，为了降低和消除土壤重金属的污染和危害，人们最初采取改土法、电化法、冲洗络合法等工程措施降低重金属的溶解性。

改土法适用于小面积污染严重的土壤治理，一种方法是在被污染的土壤上覆盖一层非污染土壤；另一种方法是将污染土壤部分或全部换掉，覆土和换土的厚度应大于耕层土壤的厚度。此方法最早在英国、荷兰、美国等国家应用，对于降低作物体内重金属含量，治理土壤重金属污染是一种切实有效的方法。但是，由于该方法需花费大量的人力与财力，并且在换土过程中，存在着占用土地、渗漏、污染环境等不良因素的影响。因而，并不是一种理想的持久性有机土壤污染的治理方法。

电化法是由美国路易斯安那州立大学研究出的一种净化土壤污染的原位修复的方法，也可称为电动修复(Electro remediation)。此法在欧美一些国家发展很快，已经进入商业化阶段。其原理是，在水分饱和的污染土壤中插人一些电极，然后通一低强度的直流电，金属离子在电场的作用下定向移动，在电极附近富集，从而达到清除重金属的目的，对Cr的清除效果要优于其它几种重金属。采用的电极最好是石墨，因为金属电极本身容易被腐蚀，容易引起二次土壤污染。电极的多少、间距及深度，电流的强度一般根据实际需要而定。此法经济合理，特别适合于低渗透性的黏土和淤泥土，每立方米污染土壤需要100美元左右。而且，可以回收多种重金属元素。但对于渗透性高、传导性差的砂质土壤清除重金属的效果较差。

冲洗络合法用清水冲洗重金属污染的土壤，使重金属迁移至较深的根外层，减少作物根区重金属的离子浓度。为防止二次污染，再利用含有一定配位体的化合物冲淋土壤，使之与重金属形成具有稳定络合常数的络合物；或用带有阴离子的溶液，如碳酸盐、磷酸盐冲洗土壤，使重金属形成化合物沉淀，已有研究表明，CaCO₃在酸性红壤和KHPO对碱性的碳酸盐褐土重金属Cd污染的治理效果较为显著。此种方法适用于对面积小、污染重的土壤治理，但同时也容易引起某些营养元素的淋失和沉淀。

热处理法对于具有挥发性的重金属汞，热处理法可将其有效地从土壤中清除去。其原理是向汞污染土壤通入热蒸汽或用低频加热的方法，促使其从土壤中挥发并回收再处理。在处理土壤时，首先将土壤破碎，向土壤中加入能够使汞化合物分解的添加剂。然后，再分两个阶段通入低温气体和高温气体使土壤干燥，去除其它易挥发物质，最后使土壤汞汽化，并收集挥发的汞蒸汽。有试验表明，应用热处理法可使砂性土、粘土、壤土中Hg含量分别从15000 mg／kg、900 mg／kg、225 mg／kg降至 0.07 mg／kg、0.12 mg／kg和 0.15 mg／kg，回收的汞蒸汽纯度达99％。热处理法对于修复Hg污染土壤是一种行之有效的方法，并可以回收Hg。它的不足之处是易使土壤有机质和土壤水遭到破坏，而且需消耗大量能量。

发明内容

针对现有技术不足，本发明提供了一种持久性有机污染土壤电动力强化淋洗原位修复装置。

一种持久性有机污染土壤电动力强化淋洗原位修复装置，在土壤中分别设置阳极室和阴极室，在阳极室中设置电极阳极，在阴极室中设置电极阴极，所述电极阳极和电极阴极分别与电源相连；在靠近阳极室的土壤中设置一个或多个注射井，在靠近阴极室的土壤中设置一个或多个抽提井，所述注射井与洗淋剂储藏室相连，所述抽提井与固液分离设备相连；固液分离设备分别和洗淋剂储藏室与洗淋剂回收处理设备相连；

所述电极阳极和电极阴极为空心管结构，并在其内填充铁屑和Loresco焦炭，电极阳极和电极阴极中分别填充阳极缓冲溶液和阴极缓冲溶液，构成电极阳极和电极阴极；

所述每个注射井或每个抽提井中分别设置一个pH传感器和一个电流传感器。

所述铁屑的平均粒径为300~2300微米，比表面积为1.6 m²/g，碳的质量分数为3%，铁屑在阳极缓冲溶液和阴极缓冲溶液中的质量分数为30%~35%；所述Loresco焦炭在阳极缓冲溶液和阴极缓冲溶液中的质量分数为5%。

所述洗淋剂储藏室中的洗淋剂为质量分数为0.5%的SDS和2.0%的亚甲双壬基酚聚氧乙烯醚水溶液、体积分数为15%~25%的正丁胺水溶液，浓度为0.1~0.3 mol/L的EDTA水溶液或浓度为0.1 mol/L的柠檬酸水溶液。

