CN109746258B - 一种灌浆联合电渗处理土壤中六价铬离子的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种灌浆联合电渗处理土壤中六价铬离子的方法，包括以下步骤：S1：在待处理土壤中钻孔并设置灌浆孔，在灌浆孔周边布设电渗装置的阴极与阳极；S2：将具有还原、吸附、胶凝性能的灌浆材料通过注浆泵注入灌浆孔，待灌浆结束后开启电渗装置进行电渗处理；S3：收集电渗装置阴极处的水溶液，并检测水溶液中六价铬离子的浓度，六价铬离子的浓度达到设计要求，停止施工，六价铬离子的浓度达不到设计要求，重复步骤S2与步骤S3。本发明中将灌浆处理与电渗处理两种方法结合，具有步骤操作简便、处理周期短、处理面积大、效率高、适用于所有性质的土层。

Description

一种灌浆联合电渗处理土壤中六价铬离子的方法

技术领域

本发明属于环保领域，尤其涉及一种土壤中六价铬离子的处理方法。

背景技术

铬及其化合物所引起的环境污染主要源自于人类工业活动，其中如铬盐厂遗留厂址、铬渣堆存场地、工业含铬三废的排放、水泥、冶金、化工生产中产生的铬渣等。所有铬的化合物都有毒性，其中六价铬以阳离子形态存在，不易被土壤吸附，具有较高的活性，能透过细胞膜，严重损伤人体的消化道、呼吸道、皮肤和粘膜，会随食物链转移、富集，并在动、植物体内蓄积，毒性最大，已被国际癌症研究机构(IARC)确认为具有强致癌性。而三价铬易被吸附形成沉淀，活动性差且产生的危害相对较轻。

常用的六价铬土壤治理方法主要有生物修复法、化学淋洗法、固化稳定法、化学还原法等。其中生物修复法包括微生物修复与植物修复，微生物修复是指利用微生物在土壤中的生化作用，将土壤中六价铬还原为三价铬，并将三价铬稳定在土壤中，目前该法尚处于基础性研究中；植物修复法花费少且对土壤理化性质无破坏，但不适用于高浓度重金属污染的土壤且修复周期长。化学淋洗法是采用淋洗剂、螯合剂、表面活性剂等通过水、无机酸、无机盐经过离子交换等作用将重金属从土壤中洗脱的方法，该方法成本低，但可实际应用的效果有限，存在淋洗效率低、耗水量大、容易对地下水造成污染、仅适用于砂壤等渗透系数大的土壤的缺点。化学还原及固化稳定法是指通过将六价铬还原为三价铬，然后在碱性环境中将三价铬以Cr(OH)₃沉淀形式长期稳定在土壤中的方法，该方法是一种操作简单、投资少且最常用的重金属土壤处理方法。化学还原及固化稳定法常用的修复剂有水泥、石灰、生物碳、磷矿粉等材料，通过与污染土壤搅拌均匀，运用物理包裹、化学吸附和结晶沉淀等手段，对六价铬土壤还原并固化稳定，但仍存在不能原位处理、施工过程复杂、还原效果难以保证等问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种灌浆联合电渗处理土壤中六价铬离子的方法，该方法能原位处理土壤中六价铬离子，并能快速固结土层，具有处理效率高，处理周期短，处理效果好等优点。为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种灌浆联合电渗处理土壤中六价铬离子的方法，包括以下步骤：

S1：在待处理土壤中钻孔并设置灌浆孔，在灌浆孔周边布设电渗装置的阴极与阳极；

S2：将具有还原、吸附、胶凝性能的灌浆材料通过注浆泵注入灌浆孔，待灌浆结束后开启电渗装置进行电渗处理；

S3：收集电渗装置阴极处的水溶液，并检测水溶液中六价铬离子的浓度，六价铬离子的浓度达到设计要求，停止施工，六价铬离子的浓度达不到设计要求，重复步骤S2与步骤S3。

上述方法中，优选的，当阴极处水溶液的排水速率降至初始排水速率的30％以下时，将阴极与阳极反转，继续通电电渗，直至阴极处水溶液的排水速率降至初始排水速率的10％以下。让阴极与阳极反转并断续电渗，目的是使排水更加均匀，更充足。

