CN103639182B - 一种针对土壤中含砷有机物的多重联合修复系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于环保技术领域，特别涉及一种针对土壤中含砷有机物的多重联合修复系统及方法。该修复系统由微波修复系统、化学氧化系统以及植物修复系统组成；微波修复系统对待修复土壤进行加热，收集易挥发有机物生成的气体，并向土壤中注入氧化剂，使含砷有机物在微波催化下发生氧化反应，将三价砷氧化成五价砷，再通过种植超富集植物蜈蚣蕨来富集五价砷，微波修复系统和植物修复系统间歇交替进行。本发明中，微波修复结合化学氧化法、并联合植物修复间歇轮流修复土壤的技术，可有效地对土壤中的含砷有机物做深度处理。

Description

一种针对土壤中含砷有机物的多重联合修复系统及方法

技术领域

本发明属于环保技术领域，特别涉及一种针对土壤中含砷有机物的多重联合修复系统及方法。

背景技术

土壤环境是构成生态系统的基本要素之一，是人类和生物赖以生存和发展的基础，土壤环境状况不仅直接影响到国民经济发展和国土资源环境安全，而且关系到农产品安全和人体健康。有机砷是导致土壤污染的重要成分，近年来，由砷污染导致的地方性砷中毒已经遍及全球，砷污染的来源除了化工及农业生产之外，另外源于二战以后日本侵华战争遗弃化学武器所造成的污染。调查表明，在中国18个省市曾经发现日本遗弃的化学武器。目前发现的化学武器数量大、分布广，而且含砷毒剂种类繁多，如芥子气、光气、苯氯乙酮、路易氏剂(L)、二苯氰胂(DC)、二苯氯胂(DA)等。由于埋藏时间长，包装和弹体已经严重腐蚀，部分化学弹中的毒剂外泄,对环境造成了极为严重的污染。毒剂泄漏到土壤中的毒剂多数发生了降解，产物主要是氧联双二苯砷、二酸砷、苯砷酸、氯乙烯氧胂和氯乙烯砷酸等含砷化合物。这些化合物在自然界中通常难以降解，可持续几十年毒效，对人类的危害较严重。如何治理有机砷污染，是彻底处理日本遗弃化学武器工作中不可回避的问题。为净化国土、保护环境、避免群众伤亡，日本在华遗留化学武器埋藏地的污染问题亟待解决。

对污染的土壤修复技术一般分为三类，分别是物理修复技术、化学修复技术，以及生物修复技术。其中，物理修复技术是指通过各种物理过程将污染物（特别是有机污染物）从土壤中去除或分离的技术。热处理技术是应用于工业企业场地的主要物理修复技术。主要包括热脱附技术、微波加热技术、以及蒸汽浸提技术，已经应用于苯系物、多环芳烃、多氯联苯和二噁英等污染土壤的修复。化学技术主要有土壤固化/稳定化技术、淋洗技术、氧化还原技术、光催化降解技术以及近几年新兴的电动力修复技术。生物技术则主要包括植物修复、微生物修复、生物联合修复等技术。

到目前为止，化学武器中含砷有机物对土壤造成的危害严重，我国处理该类污染土壤的方法大部分还停留在挖掘填埋法；原位处理技术中以“等离子焚烧”技术闻名，属物理修复技术。等离子焚烧技术是由德国和瑞士公司联合开发，是一种令人青睐的新技术，目前还开发了移动式小型等离子炉。对含砷有机物去除率很高，但是成本高，耗能大。为了解决土壤大面积污染问题，我国还提出了植物修复的解决方案，并与日方达成共识，中日双发目前已经开展了一些准备工作，2005年和2006年分别对污染严重的林地做了大量实验，掌握了污染土壤分布、污染物种类、污染程度和污染土壤的理化性质等情况。针对污染物特点，中方专家还根据国外植物修复技术成果，选择了对砷具有超富集作用的蜈蚣草、大叶井口边草、含羞草、灌木马拉巴牡丹等近10种植物。并现场采集了污染土壤，进行植物修复可行性验证试验。目前验证试验尚未完成。与此同时，植物修复与其他物理化学方法修复联合技术也成为值得商榷的焦点。

