CN103736719A - 基于植物仿生的污染土壤原位自持修复装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明通过模拟植物毛细现象和蒸腾作用，提供了一种污染土壤原位自持修复装置及采用该装置进行土壤修复的方法。所述修复装置包括如下部件：主体、填料、蒸发器和配件；主体为中空管件；填料紧密填充于主体管件中，依靠配件支撑住填料；蒸发器安置于主体管件顶端；配件主要为安装其他部件的支撑材料。根据土壤污染情况选择修复装置的规格和布控密度及深度，插入土壤中，利用修复装置的毛细现象和蒸腾作用来带动迁移土壤中的污染物，将土壤中的污染物转移至修复装置中，从而使土壤中的污染物得以有效去除。

Description

基于植物仿生的污染土壤原位自持修复装置和方法

技术领域

本发明涉及污染土壤的修复装置和方法，特别涉及基于植物仿生，对受重金属污染、有机物污染的土壤进行原位自持修复的修复装置和方法，属于环境保护领域。

背景技术

土壤是人类赖以生存的物质基础，是人类不可缺少、不可再生的自然资源，也是人类环境的重要组成部分。土壤污染对人类的危害极大，它不仅直接导致粮食减产，而且通过食物链影响人体健康。此外，土壤中的污染物通过地下水以及污染物的转移构成对人类生存环境多个层面上的不良胁迫和危害。

目前，土壤污染的修复技术主要包括物理修复、化学修复、生物修复和综合修复等几大类，这些技术在理论和技术上都具有可行性。

1、物理修复

物理修复是指通过各种物理过程将污染物从土壤中去除或分离的技术。

2、化学修复

相对于物理修复，污染土壤的化学修复技术发展较早，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电动力学修复等。

3、生物修复

生物修复是当今环境保护技术领域的热点问题，也是最具挑战的研究方向之一。目前，生物修复主要包括微生物修复、植物修复，以及生物联合修复技术等。

微生物修复主要利用原土壤中的土著微生物或向污染环境补充经过驯化的高效微生物，在优化的操作条件下，通过生物还原反应修复被污染土壤。目前的微生物修复多处于室内研究阶段。

植物修复技术包括利用超积累或积累性功能的植物吸取修复、利用植物根系控制污染扩散和恢复生态功能的植物稳定修复、利用植物代谢功能的植物降解修复、利用植物转化功能的植物挥发修复、利用植物根系吸附的植物过滤修复等技术。

以上有关污染土壤（重金属，有机物污染等）的修复技术，已取得系统工程的共识，但是综合修复工程仍不成熟，尚存在技术局限性，比如物理修复会对土壤理化性质造成改变，影响循环使用，化学修复的工程成本较高，处理效率受限，微生物修复难以大规模应用，局限于实验室范围；植物修复受限于气候环境、植物生长周期、植物耐受度等问题。因此亟需开发一种成本低廉、快速高效、操作简便的污染土壤修复技术。

发明内容

针对目前土壤修复技术的不足，本发明通过模拟植物蒸腾作用，提供了一种成本低廉、能够实现自我持续、操作简便、快速高效、可回收利用，同时对土壤理化性质扰动较小、气候依赖性较低的污染土壤原位自持修复装置和方法（简称为PTSAS修复技术）。

本发明的上述目的可采用以下技术方案实现。

本发明所述的修复装置是一种类似于植物结构的装置，含有与植物根系功能类似的具有毛细现象的主体与填料、与植物叶片功能类似的可产生蒸腾作用的蒸发器。具体而言，主要包括如下部件：主体、填料、蒸发器和配件；主体为采用高分子疏水材料、亲水性多孔陶瓷管或绿色环保生物质材料等制成的中空管件；所述填料为具有多孔状结构的高效吸附剂、土壤钝化剂、生物质废料或纳米功能性材料等，紧密填充于主体管件中，依靠配件支撑住填料，可在装置中产生毛细现象；蒸发器为具有比表面积的材料制品，安置于主体管件上部，使水汽从主体通过蒸发器散发，在装置顶端产生蒸腾作用；配件为支撑网或其他固定支撑材料，主要是安装其他部件的支撑材料。

主体主要对整个装置起支撑作用，因此管件主要选择具有承压、抗冲击性的材料制品，可选用聚丙烯、亚克力、聚氯乙烯等高分子疏水材料制品，也可利用亲水性多孔陶瓷管，或绿色环保生物质材料制品，如竹竿等；主体可以是任意尺寸和任意形状的中空管件，根据土壤污染程度和需处理的土壤面积调整尺寸。

