CN105750321B - 一种利用双向摆渡式联合技术修复PCBs污染土壤的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双向摆渡式联合技术修复PCBs污染土壤的装置和方法。所述装置在整个修复过程处于密封状态，该装置主要包括电动装置、PRB反应墙吸附装置、表面活性剂加药装置和超声波装置；其中在污染区域平行于土地水平面方向由上到下依次均匀安置三个电极，且最上层与最下层电极为弧形电极，中间层电极为直形电极，在相邻两电极之间安装PRB反应墙和超声波探头，在土壤表层安装喷淋装置。本发明采用双向摆渡式联合技术修复PCBs污染物，通过变换电极的使用，联合表面活性剂增溶技术、超声波空化技术和PRB吸附拦截技术等，使得污染物更有效被去除。整个处理过程清洁，无二次污染。
Description
技术领域
本发明属于环境保护技术领域，特别涉及一种修复受PCBs污染土壤的装置和方法。
背景技术
多氯联苯(PCBs)是一组氯代烃类化合物，共有209种同系物。PCBs是人工合成的化合物，因此PCBs生产和使用过程中的不当管理导致环境受到污染，如含有PCBs的工业废水、废渣的随意排放；密封存放PCBs地点的渗漏或在垃圾场堆放排出的滤液；含PCBs的物质在焚烧过程中温度达不到标准便释放到大气中；增塑剂中的PCBs的挥发等。在我国，PCBs总体污染水平较低，但由于人们的环保意识淡薄，非法作业等原因，局部地区已造成了相对严重的污染。如珠江、大连湾、松花江的底泥中PCBs浓度较高，长江三角洲某些农田土壤呈较为严重的 PCBs复合污染状况，16种多氯联苯总量变化范围是0.01-484.5g/g，平均值为35.52ng/g，以三氯和四氯联苯为主，同时也含有一定比例的五氯和六氯联苯。
多氯联苯具有优良的电绝缘性和耐热性。20世纪30年代开始PCBs被广泛用于绝缘油、热载体和润滑油等领域。但是，PCBs具有长期残留性，化学稳定性及耐热性，使其在高温时才能完全分解，在自然条件下，PCBs会在环境中长久存在而难以分解。PCBs具有生物蓄积性、高脂溶性和低水溶性，这使PCBs易于从环境介质逐步富集到生物体内，通过营养级的逐步浓缩放大，在食物链终端生物体内累积达到很高的浓度，并在脂肪和脏器富集，而很难被排出体外，又几乎不能被降解，对人体产生很大的危害。
近年来，国内外学者对PCBs污染土壤修复展开了广泛的研究，并开发了多种修复技术。按修复原理分为物理修复、化学修复和生物修复。常用的物理修复方法有填埋、萃取、吸附和微波处理等；填埋是对PCBs轻度污染土壤可以直接进行填埋；萃取采用表面活性剂将PCBs溶解到溶液中；吸附利用吸附材料对PCBs 进行吸附；微波处理是借助高频电磁波的辖射作用使介质内部加热使PCBs从土壤中挥发。化学修复方法有金属还原法、硫化还原法、焚烧法、金属氢化法以及氧化氯化法；金属还原法是利用还原性零价金属如铁、镁等对多氯联苯进行还原脱氯；硫化还原法是硫与PCBs共热生成联苯及硫化物；焚烧法是将PCBs污染的土壤置于焚烧炉中，鼓入充足的氧气，再通过高温使PCBs燃烧生成无害物质。生物修复方法包括微生物修复、植物修复、植物-微生物联合修复等；微生物修复是采用微生物能够降解多氯联苯，将其完全矿化；植物修复是利用植物对环境污染物吸收、降解和固化等作用来对污染进行修复。
上述的污染处理方法各有千秋，但总体来看，相比联合技术，只凭借单一技术对多氯联苯的污染土壤进行修复，处理能力、处理效果不佳且具有较大局限性。同时，在采用了特定的修复方法后，应变能力较差，对于再次污染等新的情况无法应对，造成投入较大、修复效果有限、修复效率下降。
由于PCBs在土壤中的溶解性和迁移性均是极弱的，本文提出一种双向摆渡式联合技术修复PCBs污染土壤的装置和方法，
