CN107413840A - 重金属镉和多环芳烃污染农田土壤的原位修复方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种重金属镉和多环芳烃污染农田土壤的原位修复方法和系统，该方法包括如下步骤：（1）将炭包覆多孔泡沫铁微细颗粒与过氧化物和植酸钠的混合物撒入受污染土壤；（2）将双氧水溶液喷入受污染土壤，将土壤中的多环芳烃和重金属镉等污染物富集并去除；再将炭包覆多孔泡沫铁微细颗粒回收；所述系统，包括撒料装置和回收装置，撒料装置包括撒料移动架，撒料移动架上设置有混合物料斗、双氧水溶液储槽和双氧水溶液喷头；回收装置包括回收移动架，回收移动架上设置有磁回收装置和泡沫铁回收槽。本发明过程简单，成本低，可持续性强，避免了对土壤微生物和有机质的破坏，无二次污染的风险。

Description

重金属镉和多环芳烃污染农田土壤的原位修复方法和系统

技术领域

本发明涉及一种用于修复遭受重金属镉和多环芳烃复合污染农田土壤的方法，属于污染农田土壤修复技术领域。

背景技术

镉是我国重金属污染综合防治规划中重点监控的重金属之一，具有生物迁移性强、极易被植物吸收和积累的特点，对动植物和人体均可产生毒害作用。据统计，我国镉污染的农田面积已超过28万公顷，我国市场上常见的市售大米约10％存在镉超标。这种超标现象对环境和人类健康造成了极大隐患。多环芳烃具有致癌、致畸、致突变特性，疏水性强且极难被微生物降解，因此在富含有机质的农田土壤中广泛存在，土壤中的多环芳烃占其所有环境总储量的九成以上。随着工业化进程的加快，多环芳烃的大量使用和排放，使农田土壤中多环芳烃的含量不断积累，对人类健康和生态环境造成了极大威胁。重金属镉和多环芳烃污染农田土壤的修复技术已成为生态环境领域的研究热点。

重金属镉和多环芳烃污染农田土壤的修复方法主要有物理、化学、生物三大类。常见的物理法有气相抽提、热解吸等，这类方法对高挥发性的低环类芳烃修复处理效率较高，但会破坏土壤结构，且能耗和成本较高，实用性不强。重金属镉和多环芳烃污染农田土壤的化学、生物修复方法使用较为广泛，常见的化学修复法有化学淋洗、化学固定、化学氧化、化学还原等，具有成本低、处理量大、见效快等优点，但可能造成二次污染，且可能对土壤结构和成分造成不可逆的破坏。生物修复技术有植物修复和微生物修复，具有修复成本低，环境友好的优势，但修复周期较长。

近年来，芬顿(或类芬顿)氧化法修复多环芳烃污染农田土壤成为土壤化学修复领域的一个热点。芬顿(或类芬顿)氧化法是基于二价铁与双氧水的反应形成强氧化剂羟基自由基的原理来快速氧化分解有机污染物。但在污染土壤修复过程中，由于土壤组成的复杂性、低传质性，该方法仍存在很多亟待解决的瓶颈。一是二价铁源，氧化反应需要稳定、持续的二价铁来源以保证其可持续性；二是双氧水的浓度与稳定性问题，双氧水浓度过高会对土壤微生物和有机质造成不可逆的破坏，过低则氧化能力变弱，且双氧水自身很容易发生无效分解生产氧气和水；三是土壤修复产生的二次污染问题。

目前，重金属镉和多环芳烃复合污染农田土壤具有量大面广的特点，原位修复具有较强的可操作性。如中国专利文献CN10155943公开的《用于原位连续修复多环芳烃污染农田土壤的植物套种方法》、CN101947542A公开的《利用灵芝和玉米套种修复多环芳烃污染农田土壤的方法》、CN101298080公开的《一种用于修复多环芳烃污染农田土壤的农艺方法》、CN103691734A公开的《一种阴-非混合表面活性剂强化黑麦草、根际微生物来修复多环芳烃污染农田土壤的方法》以及CN101797581A公开的《一种修复多环芳烃污染农田土壤的生态方法》。这些方法都是通过种植农作物来修复多环芳烃污染的农田土壤，虽不产生二次污染，但修复周期长、修复效率低，劳动强度大，在修复遭受重金属镉和多环芳烃复合污染的农田土壤时，具有一定局限性。

