CN108609696A - 一种原位地下水强效电动修复装置及修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种原位地下水强效电动修复装置及修复方法，该修复装置包括多个设置在污染土壤上的注入井、阳极井及阴极井，注入井、阳极井及阴极井内均安装有筛管，注入井连接淋洗液的注入泵，阴极井内安装有潜水泵，潜水泵的输出端连接污水处理设备，阳极井和阴极井内分别放置电极阳极和电极阴极，电极阳极、电极阴极与直流电源相连接形成回路；操作时先将淋洗液加入到注入井内，并通过加入醋酸或盐酸方式控制阴极井内的pH值在4‑6范围内；然后接通直流电源，使阳极和阴极形成回路，通过电极的作用使污染物往阴极方向移动；并通过定期启动潜水泵，将阴极井内的污染溶液抽出排入污水处理设备，可去除重金属污染物，本发明应用于污染地下水修复，具有投资少、成效快等优点。

Description

一种原位地下水强效电动修复装置及修复方法

技术领域

本发明涉及重金属地下水污染修复与环境工程技术领域，具体是一种原位地下水强效电动修复装置及修复方法。

背景技术

地下水是自然界水循环的重要组成部分，与人类活动和生存息息相关。随着生产的发展，中国地下水重金属污染的问题日益严重。对全国118个城市地下水质量进行评价，有64％的城市地下水受到严重污染，33％的城市地下水轻度污染，仅3％的城市地下水基本洁净，已经成为当前人类所面临的最紧迫的环境污染问题之一。

目前治理地下水重金属污染的途径主要有两种：一种是改变重金属在土壤和地下水中的存在形态，使其固定，降低其在环境中的迁移性和生物可利用性；另一种是从土壤和地下水中去除重金属离子。相比较，第二种方法治理重金属污染比较彻底。

通常情况下对重金属污染的土壤和地下水多采用植物修复等技术，但此类型修复的周期长且见效慢。因为重金属离子污染物在土壤中主要与腐殖质类天然有机质结合而吸附在土壤颗粒上，并稳定存在，不易被植物高效吸收，所以增加了重金属离子污染物从土壤中去除的难度，使传统的植物修复效率降低，而地下水污染的抽出处理则耗费较大，应用受到限制。因此发展经济高效的修复技术成为当务之急，从修复技术研究与发展趋势可以看出，电动力学修复技术以其经济高效，成本相对低廉，应用简单备受关注。

电动力学修复技术，是20世纪80年代末兴起的一种绿色现场修复污染土壤和地下水的技术，是从饱和土壤层、不饱和土壤层、污泥、沉积物中分离提取重金属、有机污染物的过程。目前已有美国、英国、德国、澳大利亚、日本和韩国等国家相继开展了电动修复方面的基础和应用性研究。但传统电动修复技术过程中阴极电解水产生的碱性条件会导致重金属发生沉淀，从而抑制地下水中重金属的迁移，降低该技术修复效率影响处理效果。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种原位地下水强效电动修复装置及修复方法，通过添加淋洗液及醋酸缓冲溶液来增加重金属离子的溶解度，防止沉淀的产生，而且由于对地下水的处理发生在两个电极之间，对任何明确位置的目标性很强，可以有效进行原位去除地下水中的污染物。

本发明以如下技术方案解决上述技术问题：

发明一，本发明一种原位地下水强效电动修复装置，包括多个设置在污染土壤上的注入井、阳极井及阴极井，注入井、阳极井及阴极井内均安装有筛管，注入井连接淋洗液的注入泵，阴极井内安装有潜水泵，潜水泵的输出端连接污水处理设备，阳极井和阴极井内分别放置电极阳极和电极阴极，阳极、阴极与直流电源相连接并形成回路。

所述阳极、阴极与直流电源连接的回路上串联电压表和电流表；阳极井及阴极井内设置有pH值监测系统。

发明二，本发明一种原位地下水强效电动修复方法，包括如下操作步骤：

1)布置设备及安装电极：在污染土壤上设置多个注入井、阳极井及阴极井，注入井、阳极井及阴极井内均安装有筛管，注入井连接淋洗液的注入泵，阴极井内安装潜水泵，潜水泵的输出端连接污水处理设备，阳极井和阴极井内分别放置电极阳极和电极阴极，阳极、阴极与直流电源相连接并形成回路；

