CN107746163A - 一种基于孔隙水导排的河湖污染底泥原位减量除污装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于孔隙水导排的河湖污染底泥原位减量除污装置，包括直流稳压电源、蠕动泵、电动脱水除污电极。两个电动脱水除污电极相对平行设置插入底泥中，电动脱水除污电极包括导水电极板、设于导水电极板两侧的带孔有机玻璃板、设于带孔有机玻璃板外侧的滤网、盖设于导水电极板的上覆水隔绝罩。导水电极板上设有竖向的导水槽和与直流稳压电源连接的金属导线，导水电极板底部设有与导水槽连通的孔隙水存储器，孔隙水存储器与孔隙水外排导管连接，孔隙水外排导管与蠕动泵相连。本发明野外工作能力强，底泥污染物的原位分离与去除效果好，动力消耗少，运行成本低，维护简单，无化学药剂污染和固体废物产生，对河湖底栖生态环境影响小。
Description
技术领域
本发明涉及水资源保护与水环境治理领域，具体是一种基于孔隙水导排的河湖污染底泥原位减量除污装置。
背景技术
底泥是河湖污染物的重要蓄积库和水生态系统的重要组成部分，在调控物质循环和生态过程与服务中起着至关重要作用。在外源污染输入逐步得到控制的情况下，如何有效控制底泥内源污染释放成为湖泊水环境治理，水生态系统恢复和生物多样性保护的根本前提，也是当前生态文明建设和全面推行河长制必须面对的现实难题。
河湖表层底泥质地疏松，泥水交互作用强烈，是污染释放的活跃区，也是内源控制的关键区。国内外主要采取异位疏浚和原位覆盖来解决底泥内源污染释放的问题，其中，疏浚见效快，可大幅削减污染释放通量，但成本高，疏浚后的泥浆量大、含水率高(>90％)、污染成分复杂，后续处理困难。原位覆盖可快速抑制底泥污染释放，提高水体透明度，但治标不治本，较难削减底泥内源负荷总量，反而增加湖泊底质体积，减小水体水深，影响底栖生态环境。因此，如何以低成本和少干扰生态环境的方式分离并去除底泥中的污染物，是河湖内源释放控制取得长效与实效的技术关键。
孔隙水是底泥污染物的重要赋存介质与核心释放源头。将污染物浓度高的底泥孔隙水予以分离和脱除，能够有效地削减底泥内源污染的总量及释放通量。目前，国内外公开了一些底泥或土壤孔隙水的原位采样和脱除的技术装置。公开号为CN 103323290 A的专利公开了一种用于河流或湖泊沉积物孔隙水采样的采样器，通过采样管下部的不锈钢筛网收集孔隙水，将其储存于采样管底部的锥形头。公开号为CN 105547757 A的专利公开了一种原位沉积物孔隙水分级主动采样器，通过安装在不同高度塑料管的陶瓷头收集孔隙水，实现分级主动采样。申请号为CN201710096949.X的专利公开了拼装式原位淋洗与EKG电动协同去除土壤重金属的装置及方法，装置包括EKG电极固定板、EKG电极保护板、EKG电极、淋洗液渗透槽、土壤重金属溶液收集槽等组成，在电场左右下，对农田土壤重金属淋洗后的孔隙水进行原位收集和排出。
本发明人在实现本发明的过程中经过研究发现：现有基于孔隙水导排的河湖底泥原位修复装置或技术存在较大不足：(1)侧重通过清淤或原位覆盖来抑制孔隙水污染释放，而非直接将孔隙水作为污染源从底泥介质中分离与去除，因此，内源污染的总量削减少；(2)开发带筛网和陶瓷头的孔隙水采样器，虽然能分离孔隙水，但量少，效率低，且不涉及底泥污染物的分离与去除；(3)EKG电极可以对无上覆水的农田土壤孔隙水进行脱除，但EKG电极直接接触土壤，电极导水槽容易被土壤颗粒堵塞，且EKG保护板插拔繁琐，影响装置的防水密封性能，另外，该装置没有考虑底泥上覆水的侵入，及其避免上覆水与孔隙水的交换等问题。
