CN105817474B - 一种修复土壤复合污染的装置以及方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种修复土壤复合污染的装置以及方法和应用，该装置将生物电化学反应与传统电动修复结合对土壤有机污染物与重金属复合污染进行了去除，装置由阴极，阳极组成，主要肩负重金属迁移的任务；装置内部设置数个生物电化学反应电极，起到降解有机污染物，捕获迁移的重金属的作用。修复方法结合实际首先对土壤增湿并对土壤排气，而后监测土壤电学性能，适时添加营养液，维持生物电化学电极降解有机污染物的性能，最后，挖取重金属富集的生物电化学反应电极达到修复土壤的目标。该方法克服了大面积电动修复的劣势，克服了阴极土壤变碱性迁移效果不佳的缺点，增强了有机污染的去除效果。

Description

一种修复土壤复合污染的装置以及方法和应用

技术领域

本发明属于土壤修复技术领域，具体涉及一种修复土壤复合污染的装置以及方法和应用。

背景技术

当前，我国土壤利用过度，普遍形成严重的有机污染物与重金属复合型污染。电动修复技术由于二次污染小、对有机污染物兼具一定处理能力，显现出土壤原位修复的潜力。电动修复是指对土壤边界施加单向电压，通过带电重金属的电迁移，渗流，扩散作用使重金属在土壤内定向移动并在一定区域内富集的过程。但是，阳极长期运行使土壤pH降低，阴极还原使土壤pH升高形成碱性带。重金属脱附能力在阴极减弱，增加了土壤修复难度。

此外，长距离重金属迁移时间长，土壤性质不均匀存在滞留区的特点使大面积土壤电动修复效果不稳定，降低了技术的实用性。传统上，电动修复对难降解有机污染物的降解仅依靠土壤本地微生物，去除效果一般，难以达到处理复合污染的效果。

发明内容

本发明针对上述存在的问题做出改进，即本发明的目的是提供一种修复土壤复合污染的装置以及方法和应用，解决复合污染土壤处理的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提出了这样一种修复土壤复合污染的装置，包括电源、与所述电源正极连接的阳极及生物电化学反应电极、与所述电源负极连接的阴极，所述阳极一侧设置有参照电极，所述生物电化学反应电极上设置有布水管，所述阳极、所述阴极和所述生物电化学反应电极均采用活性炭压实后用不锈钢丝网扎紧成长方体电极。

进一步，所述电源的输出电压为36V，所述阳极和所述阴极的高度均为30cm，厚度均为10cm，长度均小于1m，土壤插入电极后将开挖土壤回填并压实使电极与土壤紧密接触。

进一步，所述参照电极为一边长10cm的正方体，插入土壤距土壤表层10cm，与所述阴极的间距为30cm。

进一步，所述电源正极与所述生物电化学反应电极之间连接有电阻，所述电阻的阻值为7.2万Ω。

进一步，所述生物电化学反应电极的个数至少为1个，所述生物电化学反应电极的高度为0.3m，厚度为5cm，长度小于1m，所述生物电化学反应电极通过所述布水管投加营养液。

生物电化学反应电极内活性炭压实后，通过不锈钢丝网扎紧成型为长方体电极，在电极旁布设布水管，长方体竖直方向深30cm，长方体上表面宽为5cm，长度依据待处理污染场地确定，但不超过1m，重金属迁移长度方向上，每隔30cm设置一组，此外，阴极间隔5cm处增设一生物电化学反应电极，土壤插入电极后将开挖土壤回填并压实使电极与土壤紧密接触。

优选的，所述营养液组成为葡萄糖200mg/L，硝酸钾252.5mg/L，三水合磷酸氢二钾26.32mg/L，碳酸氢钠336mg/L氯化钠330mg/L。

进一步，所述布水管为PVC管，直径为15mm，在竖直方向上每隔10cm设置一个三通，通过支管向所述生物电化学反应电极供给营养液。土壤插入生物电化学反应电极后均注入1L厌氧污泥，此后布水管添加营养液保证生物电化学微生物的代谢生长，所述厌氧污泥取自污水厂二沉池浓缩后污泥，污泥取回后采用葡萄糖培养，每升厌氧污泥投加50g葡萄糖。

上述的生物电化学反应指电极厌氧条件时一类具有胞外电子传递能力的微生物在生物电化学电极电势的诱导下快速增殖并促进有机污染物的原位降解。投加的二沉池污泥在较高电势，较小电流的电极上驯化产生具有胞外电子传递的微生物群落。研究表明，此种生物电化学反应增强了难降解有机污染物得电子还原去除的作用。同时，由于此种微生物代谢有机污染物产生氢离子，土壤pH得到稳定或下降，阴极消耗的氢离子由相隔5cm处的生物电化学反应电极产生氢离子补充，杜绝了产生碱性土壤使重金属脱附能力下降的现象。