2)注入淋洗液：通过注入泵将淋洗液加入到注入井内，并通过加入醋酸或盐酸方式控制阴极井内的pH值在4-6范围内；

3)启动电极：接通直流电源，使阳极和阴极形成回路，通过电极的作用使污染物往阴极方向移动；

4)定期启动潜水泵：通过潜水泵的作用，将阴极井内的污染溶液抽出排入污水处理设备作进一步处理。

在步骤1)中，阳极和阴极采用不锈钢网或铁棍制作，直径为3cm，阳极和阴极高出地面10cm，高出部分用带绝缘胶皮的导线连接电极与直流电源，电极与导线连接处用绝缘胶带粘牢，电路中串联电压表和电流表。

在步骤1)中，所述直流电源的电流强度控制在200～1000mA/m，阳极井的阴极与阳极井的阳极之间的电位梯度保持在10-15V/m。

在步骤1)中，在污染土壤上增设一系列监测井，用于监测原位修复的效率和速率，以便根据监测井水中重金属的浓度的变化调整抽取和注入的速率以及加入药剂的量。

在步骤2)中，所述淋洗液采用有机螯合剂或有机酸或无机酸，并按照每口井0.2m³/d的注入速度注入。

在步骤4)中，定期启动潜水泵，以保持阴极井的水位比注入井低20cm。

本发明具有如下有益效果：

1)本发明处理的主要目标为重金属污染物，地下水中重金属的主要形态为其离子形态，在溶液中的迁移性较强，尤其在直流电源的驱动下，形成电解池，阴离子向阳极移动，阳离子向阴极移动，可以最大程度提高修复效率。

2)本发明通过在注入井中加入的淋洗液可以促进地下水中污染物的溶解和迁移，污染物又在电场作用下水平定向迁移到淋洗电解液中，定期抽出电极井中的淋洗电解液并对其进行处理即实现了土壤中污染物的去除。

3)与传统电动修复技术相比，采用本发明方法对重金属污染土壤进行电动修复，其修复效率提高了30％～80％。

附图说明

图1是本发明原位地下水强效电动修复装置的排布示意图。

图1中：1-水泥和膨润土混合物，2-粘土，3-砾石及石英砂，4-注入井筛管，5-阳极井筛管，6-阴极井筛管，7-淋洗液，8-电极阴极，9-电极阳极，10-潜水泵，11-注入泵，12-污水处理设备，21-电压表，22-电流表，23-直流电源，24-地下水水位，A-注入井，B-阳极井，C-阴极井。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

如图1所示，本发明原位地下水强效电动修复技术是根据土壤污染物浓度、污染土壤渗透系数等数据，按网格法在污染土壤场地内建设注入井A、阳极井B及阴极井C，把电极放置在阳极井B及阴极井C中，在阳极井B及阴极井C中加入促进土壤中污染物脱附、溶解、迁移的淋洗液作为电解液，并对电极施加低压直流电场，定期更换和处理电极井中的电解液(即淋洗液)，并及时通过注入井向土壤中添加淋洗液。基于此，通过加入的淋洗液可以促进土壤中污染物的溶解和迁移，污染物又在电场作用下水平定向迁移到电解液中，定期抽出电极井中的电解液并对其进行处理即实现了土壤中污染物的去除。

本发明原位地下水强效电动修复装置的结构如图1所示，它包括设置在污染土壤上的一行注入井A、一行阳极井B及一行阴极井C，每三行为一组，根据污染土壤面积及渗透系数确定使用原位地下水强效电动修复装置数量，进行地下水污染修复。注入井A内设置有注入井筛管4，阳极井B内设置有阳极井筛管5，阴极井C内设置有阴极井筛管6，注入井A、阳极井B及阴极井C内加入淋洗液7，注入井A连接淋洗液的注入泵11，阴极井C内安装有潜水泵10，潜水泵10的输出端连接污水处理设备12，阳极井内放置电极阳极9，阴极井内放置电极阴极8，电极阳极9、电极阴极8与直流电源23相连接并形成回路，该回路上串联有电压表21和电流表22；阳极井及阴极井内设置有pH值监测系统(图中未示出)，所述电压表21、电流表22和pH值监测系统可与自动控制系统相连接，以实现自动监测与自动控制操作。