综上，快速有效地分离与去除内源污染物是河湖污染底泥修复的技术瓶颈。如何抓住孔隙水这个底泥内源污染物的主要赋存介质与释放源头，在电场迁移与重力场迁移的作用下，快速将底泥污染物随孔隙水进行原位的迁移、收集、存储与集中排放，从源头上削减底泥污染总量及释放通量，缩短修复周期，将是解决底泥污染内源释放的新思路，具有极大的环境、经济、社会效益和应用前景。
发明内容
本发明提供一种基于孔隙水导排的河湖污染底泥原位减量除污装置，无需疏挖河湖污染底泥，不必加入覆盖材料，不需投入化学药剂；主要依靠低压直流电场与重力场作用，将表层底泥污染物随孔隙水进行原位横向迁移与纵向收集，通过对含高浓度污染物的孔隙水进行集中存储与外排，降低底泥孔隙水含量，削减底泥可释放污染物的总量，完成底泥污染物的泥-水分离和去除，实现了表层底泥减量和除污的目标。该装置野外工作能力强，底泥污染物的原位分离与去除效果好，动力消耗少，运行成本低，维护简单，无化学药剂污染和固体废物产生，对河湖底栖生态环境影响小。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于孔隙水导排的河湖污染底泥原位减量除污装置，包括直流稳压电源、蠕动泵、电动脱水除污电极，两个电动脱水除污电极相对平行设置插入底泥中，电动脱水除污电极包括导水电极板、设于导水电极板两侧的带孔有机玻璃板、设于带孔有机玻璃板外侧的滤网、盖设于导水电极板的上覆水隔绝罩，上覆水隔绝罩为开口向下的箱体结构，上覆水隔绝罩与带孔有机玻璃板和导水电极板的结合部进行密封防水，上覆水隔绝罩的下侧边直接置于底泥内，并距导水电极板四周保持一定距离，上覆水隔绝罩插入底泥的下侧边明显深于带孔有机玻璃板与导水电极板的在底泥中的上边缘，导水电极板上设有竖向的导水槽和金属导线，导水电极板的金属导线与上覆水隔绝罩顶部防水导线套管内的防水导线连接，防水导线与直流稳压电源连接，导水电极板底部设有与导水槽连通的孔隙水存储器，孔隙水存储器与孔隙水外排导管连接，孔隙水外排导管与蠕动泵相连。
进一步的，上覆水隔绝罩的下侧边入泥深度为5cm，上覆水隔绝罩3-7的下侧边距离导水电极板3-1前后左右各10cm。
进一步的，带孔有机玻璃板为中下部有孔，上部无孔结构，带孔有机玻璃板与滤网的开孔的高度和宽度完全相同。
进一步的，带孔有机玻璃板为中下部20cm有孔，上部5-10cm无孔，用于密封导水电极板和防止上覆水的侵入。
进一步的，带孔有机玻璃板孔径不超过5mm，厚度不超过3mm，滤网孔径与厚度均不超过1mm。
进一步的，所述电动脱水除污电极还包括与孔隙水存储器相连的T型把手，用于将电动脱水除污电极插入底泥。
进一步的，上覆水隔绝罩为有机玻璃材质。
进一步的，孔隙水外排导管与蠕动泵通过橡胶软管相连，自动将存储于孔隙水存储器的孔隙水及其所含的污染物进行集中外排。
进一步的，还包括通过橡胶软管与蠕动泵连接的集液桶。
进一步的，孔隙水存储器采用上部方形柱状和下部倒三角锥状的结构，便于存储孔隙水和底泥中插拔。
由于采用了上述方案，本发明具有如下有益效果：