CN103252344A公开的《一种电动强化的土壤原位淋洗修复装置和方法》以及N103008334A公开的《污染土壤原位雨水淋滤修复系统》，CN102303041A公开的《复合型重金属污染土壤原位固定化方法》以及CN102101123A公开的《一种重金属污染土壤原位修复方法》，这些方法过程复杂，劳动强度大，修复效率低，在修复遭受重金属镉和多环芳烃复合污染的农田土壤时，同样具有一定局限性。

因此，亟需开发一种用于修复遭受重金属镉和多环芳烃复合污染的农田土壤的清洁、高效、低成本的方法。

发明内容

针对现有重金属镉和多环芳烃复合污染农田土壤修复技术存在的二次污染、效率低、成本高等缺陷，本发明提出一种修复效果好、效率高、成本低、不会二次污染的重金属镉和多环芳烃污染农田土壤的原位修复方法，同时提供一种实现该方法的系统。

本发明的重金属镉和多环芳烃污染农田土壤的原位修复方法，包括如下步骤：

(1)将炭包覆多孔泡沫铁微细颗粒与过氧化物(过氧化钠或过氧化钾)和植酸钠的粉体按质量比为65-85:5-15:10-20的比例混合均匀，配成混合物，将混合物均匀撒入受污染土壤，每平方米污染土壤撒入的混合物量为50-300g；

(2)将质量浓度为0.05％的双氧水溶液均匀喷入受污染土壤，按每平方米污染土壤喷施双氧水溶液100-500ml，通过吸附、微电解、氧化还原及螯合作用，将土壤中的多环芳烃和重金属镉等污染物富集并去除；5-8天后，将炭包覆多孔泡沫铁微细颗粒回收。

所述步骤(1)中每平方米污染土壤撒入的混合物量，当污染土壤中镉含量≤3.0mg/kg时撒入量为50-150g，污染土壤中镉含量＞3.0mg/kg时撒入量为150-300g。

所述步骤(2)中当污染土壤中多环芳烃含量≤1.0mg/kg时，每平方米污染土壤喷施双氧水溶液100-300ml；污染土壤中多环芳烃含量＞1.0mg/kg时，每平方米污染土壤喷施双氧水溶液300-500ml。

所述炭包覆多孔泡沫铁微细颗粒的制备方法，是：

按照1-2.5g葡萄糖、5-15g多孔泡沫铁微细颗粒与40ml水的比例，先将葡萄糖溶解于水中，制成葡萄糖溶液，再向葡萄糖溶液中投入多孔泡沫铁微细颗粒，配成混合液；将上述混合液置于水热反应釜中，在120-180℃加热2-6小时，反应后将多孔泡沫铁微细颗粒取出，用去离子水洗涤后烘干，即制得炭包覆多孔泡沫铁微细颗粒。

所述多孔泡沫铁微细颗粒的粒径为200-500微米。

上述方法的原理为：以炭包覆多孔泡沫铁微细颗粒作为铁源，由于多孔泡沫铁外层包覆的炭层具有较强的疏水性，当炭包覆多孔泡沫铁微细颗粒投入重金属镉和多环芳烃污染土壤之后，炭包覆多孔泡沫铁微细颗粒在土壤电解质溶液中可以大量吸附富集疏水性的多环芳烃污染物，将其与土壤电解质溶液分离；同时在多孔泡沫铁微细颗粒表面的铁与炭之间形成大量微型原电池，在微电解反应过程中铁作为原电池阳极被不断地氧化成二价铁离子缓慢释放出来，与施入土壤的双氧水形成芬顿氧化体系，将吸附于多孔泡沫铁表面的多环芳烃污染物氧化分解而去除；植酸钠通过螯合作用可以固定受污染土壤中的重金属镉，并通过吸附与络合作用沉积于炭包覆多孔泡沫铁表面，进而通过磁回收装置将重金属镉与受污染土壤分离。

实现上述方法的原位修复重金属镉和多环芳烃污染农田土壤的系统，采用以下技术方案：

该系统包括撒料装置和回收装置，撒料装置包括撒料移动架，移动架的前部和后部分别设置有撒料前轮和撒料后轮，撒料移动架上设置有混合物料斗、双氧水溶液储槽和双氧水溶液喷头，双氧水溶液喷头与双氧水溶液储槽连接；回收装置包括回收移动架，回收移动架的前部和后部分别设置有回收前轮和回收后轮，回收移动架上设置有磁回收装置和泡沫铁回收槽。

