CN107876559B - 一种基于土壤电学参数的电场动态调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于土壤电学参数的电场动态调控方法，包括以下步骤：测定有机污染土壤中污染物的浓度场，确定电极布设位置与极性；根据污染物浓度分级与土壤电学参数，计算输入电压大小；基于土壤电学参数变化，动态调控电场空间分布，保持电场与污染物浓度场的匹配度。本发明有效解决了有机污染土壤电动修复工程效率的空间差异问题，提高了电动修复的整体工程修复效率。

Description

一种基于土壤电学参数的电场动态调控方法

技术领域

本发明涉及有机污染土壤的修复技术，具体说是一种基于土壤电学参数的电场动态调控方法。

背景技术

电动方法修复有机污染土壤是目前一种新兴技术，是将成对电极插入到污染土壤中，施加微弱直流电形成电场。在电化学反应和电动效应的联合作用下，能够有效去除土壤中的有机污染物。

前期研究，利用M×N个矩阵电极排列，以及周期性的极性切换，构建了全覆的均匀电场(ZL200510130710.7，ZL201110203862.0)。但是由于实际修复过程中，土壤中有机污染物的浓度场存在显著的空间异质性。所以，简单的均匀电场或叠加电场难以满足有机物的空间同比例削减。虽然前期有利用多种类型电极布设对场强的补偿的研究(20161044173.X，201610137627.0)，在局部改变了电场分布，实现了有机污染物高浓度区的快速削减，但是这些均未考虑到土壤导电率、含水率、pH等电学参数对实际工程电场的衰减作用，而且土壤电学参数随着电动修复过程存在动态变化。现有电场构建方式难以满足电场与浓度场相匹配的工程需求。

因此，针对土壤中有机污染物空间分布的异质性与均匀电场去除效率一致性的矛盾，根据土壤电学参数在电动修复过程中对电场强度的影响，基于电场强度的模拟计算值，结合土壤电学动态变化，调控污染物浓度场不同浓度等级的输入电压，实现电场与污染物浓度场的动态空间匹配，有效解决了有机污染土壤电动修复工程效率的空间差异问题，对提高电动修复有机污染土壤的整体效率具有重大意义。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于土壤电学参数的电场动态调控方法。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案：一种基于土壤电学参数的电场动态调控方法，包括以下步骤：

(1)测定有机污染土壤中污染物的浓度场，布设电极并确定电极极性；

(2)根据污染物浓度分级与土壤电学参数，计算输入电压大小；

(3)动态调控电场空间分布，保持电场与污染物浓度场的匹配度。

所述确定电极极性，具体是指：

在有机物浓度场按浓度梯度分为n级，n∈[2,10]且n∈N⁺，在不同浓度分级内布设电极；

相同污染物浓度级中布设的电极极性相同，相邻污染物浓度级中布设的电极极性相反，定时切换电极。

所述根据污染物浓度分级与土壤电学参数，计算输入电压大小包括以下步骤：

(1)计算有机污染物浓度场每级浓度平均值C_i，i＝1,2,3……n；

(2)根据土壤中有机物降解量△C与电场强度E的关系，计算降解系数α，即α＝△C/E；

(4)测定土壤电学参数：电导率、含水率和pH；计算电压U与场强E之间的衰减系数β，E＝β×U；

(3)根据最小浓度级平均值C₁所需的电场强度E₁，计算每个浓度级所需电场强度E_i/E₁＝C_i/C₁；

(5)根据电场强度得到每个浓度级中电极的输入电压U_i。

所述动态调控电场空间分布，保持电场与污染物浓度场的匹配度具体为：

调整各浓度等级内电极输入电压U，满足电场与污染物浓度场的匹配度γ≥阈值；匹配度γ计算公式如下：

n∈[2,10]且n∈N⁺

其中，

是各浓度等级内电极输入电压U_i的平均值，

是各浓度等级平均值C_i的平均值。

本发明具有以下优点及有益效果：

本发明根据土壤电学参数在电动修复过程中对电场强度的影响，基于电场强度的模拟计算值，结合土壤电学动态变化，调控污染物浓度场不同浓度等级的输入电压，实现电场与污染物浓度场的动态空间匹配，有效解决了有机污染土壤电动修复工程效率的空间差异问题。