本发明还提供了一种修复土壤复合污染的方法，该方法包括以下步骤：

步骤1，每半个月对处置场地进行一次喷水，每平米洒水10L；

步骤2，将生物电化学电极断开电源后连接万用表，万用表同时连接插入土壤的参照电极，每隔1天记录所有生物电化学电极的电压，以投加营养液后电压增大至最大值后，连续降低5日为一产电周期，所有生物电化学电极进行相同操作；

步骤3，在第一周期内，每隔1天将布水管打开半天，进行逆向排气；

步骤4，当电压连续降低5日后，打开布水管，将上述营养液灌入生物电化学电极内，每个生物电化学电极灌入0.5L营养液；

步骤5，装置运行至少六个月后，对所有生物电化学电极以及周边5cm土壤开挖，并送至危险废物处理站处置，随后更换生物电化学电极，重复上述步骤。

上述逆向排气是由于土壤注入污泥后容易产生甲烷气等各种气体。气体在土壤与电极间形成包气带，严重阻碍电极与土壤界面的联系，导致装置失效。

本发明还提供了修复土壤复合污染的装置在有机污染物与重金属复合污染土壤中应用。

进一步，所述重金属为砷，铅，铜，镉，镍，铬，锌，锰的一种或多种的组合；所述有机污染物为六氯苯，三氯乙醛、多环芳烃、多氯联苯、石油的至少一种或多种的组合。

本发明的有益效果：

本发明修复土壤复合污染的装置采用低成本生物电化学电极，利用电活性菌催化转化土壤中添加有机物产氢离子，克服了电动修复碱性土壤区域重金属脱附减弱的缺点，其次，土壤中增设数个生物电化学反应电极，减少重金属迁移距离，缩短了电动修复的时间。另外，生物电化学作用大幅度增强电动修复对土壤难降解有机污染物的去除，解决了复合污染土壤处理的问题。

本发明这种修复土壤复合污染的方法采用电极电压的连续监测方法，稳定的维持了难降解有机污染物的去除效果。此外，生物电化学电极相对盐含量较高，外界补液将会使部分有机物，重金属，扩散至电极，最终被吸附，增强了去除效果。本方法一次性解决了土壤产气，电极补液与更换电极的问题，有助于维持土壤修复长期稳定运行。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明电压测量示意图；

图中：1、阴极，2、生物电化学反应电极，5、阳极，6、布水管，9、电阻，10、电源，11、参照电极，12、万用表。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：生物电化学系统耦合电动修复装置

该结构的示意图如图1所示，包括阴极1，生物电化学电极2，阳极5，布水管6，电阻9，电源10，参照电极11，万用表12，连接线为电线。

电源系统调节电压至36V，对装置供电，电池正极连接装置阳极，电池负极连接阴极。

实验在马鞍山的一处污染场地进行Cu 466mg/kg，农药六氯苯(HCB)40mg/kg。整个处理场地尺寸为长度1m，宽度为0.5m。

其中，阳极为不锈钢丝网捆扎活性炭长方体(50cm×30cm×10cm)。阴极为不锈钢丝网捆扎活性炭长方体(50cm×30cm×10cm)。采用普通电线与电源连接。

参照电极为一边长10cm的正方形，插入土壤距土壤表层10cm，与阴极间距30cm。

生物电化学电极为不锈钢丝网捆扎活性炭长方体(50cm×30cm×5cm)。生物电化学电极在场地长度方向上平行排列，共3个。3个电极与阴极距离5cm，0.3m，0.6m。电极旁布水管为PVC管直径为15mm。在电极垂直方向上每隔10cm设三通，通过支管向其供给营养液，共三个出口。每个电极注入1L污泥，并加入营养液。

营养液配方为葡萄糖200mg/L，硝酸钾252.5mg/L，三水合磷酸氢二钾26.32mg/L，碳酸氢钠336mg/L氯化钠330mg/L。

最后将所有生物电化学电极通过导线连接7.2万Ω电阻后连接电源阳极。

实例二：生物电化学系统耦合电动修复装置处理复合污染土壤的方法

该电压测量示意图如图2所示。

实验在马鞍山的一处污染场地进行Cu 466mg/kg，农药六氯苯(HCB)40mg/kg。

1)对场地进行喷水，每平米洒水10L。在后续的运行中每隔半月重复进行喷水操作。

2)将所有生物电化学电极与电源供电断开后连接万用表后连接插入土壤的一块参照电极。每隔1天测量并记录所有生物电化学电极的电压，以投加营养液后电压增大至最大值后，连续降低5日为一产电周期。记录最大电压为0.35V。

