CN109127696A - 原位多物理场耦合修复土壤中重金属污染的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种原位多物理场耦合修复土壤中重金属污染的装置，包括电解机构、污水处理机构、至少一个注水井、至少一个抽水井，电解机构包括电源、至少一个阳电极和至少一个阴电极，阳电极、阴电极分别与电源的正极、电源的负极相连接，阳电极靠近注水井，阴电极靠近抽水井，注水井和抽水井均与污水处理机构相连接。本发明还涉及一种原位多物理场耦合修复土壤中重金属污染的方法。本发明联合水动力场和电动力场对土壤进行修复，通过水动力场加速提取已经通过电场吸附在阳电极和阴电极上的污染物，从而把重金属从土壤中去除；本发明基于电场‑水化学场‑水动力场多物理场耦合的原位修复方法，不破坏土壤的结构和地下水的生态环境，修复效率高。

Description

原位多物理场耦合修复土壤中重金属污染的装置及方法

技术领域

本发明涉及生态环境修复技术领域，尤其涉及一种原位多物理场耦合修复土壤中重金属污染的装置及方法。

背景技术

随着工农业的发展, 土壤污染事故不断发生，有关资料表明，我国受重金属污染的耕地多达2000万公顷，受各种有机污染物或化学品污染的农田总计6000多万公顷。土壤重金属污染具有隐蔽性，长期性，不可逆性等特点，我国土壤重金属污染已经影响到了耕地质量、食品安全、甚至人体健康。

目前，应用的修复技术主要包括种类型物化法和生物法。物化法主要包括隔离、挖掘-地面处理、溶剂淋洗、热脱附、蒸汽萃取、化学固化和稳定化等。生物法主要包括植物修复、动物修复和微生物修复。物化法一般能有效地清除土壤中的污染,但处理过程中会严重影响土壤的结构和地下水的生态环境,且成本较高。原位生物修复虽然不会破坏生态环境但修复过程缓慢，效率低，且其应用受到土壤条件的限制。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足，提供一种降低修复成本、加快修复过程、同时也控制修复工作带来的生态风险的原位多物理场耦合修复土壤中重金属污染的装置及方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种原位多物理场耦合修复土壤中重金属污染的装置，包括电解机构、污水处理机构、至少一个注水井、至少一个抽水井，所述电解机构包括电源、至少一个阳电极和至少一个阴电极，所述阳电极、阴电极分别与所述电源的正极、电源的负极相连接，所述阳电极靠近所述注水井，所述阴电极靠近所述抽水井，所述注水井和抽水井均与所述污水处理机构相连接。

本发明一个较佳实施例中，原位多物理场耦合修复土壤中重金属污染的装置进一步包括所述阳电极和阴电极的数量均为多个，多个所述阳电极串联连接，多个所述阴电极串联连接。

本发明一个较佳实施例中，原位多物理场耦合修复土壤中重金属污染的装置进一步包括所述阳电极和阴电极均为石墨电极板。

本发明一个较佳实施例中，原位多物理场耦合修复土壤中重金属污染的装置进一步包括所述阳电极和阴电极之间的距离为500-2000mm，所述阳电极和阴电极的宽度均为50-2000mm，所述阳电极和阴电极的厚度均为1-20mm。

本发明一个较佳实施例中，原位多物理场耦合修复土壤中重金属污染的装置进一步包括所述注水井和抽水井的下端分别设置有第一滤网和第二滤网，所述第一滤网和第二滤网均为铂材质。

本发明一个较佳实施例中，原位多物理场耦合修复土壤中重金属污染的装置进一步包括所述注水井包括第一PVC管、从下往上依次包覆在所述第一PVC管上的第一石英砂层、第一膨润土层和第一水泥层，所述抽水井包括第二PVC管、从下往上依次包覆在所述第二PVC管上的第二石英砂层、第二膨润土层和第二水泥层。

本发明一个较佳实施例中，原位多物理场耦合修复土壤中重金属污染的装置进一步包括所述注水井与所述阳电极之间的距离≤0.3米，所述抽水井与所述阴电极之间的距离≤0.3米。