所述混合物料斗的底部设置有闸阀，以控制物料落下。

混合物料斗中用于盛放炭包覆多孔泡沫铁微细颗粒、过氧化物和植酸钠的混合物。双氧水溶液储槽用于盛放并喷洒双氧水溶液。磁回收装置用于通过磁力吸引回收炭包覆多孔泡沫铁微细颗粒。回收槽用于盛放回收的炭包覆多孔泡沫铁微细颗粒。

本发明利用“微电解+类芬顿+磁回收”模式，过程简单，成本低；具有以下特点：

(1)炭包覆多孔泡沫铁微细颗粒为氧化反应提供了稳定、持续的二价铁来源以保证其可持续性；

(2)过氧化物(过氧化钠或过氧化钾)在芬顿氧化反应过程中起到氧化和活化作用，有效降低了双氧水的浓度和施用量，避免了对土壤微生物和有机质的破坏；

(3)植酸钠在芬顿反应过程中可作为双氧水稳定剂，有效延缓双氧水自身的无效分解，提高了双氧水的持续有效性和利用效率，同时植酸钠作为一种高效螯合剂，可螯合重金属镉，形成稳定的螯合物沉积于炭包覆多孔泡沫铁表面，实现重金属镉的去除；

(4)通过磁回收装置将反应后的铁源(炭包覆多孔泡沫铁微细颗粒)回收，解决了土壤的二次污染问题，无二次污染的风险，且铁源可以被重复利用。

附图说明

图1是本发明中原位修复重金属镉和多环芳烃污染农田土壤的系统的结构原理示意图。

图中：1.污染农田土壤；2.撒料前轮；3.混合物料斗；4.双氧水溶液储槽；5.双氧水溶液喷头；6.撒料后轮；7.撒料移动架；8.回收前轮；9.磁回收装置；10.回收槽；11.回收后轮；12.回收移动架。

具体实施方式

本发明中原位修复重金属镉和多环芳烃复合污染农田土壤的系统，如图1所示，该系统含前部A的撒料装置和后部B的回收装置。

撒料装置包括撒料移动架7，撒料移动架7的前部和后部分别设置有撒料前轮2和撒料后轮6，撒料移动架7上由前至后依次设置有混合物料斗3、双氧水溶液储槽4，双氧水溶液储槽的底部分布有双氧水溶液喷头5，混合物料斗3的底部设置有闸阀，以控制物料落下。混合物料斗3中用于盛放炭包覆多孔泡沫铁微细颗粒、过氧化物和植酸钠粉体的混合物。双氧水溶液储槽4用于盛放并喷洒质量浓度0.05％的双氧水溶液。

回收装置包括回收移动架12，回收移动架12的前部和后部分别设置有回收前轮8和回收后轮11，回收移动架12上由前至后依次设置有磁回收装置9和回收槽10。磁回收装置9用于通过磁力吸引回收炭包覆多孔泡沫铁微细颗粒。回收槽10用于盛放回收的炭包覆多孔泡沫铁微细颗粒。磁回收装置9可以采用现有技术，在倾斜放置的传送带上分布磁铁，由磁铁吸引炭包覆多孔泡沫铁微细颗粒，炭包覆多孔泡沫铁微细颗粒随传送带上升，在重力作用下落入回收槽10。如CN106904701A公开的《一种磁回收及污水处理方法》中的磁回收装置，在一个背面设置有磁场区域的皮带坡面上，利用坡顶底部下方设置的磁种回收区域将因重力而从皮带上脱落的磁种回收。

通过拖拉机拉动撒料移动架7在污染农田土壤1上行走，打开混合物料斗3底部的闸阀并开启双氧水溶液喷头5。混合物料斗3中的混合物首先撒落在污染农田土壤1上，控制移动架7行走速度，结合混合物的落料量，使每平方米污染土壤撒入的混合物为50-300g，具体是当污染土壤中镉含量≤3.0mg/kg时撒入量为50-150g，污染土壤中镉含量＞3.0mg/kg时撒入量为150-300g。随后，双氧水溶液储槽4中的双氧水溶液通过双氧水溶液喷头5喷洒在撒入混合物的污染土壤上，按每平方米污染土壤喷施双氧水溶液100-500ml，当污染土壤中多环芳烃含量≤1.0mg/kg时，每平方米污染土壤喷施双氧水溶液100-300ml；污染土壤中多环芳烃含量＞1.0mg/kg时，每平方米污染土壤喷施双氧水溶液300-500ml。待土壤中污染物被充分降解和固定后，通过拖拉机拉动回收移动架12在污染农田土壤1上行走，同时开启磁回收装置9通过磁力吸引回收炭包覆多孔泡沫铁微细颗粒，并盛放于回收槽10中。