(1)采用倒置型上覆水隔绝罩，为电动脱水除污电极脱除孔隙水创造了相对封闭的环境，阻断了上覆水从竖向与横向对电动脱水除污电极的侵入，确保高效率地脱除含高浓度污染物的孔隙水，提高了整个装置的原位修复的适用性。
(2)滤网、带孔有机玻璃板与导水电极板的组合使用，在固定与平整导水电极板的同时，通过双重拦截过滤，有效阻止底泥颗粒侵入和堵塞导水电极板的导水槽，确保高效收集孔隙水，最大限度减少和避免固形物的排出。
(3)竖向导水电极板能够发挥电迁移、电渗和重力迁移等多重作用，不仅加快了污染物的分离与迁移，也方便了孔隙水的横向与竖向收集，极大提高了底泥原位电动脱水除污效率。
(4)在上覆水存在下，对高含水率的表层底泥进行原位电动脱水除污处理，在实现底泥孔隙水和污染物减量的同时；由于上覆水的静水压力，表层底泥孔隙率将自动减小，促进了底泥的原位密实和减量化，进一步削弱了底泥污染物的释放能力。
(5)采用低压直流电源进行原位电动脱水除污，底泥扰动小，底栖生态环境影响小。装置可重复利用性强，消耗电能少，运行维护成本低，效率高，有利于取得底泥污染释放控制的实效与长效，具有巨大的经济、社会和环境效益。
附图说明
图1是本发明基于孔隙水导排的河湖污染底泥原位减量除污装置的工作原理示意图；
图2是本发明基于孔隙水导排的河湖污染底泥原位减量除污装置的结构示意图；
图3是本发明中导水电极板的结构示意图。
图中：1—河湖底泥，2—上覆水，3—电动脱水除污电极，4—直流稳压电源，5—防水导线，6—蠕动泵，7—集液桶，8—橡胶软管，3-1—导水电极板，3-2—带孔有机玻璃板，3-3—滤网，3-4—孔隙水存储器，3-5—孔隙水外排导管，3-6—防水导线套管，3-7—上覆水隔绝罩，3-8—T型把手，3-1-1—金属导线，3-1-2—导水槽。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
请参阅图1及图2，本发明基于孔隙水导排的河湖污染底泥原位减量除污装置其中一个实施例，包括直流稳压电源4、集液桶7、蠕动泵6、电动脱水除污电极3，电动脱水除污电极3与直流稳压电源4和蠕动泵6相连。电动脱水除污电极3包括T型把手3-8、防水导线套管3-6、上覆水隔绝罩3-7、带孔有机玻璃板3-2、导水电极板3-1、滤网3-3、孔隙水存储器3-4、孔隙水外排导管3-5。
导水电极板3-1为通用型电极，即可做阴极，也可做阳极，本实施例中有2个导水电极板3-1，相对平行设置，分别与直流稳压电源4的正极和负极连接相连，直流稳压电源4具有数显功能，且电压与电流可调。请集合参考图3，导水电极板3-1上设有竖向的导水槽3-1-2和金属导线3-1-1，兼具排水与电极功能，通过电渗与重力作用快速导排底泥孔隙水，并依靠电迁移分离去除底泥中的污染物。金属导线3-1-1穿出导水电极板3-1后与直流稳压电源4相连。孔隙水存储器3-4设于导水电极板3-1底部，与导水槽3-1-2连通。孔隙水存储器3-4与孔隙水外排导管3-5连接，孔隙水外排导管3-5与蠕动泵6通过橡胶软管8相连，自动将存储于孔孔隙水存储器3-4的孔隙水及其所含的污染物进行集中外排。如图1所示，孔隙水存储器3-4可采用上部方形柱状和下部倒三角锥状的结构，便于存储孔隙水和底泥中插拔。如图2所示，T型把手3-8与孔隙水存储器3-4相连，用于整个底泥原位电动脱水除污电极操作。T型把手3-8可采用不锈钢等硬质材料制作。