附图说明

图1为本发明专利实施的流程图；

图2为实施例1中电场与石油烃污染场的匹配度变化。

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。

一种基于土壤电学参数的电场动态调控方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)测定有机污染土壤中污染物的浓度场，确定电极布设位置与极性；

(2)根据污染物浓度分级与土壤电学参数，计算输入电压大小；

(3)基于土壤电学参数变化，动态调控电场空间分布，保持电场与污染物浓度场的匹配度。

所述确定电极布设位置与极性，包括以下步骤：

(1)采用网格采样法，采集有机污染土壤样品，采样网格长度D与污染场地最短边界L的关系，D≥L/10且D≥10cm；

(2)利用反距离权重法绘制土壤中有机污染物浓度场，浓度分级方式采用分位值法，分级数量n∈[2,10]且n∈N⁺；

(3)根据反函数法(201710058176.6)得到插值点的位置，并在相同浓度等级斑块内，选取几何中心点，作为电极的布设位置。在不同浓度分级中，确定电极布设的位置；

(4)相同污染物浓度级中布设的电极极性相同，相邻污染物浓度级中布设的电极极性相反；

(5)定时切换电极极性，切换周期T∈[6h，24h]。

所述计算输入电压大小，包括以下步骤：

(1)计算有机污染物浓度场每级浓度平均值C_i(i＝1,2,3……n)；

(2)根据有机污染物电动修复降解实验，分析土壤中有机物降解量△C与电场强度E的关系，计算降解系数α，即α＝△C/E；

(4)测定土壤电学参数，主要为电导率、含水率和pH，利用梯度实验，计算电压U与场强E之间的衰减系数β，E＝β×U；

(3)根据最小浓度级平均值C₁所需的电场强度E₁，计算每个浓度级所需电场强度E_i/E₁＝C_i/C₁(i＝2,3……n)

(5)计算每个浓度级中电极的输入电压U_i(i＝1,2,3……n)；

(6)输入电压值的范围为U∈[0V 36V]。

所述基于土壤电学参数变化，动态调控电场空间分布，包括以下步骤：

(1)在线监测土壤电导率、含水率和pH等电学参数变化；

(2)采用电场强度测定仪(ZL 201410827289.4)，监控对应点位的电场强度变化；

(3)采用抽样法，定期采样分析土壤中污染物浓度的变化，抽样数量m≥n/4，定期采样时间间隔t∈[2d 10d]；

(4)根据土壤电学参数与污染物浓度，增加、减少或保持各浓度等级内电极输入电压U，满足电场与污染物浓度场的匹配度γ≥0.95。匹配度γ计算公式如下：

n∈[2,10]且n∈N⁺

(5)直至修复后污染物浓度场的平均值C_ave≤C，且浓度空间变异系数δ≤5％，完成修复。

实施例1

本实施例所修复的污染土壤为实验室配置的石油污染土壤，所采的土壤为粘土，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40g/kg±10g/kg的石油污染土壤，自然风干放置7天，用去离子水调节含水率为25％，装入到电动修复反应槽内(长100cm×宽100cm×高15cm)。

本实施例中基于土壤电学参数的电场动态调控方法，具体实施步骤是(图1)：1)测定有机污染土壤中污染物的浓度场，确定电极布设位置与极性；2)根据污染物浓度分级与土壤电学参数，计算输入电压大小；3)基于土壤电学参数变化，动态调控电场空间分布，保持电场与污染物浓度场的匹配度。

步骤一、确定电极布设位置与极性具体如下：

(1)采用网格采样法，采集有机污染土壤样品，采样网格长度D＝10cm；

(2)利用反距离权重法绘制土壤中有机污染物浓度场，浓度分级方式采用分位值法，分级数量n＝4，浓度范围分别是C₁∈[20g/kg,25g/kg)，C₂∈[25g/kg,32g/kg)，C₃∈[32g/kg,40g/kg)，C₄∈[40g/kg,50g/kg]；

