CN104226677B - 一种双向夹逼法联合增溶剂修复菲污染土壤的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了菲污染环境修复技术领域的一种双向夹逼法联合增溶剂修复菲污染土壤的装置及方法。所述整体装置在修复过程中处于密封状态，该装置主要包括电源、电极室、电极、开关及水平分段式导向多孔管道；其中，在污染区域均匀分布四个相同电极，各电极安置在相应电极室中，通过开关和控制系统控制每个电极和电极室的使用情况。本发明中该装置的修复方法是采用双向夹逼的方法将污染物不断向中间区域阴极逼近，并联合增溶剂的增溶效果，将土壤中的污染物菲集中富集在特定阴极区域附近，从而有效地将菲从污染区域中迁移出来。

Description

一种双向夹逼法联合增溶剂修复菲污染土壤的装置及方法

技术领域

本发明属于菲污染环境修复技术领域，具体涉及一种双向夹逼法联合增溶剂修复菲污染土壤的装置及方法。

背景技术

多环芳烃(PAHs)是自然环境中广泛存在的一类持久、难降解的疏水性有机污染物。目前，我国土壤中多环芳烃类污染物的检出率很高，有的甚至达到较高的浓度，其总质量分数可达到几十到上万μg/kg。环境中存在的多环芳烃对生态环境、农产品的安全以及人类的健康均构成了潜在的威胁。菲是典型的多环芳烃(PAHs)物质，属于优先控制的目标污染物，被广泛应用于多环芳烃环境行为与机理的研究。菲具有其它多环芳烃极为相似的物理化学性质：水中溶解度很低，易挥发且与有机质有很强的亲和性，其在环境中具有很强的迁移活动能力。

目前对于土壤中菲污染物的处理主要有微生物修复、植物修复以及化学与生物相结合的修复等等。微生物修复往往需要向土壤中引入外源微生物，这些被引入的专性降解菌或基因工程菌易受到土著微生物竞争的影响，致使修复效果下降，而且外源菌的引入也存在潜在的土壤生态风险。植物修复主要依靠直接吸收和积累方式来修复多环芳烃，但目前由于植物对菲的吸收积累作用很不清楚，无法明确植物吸收积累、土著微生物降解土壤中菲的相对贡献率。化学与生物相结合的修复是指通过化学修复过程中增效试剂对有机污染物的增溶作用，促进有机物从土壤固面向水相传质，改善其生物可利用性，促进植物吸收、转运和降解以及微生物的降解。

电动修复是一门新的污染土壤修复技术，它主要是通过在污染土壤的电解池两侧施加电压，直流电压形成电场梯度，土壤中的带电离子污染物质通过电迁移、电渗流、电泳以及扩散的途径被迁移并富集在电极区附近，随后通过进一步的处理从而实现污染土壤样品的减污或清洁。这种修复方法具有处理成本低，修复效率高，后处理方便等一系列优点，特别是在处理点源污染和突发性事故等方面有非常好的应用前景。增溶剂因其特殊的结构和性质，在修复土壤污染物方面具有很好的应用潜力。增溶剂在特定浓度下会自发形成胶束，在低浓度时，可在固相表面胶束化，对有机物产生增强吸附作用，达到一定浓度后可在溶液中胶束化，对有机物产生增溶洗脱作用，从而调控有机污染物在土-水界面的分配行为及生物可利用性。

发明内容

针对现有技术不足，本发明的目的是提供一种双向夹逼法联合增溶剂修复菲污染土壤的装置及方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：

