CN109534628A - 一种去除污染底泥中黑臭污染物的原位电动修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于底泥原位修复技术领域，公开了一种去除污染底泥中黑臭污染物的原位电动修复方法。该方法是将电动修复装置的电极‑1置于受污染底泥中，电极‑2置于受污染底泥与水体的交界面处；电化学装置包括电极‑1、电极‑2、导线、正负电极转换器和可调压电源；使用导线将电极‑1和电极‑2分别与可调压电装置和正负电极转换器相连接通电运行，通过切换正负极转换器使电极‑1或电极‑2轮流作为阳极，可去除阳极处底泥主要的致黑臭污染物。本发明不需要投加电子受体或供氧剂，而是以电极作为电子受体，利用电能转化为化学能来氧化分解还原性污染物质。该方法所耗费的电能更少，不易造成二次污染等优点，便于较大规模实施的应用前景。

Description

一种去除污染底泥中黑臭污染物的原位电动修复方法

技术领域

本发明属于底泥原位修复技术领域，更具体地，涉及一种去除污染底泥中黑臭污染物的原位电动修复方法。

背景技术

随着我国经济的不断发展，工业化和城镇化的步伐明显推进。在物质生活进步的同时，工业和生活的污染物也急剧增加，这些污染物质长期未经达标处理就直接排放到江河湖泊等水体，使得城市水体污染严重，出现了富营养化和常年性水体黑臭现象。在水体黑臭治理过程中，底泥污染修复是主要的难点，也是目前较为普及的环境问题。污水排入河到后，有一些污染物会通过沉淀或者吸附而蓄积在底泥中，其中很多耗氧有机污染物质在降解过程中会消耗大量溶解氧，形成厌氧环境，有机污染物继续厌氧降解并产生氨氮、硫化氢、挥发性有机酸等恶臭物质，同时和铁、锰等金属离子形成黑色金属硫化物而呈现黑色。因此，底泥中积累的大量硫化物、亚铁、氨氮及部分未降解的有机物等还原态物质是导致黑臭的主要污染物。同时，底质沉积物的再悬浮是黑臭形成的另一原因。河道在水流平缓或静止时，污染物积累在沉积物中；当周围环境改时，污染物质会从底质中释放，造成水质变坏，成为污染源。因此，降低河道底泥的还原性污染物，防止污染物的二次释放才是治理水体黑臭的关键。

底泥的处理方法可以分为原位处理和异位处理。异位处理需要将受污染的底泥搬运到其他场所再进行集中的修复处理，需要消耗较多的劳动力和能源，应用成本高；原位处理不需疏浚而直接对底泥进行修复处理，这样既可节省大量的疏浚费用，又能减少疏浚带来的环境干扰，因此是理想的污染底泥治理方法。然而对于硫化物、亚铁、氨氮等致黑臭的主要污染物，传统的原位处理方法是投加具有高效降解作用的微生物、营养物、电子受体或供氧剂。但这种传统的方法存在较大的缺陷，投加的物质容易受到水力条件等因素的影响，难以达到预期的效果。

电化学修复技术最初兴起于重金属污染土壤的修复，主要利用电场对离子的迁移作用，从而除去污染物，并成功应用于工程中。然而近些年来，对于电化学修复技术的应用范围也不断扩大，应用对象不仅在于重金属，而且包括有机污染物质、部分还原性物质等。应用原理是利用电极的氧化还原作用，对于还原性物质可以利用电极的氧化作用氧化分解污染物质，从而达到修复的目的。因此，利用正电极的氧化作用，可以对硫化物、亚铁、氨氮等致黑臭的主要污染物进行氧化降解，从而对河道表层底泥的黑臭去除，同时被氧化后变黄的沉积物也可以形成一个原位覆盖层，进而阻止底部的污染物继续扩散到水中，防止二次污染的产生。

