CN111375627A - 一种脉冲放电修复有机污染土壤和地下水的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及了一种脉冲放电修复有机污染土壤和地下水的装置及方法。本发明装置由数显控制表、脉冲发生器、电缆、电极、储液罐、搅拌机、离心泵、滴灌系统、土壤传感器组成。利用脉冲发生器产生双向脉冲电压，并通过电极将电流传导到土壤中，在时变电场的作用下，土壤孔隙中的水分反复来回振荡，积聚能量，达到能垒后，水分子在土壤颗粒表面放电产生羟基、氧气、氧原子，进而打断有机污染物碳碳键，将其直接分解成无毒无害物质或是更容易降解的中间产物。同时，电流所形成的富氧环境增强了土壤土著微生物的活性，微生物以中间产物为碳源进行生长繁殖，最终将其彻底降解，实现了电动‑微生物协同修复。
Description
技术领域
本发明属于环境修复技术领域，具体涉及一种脉冲放电修复有机污染土壤和地下水的装置及方法。
背景技术
近年来，我国环保措施日益趋严，在环保高压政策下，大量钢铁、石油、化工、制药等工业企业搬迁。这些工业企业搬迁后，会减少对环境的继续污染，然而其生产过程中对场地土壤及地下水造成的污染却会长期存在。我国的工业结构使得上述工业污染场地污染物以有机污染物为主，包括：脂肪烃、原油、芳香烃、氯代烃等，如不及时治理会对人体健康和生态环境造成严重危害。因此，有机污染场地的修复治理已成为环境科学领域的焦点问题。
常用的有机污染场地修复治理技术主要有热脱附技术、化学氧化技术、水泥窑协同处置技术，多相抽提技术等。然而，上述修复技术都存在应用局限性：热脱附技术容易造成噪音和异味等二次污染，同时场地地下水位不能太高；化学氧化技术和多相抽提技术对粘土等低渗透性土壤效果不佳，处理深度也有限；水泥窑协同处置技术受限于水泥厂的位置，地域性太强。
电动修复技术是一项新兴的土壤和地下水修复技术，该技术运行成本低，安装简单，无二次污染，对于低渗透性土壤很有效。国内关于电动修复的研究也形成了一些知识产权。中国专利CN 107282623 A公开了一种有机污染土壤的离子膜强化电动-氧化修复方法，通过在在电极和目标土壤间安装阳离子交换膜或阴离子交换膜，然后在离子交换膜靠近土壤一侧注入氧化剂溶液，施加直流电压进行一定时间的处理，即完成对有机污染的修复。该方法通过将电动修复技术与化学氧化技术联用，减少了氧化剂的损耗，同时提高了有机污染物的去除效率。但该方法仍然在修复过程中向土壤注入过硫酸盐、高猛酸盐、次氯酸盐等氧化药剂，容易造成二次污染，氧化剂也存在安全隐患，同时直流电场会造成“偏极效应”，导致土壤pH失衡。中国专利CN 105363774 A公开了一种基于旋转电极的土壤电动力修复装置，包括带有旋转电极的土壤修复槽、电流变换控制器、电极变换控制器、添加剂储存罐以及电极液混合罐。该方法采用旋转电极的形式，电极位置固定，通过电极变换控制器控制电流围绕中心的零号柱状电极即零号电极旋转，同时周期性改变中心电极和四周电极的极性，避免了在中心或者四周出现土壤pH过高或者过低，保证土壤的pH的相对稳定，同时可以防止电极出现极化现象，提高了电极的寿命。另外，因为四周的电极成均匀分布，中心有中心电极，防止了处理土壤中土壤修复槽出现死角的现象，使土壤修复槽各部分的有机污染物得到充分去除。然而，该方法仍基于方向和大小不变的直流电压系统进行改进，只能在电极附近放电产生含氧自由基，氧化效率低，同时该方法设备繁多，操作复杂，最终限制了电动修复技术的大面积应用。因此，如何提高电动修复的氧化效率具有重要意义。
发明内容
本发明针对上述问题，提供了一种有机污染土壤及地下水的脉冲放电修复系统。利用脉冲发生器产生双向脉冲电压，并通过电极将电流传导到土壤中，在时变电场的作用下，土壤孔隙中的水分反复来回振荡，积聚能量，达到能垒后，水分子在土壤颗粒表面放电产生羟基、氧气、氧原子，进而打断有机污染物碳碳键，将其直接分解成无毒无害物质或是更容易降解的中间产物。同时，放电所形成的富氧环境增强了土壤土著微生物的活性，微生物以中间产物为碳源进行生长繁殖，最终将其彻底降解，实现了电动-微生物协同修复。