一种原位多物理场耦合修复土壤中重金属污染的方法，使用所述装置，包括以下步骤：

（1）选取待处理的重金属污染土壤，将阳电极和阴电极均插入重金属污染土壤中；

（2）开启电源，使土壤中重金属离子向阳电极和阴电极迁移移动，通过抽水井抽取地下水，将移动的重金属污染物随水流抽出，抽出的污水通过污水处理机构进行处理，并回灌到注水井，注入地下水中，并测试抽水中重金属浓度，循环进行直至土壤中的重金属污染物浓度满足场地的要求。

本发明一个较佳实施例中，原位多物理场耦合修复土壤中重金属污染的方法包括所述步骤（1）中重金属污染土壤的渗透系数为1×10^-7cm/s-1×10^-3cm/s。

本发明一个较佳实施例中，原位多物理场耦合修复土壤中重金属污染的方法包括所述步骤（1）中保持抽水井和注水井的水位差≤10米。

本发明具有以下有益效果：

（1）本发明联合地下水水动力场和电动力场对土壤进行修复，通过水动力场加速提取已经通过电场吸附在阳电极和阴电极上的污染物，从而把重金属从土壤中去除，更加贴近实际，优化动电系统修复性能。

（2）本发明原位多物理场耦合修复重金属污染土壤方法修复周期短，成本低，对重金属污染土壤修复效率高，不易造成二次污染，在城市工业污染场地的修复中，更倾向于应用多种修复技术集成的解决方案来治理污染土壤，本发明联合地下水动力学和电动力学修复方法对重金属污染土壤的修复技术领域应用具有重要意义。

（3）本发明基于电场-水化学场-水动力场多物理场耦合的土壤重金属污染原位修复方法，不破坏土壤的结构和地下水的生态环境，同时又能加快土壤修复的过程，提高修复效率。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的优选实施例的结构示意图；

图2是本发明的优选实施例的俯视图；

图3是本发明的优选实施例的注水井的结构示意图；

图4是本发明的优选实施例的抽水井的结构示意图；

图5是本发明的优选实施例的污水处理机构的结构示意图；

图中：10、污水处理机构，12、注水井，14、抽水井，16、电源，18、阳电极，20、阴电极，21、不透水层，22、第一滤网，24、第二滤网，26、第一PVC管，28、第一石英砂层，30、第一膨润土层，32、第一水泥层，34、第二PVC管，36、第二石英砂层，38、第二膨润土层，40、第二水泥层，41、地面，42、分离池，44、洗出液收集池，46、抽水管，48、抽水泵，50、注水管，52、注水泵，54、喷洒装置，56、灌溉装置。

具体实施方式

现在结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明，这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1、图2所示，一种原位多物理场耦合修复土壤中重金属污染的装置，包括电解机构、污水处理机构10、至少一个注水井12、至少一个抽水井14，电解机构包括电源16、至少一个阳电极18和至少一个阴电极20，阳电极18、阴电极20分别与电源16的正极、电源16的负极相连接，阳电极18靠近注水井12，阴电极20靠近抽水井14，注水井12和抽水井14均与污水处理机构10相连接。优选的，将该装置设置在土壤渗透系数K＜1×10^-7cm/s的不透水层21上，防止污染物渗漏进入地下水。

本发明优选电源采用交流电源。本发明优选阳电极18和阴电极20的数量均为多个，多个阳电极8串联连接，多个阴电极20串联连接，加强阳电极18与阴电极20之间的电场强度，为首的阳电极18与电源16的正极相连接，为首的阴电极20与电源16的负极相连接，注水井12和抽水井14的数量均为多个，每个阳电极18附近设置一个注水井12，每个阴电极20附近设置一个抽水井14。本发明优选阳电极18和阴电极20均为石墨电极板。优选阳电极18和阴电极20之间的距离d1为500-2000mm，阳电极18和阴电极20的宽度w均为50-2000mm，阳电极18和阴电极20的厚度a均为1-20mm。进一步优选阳电极18和阴电极20之间的距离d1为1200mm，阳电极18和阴电极20的宽度w均为300mm，阳电极18和阴电极20的厚度a均为4mm。本发明优选注水井12与阳电极18之间的距离d2≤0.3米，抽水井14与阴电极20之间的距离d3≤0.3米。另外，阳电极18、阴电极20、注水井12和抽水井14的具体数量取决于污染场地的背景条件，包括土壤属性、重金属污染物浓度、土壤pH值、含水率、低下水位埋深等。