导水电极板3-1两侧外部依次是孔径较大的带孔有机玻璃板3-2和孔径较小的滤网3-3。带孔有机玻璃板3-2为中下部有孔，上部无孔结构，带孔有机玻璃板3-2与滤网3-3的开孔的高度和宽度完全相同。带孔有机玻璃板3-2主要用于固定与平整导水电极板3-1。通过带孔有机玻璃板3-2与滤网3-3的双重过滤拦截，防止了电动脱水除污过程中表层底泥颗粒随孔隙水流失侵入和堵塞导水电极板3-1的导水槽3-1-2。
上覆水隔绝罩3-7为开口向下的箱体结构，盖设于导水电极板3-1顶部，包括顶板及沿顶板四周向下延伸的下侧边。上覆水隔绝罩3-7的顶板与带孔有机玻璃板3-2和导水电极板3-1的结合部进行密封防水。上覆水隔绝罩3-7的下侧边直接置于底泥内，并距导水电极板3-1四周保持一定距离。上覆水隔绝罩3-7插入底泥的下侧边要明显深于带孔有机玻璃板3-2与导水电极板3-1的在底泥中的上边缘，这样可避免上覆水通过上覆水隔绝罩3-7的边壁直接侵入电动脱水除污电极。上覆水隔绝罩3-7顶部设有防水导线套管3-6，防水导线套管3-6内设有防水导线5，导水电极板3-1的金属导线3-1-1与防水导线套管3-6内的防水导线5连接，防水导线5与直流稳压电源4连接。防水导线套管3-6用于保证导水电极板3-1的金属导线3-1-1和与之相连的防水导线5在上覆水中用电安全，防止漏电。
将电动脱水除污电极3插入底泥1，当接通直流稳压电源4后，底泥内部发生电解水反应，生成H+和OH-，H+的增加会促进底泥污染物的溶解、解吸和大量释放，迅速提高孔隙水中污染物的浓度。
在直流电场作用下，表层底泥中的金属离子、NH4 +、H+等阳离子向导水电极板3-1的阴极进行定向电迁移，PO4 3-，Cl-、SO4 2-、OH-等阴离子则向导水电极板3-1的阳极定向电迁移。在发生电迁移的同时，进入孔隙水的污染物，还会随孔隙水一道，在电渗效应下从导水电极板3-1的阳极向阴极定向迁移。因此，在电迁移与电渗的双重作用下，实现了污染物与孔隙水从表层底泥介质中的分离。
迁移到电动脱水除污电极3附近的底泥污染物或孔隙水分子，依次通过滤网3-3和带孔有机玻璃板3-2，进入导水电极板3-1的导水槽3-1-2，然后在重力作用下，沿着导水槽3-1-2汇入孔隙水存储器3-4。在不通电的情况下，导水槽孔隙水存储器3-4还可以将导水电极板3-1上方底泥中的孔隙水进行集中收集排放。
以下结合图1、图2和图3说明其具体实施过程：
1.了解待处理水域水情与河湖底泥1污染状况，包括上覆水2的水深、流速、底泥1孔隙水含量与分布、污染物种类、含量及分布等基本参数。基于待处理水域的水文条件和底泥1污染赋存特征，确定电动脱水除污电极3插入底泥1的深度，以及蠕动泵6的扬程等。一般来说，表层0-10cm底泥1孔隙水含量高，含水率为60％-80％；随着底泥1的深度增加，孔隙水含量普遍呈下降趋势，当底泥1的厚度超过30cm时，含水率一般低于50％。为提高底泥1的脱水除污效率，一般建议选择污染物浓度高、孔隙水释放活跃的表层20cm底泥1进行处理。
2.选定待处理区域后，通过与孔隙水存储器3-4相连T型把手3-8，将电动脱水除污电极3插入底泥1，一般根据待处理水域上覆水2的水深和T型把手3-8的入水程度，确认电动脱水除污电极3是否插入到设定深度。为减小直流电场对底栖生态环境的影响，电动脱水除污电极3的通电电压一般不超过30V，相邻两个电动脱水除污电极3的间距不超过2.0m，电压梯度控制在1V/cm以内。
