CN105855285A - 一种旋转迁移联合prb修复三氯乙烯污染土壤的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种旋转迁移联合PRB修复三氯乙烯污染土壤的装置及方法。该装置主要包括电动修复装置、PRB反应墙装置和表面活性剂注入装置，其中，如图1布置电动修复装置和PRB反应墙装置中的主要部件阴阳电极、电极室和PRB反应墙，在各电极室与PRB反应墙之间安装注液管道，通过各个控制系统控制各个装置的运作情况。本发明采用旋转迁移联合PRB反应墙修复污染物，结合表面活性剂使得TCE与土壤很好的分散开来，电极与PRB反应墙的布置有效缩短了污染物的迁移距离和迁移时间，并有利于高效吸附与拦截污染物。在处理过程中，三种技术方法相互促进，具有修复效果好、时间短、无二次污染、易于操作等优点。

Description

一种旋转迁移联合PRB修复三氯乙烯污染土壤的装置和方法
技术领域
本发明属于三氯乙烯污染环境修复技术领域，具体涉及多方法联合修复三氯乙烯污染土壤的装置和方法。
背景技术
作为一种重要的挥发性有机溶剂，三氯乙烯(TCE)被广泛的应用到电镀、干洗、金属加工等工业中，因其广泛应用和不合理排放，对土壤和地下水环境造成了严重污染。它是属于挥发性有机物，具有致癌、致畸、致突变效应，而且它的降解产物也属于有毒致癌物质。1976年被列入美国国家环保局公布的129种优先控制污染物及中国环境特征污染物的“黑名单”。TCE一旦进入包气带和地下水，通常会以非混溶残余液相、溶解相、气相、吸附相等多种形式长期存在，生物可分解性低，在土壤中的半衰期约为六个月至一年半，因此TCE渗入土壤及地下水中将长期积存并严重污染环境，且恢复治理难度非常大。
鉴于TCE污染的普遍性、对人类的危害性及其研究治理的复杂性，其在地下环境中的污染修复技术已成为近年来国内外普遍关注的问题。目前常用的方法可分为物理方法、化学方法和生物方法。物理方法主要有曝气法和活性炭吸附法，曝气技术是通过注气井将压缩空气注入地下水污染区域，利用空气的运动去除污染物；活性炭因其具有很大表面积能与污染物充分接触起到吸附净化作用。化学方法分为化学氧化法和化学还原法，化学氧化法包括化学试剂氧化法和光催化氧化法，化学试剂包括H2O2及Fenton试剂、KMnO4、O3等，光催化氧化法是在一定波长光照下，利用催化剂氧化去除污水中污染物的方法；化学还原法是利用零价铁和双金属颗粒还原TCE转化为危害性较小的烃类。生物方法包括微生物修复技术和植物修复技术，微生物修复主要是利用自然环境中的微生物或投加的特定微生物分解污染物；植物修复技术通过植物的吸收、挥发、根滤、降解、稳定等作用净化土壤或水体中的污染物。
由于每种技术都有其使用局限性，因此，仍需要更加有效的土壤修复和净化装置及方法。
发明内容
针对现有技术不足，本发明中采用电动、可渗透反应墙(Permeable ReactiveBarrier，PRB)和表面活性剂联合技术修复受TCE污染的土壤区域。其中，电动修复技术是在受污染的土壤两侧通以电流，使土壤中带电荷的呈游离态的污染物发生定向迁移至阴阳极区域，然后再对阴阳极区域进行集中处理，从而达到降低土壤污染物含量的目的。PRB技术是在垂直于污染区域设置由活性反应介质和/或吸附活性物质组成的可渗透反应墙，在污染物迁移经过反应墙时可与活性反应介质发生吸附、沉淀、降解等作用，从而将污染物从土壤中去除。表面活性剂是一种能降低液-液、固-液、气-液界面张力的物质，其具有增溶、乳化和润湿等作用，能溶解难溶烃类化合物及其他有机化合物，从而提高有机污染物在土壤中的解吸效率以达到修复目的。
本发明的第一方面的目的是提供一种修复三氯乙烯污染土壤的装置。
本发明的第二方面的目的是提供一种利用上述修复三氯乙烯污染土壤的装置来修复被三氯乙烯污染的土壤的方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：一种用于修复三氯乙烯污染土壤的装置，其中，所述装置包括：电动修复装置、PRB反应墙和表面活性剂注入装置，其中，
所述电动修复装置包括：
至少两对电极，每对电极具有阳极和阴极，所述阳极和所述阴极成放射状交替布置，
稳压电源，所述电极以并联连接的方式与所述稳压电源电连接，电极室，具有阳极室和阴极室，用于分别容纳所述阳极和所述阴极，