如图3、图4所示，本发明优选注水井12和抽水井14的下端分别设置有第一滤网22和第二滤网24，第一滤网22和第二滤网24均为铂材质，防止金属离子发生化学反应。本发明优选注水井12包括第一PVC管26、从下往上依次包覆在第一PVC管26上的第一石英砂层28、第一膨润土层30和第一水泥层32，抽水井14包括第二PVC管34、从下往上依次包覆在第二PVC管34上的第二石英砂层36、第二膨润土层38和第二水泥层40。其中，第一水泥层32和第二水泥层40的上表面均高于地面41，提高第一PVC管26和第二PVC管34的强度和使用寿命。优选第一滤网22与第一PVC管26底部相连接，第二滤网24与第二PVC管34底部相连接。

如图5所示，本发明优选污水处理机构10包括分离池42、与分离池42连接的洗出液收集池44，分离池42中设置有重金属螯合剂，用于与重金属离子反应形成絮状沉淀，从而去除污水中重金属离子，处理之后的污水进入洗出液收集池44中，分离池42与抽水井14之间连接有抽水管46，抽水管46上设置有抽水泵48，洗出液收集池44与注水井12之间连接有注水管50，注水管50上设置有注水泵52。优选的，洗出液收集池44连接有喷洒装置54和灌溉装置56，通过喷洒装置54将处理后的水一部分喷洒在土壤表层，通过灌溉装置56将处理后的水一部分进行灌溉。多个注水井12和多个抽水井14均与污水处理机构10相连接，降低运营成本。

一种原位多物理场耦合修复土壤中重金属污染的方法，使用上述装置，包括以下步骤：

（1）选取待处理的重金属污染土壤58，将阳电极18和阴电极20均插入重金属污染土壤中。可以在阳电极18和阴电极20附近分别钻孔，在第一PVC管26底部设置铂材质的第一滤网22，在第二PVC管34的底部设置铂材质的第二滤网24，将第一PVC管26放入靠近阳电极18的孔中，然后依次浇注石英砂、膨润土和水泥，依次形成第一石英砂层28、第一膨润土层30和第一水泥层32，从而形成注水井12，将第二PVC管34放入靠近阴电极20的孔中，然后依次浇注石英砂、膨润土和水泥，依次形成第二石英砂层36、第二膨润土层38和第二水泥层40，从而形成抽水井14。作为优选方案，第一水泥层32和第二水泥层34均高于地面，提高注水井12和抽水井14的使用寿命。作为优选方案，选取的重金属污染土壤的渗透系数为1×10^-7cm/s-1×10^-3cm/s。作为优选方案，使重金属污染土壤与阳电极18之间、重金属污染土壤与阴电极20之间始终保持接触状态。注水井12和抽水井14的宽度、距离、深度需综合考虑地下水流场、地形特点、渗透系数等因素进行优化确定，从流场控制角度研究地下水注水井12和抽水井14的布点位置、布点数量、抽提流量对地下水流场分布的重金属迁移规律的影响，优化确定注水井12和抽水井14的数量、布井位置、抽提流量等工艺参数。

优选地下水抽提井布点数量按照40m×40m来进行布设，布点根据场地的地下水流场图和水文地质剖面图，将整个场地补给、径流、排泄条件查清，将整个场地分为补给区、径流区和排泄区，在补给区布设注水井12，在排泄区布设抽水井14，这样可以通过抽水和注水之间水位差形成水压力场，加快电场修复，同时可以原位修复污染场地地下水中的污染物。抽提流量的范围根据现场抽水试验确定。作为优选方案，保持抽水井和注水井的水位差≤10米。

（2）开启电源16，使土壤中重金属离子向阳电极18和阴电极20迁移移动，通过抽水井14抽取地下水，将移动的重金属污染物随水流抽出，抽出的污水通过污水处理机构10进行处理，并回灌到注水井12，注入地下水中，并测试抽水中重金属浓度，循环进行直至土壤中的重金属污染物浓度满足场地的要求。