所述阳极缓冲溶液为浓度为0.05~0.1 mol/L的醋酸钠水溶液或浓度为0.01 mol/L的NaOH水溶液，所述阴极缓冲溶液为浓度为0.01~0.05mol/L的硝酸钾水溶液。

所述电源为功率为100 W的CT-110柴油发电机，能够通过整流器提供直流电。

所述空心管结构由四根相同尺寸的空心方管并列焊接成一排构成，所述空心方管的截面为正方形。

本发明的有益效果为：

本发明设计了一种全新的阴、阳电极，可以大幅度提高电渗析、电泳、电迁移作用。能够有效促进持久性有机污染物的水解以及迁移。同时在阴、阳两极分别插入一定数目的注射井和抽提井，通过电动力和化学淋洗的结合从而将淋洗剂包裹的污染物迁移至电阴极达到强化去除污染物的效果。本发明结合电动力强化下污染物去除率可达63%~98%，而单一使用电动力修复污染物去除率仅为40%，并从污染物去除率和电能投入等运行因素计算，得出电动力强化淋洗法是一种经济可靠的修复方法。

附图说明

图1为本发明装置结构示意图；

图2为本发明所用空心管结构示意图；

图中标号：1-电源；2-电极阳极；3-电极阴极；4-注射井；5-抽提井；6-洗淋剂储藏室；7-固液分离设备；8-洗淋剂回收处理设备；9-阳极室；10-阴极室。

具体实施方式

本发明提供了一种持久性有机污染土壤电动力强化淋洗原位修复装置，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

一种持久性有机污染土壤电动力强化淋洗原位修复装置，在土壤中分别设置阳极室9和阴极室10，在阳极室中设置电极阳极2，在阴极室中设置电极阴极3，所述电极阳极2和电极阴极3分别与电源1相连；在靠近阳极室的土壤中设置一个或多个注射井4，在靠近阴极室的土壤中设置一个或多个抽提井5，所述注射井4与洗淋剂储藏室6相连，所述抽提井5与固液分离设备7相连；固液分离设备7分别和洗淋剂储藏室6与洗淋剂回收处理设备8相连；

所述电极阳极2和电极阴极3为空心管结构，并在其内填充铁屑和Loresco焦炭，电极阳极2和电极阴极3中分别填充阳极缓冲溶液和阴极缓冲溶液，构成电极阳极2和电极阴极3；

所述每个注射井4或每个抽提井5中分别设置一个pH传感器和一个电流传感器。

所述铁屑的平均粒径为300~2300微米，比表面积为1.6 m²/g，碳的质量分数为3%，铁屑在阳极缓冲溶液和阴极缓冲溶液中的质量分数为30%~35%；所述Loresco焦炭在阳极缓冲溶液和阴极缓冲溶液中的质量分数为5%。

所述洗淋剂储藏室6中的洗淋剂为质量分数为0.5%的SDS和2.0%的亚甲双壬基酚聚氧乙烯醚水溶液、体积分数为15%~25%的正丁胺水溶液，浓度为0.1~0.3 mol/L的EDTA水溶液或浓度为0.1 mol/L的柠檬酸水溶液。

所述阳极缓冲溶液为浓度为0.05~0.1 mol/L的醋酸钠水溶液或浓度为0.01 mol/L的NaOH水溶液，所述阴极缓冲溶液为浓度为0.01~0.05mol/L的硝酸钾水溶液。

所述电源1为功率为100 W的CT-110柴油发电机，能够通过整流器提供直流电。

所述空心管结构由四根相同尺寸的空心方管并列焊接成一排构成，所述空心方管的截面为正方形。

实施例1

首先在污染土壤的两端分别插入电极阳极2和电极阴极3，同时向电极阳极2注入浓度为0.05~0.1 mol/L的醋酸钠溶液作为阳极缓冲溶液，电极阴极3用浓度为0.01~0.05 mol/L的硝酸钾溶液作为阴极缓冲溶液。将电极以及修复材料引入特殊设计的空心管，空心管宽51 cm，壁厚5 cm，长17~18 m；空心管有四根宽12.7 cm，壁厚5 cm的空心管焊接而成，将空心管挂载于18 m高的塔桅，利用起重机和振动打桩机将其移动并夯入地下，空心管入地14 m，地面外露3 m。电极由铁屑和Loresco 焦炭组成，电极入地约13.7~14.0 m。用150 V的直流电压做电极的电源。

然后在电极阳极2附近的污染土壤中插入两个注射井4，间距为30~35cm；同时在电极阴极3附近的污染土壤之间也插入两口抽提井5，间距为30~35 cm。淋洗剂储藏室6内装有质量浓度为0.5%的十二烷基硫酸钠和2.0%亚甲双壬基酚聚氧乙烯醚水溶液淋洗剂。