本发明技术方案如下：
一种脉冲放电修复有机污染土壤和地下水的装置由数显控制表、脉冲发生器、电缆、电极、储液罐、搅拌机、离心泵、滴灌系统、土壤传感器组成；其中数显控制表、脉冲发生器、电缆、电极作为脉冲的产生与传导单元，储液罐、搅拌机、离心泵、滴灌系统、土壤传感器作为土壤理化性质的调节单元。
所述数显控制表用于显示和控制脉冲电压的大小、周期、波形。
所述所述脉冲发生器用于产生低于36V的双向脉冲电压，周期为1-100s，且每半个周期切换方向。
所述电缆采用VV电缆，截面积不小于10mm2。
所述电极为碳钢材料，薄板结构，厚度为20mm，宽度为50mm；电极布设间距为2-8m。
所述储液罐用于储存清水或营养物质溶液。
进一步地，所述营养物质为土壤微生物生长所需，包括碳源、氮源。
所述滴灌系统用于控制土壤湿度及添加营养物质，其包括滴灌管道、滴灌头。
进一步地，滴灌管道水平铺设于两排电极之间，滴灌头为地埋式微喷头。
所述土壤传感器用于监测土壤温度、湿度、电导率，且至少插入地下0.5m以上。
所述脉冲放电装置的有效污染土壤处理方量为0-50000m3，且不包括0m3。
一种脉冲放电修复有机污染土壤和地下水的方法，其包括如下步骤：
(1)在污染区域内定位放点，安装电极，电极按照等距布设，采用压入或钻孔的方式将电极下放至污染深度，并用膨润土将电极与土壤之间的空隙填满；
(2)安装脉冲发生器，用电缆将其与电极连接并紧固；
(3)启动脉冲发生器，采用示波器检测任意一根电极前后电流差，若前后电流差与输出总电流/每排电极数误差在+/-20％内，说明电流已传导到土壤中，否则需重新检查电极电缆连接；
(4)安装滴灌系统和土壤传感器，根据土壤传感器的数据，定期向土壤中注入清水，保证土壤湿度大于10％；
(5)每隔30-60天对污染土壤进行采样检测，分析指标包括污染物浓度、总有机碳、总氮、pH、ORP。根据检测结果，确定是否需要调整脉冲电压的周期和大小，以及是否需要向土壤中添加碳源、氮源。
(6)重复步骤(5)，直至场地修复达标。
进一步地，所述脉冲电压大小和周期的选择依据土壤中总有机碳含量和污染物类型，对于总有机碳含量大于1％的土壤或是总石油烃、多环芳烃污染土壤，脉冲电压大小需满足土壤中电流密度大于50mA/m2的要求，且电压周期应小于20s；对于总有机碳含量小于1％的土壤或是BETX、氯代烃污染土壤，脉冲电压大小需满足土壤中电流密度大于10mA/m2的要求，且电压周期应小于100s。
进一步地，土壤碳氮比需控制在15-30，所述碳源、氮源为水溶性物质，碳源为蔗糖、乳酸、甘油中的一种，所述氮源为尿素、硝酸铵、碳酸氢铵中的一种。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明利用脉冲发生器产生双向脉冲电压，并通过电极将电流传导到土壤中，在时变电场的作用下，土壤孔隙中的水分反复来回振荡，积聚能量，达到能垒后，在土壤颗粒表面放电产生羟基、氧气、氧原子，显著提高了电动修复的氧化效率，从而能实现大面积的工程应用。同时，时变电场能够消除土壤“偏极效应”，保证了土壤pH均衡。
2.本发明所用脉冲电压为低压脉冲，小于人体安全电压36V，能耗小，且对污染场地的施工人员安全。
3.本发明无需额外添加任何化学氧化药剂，无废弃、废水、固废等二次污染产生，属于清洁修复技术。
4.本发明适用范围广，能同步修复污染地下水，处理深度不受限。
附图说明
图1为本发明一种脉冲放电修复有机污染土壤和地下水的装置的结构示意图。
图2为实施例中土壤碳氮比变化。
图3为实施例中土壤含水率比变化。
图4为实施例中土壤ORP变化。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，以使本领域技术人员更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
