CN105945063A - 一种维持污染土壤电动修复效率的在线补水装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种维持污染土壤电动修复效率的在线补水装置，包括：顺序连接的多通道蠕动泵、液体分装控制器、PLC模块组、上位机，以及与PLC模块组连接的土壤电导率传感器、土壤水分传感器；所述土壤电导率传感器、土壤水分传感器置于土壤中。方法为：当各区土壤电导率降至初始电导率的10％时，上位机根据水分‑电导率关系曲线得到各区补水量后启动分装控制器；控制蠕动泵第一通道模块为强场强区补水，并通过电子流量计控制第二、第三通道模块分别为中场强区和弱场强区补水。本发明基于土壤水分与电导率之间的关系，自动补充土壤水分，维持切换电场条件下污染土壤电动修复效率，降低修复成本。本发明可用于大规模污染土壤电动及电动‑生物修复场地的实际应用。

Description

一种维持污染土壤电动修复效率的在线补水装置及其方法

技术领域

本发明属于污染土壤电动修复技术领域，具体涉及一种维持污染土壤电动修复效率的在线补水装置及方法。

背景技术

污染土壤的电动修复技术是将电极插入污染土壤，施加直流电形成直流电场，可在土壤中产生各种电动力学效应及电化学反应，包括电渗析、电迁移、电泳和电化学氧化还原反应等。土壤中的重金属或有机污染物可在电场作用下被迁移出土体或氧化/还原降解。与传统污染土壤修复技术相比，电动修复技术具有经济、安全、不受土壤异质与低渗透性限制及可强化生物修复过程等优点，因此近年来备受国际关注。

对于有机污染土壤的电动及电动-生物修复而言，土壤水分至关重要。在电动修复过程中，电渗析作用会引起水从阳极向阴极移动，在阳极附近形成脱水区(Acar and Alshawabkeh,1993；罗启仕等,2004)，即使是在电极极性切换条件下，这种现象仍然存在。含水率不足会增加土壤电阻，降低电流密度，从而削弱电动修复的效率(Rohrs et al.,2007)；但高含水率会造成电极附近持续发生水电解反应，造成单位功率的污染物降解率降低，大量浪费能源；而且高电流密度会增加电势降，从而抑制微生物的活性(Alshawabkeh andMaillacheruvu,2001)。因此，维持电场条件下土壤水分在最适水平，对于污染物去除效率的提高和修复成本的降低至关重要。虽然有机污染土壤的电动及电动-生物修复研究日趋成熟，但电场水分管控措施研究仍属空白，这方面的研究可切实解决电动修复技术壁垒，从根本上提高电动修复效率。

发明内容

针对电动修复过程施加极性切换电场土壤在各场强区存在不同程度失水问题，本发明提供了集土壤电导率、水分实时监控与自动化补水于一体的电场水分调控装置与方法。该装置通过上位机判读土壤电导率与水分关系曲线，确定补水时间与补水量，由此确保电场条件下土壤水分保持在最适水平，提高有机污染土壤的电动或电动-生物修复效率。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种维持污染土壤电动修复效率的在线补水装置，包括：顺序连接的多通道蠕动泵、液体分装控制器、PLC模块组、上位机，以及与PLC模块组连接的土壤电导率传感器、土壤水分传感器；所述土壤电导率传感器、土壤水分传感器置于土壤中；

上位机，用于通过PLC模块组接收土壤电导率传感器的土壤电导率信息、土壤水分传感器的土壤水分信息，控制多通道蠕动泵各通道的水量输出。

所述多通道蠕动泵的各通道出口处设有电子流量计，与液体分装控制器连接，用于监控实时水量。

所述多通道蠕动泵的第一通道模块输水管连接至土壤中的强场强区；第二通道模块输水管、第三通道模块输水管分别连接至土壤中的中场强区、弱场强区。

所述土壤电导率传感器、土壤水分传感器与电极非接触。

所述土壤电导率传感器表面、土壤水分传感器表面距离电极表面超过3厘米。

一种维持污染土壤电动修复效率的在线补水方法，包括以下步骤：

1)首先根据极性切换电场条件下的电场强度分布，将修复区土壤划分为弱场强区、中场强区和强场强区；将各场强区作为补水区；

2)上位机实时收取各场强区的土壤电导率和水分信息，得到土壤的水分-电导率关系曲线；

3)上位机实时监测各补水区的土壤电导率和水分信息；当各区土壤电导率降至初始电导率的10％时，上位机根据水分-电导率关系曲线得到各区补水量后启动分装控制器；

4)分装控制器控制蠕动泵第一通道模块为强场强区补水，并通过电子流量计控制第二、第三通道模块分别为中场强区和弱场强补水；

6)当某补水区土壤电导率恢复到初始电导率的95％时，上位机发送停止补水工作指令，控制分装控制器待机，直到接收启动命令为止。

所述分装控制器控制蠕动泵第一通道模块为强场强区补水包括具体为：上位机将初始电导率对应的水分作为目标值、将强场强区内水分传感器反馈的水分作为实测值，通过控制蠕动泵第一通道模块为强场强区补水。

