CN104478069A - 一种地下水中PAHs的处理系统及其使用方法 - Google Patents

一种地下水中PAHs的处理系统及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种地下水中PAHs的处理系统及其使用方法。其技术方案是：在水槽(5)一边设有阳极石墨电极(10)，在水槽(5)另一边设有阴极石墨电极(4)，阳极石墨电极(10)和阴极石墨电极(4)相向设置，在阳极石墨电极(10)和阴极石墨电极(4)间装有网格状格栅(6)，网格状格栅(6)内填充有固定化漆酶(7)；在靠近阳极石墨电极(10)处的水槽(5)底部设有进水口(8)，进水口(8)处装有恒流泵(9)，恒流泵(9)通过水管与地下水相通，在靠近阴极石墨电极(4)处的水槽(5)的上部设有排水口(3)。所述处理系统中的地下水通过网格状格栅(6)的流速为0.01～0.5m/min，直流稳压电源的电压为4～8V。本发明具有运行可靠、效率高和无二次污染的特点。

Description

一种地下水中PAHs的处理系统及其使用方法
技术领域
    本发明属于地下水中PAHs处理的技术领域。具体涉及一种地下水中PAHs的处理系统及其使用方法。
背景技术
    多环芳烃(Polycyclic Aromatic Hydrocarbons,PAHs)通常是指含有两环或两环以上的以线状、角状或簇状排列的稠环化合物，属于疏水性有机污染物。而PAHs具有很强的致癌、致突变及致畸性的特性，是环境致癌化学物质中最大的一类，对微生物生长有强抑制作用。PAHs因其稳定的环状结构而不易被微生物利用，广泛存在人类生态环境中。目前，地下水中也检测出了PAHs，为了保护人类健康和生态环境，净化处理地下水中的PAHs的研究已愈来愈深入。
  目前国内外处理地下水中的PAHs的方法主要有化学转化法、物理吸附法、生物降解法等几大类。其中物理吸附法和生物降解法是处理地下水中PAHs的主要途径。物理吸附法常用的吸附剂有活性炭、活性炭纤维、多孔玻璃、硅胶等多孔材料。生物降解法主要是利用生物的新陈代谢作用，将环境中的PAHs降解为CO2和H2O等无害物质。但是对比这些技术，物理吸附法只能起到迁移作用，无法完成PAHs的降解。生物降解法虽然处理效果较好，运行费用较低，但要求时间较长，条件也比较苛刻，同时由于PAHs难溶于水，能够降解PAHs的专属菌种很难生长，导致生物修复不适宜处理水中的PAHs。
  漆酶(Laccase)是一种含铜的多酚氧化酶，能把分子氧直接还原为水，在没有H2O2和其它次级代谢产物存在下，可催化氧化许多有机污染物，正是由于漆酶对有机污染物独特的催化氧化特性，对环境中PAHs的降解具有较好的处理效果。但漆酶仍存在许多限制因素和问题：首先，漆酶在作用过程中易受环境条件影响而变性失活，在一定程度上限制了其工业化应用范围；其次，漆酶与污染物之间传质效率低，直接影响漆酶的催化降解效率(PV. Iyer, L. Ananthanarayan.Enzyme stability and stabilization—aqueous and non-aqueous environment[J]. Process Biochemistry,2008,43:1019-1032. )，限制了漆酶的应用。
  固定化酶技术是通过物化手段，将酶束缚在水不溶性的载体材料上，或将酶限制在一定的空间内，限制分子的运动，允许酶发挥其催化功能的技术。它既可保持酶的催化特性，又可增加其稳定性，并易与反应产物分离和反复连续使用(胡和兵，王牧野，吴勇民等.酶的固定化技术及应用[J]. 中国酿造，2006，07)。但固定化酶固定化时活性降低较大，传质阻力增加，反应速度下降且固化成本较高。
    电动力学(Electrokinetics,EK)修复技术是一种新型高效的去除土壤和地下水中污染物的修复技术。EK技术的基本原理是通过施加微弱直流电场，利用该电场产生的各种电动力学效应使得污染物定向移动到指定区域内从而得到分离。其修复机制主要包括电迁移、电渗析和电泳。目前该方法已被运用在有机污染物的治理中，效果明显，且具有良好的使用前景(LagemanR.Electroreclamation applications in the Netherlands [J].Environ sci. echnol,1993,27(13):