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摆渡式联合技术修复 PCBs污染土壤的装置和方法，通过电动修复、PRB反应墙(可渗透性反应墙)、表面活性剂、超声波等联合技术促进土壤中PCBs的解吸与降解。
为了实现上述目的，本发明采用以下的技术方案。
一种双向摆渡式联合技术修复PCBs污染土壤的装置，所述装置包括：稳压电源1，表面活性剂的喷淋管道13，第一弧形电极3，与第一弧形电极3并联的第二弧形电极5,位于第一弧形电极3和第二弧形电极5之间的直形电极4，在弧形电极和直形电极之间设置的超声波探头9-1，9-2和PRB反应墙12-1，12-2，所述装置整体处于密封状态；
所述弧形电极和直形电极分别安置在电极室中；
所述超声波探头的位置介于两电极间距的1/2处，所述PRB反应墙分别介于两电极间距的1/3和2/3处；
所述超声波探头9-1，9-2分别与超声波转换器10和超声波发生器11相连，所述表面活性剂的喷淋管道依次与离心泵14和加药装置16连接，并通过第一控制系统15控制；
所述装置还包括阳极液槽17和阴极液槽18以及电解液处理槽23，这些槽分别与各个电极室相连。
一种利用上述装置修复PCBs污染土壤的方法，所述方法包括以下步骤：
(A)调查待修复土壤的污染深度，考查污染区域土地特征确定装置的整体布局，在确保覆盖所有污染范围的情况下，在平行于土地水平面方向由上而下依次均匀布置第一弧形电极3、直形电极4、第二弧形电极5，分别在弧形电极和直形电极之间设置超声波探头9-1，9-2和PRB反应墙12-1，12-2，12-3,12-4，在污染区域地表安装表面活性剂的喷淋管道13；
(B)将稳压电源1的正极接线柱通过导线分别与第一弧形电极3和第二弧形电极5连接，将稳压电源1的负极接线柱通过导线与直形电极4连接，施加电压梯度为1.5-2.5v/cm，施压时间为24-48h，在所述施压过程中同时运行表面活性剂加药系统和超声波系统；所述喷淋速度为5-10mL/min，喷淋12-24h后停止；所述超声波系统中超声频率为200kHz-300kHz，辐照时间为12-24h；
(C)将稳压电源1的正负极接线柱的接线切换，施加电压梯度为 1.5-2.5v/cm，施压时间为12-24h，在所述施压过程中同时运行表面活性剂加药系统和超声波系统；所述喷淋速度为5-10mL/min，喷淋6-12h后停止；超声波系统中超声频率为20kHz-100kHz，辐照时间为6-12h；
(D)在上述过程中，当电极作为阳极时，阳极液槽17通过第一多通道输液泵20在第二控制系统19下向相应的阳极室输送碱性溶液，当电极作为阴极时，阴极液槽18通过第一多通道输液泵20在第二控制系统19下向相应的阴极室输送酸性溶液，同时不断监测各个电极室中电解液的饱和度，通过第三控制系统 22将饱和电解液通过第二多通道蠕动泵21抽取到电解液处理槽23中，并注入新的电解液；
(E)重复步骤(B)-(D)，将以上过程称为一次操作，不断检测污染土壤中多氯联苯的含量，根据需求调整电压梯度、电动施压时间、喷淋速度、喷淋时间、超声波频率及辐照时间等；
所述超声波探头的位置介于两电极间距的1/2处，所述PRB反应墙分别介于两电极间距的1/3和2/3处；
所述超声波探头9-1，9-2分别与超声波转换器10和超声波发生器11相连，所述表面活性剂的喷淋管道依次与离心泵14和加药装置16连接，并通过第一控制系统15控制。
若土壤污染深度较深或者污染程度较深，可以适当调整弧形电极的弦长和圆心角、电极和PRB反应墙的数量以及超声波探头数量，但需最上层和最下层电极均采用弧形电极，其余电极均采用直形电极，且在最初电动装置启动时最上层和最下层电极均作为阳极，在修复过程中需确保阴阳电极交替安置和运行。
本发明的有益效果为：本发明采用双向摆渡式联合技术修复PCBs污染物，通过变换电极的使用，联合表面活性剂增溶技术、超声波空化技术和PRB吸附拦截技术等，极大地提高了多氯联苯修复的应用范围和修复效率，使得污染物更有效被去除，弧形电极设计相比传统直形电极使得污染物迁移更加聚拢。整个处理过程清洁，节约时间及成本，后处理简单，无二次污染。