上述方法中，优选的，所述阴极、阳极为导电塑料管，所述导电塑料管通过导线连接电渗装置电源的正、负极。

上述方法中，优选的，所述阴极处还设有用于将阴极处富集的水排出的排水泵。

上述方法中，优选的，所述灌浆孔采用单排成列、间隔布孔的方式，相邻两排灌浆孔的间隔为1m～3m。本发明中，采用按列施工，当第一列灌浆孔施工后开启两侧的电渗装置进行排水固结，从电渗装置阴极管处收集水溶液，检测六价铬离子浓度，当六价铬离子浓度达到设计要求时，用水泥浆封闭灌浆孔，再进行下一列灌浆孔施工。

上述方法中，优选的，灌浆采用套阀管灌浆工艺，每段灌注长度1m～2m，每段注浆压力为0.5MPa～2.0MPa。

上述方法中，优选的，所述灌浆孔两侧均设有一组电极对，同侧电极对中阴极与阳极之间的间隔k为0.5m～1m，相邻两对电极对之间的间隔h为1m～2m，电渗装置的电源为12V的直流电源。上述距离设置，在较低能耗的同时，可以保证电渗处理效果。

上述方法中，优选的，所述灌浆材料包括以下重量份的组分：

焙烧粘土 50～60份；

生石灰粉 10～30份；

硫酸亚铁 20～50份；

硫酸锰 3.5～5.5份；

三氧化二锑 0.3～0.7份；

分散型阴离子表面活性剂 0.14～0.35份；

有机酸 1～2.2份；

水 100～260份。

上述方法中，优选的，所述分散型阴离子表面活性剂为木质素磺酸钠，所述有机酸为柠檬酸；所述焙烧粘土先在300℃～400℃高温下焙烧2h～3h；所述生石灰粉粒径为200～300目。将粘土在400℃高温下焙烧2h，使粘土颗粒表面的游离水、结晶水、层间水大量蒸发，新增许多孔隙，以进一步提高粘土的比表面积，有利于吸附土壤中的重金属离子。

上述方法中，优选的，所述灌浆材料的制备方法包括以下步骤：

S1：先称取焙烧粘土和生石灰粉，加入水搅拌均匀，得到粘土浆液；

S2：再称取有机酸和水混合，搅拌完全溶解，加入三氧化二锑，搅拌至完全溶解，再加入硫酸亚铁及硫酸锰搅拌至完全溶解，最后加入分散型阴离子表面活性剂得到还原液；

S3：将S2中的还原液加入至S1中的粘土浆液中充分搅拌，即得到所述灌浆材料。

本发明中，要求灌浆材料粘度低、具有高还原性、颗粒粒径小能渗透进入微细裂隙中。主要成分为焙烧粘土、生石灰、硫酸亚铁、硫酸锰、三氧化二锑、木质素磺酸钠等按一定比例组成的混合物，且随土壤渗透系数不同采取不同配合比。焙烧粘土的作用在于吸附待处理土壤中的重金属离子(六价铬)，生石灰粉为粘土的固化剂，使还原后的三价铬离子生成沉淀，硫酸亚铁、硫酸锰与三氧化二锑主要用于将毒性较大的六价铬还原成毒性较低的三价铬离子，木质素磺酸钠用于降低浆液的表面张力，提高浆液在土壤中的渗透性。

特别的，本申请的还原剂中含有三氧化二锑，相比硫酸亚铁及亚硫酸钠等其他还原剂，三氧化二锑稳定性较好，且能在添加量较少的情况下将溶液还原，还原效果更好。本发明中，更优选的，为了综合还原组分的还原效果与成本，所述硫酸亚铁、硫酸锰与三氧化二锑的质量比控制为5：1：0.1。