本发明原位地下水强效电动修复方法包括如下操作步骤及操作要求：

一、布置设备及安装电极：

(1)注入井、阳极井和阴极井的建设

注入井A采取管径为2英寸(约5cm)的筛管，阳极井B和阴极井C设置管径为4英寸(约10cm)的筛管，从阴极井C中抽取的地下水直接打入污水处理池，处理后部分外排，部分循环配药后重新注入土壤中，定期检测处置效果，一直循环进行。修复过程中还设置一系列监测井，监测原位修复的效率和速率，根据监测井水中重金属的浓度的变化调整抽取和注入的速率，以及加入药剂的量。

(2)注入井的构筑

1)成孔：采用直径φ200mm钻机成孔，泥浆比重<1.05。下管前保证井底沉渣厚度不大于20cm，方可下放筛管。

2)井管安装：采用的筛管安放严格按现场技术交底进行，管材为PVC(2英寸)，所有管材均为螺纹连接。管口内壁不错位，选择透水性良好的筛管安装于含水层对应部位。

3)填砾：填砾前井管必须居中，将砾石及石英砂3从井管两侧慢慢对称填入，使填砾厚度均匀，以防中途卡塞及井管错位，填至井口1-2m米时用粘土2填实。在填滤时如发生井口反砾现象，应及时停止填砾，查明原因进行处理。

4)成井：从井底部向上使用2-4mm的石英砂填充，再向上用水泥和膨润土混合物1填充，最上面用水泥填充。井头高于地表20cm。

5)洗井：在成井之后，要立即进行洗井，洗井采用井管外注清水循环法工艺，抽、停交替，直至水清砂净为止。

(3)阳极井和阴极井(即电极井)的构筑

将电极阳极9放置在阳极井B内，将电极阴极8放置在阴极井C内。根据土壤污染深度确定电极井的开挖深度，电极井内径约10cm，为防止电解液外渗，需要对电极井底部和侧壁(不包括靠近电场方向一侧)进行防渗处理或者在电极井内部加设PVC套管，在阴极井C内安装有潜水泵10，以便将淋洗电解液抽出。

(4)布置电极、连接电路

以不锈钢网或铁棍(直径约3cm)作为电极阳极和电极阴极，电极高出地面10cm左右，用带绝缘胶皮的导线连接电极与电源，电极与电线连接处要用绝缘胶带粘牢，电路中设置有电压表21和电流表22。线路连接好后，为防止漏电用PVC绝缘罩将露在地面上的电极罩住或者涂刷绝缘油漆。

采用的电极材料应导电性好、耐腐蚀、不引入二次污染物和易加工安装，一般选用的材料是石墨、钛、铂。

电极的安装一般采用竖直安装，安装方式有2种：一种是直接将中空的电极置入潮湿的土壤中，电极中空的部分为电极井，即内置电极井，污染溶液从电极井壁的筛管孔隙进入电极井，定时从电极井中抽取污染溶液。另一种是将电极置入和土壤直接接触的电极井中,即外置电极井,通过向电极井中加入促进液或清洗水置换进入极室的污染溶液。

二、注入淋洗液

确定电路连接正常后，通过注入泵11向注入井A中注入淋洗液，按照每口井0.2m³/d的注入速度注入，定期启动潜水泵10将阴极井C内的溶液抽出，保持阴极井C的地下水水位24比注入井A低20cm左右，见图1所示。为了节省能源，首先把淋洗液储罐架高，然后利用软管把淋洗液接到注入井，通过阀门来控制淋洗液的添加速度。

三、启动电极

淋洗液添加完成后，接通电路即开始进行原位电动强化修复工程。修复过程中定期利用潜水泵10把淋洗液抽提到污水处理设备12，并进行无害化处理，处理后的淋洗液再循环使用。

修复过程中，通过电极的作用使污染物往阴极方向移动。直流电源的电流强度控制在200～1000mA/m，并通过加入醋酸或盐酸方式控制阴极井内的pH值在4-6范围内。修复过程中电极井的阴极和阳极之间的电位梯度保持在10-15V/m。

修复过程监测及电极井中淋洗液的更换：

修复初期，定时观察记录修复过程电流变化、土壤和电极井中电解液的pH变化和污染物浓度变化(为了降低人力成本，可把修复系统设置为自动化控制系统)。根据这些参数，及时调整淋洗液配比、淋洗液添加和抽提速度、电压等相关工艺参数。

