CN103706622B - 污染土壤电动修复的均匀电场获得方法与装置 - Google Patents
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Abstract
一种污染土壤电动修复的均匀电场获得方法，在需要修复土壤的场地里，相隔一定距离开挖成组的具有一定宽度及深度的沟或槽，并在成组沟或槽中充填粒径为Φ1.5～Φ5mm的导电碳粒，在成组沟或槽中的导电碳粒里置入电源的引入端子而形成平行电极，该电极的数量是2×N或3×N，N为正整数。本发明可提供一个均匀的土壤修复电场，消除纺锤型电场分布，尤其是用于要求的完全对称电场对微生物修复污染土壤等问题。比线型电极或矩阵电极的分布具有很大的优点，电极简单易制，成本低，效率上有巨大进步。
Description
技术领域
本发明涉及污染土壤的电动修复方法，尤其是污染土壤电动修复的均匀电场获得方法与装置。
背景技术
污染土壤的电动修复技术（Electrokineticremediation)是20世纪90年代兴起的一门绿色修复技术。对重金属污染土壤的修复，其基本原理是在土壤/场地中施加直流电，使两电极之间形成直流电场，驱动重金属离子沿电场方向迁移，从而将污染物富集至阴极区，然后再通过电沉积、离子交换等方法予以分离，进而达到修复目标。对有机污染土壤的修复，其机理则比较复杂，主要是利用电场产生的各种电动效应和电化学反应，或增强土壤中污染物的生物可利用性；或加快有机污染物的氧化进程；或改善功能微生物的代谢条件；或提供生物-化学反应所需的外部参数，如适宜的温度、氧气、pH和传质环境；通过加热和电场相结合的方法是一种修复方法：利用土壤自身的电阻，在外部施加电压的情况下，使得土壤发热，进而使原本固态或液态的有机污染物受热而转化为气态，辅以真空抽出系统，将气化后的有机污染物抽出地面加以处理，以达到修复污染土壤的目的。
污染土壤的原位修复是重要的修复方法，其工程的工作量较少，成本较低，如中国专利申请CN200380111029.7污染土壤的电增强的原位修复，在土壤的原位电动修复期间,使用由位于土壤中的电极产生的电场除去通过土壤的污染物、络合剂、化学试剂和/或营养物,或者加热土壤。通过对电极上的电压和/或通过电极的电流的控制来防止电极堵塞问题,降低不必要的功耗和/或防止沸腾。一方面(电动修复和电加热),如果由从电极到土壤中的电阻的增加,检测到发生了堵塞和/或沸腾,临时阶跃降低通过所选电极的电流。优选地,使用土壤中的探测电极除去土壤电阻率变化对所述检测的影响。另一方面(电动(生物)栅栏/筛网(SCREEN)),根据测量的地下水流速变化改变电压或电流,以至于所述方法在最小的功耗下保持有效。再另一方面(电动植物修复),通过测量累积电流来定时电流的极性反转。
此外，电场的复合修复还可以见：修复匀强电场和微生物联合修复石油污染土壤的实验研究，黄延林《西安建筑科技大学学报：自然科学版》2006年第6期，实验表明，经过54d的降解，加菌土样在施加电场条件下石油降解率达到91％，比不加电场土样的降解率79％提高12％，并且在降解初期电场促进了菌剂的生物修复作用，到降解后期，促进作用不明显。分析表明，土壤中的直链饱和烃基本被去除，得出适宜的施加电场条件为辐照时间为10min，电场强度为300V·m^-1，土壤中石油去除率变化与微生物脱氢酶变化趋势基本一致，表明外加电场刺激了微生物脱氢酶的分泌，对石油污染土壤的生物修复具有积极的促进作用。
完全对称电场对电动-微生物修复石油污染土壤的影响李婷婷《环境科学研究》2010年10期，针对石油这种非极性复杂有机污染物难以去除的特点。以含油量为50mg/g的石油污染土壤为研究对象，运用行/列循环切换方式,每5min切换一次电极极性,建立空间和场强上完全对称的电场，旨在研究完全对称电场条件下电动-微生物联合修复对石油污染物去除率的影响，对土壤有效氮、有效磷、有效钾等营养物含量以及降解菌数量在电场作用下的变化进行比较.结果表明，1V/cm的电压梯度下，土壤中的w(有效氮)、w(有效磷)和w(有效钾)分别为初始值的1.3、1.6和1.2倍；同时，在电场作用和电极极性切换条件下，土壤的pH为6.3±0.2，温度升高2～3℃，石油降解菌的数量增加，当处理时间为20d时,降解菌数量最大值达2.3×109CFU/mL，进而提高了石油的去除率.烷烃在电动处理下降解速率加快，60d烷烃去除率达到15.73%，经过60d的电动-微生物修复，石油去除率达到33.42%，是对照组的2.4倍。