填料具有多孔状结构，紧密填放在管件中会产生毛细现象，带动水分或溶液向上。填料用于吸附、钝化来自土壤的可溶性污染物，并截留于修复装置中，因此选用可以吸附、钝化土壤中可溶性污染物的材料，以高效吸附剂、土壤钝化剂、生物质废料、纳米功能性材料等为主，如工业活性炭，生物质活性炭（秸秆炭、棉秆炭）、草木灰、阳离子交换树脂、坡缕石、海泡石、高岭土、纳米级羟基磷灰石等；吸附剂可以对污染物进行富集（去除）吸附，钝化剂可以对污染物中的重金属进行截留，改变污染物形态。

蒸发器采用具有比表面积的材料制成，能够促进水分蒸发，同时产生顶端蒸腾拉力，加速水分携带可溶性污染物从土壤溶液向修复装置迁移，所以蒸发器一般选用亲水性、蓬松状、并且具有较大比表面积的纤维质材料制成，如：棉纱、粘胶纤维、纺织废料等；蒸发器比表面积的大小直接影响蒸发速率，因此比表面积越大越好。蒸发器形状可以是圆柱形、条形或其他形状。

配件主要包括支撑网等固定支撑材料。配件的目的主要是支撑住填料和其他部件，防止内部填料损失或污染。

修复装置的部件还可以包括渗透膜，渗透膜通过配件附着于主体底部，也可以通过配件附着于主体内壁和底部；由于配件主要是支撑填料不泄露，因此渗透膜与主体内壁间可以不用配件，而是直接附着于主体内壁。渗透膜的选择以重金属、有机污染物能通过，同时能截留土壤大分子、养分等为标准，在修复土壤的同时，防止土壤养分流失；可采用纳米纤维复合膜等。

本发明所述的基于植物仿生的污染土壤原位自持修复方法，是根据土壤污染情况选择修复装置的规格和布控密度，污染越严重，装置布控越多；土壤污染越深，装置越长，且插入土壤的深度越深；将前述具有毛细现象和能产生蒸腾作用的修复装置插入土壤中，利用修复装置的毛细现象和蒸腾作用来带动迁移土壤中的污染物，将土壤中的污染物转移至修复装置中，从而使土壤中的污染物得以有效去除。如一次修复装置的使用不能使土壤达标，可对填料取样检测确认饱和后，更换填料，修复可反复进行，直到土壤达标。修复装置也可经多次使用。

为加速土壤的修复过程，还可以加入水或其他可以加速土壤中可溶性污染物溶解的绿色环保溶液作为淋洗液对待修复土壤进行淋洗。为避免对土壤造成二次污染，所述淋洗液主要是生物可降解螯合剂、生物表面活性剂或天然有机酸，优选为乙二胺二琥珀酸溶液、液态缩氨酸或柠檬酸。通过定时定量添加一定的淋洗液促进土壤中可溶性污染物的浸出，可选淋洗液配比见表1。

表1淋洗液配比

编号	淋洗液成分	种类	浓度
				1	自来水	——	——
2	灌溉水	——	——
				3	乙二胺二琥珀酸溶液（EDDS）	生物可降解螯合剂	0.1mol/L
4	液态缩氨酸	生物表面活性剂	0.25%
				5	柠檬酸	天然有机酸	0.1mol/L

本发明所述的基于植物仿生的污染土壤原位自持修复方法，是模拟植物的毛细现象和蒸腾作用产生蒸腾拉力，带动植物根系不断吸收土壤中的水分；与此同时，土壤中的水在浓度梯度的作用下源源不断被拉上来，再由植物根部运送到植物上部（叶片），以供生命活动所需并最终蒸发。

修复装置直接插于土壤中，污染物溶液通过土壤——土壤，土壤——修复装置，修复装置内的毛细孔道——填料进行传递；由于修复装置顶端蒸发器中水分不断蒸腾散失，产生可持续的蒸腾拉力，促使水分从土壤溶液到修复装置不断补给；在水分转移过程中，土壤中可溶性的污染物随水分共同转移，被修复装置内的吸附材料吸附或钝化材料截留在修复装置内，从而达到使污染物富集固定于修复装置的目的。因此，该修复过程可自持进行，无需外加能量或动力装置，如使用电力、运输泵等；且该修复过程可在原位对污染土壤进行修复，无需挖掘、运输或异地处理。

修复装置填料二次资源化或无扩散集中处理：

⑴吸附剂达到一定吸附量或一定品位，可回炼作资源化处理；

⑵稳定/固定处理：对于积累量不大的废（乏）料，采用二次矿化技术处理已经高度积累的固定状态的重金属，使其形成难容的硫化物、磷酸盐等稳态物质，从而抑制重金属的活性，达到稳定/固定的目的；