2648-2650)。EK技术虽能提高有机物的处理效果，但只可以作为强化和迁移技术，无法实现污染物的转化去除。
发明内容
    本发明旨在克服上述技术缺陷，目的是提供一种运行可靠、效率高和无二次污染的地下水中PAHs的处理系统及其使用方法。
    为实现上述目的，本发明采用的技术方案：所述的处理系统包括阳极石墨电极、阴极石墨电极、网格状格栅和水槽。在水槽一边设有阳极石墨电极，在水槽另一边设有阴极石墨电极，阳极石墨电极和阴极石墨电极相向设置，阳极石墨电极和阴极石墨电极间装有网格状格栅，网格状格栅内填充有固定化漆酶。网格状格栅和阳极石墨电极之间距离L1为阳极石墨电极和阴极石墨电极之间距离L的(0.3~0.8)倍，在靠近阳极石墨电极处的水槽底部设有进水口，进水口处装有恒流泵，恒流泵通过水管与地下水相通，在靠近阴极石墨电极处的水槽的上部设有排水口。
所述阳极石墨电极与直流稳压电源连接，阴极石墨电极通过万用表与直流稳压电源连接。
所述的网格状格栅为长方体，长方体的长度等于水槽的宽度，长方体的高度等于水槽的高度。
  所述的固定化漆酶的制备方法是：在漆酶溶液中加入多孔吸附材料，人工搅动10~15min，静置5~10h，得到吸附有漆酶的多孔材料；再将吸附有漆酶的多孔材料加入到2~5wt%的海藻酸钠溶液中，再用浓度为1wt%的氯化钙溶液作为交联剂，制成固定化漆酶。
  所述的多孔吸附材料为多孔玻璃珠、活性炭、硅石和纤维素中的一种。
    所述地下水中PAHs的处理系统的使用方法是，地下水中PAHs的处理系统中的地下水通过网格状格栅的流速为0.01～0.5m/min，直流稳压电源的电压为4～8V。
本发明中，恒流泵输送受PAHs污染的地下水到水槽，控制水槽中所述地下水的流量，使水槽中所述地下水的流速保持在规定的范围内。直流稳压电源通过阳极石墨电极和阴极石墨电极在地下水中产生电场，网格状格栅垂直放置在水槽中，使水槽中受PAHs污染的地下水能均匀地接触到固定化漆酶。经水槽中电场与固定化漆酶共同作用，对PAHs进行吸附固定以及氧化降解。
  本发明中的直流稳压电源控制电压强度，万能表监测水槽中所述地下水的电流和电压，控制电压在4～8V内以满足固定化漆酶的活性及PAHs迁移的最佳条件，保证了对所述地下水中PAHs的净化效果。于此同时，网格状格栅中多孔吸附材料的吸附固定可延长地下水中PAHs的停留时间，固定化漆酶的催化反应会使PAHs降解的更彻底。
 由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下积极效果：
本发明将受PAHs污染的地下水输送到水槽中，水槽两端的阳极石墨电极和阴极石墨电极直接提供微弱电场，同时，填充有固定化漆酶的网格状格栅对PAHs予以拦截和捕捉，从而实现对PAHs的降解，故本发明的处理系统简单、运行可靠。水槽中的电场产生的电动力学效应会迁移PAHs，且所述电场下会产生适宜漆酶催化反应的酸性环境，以保持漆酶的相应活性，提高PAHs的处理效果；利用固定化漆酶中多孔吸附材料与漆酶的作用，对PAHs进行吸附固定以及氧化降解，提高了对PAHs的降解效率，故本发明的处理系统对地下水中PAHs处理效率高。固定化漆酶将PAHs作为底物，通过漆酶分子内部四个铜离子的协同作用以及底物自由基的生成，达到降解PAHs的目的，漆酶反应后的产物是水，所以漆酶属于一种环保酶，故本发明的处理系统无二次污染。
   本发明突破了单一体系的反应局限，使PAHs在多种方法联合反应体系中被高效去除；固定化漆酶与EK技术联合克服了漆酶易失活、传质效率低的缺陷，使得PAHs降解效果更佳，PAHs去除程度更高、更彻底，可无害化排放，无二次污染。
    因此，本发明具有运行可靠、效率高和无二次污染的特点。
附图说明
  图1为本发明的一种结构示意图；
  图2为图1中的A-A剖面示意图。
具体实施方式
  下面结合附图和具体实施方式对本发明方法作进一步的描述，并非对其保护范围的限制：
实施例1
