CN111097789A - 一种土壤修复系统 - Google Patents
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Abstract
一种土壤修复系统，包括作物种植区、喷淋装置和微生物燃料电解器。作物种植区设置在待修复土壤地块的上表面，作物种植区充填的土壤由活性污泥、当地土壤、人畜粪便和粉碎的植物秸秆按体积比0.5～1:1:1:0.5混合制成。喷淋装置包括若干水管、开关和水泵。微生物燃料电解器包括阳极插头、电阻和阴极筒。阳极插头采用石墨或金属材料制成，阴极筒包括外筒、阴极棒、无纺棉布和磁性吸附炭；外筒采用硬塑料或不锈钢材料制成，外筒的形状为圆柱形，圆柱形侧面设有若干孔洞，阴极棒设置在阴极筒的中心，阴极棒采用石墨或金属材料制成，无纺棉布内衬在外筒的内壁，无纺棉布围成的圆柱形空间内填充磁性吸附炭。
Description
技术领域
本发明涉及土壤修复技术领域，尤其是一种土壤修复系统。
背景技术
随着社会的快速发展，土壤污染问题日益加剧，尤其是很多地区存在较严重的重金属铅、镉污染。铅、镉污染不仅对土壤中有机物的降解、土壤的呼吸代谢、土壤氨化及硝化作用产生抑制，更为严重的是铅镉还能转变成毒性更大的金属-有机化合物，对人体健康、土壤环境产生更大的危害。世界各国均开始意识到土壤重金属污染问题的严重性，纷纷开展与土壤修复治理相关的机理及工艺研究。
目前，国内外修复重金属污染土壤有多种方法，常见的主要有物理修复法、化学修复法、生态修复法和电动修复技术。物理修复方法效率较高，但耗费大量能量，土壤有机质和水分都会遭到不同程度破坏；化学修复法不仅可以进行原位修复，也可进行异地修复，但易产生二次污染，再度危害土壤生态安全；生物修复方法中的微生物修复法，虽然具有一定的修复效果，只能对特定污染物进行修复。电动修复技术具有对现场环境影响小、节约能源、经济可行以及处理效果好等优点。电动修复技术是一种新型的重金属污染土壤治理方法，使环境污染通过“绿色”治理技术得以修复，与传统的化学修复、物理和工程修复相比较有美观、投资维护成本低、操作简单以及不造成二次污染等优点。但是这种技术还具有以下缺点：1)为提高电动修复的效果往往需要加入提高土壤酸性的溶剂，当土壤的缓冲容量很高时，则很难调控到土壤的酸性条件，同时土壤酸化也是环境保护所不允许的；2)修复周期长，周期可能长达数月甚至数年；3)如果使用的直流电压较高，则重金属去除效果降低，这是由于土壤升温所造成的；4)这种技术对渗透性较高、传导性较差的土壤不太适用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为了克服和解决传统修复技术易造成二次污染等问题，本发明提供一种土壤修复系统。既能在不破坏原始土壤环境下对土壤进行修复，并且能养护美化待修复的土壤场地，无二次污染。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：本发明的一种土壤修复系统包括作物种植区、喷淋装置和微生物燃料电解器。
所述的作物种植区设置在待修复土壤地块的上表面，作物种植区充填的土壤由活性污泥、当地土壤、人畜粪便和粉碎的植物秸秆按体积比0.5～1:1:1:0.5混合制成，作物种植区的厚度为50～100cm。
所述喷淋装置设置在作物种植区上部，喷淋装置包括若干水管、开关和水泵。
所述微生物燃料电解器包括阳极插头、电阻和阴极筒。
所述阳极插头采用石墨或金属材料制成，阳极插头的形状为圆柱形或长方体形状；阳极插头的尺寸根据待处理的土壤地块的大小和作物种植区的深度实验决定。阳极插头工作时垂直插入作物种植区。阳极插头通过导线与电阻连接。
所述阴极筒包括外筒、阴极棒、无纺棉布和磁性吸附炭。阴极筒的尺寸根据待处理的土壤地块的大小和土壤污染的深度实验决定。阴极筒工作时埋入土壤的深度实验决定；阴极筒工作时垂直放置并与阳极插头在空间呈平行状态。
所述外筒采用硬塑料或不锈钢材料制成，外筒的形状为圆柱形中空结构，圆柱形侧面设有若干孔洞。