⑶大量积累但无法资源化利用的废（乏）料，可采用地质缓冲的充填方式处理。

与传统修复技术相比，本发明的修复方法及修复装置具有较强的优势：

⑴运行期间可利用蒸腾作用实现自我持续运转，无需外加动力；

⑵操作简便，节省人工，可以根据污染情况，处理面积的不同，选择不同大小规格的修复装置；

⑶修复装置的使用不会引起土壤理化性质的显著变化，便于修复土壤的后利用；

⑷修复装置内的填料可二次资源化或无扩散集中处理，无需使用大量化学药品，安全、绿色、环保；

⑸成本优势较强，价格低于传统物理化学修复技术，操作难度低，易于大规模推行，后期维护较少，便于使用；

⑹突破了传统植物修复技术中存在的植物生长缓慢、修复周期长、植物吸附污染物种类单一、气候依赖强、以及需要相关制度控制和保护处理等局限；

⑺可以与其他土壤修复技术联用，如：植物修复技术、微生物修复技术、物理-化学修复技术等，构建污染土壤的复合修复技术；

⑻与其他修复技术（如PRB、生物修复技术）的工程量比较，具有工程投资低、工程运转与维护费用低、监测投入少等优点。

附图说明

图1为本发明的基于植物仿生的污染土壤原位自持修复装置结构示意图，其中，A主体、B填料、C蒸发器、D渗透膜、E配件、F污染土壤纵剖面

图2为本发明的概念原理图

图3为本发明的基于植物仿生的污染土壤原位自持修复装置的具体实施方式示意图

具体实施方式

实施例1

基于植物仿生的污染土壤原位自持修复装置，结构如图1所示。包括主体A、填料B、蒸发器C、渗透膜D和配件E。

主体A为聚丙烯材料制成的中空管件；渗透膜D通过配件E2附着于主体A底部，以及直接附着于主体A管壁；填料B紧密填充于主体A中，压实；蒸发器C通过配件E1连接于主体A的顶端。

本例中，主体A为圆柱形中空管件，内径为27mm，外径为29mm，高98mm；此外，还可以制备成长方体形中空管件或其他形状的中空管件，管壁的厚度以能支撑整体装置为宜；也可以选择其他亲水性多孔陶瓷管或绿色环保生物质材料制成。

本例中，填料B为活性炭；还可以选择其他任何可以吸附、钝化土壤中可溶性污染物的材料作填料，如阳离子交换树脂、土壤修复钝化剂等。

本例中，蒸发器C采用4g重的棉纱制成，厚度为2mm，横截面为圆形，直径31mm；还可以采用其他具有比表面积的亲水性、蓬松状纤维质材料，如粘胶纤维、纺织废料等制成其他形状，如将4g重棉纱全部裁成20mm宽、100mm长的条状，塞紧在主体上部形成蒸发器，如图2C中条形蒸发器。

本例中，渗透膜D采用纳米纤维复合膜，膜厚度为50μm。

配件E1与E2均为200目塑料支撑网，是安装蒸发器C和渗透膜D及填料B的支撑材料；还可以选用其他任何型号或尺寸的塑料支撑网、脱脂棉等。

本例中，修复装置整体高度为100mm。在其他情况下，修复装置可根据情况制备成合适的大小。

实施例2

基于植物仿生的污染土壤原位自持修复装置的蒸腾速率的测定及与植物蒸腾速率的比较。

分别测定了本发明的基于植物仿生的污染土壤原位自持修复装置在溶液环境中和土壤环境中的蒸腾速率，并与水稻的蒸腾速率进行了对比，结果如表2所示。

表2本发明的修复装置在溶液和土壤环境中的蒸腾速率及与水稻的对比

从表2可以看出，在短周期内，修复装置在溶液环境中和土壤环境中的蒸腾速率均明显高于水稻。此外，长周期内，修复装置自身可长期使用，受自然环境及条件的限制较少；植物，如水稻，一年之内仅有2-3季的生长期（生长地区不同，生长季不同），每个生长周期只有3个月左右的时间，而且蒸腾速率只有在特定的生长阶段，适宜的自然环境条件下才可能达到较高水平。此外，植物修复是利用超累积植物对溶液中重金属的选择性吸收或利用具有一定适应污染溶液能力的植物对污染进行修复，但仍需受到污染物浓度及植物生长的限制，因此，和植物仿生修复装置在处理效率上相比具有一定的局限性。