实施例1

按1g葡萄糖、10g多孔泡沫铁微细颗粒与40ml水的比例，先将葡萄糖溶解于水中，制成葡萄糖溶液，再向葡萄糖溶液中投入粒径为200-500微米的多孔泡沫铁微细颗粒，配成混合液；将上述混合液置于水热反应釜中，在120℃加热6小时(水热反应釜中压力为1.0～2.0MPa)，反应后将多孔泡沫铁微细颗粒取出，用去离子水洗涤后烘干，即制得炭包覆多孔泡沫铁微细颗粒。

将炭包覆多孔泡沫铁微细颗粒、过氧化钠和植酸钠粉体按质量比为65:15:20的比例混合均匀，配成混合物。

检测污染土壤中的镉含量和多环芳烃含量，当污染土壤中镉含量≤3.0mg/kg时按每平方米污染土壤100g撒入混合物，污染土壤中镉含量＞3.0mg/kg时按每平方米污染土壤225g撒入混合物。当污染土壤中多环芳烃含量≤1.0mg/kg时，每平方米污染土壤喷施双氧水溶液200ml；当污染土壤中多环芳烃含量＞1.0mg/kg时，每平方米污染土壤喷施双氧水溶液400ml。

将混合物装入混合物料斗3中。将质量浓度为0.05％的双氧水溶液装入双氧水溶液储槽4中。先将混合物撒入受污染土壤，再将双氧水溶液通过雾化喷洒装置均匀喷入受污染土壤。待5-8天后，土壤中污染物被充分降解和固定，通过磁回收装置9将炭包覆多孔泡沫铁微细颗粒回收盛放于回收槽10中。

实施例2

按照2.5g葡萄糖、5g多孔泡沫铁微细颗粒与40ml水的比例，先将葡萄糖溶解于水中，制成葡萄糖溶液，再向葡萄糖溶液中投入粒径为200-500微米多孔泡沫铁微细颗粒，配成混合液；将上述混合液置于水热反应釜中，在160℃加热4小时(水热反应釜中压力为1.0～2.0MPa)，反应后将多孔泡沫铁微细颗粒取出，用去离子水洗涤后烘干，即制得炭包覆多孔泡沫铁微细颗粒。

将炭包覆多孔泡沫铁微细颗粒、过氧化钾和植酸钠粉体按质量比为85:5:10的比例混合均匀，配成混合物。

检测污染土壤中的镉含量和多环芳烃含量，当污染土壤中镉含量≤3.0mg/kg时按每平方米污染土壤150g撒入混合物，污染土壤中镉含量＞3.0mg/kg时按每平方米污染土壤300g撒入混合物。当污染土壤中多环芳烃含量≤1.0mg/kg时，每平方米污染土壤喷施双氧水溶液300ml；当污染土壤中多环芳烃含量＞1.0mg/kg时，每平方米污染土壤喷施双氧水溶液500ml。

将混合物装入混合物料斗3中。将质量浓度为0.05％的双氧水溶液装入双氧水溶液储槽4中。先将混合物撒入受污染土壤，再将双氧水溶液通过雾化喷洒装置均匀喷入受污染土壤。待5-8天后，土壤中污染物被充分降解和固定，通过磁回收装置9将炭包覆多孔泡沫铁微细颗粒回收盛放于回收槽10中。

实施例3

按照2g葡萄糖、15g多孔泡沫铁微细颗粒与40ml水的比例，先将葡萄糖溶解于水中，制成葡萄糖溶液，再向葡萄糖溶液中投入粒径为200-500微米多孔泡沫铁微细颗粒，配成混合液；将上述混合液置于水热反应釜中，在180℃加热2小时(水热反应釜中压力为1.0～2.0MPa)，反应后将多孔泡沫铁微细颗粒取出，用去离子水洗涤后烘干，即制得炭包覆多孔泡沫铁微细颗粒。