重金属污染土壤的脉冲电泳原位修复研究，对常规恒流直流电源与单向脉冲电源用于重金属污染土壤的修复。
由于现有各种电极棒电极在二维截面是点或线型电极，电极间的电场分布呈仿锤形，很难形成均匀电场，即使有栅栏状或矩阵分布仍不能解决电场分布的真正均匀的问题。因此难以完成上述背景技术要求的相对均匀电场的电动修复污染土壤等问题，通过加热和电场相结合的方法的土壤修复效果也不好。
发明内容
本发明目的是，提出一种污染土壤电动修复均匀电场获得方法与装置，克服现有技术的阳极易酸化腐蚀、电场效率偏低的缺点。获得的均匀电场使得现有各类性质的土壤电动修复方案得以有效实现。尤其加热和电场相结合的修复方法能够顺利实现，并具有修复成本降低和效率提高上的巨大进步。
本发明的技术方案是：一种污染土壤电动修复的均匀电场获得方法，由位于污染土壤中的本方法及装置产生的均匀电场去除土壤中的污染物。在需要修复土壤的场地里，相隔一定距离开挖成组的具有一定宽度及深度的沟或槽，并在成组沟或槽中充填粒径为Φ1.5～Φ5mm的导电碳粒，在成组沟或槽中的导电碳粒里置入电源的引入端子而形成平行电极，该电极的数量是2×N或3×N，N为正整数。并按照修复场地的污染土壤及污染物性质等具体情况而定。
如使用直流电及单相交流电时N取2，使用三相交流电时N取3。
导电碳粒的粒径为Φ1.5～Φ5mm，电阻＜50Ω（一般情况下碳粒的电阻远小于此）。
通过对电极上的电压和/或通过电极的电流的控制进行电动修复,如果成组的电极间土壤电阻的减小或增大,检测后则降低或提高通过本组电极间的电流或电压。
连续沟或槽的宽度可以是50－600mm或更宽,深度达到20m或更深；沟或槽的长度根据修复场地情况而定。导电碳粒中可以充溢或浸渍导电溶液；
修复时的电压和电流的范围采用通常的技术方案。
在使用直流电电动修复时,可以通过测量累积电流或电量适时地对电流的极性进行互换。本发明装置包括直接或交流电源，将电源接入电极的棒状、条状或板状金属。
进一步，在使用直流电电动修复时参考201210279476.4,可以通过测量累积电流适时地对输入的电流的极性进行互换；
基于上述污染土壤电动修复的均匀电场获得方法的装置，包括直接或交流电源，将电源接入电极的棒状、条状或板状金属，导电碳粒的粒径为Φ1.5～Φ5mm，导电碳粒的电阻＜50Ω。
本发明用于电动修复污染土壤。
本发明的有益效果是：该发明可提供一个均匀的土壤修复电场，消除纺锤型电场分布，尤其是用于要求的完全对称电场对微生物修复污染土壤等问题。比线型电极或矩阵电极的分布具有很大的优点，电极简单易制，成本低，效率上有巨大进步；比专门制备石墨电极也节省时间和成本。由于本发明的电极是填充的颗粒状的导电碳粒，因此对施工没有精度要求，大大降低过去技术中预埋电极的成本，更重要的是土壤的自然变形及外力变形不会让本发明的电极产生断裂失效的情况。本发明提供污染土壤的均匀电场用于污染土壤的电动修复，克服了现有技术的不足，从而达到治理被污染土壤的目的。导电碳粒价格从每公斤几元到十几元不等，具有很大的成本优势，使得形成很大面积的电极成为可能。均匀电场使得加热和电场相结合的土壤修复技术能够顺利实现，加热和电场均十分均匀、高效。本发明提供的完全对称电场对电动-微生物修复石油污染土壤产生最好的影响。采用类似201210279476.4通过测量累积电流来定时电流的极性反转时污染土壤修复获得更好的修复效果。
附图说明
图1、2是本发明修复方法布置的示意图；
图3是传统电极(a)与本发明电极(b)产生电场的比较。
具体实施方式
如图1、2所示，1.电极内设有棒状、条状或板状的金属电源引入端子或接头，2.导电碳粒电极，3.需修复的土壤，4.可调式控制电源；h：电极宽度，H：土壤修复深度，L：根据污染土壤导电电阻确定的导电碳粒电极间的距离。导电碳粒电极为类平板状，一组（二片或三片电极）的电极成为平行的平板电极。导电碳粒的粒径为Φ1.5～Φ5mm，其电阻＜50Ω。
根据需修复污染土壤及污染物的性质，确定电极的H、h、L及长度，然后用连续抓斗挖机或者插板机在需修复的场地内挖出连续沟或槽，将选好的导电碳粒填入沟或槽中并压实。根据导电碳粒的电阻，间隔一定的距离置入电源引入端子，同一电极上的引入端子用导线连通并跟电源连接。最后形成的土壤修复电极如图1、2所示。
实施方案一