所有生物电化学电极进行相同操作。

3)在第一周期内，每隔1天将布水管道打开，进行逆向排气。

4)当电压连续降低5日后，打开布水管，将上述营养液灌入电极内，每个电极灌入0.5L营养液。

5)装置运行6个月后，对所有生物电化学电极以及周边5cm土壤开挖，去除重金属富集土壤。

经修复后的土壤残余六氯苯平均浓度为3mg/kg，去除率92.5％，土壤pH为7.8。同时，开挖土壤Cu平均浓度为934mg/kg，总共去除金属186.8g。装置对有机农药与重金属的去除均产生良好的效果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种修复土壤复合污染的装置，其特征在于：包括电源(10)、与所述电源(10)正极连接的阳极(5)及生物电化学反应电极(2)、与所述电源(10)负极连接的阴极(1)，所述阳极(5)一侧设置有参照电极(11)，所述生物电化学反应电极(2)上设置有布水管(6)，所述阳极(5)、所述阴极(1)和所述生物电化学反应电极(2)均采用活性炭压实后用不锈钢丝网扎紧成长方体电极；所述电源(10)正极与所述生物电化学反应电极(2)之间连接有电阻(9)；所述生物电化学反应电极(2)的个数为1个或多个；土壤插入生物电化学反应电极后均注入1L厌氧污泥，此后布水管添加营养液保证生物电化学微生物的代谢生长，所述厌氧污泥取自污水厂二沉池浓缩后污泥，污泥取回后采用葡萄糖培养，每升二沉池浓缩后污泥投加50g葡萄糖；电极厌氧条件时具有胞外电子传递能力的微生物在生物电化学电极电势的诱导下快速增殖并促进有机污染物的原位降解；投加的厌氧污泥在较高电势，较小电流的电极上驯化产生具有胞外电子传递的微生物群落；此种生物电化学反应增强了难降解有机污染物得电子还原去除的作用，同时，由于此种微生物代谢有机污染物产生氢离子，土壤pH得到稳定或下降，阴极消耗的氢离子由相隔5cm处的生物电化学反应电极产生氢离子补充，杜绝了产生碱性土壤使重金属脱附能力下降的现象。

2.根据权利要求1所述的一种修复土壤复合污染的装置，其特征在于：所述电源(10)的输出电压为36V，所述阳极(5)和所述阴极(1)的高度均为30cm，厚度均为10cm，长度均小于1m。

3.根据权利要求1所述的一种修复土壤复合污染的装置，其特征在于：所述参照电极(11)为一边长10cm的正方体，插入土壤距土壤表层10cm，与所述阴极(1)的间距为30cm。

4.根据权利要求1所述的一种修复土壤复合污染的装置，其特征在于：所述电阻(9)的阻值为7.2万Ω。

5.根据权利要求1所述的一种修复土壤复合污染的装置，其特征在于：所述生物电化学反应电极(2)的高度为0.3m，厚度为5cm，长度小于1m，所述生物电化学反应电极(2)通过所述布水管(6)投加营养液。

6.根据权利要求5所述的一种修复土壤复合污染的装置，其特征在于：所述营养液组成为葡萄糖200mg/L，硝酸钾252.5mg/L，三水合磷酸氢二钾26.32mg/L，碳酸氢钠336mg/L氯化钠330mg/L。

7.根据权利要求1所述的一种修复土壤复合污染的装置，其特征在于：所述布水管(6)为PVC管，直径为15mm，在竖直方向上每隔10cm设置一个三通，通过支管向所述生物电化学反应电极(2)供给营养液。

8.一种利用权利要求1～7任一所述的修复土壤复合污染的装置修复土壤复合污染的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤1，每半个月对处置场地进行一次喷水，每平米洒水10L；

步骤2，将生物电化学电极(2)断开电源后连接万用表，万用表同时连接插入土壤的参照电极(11)，每隔1天记录所有生物电化学电极(2)的电压，以投加营养液后电压增大至最大值后，连续降低5日为一产电周期，所有生物电化学电极(2)进行相同操作；

步骤3，在第一周期内，每隔1天将布水管(6)打开半天，进行逆向排气；

步骤4，当电压连续降低5日后，打开布水管(6)，将上述营养液灌入生物电化学电极(2)内，每个生物电化学电极(2)灌入0.5L营养液；

步骤5，装置运行至少六个月后，对所有生物电化学电极(2)以及周边5cm土壤开挖，并送至危险废物处理站处置，随后更换生物电化学电极(2)，重复上述步骤。

9.权利要求1-7任一所述修复土壤复合污染的装置在有机污染物与重金属复合污染土壤中应用。

10.根据权利要求9所述的应用，特征在于：所述重金属为砷，铅，铜，镉，镍，铬，锌，锰的一种或多种的组合；所述有机污染物为六氯苯，三氯乙醛、多环芳烃、多氯联苯、石油的至少一种或多种的组合。