因此，植物仿生修复技术相对于植物修复技术来说，具有较为明显的优势。

实施例3

基于植物仿生的污染土壤原位自持修复方法对污染物溶液进行处理。

本实施例对污染液进行处理的目的是验证可溶于水的污染物能够被本发明所述的装置和方法处理。土壤中具有生物威胁性的污染物也是可溶于水的，故此步为污染土壤原位自持修复验证的第一步，溶液中的污染物可以采用本发明所述的方法被处理，则土壤中可以溶于水的污染物同样可以通过毛细现象被蒸腾作用牵引至修复装置中，被吸附处置。同时，本实施例也证实了本方法也适用于污水处理领域。

试验结果表明，本发明的修复装置和修复方法对污水的处理效果均达到99%以上（见表3）。

表3基于植物仿生的污染土壤原位自持修复装置和方法对污染液的处理

实施例4

采用本发明的基于植物仿生的污染土壤原位自持修复装置和修复方法对铬污染土样进行修复，修复装置的布控情况如图3所示。总土壤深度为7cm，装置高度为120mm，主体外径40mm，管件插入土壤中3.5cm。

通过测定修复装置对铬污染模拟水田不同深度（表层0cm、表层3.5cm、表层7.0cm）土壤15天的修复效果（见表4），表明：管件插入土壤中3.5cm，15天对表层0cm、表层3.5cm、表层7.0cm土壤的修复率分别达到84.19%、79.85%和81.55%。

表4修复装置对铬污染土样的修复效果

实施例5

加入不同淋洗液剂，利用本发明的基于植物仿生的污染土壤原位自持修复装置和修复方法对铬污染土样进行修复。淋洗液配比参数见表5，修复土壤深度为7cm，装置高度为150mm，主体外径50mm，管件插入土壤中3.5cm。

表5实际修复中淋洗液配比参数

通过测定不同淋洗液施加条件下，修复装置对铬污染模拟水田土壤15天的修复效果（见表6），表明：15天的修复对污染土壤的修复率分别达到83.13%、80.19%和76.53%。

表6不同淋洗条件下修复装置对铬污染土样的修复效果

实施例6

本发明的基于植物仿生的污染土壤原位自持修复装置和修复方法(PTSAS)和其他修复方式的成本比较。

通过和植物修复以及挖掘清理的成本比较，本发明的修复方法和装置具有较高的成本优势，见表7。本发明的修复方法和装置成本不超过50000美元/英亩。相比于Salt（1995）对植物修复所做的成本计算（约合60000-100000美元/英亩）以及利用物理方法进行挖掘和填埋的花费（400000美元/英亩），本发明的修复装置和方法具有较高成本优势。

表7本发明技术与其他修复方式的成本比较

Claims (6)

1.基于植物仿生的污染土壤原位自持修复装置，其特征在于，包括如下部件：主体、填料、蒸发器和配件；主体为采用高分子疏水材料、亲水性多孔陶瓷管或绿色环保生物质材料等制成的中空管件；所述填料为具有多孔状结构的高效吸附剂、土壤钝化剂、生物质废料或纳米功能性材料等，紧密填充于主体管件中，依靠配件支撑住填料，可在装置中产生毛细现象；蒸发器为具有比表面积的材料制品，安置于主体管件上部，能在装置顶端产生蒸腾作用；配件为支撑网或其他固定支撑材料，主要是安装其他部件的支撑材料。

2.根据权利要求1所述的基于植物仿生的污染土壤原位自持修复装置，其特征在于，所述部件还包括能使重金属、有机污染物通过，截留土壤大分子、养分的渗透膜，渗透膜通过配件附着于主体底部或主体的内壁和底部。

3.根据权利要求1或2所述的基于植物仿生的污染土壤原位自持修复装置进行污染土壤原位自持修复的方法，其特征在于，根据土壤污染情况选择修复装置的规格和布控密度，将修复装置插入土壤内，直到土壤达标。

4.根据权利要求3所述的基于植物仿生的污染土壤原位自持修复方法，其特征在于，填料取样检测确认饱和时土壤还未达标，则更换填料，修复可反复进行，直到土壤达标。

5.根据权利要求3或4所述的基于植物仿生的污染土壤原位自持修复方法，其特征在于，加入水或其他可以加速土壤中可溶性污染物溶解的绿色环保溶液作为淋洗剂对待修复土壤进行淋洗。

6.根据权利要求5所述的基于植物仿生的污染土壤原位自持修复方法，其特征在于，其他淋洗剂优选：乙二胺二琥珀酸溶液、液态缩氨酸或柠檬酸。

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