附图说明
图1为本发明双向摆渡式联合技术修复PCBs污染土壤装置的结构示意图。
其中各标号为：1-稳压电源，2-1、2-2-导线，3-第一弧形电极，4-直形电极，5-第二弧形电极，6-第一弧形电极室，7-直形电极室，8-第二弧形电极室， 9-1、9-2-超声波探头，10-超声波转换器，11-超声波发生器，12-1、12-2、12-3、 12-4-PRB反应墙，13-喷淋管道，14-离心泵，15-第一控制系统，16-表面活性剂加药装置，17-阳极液槽，18-阴极液槽，19-第二控制系统，20-第一多通道输液泵，21-第二多通道蠕动泵，22-第三控制系统，23-电解液处理槽。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
一种双向摆渡式联合技术修复PCBs污染土壤的装置，如图1所示，所述装置包括：稳压电源1，其两端分别为正极接线柱a和负极接线柱b；导线2-1，其一端连接第一弧形电极3，另一端c端未连接；导线2-2，其一端连接直形电极4，另一端d端未连接；第二弧形电极5，其通过导线与第一弧形电极3并联；其中，第一弧形电极3、直形电极4、第二弧形电极5分别安置在第一弧形电极室6、直形电极室7、第二弧形电极室8中，在第一弧形电极室6和直形电极室 7之间安装超声波探头9-1，安装位置为两电极室间距的1/2处，在直形电极室 7和第二弧形电极室8之间安装超声波探头9-2，安装位置为两电极室间距的1/2 处；其中，超声波探头9-1和9-2分别与超声波转换器10和超声波发生器11 相连；在第一弧形电极室6和直形电极室7之间安装PRB反应墙12-1和12-2，安装位置分别为两电极室间距的1/3和2/3处；在直形电极室7和第二弧形电极室8之间安装PRB反应墙12-3和12-4，安装位置分别为两电极室间距的1/3和 2/3处；表面活性剂加药装置16，其通过第一控制系统15、离心泵14与喷淋管道13连接，所述喷淋装置13安装在污染区域地表；阳极液槽17和阴极液槽18 通过管道、第二控制系统19和第一多通道输液泵20分别与各个电极室相连；电解液处理槽23通过管道、第三控制系统22、第二多通道蠕动泵21与各个电极室相连，整体装置是处于密封状态。
利用上述装置进行双向摆渡式联合技术修复PCBs污染土壤的方法，具体步骤如下：
(A)调查待修复土壤的污染深度，考查污染区域土地特征确定装置的整体布局，在确保覆盖所有污染范围的情况下，在平行于土地水平面的方向上由上而下依次均匀布置第一弧形电极3、直形电极4、第二弧形电极5及相关电极室；在第一弧形电极室6和直形电极室7之间，靠近第一弧形电极室6方向的1/3、 1/2、2/3处分别安装PRB反应墙10-1、超声波探头9-2、PRB反应墙10-2；在直形电极室7和第二弧形电极室8之间，靠近直形电极室7方向的1/3、1/2、 2/3处分别安装PRB反应墙10-3、超声波探头9-2、PRB反应墙10-4；其余装置按照装置图进行安装。
(B)将稳压电源1正极a接线柱与导线2-1的c端连接，稳压电源1负极 b接线柱与导线2-2的d端连接，因此在修复过程中第一弧形电极3和第二弧形电极5均作为阳极，直形电极4作为阴极，第一弧形电极室6和第二弧形电极室 8均作为阳极室，直形电极室7作为阴极室，所施电压梯度为2v/cm，施压时间为36h，然后将稳压电源电源正负极与各导线断开。在上述修复过程中同时运行表面活性剂加药系统和超声波系统，通过第一控制系统15和离心泵14运行喷淋管道13，由多个喷淋管道将表面活性剂喷淋在污染区域中，表面活性剂采用环糊精溶液，喷淋速度为7mL/min，喷淋18h后停止；超声波系统中超声频率为 300kHz，辐照时间为18h。