如图1所示，本发明一种脉冲放电修复有机污染土壤和地下水的装置包括：数显控制表1、脉冲发生器2、电缆3、电极4、储液罐5、搅拌机6、离心泵7、滴灌系统8、土壤传感器9，其中数显控制表1、脉冲发生器2、电缆3、电极4作为脉冲的产生与传导单元，储液罐5、搅拌机6、离心泵7、滴灌系统8、土壤传感器9作为土壤理化性质的调节单元。
数显控制表1与脉冲发生器2连接，用于显示和控制脉冲电压的大小、周期、波形。脉冲发生器2产生小于36V的双向脉冲电压，周期为1-100s，且每半个周期切换方向。电缆3采用VV电缆，截面积不小于10mm2。用于连接脉冲发生器2和电极4，可选用U型锁扣对电缆和电极进行紧固，外部用硫化胶带包裹。电极4为碳钢材料，薄板结构，厚度为20mm，宽度为50mm；电极布设间距为2-8m。储液罐5用于储存清水或营养物质溶液，可选用聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等材质。营养物质为土壤微生物生长所需，包括碳源、氮源。搅拌机6安装于储液罐5之上，用于营养物质溶液的溶解，使营养物质混合均匀。离心泵7用于输送清水或营养物质，可选用单级离心泵。滴灌系统8用于控制土壤湿度及添加营养物质，包括滴灌管道81、滴灌头82，滴灌管道81水平铺设于两排电极之间，可选用聚乙烯管、聚丙烯管，滴灌头82选用地埋式微喷头。土壤传感器9用于监测土壤温度、湿度、电导率，且至少插入地下0.5m以上，可选用土壤三合一传感器。
一种脉冲放电修复有机污染土壤和地下水的方法，其包括如下步骤：
(1)在污染区域内定位放点，安装电极，电极按照等距布设，采用压入或钻孔的方式将电极下放至污染深度，并用膨润土将电极与土壤之间的空隙填满；
(2)安装脉冲发生器，用电缆将其与电极连接并紧固；
(3)启动脉冲发生器，采用示波器检测任意一根电极前后电流差，若前后电流差与输出总电流/每排电极数误差在+/-20％内，说明电流已传导到土壤中，否则需重新检查电极电缆连接；
(4)安装滴灌系统和土壤传感器，根据土壤传感器的数据，定期向土壤中注入清水，保证土壤湿度大于10％；
(5)每隔30-60天对污染土壤进行采样检测，分析指标包括污染物浓度、总有机碳、总氮、pH、ORP。根据检测结果，确定是否需要调整脉冲电压的周期和大小，以及是否需要向土壤中添加碳源、氮源。
(6)重复步骤(5)，直至场地修复达标。
脉冲电压大小和周期的选择依据土壤中总有机碳含量和污染物类型，对于总有机碳含量大于1％的土壤或是总石油烃、多环芳烃污染土壤，脉冲电压大小需满足土壤中电流密度大于50mA/m2的要求，且电压周期应小于20s；对于总有机碳含量小于1％的土壤或是苯系物、氯代烃污染土壤，脉冲电压大小需满足土壤中电流密度大于10mA/m2的要求，且电压周期应小于100s。
土壤碳氮比需控制在15-30，所述碳源、氮源为水溶性物质，碳源为蔗糖、乳酸、甘油中的一种，所述氮源为尿素、硝酸铵、碳酸氢铵中的一种。
实施例
地点：某废弃化工厂；初始总有机碳含量为0.6％，总氮含量345mg/kg，碳氮比为17.4。
目标污染物：1,3,5-三甲基苯、1,2,4-三甲基苯、萘、二甲基萘，具体浓度见表1。
表1实施例污染物初始浓度
土壤类型：杂填土，含有泥炭，初始总有机碳含量平均为4.1％。
处理规模：60m3；选用三个开顶柜集装箱作为装土容器，内部铺设HDPE膜作防渗处理，每个集装箱20m3污染土壤，其中1#、2#为采用脉冲修复的实验组，3#为空白对照组。
电极安装：碳钢板，厚度10mm，宽50mm，长1.5m，间隔2m，共计12根。
脉冲设定：本场地污染物为苯系物及多环芳烃且总有机碳含量远高于1％，电压设定为16V，周期为10s，土壤电流密度80mA/m2。