电解液槽，具有阳极液槽和阴极液槽，其中所述阳极液槽用于贮存碱性电解液，所述阴极液槽用于贮存酸性电解液，并且所述阳极液槽和所述阴极液槽通过第一多通道蠕动泵分别与所述阳极室和所述阴极室相连以将所述碱性电解液和所述酸性电解液通过管道输送到所述阳极室和所述阴极室，
第一控制系统，通过所述第一多通道蠕动泵与各电极室相连以控制所述碱性电解液和所述酸性电解液的输送，
电解液处理槽，通过第二多通道蠕动泵与各电极室相连，以接收排放出的电解液，和
第二控制系统，所述第二控制系统通过所述第二多通道蠕动泵与各电极室相连，以控制各电极室中电解液向所述电解液处理槽的排放；
所述PRB反应墙放射状布置于每对电极之间；以及
所述表面活性剂注入装置，包括：
注液管道，所述注液管道布置在各所述电极与所述PRB反应墙之间的土壤中，用于将表面活性剂注入到受污染的土壤中，
表面活性剂储液槽，与所述注液管道连通，用于贮存表面活性剂，和
第三控制系统，连接在所述注液管道和所述表面活性剂储液槽之间以控制所述表面活性剂的注入。
进一步地，本发明还提供一种利用上述装置对三氯乙烯污染土壤进行修复的方法，具体步骤如下：
(1)将所述用于修复三氯乙烯污染土壤的装置进行放射状布置，且电极对的放射状结构的中心布置在污染最严重的区域，并确保所述用于修复三氯乙烯污染土壤的装置覆盖所有污染范围；
(2)通过第三控制系统将表面活性剂储液槽中的表面活性剂注入到注液管道中并进一步注入到受污染的土壤中，其中，所述表面活性剂的注液量为待修复土壤体积量的2～4倍，注液速度为1.5～2.5ml/min；
(3)通过第一控制系统将阳极液槽中的碱性电解液注入到阳极室中，将阴极液槽中的酸性电解液注入到阴极室中，启动电动修复装置，电压梯度为1.5～4.5v/cm，在修复过程中，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，通过第二控制系统将饱和的电解液排放到电解液处理槽中，期间三氯乙烯在旋转迁移过程中被所述PRB反应墙吸附；
(4)通电24～48h后，关闭稳压电源；和
(5)可选择地重复步骤(2)～(4)。
根据一种本发明的实施方式，步骤(1)进一步包括根据土壤污染的情况调整所述电极对的数量、相邻电极的夹角、各电极和PRB反应墙的长度、各电极和PRB反应墙的夹角及PRB反应墙的更换次数。
本发明的有益效果为：(1)在电动修复之前，运行表面活性剂注入装置，促进污染土壤中TCE的解吸增溶，将被土壤颗粒吸附的TCE与土壤很好的分散开来，便于后续TCE有效迁移与被吸附；(2)相比传统电极平行布置的技术，本发明中电极采用垂直于水平面成放射状安置，且电极的放射状结构的中心轴安置在污染最严重的区域，使污染程度与修复力度更为匹配，大大缩短了污染严重区域中污染物的迁移距离和迁移时间；(3)在相邻电极之间同轴安置PRB可渗透反应墙，更有效地将土壤中TCE高效吸附与拦截，加快污染物修复速率，减少了后期处理程序；(4)该处理过程清洁，无二次污染，安全性好。
附图说明
图1为根据本发明的一种实施方式阴阳电极、电极室和PRB反应墙的平面布置示意图；
图2为根据本发明的一种实施方式布置的阴阳电极和PRB反应墙的立体示意图；
图3为根据本发明的一种实施方式的所述装置的连接关系示意图。
其中，附图中出现的附图标记为：1-阳极(其中，1-1-第一阳极，1-2-第二阳极)，2-阴极(其中，2-1-第一阴极，2-2-第二阴极)，3-阳极室(其中，3-1-第一阳极室，3-2-第二阳极室)，4-阴极室(其中，4-1-第一阴极室，4-2-第二阴极室)，5(5-1、5-2、5-3、5-4)-PRB反应墙，6-稳压电源，7-第一多通道蠕动泵，8-第一控制系统，9-阳极液槽，10-阴极液槽，11-第二多通道蠕动泵，12-第二控制系统，13-电解液处理槽，14-注液管道，15-第三控制系统，16-表面活性剂储液槽。
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，但本领域的技术人员应理解本发明的范围并不限于以下的具体实例。
