CN108015106A - 重金属污染土壤淋洗修复和淋洗液再生一体化装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种重金属污染土壤淋洗修复和淋洗液再生一体化装置及其方法，包括依次用连通管道连接成环的淋洗槽、第一蠕动泵、淋洗液电化学处理槽、第二蠕动泵、淋洗液储槽和第三蠕动泵，淋洗液电化学处理槽还通过管道和电解液储槽连通，管道上设有第四蠕动泵，淋洗液电化学处理槽内设有重金属离子吸附电极和反电极，吸附电极和反电极连接电源，淋洗槽顶部设有连接第三蠕动泵的喷头。该装置采用淋洗液循环系统与电极再生系统，能够很好地实现淋洗液和电极的循环使用，经济高效且成本低，装置结构简单，易于维护，适用性强，具有很好的环境效益和经济效益。

Description

重金属污染土壤淋洗修复和淋洗液再生一体化装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种重金属污染土壤淋洗修复和淋洗液再生一体化装置及其方法，属于重金属污染土壤修复领域。

背景技术

土壤是人类赖以生存的衣食之本。随着社会和工业发展，土壤环境正遭受严重污染，包括重金属污染、有机污染及其他污染。2014年，环境保护部与国土资源部联合发布的《全国土壤污染状况调查公报》显示我国土壤环境状况总体不容乐观，部分地区土壤污染较重，最为严重的即为重金属污染，有机污染次之。重金属在土壤中存在隐蔽性、累积性、地域性、长期性、无法降解、造成地下水污染等特性，严重威胁人体健康和生态环境安全；其修复治理已经在国内外引起了高度重视，同时成为环境科学研究领域的热点课题。

当前重金属污染土壤修复技术主要有固化/稳定化、化学淋洗、植物修复、电动修复等。其中，经固化/稳定化修复后的土壤中重金属浓度未降低，其长期固化/稳定化效果有待进一步研究；植物修复所需时间较长，无法短期实现重金属污染土壤高效修复；电动修复对污染土壤的土质、均一性、含水率、pH等均有较高要求。

土壤化学淋洗修复技术即利用淋洗液将土壤中的重金属转移至液相中，含有淋洗液的土壤经清水洗涤后归还原位再利用，富含重金属的废液则进行进一步的处理，具有修复效果好、时间短、成本低等优点，已在国内外污染场地修复工程中得到了广泛应用。而这项技术的关键在选择合适的淋洗液及淋洗条件，并对淋洗后的含有重金属的淋洗液进行合理处理处置，尽可能提高修复工程环境效益和经济效益，不造成二次污染。

电吸附技术EST(Electro-Sorption Technology)，也可称电容去离子技术CDI(Capacitive Deionization)，是利用带电电极表面吸附水中离子及带电粒子的现象，使水中溶解盐类及其它带电物质在电极的表面富集浓缩而实现水的净化/淡化的一种新型水处理技术。该技术的关键在于用于电吸附的电极材料的吸附性能、稳定性、再生性能、使用寿命等。

授权号为CN 103785677B的中国发明专利，公开了“重金属污染土壤修复和淋洗液循环利用一体化装置及其方法”，该发明中采用EDTA作为重金属污染土壤淋洗液，淋洗后重金属与EDTA形成螯合物，通过向淋洗液中加入芬顿试剂、电化学分解淋洗废液中的EDTA-重金属螯合物，分解后的溶液变为EDTA溶液和重金属离子，重金属离子在电化学反应器的阴极板上放电，重金属离子转变为重金属沉积在阴极附近，从而达到去除重金属的效果。然而，淋洗后的土壤中仍然会存在EDTA，对后续土壤再利用仍存有缺陷，且针对EDTA-重金属螯合物的处置需要加入芬顿试剂、将重金属离子转变为重金属沉积去除，需要较高的沉积电压，且该电压条件下水会发生大量电解，能耗较高，现实情况下较难理想化实现。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种对重金属污染土壤无二次污染、可再生使用的修复装置和方法，可有效提高土壤中重金属去除率和修复效率，实现淋洗液和电极的重复再生，优化装置组成，减少药剂使用，避免修复过程二次污染，提高环境效益和经济效益。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种重金属污染土壤淋洗修复和淋洗液再生一体化装置，包括依次用连通管道连接成环的淋洗槽、第一蠕动泵、淋洗液电化学处理槽、第二蠕动泵、淋洗液储槽和第三蠕动泵；所述淋洗液电化学处理槽还通过管道和电解液储槽连通，管道上设有第四蠕动泵；淋洗液电化学处理槽内设有重金属离子吸附电极和反电极，吸附电极和反电极连接电源；所述淋洗槽顶部设有连接第三蠕动泵的喷头；该装置淋洗液通过电化学处理后回收重复利用，电极通过在电解液中反接电源从而将其表面吸附的重金属离子进行脱附以便再生利用。