现有的底泥黑臭修复技术包括物理、化学和生物修复方法。物理的修复方法常用的为底泥曝气的方法，该方法目前存在的不足主要是曝气会短时间内对河流的局部进行扰动，造成本来沉寂在底泥里面的污染物二次释放，造成河流短时间内的污染物质急剧增加，破坏生态系统的平衡；在化学修复方面，目前在理论上认为比较可行的化学修复方法为在底泥中注射硝酸钙等具有氧化性的化学物质来氧化底泥里面的还原性污染物质，从而去除黑臭。该方法存在一个比较严重的问题是，在底泥中注射过量的硝酸钙会在短时间内大量向上覆水释放硝态氮、亚硝态氮和氨氮等物质，会造成局部水体的氮污染，对水中的生态系统造成急剧严重的影响；在生物修复方面，生物修复技术包括往黑臭的水体中种植具有净化功能的水生植物或者往水中投加某种具有净化能力的功能菌株。对于植物来说，植物极其容易受到温度、气候等条件的影响，在实际应用中的大规模应用具有比较大的难度，同时由于植物本身对污染物的分解具有一定的周期性，并不能在短时间内起到很好的效果。而功能菌株在实际中的应用更具有大量的难题需要攻克，因为微生物的生长对环境因素(如pH、温度等)要求比较苛刻。实际的河流环境是处于一个变化的状态，很难会符合微生物的最佳生长条件，同时该微生物在实际环境中的生态影响情况同时也需要得到合理的评估。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的不足和缺点，本发明提供了一种污染底泥黑臭污染物去除的原位电动修复方法，相对于传统的原位生物修复技术而言，该方法不需要投加外源化学物质，并且由电极直接作为污染物降解的电子受体，可降解河道底泥主要致黑臭的污染物，具有较好的应用前景。

本发明的目的通过下述技术方案来实现：

一种去除污染底泥中臭污染物的原位电动修复方法，包括以下具体步骤：

S1.制备电动修复，所述电动修复装置包括电极-1、电极-2、导线、正负电极转换器和可调压电源器；

S2.将上述电动修复装置中的电极-1置于受污染底泥中，电极-2置于受污染底泥与水体的交界面处；

S3.使用导线将电极-1和电极-2分别与可调压电源器相连接并通电；

S4.在电极-1、电极-2与可调压电装置间接入正负极转换器，通过切换正负极转换器，使电极-1和电极-2轮流作为阳极通电，可氧化上述两个电极间的黑臭污染物，从而去除污染底泥中臭污染物。

优选地，步骤S1中所述电极-1和电极-2均为石墨或活性炭，所述导线为钛丝线。

优选地，步骤S3中所述通电的电压为10～20V。

优选地，步骤S3中所述电极-1和电极-2之间的距离为5～10cm。

优选地，步骤S4中所述通电的时间为5～10天。

优选地，步骤S4中所述黑臭污染物为硫化物、亚铁或氨氮中的一种以上。

更为优选地，所述硫化物为硫化氢、硫化亚铁或单质硫中的一种以上。

本发明首次利用阳极氧化作用的原理将电动修复技术直接应用于黑臭底泥中，并达到了去除黑臭的好效果。现有的电动修复技术从未考虑过应用电动修复技术中阳极处的氧化作用来氧化分解底泥里面的还原性黑臭污染物质，传统方法修复主要去除的土壤或底泥里面的重金属物质，主要原理是将电极插入受污染土壤，通过施加低压直流电形成电场，利用土壤孔隙中的水或者外加电解质溶液作为导电介质，使水溶性的和吸附在土壤颗粒表层的污染物，在电场产生的各种电动力学效应下，根据所带电荷的不同而向不同的电极方向运动，到达电极附近的污染物可以通过沉淀/共沉淀、电镀或者离子交换萃取等方法被去除，从而达到修复的目的。而本发明的修复主要去除底泥里面的致黑臭还原性物质，包括：硫化物、亚铁和氨氮等，主要利用阳极处的电极具有氧化作用，以该电极作为电子受体，利用电极的氧化作用来氧化分解还原性污染物质，从而达到去除污染物的目的。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明首次采用直接在底泥中垂直放置两个电极，利用阳极氧化作用的原理将电动修复技术直接应用于黑臭底泥中以去除黑臭污染物质，其中在泥水界面放置电极-2，在相对面的底泥里面放置电极-1，通电之后调整电极转换器来确定好电极-1或电极-2为阳极，在两个电极之间会形成一个电场，在阳极的位置会发生氧化作用，可以氧化底泥里面的硫化物等还原性污染物质，从而去除主要致黑臭物质，除去底泥的黑臭。

2.本发明相比较传统的底泥原位生物修复，不需要投加电子受体或供氧剂，而是以电极作为电子受体，利用电能转化为化学能来氧化分解硫化物、亚铁或氨氮等还原性污染物质。

3.本发明方法与其他的传统电动类修复相比，进行对环境因素的要求更低，在实际中的应用并不会受到环境因素(如pH、温度和气候条件等)的变化而受到影响。同时该装置具有结构简单，构造方便，能够在去除底泥里面黑臭污染物质的同时避免其他污染物的二次释放，避免上覆水的二次污染，便于较大规模实施的应用前景。