一种双向夹逼法联合增溶剂修复菲污染土壤的装置，如图1所示。所述装置包括：一级阳极1，二级电极2，一级阴极3，二级阳极4，一级阳极室5，二级电极室6，一级阴极室7，二级阳极室8，输液泵9，三级控制系统10，流量计11，增溶剂储液槽12，二级多通道蠕动泵13，二级控制系统14，电解液处理系统15，一级多通道蠕动泵16，一级控制系统17，阳极液槽18，阴极液槽19，稳压电源20，水平分段式导向多孔管道21，一级开关1-1，二级开关1-2，三级开关1-3，四级开关1-4，五级开关1-5和六级开关1-6，整体装置处于密封状态；所述稳压电源20的正极通过导线和一级开关1-1与一级阳极1相连，稳压电源的负极通过导线和三级开关1-3与一级阴极3相连，稳压电源的正极通过导线和四级开关1-4与二级阳极4相连，稳压电源的负极通过导线和二级开关1-2、六级开关1-6与二级电极2相连，稳压电源的正极通过导线和二级开关1-2、五级开关1-5与二级电极2相连；一级阳极1、二级电极2、一级阴极3、二级阳极4分别设置在一级阳极室5、二级电极室6、一级阴极室7、二级阳极室8中；阳极液槽18和阴极液槽19分别通过管道与一级控制系统17和多通道输液泵16相连，一级多通道蠕动泵16通过进液管道分别与一级阳极室5、二级电极室6、一级阴极室7、二级阳极室8中相连；电解液处理系统15通过管道与二级控制系统14和二级多通道蠕动泵13相连，二级多通道蠕动泵13通过溢流管道分别与一级阳极室5、二级电极室6、一级阴极室7、二级阳极室8相连，增溶剂储液槽12通过进液管道与流量计11、三级控制系统10、输液泵9及水平分段式导向多孔管道21相连。

一种利用上述装置修复菲污染土壤的方法，所述方法包括以下步骤：

(1)调查污染土壤的整体状况，在确保覆盖所有污染范围的情况下，确定待修复区域的矩形范围，按照装置示意图安装所述装置的各个部件，在垂直于矩形区域水平面的污染区域内均匀安置四个完全相同的电极；将水平分段式导向多孔管道安装在待修复区域上方，并保证所述管道的喷洒范围能够覆盖整个待修复区域，其中，水平分段式导向多孔管道分为三段式，并由三级控制系统控制每段管道的运行；

(2)闭合一级开关1-1和三级开关1-3，则电源正极通过一级开关1-1连接到一级阳极1，电源负极通过三级开关1-3连接到一级阴极3，通过稳压电源向电极施压对污染土壤进行修复，所施电压梯度为1.5-3v/cm，修复时间为24-48h，同时通过输液泵将增溶剂输送至水平分段式导向多孔管道中，并通过三级控制系统运行一级阳极1和一级阴极3之间的待修复区域上方的两段管道，然后停止管道运作，断开一级开关1-1和三级开关1-3，其中管道喷洒速度为2-5ml/min，运作时间为10-15h；

(3)闭合二级开关1-2、四级开关1-4和六级开关1-6，则电源正极通过四级开关1-4连接到二级阳极4，电源负极通过二级开关1-2和六级开关1-6连接到二级电极2，通过稳压电源向电极施压对污染土壤进行修复，所施电压梯度与修复时间均与步骤(2)相同，同时通过输液泵将增溶剂输送至水平分段式导向多孔管道中，并通过三级控制系统运行二级电极2和二级阳极4之间的待修复区域上方的两段管道，然后停止管道运作，断开二级开关1-2、四级开关1-4和六级开关1-6，其中管道喷洒速度与运作时间均与步骤(2)相同；

(4)闭合二级开关1-2、三级开关1-3和五级开关1-5，则通过二级开关1-2和五级开关1-5连接到电源正极的二级电极2充当阳极，电源负极通过三级开关1-3连接到一级阴极3，通过稳压电源向电极施压对污染土壤进行修复，所施电压梯度与步骤(2)相同，修复时间为12-24h，同时通过输液泵将增溶剂输送至水平分段式导向多孔管道中，并通过三级控制系统将增溶剂运行至二级电极2和一级阴极3之间的待修复区域上方的一段管道，然后断开二级开关1-2、三级开关1-3和五级开关1-5，其中管道喷洒速度为1-2ml/min，运作时间为4-6h；

(5)在运作过程中，在阳极液槽中添加碱性溶液，在阴极液槽中添加酸性溶液。阳极液槽和阴极液槽通过多通道输液泵在一级控制系统下分别向相应的阳极室和阴极室输送碱性溶液和酸性溶液，保持阳极室的pH为8-9，阴极室pH为3-4，同时不断监测各个电极室中电解液的饱和度，若电极室中电解液趋于饱和，则通过多通道蠕动泵在二级控制系统下分别从各个电极室抽取电极液，并通过溢流管道输送到电解液处理系统中；