结果分析：本场地土壤由于含有泥炭，碳氮比非常高，不利于微生物生长繁殖，因此在修复施工过程中，需要注入氮源来调节碳氮比，选择尿素作为氮源，并配成水溶液，通过滴灌系统进行氮源的添加，经过3个月的补充，1#、2#、3#土壤碳氮比均达到合理水平，具体如图1所示。3组实验中，土壤含水率均维持在20～30左右，并且在添加氮源的2个月内维持较高水平，碳氮比调节完毕后，含水率亦随之下降，具体如图2所示。从图3可以看出，1#、2#中土壤ORP随时间逐渐上升，而3#对照组则基本维持不变，说明在时变电场的作用下，土壤孔隙中的水分反复来回振荡，积聚能量，达到能垒后，在土壤颗粒表面放电产生羟基、氧气、氧原子，使得土壤的ORP大幅提高。从表2中，可以看出，3#中污染物6个月后浓度与初始浓度相比，稍有下降，主要是由于污染物挥发造成的，而1#和2#中污染物6个月后浓度都已经达到修复目标值，说明污染物已经在脉冲修复系统作用下被充分降解。
表2实施例污染物6个月后浓度
Claims (9)
1.一种脉冲放电修复有机污染土壤和地下水的装置，其特征在于，该装置由数显控制表、脉冲发生器、电缆、电极、储液罐、搅拌机、离心泵、滴灌系统、土壤传感器组成；其中数显控制表、脉冲发生器、电缆、电极作为脉冲的产生与传导单元，储液罐、搅拌机、离心泵、滴灌系统、土壤传感器作为土壤理化性质的调节单元。
2.根据权利要求1所述的一种脉冲放电修复有机污染土壤和地下水的装置，其特征在于，所述脉冲发生器用于产生低于36V的双向脉冲电压，周期为1-100s，且每半个周期切换方向。
3.根据权利要求1所述的一种脉冲放电修复有机污染土壤和地下水的装置，其特征在于，所述电极为碳钢材料，薄板结构，厚度为20mm，宽度为50mm；电极布设间距为2-8m。
4.根据权利要求1所述的一种脉冲放电修复有机污染土壤和地下水的装置，其特征在于，所述滴灌系统用于控制土壤湿度及添加碳源、氮源，其包括滴灌管道、滴灌头，滴灌管道水平铺设于两排电极之间，滴灌头为地埋式微喷头。
5.根据权利要求1所述的一种脉冲放电修复有机污染土壤和地下水的装置，其特征在于，所述土壤传感器用于监测土壤温度、湿度、电导率，且至少插入地下0.5m以上。
6.根据权利要求1-5所述的一种脉冲放电修复有机污染土壤和地下水的装置，其特征在于，所述脉冲放电装置的单个有效污染土壤处理方量小于50000m3。
7.一种脉冲放电修复有机污染土壤和地下水的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)在污染区域内定位放点，安装电极，电极按照等距布设，采用压入或钻孔的方式将电极下放至污染深度，并用膨润土将电极与土壤之间的空隙填满；
(2)安装脉冲发生器，用电缆将其与电极连接并紧固；
(3)启动脉冲发生器，采用示波器检测任意一根电极前后电流差，若前后电流差与输出总电流/每排电极数误差在+/-20％内，说明电流已传导到土壤中，否则需重新检查电极电缆连接；
(4)安装滴灌系统和土壤传感器，根据土壤传感器的数据，定期向土壤中注入水分，保证土壤湿度大于10％；
(5)每隔30-60天对污染土壤进行采样检测，分析指标包括污染物浓度、总有机碳、总氮、pH、ORP。根据检测结果，确定是否需要调整脉冲电压的周期和大小，以及是否需要向土壤中添加碳源、氮源。
(6)重复步骤(5)，直至场地修复达标。
8.根据权利要求7所述的一种脉冲放电修复有机污染土壤和地下水的方法，其特征在于，脉冲电压大小和周期的选择依据土壤中总有机碳含量和污染物类型，对于总有机碳含量大于1％的土壤或是总石油烃、多环芳烃污染土壤，脉冲电压大小需满足土壤中电流密度大于50mA/m2的要求，且电压周期应小于20s；对于总有机碳含量小于1％的土壤或是BETX、氯代烃污染土壤，脉冲电压大小需满足土壤中电流密度大于10mA/m2的要求，且电压周期应小于100s。
9.根据权利要求7所述的一种脉冲放电修复有机污染土壤和地下水的方法，其特征在于，土壤碳氮比需控制在15-30，所述碳源、氮源为水溶性物质，碳源为蔗糖、乳酸、甘油中的一种，所述氮源为尿素、硝酸铵、碳酸氢铵中的一种。
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