    一种地下水中PAHs的处理系统及其使用方法。所述的处理系统如图1所示，包括阳极石墨电极10、阴极石墨电极4、网格状格栅6和水槽5。在水槽5一边设有阳极石墨电极10，在水槽5另一边设有阴极石墨电极4，阳极石墨电极10和阴极石墨电极4相向设置，阳极石墨电极10和阴极石墨电极4间装有网格状格栅6。如图2所示，网格状格栅6内填充有固定化漆酶7。如图1所示，网格状格栅6和阳极石墨电极10之间距离L1为阳极石墨电极10和阴极石墨电极4之间距离L的0.3~0.6倍，在靠近阳极石墨电极10处的水槽5底部设有进水口8，进水口8处装有恒流泵9，恒流泵9通过水管与地下水相通，在靠近阴极石墨电极4处的水槽5的上部设有排水口3。
如图1所示，所述阳极石墨电极10与直流稳压电源1连接，阴极石墨电极4通过万用表2与直流稳压电源1连接。
如图2所示，所述的网格状格栅6为长方体，长方体的长度等于水槽5的宽度，长方体的高度等于水槽5的高度。
  所述的固定化漆酶7的制备方法是：在漆酶溶液中加入多孔吸附材料，人工搅动10~15min，静置5~8h，得到吸附有漆酶的多孔材料；再将吸附有漆酶的多孔材料加入到2~4wt%的海藻酸钠溶液中，再用浓度为1wt%的氯化钙溶液作为交联剂，制成固定化漆酶。
  所述的多孔吸附材料为活性炭。
    所述地下水中PAHs的处理系统的使用方法是，地下水中PAHs的处理系统中的地下水通过网格状格栅6的流速为0.2～0.5m/min，直流稳压电源1的电压为4～8V。
实施例2
一种地下水中PAHs的处理系统及其使用方法。除下述技术参数外，其余同实施例1：
网格状格栅6和阳极石墨电极10之间距离L1为阳极石墨电极10和阴极石墨电极4之间距离L的0.5~0.8倍。
  所述的固定化漆酶7的制备方法是：在漆酶溶液中加入多孔吸附材料，人工搅动10~15min，静置7~10h，得到吸附有漆酶的多孔材料；再将吸附有漆酶的多孔材料加入到3~5wt%的海藻酸钠溶液中，再用浓度为1wt%的氯化钙溶液作为交联剂，制成固定化漆酶。
  所述的多孔吸附材料为多孔玻璃珠、硅石和纤维素中的一种。
    所述地下水中PAHs的处理系统的使用方法是，地下水中PAHs的处理系统中的地下水通过网格状格栅6的流速为0.01～0.2m/min，直流稳压电源1的电压为4～8V。
本具体实施方式中，恒流泵9输送受PAHs污染的地下水，控制地下水的流量，使地下水的流速保持在规定的范围内。直流稳压电源1通过阳极石墨电极10和阴极石墨电极4在地下水中产生电场，网格状格栅6垂直放置在水槽5中，使受PAHs污染的地下水能均匀地接触到固定化漆酶7。经水中电场与固定化漆酶共同作用，对PAHs进行吸附固定以及氧化降解。
  本具体实施方式中的直流稳压电源1控制电压强度，万能表2监测水槽5中地下水的电流和电压，控制电压在4～8V内以满足固定化漆酶的活性及PAHs迁移的最佳条件，保证了对地下水中PAHs的净化效果。于此同时，网格状格栅6中多孔吸附材料的吸附固定可延长地下水中PAHs的停留时间，固定化漆酶7的催化反应会使PAHs降解的更彻底。
 本具体实施方式与现有技术相比具有如下积极效果：
本具体实施方式将受PAHs污染的地下水输送到水槽5中，水槽5两端的阳极石墨电极10和阴极石墨电极4直接提供微弱电场，同时，填充有固定化漆酶7的网格状格栅6对PAHs予以拦截和捕捉，从而实现对PAHs的降解，故本具体实施方式的处理系统简单、运行可靠。水槽5中的电场产生的电动力学效应会迁移PAHs，且所述电场下会产生适宜漆酶催化反应的酸性环境，以保持漆酶的相应活性，提高PAHs的处理效果；利用固定化漆酶7中多孔吸附材料与漆酶的作用，对PAHs进行吸附固定以及氧化降解，提高了对PAHs的降解效率，故本具体实施方式的处理系统对地下水中PAHs处理效率高。固定化漆酶7将PAHs作为底物，通过漆酶分子内部四个铜离子的协同作用以及底物自由基的生成，达到降解PAHs的目的，漆酶反应后的产物是水，所以漆酶属于一种环保酶，故本具体实施方式的处理系统无二次污染。
    本具体实施方式突破了单一体系的反应局限，使PAHs在多种方法联合反应体系中被高效去除；固定化漆酶与EK技术联合克服了漆酶易失活、传质效率低的缺陷，使得PAHs降解效果更佳，PAHs去除程度更高、更彻底，可无害化排放，无二次污染。
    因此，本具体实施方式具有运行可靠、效率高和无二次污染的特点。