(6)重复以上操作，直至土壤中菲的含量符合要求。

上述的方法中，步骤(2-4)所述的增溶剂采用环糊精、Tween80以及十二烷基硫酸钠中的一种或其混合物，质量浓度为1.5-5g/L。

本发明的有益效果为：(1)所述装置中采用多个控制系统，可自动实现增溶剂的喷洒，以及电极室中电极液的更新和处理，极大地减少了人力成本；(2)修复过程，采用双向夹逼法联合增溶剂的处理技术来修复受菲污染土壤，此技术将土壤中的污染物不断从两边区域向中间区域逼近，以此来提高处理效果；(3)所述方法大大缩短了污染物迁移距离，也缩短了污染物在污染区域的迁移时间，从而有效加快污染物整体修复效率；(4)所述表面活性剂能够加快菲在土壤中的溶解度，且采用分段运作方式，对污染面积针对性喷洒，既节省成本，又提高了迁移效率；(5)所述处理过程清洁，无二次污染，处理周期短，安全性好。

附图说明

图1为一种双向夹逼法联合增溶剂修复菲污染土壤装置的示意图。

其中各标号为：1-一级阳极，2-二级电极，3-一级阴极，4-二级阳极，5-一级阳极室，6-二级电极室，7-一级阴极室，8-二级阳极室，9-输液泵，10-三级控制系统，11-流量计，12-增溶剂储液槽，13-二级多通道蠕动泵，14-二级控制系统，15-电解液处理系统，16-一级多通道蠕动泵，17-一级控制系统，18-阳极液槽，19-阴极液槽，20-稳压电源，21-水平分段式导向多孔管道，1-1-一级开关，1-2-二级开关，1-3-三级开关，1-4-四级开关，1-5-五级开关和1-6-六级开关。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明做进一步说明：

一种双向夹逼法联合增溶剂修复菲污染土壤的装置，如图1所示。该装置包括：一级阳极1，二级电极2，一级阴极3，二级阳极4，一级阳极室5，二级电极室6，一级阴极室7，二级阳极室8，输液泵9，三级控制系统10，流量计11，增溶剂储液槽12，二级多通道蠕动泵13，二级控制系统14，电解液处理系统15，一级多通道蠕动泵16，一级控制系统17，阳极液槽18，阴极液槽19，稳压电源20，水平分段式导向多孔管道21，一级开关1-1，二级开关1-2，三级开关1-3，四级开关1-4，五级开关1-5和六级开关1-6，整体装置处于密封状态。所述稳压电源20的正极通过导线和一级开关1-1与一级阳极1相连，稳压电源的负极通过导线和三级开关1-3与一级阴极3相连，稳压电源的正极通过导线和四级开关1-4与二级阳极4相连，稳压电源的负极通过导线和二级开关1-2、六级开关1-6与二级电极2相连，稳压电源的正极通过导线和二级开关1-2、五级开关1-5与二级电极2相连；一级阳极1、二级电极2、一级阴极3、二级阳极4分别设置在一级阳极室5、二级电极室6、一级阴极室7、二级阳极室8中；阳极液槽18和阴极液槽19分别通过管道与一级控制系统17和一级多通道蠕动泵16相连，一级多通道蠕动泵16通过管道分别与一级阳极室5，二级电极室6，一级阴极室7，二级阳极室8相连；电解液处理系统15通过管道与二级控制系统14和二级多通道蠕动泵13相连，二级多通道蠕动泵13通过溢流管道分别与一级电极室5、二级电极室6，一级阴极室7，二级阳极室8相连；增溶剂储液槽12通过管道与流量计11、三级控制系统10、输液泵9及水平分段式导向多孔管道21相连。

实施例1

利用上述装置进行双向夹逼法联合增溶剂修复菲污染土壤的方法，该方法包括以下步骤：

(1)调查污染土壤的整体状况，在确保覆盖所有污染范围的情况下，确定待修复区域的矩形范围，按照装置示意图安装各个部件，在垂直于矩形区域水平面的污染区域内均匀安置四个完全相同的电极；将水平分段式导向多孔管道安装在待修复区域上方，并保证多孔管道的喷洒范围覆盖整个待修复区域，其中，水平分段式导向多孔管道分为三段式，并由三级控制系统控制每段管道的运行；