根据本发明一种具体实施方式的旋转迁移联合PRB修复三氯乙烯污染土壤的装置如图1-3所示。该整体装置是处于密封状态，其中稳压电源6的正极通过导线分别与第一阳极1-1、第二阳极1-2连接，稳压电源6的负极通过导线分别与第一阴极2-1、第二阴极2-2连接；第一阳极1-1、第二阳极1-2、第一阴极2-1和第二阴极2-2均为板状电极，各电极均垂直于水平面同轴安置，相邻电极极性不同且夹角为一定角度；第一阳极1-1、第二阳极1-2、第一阴极2-1和第二阴极2-2分别安置在第一阳极室3-1、第二阳极室3-2、第一阴极室4-1和第二阴极室4-2；在相邻电极之间同轴安置PRB反应墙5；在各电极室与PRB反应墙5之间安装注液管道14；表面活性剂储液槽16通过第三控制系统15与注液管道14相连；阳极液槽9和阴极液槽10通过管道与第一控制系统8相连，第一控制系统8通过第一多通道蠕动泵7与各电极室相连；电解液处理槽13通过管道与第二控制系统12相连，第二控制系统12和第二多通道蠕动泵11与各电极室相连。
本发明的装置可具有两对、三对或四对电极对，优选为两对电极对。所述电极对间的夹角根据土壤的污染程度确定，污染严重的区域夹角可适当减小，反之则可适当扩大。具体的相邻阳极和阴极间的夹角在60°～120°之间，优选在60°～90°之间。当然，特殊情况下，可以采用小于60°的更小的夹角，甚至例如25°、20°、15°。
附图所示的具体实施方式中，电极为两对，电极间夹角约为90°。
电极通常为板状，可以分别采用石墨作为阳极和阴极。电极的大小同样与污染程度(例如被污染土壤的深度、范围大小等)相关，制备适当大小的电极，使设备安装后能够覆盖整个受污土壤。
由于电极成放射状布置，因此土壤中的污染物将遵循仿佛是旋转的路线迁移，因而本发明的装置又称为旋转迁移联合PRB修复装置。
PRB反应墙布置在各电极对之间，也呈放射状布置。优选PRB反应墙布置在与阳极和阴极夹角相等的位置处。同样地，PRB反应墙也是板状，其大小同样与污染情况相关。
PRB反应墙采用零价铁反应墙，也可内部填充吸附物质，例如粗砂、固定化泥炭。
利用上述装置进行旋转迁移联合PRB修复三氯乙烯污染土壤的方法，该方法步骤为：
在确保覆盖所有污染范围的情况下安装电极室和电极，垂直于水平面同轴安置四个板状电极，且四个板状电极同轴的位置安装在污染最严重的区域，相邻电极极性不同且夹角为一定角度，各电极安装在电极室中，在相邻电极之间同轴安置PRB反应墙5，各电极室与PRB反应墙5之间均安装注液管道，将第一阳极1-1和第二阳极1-2通过导线分别与稳压电源6的正极相连，第一阴极2-1和第二阴极2-2通过导线分别与稳压电源6相连，其余装置按照图3进行安装；
通过第三控制系统15运行各电极室与PRB反应墙5之间的注液管道，管道注液速度为1.5～2.5ml/min，管道运作6～12h后停止。
在阳极液槽9和阴极液槽10中分别添加相应的碱性溶液和酸性溶液；在开启电动装置后，阳极液槽9和阴极液槽10通过第一多通道输液泵7在第一控制系统8下分别向相应的阳极室和阴极室输送电解液。启动电动修复系统，污染物在旋转迁移过程中将会被PRB反应墙5吸附，所施电压梯度为1.5～4.5v/cm。在修复过程中，同时不断监测各个电极室中电解液的饱和度，当各个电极室中电解液达到饱和度时，通过第二多通道蠕动泵11在第二控制系统12下分别向相应电极室抽取电极液并输送到电解液处理槽13中。通电24～48h后关闭稳压电源6。
根据修复情况可重复注入表面活性剂和旋转迁移的步骤，修复过程中不断监测污染区域中三氯乙烯的浓度，评价三氯乙烯污染土壤的修复效果，直至土壤中的污染物三氯乙烯达到环境标准。
本发明的旋转迁移联合PRB修复三氯乙烯污染土壤的方法，其中电极对的数量、相邻电极的夹角、各电极和PRB反应墙的长度、各电极、PRB反应墙的夹角以及PRB反应墙的更换次数可根据土壤污染程度进行适当调整，但需保证运行过程中相邻电极极性不同。
实施例
(1)配置模拟三氯乙烯污染的土样：采集1500g土样，用马弗炉600℃下高温灼烧至恒定质量，用孔径为1mm筛孔(即18号筛)过筛，然后向其中加入三氯乙烯，并使土壤中三氯乙烯的浓度为100mg/kg。将土样填入半径20cm且高为20cm的有机玻璃箱中。
(2)装配旋转迁移PRB修复三氯乙烯污染土壤的装置：按照图1至图3在上述有机玻璃箱中布置该装置，其中，阴阳电极均采用石墨板状电极，电极规格为15cm×2cm×15cm(L×W×H)。PRB反应墙内填充介质采用粗砂和固定化泥炭(配比为4:1)，规格为15cm×2cm×15cm(L×W×H)。
