CN107335683A - 重金属污染土壤的电动修复系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种重金属污染土壤的电动修复系统，包括总控制单元、实时检测单元、主处理单元，总控制单元连接实时检测单元和主处理单元，实时检测单元还连接主处理单元，实时检测单元用于实时检测主处理单元内处理情况，采集离子浓度数据和电极表面电阻值，总控制单元根据实时检测单元采集的数据进行数据处理，向主处理单元派发指令，控制处理进程，待检测结果符合处理标准则停止处理进程，同时总控制单元控制计量泵向土壤添加电解液和表面活性剂，为进一步的电渗处理提供介质环境，并对阴阳极电解产生的气体导入洗气装置，防止其溢出污染空气。本发明通过电迁移、电泳、电渗析作用处理污染土壤，处理彻底，吸附了重金属的硅藻土材料经处理后可重复利用，金属回收再利用，既环保又经济。

Description

重金属污染土壤的电动修复系统及控制方法

技术领域

本发明属于土壤污染处理技术领域，尤其是涉及一种重金属污染土壤的复合电极电动原位修复系统及控制方法。

背景技术

近年来，由于人口的增加和工业的发展，产生了大量的生活和工业废弃物。污染废水不合理排放进入水体，固体污染物的倾倒、堆放、掩埋，大气中的污染物随降水等作用导致了土壤污染。各种污染物经食物链的富集作用进入各个生物体内，对生物和人类的健康带来很大的潜在危害，易造成生态系统破坏。其他有机污染物可以被微生物分解，重金属污染物长期沉积在土壤中，其具有自然降解时间长、常规方法难以处理等特点。

现有土壤污染处理措施主要有以下两种：

1、化学治理措施：淋溶法、改良剂法等，能够在短期内降低土壤中重金属的毒性，因人为向土壤中施加化学药剂，易造成二次污染，虽然该方法也是一种原位修复方法，但重金属元素仍存留在土壤中，容易再度活化危害植物，其潜在威胁并未消除。

2、常规电动修复技术：将电极插入污染的土壤并通入适当大小的直流电，使带电粒子在外加电场作用下在孔隙水间迁移，土壤中的污染物质在电场力作用下发生定向移动并在电极附近累积，定期将电极区的液体抽出，达到去除土壤重金属物质的目的。此方法处理成本高，液体后期处理困难而又繁琐，装置自动化程度低。

发明内容

本发明的目的是提供一种无二次污染，处理成本低，吸附效果好后期吸附物易处理的修复系统，同时提供一种利用自动化程度高的控制方法，提高电动修复土壤重金属污染的效率，达到一次性快速处理土壤污染的目的。

为实现上述发明目的，本发明提供一种重金属污染土壤的电动修复系统，其特征在于：包括总控制单元、实时检测单元、主处理单元，总控制单元连接实时检测单元和主处理单元，实时检测单元还连接主处理单元，实时检测单元用于实时检测主处理单元内处理情况，采集离子浓度数据和电极表面电阻值，总控制单元给实时检测单元、主处理单元供电，并根据实时检测单元采集的数据进行数据处理，向主处理单元派发指令，控制处理进程，同时总控制单元控制计量泵向土壤添加电解液和表面活性剂，为进一步的电渗处理提供介质环境。

所述的主处理单元包括阳极电解室和阴极电解室，阳极电解室和阴极电解室采用正多边形排布，多个阳极电解室位于正多边形的顶点，阴极电解室位于中心处。

所述的阳极由镂空钢管保护套筒、环形网状硅藻土滤芯和石墨电极组成，环形网状硅藻土滤芯由内外两层滤网之间夹持硅藻土球构成，石墨电极位于阳极的中心，镂空钢管保护套筒位于环形网状硅藻土滤芯外圈，防止土压力对硅藻土滤芯产生破坏。内外两层滤网上边沿设有提拉梁，方便更换新滤芯。

所述的阴极由镂空钢管保护套筒、环形网状硅藻土滤芯和金属电极组成，环形网状硅藻土滤芯由内外两层滤网之间夹持硅藻土球构成，金属电极位于阴极的中心，镂空钢管保护套筒位于环形网状硅藻土滤芯外圈，防止土压力对硅藻土滤芯产生破坏，内外两层滤网上边沿设有提拉梁，方便更换新滤芯。