淋洗液的配置和储存：

对地下水中重金属淋洗效果较好的药剂主要有有机螯合剂、有机酸、无机酸，所述淋洗液的配置需综合考虑场地中地下水的性质以及污染物含量和存在形态等因素，并结合小试试验进行优化配置。

淋洗液优选有机弱酸，如柠檬酸、乳酸、草酸和己二酸等，可用作阴极调节剂来降低OH-在修复区域的迁移，减少金属离子在迁移过程中的沉淀从而提高金属在阴极池附近的电沉积。

为防止淋洗液失效，一般配置当天使用的淋洗液量。配置后的淋洗液储存在带盖子的塑料储罐中储存使用。

应用案例：

江苏某废铅酸蓄电池综合利用企业，项目所在地土壤以潮土为主，气候属暖温带半湿润季风气候，光照和雨量充足，地下水位埋深为2.5m-3.5m。

地下水中污染物主要为重金属铅，初始浓度为207mg/L，根据实际场地重金属污染的分布特征，建设一行注入井，一行阳极井，两行阴极井，每行选择6个点位建井。

阳极井Pb的质量浓度由初始的207mg/L开始下降，随电动修复过程的进行逐渐降低到28.7mg/L；而阴极井Pb的质量浓度由207mg/L逐渐下降到33.2mg/L。总体趋势反映Pb在电场作用下主要是向阴极方向发生迁移，使阳极井中Pb含量有所下降，而阴极井的含量由于淋洗液的置换作用也逐步下降。

Claims (8)

1.一种原位地下水强效电动修复装置，其特征在于，它包括多个设置在污染土壤上的注入井、阳极井及阴极井，注入井、阳极井及阴极井内均安装有筛管，注入井连接淋洗液的注入泵，阴极井内安装有潜水泵，潜水泵的输出端连接污水处理设备，阳极井和阴极井内分别放置电极阳极和电极阴极，阳极、阴极与直流电源相连接并形成回路。

2.根据权利要求1所述原位地下水强效电动修复装置，其特征在于，所述阳极、阴极与直流电源连接的回路上串联电压表和电流表；阳极井及阴极井内设置有pH值监测系统。

3.一种原位地下水强效电动修复方法，其特征在于，它包括如下操作步骤：

1)布置设备及安装电极：在污染土壤上设置多个注入井、阳极井及阴极井，注入井、阳极井及阴极井内均安装有筛管，注入井连接淋洗液的注入泵，阴极井内安装潜水泵，潜水泵的输出端连接污水处理设备，阳极井和阴极井内分别放置电极阳极和电极阴极，阳极、阴极与直流电源相连接并形成回路；

2)注入淋洗液：通过注入泵将淋洗液加入到注入井内，并通过加入醋酸或盐酸方式控制阴极井内的pH值在4-6范围内；

3)启动电极：接通直流电源，使阳极和阴极形成回路，通过电极的作用使污染物往阴极方向移动；

4)定期启动潜水泵：通过潜水泵的作用，将阴极井内的污染溶液抽出排入污水处理设备作进一步处理。

4.根据权利要求3所述原位地下水强效电动修复方法，其特征在于，在步骤1)中，阳极和阴极采用不锈钢网或铁棍制作，直径为3cm，阳极和阴极高出地面10cm，高出部分用带绝缘胶皮的导线连接电极与直流电源，电极与导线连接处用绝缘胶带粘牢，电路中串联电压表和电流表。

5.根据权利要求3所述原位地下水强效电动修复方法，其特征在于，在步骤1)中，所述直流电源的电流强度控制在200～1000mA/m，阳极井的阴极与阳极井的阳极之间的电位梯度保持在10-15V/m。

6.根据权利要求3所述原位地下水强效电动修复方法，其特征在于，在步骤1)中，在污染土壤上增设一系列监测井，用于监测原位修复的效率和速率，以便根据监测井水中重金属的浓度的变化调整抽取和注入的速率以及加入药剂的量。

7.根据权利要求3所述原位地下水强效电动修复方法，其特征在于，在步骤2)中，所述淋洗液采用有机螯合剂或有机酸或无机酸，并按照每口井0.2m³/d的注入速度注入。

8.根据权利要求3所述原位地下水强效电动修复方法，其特征在于，在步骤4)中，定期启动潜水泵，以保持阴极井的水位比注入井低20cm。