(3)运行该装置：首先运行表面活性剂注液装置，其中，选用0.025g/L的鼠李糖脂溶液作为表面活性剂，表面活性剂的注液量为待修复土壤量的2.5倍，管道注液速度为2.5ml/min。其次运行电动修复装置，所施电压梯度为2.5v/cm，通电36h后停止运作，整个修复过程中保持调节阳极室中的pH为11，阴极室中的pH为3.5。
结果：电动修复结束后，监测污染区域中三氯乙烯的浓度，计算后土壤中三氯乙烯的去除率为75.6％。重复运行该装置一次后，土壤中三氯乙烯的去除率为84.3％。
对比例
参照以上实施例，区别仅在于，平行布置一对电极，在电极之间平行布置PRB反应墙，在电极和PRB之间平行布置注液管道，其中，电极面积与上述实施例中所用对应电极面积之和相同，PRB反应墙的面积与上述实施例中所用PRB反应墙面积之和相同。此外，其他实验环境、实验步骤、实验参数等均与上述实施例相同。结果表明，在运行一次后，三氯乙烯的去除率为57.5％，当重复运行一次后，土壤中三氯乙烯的去除率为62.9％。

Claims (3)

1.一种用于修复三氯乙烯污染土壤的装置，其特征在于，所述装置包括：电动修复装置、PRB反应墙和表面活性剂注入装置，其中，
所述电动修复装置包括：
至少两对电极，每对电极具有阳极和阴极，所述阳极和所述阴极成放射状交替布置，
稳压电源，所述电极以并联连接的方式与所述稳压电源电连接，
电极室，具有阳极室和阴极室，用于分别容纳所述阳极和所述阴极，
电解液槽，具有阳极液槽和阴极液槽，其中所述阳极液槽用于贮存碱性电解液，所述阴极液槽用于贮存酸性电解液，并且所述阳极液槽和所述阴极液槽通过第一多通道蠕动泵分别与所述阳极室和所述阴极室相连以将所述碱性电解液和所述酸性电解液通过管道输送到所述阳极室和所述阴极室，
第一控制系统，通过所述第一多通道蠕动泵与各电极室相连以控制所述碱性电解液和所述酸性电解液的输送，
电解液处理槽，通过第二多通道蠕动泵与各电极室相连，以接收排放出的电解液，和
第二控制系统，所述第二控制系统通过所述第二多通道蠕动泵与各电极室相连，以控制各电极室中电解液向所述电解液处理槽的排放；
所述PRB反应墙放射状布置于每对电极之间；以及
所述表面活性剂注入装置，包括：
注液管道，所述注液管道布置在各所述电极与所述PRB反应墙之间的土壤中，用于将表面活性剂注入到受污染的土壤中，
表面活性剂储液槽，与所述注液管道连通，用于贮存表面活性剂，和
第三控制系统，连接在所述注液管道和所述表面活性剂储液槽之间以控制所述表面活性剂的注入。
2.利用权利要求1所述的用于修复三氯乙烯污染土壤的装置对三氯乙烯污染土壤进行修复的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)将所述用于修复三氯乙烯污染土壤的装置进行放射状布置，且电极对的放射状结构的中心布置在污染最严重的区域，并确保所述用于修复三氯乙烯污染土壤的装置覆盖所有污染范围；
(2)通过第三控制系统将表面活性剂储液槽中的表面活性剂注入到注液管道中并进一步注入到受污染的土壤中，其中，所述表面活性剂的注液量为待修复土壤体积量的2～4倍，注液速度为1.5～2.5ml/min；
(3)通过第一控制系统将阳极液槽中的碱性电解液注入到阳极室中，将阴极液槽中的酸性电解液注入到阴极室中，启动电动修复装置，电压梯度为1.5～4.5v/cm，在修复过程中，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，通过第二控制系统将饱和的电解液排放到电解液处理槽中，期间三氯乙烯在旋转迁移过程中被所述PRB反应墙吸附；
(4)通电24～48h后，关闭稳压电源；和
(5)可选择地重复步骤(2)～(4)。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述步骤(1)进一步包括根据土壤污染的情况调整所述电极对的数量、相邻电极的夹角、各电极和PRB反应墙的长度、各电极和PRB反应墙的夹角及PRB反应墙的更换次数。
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