其中，所述淋洗槽下方设有静置沉淀过滤装置，其为一个上部开孔的容器，内部可以填充活性炭等吸附剂，底部设有过滤网，将淋洗后的液体进行过滤分离。

该装置还包括一振荡超声装置，所述淋洗槽位于振荡超声装置内部，淋洗槽内还设有搅拌装置，通过振荡、超声和搅拌作用，使淋洗液与污染土壤充分混合，降低重金属离子与土壤之间的吸附力，提高重金属的去除效率。

所述吸附电极和反电极与电源连接的电路上设有手动闸，通过调节手动闸档位，方便吸附电极和反电极与电源的正反接转换。

上述装置修复重金属污染土壤的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：将重金属污染土壤置于淋洗槽内，在淋洗液储槽内装入淋洗液，打开第三蠕动泵，通过喷头将淋洗液喷洒入污染土壤中，开启振荡超声装置和搅拌装置，使污染土壤与淋洗液充分混合；

步骤二：通过静置沉淀过滤装置将淋洗后的液体过滤，经第一蠕动泵送入淋洗液电化学处理槽内，电极接通电源，通过电吸附将淋洗后的液体中重金属离子吸附到吸附电极表面；

步骤三：步骤二电吸附得到的液体经第二蠕动泵送入淋洗液储槽内重复利用；

步骤四：电解液储槽内的电解液通过第四蠕动泵送入淋洗液电化学处理槽内，电极反接电源，将吸附电极表面吸附的重金属离子脱附到电解液中，最后通过第四蠕动泵将电解液返回电解液储槽内；

步骤五：进行下一次循环，即重复步骤一至四，直至完成至少两次循环，实现土壤修复。

其中，所述重金属污染为Cd污染、Ni污染、Pb污染、Cu污染和Zn污染中的一种或两种以上的组合。

步骤一中，所述淋洗液为水。

所述淋洗液通过盐酸、硫酸、硝酸、醋酸、氢氧化钠或氢氧化钾调节pH值为3～6，以实现对土壤中重金属的最佳淋洗效果。

所述吸附电极为碳基电极，材质为碳纤维、石墨烯或碳毡。

所述电解液为0.01～1mol/L的硝酸盐和/或硫酸盐水溶液。

本发明首次将污染土壤淋洗液循环系统与电极再生系统结合，能够连续化对重金属污染土壤进行修复；污染土壤淋洗过程使用水作为清洁淋洗剂，仅需要调节pH，不使用EDTA等螯合剂或络合剂，淋洗过程增加超声、搅拌、振荡等物理方式进行混合，提升淋洗效果；电再生过程使用廉价易得碳质电极材料，不使用芬顿试剂，仅通过调节电压实现重金属离子吸附，无固相金属沉积。

有益效果：

1、本申请装置采用淋洗液循环系统与电极再生系统，能够很好地实现淋洗液和电极的循环使用，经济高效且成本低，装置结构简单，易于维护，适用性强，具有很好的环境效益和经济效益；

2、以水为淋洗液，仅通过常规酸碱进行pH调节，未引入其他药剂或组分，极大地降低了重金属污染土壤淋洗液电化学处理能耗。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1是本发明装置的整体结构示意图。

具体实施方式

根据下述实施例，可以更好地理解本发明。

如图1所示，该重金属污染土壤淋洗修复和淋洗液再生一体化装置包括重金属污染土壤投加装置1、淋洗槽2、振荡超声装置3、搅拌装置4、淋洗液投加装置5、淋洗液储槽6、第三蠕动泵7、静置沉淀过滤装置8、第一蠕动泵9、淋洗液电化学处理槽10、吸附电极11、反电极12、电源13、第二蠕动泵14、第四蠕动泵15、电解液储槽16、喷头17和手动闸18。

淋洗槽2、第一蠕动泵9、淋洗液电化学处理槽10、第二蠕动泵14、淋洗液储槽6和第三蠕动泵7通过连通管道依次连接成环，淋洗液电化学处理槽10还通过管道和电解液储槽16连通，管道上设有第四蠕动泵15；吸附电极11和反电极12位于淋洗液电化学处理槽10内，且连接上部的电源13，手动闸18设置在吸附电极11和反电极12与电源13连接的电路上，手动闸18有三个档位，下接时吸附电极11连接电源13负极，反电极12连接电源13正极，此时淋洗液中的重金属阳离子将吸附于吸附电极11表面；中档为空接，此时电路断开；上接时吸附电极11连接电源13正极，反电极12连接电源13负极，此时吸附电极11表面的重金属阳离子将脱附进入电解液中。

喷头17均匀分布于淋洗槽2顶部，淋洗槽2底部设有静置沉淀过滤装置8，内部还设有搅拌装置4，淋洗槽2置于振荡超声装置3内。

该装置修复重金属污染土壤的方法，包括如下步骤：

步骤一：将重金属污染土壤置于淋洗槽2内，在淋洗液储槽6内装入淋洗液(水)，并调节pH值为3～6，打开第三蠕动泵7，通过喷头17将淋洗液喷洒入污染土壤中，开启振荡超声装置3和搅拌装置4，使污染土壤与淋洗液充分混合；