所述通过电子流量计控制第二、第三通道模块分别为中场强区和弱场强补水包括：当PLC控制第1通道模块开始补水，上位机通过土壤水分传感器检测中场强区和弱场强区的实际含水量，并分别得到与各自初始含水量之差作为补水量，根据补水量/时间＝流速，通过电子流量计控制第2、3通道模块的流量与流速，确保与第1通道模块同时完成补水工作。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明基于土壤水分与电导率之间的关系，自动补充土壤水分，维持切换电场条件下污染土壤电动修复效率，降低修复成本。

2.本发明还可用于污染土壤的电动-生物联合修复，保证修复过程土壤微生物生长所需水分，离子剂、辅助药剂施加所必需的水力条件。

3.本发明可扩展能力强，可用于大规模污染土壤电动及电动-生物修复场地的实际应用。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图；

其中：(a)上位机，(b)PLC模块组，(c)液体分装控制器，(d)电源，(e)多通道蠕动泵，(f)蠕动泵第一通道模块，(g)蠕动泵第二通道模块，(h)蠕动泵第三通道模块，(i)电子流量计，(j)蠕动泵输水软管，(k)土壤电导率传感器，(l)土壤水分传感器；

图2为本发明实施例提供的最小电极矩阵单元的场强区划分示意图；

图3为本发明实施例提供的最小电极矩阵单元的补水方法应用示意图；

其中：(1)电源，(2)极性切换控制器，(3)电极矩阵，(4)土壤电导率传感器，(5)土壤水分传感器，(6)布水管，(7)弱场强区，(8)中场强区，(9)强场强区；

图4预埋布水管在土壤中的剖面图；

图5为本发明实施例提供的自动补水条件下石油污染土壤电导率变化曲线图；

图6为本发明实施例上位机获取的土壤水分与电导率变化曲线图；

图7为本发明实施例提供的自动补水条件下石油污染土壤电动修复效率曲线图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

一种维持污染土壤电动修复效率的在线补水装置，该装置可实时监控土壤电导率与水分变化，并通过自动水分调控系统对极性切换电场条件下各场强区土壤水分进行补充。

如图1所示，所述水分调控系统包括土壤电导率传感器、水分传感器、多通道蠕动泵、液体分装控制器、电子流量计、PLC模块组以及上位机组成。装置通过上位机判读土壤电导率信息，控制蠕动泵及与其连接的电子流量计和液体分装控制器。

装置的工作分为两个阶段，第一个阶段为土壤电导率与水分信息的读取与判断，当任意一个区的土壤电导率降低10％时，即启动第二阶段补水工作。依据实时收取的土壤电导率与水分信息，绘制土壤水分-电导率关系曲线，确定补水量，确保补水后土壤电导率恢复到初始值的95％以上。补水时间固定设置为4小时，保证补水过程的平稳与均匀。

所述的水分调控系统，与蠕动泵软管连接的是预埋于不同场强区的多孔布水管，管中填装石英砂确保布水的均匀性。

连接上位机的土壤电导率传感器与水分传感器布置于距布水管5cm处。

维持污染土壤电动修复效率的在线补水方法步骤如下：

(1)首先根据极性切换电场条件下电场强度分布情况，将修复区土壤划分为3个场强区，即弱场强区(电场强度0-0.5V/cm)、中场强区(电场强度0.5-1.5V/cm)和强场强区(电场强度>1.5V/cm)；在各区均置入水管、土壤电导率传感器和土壤水分传感器；强场强区包括四个部分，每个部分分别置入一个水管，任一部分中置入一个土壤电导率传感器和一个土壤水分传感器即可。中场强区中可分布多个水管，尽可能均匀分布。弱场强区为圆形，水管位置为圆心。