根据图1，以土壤原位热脱附修复有机污染土壤的电动修复技术为例做进一步说明，A-B-C间初始电压为市电380V，通过三相调压变压器，可以使A1-B1-C1间电压U1或U2根据修复情况作出调整，调整范围为20～480V。在A1-B1-C1间施加了U1或U2电压后，由于土壤自身电阻的存在，因此土壤在电极间就会自身发热。土壤发热就会让有机物加速挥发，再利用场地里布置的抽提井（图中未表示），将有机物被抽出地面加以处理，从而达到修复土壤的目的。通过对电极上的电压和/或通过电极的电流的控制进行了电动修复和电加热,如果由从电极到土壤中的电阻的减少,检测到发生则降低通过所选电极的电流。此时消耗的功率是P=U1 2/R，其中R为土壤的电阻。
实施方案二
根据图2，以土壤原位修复重金属污染土壤的电动修复技术为例做进一步说明，A-B间电压可根据修复情况通过直流电源电压调节器在电压U0或U1作出调整，调整范围为20～600V，优选的电压梯度为1v/cm。在A1-B1间施加了U1电压后，土壤作为导体，两电极之间形成直流电场。由于土壤颗粒表面具有双电层，并且孔隙溶液中离子或颗粒物带有电荷，电场条件下土壤空隙中的水溶液产生电渗流同时带电离子电迁移，主要的物质迁移有电渗、电迁移、自由扩散和电泳，多种迁移运动的叠加载着污染物离开处理区，到达电极区的污染物一般通过电镀、沉淀/共沉淀、抽出或离子交换萃取被去除，从而达到修复的目的。
实施方案三
根据图2，以沙性土壤原位修复苯酚污染土壤的电动修复技术为例做进一步说明，A-B间电压可根据修复情况通过直流电源电压调节器在电压U0或U1作出调整，调整范围为20～600V，优选的电压梯度为1v/cm，控制电流在mA级。在沙性污染土壤里，含水率为10～19%，初始微生物为人工筛选的苯酚高效菌，浓度为1.5×109个/克干土。定期切换极性，切换间隔时间一般为3～12小时/次，系统连续运行10天，土壤里苯酚的平均讲解效率为65%左右，远远高于没有电场的降解效果。对比极性不同切换频率可以发现，切换频率较快时，修复较均匀，但同时能耗也有所增加，因此，根据实际条件选择合适的极性转换频率是非常重要的。
虽然上述说明描述完整的实施例，但并不限于上述举例。本领域的技术人员，在本发明的实质范围，做出的变型、修改或替换，都应属于本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种污染土壤电动修复的均匀电场获得方法，其特征是在需要修复土壤的场地里，相隔一定距离开挖成组的具有一定宽度及深度的沟或槽，并在成组沟或槽中充填粒径为Φ1.5～Φ5mm的导电碳粒，在成组沟或槽中的导电碳粒里置入电源的引入端子而形成平行电极，该电极的数量是2×N或3×N，N为正整数；导电碳粒的粒径为Φ1.5～Φ5mm，电阻＜50Ω；
通过对电极上的电压和/或通过电极的电流的控制进行电动修复，如果成组的电极间土壤电阻的减小或增大，检测后则降低或提高通过本组电极间的电流或电压；
连续沟或槽的宽度是50－600mm，深度达到20m；沟或槽的长度根据修复场地情况而定，使用直流电及单相交流电时N取2，使用三相交流电时N取3；
导电碳粒中充溢或浸渍导电溶液；在使用直流电电动修复时,通过测量累积电流或电量适时地对电流的极性进行互换。
2.根据权利要求1所述的污染土壤电动修复的均匀电场获得方法采用的装置，其特征是包括直流或交流电源，将电源接入电极的棒状、条状或板状金属；导电碳粒的粒径为Φ1.5～Φ5mm，电阻＜50Ω。
3.根据权利要求1所述的污染土壤电动修复的均匀电场的用途。
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Denomination of invention: Method and device for obtaining uniform electric field for electrically repairing polluted soil Effective date of registration: 20191028 Granted publication date: 20151209 Pledgee: Chengdong Branch of Nanjing Bank Co.,Ltd. Pledgor: JIANGSU DDBS ENVIRONMENT REMEDIATION Co.,Ltd. Registration number: Y2019320000228 |
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