(3)根据反函数法(201710058176.6)，得到插值点位置，并根据在不同浓度分级的几何中心点，确定电极布设位置，共布设电极22根；

(4)相同污染物浓度级中布设的电极极性相同，相邻污染物浓度级中布设的电极极性相反；

(5)定时切换电极极性，切换周期T＝8h。

步骤二、计算输入电压大小具体如下：

(1)计算有机污染物浓度场每级浓度平均值分别为C₁＝22g/kg，C₂＝26g/kg，C₃＝33g/kg，C₄＝42g/kg。

(2)根据本实施例中的石油烃电动修复降解实验，分析土壤中有机物降解量△C与电场强度E的关系，计算降解系数α，即α＝△C/E＝0.04g·cm/(kg·V)；

(4)测定土壤电学参数，主要为电导率∈[220μs/m,240μs/m]、含水率∈[20％,25％]和pH∈[4,7]，利用梯度实验，计算电压U与场强E之间的衰减系数β＝0.82；

(3)根据最小浓度级平均值C₁＝22g/kg所需的电场强度E₁＝1.2V/cm，计算每个浓度级所需电场强度E_i/E₁＝C_i/C₁(i≠2,3,4)，以及对应的初始电压值U₁＝21V，U₂＝24V，U₃＝27V，U₄＝32V；

步骤三、动态调控电场空间分布具体如下：

(1)在线监测土壤电导率、含水率和pH等电学参数变化；

(2)采用电场强度测定仪(ZL 201410827289.4)，监控对应点位的电场强度变化；

(3)采用抽样法，每隔5d抽样30个样品，分析土壤中污染物浓度的变化；

(4)调整各浓度等级内电极输入电压U，满足电场与污染物浓度场的匹配度γ≥0.95。

(5)修复到60d时，修复后石油烃浓度场的平均值C_ave≤目标值C，且浓度空间变异系数δ≤5％，终止修复。

以上内容是结合具体的优先实施案例对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于此。在不脱离本发明构思的前提下，还可做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于土壤电学参数的电场动态调控方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)测定有机污染土壤中污染物的浓度场，布设电极并确定电极极性；

(2)根据污染物浓度分级与土壤电学参数，计算输入电压大小；

(3)动态调控电场空间分布，保持电场与污染物浓度场的匹配度；

所述动态调控电场空间分布，保持电场与污染物浓度场的匹配度具体为；

调整各浓度等级内电极输入电压U_i，满足电场与污染物浓度场的匹配度γ≥阈值；匹配度γ计算公式如下：

n∈[2,10]且n∈N⁺

其中，

是各浓度等级内电极输入电压U_i的平均值，

是各浓度等级平均值C_i的平均值i＝1,2,3……n，β为衰减系数，n为有机污染土壤中污染物浓度场按浓度梯度等级，γ为匹配度。

2.按权利要求1所述的基于土壤电学参数的电场动态调控方法，其特征在于，所述确定电极极性，具体是指：

在有机污染土壤中污染物浓度场按浓度梯度分为n级，n∈[2,10]且n∈N⁺，在不同浓度分级内布设电极；

相同污染物浓度级中布设的电极极性相同，相邻污染物浓度级中布设的电极极性相反，定时切换电极。

3.按权利要求1所述的基于土壤电学参数的电场动态调控方法，其特征在于，所述根据污染物浓度分级与土壤电学参数，计算输入电压大小包括以下步骤：

(1)计算有机污染土壤中污染物浓度场每级浓度平均值C_i，i＝1,2,3……n；

(2)根据土壤中有机污染土壤中污染物降解量△C与电场强度E的关系，计算降解系数α，即α＝△C/E；

(3)根据最小浓度级平均值C₁所需的电场强度E₁，计算每个浓度级所需电场强度E_i/E₁＝C_i/C₁；

(4)测定土壤电学参数：电导率、含水率和pH；计算电压U与场强E之间的衰减系数β，E＝β×U；

(5)根据电场强度得到每个浓度级中电极的输入电压U_i。

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