(2)由场强-土壤水分关系曲线可知，各场强区不同位置土壤的失水速率较为一致，且集中于较小的变化范围之内，因此可将场强区视为补水区；

(3)在上位机中预设不同土壤在极性切换电场条件下，各场强区土壤的水分-电导率关系曲线，由上位机依据该曲线缺定各补水区的理论补水量。各区土壤初始含水量与土壤电导率由初始值降低10％后所对应的土壤含水量之差，即为理论补水量；

(4)将蠕动泵入水管浸入储水槽，在距补水管5cm处布置土壤电导率传感器并连接上位机，当各区土壤电导率降低至初始电导率的10％时，经上位机计算得到各区补水总量(理论补水量)后发出工作指令，启动分装控制器；

(5)分装控制器向蠕动泵和电子流量计发送工作指令，控制蠕动泵各通道模块的孔道水流量、流速，启动补水过程；

(6)各场强区的补水量逐级递减。蠕动泵第一通道模块为强场强区补水，补水量最大，其流量即蠕动泵主流量由分装控制器控制；第二、第三通道模块为中场强区和弱场强补水，其流量分别由各自配备的电子流量器控制，由此保证各场强区补水过程的时长一致；

电子流量计由分装控制器控制，分装控制器接收来自PLC的指令。第二第三通道模块的补水时长与第一通道模块有关，因为蠕动泵仅配备一个泵头，水按照1、2、3模块顺序流经，因此需要配备流量计调整2、3模块水流，根据实验结论，土壤失水速率与电场强度有关，强场强区的失水速率是最快的，因此最先补水，之后依次是中、弱场强区。在强场强区即第1通道模块开始补水时，2、3通道还未开启补水，因此需要电子流量计控制2、3通道模块的补水开启时间、流量，从而实现3个模块补水结束时间的同步。

当PLC控制第1通道模块开始补水，上位机通过土壤水分传感器检测中场强区和弱场强区的实际含水量，并分别计算与各自初始含水量之差作为补水量(补水量/4小时＝流速)，通过电子流量计调节第2、3通道模块的流速，确保与第1通道模块同时完成补水工作。第1通道模块的补水时间根据其补水量/流速得到。为确保补水过程的平稳与均匀，补水时间固定为4小时，通过电子流量计控制第二、三模块的流速，实现补水的同时结束。

(7)当各补水区土壤电导率恢复到初始值的95％以上时，视为补水终点，此时由上位机发送停止补水工作指令，水分调控系统自动待机，等待接收下一次工作指令。

各场强区土壤补水时间和补水量由上位机判定，并自动控制补水系统的启动和停止。

实施例1：

本实施例将在线补水装置应用于石油污染土壤的电动修复，采用实验室配置的石油污染土壤，所采的土壤为清洁粘土，除去肉眼可见的杂质和草木根，室内自然风干后过2mm筛子，石油采自辽河油田曙光采油厂某油坑，配制成含油量40g/kg石油污染土壤。

配制土壤自然风干放置7天，待石油与土壤混合均匀后，用去离子水调节含水率为25％，分成3个处理，即对照、电动修复、水分调控电动修复，分别装入到土壤盒内(长40cm×宽40cm×高15cm)，每个土壤盒内20kg填装应试土壤。

如图3所示，污染土壤中布置2×2的电极矩阵，电极材质为不锈钢电极，直径1cm，高15cm，外加电压为40V。通过调整极性切换控制器2，实现电极极性切换时间为3h，保持相邻两根电极3的极性相反。修复时间为60d。

具体操作流程包括：

将施加电场的修复土壤区域依电场强度的分布划分为强、中、弱3个场强区进行补水(图2)。弱场强区补水面积为直径约为22cm的圆(7)；强场强区补水面积近似为半径约为11cm的1/4圆(9)；其余为中场强区补水面积(8)。在各场强区适当位置预埋布水管(6)，距布水管5cm插入土壤电导率传感器(4)与土壤水分传感器(5)(两者距离尽量靠近但不接触)，连接蠕动泵输水管(j)与布水管，在启动电动修复的同时开启水分调控装置。

上位机(a)通过PLC(b)模块实时收取土壤电导率传感器(k)与水分传感器(l)反馈信息，绘制土壤水分-电导率关系曲线，并由此确定补水量。当各区土壤电导率由初始值降低10％时，即向水分调控装置发送工作指令。蠕动泵第一通道模块(f)用于为强场强区补水，补水时间早于另外两个场强区且补水量要高得多，故而不需加装电子流量计(i)，可直接通过分装控制器(c)调节蠕动泵(e)流量。第二(g)、第三(h)通道模块通过电子流量计自动调节流量。由于粘土的渗透系数较低，故而选择长时间(4h)低流量补水原则，保证水分补充的稳定性和均匀性。