(2)闭合一级开关1-1和三级开关1-3，则电源正极通过一级开关1-1连接到一级阳极1，电源负极通过三级开关1-3连接到一级阴极3，所施电压梯度为2v/cm，修复时间为36h，同时通过输液泵将增溶剂输送至水平分段式导向多孔管道中，并通过三级控制系统运行一级阳极1和一级阴极3之间的待修复区域上方的两段管道，然后停止管道运作，断开一级开关1-1和三级开关1-3，其中管道喷洒速度为3ml/min，多孔管道运作时间为10h；

(3)闭合二级开关1-2、四级开关1-4和六级开关1-6，则电源正极通过四级开关1-4连接到二级阳极4，电源负极通过二级开关1-2和六级开关1-6连接到二级电极2，所施电压梯度与修复时间均与步骤(2)相同，同时通过输液泵将增溶剂输送至水平分段式导向多孔管道中，并通过三级控制系统运行二级电极2和二级阳极4之间的待修复区域上方的两段管道，然后停止管道运作，断开二级开关1-2、四级开关1-4和六级开关1-6，其中管道喷洒速度与运作时间均与步骤(2)相同；

(4)闭合二级开关1-2、三级开关1-3和五级开关1-5，则电源正极通过二级开关1-2和五级开关1-5连接到二级电极2，电源负极通过三级开关1-3连接到一级阴极3，所施电压梯度与步骤(2)相同，修复时间为12h，同时通过输液泵将增溶剂输送至水平分段式导向多孔管道中，并通过三级控制系统将增溶剂运行至二级电极2和一级阴极3之间的待修复区域上方的一段管道，然后断开二级开关1-2、三级开关1-3和五级开关1-5，其中管道喷洒速度为1ml/min，管道运作时间为4h；

(5)在运作过程中，在阳极液槽中添加质量浓度为1％的NaOH溶液，在阴极液槽中添加质量浓度为5％的HCl溶液。阳极液槽和阴极液槽通过多通道蠕动泵在一级控制系统下分别向相应的阳极室和阴极室输送NaOH溶液和HCl溶液，保持阳极室的pH为8，阴极pH为3.5，同时不断监测各个电极室中电解液的饱和度，若电极室中电解液趋于饱和，则通过多通道蠕动泵在二级控制系统下分别从各个电极室抽取电解液，并通过溢流管道输送到电解液处理系统中；

(6)将以上过程称为一次操作，不断检测污染土壤中菲的含量，根据实际需求重复操作过程，其中修复时间、管道流量及运行时间均可进行适当调整。

上述方法中使用的增溶剂是环糊精溶液,溶液的质量浓度为3g/L。

结果表明，当修复完成后，土壤中菲的修复效率达到了72.1％。

对比实施例2

按照“Electroremediationofanaturalsoilpollutedwithphenanthreneinapilotplant”一文，在电动修复联合表面活性剂十二烷基硫酸钠的作用下，菲的去除效率仅为25％。

对比实施例3

按照“Phenanthreneremovalinunsaturatedsoilstreatedbyelectrokineticswithdifferentsurfactants—TritonX-100andrhamnolipidTriton”一文，在电动修复联合表面活性剂TritonX-100的作用下，土壤中菲的去除率为10％。

对比实施例4

按照“Phenanthreneremovalinunsaturatedsoilstreatedbyelectrokineticswithdifferentsurfactants—TritonX-100andrhamnolipidTriton”一文，在电动修复联合表面活性剂鼠李糖的作用下，土壤中菲的去除率最高达到30％。

Claims (3)