所述的金属电极为奥氏体304不锈钢材料电极。

所述的环形网状硅藻土滤芯由内外两层滤网之间夹持硅藻土球构成。

所述的内外两层滤网上边沿设有提拉梁，方便更换新滤芯。

所述的硅藻土球添加有纳米CeO₂晶体和纳米TiO₂晶体，作为催化剂加速反应进程。

土壤中设有循环泵，加速孔隙水的流动。

所述的实时检测单元包括电阻表检测触点、PH计探头、重金属离子浓度检测仪探头，重金属离子浓度检测仪探头分别置于阴极、阳极以及阴阳极之间三个检测点，PH计探头置于阴极和阳极的电解液中，电阻表检测触点设置于阴极金属电极表面上下两端。

所述的总控制单元由单片机控制，控制流程包括以下步骤：

1、总控制单元控制计量泵将电解液由电解液室调配进入阴极电解室和阳极电解室，同时循环泵工作加快两极间孔隙水的流动；

2、判断实时检测单元检测是否需要加电解液，如需要添加电解液则执行上一步操作，反之则进行下一步操作；

3、主处理单元对电极区污染物进行电解处理，处理后的电解液吸出收集在废液收集瓶中；

4、实时检测单元检测阳极区阳离子浓度和检测点浓度梯度是否恒定；如果不发生变化则需更换阳极区的硅藻土滤芯；如果浓度在降低中，则主处理单元继续对污染物进行处理；

5、实时检测单元检测阴极表面电阻是否减小到恒定值；如果是则需更换阴极区金属电极及硅藻土滤芯；否则主处理单元继续对污染物进行处理；

6、实时检测单元检测重金属离子浓度是否达标，如果是则结束整个处理进程，否则主处理单元继续对污染物进行处理。

本发明利用电极对在稳压直流电源的作用下形成的直流电场，借助土壤孔隙中的地下水和外加电解质溶液作为导电介质，在电动力作用下使带电离子向相应电极区移动，土壤孔隙中的溶液通过电渗向阳极迁移，重金属离子通过电迁移、电泳、电渗析作用脱离污染土壤，同时阳极区析出不利于吸收的重金属单质及其化合物将被硅藻土材料吸附；处理过程中通过更换硅藻土滤芯不断降低污染物浓度，处理结束后电解液抽出运送到工厂进行进一步的处理，达到一次性完全彻底的处理污染物的效果。克服了常规电动修复技术不能一次性原位处理土壤中的重金属污染物、电极区的液体需要抽出处理、处理过程中需要多次人工干预以及处理成本高等缺点。吸附了重金属的硅藻土材料经处理后还可以重复利用，金属则回收再利用，既环保又经济。

附图说明

图1是本发明的系统组成框图；

图2是本发明具体实施方式的结构示意图；

图3是本发明中主处理单元俯视图；

图4是本发明中主处理单元阴极结构剖面图；

图5是本发明中主处理单元阳极结构剖面图；

图6是本发明中总控制单元的流程图。

具体实施方式

参照图1，本发明具体实施方式包括总控制单元、实时检测单元、主处理单元，总控制单元连接实时检测单元和主处理单元，实时检测单元还连接主处理单元，实时检测单元用于实时检测主处理单元内处理情况，采集离子浓度数据、PH值和电极表面电阻值，总控制单元给实时检测单元、主处理单元供电，并根据实时检测单元采集的数据进行数据处理，向主处理单元派发指令，控制处理进程，同时总控制单元控制计量泵向土壤添加电解液和表面活性剂，为进一步的电渗处理提供介质环境，待检测结果符合处理标准则停止处理进程，阴阳极电解产生的气体导入洗气装置，防止其溢出污染空气。