基于土壤电导率与水分变化的实时监控，利用在线补水装置，可避免由于施加电场导致的各场强区土壤水分的梯度降低导致的修复效率降低，有效维持土壤电导率在初始值的95％以上(图4)维持石油污染土壤电动修复整体效率始终保持在较高水平(图5)。在60天的运行过程中，水分调控装置分别在第试验的第10d、19d、30d、39d、48d、54d和60d自动启动对电动修复土壤的补水，补水总量分别为30ml/kg·soil、35ml/kg·soil、41ml/kg·soil、54ml/kg·soil、72ml/kg·soil、90ml/kg·soil和125ml/kg·soil。图6为，以第一个补水节点(10d)为例，上位机绘制的用以确定土壤补水量的土壤水分与电导率关系曲线。随着电动处理时间的延长，补水间隔时间逐渐缩短，补水量逐渐增大。实验结束后，与对照电动实验相比，使用在线补水装置的电动修复系统中，土壤总石油污染物的去除效率提高了13.7％(图7)。

Claims (8)

1.一种维持污染土壤电动修复效率的在线补水装置，其特征在于包括：顺序连接的多通道蠕动泵、液体分装控制器、PLC模块组、上位机，以及与PLC模块组连接的土壤电导率传感器、土壤水分传感器；所述土壤电导率传感器、土壤水分传感器置于土壤中；

上位机，用于通过PLC模块组接收土壤电导率传感器的土壤电导率信息、土壤水分传感器的土壤水分信息，控制多通道蠕动泵各通道的水量输出。

2.根据权利要求1所述的一种维持污染土壤电动修复效率的在线补水装置，其特征在于所述多通道蠕动泵的各通道出口处设有电子流量计，与液体分装控制器连接，用于监控实时水量。

3.根据权利要求1所述的一种维持污染土壤电动修复效率的在线补水装置，其特征在于所述多通道蠕动泵的第一通道模块输水管连接至土壤中的强场强区；第二通道模块输水管、第三通道模块输水管分别连接至土壤中的中场强区、弱场强区。

4.根据权利要求1所述的一种维持污染土壤电动修复效率的在线补水装置，其特征在于所述土壤电导率传感器、土壤水分传感器与电极非接触。

5.根据权利要求1或4所述的一种维持污染土壤电动修复效率的在线补水装置，其特征在于所述土壤电导率传感器表面、土壤水分传感器表面距离电极表面超过3厘米。

6.一种维持污染土壤电动修复效率的在线补水方法，其特征在于包括以下步骤：

1)首先根据极性切换电场条件下的电场强度分布，将修复区土壤划分为弱场强区、中场强区和强场强区；将各场强区作为补水区；

2)上位机实时收取各场强区的土壤电导率和水分信息，得到土壤的水分-电导率关系曲线；

3)上位机实时监测各补水区的土壤电导率和水分信息；当各区土壤电导率降至初始电导率的10％时，上位机根据水分-电导率关系曲线得到各区补水量后启动分装控制器；

4)分装控制器控制蠕动泵第一通道模块为强场强区补水，并通过电子流量计控制第二、第三通道模块分别为中场强区和弱场强补水；

6)当某补水区土壤电导率恢复到初始电导率的95％时，上位机发送停止补水工作指令，控制分装控制器待机，直到接收启动命令为止。

7.根据权利要求6所述的一种维持污染土壤电动修复效率的在线补水方法，其特征在于所述分装控制器控制蠕动泵第一通道模块为强场强区补水包括具体为：上位机将初始电导率对应的水分作为目标值、将强场强区内水分传感器反馈的水分作为实测值，通过控制蠕动泵第一通道模块为强场强区补水。

8.根据权利要求6所述的一种维持污染土壤电动修复效率的在线补水方法，其特征在于所述通过电子流量计控制第二、第三通道模块分别为中场强区和弱场强补水包括：当PLC控制第1通道模块开始补水，上位机通过土壤水分传感器检测中场强区和弱场强区的实际含水量，并分别得到与各自初始含水量之差作为补水量，根据补水量/时间＝流速，通过电子流量计控制第2、3通道模块的流量与流速，确保与第1通道模块同时完成补水工作。