当所有装置如图1所示连接好后，接通电源，开始电动力修复，电压梯度维持在0.25 V/cm，土壤中的污染金属离子在电动力的作用下向阴极迁移。在电动力修复10小时后电极阳极2侧pH值升为7.5，注射井4内电流传感器显示有明显下降，此时开启淋洗剂储藏室6，用质量浓度为0.5%的十二烷基硫酸钠和2.0%亚甲双壬基酚聚氧乙烯醚水溶液为淋洗剂，加快污染土壤向电极阴极3迁移。同时在电极阴极3侧启动抽提井5，将电极阴极3附近的淋洗液回收到固液分离设备7。5小时后电极阳极2侧pH降为4.0左右，关闭淋洗剂储藏室6，继续进行电动力修复。如此反复进行大约需要30个周期即600小时左右后，可以完成本次土壤修复，Pb和Cd的去除率可分别达到63.12%和89.94%。

实施例2

在化肥厂周围选取一定范围的PAHs污染土壤发进行处理，采用的修复装置结构同实施例1，在电极阳极的注射井为4-5个，电极阴极的抽提井同样为4-5个。采用体积浓度为15%~25%的正丁胺水溶液作为淋洗剂，用浓度为0.01 mol/L的NaOH作为阳极缓冲液维持阳极的碱性条件。施加一个电压梯度为2 VDC/cm的周期电压持续五天，然后用体积浓度为15%~25%的正丁胺作为淋洗剂的化学溶液想土壤进行淋洗，持续时间4~6小时，以此为周期反复运行大概1000小时左右，在初始阶段镍离子电迁移作用下移向电极阴极3，但是随着pH和淋洗剂的冲洗，镍将逐渐沉淀，不再向电极阴极3迁移。而菲会随着正丁胺浓度的增加而加速向电极阴极3迁移，最终菲的去除率达到60%左右。

实施例3

在铅污染土壤场地选取一定范围的污染土壤进行处理，采用的处理装置结构同实施例1，在电极阳极2附近土壤插入注射井4，在电极阴极3附近土壤插入提取井5。对含铅量为440 mg/kg的污染土壤进行处理。电压梯度为1.5 V/cm，选取浓度为0.1~0.3 mol/L的EDTA水溶液作为化学淋洗试剂，电动力作用时间约为300小时，试验结束后铅的去除率可达到70%左右。

实施例4

电镀厂遗址，土壤被金属铬污染，浓度范围在10 mg／L至15000 mg/L。污染区的表层土壤平均厚度是1 m、粘土层平均厚度是6 m、细沙土层平均厚度是 2.5 m、砂石层平均厚度是5 m。试验装置结构同实施例1。采用浓度为0.1 mol/L的柠檬酸水溶液作为化学淋洗剂，电压梯度为0.1 V/cm，整个过程运行180小时左右，最终可使铬的去除率达到95%。

Claims (6)

1.一种持久性有机污染土壤电动力强化淋洗原位修复装置，其特征在于：在土壤中分别设置阳极室（9）和阴极室（10），在阳极室中设置电极阳极（2），在阴极室中设置电极阴极（3），所述电极阳极（2）和电极阴极（3）分别与电源（1）相连；在靠近阳极室的土壤中设置一个或多个注射井（4），在靠近阴极室的土壤中设置一个或多个抽提井（5），所述注射井（4）与洗淋剂储藏室（6）相连，所述抽提井（5）与固液分离设备（7）相连；固液分离设备（7）分别和洗淋剂储藏室（6）与洗淋剂回收处理设备（8）相连；

所述电极阳极（2）和电极阴极（3）为空心管结构，并在其内填充铁屑和Loresco焦炭，电极阳极（2）和电极阴极（3）中分别填充阳极缓冲溶液和阴极缓冲溶液，构成电极阳极（2）和电极阴极（3）；

所述每个注射井（4）或每个抽提井（5）中分别设置一个pH传感器和一个电流传感器。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述铁屑的平均粒径为300~2300微米，比表面积为1.6 m²/g，碳的质量分数为3%，铁屑在阳极缓冲溶液和阴极缓冲溶液中的质量分数为30%~35%；所述Loresco焦炭在阳极缓冲溶液和阴极缓冲溶液中的质量分数为5%。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述洗淋剂储藏室（6）中的洗淋剂为质量分数为0.5%的SDS和2.0%的亚甲双壬基酚聚氧乙烯醚水溶液、体积分数为15%~25%的正丁胺水溶液，浓度为0.1~0.3 mol/L的EDTA水溶液或浓度为0.1 mol/L的柠檬酸水溶液。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述阳极缓冲溶液为浓度为0.05~0.1 mol/L的醋酸钠水溶液或浓度为0.01 mol/L的NaOH水溶液，所述阴极缓冲溶液为浓度为0.01~0.05 mol/L的硝酸钾水溶液。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述电源（1）为功率为100 W的CT-110柴油发电机，能够通过整流器提供直流电。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述空心管结构由四根相同尺寸的空心方管并列焊接成一排构成，所述空心方管的截面为正方形。

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