将炭包覆多孔泡沫铁微细颗粒、过氧化钠和植酸钠粉体按质量比为75:10:15的比例混合均匀，配成混合物。

检测污染土壤中的镉含量和多环芳烃含量，当污染土壤中镉含量≤3.0mg/kg时按每平方米污染土壤50g撒入混合物，污染土壤中镉含量＞3.0mg/kg时按每平方米污染土壤150g撒入混合物。当污染土壤中多环芳烃含量≤1.0mg/kg时，每平方米污染土壤喷施双氧水溶液100ml；当污染土壤中多环芳烃含量＞1.0mg/kg时，每平方米污染土壤喷施双氧水溶液300ml。

将混合物装入混合物料斗3中。将质量浓度为0.05％的双氧水溶液装入双氧水溶液储槽4中。先将混合物撒入受污染土壤，再将双氧水溶液通过雾化喷洒装置均匀喷入受污染土壤。待5-8天后，土壤中污染物被充分降解和固定，通过磁回收装置9将炭包覆多孔泡沫铁微细颗粒回收盛放于回收槽10中。

Claims (7)

1.一种重金属镉和多环芳烃污染农田土壤的原位修复方法，其特征是，包括如下步骤：

(1)将炭包覆多孔泡沫铁微细颗粒与过氧化物和植酸钠的粉体按质量比为65-85:5-15:10-20的比例混合均匀，配成混合物，将混合物均匀撒入受污染土壤，每平方米污染土壤撒入的混合物量为50-300g；

(2)将质量浓度为0.05％的双氧水溶液均匀喷入受污染土壤，按每平方米污染土壤喷施双氧水溶液100-500ml，通过吸附、微电解、氧化还原及螯合作用，将土壤中的多环芳烃和重金属镉等污染物富集并去除；5-8天后，将炭包覆多孔泡沫铁微细颗粒回收。

2.根据权利要求1所述的重金属镉和多环芳烃污染农田土壤的原位修复方法，其特征是，所述步骤(1)中每平方米污染土壤撒入的混合物，当污染土壤中镉含量≤3.0mg/kg时撒入量为50-150g，污染土壤中镉含量＞3.0mg/kg时撒入量为150-300g。

3.根据权利要求1所述的重金属镉和多环芳烃污染农田土壤的原位修复方法，其特征是，所述步骤(2)中当污染土壤中多环芳烃含量≤1.0mg/kg时，每平方米污染土壤喷施双氧水溶液100-300ml；污染土壤中多环芳烃含量＞1.0mg/kg时，每平方米污染土壤喷施双氧水溶液300-500ml。

4.根据权利要求1所述的重金属镉和多环芳烃污染农田土壤的原位修复方法，其特征是，所述炭包覆多孔泡沫铁微细颗粒的制备方法，是：

按照1-2.5g葡萄糖、5-15g多孔泡沫铁微细颗粒与40ml水的比例，先将葡萄糖溶解于水中，制成葡萄糖溶液，再向葡萄糖溶液中投入多孔泡沫铁微细颗粒，配成混合液；将上述混合液置于水热反应釜中，在120-180℃加热2-6小时，反应后将多孔泡沫铁微细颗粒取出，用去离子水洗涤后烘干，即制得炭包覆多孔泡沫铁微细颗粒。

5.根据权利要求4所述的重金属镉和多环芳烃污染农田土壤的原位修复方法，其特征是，所述多孔泡沫铁微细颗粒的粒径为200-500微米。

6.一种原位修复重金属镉和多环芳烃污染农田土壤的系统，其特征是，包括撒料装置和回收装置，撒料装置包括撒料移动架，移动架的前部和后部分别设置有撒料前轮和撒料后轮，撒料移动架上设置有混合物料斗、双氧水溶液储槽和双氧水溶液喷头，双氧水溶液喷头与双氧水溶液储槽连接；回收装置包括回收移动架，回收移动架的前部和后部分别设置有回收前轮和回收后轮，回收移动架上设置有磁回收装置和泡沫铁回收槽。

7.根据权利要求6所述的原位修复重金属镉和多环芳烃污染农田土壤的系统，其特征是，所述混合物料斗的底部设置有闸阀。