参照图2，本发明具体实施方式包括1.集气装置、2.计量泵、3.循环泵、4.阳极电解室、5.阴极电解室、6.阴极、7.阳极、8.废液收集室、9.实时检测单元、10.电解液室、12.浓硫酸溶液洗气瓶、13.氢氧化钠溶液洗气瓶、14、总控制单元、15、电源，901电阻表检测触点、902.PH计探头、903.重金属离子浓度检测仪探头；重金属离子浓度检测仪探头903分别置于阴极6、阳极7以及阴阳极之间三个检测区域，PH计探头902置于阴极和阳极的电解液中，电阻表检测触点901设置于阴极金属电极表面上下两端，阴阳极电解室5、4和废液收集室8以及电解液室10之间的管路上分别设有计量泵2，在土壤11中设有循环泵3，加速孔隙水的流动。电解液室经计量泵被总控制单元调配分别进入阴极电解室和阳极电解室，处理后的电解液经计量泵吸出收集在废液收集室中。在反应过程中电极上方电解产生的气体经由电极上方的集气装置1导入浓硫酸溶液洗气瓶12后又经过氢氧化钠溶液洗气瓶13，防止废气溢出造成二次污染。

参照图3，所述的主处理单元包括阳极电解室4和阴极电解室5，阳极电解室和阴极电解室采用正方形排布，四个阳极电解室4位于正方形的顶点，阴极电解室5位于正方形中心处，阴阳极电解室之间均布三个重金属离子浓度检测仪探头903，阳极电解室和阴极电解室之间的土壤也充满电解液和孔隙水，从阳极到阴极的四个区间内布施电解液，电解液的施布量由主控制单元经实时检测单元采集数据处理后控制计量泵泵入电极区，并根据实时检测单元实时采集的数据进行补充。

参照图4，阴极由镂空钢管保护套401、环形网状硅藻土滤芯402和金属电极403组成，环形网状硅藻土滤芯由内外两层滤网之间夹持硅藻土球构成，金属电极为奥氏体304不锈钢材料电极，位于阴极的中心，镂空钢管保护套筒位于环形网状硅藻土滤芯外圈，内外两层滤网上边沿设有提拉梁404，方便更换新滤芯。

参照图5，阳极由镂空钢管保护套筒501、环形网状硅藻土滤芯502和石墨电极503组成，环形网状硅藻土滤芯由内外两层滤网之间夹持硅藻土球构成，石墨电极位于阳极的中心，镂空钢管保护套筒位于环形网状硅藻土滤芯外圈，内外两层滤网上边沿设有提拉梁504，方便更换新滤芯。

所述的环形网状硅藻土滤芯中还添加有纳米CeO₂晶体和纳米TiO₂晶体，作为催化剂加速反应进程。

参照图6，所述的总控制单元由单片机控制，控制流程包括以下步骤：

1、总控制单元控制计量泵将电解液由电解液室调配进入阴极电解室和阳极电解室，同时循环泵工作加快两极间孔隙水的流动；

2、通过实时检测单元判断是否需要加电解液，如需要添加电解液则执行上一步操作，反之则进行下一步操作；

3、主处理单元对电极区污染物进行电解处理，处理后的电解液吸出收集在废液收集瓶中，土壤孔隙中的电解液溶液作为导电介质，在外加电场的作用下，带电离子向相应的电极区迁移，孔隙中的溶液通过电渗流作用向阴极迁移，污染物主要通过电迁移和电渗方式离开处理区。对于一些电动效应处理效率低的重金属和污染物质，硅藻土材料能有效的吸附，重金属主要沉积在阴极区周围的硅藻土滤芯的硅藻土球上；

4、实时检测单元检测阳极区阳离子浓度和检测区浓度梯度是否恒定，如果阳极区的阳离子浓度和检测区的浓度梯度不再发生变化时，则说明硅藻土材料吸附已达到饱和，需更换硅藻土材料，通过提拉滤芯的提拉梁更换新滤芯；若阴极区金属电极表面的电阻值经实时检测单元检测减小到一定程度保持恒定不变，则需更换阴极区的金属电极和硅藻土，更换硅藻土滤芯时仅需提拉提拉梁即可。如果浓度在持续降低，则主处理单元继续对污染物进行处理；

5、实时检测单元检测阴极表面电阻是否减小到恒定值；如果是，则需更换阴极区金属电极及硅藻土滤芯；如果阴极表面电阻值一直在降低，则主处理单元继续对污染物进行处理；

6、实时检测单元检测重金属离子浓度是否达标，如果是，则结束整个处理进程；否则，主处理单元继续对污染物进行处理。该处理过程经程序语言编译写入单片机，单片机的中央处理芯片型号为STC89C52。