本发明中，通过钻孔及灌浆的方法将具有还原、吸附、胶凝性能的灌浆材料注入待处理土壤中，浆液以充填、渗透的方式进入地层中，通过合理布置孔位及排距，利用泵送压力及浆液的流动性、渗透性、充填性，让具有修复作用的材料充分与待处理土壤接触，并通过一系列吸附、氧化还原、沉淀结晶、胶结等反应使六价铬离子还原为迁移率低毒性较低的三价铬离子。随后采用电渗处理，利用水溶液在电场作用下由阳极向阴极流动原理，使灌浆材料在电场作用下进一步反应完全，并通过土体脱水固结使还原的三价铬离子固化在土壤中。此外，通过两种方法联合使用，可有效保证污染土壤的处理效果。

本发明中将灌浆处理与电渗处理两种方法结合，利用灌浆法注入具有修复作用的灌浆材料，利用电渗引起土体中电解质运动并脱水固结，通过这两种方法联合使用，不仅可原位降低待处理土壤中六价铬污染的程度并通过固结阻止危害元素的扩散，还增加了土体的导电率提高了电渗效率。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明采用灌浆与电渗相结合的方法，通过灌浆在待处理土壤中注入带有还原、吸附、胶凝性质的浆液，起原位处理污染土壤的作用；采用电渗技术，利用水溶液及电解质在电场力作用下发生定向移动并积累的原理，通过排水作用以及还原液的作用，将土壤脱水并达到降低六价铬离子浓度，限制其向周围扩散的目的。与采用单一电渗方法相比，增加了土体的导电率，提高了电渗效率，缩短了电渗施工工期；与采用单一灌浆方法相比，提高了灌浆液对污染土壤的处理效果。

2、本发明的处理方法具有步骤操作简便、处理周期短、处理面积大、效率高、适用于所有性质的土层。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为灌浆联合电渗处理土壤中六价铬离子的方法的施工图。

图2为图1的剖切示意图。

图例说明：

1、灌浆孔；2、阴极；3、阳极；4、电源；5、排水泵。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

实施例1：

一种灌浆联合电渗处理土壤中六价铬离子的方法，包括以下步骤：

(1)施工准备：准备好灌浆泵、灌浆管路、制浆站、灌浆材料及电渗装置并进行材料、设备质量检验；

(2)定位钻孔：确定场地并测量放样，根据设计图纸通过钻机钻孔至待处理土壤地层既定深度，并安装灌浆管及导电塑料管，其中灌浆孔1单排成列布置，每排灌浆孔1间隔为2.5m，孔之间间隔为1m，阴极2、阳极3导电塑料管并列安装在灌浆孔1两侧，同侧电极对中阴极2与阳极3之间的间隔k为0.5m，相邻两对电极对之间的间隔h为2m，电渗装置的电源4为12V的直流电源(如图1、图2所示)；

(3)制备还原液：将1份有机酸、0.4份三氧化二锑和20份水混合，搅拌至完全溶解，随后加入4份硫酸锰、20份硫酸亚铁、0.3份分散型阴离子表面活性剂及80份水，搅拌至完全溶解并过200目筛网，存储备用；

(4)制备浆液：采用搅拌机将50份焙烧粘土和20份生石灰粉及100份水混合搅拌均匀，得到粘土浆液，随后将制备好的还原液加入至粘土浆液中，搅拌5min即得到具有还原、吸附及胶凝性质的灌浆材料；

(5)单排孔注浆施工：采用注浆泵通过灌浆孔1向待处理土层注入步骤(4)中的灌浆材料，先施工同一排的灌浆孔，采用自下而上分段灌浆方法，每段段长宜为1m～2m，每段注浆压力为0.5MPa～2MPa；

(6)单排孔电渗施工：待同一排灌浆孔1施工后，利用导线连接导电塑料管与直流电源的正极、负极，闭合直流电源开关，形成电渗系统并进行电渗处理，当排水速率降至初始排水速率的30％时，打开电源4开关与排水泵5，将阴极2处富集的水排出，随后阴极2、阳极3反转，继续通电处理；

(7)结束标准：当反转阴极2、阳极3后，排水速率明显降低时(降至初始排水速率的10％以下时)，检测阴极2处水溶液中的六价铬离子的浓度，若六价铬离子的浓度达到设计要求，停止施工并用水泥浆抹平封闭灌浆孔1，若六价铬离子的浓度达不到设计要求，重复步骤(5)与步骤(6)；