微波催化方法已广泛应用于土壤污染处理技术，属热修复技术。热修复技术是近年来国外发展较快的有机污染土壤的修复技术，土壤热修复技术设备一般利用柴油作燃料来直接或间接加热。微波修复技术具有高效技能和易于操作控制等优点，是处理有机污染物的良好技术手段。但微波方法对于可挥发性有机物及易分解性有机物可造成明显效果，对于难挥发难分解的含砷有机物尚不能达到处理标准。化学法相对于物理方法有更易操作的优点。常用的氧化剂包括过氧化氢、高锰酸钾、过硫酸钠等。过氧化氢在碱性条件下易分解，结合硫酸亚铁，催化过氧化氢产生羟自由基，从而达到氧化目的。但亚铁离子易被氧化成铁离子，因此需要同时添加辅助剂，保持亚铁离子的稳定性。

发明内容

本发明的目的是提供一种有效的、高效的、针对土壤中含砷有机物的多重联合修复系统及方法。

本发明采用的技术方案为：

该修复系统由微波修复系统、化学氧化系统以及植物修复系统组成；

所述微波修复系统的组成为：微波发生器悬挂设置在土壤污染带上方，并在微波发生器面向土壤的一侧连接若干个辐射器；在微波发生器的上方设置微波加热装置，并设置集气棚将微波加热装置、微波发生器及土壤污染带笼罩在内，集气棚通过管道与废气处理装置连接；土壤污染带内散布微波吸收材料，并设置若干个温度感应器；控制中心分别与温度感应器、微波发生器连接；

所述化学氧化系统的组成为：在土壤污染带的区域内挖设若干个氧化剂加药井，各个加药井分别通过蠕动泵和阀门与氧化剂药箱连接；

所述植物修复系统为种植在土壤污染带表面的具有富集五价砷功能的植物。

所述植物修复系统采用的植物为蜈蚣蕨。

所述氧化系统中使用的氧化剂为芬顿试剂。芬顿试剂是由过氧化氢结合硫酸亚铁催化剂组成，具体为：H₂O₂：FeSO₄·7H₂O=1：1（mol/mol）；芬顿试剂提供了廉价的Fe²⁺，在PH调节器内调整PH=3，在Fe²⁺的催化作用下，双氧水分解产生(OH)，从而催化一系列反应，随后利用Ca(OH)₂调整PH至中性。

一种基于所述系统的联合修复方法，由微波修复系统、化学氧化系统以及植物修复系统共同作用实现，具体步骤为：

步骤1）：调查土壤污染带，确定位置及污染区域面积，检测土壤中含砷有机物含量及种类；获取土壤、及地下水地质条件，确定污染情况；

步骤2）：在确定好的土壤污染带上方，建立微波修复系统，在土壤中铺设微波吸收材料，并埋设数个温度感应器；打开微波发生器，由微波加热装置加热，由辐射器传输照射在土壤表面，土壤中的微波吸收材料吸收微波，在土壤中传递温度，使土壤迅速升温；由温度感应器测量温度，在温度达到500℃时，控制中心自动调节微波功率，使土壤的温度平衡，保持在500℃±5℃范围内；

步骤3）：经过微波修复后，土壤中易挥发有机物生成气体从土壤中挥发出来，由废气吸收装置吸收并做下一步处理，分解后的有机物降低了毒性，在土壤中由微生物降解；

步骤4）：打开阀门，氧化剂由蠕动泵从氧化剂药箱经过管道输送到氧化剂加药井中，通过PH调节器调整PH至3，通过注射器注入加药井，使土壤中的含砷有机物在微波催化下发生氧化反应，将土壤中的三价砷氧化成五价砷，反应2小时后，通过PH调节器将PH调制中性；