步骤二：通过静置沉淀过滤装置8将淋洗后的液体过滤，经第一蠕动泵9送入淋洗液电化学处理槽10内，电极接通电源13，通过电吸附将淋洗后的液体中重金属离子吸附到吸附电极11表面；

步骤三：步骤二电吸附得到的液体经第二蠕动泵14送入淋洗液储槽6内重复利用，并再次调节pH值；

步骤四：电解液储槽16内的电解液通过第四蠕动泵15送入淋洗液电化学处理槽10内，电极反接电源13，将吸附电极11表面吸附的重金属离子脱附到电解液中，最后通过第四蠕动泵15将电解液返回电解液储槽16内；

步骤五：进行下一次循环，即重复步骤一至四，完成4～6次循环，实现土壤修复。

分别取1kg修复前的重金属污染土壤与经本装置修复后土壤，采用原子吸收法测定修复前后土壤中重金属离子浓度，结果见表1，从中可以看出，淋洗后土壤中重金属离子去除率大于80％。

表1

编号	污染因子	修复前	淋洗次数	修复后	去除比例
						1	锌	～2000mg/kg	4	～400mg/kg	80％
2	铜	～500mg/kg	5	～35mg/kg	93％
						3	镉	120mg/kg	4	～25mg/kg	80％
4	铅	～300mg/kg	6	～40mg/kg	87％

本发明提供了一种重金属污染土壤淋洗修复和淋洗液再生一体化装置及其方法的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (10)

1.一种重金属污染土壤淋洗修复和淋洗液再生一体化装置，其特征在于，包括依次用连通管道连接成环的淋洗槽(2)、第一蠕动泵(9)、淋洗液电化学处理槽(10)、第二蠕动泵(14)、淋洗液储槽(6)和第三蠕动泵(7)；所述淋洗液电化学处理槽(10)还通过管道和电解液储槽(16)连通，管道上设有第四蠕动泵(15)；淋洗液电化学处理槽(10)内设有重金属离子吸附电极(11)和反电极(12)，吸附电极(11)和反电极(12)连接电源(13)；所述淋洗槽(2)顶部设有连接第三蠕动泵(7)的喷头(17)。

2.根据权利要求1所述的一种重金属污染土壤淋洗修复和淋洗液再生一体化装置，其特征在于，所述淋洗槽(2)下方设有静置沉淀过滤装置(8)，所述静置沉淀过滤装置为一个上部开孔的容器，底部设有过滤网。

3.根据权利要求2所述的一种重金属污染土壤淋洗修复和淋洗液再生一体化装置，其特征在于，还包括一振荡超声装置(3)，所述淋洗槽(2)位于振荡超声装置(3)内部，淋洗槽(2)内还设有搅拌装置(4)。

4.根据权利要求1所述的一种重金属污染土壤淋洗修复和淋洗液再生一体化装置，其特征在于，所述吸附电极(11)和反电极(12)与电源(13)连接的电路上设有手动闸(18)。

5.权利要求3所述装置修复重金属污染土壤的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：将重金属污染土壤置于淋洗槽(2)内，在淋洗液储槽(6)内装入淋洗液，打开第三蠕动泵(7)，通过喷头(17)将淋洗液喷洒入污染土壤中，开启振荡超声装置(3)和搅拌装置(4)，使污染土壤与淋洗液充分混合；

步骤二：通过静置沉淀过滤装置(8)将淋洗后的液体过滤，经第一蠕动泵(9)送入淋洗液电化学处理槽(10)内，电极接通电源(13)，通过电吸附将淋洗后的液体中重金属离子吸附到吸附电极(11)表面；

步骤三：步骤二电吸附得到的液体经第二蠕动泵(14)送入淋洗液储槽(6)内重复利用；

步骤四：电解液储槽(16)内的电解液通过第四蠕动泵(15)送入淋洗液电化学处理槽(10)内，电极反接电源(13)，将吸附电极(11)表面吸附的重金属离子脱附到电解液中，最后通过第四蠕动泵(15)将电解液返回电解液储槽(16)内；

步骤五：进行下一次循环，即重复步骤一至四，直至完成至少两次循环，实现土壤修复。

6.根据权利要求5所述修复重金属污染土壤的方法，其特征在于，所述重金属污染为Cd污染、Ni污染、Pb污染、Cu污染和Zn污染中的一种或两种以上的组合。

7.根据权利要求5所述修复重金属污染土壤的方法，其特征在于，步骤一中，所述淋洗液为水。

8.根据权利要求7所述修复重金属污染土壤的方法，其特征在于，所述淋洗液通过盐酸、硫酸、硝酸、醋酸、氢氧化钠或氢氧化钾调节pH值为3～6。

9.根据权利要求5所述修复重金属污染土壤的方法，其特征在于，所述吸附电极(11)为碳基电极，材质为碳纤维、石墨烯或碳毡。

10.根据权利要求5所述修复重金属污染土壤的方法，其特征在于，所述电解液为0.01～1mol/L的硝酸盐和/或硫酸盐水溶液。