所述阴极棒设置在阴极筒的中心，阴极棒采用石墨或金属材料制成，阴极棒通过导线与电阻连接。
所述无纺棉布内衬在外筒的内壁，无纺棉布围成的圆柱形空间内填充磁性吸附炭。
所述磁性吸附炭的制作过程为：
(1)把棉花秸秆或树枝收集、晾晒；
(2)把晾晒后的棉花秸秆或树枝粉碎、过60～100目筛；
(3)将筛分后的棉花秸秆或树枝洗涤、烘干后放入管式炉中，以250ml/min的流量通入氮气，升温速率为10～20℃/min，设置温度为400～700℃的恒温时间为2～3h，之后冷却至室温，得到生物炭；
(4)把生物炭和FeCl3·6H2O按质量1～3:10的比例混合、浸入到去离子水中，在温度30～60℃条件下搅拌、浸泡2～5小时，然后烘干、研磨；
(5)把研磨后的物品在氮气条件下和700～1200℃条件下热解60～90分钟；冷却至室温；研磨、过60～100目筛；
(6)把筛分后的物品用永久磁铁吸附，收集附着在永久磁铁上的物品，得到磁性吸附炭。
采用上述一种土壤修复系统进行土壤修复的步骤如下：
①在污染的土壤中开挖、安置阴极筒，阴极筒安置的深度与土壤污染的深度相同。
②填充作物种植区，安装喷淋装置，作物种植区套种对目标重金属具有超富集能力的作物。
③在作物种植区安插阳极插头，阳极插头和阴极筒在空间呈平行状态。通过导线把阴极棒与电阻连接，通过导线把阳极插头与电阻连接。
④在阳极插头附近的作物种植区生长富集的微生物催化氧化土壤中的底物而产生电子、质子及代谢产物，电子通过纳米导线、接触点或中介体传递到阳极插头表面，并由导线和电阻传递到阴极棒的表面，土壤中形成电压梯度，土壤中的铅镉离子往阴极棒移动。
⑤阴极筒中的磁性吸附炭对迁移来的目标重金属离子进行吸附，同时在阴极棒上发生还原反应，电子、质子不断产生、传递、消耗形成回路，从而产生电流，目标重金属被迁移、转化和去除。
⑥土壤中的重金属离子，一方面发生迁移至阴极筒，被磁性吸附炭吸附，另一方面被作物吸收，从而从土壤中去除。
本发明修复效果好，无二次污染，同时因地制宜，投资少，维护方便，能耗较低，对重金属污染土壤具有比较好的修复效果。
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是本发明具体实施例的结构示意图；图2是本发明实施例阴极筒的横断面图；
图1、图2中：1. 作物种植区，2. 喷淋装置，3.阳极插头，4. 电阻，5. 阴极筒，5-1. 外筒，5-2. 阴极棒，5-3. 无纺棉布，5-4. 磁性吸附炭。
具体实施方式
现在结合附图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。
实施例1
如图1～2所示的本发明的一种土壤修复系统包括作物种植区1、喷淋装置2和微生物燃料电解器。
所述的作物种植区1设置在待修复土壤地块的上表面，作物种植区1充填人工土壤，人工土壤由活性污泥、当地土壤、人畜粪便和粉碎的植物秸秆按体积比0.5:1:1:0.5混合制成，作物种植区的厚度为80cm。
所述喷淋装置2设置在作物种植区1上部，喷淋装置2包括若干水管、开关和水泵。
所述微生物燃料电解器包括阳极插头3、电阻4和阴极筒5。
所述阳极插头3采用石墨材料制成，阳极插头3的形状为圆柱形形状；阳极插头3的尺寸根据待处理的土壤地块的大小和作物种植区的深度实验决定。阳极插头3工作时垂直插入作物种植区。阳极插头3通过导线与电阻4连接。
所述阴极筒5包括外筒5-1、阴极棒5-2、无纺棉布5-3和磁性吸附炭5-4。阴极筒5的尺寸根据待处理的土壤地块的大小和土壤污染的深度实验决定。阴极筒5工作时埋入土壤的深度实验决定；阴极筒5工作时垂直放置并与阳极插头3在空间呈平行状态。
所述外筒5-1采用硬塑料材料制成，外筒5-1的形状为圆柱形中空结构，圆柱形侧面设有若干孔洞。
所述阴极棒5-2设置在阴极筒的中心，阴极棒5-2采用石墨材料制成，阴极棒5-2通过导线与电阻4连接。