(C)将稳压电源1正极a接线柱与导线2-2的d端连接，稳压电源1负极 b接线柱与导线2-1的c端连接，因此在修复过程中直形电极4作为阳极，第一弧形电极3和第二弧形电极5均作为阴极，直形电极室7作为阳极室，第一弧形电极室6和第二弧形电极室8均作为阴极室，所施电压梯度为2v/cm，施压时间为18h。在上述修复过程中同时运行加药系统和超声波系统，喷淋速度为 7mL/min，喷淋9h后停止；超声波系统中超声频率为100kHz，辐照时间为9h。
(D)在上述修复过程中，选用0.05mol/L的NaOH作为阳极液，配置 0.05mol/L的柠檬酸作为阴极液，当电极作为阳极时，阳极液槽17通过第一多通道输液泵20在第二控制系统19下向相应的阳极室输送NaOH溶液，当电极作为阴极时，阴极液槽18通过第一多通道输液泵20在第二控制系统19下向相应的阴极室输送柠檬酸溶液，整个修复过程中保持调节阳极室中的PH为10.5，阴极室中的PH为3.5。同时不断监测各个电极室中电解液的饱和度，通过第三控制系统22将饱和电解液通过第二多通道蠕动泵21抽取到电解液处理槽中，并注入新的电解液。
(E)重复步骤(B)-(D)，将以上过程称为一次操作，不断检测污染土壤中多氯联苯的含量，根据实际需求适当调整电压梯度、电动施压时间、喷淋速度、喷淋时间、超声波频率及辐照时间等。
若土壤污染深度较深或者污染程度较深，可以适当调整弧形电极的弦长和圆心角、电极和PRB反应墙的数量以及超声波探头数量，但需最上层和最下层电极均采用弧形电极，其余电极均采用直形电极，且在最初电动装置启动时最上层和最下层电极均作为阳极，在修复过程中需确保阴阳电极交替安置和运行。
实施例1
在实验中，将人工掺杂了浓度为100mg/kg六氯联苯(HCB)的高龄土壤500g 作为实验样本堆放到装置中，装置大小为25cm×20cm×12cm，电极材质均为石墨电极。按照附图1装置安装说明布置所需设备，并按照上述方法步骤运行设备。其中在步骤(B)中，所施电压梯度为2v/cm，施压时间为36h；喷淋速度为7mL/min，喷淋18h后停止；超声波系统中超声频率为300kHz，辐照时间为18h。在步骤(C) 中，所施电压梯度为2v/cm，施压时间为18h，喷淋速度为7mL/min，喷淋9h后停止；超声波系统中超声频率为100kHz，辐照时间为9h。选用0.05mol/L的NaOH作为阳极液，配置0.05mol/L的柠檬酸作为阴极液。双向摆渡式联合技术修复后，土壤中多氯联苯的去除率可达70.3％。
实施例2
重复实施例1，其它条件不变，增加第一弧形电极室6和直形电极室7之间以及在直形电极室7和第二弧形电极室8之间的PRB反应墙，结果显示，随着 PRB反应墙数量的增加，土壤中多氯联苯的去除率也随着增加。
实施例3
重复实施例1，其它条件不变，只是在步骤(B)中，所施电压梯度为1.5v/cm，施压时间为24h；喷淋速度为5mL/min，喷淋12h后停止；超声波系统中超声频率为200kHz，辐照时间为12h。在步骤(C)中，所施电压梯度为2.5v/cm，施压时间为24h，喷淋速度为5mL/min，喷淋12h后停止；超声波系统中超声频率为20kHz，辐照时间为6h。
实施例4
重复实施例3，其它条件不变，只是在步骤(B)中，所施电压梯度为2.5v/cm，施压时间为48h；喷淋速度为10mL/min，喷淋24h后停止；超声波系统中超声频率为300kHz，辐照时间为24h。在步骤(C)中，所施电压梯度为1.5v/cm，施压时间为12h，喷淋速度为10mL/min，喷淋6h后停止；超声波系统中超声频率为100kHz，辐照时间为12h。
实施例5
重复实施例1，其它条件不变，只是在步骤(B)中，施压时间为24h；喷淋速度为8mL/min，喷淋18h后停止；超声波系统中超声频率为250kHz。在步骤(C) 中，所施电压梯度为2.5v/cm，施压时间为20h，喷淋12h后停止；超声波系统中超声频率为60kHz，辐照时间为6h。