步骤5）：关闭微波修复系统，在污染土壤区域表面种植超富集植物蜈蚣蕨，每年收割蜈蚣蕨3-4次，将蜈蚣蕨收割后做进一步处理；

步骤6）：重复步骤2）至步骤5），轮流进行修复处理，直至修复完成。

本发明的有益效果为：

（1）微波修复设备耗能大，成本高，针对原位修复不宜长期使用，因此配合植物修复轮流进行，达到了节能、经济的目的。

（2）种植蜈蚣蕨于污染土壤地面上，可迅速、高效地富集大量的砷到其羽叶上。待叶片收集砷达到一定量至冬季，可收割做后期处理，此时配合微波修复对土壤进行修复；待春季蜈蚣草生长季节再次植入对土壤进行植物修复，以此循环往复做循环修复处理。该微波修复结合化学氧化法、并联合植物修复间歇轮流修复土壤的技术可有效地对土壤中有机物做深度处理。

附图说明

图1为本微波氧化联合植物修复系统的结构示意图。

图中标号：

1-微波加热装置、2-微波发生器、3-集气棚、4-辐射器、5-蠕动泵、6-阀门、7-氧化剂药箱、8-温度感应器、9-氧化剂加药井、10-土壤污染带、11-高富集植物种植区、12-废气处理装置、13-微波吸收材料、14-管道、15-控制中心、16-PH调节器。

具体实施方式

本发明提供了一种针对土壤中含砷有机物的多重联合修复系统及方法，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

该系统如图1所示，由微波修复系统、化学氧化系统以及植物修复系统组成。

微波修复系统的组成为：微波发生器2悬挂设置在土壤污染带10上方，并在微波发生器2面向土壤的一侧连接若干个辐射器4；在微波发生器2的上方设置微波加热装置1，并设置集气棚3将微波加热装置1、微波发生器2及土壤污染带10笼罩在内，集气棚3通过管道与废气处理装置12连接；土壤污染带10内散布微波吸收材料13，并设置若干个温度感应器8；控制中心15分别与温度感应器8、微波发生器2连接。

化学氧化系统的组成为：在土壤污染带10的区域内挖设若干个氧化剂加药井9，各个加药井9分别通过管道14、蠕动泵5和阀门6与氧化剂药箱7连接，PH调节器16数个分别与对应的加药井9连接。

植物修复系统为种植在土壤污染带10表面的具有富集五价砷功能的植物。

使用该系统对砷污染土壤进行修复时，按以下步骤进行：

步骤1）：调查土壤污染带，确定位置及污染区域面积，检测土壤中含砷有机物含量及种类；获取土壤、及地下水地质条件，确定污染情况以及氧化剂注射井的位置、深度和结构；

步骤2）：在确定好的土壤污染带上方，建立微波修复系统，在土壤中铺设微波吸收材料13，并埋设数个温度感应器8；打开微波发生器2，由微波加热装置1加热，由辐射器4传输照射在土壤表面，土壤中的微波吸收材料13吸收微波，在土壤中传递温度，使土壤迅速升温；由温度感应器8测量温度，在温度达到500℃时，控制中心15自动调节微波功率，使土壤的温度平衡；

步骤3）：经过微波修复后，土壤中易挥发有机物生成气体从土壤中挥发出来，通过集气棚3收集并由废气吸收装置12吸收并做下一步处理，分解后的有机物降低了毒性，在土壤中由微生物降解；

步骤4）：打开阀门6，氧化剂由蠕动泵5从氧化剂药箱7经过管道输送到氧化剂加药井9中，通过注射器注入加药井，调节PH至3，使土壤中的含砷有机物在微波催化下发生氧化反应，将土壤中的三价砷氧化成五价砷，反应2小时后，将PH调至中性；氧化剂主要是芬顿试剂，由过氧化氢结合硫酸亚铁催化剂组成，过氧化氢中的羟自由基氧化性极强，配合硫酸亚铁的催化作用，将土壤中的三价砷氧化成五价砷，降低毒性，并易降解；同时，微波技术对化学氧化反应中过氧化氢的氧化也有促进作用；