3.电动脱水除污电极3顶部安装的上覆水隔绝罩3-7为有机玻璃材质，为开口向下的箱体结构，上覆水隔绝罩3-7的下侧边直接置于底泥1内，入泥深度为5cm，上覆水隔绝罩3-7的下侧边距离导水电极板3-1前后左右各10cm，以防止上覆水2通过上覆水隔绝罩3-7的边壁侵入和绕流而进入电动脱水除污电极3。另外，上覆水隔绝罩3-7与带孔有机玻璃板3-2和导水电极板3-1的结合部进行密封防水处理，切断上覆水2与孔隙水的直接水力联系。
4.接通直流稳压电源4，待处理底泥1内部的孔隙水发生电解反应，生成H+和OH-，H+的增加会提高表层底泥酸度，促进底泥污染物的溶解、解吸和大量释放，将底泥污染物予以分离，并进入孔隙水。
5.在直流电场作用下，底泥1中金属离子、NH4 +、H+等阳离子向导水电极板3-1的阴极进行定向迁移，PO4 3-，Cl-、SO4 2-、OH-等阴离子则向导水电极板3-1的阳极定向迁移。在发生电迁移的同时，进入孔隙水的污染物，还会随孔隙水在电渗效应下从导水电极板3-1的阳极向阴极定向迁移。受到电迁移与电渗的双重作用，污染物与孔隙水从待处理底泥1中进行有效分离。
6.导水电极板3-1的双面带有均匀的导水槽3-1-2优先考虑竖向布置。导水电极板3-1属于通用型电极，即可做阳极，也可做阴极，导水电极板3-1的内部金属导线3-1-1与防水导线套管3-6相连，用于给导水电极板3-1供电，导水电极板3-1可由石墨等导电材料加工而成。
7.直流电场作用下，迁移到电动脱水除污电极3附近的污染物或孔隙水，依次通过滤网3-3和带孔有机玻璃板3-2，进入导水电极板3-1的导水槽3-1-2。滤网3-3为纤维材质，孔径与厚度均不超过1mm；带孔有机玻璃板3-2孔径不超过5mm，厚度不超过3mm。滤网3-3与带孔有机玻璃板3-2开孔高度与待处理底泥1的深度相同，一般20cm。
8.导水电极板3-1的正面与反面通过两块相同的带孔有机玻璃板3-2进行固定与平整，带孔有机玻璃板3-2的外部为滤网3-3。带孔有机玻璃板3-2为中下部20cm有孔，上部5-10cm无孔，用于密封导水电极板3-1和防止上覆水1的侵入。
9.通过带孔有机玻璃板3-2与滤网3-1的双重过滤拦截，有效阻止了电动脱水除污过程中表层底泥颗粒随孔隙水流失侵入和堵塞导水电极板3-1的导水槽3-1-2。
10.在电场或重力作用下，迁移至导水电极板3-1附近的底泥孔隙水，继续沿着导水电极板3-1的导水槽3-1-2汇入孔隙水存储器3-4。孔隙水存储器3-4采用上部方形柱状和下部倒三角锥状的结构，便于在存储孔隙水和底泥1中插拔。
11.孔隙水存储器3-4的上部方形处，横向连接了孔隙水外排导管3-5。孔隙水外排导管3-5与蠕动泵6通过橡胶软管8相连，自动将存储于孔隙水存储器3-4的孔隙水及其所含的污染物从底泥1介质中分离与集中外排。
12.底泥原位电动脱水除污电极3通过直流稳压电源4与防水导线5进行供电。直流稳压电源4具有数显功能，且电压与电流可调。为节省能耗，电动脱水除污电极3一般采用间歇通电模式运行。断电期间，导水电极板3-1的导水槽3-1-2可以依靠重力作用收集导水电极板3-1上方底泥1中的孔隙水。