Claims (5)

1.一种地下水中PAHs的处理系统，其特征在于所述的处理系统包括阳极石墨电极(10)、阴极石墨电极(4)、网格状格栅(6)和水槽(5)；在水槽(5)一边设有阳极石墨电极(10)，在水槽(5)另一边设有阴极石墨电极(4)，阳极石墨电极(10)和阴极石墨电极(4)相向设置，阳极石墨电极(10)和阴极石墨电极(4)间装有网格状格栅(6)，网格状格栅(6)内填充有固定化漆酶(7)；网格状格栅(6)和阳极石墨电极(10)之间距离L1为阳极石墨电极(10)和阴极石墨电极(4)之间距离L的(0.3~0.8)倍，在靠近阳极石墨电极(10)处的水槽(5)底部设有进水口(8)，进水口(8)处装有恒流泵(9)，恒流泵(9)通过水管与地下水相通，在靠近阴极石墨电极(4)处的水槽(5)的上部设有排水口(3)。
2.根据权利要求1所述的地下水中PAHs的处理系统，其特征在于所述阳极石墨电极(10)与直流稳压电源(1)连接，阴极石墨电极(4)通过万用表(2)与直流稳压电源(1)连接。
3.根据权利要求1所述的地下水中PAHs的处理系统，其特征在于所述的网格状格栅(6)为长方体，长方体的长度等于水槽(5)的宽度，长方体的高度等于水槽(5)的高度。
4.根据权利要求1所述的地下水中PAHs的处理系统，其特征在于所述的固定化漆酶(7)的制备方法是：在漆酶溶液中加入多孔吸附材料，人工搅动10~15min，静置5~10h，得到吸附有漆酶的多孔材料；再将吸附有漆酶的多孔材料加入到2~5wt%的海藻酸钠溶液中，再用浓度为1wt%的氯化钙溶液作为交联剂，制成固定化漆酶；
  所述的多孔吸附材料为多孔玻璃珠、活性炭、硅石和纤维素中的一种。
5.   一种地下水中PAHs的处理系统的使用方法，其特征在于所述地下水中PAHs的处理系统中的地下水通过网格状格栅(6)的流速为0.01～0.5m/min，直流稳压电源(1)的电压为4～8V。
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Application publication date: 20150401

Assignee: Wuhan University of science and Technology Business Incubator Co., Ltd

Assignor: WUHAN University OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

Contract record no.: X2020420000008

Denomination of invention: A treatment system of PAHs in groundwater and its application

Granted publication date: 20160914

License type: Common License

Record date: 20201022

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