4.本发明能在较短的时间内达到理想的效果，在实际应用中所需要时间较短，一般最长为10天，该方法所耗费的电能更少，不易造成二次污染。

说明附图

图1为实施例1中的电动修复装置模型示意图。

图2为实施例1中在装置处理时底泥中硫化物浓度随时间的变化图。

图3为实施例1中在装置处理时底泥中亚铁浓度随时间的变化图。

图4为实施例2中的电动修复装置模型示意图。

图5为实施例2中在不同电压梯度下底泥硫化物的含量变化图。

图6为实施例2中在不同电压梯度下中底泥间隙水氨氮浓度变化图。

图7为实施例3中本发明的应用原理的结构示意图。

图8为实施例3中的电动修复装置模型示意图。

图9为实施例3中切换电极后硫化物含量随的变化图。

图10为实施例3中切换电极后亚铁浓度的变化图。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。

实施例1

图1为实施例1中电动修复装置的结构示意图。该电动修复装置包括电极-1、电极-2、导线和可调压电源装置。电极-1位于底泥的底部，电极-2位于底泥与水的交界面，通过导线将两个电极与电源相连接，其中电极-1连接电源的负极，电极-2连接电源的正极。本实施例中底泥取自东莞石排公园东北处污染河流，实验底泥做厌氧和均匀化处理，采样后用塑料箱密封厌氧遮光保存，作为实验原泥。

本实施例说明污染底泥随着时间变化在原位电动修复后的主要黑臭污染物(硫化物和亚铁)去除效果，包括以下步骤：

为了了解本发明中的电动修复方法对于沉积物中主要的黑臭污染物(硫化物和亚铁)的去除影响，设计了15个玻璃柱子(直径为8cm，高15cm)，然后往每个玻璃柱子中添加约12cm厚的底泥。两个电极(石墨电极板，钛丝作为导线，钛丝用绝缘胶布缠绕)之间距离为10cm，阴极在玻璃柱子下部，距离量筒底部约1～2cm；阳极在玻璃柱子上部(上面覆盖有少许底泥)，加上约2cm的上覆水。连通正负电极后，用对应定制的木制塞子塞住封口。施加直流电源，电压为15V。接通电源后，分别在第1、3、5、7、10天间隔，每天拿出3根玻璃柱子，在正电极以下取2～4cm厚度的样品测定其硫化物和亚铁的含量，观察通电时间对硫化物和亚铁的含量的影响。

图2和图3为本实施例中在装置处理时底泥中硫化物浓度随时间的变化图。从图中可知，随着时间的增加，靠近阳极板的底泥颜色从深黑色变成灰黄色，底泥逐渐被氧化。其中通电10天后，硫化物的含量由最初的6.55mg/g降至2.65mg/g，除去率为59.5％；而亚铁的含量由最初的18.81mg/g降至3.87mg/g，除去率为79.4％。显示了电动修复方法对底泥的硫化物和亚铁具有很好的修复效果，结果表明该修复方法在10天内对底泥的黑臭污染物具有很好的降解作用。

实施例2

本实施例中底泥取自车陂涌珠江入海口，该河段主要受到生活污水污染，导致底泥黑臭严重，主要污染物为有机物、氮、磷、硫化物和重金属。实验底泥做均化处理，采样后用塑料箱密封遮光保存，作为实验原泥。

如图4所示，本实施例说明不同梯度的电压对原位电动修复后的主要黑臭污染物(硫化物和亚铁)去除效果，包括以下步骤：

实验在4个2L玻璃量筒(直径为8cm)内进行，往每个量筒中添加约15cm厚的底泥，两个电极(石墨电极板，钛丝作为导线，钛丝用绝缘胶布缠绕)之间距离为10cm，阴极在玻璃量筒的下部，距离量筒底部约2～3cm；阳极在玻璃量筒的上部(埋入泥面中)，加上约3cm的上覆水。连通正负电极后，用保鲜膜封住玻璃量筒口。施加直流电，电压分别为20V、15V和10V。通电时间总共为10天，10天后取正电极以下2～4cm厚度的底泥样品测定其硫化物和氨氮的含量，观察不同电压梯度对硫化物和氨氮的含量的影响。

图5为不同电压梯度对电动修复底泥的硫化物的修复效果。其中，a中电压梯度为1V/cm，b中电压梯度为1.5V/cm，b中电压梯度为2V/cm。从硫化物的去除效果来看，空白对照组的底泥硫化物，阳极为18.91mg/kg，阴极为19.13mg/kg。电压梯度为2V/cm的阳极去除率为74.47％，1.5V/cm的阳极硫化物去除率为75.34％，而1V/cm电压的硫化物去除率为50.21％。因而，就本实验而言，就硫化物去除率而言，不同电压梯度均能对底泥具有较好的去除效图果，其中1.5V/cm是最佳的电压梯度。