为了更进一步的说明本发明的方法，作为优选方案，采用铬污染土壤来实践本发明的方法：

（1）选取待处理的铬污染土壤，现场取样后分析铬的含量，其中污染浓度为50mg/kg，土壤的孔隙度为0.6，土壤的厚度为1米，阳电极18和阴电极20之间的距离为1200mm，阳电极18和阴电极20的宽度均为300mm ,阳电极18和阴电极20的厚度均为4mm，电源16为220V，注水井12和抽水井14之间的水位差为0.5米。

（2）开启电源16，在阳电极18和阴电极20的电压差为220V的条件下，通电6天，使土壤中重金属离子向阳电极18和阴电极20两极迁移移动，采用抽水泵48从抽水井14中不断抽取地下水，将向阳电极18和阴电极20移动的重金属污染物随水流抽出，在地面通过污水处理机构10进行净化处理，然后，再从注水井12回灌到地下。通过不断地抽取、处理和回灌和电场的耦合作用，加快原位处理污染重金属污染土壤的速度，从而把重金属从待处理的土壤中去除，得到修复后的土壤。

通过对修复的铬污染土壤进行检测，修复后的土壤中的铬去除率分别为83.6%，达到很好的重金属去除效果。

以上依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定技术性范围。

Claims (10)

1.一种原位多物理场耦合修复土壤中重金属污染的装置，其特征在于，包括电解机构、污水处理机构、至少一个注水井、至少一个抽水井，所述电解机构包括电源、至少一个阳电极和至少一个阴电极，所述阳电极、阴电极分别与所述电源的正极、电源的负极相连接，所述阳电极靠近所述注水井，所述阴电极靠近所述抽水井，所述注水井和抽水井均与所述污水处理机构相连接。

2.根据权利要求1所述的原位多物理场耦合修复土壤中重金属污染的装置，其特征在于，所述阳电极和阴电极的数量均为多个，多个所述阳电极串联连接，多个所述阴电极串联连接。

3.根据权利要求1或2所述的原位多物理场耦合修复土壤中重金属污染的装置，其特征在于，所述阳电极和阴电极均为石墨电极板。

4.根据权利要求3所述的原位多物理场耦合修复土壤中重金属污染的装置，其特征在于，所述阳电极和阴电极之间的距离为500-2000mm，所述阳电极和阴电极的宽度均为50-2000mm，所述阳电极和阴电极的厚度均为1-20mm。

5.根据权利要求1所述的原位多物理场耦合修复土壤中重金属污染的装置，其特征在于，所述注水井和抽水井的下端分别设置有第一滤网和第二滤网，所述第一滤网和第二滤网均为铂材质。

6.根据权利要求5所述的原位多物理场耦合修复土壤中重金属污染的装置，其特征在于，所述注水井包括第一PVC管、从下往上依次包覆在所述第一PVC管上的第一石英砂层、第一膨润土层和第一水泥层，所述抽水井包括第二PVC管、从下往上依次包覆在所述第二PVC管上的第二石英砂层、第二膨润土层和第二水泥层。

7.根据权利要求1或6所述的原位多物理场耦合修复土壤中重金属污染的装置，其特征在于，所述注水井与所述阳电极之间的距离≤0.3米，所述抽水井与所述阴电极之间的距离≤0.3米。

8.一种原位多物理场耦合修复土壤中重金属污染的方法，其特征在于，使用如权利要求1-7中任一项所述装置，包括以下步骤：

（1）选取待处理的重金属污染土壤，将阳电极和阴电极均插入重金属污染土壤中；

（2）开启电源，使土壤中重金属离子向阳电极和阴电极迁移移动，通过抽水井抽取地下水，将移动的重金属污染物随水流抽出，抽出的污水通过污水处理机构进行处理，并回灌到注水井，注入地下水中，并测试抽水中重金属浓度，循环进行直至土壤中的重金属污染物浓度满足场地的要求。

9.根据权利要求8所述的原位多物理场耦合修复土壤中重金属污染的方法，其特征在于，所述步骤（1）中重金属污染土壤的渗透系数为1×10^-7cm/s-1×10^-3cm/s。

10.根据权利要求8所述的原位多物理场耦合修复土壤中重金属污染的方法，其特征在于，所述步骤（1）中保持抽水井和注水井的水位差≤10米。