步骤5）：关闭微波修复系统，在污染土壤区域表面种植超富集植物蜈蚣蕨，形成高富集植物种植区11，每年收割蜈蚣蕨3-4次，将蜈蚣蕨收割后做进一步处理；收割期间配合微波照射催化突然中易挥发、易分解有机物反应；

步骤6）：重复步骤2）至步骤5），轮流进行修复处理，直至修复完成；修复过程是间歇、长期进行的，可达到尽量不损害土壤生态系统并有效处理土壤中大面积含砷有机物的效果。

在此三大系统中，化学氧化系统可长期定量注入氧化剂于土壤中。微波修复系统与植物修复系统将轮流进行。

Claims (4)

1.一种针对土壤中含砷有机物的多重联合修复系统，其特征在于，由微波修复系统、化学氧化系统以及植物修复系统组成；

所述微波修复系统的组成为：微波发生器(2)悬挂设置在土壤污染带(10)上方，并在微波发生器(2)面向土壤的一侧连接若干个辐射器(4)；在微波发生器(2)的上方设置微波加热装置(1)，并设置集气棚(3)将微波加热装置(1)、微波发生器(2)及土壤污染带(10)笼罩在内，集气棚(3)通过管道与废气处理装置(12)连接；土壤污染带(10)内散布微波吸收材料(13)，并设置若干个温度感应器(8)；控制中心(15)分别与温度感应器(8)、微波发生器(2)连接；

所述化学氧化系统的组成为：在土壤污染带(10)的区域内挖设若干个氧化剂加药井(9)，各个加药井(9)分别通过蠕动泵(5)和阀门(6)与氧化剂药箱(7)连接；pH调节器(16)与加药井(9)相连接；

所述植物修复系统为种植在土壤污染带(10)表面的具有富集五价砷功能的植物。

2.根据权利要求1所述的一种针对土壤中含砷有机物的多重联合修复系统，其特征在于，所述植物修复系统采用的植物为蜈蚣蕨。

3.根据权利要求1所述的一种针对土壤中含砷有机物的多重联合修复系统，其特征在于，所述氧化系统中使用的氧化剂为芬顿试剂。

4.一种基于权利要求1所述系统的联合修复方法，其特征在于，由微波修复系统、化学氧化系统以及植物修复系统共同作用实现，具体步骤为：

步骤1)：调查土壤污染带，确定位置及污染区域面积，检测土壤中含砷有机物含量及种类；获取土壤及地下水地质条件，确定污染情况；

步骤2)：在确定好的土壤污染带上方，建立微波修复系统，在土壤中铺设微波吸收材料(13)，并埋设数个温度感应器(8)；打开微波发生器(2)，由微波加热装置(1)加热，由辐射器(4)传输照射在土壤表面，土壤中的微波吸收材料(13)吸收微波，在土壤中传递温度，使土壤迅速升温；由温度感应器(8)测量温度，在温度达到500℃时，控制中心(15)自动调节微波功率，使土壤的温度平衡，保持在500℃±5℃范围内；

步骤3)：经过微波修复后，土壤中易挥发有机物生成气体从土壤中挥发出来，由废气吸收装置(12)吸收并做下一步处理，分解后的有机物降低了毒性，在土壤中由微生物降解；

步骤4)：打开阀门(6)，氧化剂由蠕动泵(5)从氧化剂药箱(7)经过管道输送到氧化剂加药井(9)中，通过注射器注入加药井(9)，通过pH调节器(16)调节土壤pH至3，使土壤中的含砷有机物在微波催化下发生氧化反应，将土壤中的三价砷氧化成五价砷，反应2小时后，通过pH调节器(16)将土壤pH调制中性；

步骤5)：关闭微波修复系统，在污染土壤区域表面种植超富集植物蜈蚣蕨，每年收割蜈蚣蕨3-4次，将蜈蚣蕨收割后做进一步处理；

步骤6)：重复步骤2)至步骤5)，轮流进行修复处理，直至修复完成。