所述无纺棉布5-3内衬在外筒的内壁，无纺棉布围成的圆柱形空间内填充磁性吸附炭5-4。
所述磁性吸附炭5-4的制作过程为：
(1)把棉花秸秆收集、晾晒；
(2)把晾晒后的棉花秸秆粉碎、过80目筛；
(3)将筛分后的棉花秸秆洗涤、烘干后放入管式炉中，以250ml/min的流量通入氮气，升温速率为10℃/min，设置温度为600℃的恒温时间为3h，之后冷却至室温，得到生物炭；
(4)把生物炭和FeCl3·6H2O按质量1:10的比例混合、浸入到去离子水中，在温度50℃条件下搅拌、浸泡5小时，然后烘干、研磨；
(5)把研磨后的物品在氮气条件下和1000℃条件下热解90分钟；冷却至室温；研磨、过80目筛；
(6)把筛分后的物品用永久磁铁吸附，收集附着在永久磁铁上的物品，得到磁性吸附炭。
实施例2
如图1～2所示的本发明的一种土壤修复系统包括作物种植区1、喷淋装置2和微生物燃料电解器。
所述的作物种植区1设置在待修复土壤地块的上表面，作物种植区1充填的土壤由活性污泥、当地土壤、人畜粪便和粉碎的植物秸秆按体积比1:1:1:0.5混合制成，作物种植区的厚度为100cm。
所述喷淋装置2设置在作物种植区上部，喷淋装置2包括若干水管、开关和水泵。
所述微生物燃料电解器包括阳极插头3、电阻4和阴极筒5。
所述阳极插头3采用金属材料制成，阳极插头3的形状为长方体形状；阳极插头3的尺寸根据待处理的土壤地块的大小和作物种植区的深度实验决定。阳极插头3工作时垂直插入作物种植区1。阳极插头3通过导线与电阻4连接。
所述阴极筒5包括外筒5-1、阴极棒5-2、无纺棉布5-3和磁性吸附炭5-4。阴极筒5的尺寸根据待处理的土壤地块的大小和土壤污染的深度实验决定。阴极筒5工作时埋入土壤的深度实验决定；阴极筒5工作时垂直放置并与阳极插头3在空间呈平行状态。
所述外筒5-1采用不锈钢材料制成，外筒的形状为圆柱形中空结构，圆柱形侧面设有若干孔洞。
所述阴极棒5-2设置在阴极筒的中心，阴极棒5-2采用金属材料制成，阴极棒5-2通过导线与电阻4连接。
所述无纺棉布5-3内衬在外筒的内壁，无纺棉布围成的圆柱形空间内填充磁性吸附炭5-4。
所述磁性吸附炭5-4的制作过程为：
(1)把树枝收集、晾晒；
(2)把晾晒后的树枝粉碎、过100目筛；
(3)将筛分后的树枝洗涤、烘干后放入管式炉中，以250ml/min的流量通入氮气，升温速率为20℃/min，设置温度为700℃的恒温时间为2h，之后冷却至室温，得到生物炭；
(4)把生物炭和FeCl3·6H2O按质量3:10的比例混合、浸入到去离子水中，在温度60℃条件下搅拌、浸泡2小时，然后烘干、研磨；
(5)把研磨后的物品在氮气条件下和1200℃条件下热解60分钟；冷却至室温；研磨、过100目筛；
(6)把筛分后的物品用永久磁铁吸附，收集附着在永久磁铁上的物品，得到磁性吸附炭。
采用上述一种土壤修复系统进行土壤修复的步骤如下：
①在污染的土壤中开挖、安置阴极筒5，阴极筒5安置的深度与土壤污染的深度相同。
②填充作物种植区1，安装喷淋装置2，套种对目标重金属具有超富集能力的作物。
③在作物种植区1中安插阳极插头3，阳极插头3和阴极筒5在空间呈平行状态。通过导线把阴极棒5-2与电阻4连接，通过导线把阳极插头3与电阻4连接。
④在阳极插头3附近的作物种植区生长富集的微生物催化氧化土壤中的底物而产生电子、质子及代谢产物，电子通过纳米导线、接触点或中介体传递到阳极插头3表面，并由导线和电阻传递到阴极棒5-2的表面，土壤中形成电压梯度，土壤中的重金属离子往阴极棒移动。
⑤阴极筒中的磁性吸附炭5-4对迁移来的重金属离子进行吸附，同时在阴极棒上发生还原反应，电子、质子不断产生、传递、消耗形成回路，从而产生电流，重金属被迁移、转化和去除。
⑥土壤中的目标重金属离子，一方面发生迁移至阴极筒5，被磁性吸附炭5-4吸附，另一方面被作物吸收，从而从土壤中去除。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作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其技术性范围。