13.运行过程中，待蠕动泵6的孔隙水出水明显减少时，即可停止电动脱水除污操作，通过T型把手3-8将电动脱水除污电极3拔出，经过适当冲洗后，继续开展工作。
14.本装置的电动脱水除污电极3具有通用化和可标准化特性，能兼做阳极或阴极。在具体实践中，可以进行多个电动脱水除污电极3的组合或集中，这样便大大提高了单个电动脱水除污电极3的处理面积，并借助集中供电和统一抽排孔隙水，提高装置的运行效益。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种基于孔隙水导排的河湖污染底泥原位减量除污装置，包括直流稳压电源、蠕动泵、电动脱水除污电极，两个电动脱水除污电极相对平行设置插入底泥中，其特征在于：电动脱水除污电极包括导水电极板、设于导水电极板两侧的带孔有机玻璃板、设于带孔有机玻璃板外侧的滤网、盖设于导水电极板的上覆水隔绝罩，上覆水隔绝罩为开口向下的箱体结构，上覆水隔绝罩与带孔有机玻璃板和导水电极板的结合部进行密封防水，上覆水隔绝罩的下侧边直接置于底泥内，并距导水电极板四周保持一定距离，上覆水隔绝罩插入底泥的下侧边明显深于带孔有机玻璃板与导水电极板的在底泥中的上边缘，导水电极板上设有竖向的导水槽和金属导线，导水电极板的金属导线与上覆水隔绝罩顶部防水导线套管内的防水导线连接，防水导线与直流稳压电源连接，导水电极板底部设有与导水槽连通的孔隙水存储器，孔隙水存储器与孔隙水外排导管连接，孔隙水外排导管与蠕动泵相连。
2.如权利要求1所述的基于孔隙水导排的河湖污染底泥原位减量除污装置，其特征在于：上覆水隔绝罩的下侧边入泥深度为5cm，上覆水隔绝罩3-7的下侧边距离导水电极板3-1前后左右各10cm。
3.如权利要求1所述的基于孔隙水导排的河湖污染底泥原位减量除污装置，其特征在于：带孔有机玻璃板为中下部有孔，上部无孔结构，带孔有机玻璃板与滤网的开孔的高度和宽度完全相同。
4.如权利要求3所述的基于孔隙水导排的河湖污染底泥原位减量除污装置，其特征在于：带孔有机玻璃板为中下部20cm有孔，上部5-10cm无孔，用于密封导水电极板和防止上覆水的侵入。
5.如权利要求1所述的基于孔隙水导排的河湖污染底泥原位减量除污装置，其特征在于：带孔有机玻璃板孔径不超过5mm，厚度不超过3mm，滤网孔径与厚度均不超过1mm。
6.如权利要求1所述的基于孔隙水导排的河湖污染底泥原位减量除污装置，其特征在于：所述电动脱水除污电极还包括与孔隙水存储器相连的T型把手，用于将电动脱水除污电极插入底泥。
7.如权利要求1所述的基于孔隙水导排的河湖污染底泥原位减量除污装置，其特征在于：上覆水隔绝罩为有机玻璃材质。
8.如权利要求1所述的基于孔隙水导排的河湖污染底泥原位减量除污装置，其特征在于：孔隙水外排导管与蠕动泵通过橡胶软管相连，自动将存储于孔隙水存储器的孔隙水及其所含的污染物进行集中外排。
9.如权利要求1所述的基于孔隙水导排的河湖污染底泥原位减量除污装置，其特征在于：还包括通过橡胶软管与蠕动泵连接的集液桶。
10.如权利要求1所述的基于孔隙水导排的河湖污染底泥原位减量除污装置，其特征在于：孔隙水存储器采用上部方形柱状和下部倒三角锥状的结构，便于存储孔隙水和底泥中插拔。
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