1.一种双向夹逼法联合增溶剂修复菲污染土壤的装置，其特征在于，所述装置包括：一级阳极(1)，二级电极(2)，一级阴极(3)，二级阳极(4)，一级阳极室(5)，二级电极室(6)，一级阴极室(7)，二级阳极室(8)，输液泵(9)，三级控制系统(10)，流量计(11)，增溶剂储液槽(12)，二级多通道蠕动泵(13)，二级控制系统(14)，电解液处理系统(15)，一级多通道蠕动泵(16)，一级控制系统(17)，阳极液槽(18)，阴极液槽(19)，稳压电源(20)，水平分段式导向多孔管道(21)，一级开关(1-1)，二级开关(1-2)，三级开关(1-3)，四级开关(1-4)，五级开关(1-5)和六级开关(1-6)，整体装置处于密封状态；所述稳压电源的正极通过导线和一级开关与一级阳极相连，稳压电源的负极通过导线和三级开关与一级阴极相连，稳压电源的正极通过导线和四级开关与二级阳极相连，稳压电源的负极通过导线和二级开关、六级开关与二级电极相连，稳压电源的正极通过导线和二级开关、五级开关与二级电极相连；一级阳极、二级电极、一级阴极、二级阳极分别设置在各个电极室中；阳极液槽和阴极液槽分别通过管道与一级控制系统和一级多通道蠕动泵相连，一级多通道蠕动泵通过进液管道分别与各个电极室相连；电解液处理系统通过管道与二级控制系统和二级多通道蠕动泵相连，二级多通道蠕动泵通过溢流管道分别与各个电极室相连；增溶剂储液槽通过进液管道与流量计、三级控制系统、输液泵及水平分段式导向多孔管道相连；所述一级阳极、二级电极、一级阴极、二级阳极均匀垂直安置在待修复区域的矩形区域水平面；所述水平分段式导向多孔管道为三段式，由三级控制系统控制每段管道的运行，该管道安装在待修复土壤区域上方，并保证所述管道的喷洒范围覆盖整个待修复区域。

2.一种利用权利要求1所述装置修复菲污染土壤的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)调查污染土壤的整体状况，在确保覆盖所有污染范围的情况下，确定待修复区域的矩形范围，安装所述装置的各个部件，在垂直于矩形区域水平面的污染区域内均匀安置四个完全相同的电极；将水平分段式导向多孔管道安装在待修复区域上方，并保证所述管道的喷洒范围覆盖整个待修复区域，其中，水平分段式导向多孔管道分为三段式，并由三级控制系统控制每段管道的运行；

(2)闭合一级开关和三级开关，则电源正极通过一级开关连接到一级阳极，电源负极通过三级开关连接到一级阴极，通过稳压电源向电极施压对污染土壤进行修复，所施电压梯度为1.5-3v/cm，修复时间为24-48h，同时通过输液泵将增溶剂输送至水平分段式导向多孔管道中，并通过三级控制系统运行一级阳极和一级阴极之间的待修复区域上方的两段管道，然后停止管道运作，断开一级开关和三级开关，其中管道喷洒速度为2-5ml/min，运作时间为10-15h；

(3)闭合二级开关、四级开关和六级开关，则电源正极通过四级开关连接到二级阳极，电源负极通过二级开关和六级开关连接到二级电极，通过稳压电源向电极施压对污染土壤进行修复，所施电压梯度与修复时间均与步骤(2)相同，同时通过输液泵将增溶剂输送至水平分段式导向多孔管道中，并通过三级控制系统运行二级电极和二级阳极之间的待修复区域上方的两段管道，然后停止管道运作，断开二级开关、四级开关和六级开关，其中管道喷洒速度与运作时间均与步骤(2)相同；

(4)闭合二级开关、三级开关和五级开关，则电源正极通过二级开关和五级开关连接到二级电极，电源负极通过三级开关连接到一级阴极，通过稳压电源向电极施压对污染土壤进行修复，所施电压梯度与步骤(2)相同，修复时间为12-24h，同时通过输液泵将增溶剂输送至水平分段式导向多孔管道中，并通过三级控制系统运行二级电极和一级阴极之间的待修复区域上方的一段管道，然后停止管道运作，断开二级开关、三级开关和五级开关，其中管道喷洒速度为1-2ml/min，运作时间为4-6h；

(5)在运作过程中，在阳极液槽中添加碱性溶液，在阴极液槽中添加酸性溶液,阳极液槽和阴极液槽通过多通道输液泵在一级控制系统下分别向相应的阳极室和阴极室输送碱性溶液和酸性溶液，保持阳极室pH为8-9，阴极室pH为3-4，同时不断监测各个电极室中电解液的饱和度，若电极室中电解液趋于饱和，则通过多通道蠕动泵在二级控制系统下分别从各个电极室抽取电极液，并通过溢流管道输送到电解液处理系统中；

(6)重复以上操作，直至土壤中菲的含量符合要求。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述增溶剂是环糊精、Tween80以及十二烷基硫酸钠中的一种或其混合物，质量浓度为1.5-5g/L。