实施例6
重复实施例1，其它条件不变，只是在步骤(B)中，所施电压梯度为1.5v/cm，施压时间为24h；喷淋速度为5mL/min，喷淋12h后停止；超声波系统中超声频率为200kHz，辐照时间为12h。在步骤(C)中，所施电压梯度为2.5v/cm，施压时间为24h，喷淋速度为5mL/min，喷淋12h后停止；超声波系统中超声频率为20kHz，辐照时间为6h。
应当说明的是，以上实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制。所属领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
Claims (1)
1.一种利用双向摆渡式联合技术修复PCBs污染土壤的方法，其特征在于，使用一种修复装置，所述装置包括：稳压电源(1)，表面活性剂的喷淋管道(13)，第一弧形电极(3)，与第一弧形电极(3)并联的第二弧形电极(5),位于第一弧形电极(3)和第二弧形电极(5)之间的直形电极(4)，在弧形电极和直形电极之间设置的超声波探头(9-1，9-2)和PRB反应墙(12-1，12-2，12-3，12-4)，所述装置整体处于密封状态；所述弧形电极和直形电极分别安置在电极室中；所述超声波探头的位置介于两电极间距的1/2处，所述PRB反应墙分别介于两电极间距的1/3和2/3处；所述超声波探头(9-1，9-2)分别与超声波转换器(10)和超声波发生器(11)相连，所述表面活性剂的喷淋管道依次与离心泵(14)和加药装置(16)连接，并通过第一控制系统(15)控制；所述装置还包括阳极液槽(17)和阴极液槽(18)以及电解液处理槽(23)，这些槽分别与各个电极室相连；
所述方法包括以下步骤：
(A)在平行于土地水平面方向由上而下依次均匀布置第一弧形电极(3)、直形电极(4)、第二弧形电极(5)，所述弧形电极和直形电极分别安置在电极室中，分别在弧形电极和直形电极之间设置超声波探头(9-1，9-2)和PRB反应墙(12-1，12-2，12-3，12-4)，在污染区域地表安装表面活性剂的喷淋管道(13)；
(B)将稳压电源(1)的正极接线柱通过导线分别与第一弧形电极(3)和第二弧形电极(5)连接，将稳压电源(1)的负极接线柱通过导线与直形电极(4)连接，施加电压梯度为1.5-2.5v/cm，施压时间为24-48h，在所述施压过程中同时运行表面活性剂加药系统和超声波系统；所述喷淋速度为5-10mL/min，喷淋1 2-24h后停止；所述超声波系统中超声频率为200kHz-300kHz，辐照时间为12-24h；
(C)将稳压电源(1)的正负极接线柱的接线切换，施加电压梯度为1.5-2.5v/cm，施压时间为12-24h，在所述施压过程中同时运行表面活性剂加药系统和超声波系统；所述喷淋速度为5-10mL/min，喷淋6-12h后停止；超声波系统中超声频率为20kHz-100kHz，辐照时间为6-12h；
(D)在上述过程中，当电极作为阳极时，阳极液槽(17)向相应的阳极室输送碱性溶液，阴极液槽(18)向相应的阴极室输送酸性溶液，将各个电极室中饱和的电解液抽取到电解液处理槽(23)中，并注入新的电解液；
(E)重复步骤(B)-(D)，不断检测污染土壤中多氯联苯的含量，根据需求调整电压梯度、电动施压时间、喷淋速度、喷淋时间、超声波频率及辐照时间；所述超声波探头的位置介于两电极间距的1/2处，所述PRB反应墙分别介于两电极间距的1/3和2/3处；所述超声波探头(9-1，9-2)分别与超声波转换器(10)和超声波发生器(11)相连，所述表面活性剂的喷淋管道依次与离心泵(14)和加药装置(16)连接，并通过第一控制系统(15)控制。
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