图6为不同电压梯度下，底泥间隙水氨氮浓度变化。从图中可以看出，阳极的氨氮浓度大幅度下降，去除效果明显；阴极的下降幅度不大。实验空白对照组的氨氮浓度都为35.68mg/L，施加电压进行10天的修复后，电压梯度为2V/cm的阳极氨氮去除率为88.28％，阴极为26.16％；1.5V/cm的阳极氨氮去除率是98.55％，阴极是11.68％；1V/cm的氨氮去除率阳极为94.11％，阴极为26.16％。由此可见，在不同电压梯度下都能较好地除去底泥间隙水中的氨氮。1.5V/cm是本试验去除氨氮的最佳电压梯度。

实施例3

本实施例中底泥取自东莞石排公园东北处污染河流，实验底泥做厌氧和均匀化处理，采样后用塑料箱密封厌氧遮光保存，作为实验原泥。

图7为本实施例中本发明的应用原理的结构示意图。图8为本实施例中的电动修复装置模型示意图。该原理结构图和模型图主要包括电极-1、电极-2、导线、正负电极转换器和可调压电源。电极-1位于底泥的底部，电极-2位于底泥与水的交界面，通过导线将两个电极与正负电极转换器和可调压电源相连接，通过切换正负电极转换器使两个电极轮流作为正极来氧化电极间的底泥。本实施例说明定时切换电极转换器来转换电极-1和电极-2的阳极位置对原位电动修复后的主要黑臭污染物(硫化物和亚铁)去除效果，包括以下步骤：

实验设计了9个玻璃柱子(直径为8cm，高15cm)，然后往每个玻璃柱子中添加约12cm厚的底泥。两个电极(石墨电极板，钛丝作为导线，钛丝用绝缘胶布缠绕)之间距离为10cm，电极-1在玻璃柱子下部，距离量筒底部约1～2cm；电极-2在玻璃柱子上部(上面覆盖有少许底泥)，加上约2cm的上覆水。连通电极转换器和电源后，用对应定制的木制塞子塞住封口。施加直流电源，电压为10V。

接通电源后，先调电极转换器，使电极-1连接电源的负极，电极-2连接电源的正极。通电5天后再调电极转换器切换电极，使电极-1连接电源的正极，而电极-2连接电源的负极。再过5天后结束通电，分别在电极-1上部和电极-2下部取2～4cm厚度的样品测定其硫化物和亚铁的含量，观察定时切换电极对硫化物和亚铁的含量的影响。

图9和图10为分别通电5天后切换电极实验的硫化物和亚铁的变化情况。由图可知通电过后电极-1处的硫化物和亚铁含量分别下降了76.07％和72.5％；而电极-2处的硫化物和亚铁含量分别下降了25％和19.6％，可见通过定时切换电极可对电极附近的硫化物和亚铁有较好的降解。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合和简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种去除污染底泥中臭污染物的原位电动修复方法，其特征在于，包括以下具体步骤：

S1.制备电动修复装置，所述电动修复装置包括电极-1、电极-2、导线、正负电极转换器和可调压电源器；

S2.将上述电动修复装置中的电极-1置于受污染底泥中，电极-2置于受污染底泥与水体的交界面处；

S3.使用导线将电极-1和电极-2分别与可调压电源器相连接并通电运行；

S4.在电极-1、电极-2与可调压电装置间接入正负极转换器，通过切换正负转换器，使电极-1和电极-2轮流作为阳极通电，可氧化上述两个电极间的黑臭污染物，从而去除污染底泥中臭污染物。

2.根据权利要求1所述的去除污染底泥中臭污染物的原位修复方法，其特征在于，步骤S1中所述电极-1和电极-2均为石墨或活性炭，所述导线为钛丝线。

3.根据权利要求1所述的去除污染底泥中臭污染物的原位电动修复方法，其特征在于，步骤S3中所述通电的电压为10～20V。

4.根据权利要求1所述的去除污染底泥中臭污染物的原位电动修复方法，其特征在于，步骤S3中所述电极-1和电极-2之间的距离为5～10cm。

5.根据权利要求1所述的去除污染底泥中臭污染物的原位电动修复方法，其特征在于，步骤S4中所述通电的时间为5～10天。

6.根据权利要求1所述的去除污染底泥中臭污染物的原位电动修复方法，其特征在于，步骤S4中所述黑臭污染物为硫化物、亚铁或氨氮中的一种以上。

7.根据权利要求6所述的去除污染底泥中臭污染物的原位电动修复方法，其特征在于，所述硫化物为硫化氢、硫化亚铁或单质硫中的一种以上。