(8)单排孔施工后，根据步骤(5)～(7)继续施工下一排的灌浆孔1，直至所有待处理的土壤可溶解的六价铬离子浓度达到设计指标时，结束施工。

实验结果表明，采用本实施例中灌浆联合电渗处理方法，六价铬离子去除固定效果好。相比于单一电渗方法或单一灌浆方法相比，处理效果优势明显。

本实施例中，待处理土壤为取某铬盐场的污染土壤，其土壤性质为粉质粘土，褐红色或褐黄色，可塑-硬塑状态，干强度中等，初性中等，六价铬离子浓度平均值为223mg/kg(约为117.23mg/L)。采用本实施例中的处理方法处理，经过三次灌浆-电渗循环后，阴极2收集的水溶液中溶解的六价铬离子浓度为2.57mg/L。

实施例2：

本实施例中的处理方法与实施例1相同，不同之处在于还原液的配比有所区别，还原液的具体配制过程如下：将1份有机酸、0.3份三氧化二锑和20份水混合，搅拌至完全溶解，随后加入4份硫酸锰、50份硫酸亚铁、0.3份分散型阴离子表面活性剂及80份水，搅拌至完全溶解并过200目筛网，存储备用。

采用本实施例中灌浆联合电渗处理方法，六价铬离子去除固定效果好，采用相同处理工艺，最终阴极2处水溶液中的六价铬离子的浓度略高于实施例1。

Claims (6)

1.一种灌浆联合电渗处理土壤中六价铬离子的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：在待处理土壤中钻孔并设置灌浆孔（1），在灌浆孔（1）周边布设电渗装置的阴极（2）与阳极（3）；

S2：将具有还原、吸附、胶凝性能的灌浆材料通过注浆泵注入灌浆孔（1），待灌浆结束后开启电渗装置进行电渗处理；

S3：收集电渗装置阴极（2）处的水溶液，并检测水溶液中六价铬离子的浓度，六价铬离子的浓度达到设计要求，停止施工，六价铬离子的浓度达不到设计要求，重复步骤S2与步骤S3；

所述灌浆孔（1）采用单排成列、间隔布孔的方式，相邻两排灌浆孔（1）的间隔为1m~3m；

所述灌浆孔（1）两侧均设有一组电极对，同侧电极对中阴极（2）与阳极（3）之间的间隔k为0.5m~1m，相邻两对电极对之间的间隔h为1m~2m，电渗装置的电源（4）为12V的直流电源；

当阴极（2）处水溶液的排水速率降至初始排水速率的30%以下时，将阴极（2）与阳极（3）反转，继续通电电渗，直至阴极（2）处水溶液的排水速率降至初始排水速率的10%以下；

所述灌浆材料包括以下重量份的组分：

焙烧粘土 50~60份；

生石灰粉 10~30份；

硫酸亚铁 20~50份；

硫酸锰 3.5~5.5份；

三氧化二锑 0.3~0.7份；

分散型阴离子表面活性剂 0.14~0.35份；

有机酸 1~2.2份；

水 100~260份。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述阴极（2）、阳极（3）为导电塑料管，所述导电塑料管通过导线连接电渗装置电源（4）的正、负极。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述阴极（2）处还设有用于将阴极（2）处富集的水排出的排水泵（5）。

4.根据权利要求1~3中任一项所述的方法，其特征在于，灌浆采用套阀管灌浆工艺，每段灌注长度1m~2m，每段注浆压力为0.5MPa~2.0MPa。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述分散型阴离子表面活性剂为木质素磺酸钠，所述有机酸为柠檬酸；所述焙烧粘土先在300℃~400℃高温下焙烧2h~3h；所述生石灰粉粒径为200~300目。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述灌浆材料的制备方法包括以下步骤：

S1：先称取焙烧粘土和生石灰粉，加入水搅拌均匀，得到粘土浆液；

S2：再称取有机酸和水混合，搅拌完全溶解，加入三氧化二锑，搅拌至完全溶解，再加入硫酸亚铁及硫酸锰搅拌至完全溶解，最后加入分散型阴离子表面活性剂得到还原液；

S3：将S2中的还原液加入至S1中的粘土浆液中充分搅拌，即得到所述灌浆材料。

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