Claims (10)

1.一种重金属污染土壤的电动修复系统，其特征在于：包括总控制单元、实时检测单元、主处理单元，总控制单元连接实时检测单元和主处理单元，实时检测单元还连接主处理单元，实时检测单元用于实时检测主处理单元内处理情况，采集离子浓度数据和电极表面电阻值，总控制单元给实时检测单元、主处理单元供电，并根据实时检测单元采集的数据进行数据处理，向主处理单元派发指令，控制处理进程，同时总控制单元控制计量泵向土壤添加电解液和表面活性剂，为进一步的电渗处理提供介质环境。

2.根据权利要求1所述的重金属污染土壤的电动修复系统，其特征在于：所述的主处理单元包括阳极电解室和阴极电解室，阳极电解室和阴极电解室采用正多边形排布，多个阳极电解室位于正多边形的顶点，阴极电解室位于中心处。

3.根据权利要求1所述的重金属污染土壤的电动修复系统，其特征在于：所述的阳极由镂空钢管保护套筒、环形网状硅藻土滤芯和石墨电极组成，环形网状硅藻土滤芯由内外两层滤网之间夹持硅藻土球构成，石墨电极位于阳极的中心，镂空钢管保护套筒位于环形网状硅藻土滤芯外圈，防止土压力对硅藻土滤芯产生破坏。内外两层滤网上边沿设有提拉梁，方便更换新滤芯。

4.根据权利要求1所述的重金属污染土壤的电动修复系统，其特征在于：所述的阴极由镂空钢管保护套筒、环形网状硅藻土滤芯和金属电极组成，环形网状硅藻土滤芯由内外两层滤网之间夹持硅藻土球构成，金属电极位于阴极的中心，镂空钢管保护套筒位于环形网状硅藻土滤芯外圈，防止土压力对硅藻土滤芯产生破坏，内外两层滤网上边沿设有提拉梁，方便更换新滤芯。

5.根据权利要求4所述的重金属污染土壤的电动修复系统，其特征在于：所述的金属电极为奥氏体304不锈钢材料电极。

6.根据权利要求3或4所述的重金属污染土壤的电动修复系统，其特征在于：所述的环形网状硅藻土滤芯由内外两层滤网之间夹持硅藻土球构成，内外两层滤网上边沿设有提拉梁。

7.根据权利要求6所述的重金属污染土壤的电动修复系统，其特征在于：所述的硅藻土球添加有纳米CeO₂晶体和纳米TiO₂晶体，用于作催化剂加速反应进程。

8.根据权利要求1所述的重金属污染土壤的电动修复系统，其特征在于：土壤中设有循环泵，用于加速孔隙水的流动。

9.根据权利要求1所述的重金属污染土壤的电动修复系统，其特征在于：所述的实时检测单元包括电阻表检测触点、PH计探头、重金属离子浓度检测仪探头，重金属离子浓度检测仪探头分别置于阴极、阳极以及阴阳极之间三个检测点，PH计探头置于阴极和阳极的电解液中，电阻表检测触点设置于阴极金属电极表面上下两端。

10.根据权利要求1所述的重金属污染土壤的电动修复系统的控制方法，其特征在于：所述的总控制单元由单片机控制，执行以下流程：

(1)总控制单元控制计量泵将电解液由电解液室调配进入阴极电解室和阳极电解室，同时循环泵工作加快两极间孔隙水的流动；

(2)判断实时检测单元检测是否需要加电解液，如需要添加电解液则执行上一步操作，反之则进行下一步操作；

(3)主处理单元对电极区污染物进行电解处理，处理后的电解液吸出收集在废液收集瓶中；

(4)实时检测单元检测阳极区阳离子浓度和检测点浓度梯度是否恒定；如果不发生变化则需更换阳极区的硅藻土滤芯；如果浓度在降低中，则主处理单元继续对污染物进行处理；

(5)实时检测单元检测阴极表面电阻是否减小到恒定值；如果是则需更换阴极区金属电极及硅藻土滤芯；否则主处理单元继续对污染物进行处理；

(6)实时检测单元检测重金属离子浓度是否达标，如果是则结束整个处理进程，否则主处理单元继续对污染物进行处理。