Claims (3)
1.一种土壤修复系统，其特征在于：包括作物种植区(1)、喷淋装置(2)和微生物燃料电解器；
所述的作物种植区(1)设置在待修复土壤地块的上表面，作物种植区(1)充填人工土壤，人工土壤由活性污泥、当地土壤、人畜粪便和粉碎的植物秸秆按体积比0.5～1:1:1:0.5混合制成，作物种植区的厚度为50～100cm；
所述喷淋装置(2)设置在作物种植区(1)上部，喷淋装置(2)包括若干水管、开关和水泵；
所述微生物燃料电解器包括阳极插头(3)、电阻(4)和阴极筒(5)；
所述阳极插头(3)采用石墨或金属材料制成，阳极插头(3)的形状为圆柱形或长方体形状；阳极插头(3)的尺寸根据待处理的土壤地块的大小和作物种植区的深度实验决定；阳极插头(3)工作时垂直插入作物种植区；阳极插头(3)通过导线与电阻(4)连接；
所述阴极筒(5)包括外筒(5-1)、阴极棒(5-2)、无纺棉布(5-3)和磁性吸附炭(5-4)；阴极筒(5)的尺寸根据待处理的土壤地块的大小和土壤污染的深度实验决定；阴极筒(5)工作时埋入土壤的深度实验决定；阴极筒(5)工作时垂直放置并与阳极插头(3)在空间呈平行状态；
所述外筒(5-1)采用硬塑料或不锈钢材料制成，外筒(5-1)的形状为圆柱形中空结构，圆柱形侧面设有若干孔洞；
所述阴极棒(5-2)设置在阴极筒的中心，阴极棒(5-2)采用石墨或金属材料制成，阴极棒(5-2)通过导线与电阻(4)连接；
所述无纺棉布(5-3)内衬在外筒的内壁，无纺棉布围成的圆柱形空间内填充磁性吸附炭(5-4)。
2.根据权利要求1所述的一种土壤修复系统，其特征在于：所述磁性吸附炭(5-4)的制作过程为；
①把棉花秸秆或树枝收集、晾晒；
②把晾晒后的棉花秸秆或树枝粉碎、过60～100目筛；
③将筛分后的棉花秸秆或树枝洗涤、烘干后放入管式炉中，以250ml/min的流量通入氮气，升温速率为10～20℃/min，设置温度为400～700℃的恒温时间为2～3h，之后冷却至室温，得到生物炭；
④把生物炭和FeCl3·6H2O按质量1～3:10的比例混合、浸入到去离子水中，在温度30～60℃条件下搅拌、浸泡2～5小时，然后烘干、研磨；
⑤把研磨后的物品在氮气条件下和700～1200℃条件下热解60～90分钟；冷却至室温；研磨、过60～100目筛；
⑥把筛分后的物品用永久磁铁吸附，收集附着在永久磁铁上的物品，得到磁性吸附炭。
3.根据权利要求1所述的一种土壤修复系统，其特征在于：采用上述一种土壤修复系统进行土壤修复的步骤如下；
①在污染的土壤中开挖、安置阴极筒(5)，阴极筒(5)安置的深度与土壤污染的深度相同；
②填充作物种植区(1)，安装喷淋装置(2)，作物种植区上套种对目标重金属具有超富集能力的作物；
③在作物种植区(1)中安插阳极插头(3)，阳极插头(3)和阴极筒(5)在空间呈平行状态；通过导线把阴极棒(5-2)与电阻(4)连接，通过导线把阳极插头(3)与电阻(4)连接；
④在阳极插头(3)附近的作物种植区生长富集的微生物催化氧化土壤中的底物而产生电子、质子及代谢产物，电子通过纳米导线、接触点或中介体传递到阳极插头(3)表面，并由导线和电阻传递到阴极棒(5-2)的表面，土壤中形成电压梯度，土壤中的重金属离子往阴极棒移动；
⑤阴极筒中的磁性吸附炭(5-4)对迁移来的重金属离子进行吸附，同时在阴极棒上发生还原反应，电子、质子不断产生、传递、消耗形成回路，从而产生电流，重金属被迁移、转化和去除；
⑥土壤中的重金属离子，一方面发生迁移至阴极筒(5)，被磁性吸附炭(5-4)吸附，另一方面被作物吸收，从而从土壤中去除。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20200505 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |