CN111842462B - 一种污染底泥多极电动修复体及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种污染底泥多极电动修复体，包括竖向排水电极管和若干横向排水电极管，竖向排水电极管上可转动连接若干等距布设的横向排水电极管。还公开了一种污染底泥多极电动修复体的施工方法，在电场的作用下多极电动修复体在土体中形成多点电极促进土体中重金属离子的迁移，缩短重金属离子迁移路径，提升重金属离子的捕获吸附能力，平衡了土体阴阳两极的pH，避免了土体中偏极现象的产生，阻止了重金属的过早沉淀。施工简单、设备可回收重复利用，绿色环保无二次污染风险。同时兼顾排水固结能力，显著改善传统单一竖向电极存在涂抹和井阻效应，大大缩短土体处理时间，对降低土体含水率提升土体强度后续利用提供极大便利。

Description

一种污染底泥多极电动修复体及其施工方法

技术领域

本发明属于电极技术领域，具体涉及一种污染底泥多极电动修复体及其施工方法。

背景技术

土壤污染控制与修复作为全球性问题，越来越得到重视，同时，我国作为最大的发展中国家，土壤污染问题日益严重。据《全国土壤污染状况调查公报》中所述，我国工矿业废弃地土壤环境问题突出，全国土壤总的超标率为16.1％；污染类型以无机型为主，占到总超标率面积的82.8％，主要包含有毒重金属及其无机化合物，其中河流湖泊的疏浚底泥等重金属聚集污染更为严重，重金属污染土的污染防控与修复是最为普遍和急迫。

受重金属污染的河湖疏浚底泥疏浚堆场等多具有含水量高、强度低及渗透性差等特点，在进行基础建设前必须做出相应的地基处理。目前重金属污染土的修复技术众多，主要包括物理修复技术，化学修复技术，生物修复技术及电动修复技术等。其中电动修复技术具有良好的应用前景，相比于物理修复和生物修复技术，电动修复技术具有高效、节能的优点；相比于化学修复技术，该法无需向土中加入大量淋洗剂，无二次污染的风险。同时对比电动修复技术和电渗固结法可以发现，电渗法在加速土体固结时，可通过电极改进，使其具备捕获吸附重金属的功能，具有极大技术优势。

现有的电动修复技术在电动修复过程中阴阳极电解液会发生电解，从而导致阳极附近pH显著降低和阴极附近pH显著升高的“偏极现象”。pH值的突变会导致电渗流方向发生改变，阴极附近pH值升高还会导致重金属的过早沉淀，极大地限制了电动修复技术的实际应用。除此之外，传统的电极修复材料为单一的竖向电极，修复方向单一，金属迁移路径相对较长，土体后期重金属离子迁移能力显著下降，且总体修复时间较长，影响修复效率；另外，传统的竖向排水修复体均是一次性使用产品，没有重新回收利用的功能，浪费自然资源且存在二次污染的风险。

综上所述，为适合不同地区不同工况下的土壤电动修复情况，亟需一种可用于多次重复回收利用、多点电极分布，多路径重金属迁移能力的新型绿色土体电动修复技术。

发明内容

本发明提供了一种污染底泥多极电动修复体及其施工方法，解决了上述技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：第一方面提供了一种污染底泥多极电动修复体，包括电极管，所述电极管的管壁上均匀设置透水孔，所述电极管的外侧面上设有用于捕获吸附重金属的可渗透复合层；

所述电极管包括竖向排水电极管和若干横向排水电极管，所述竖向排水电极管上可转动连接若干等距布设的所述横向排水电极管；

所述竖向排水电极管的顶端端口处设有外螺纹，所述竖向排水电极管的底端端口处设有与所述外螺纹相匹配的内螺纹；所述横向排水电极管的底端端口密封设置；

所述竖向排水电极管的侧壁上设置管道口，所述横向排水电极管与所述竖向排水电极管的连接处位于所述管道口的下方；所述竖向排水电极管的底端设有孔洞；

还包括第一钢丝绳和第二钢丝绳，所述第一钢丝绳的底端穿过所述管道口与所述横向排水电极管的上部内壁连接；所述第二钢丝绳的底端穿过所述孔洞与所述横向排水电极管的中部外侧面连接；

所述竖向排水电极管的内壁上安装第一定滑轮、第二定滑轮、第三定滑轮和第四定滑轮，所述第一定滑轮、所述第二定滑轮、所述第三定滑轮和所述第四定滑轮的个数均与所述横向排水电极管的个数相同；所述第一钢丝绳穿过所述第一定滑轮和所述第三定滑轮；所述第二钢丝绳穿过所述第二定滑轮和所述第四定滑轮。

结合第一方面，进一步的，所述横向排水电极管的顶端通过转动组件与所述竖向排水电极管连接；所述转动组件包括两个连接叶瓣，所述连接叶瓣之间通过转动轴连接。

结合第一方面，进一步的，所述第一定滑轮和所述第二定滑轮位于所述竖向排水电极管的内壁顶部，所述第三定滑轮靠近所述管道口；所述第四定滑轮位于所述竖向排水电极管的内壁底部。

结合第一方面，进一步的，所述可渗透复合层由内外两层具有反滤作用的土工布或土工滤膜包裹内部材料组成，所述内部材料为还原铁粉和合成沸石1:1混合的材料或酸化合成沸石材料。

结合第一方面，进一步的，所述可渗透复合层通过人工捆扎或热轧包裹于所述电极管的外侧面上。

第二方面提供了一种污染底泥多极电动修复体的施工方法，使用第一方面任一项所述污染底泥多极电动修复体实施，包括以下步骤：

根据污染土体处理深度，计算并准备多段多极电动修复体，依据现场情况进行放样；

拉动第一钢丝绳使横向排水电极管与竖向排水电极管垂直，保持第一钢丝绳拉紧、放松第二钢丝绳，打设阴极和阳极多极电动修复体至其仅露出顶部外螺纹端口，连接下一段多极电动修复体，根据所需长度连接多段并打设；

打设完成后，将阴极多极电动修复体、阳极多极电动修复体分别连接到电源两极，并将阴极多极电动修复体的竖向排水电极管与抽水泵连接，开启电源进行重金属修复与排水固结；

监测土体的重金属含量、含水率和强度的变化，待达到要求后，关闭电源，放松第一钢丝绳并拉紧第二钢丝绳，将多极电动修复体上拔，直至多极电动修复体完全露出土体，完成该区域污染土样的修复；

拆解多级电动修复体、剥离可渗透复合层，处理捕获吸附的重金属离子，整理电极排水管，以便重复利用。

结合第二方面，进一步的，打设多极电动修复体中首段打设的多极电动修复体底部安装相应大小的圆锥形不锈钢尖头，起到了方便打设的作用。

本发明所达到的有益效果：

(1)、本发明竖向排水电极管上可转动连接若干横向排水电极管，一方面土体内部形成了多点电极，有利于重金属离子的迁移与排水；另一方面也缩短重金属离子捕获吸附迁移的路径，有利于提高重金属的去除率与土体固结排水量。

(2)、土体中多点电极立体多方向的特点，在促进重金属离子的迁移吸附过程之外，还能够使土体污染修复和固结排水更加均匀，处理后土体的整体修复度与承载力提高。

(3)、横向排水电极管与竖向排水电极管通过可转动连接叶瓣连接，横向排水电极管能够沿转动轴进行0～90°的转动，同时设置有辅助拉升、下放横向排水电极管的钢丝绳，能够克服打设时因土体太软不能完全支撑开的问题；而当土体修复处理结束上拔修复体时，转动组件会在土体作用下使横向排水电极管逐渐收缩至与竖向排水电极管近似平行，此时辅助下放的第二钢丝绳也开始工作，两者共同作用会减小修复体上拔的阻力以及对周围土体的扰动，避免了修复结束后土体变硬上拔困难的问题。

(4)、内、外螺纹的设计，采用多段多极电动修复单元体组装方式可灵活适用于不同污染土体深度的处理需求，适应性广，也有效避免了修复体因为尺寸过大带来的制作、运输以及施工的不便。

(5)、多级电动修复体在工后上拔，可实现重复利用，同时可渗透材料回收利用有利于节省成本，无环境破坏。

附图说明

图1为本发明多极电动修复体的结构示意图；

图2为本发明多极电动修复体的内部结构示意图；

图3为本发明多极电动修复体的俯视图；

图4为本发明多极电动修复体的工作原理图；

图5为本发明多极电动修复体的施工过程示意图；

图6为本发明施工布置的形式设计图(正六边形)；

图7为本发明施工布置的形式设计图(正方形)。

图中：1-竖向排水电极管；2-横向排水电极管；3-连接叶瓣；4-管道口；5-外螺纹；6-内螺纹；7-转动轴；8-透水孔；9-第一钢丝绳；10-第二钢丝绳；11-第一定滑轮；12-第二定滑轮；13-第三定滑轮；14-第四定滑轮；15-第一连接环；16-第二连接环；17-可渗透复合层；19-孔洞；20-橡胶；21-圆锥形不锈钢尖头。

具体实施方式

下面对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，一种污染底泥多极电动修复体，包括电极管，电极管的管壁上均匀设置透水孔8，电极管的外侧面上设有用于捕获吸附重金属的可渗透复合层17。电极管包括竖向排水电极管1和若干横向排水电极管2，竖向排水电极管1上可转动连接横向排水电极管2，若干横向排水电极管2沿竖向排水电极管1圆周等距布设。竖向排水电极管1的顶端端口处设有外螺纹5，竖向排水电极管1的底端端口处设有与外螺纹5相匹配的内螺纹6。竖向排水电极管1的两端口均为敞口设计；横向排水电极管2的顶端端口为敞口设计，其底端端口密封设置。竖向排水电极管1上可转动连接若干横向排水电极管2，一方面土体内部形成了多点电极，有利于重金属离子的迁移与排水；另一方面也缩短重金属离子捕获吸附迁移的路径，有利于提高重金属的去除率与土体固结排水量。土体中多点电极立体多方向的特点，在促进重金属离子的迁移吸附过程之外，还能够使土体污染修复和固结排水更加均匀，处理后土体的整体修复度与承载力提高。

上述多极电动修复体分为阳极电动修复体和阴极电动修复体。多极电动修复体外壁均包有一层具有捕获吸附重金属作用的可渗透复合层17，可渗透复合层17通过人工捆扎或热轧包裹于电极管的外侧面上。阳极电动修复体可渗透复合层17由内外两层具有反滤作用的土工布或土工滤膜包裹还原铁粉和合成沸石1:1混合的材料组成。阴极电动修复体可渗透复合层17由内外两层具有反滤作用的土工布或土工滤膜包裹酸化合成沸石材料组成。

横向排水电极管2的顶端通过转动组件与竖向排水电极管1连接。所述转动组件包括两个连接叶瓣3，两个连接叶瓣3分别与竖向排水电极管1、横向排水电极管2连接，连接叶瓣3之间通过转动轴7连接。横向排水电极管2能够沿转动轴7进行0～90°的转动，即横向排水电极管2能够在竖直方向上做0～90°的转动。本实施例中，竖向排水电极管1与横向排水电极管2均采用带孔管状不锈钢材料或者其它导电材料制成；两个连接叶瓣3采用强度相对较高的不锈钢材料制成。

如图3所示，本实施例中，横向排水电极管2的个数为三个，竖向排水电极管1与横向排水电极管2垂直工作状态时，三根横向排水电极管2每两根之间呈120°。竖向排水电极管1的长度为170～180cm，横向排水电极管2长度为70～80cm，管道口4距竖向排水电极管1的底部内螺纹6约45～50cm。

如图4所示，图中剪头表示横向排水电极管2的运动方向，竖向排水电极管1的侧壁上设置管道口4，横向排水电极管2与竖向排水电极管1的连接处位于管道口4的下方；竖向排水电极管1的底端设有孔洞19，本实施例中，孔洞19的边缘上设有防磨损橡胶20材料。多极电动修复体内还包括第一钢丝绳9和第二钢丝绳10，第一钢丝绳9的底端穿过管道口4与横向排水电极管2的上部内壁连接；第二钢丝绳10的底端穿过孔洞19与横向排水电极管2的中部外侧面连接。所述第一钢丝绳9和第二钢丝绳10的顶端均位于竖向排水电极管1的上端口外一段距离，以便工作人员抓拽钢丝绳。

如图2所示，竖向排水电极管1的内壁上安装第一定滑轮11、第二定滑轮12、第三定滑轮13和第四定滑轮14，第一定滑轮11、第二定滑轮12、第三定滑轮13和第四定滑轮14的个数均与横向排水电极管2的个数相同。本实施例中，第一定滑轮11、第二定滑轮12、第三定滑轮13和第四定滑轮14的个数均为3个。第一定滑轮11和第二定滑轮12位于竖向排水电极管1的内壁顶部，第三定滑轮13靠近管道口4且位于管道口4上方，第四定滑轮14位于竖向排水电极管1的内壁底部。第一钢丝绳9穿过第一定滑轮11和第三定滑轮13，且第一钢丝绳9的底端与横向排水电极管2的上部内壁通过第一连接环15固定连接；第二钢丝绳10穿过第二定滑轮12和第四定滑轮14，且第二钢丝绳10的底端与横向排水电极管2的中部外侧面通过第二连接环16固定连接。

横向排水电极管2与竖向排水电极管1通过可转动连接叶瓣3连接，横向排水电极管2能够沿转动轴7进行0～90°的转动，同时设置有辅助拉升、下放横向排水电极管2的钢丝绳，能够克服打设时因土体太软不能完全支撑开的问题；而当土体修复处理结束上拔修复体时，转动组件会在土体作用下使横向排水电极管2逐渐收缩至与竖向排水电极管1近似平行，此时辅助下放的第二钢丝绳10也开始工作，两者共同作用会减小修复体上拔的阻力以及对周围土体的扰动，避免了修复结束后土体变硬上拔困难的问题。内、外螺纹的设计，采用多段多极电动修复单元体组装方式可灵活适用于不同污染土体深度的处理需求，适应性广，也有效避免了修复体因为尺寸过大带来的制作、运输以及施工的不便。

实施例1、

本实施例提供一种污染底泥多极电动修复体的制作，包括以下步骤：

步骤一、竖向排水电极管1的制作：选用外径17mm,内径15mm的带孔不锈钢管材，长度取1.5m，透水孔8直径为3mm，开口率不小于5％。横向排水电极管2的制作：选用外径10mm、内径8mm的带孔不锈钢管材，长度取0.8m，透水孔8直径为3mm，开口率不小于5％。

步骤二、分别包裹阳极电动修复体可渗透复合层和阴极电动修复体可渗透复合层。阳极电动修复体可渗透复合层由两层等效孔径O₉₅小于0.075mm的土工滤布包裹着还原铁粉(300目)与合成沸石(20-40目)按照1:1均匀混合得到的材料，采用人工缝制或热轧粘合方式对其进行封闭。阴极电动修复体可渗透复合层由两层等效孔径O₉₅小于0.075mm的土工滤布包裹着与阳极材料等量的酸化沸石(将人工沸石用10％H₃PO₄溶液搅拌浸泡3h，再用去离子水清洗三遍烘干得到)，采用人工缝制或热轧粘合方式对其进行封闭。分别将制作好的可渗透复合层按照竖向排水电极管1与横向排水电极管2尺寸包裹在其外侧面上。

步骤三、在竖向排水电极管1与横向排水电极管2相应位置安装定滑轮、钢丝绳及橡胶磨损材料。

步骤四、将3根带有可渗透复合层的横向排水电极管2通过转动轴7与叶瓣3分别连接到竖向排水电极管1上。

实施例2、

如图5所示，本实施例提供一种污染底泥多极电动修复体的施工方法，包括以下步骤：

步骤一、根据污染土体处理深度，计算并准备多段多极电动修复体，依据现场情况进行放样。

步骤二、拉动第一钢丝绳使横向排水电极管与竖向排水电极管垂直，保持第一钢丝绳拉紧、放松第二钢丝绳，压入打设阴极和阳极多极电动修复体至其仅露出顶部外螺纹端口，连接下一段多极电动修复体，根据所需长度连接多段并打设。其中，首段打设的多极电动修复体底部安装相应大小的圆锥形不锈钢尖头，方便打设。

步骤三、打设完成后，将阴极多极电动修复体、阳极多极电动修复体分别连接到电源两极，并将阴极多极电动修复体的竖向排水电极管与抽水泵连接，抽水泵与电源连接；开启电源进行重金属修复与排水固结。

步骤四、监测土体的重金属含量、含水率和强度的变化，待达到要求后，关闭电源。放松第一钢丝绳并拉紧第二钢丝绳，将多极电动修复体上拔，直至多极电动修复体完全露出土体，完成该区域污染土样的修复。

步骤四、拆解多级电动修复体、剥离可渗透复合层，处理捕获吸附的重金属离子，整理电极排水管，以便重复利用。有利于节省成本，无环境破坏。

实施例3、

待实施例1中的多极电动修复体制成若干后，进行污染土的电动修复的施工，主要布置方案如附图6附图7所示。选择某一受重金属污染的的河湖疏浚底泥处理场，场内污染土平均深度3.0m，土体含水率70％，承载力不足以满足人行。

对上述底泥处理场进行污染底泥多极电动修复体施工，包括以下步骤：

步骤一、根据污染土体处理深度，计算准备相应深度的多段多极电动修复体，并依据现场情况进行放样。

步骤二、转动横向排水电极管使其与横向排水电极管垂直，首段打设的多极电动修复体底部安装相应大小的圆锥形不锈钢尖头方便打设，采用机械压入的方式在相应的位置上打设阴极与阳极多极电动修复体，打设的时候拉紧第一钢丝绳，放松第二钢丝绳，首段露出顶部外螺纹端口，连接第二段多极电动修复体，重复上诉操作直至所有多极电动修复体全部打设完成，顶部预留10cm的长度露出土体表面方便回收上拔。

步骤三、将阴极、阳极多极电动修复体分别连接到电源两极，其中多极电动修复体采用并联连接方式，在阴极多极电动修复体的竖向排水电极管连接抽水泵并连接电源，开启电源进行重金属修复与排水固结。

步骤四、监测土体中含水率、强度的变化以及重金属含量，待达到预定要求后，关闭电源，通过机械上拔多极电动修复体，上拔的时候放松第一钢丝绳，拉紧第二钢丝绳，完成该区域污染土样的修复。

步骤五、拆解多级电动修复体，剥离可渗透复合层，处理捕获吸附的重金属离子，整理电极排水管，以便重复利用。

本发明在电场的作用下多极电动修复体在土体中形成多点电极促进土体中重金属离子的迁移，缩短重金属离子迁移路径，提升重金属离子的捕获吸附能力，平衡了土体阴阳两极的pH，避免了土体中偏极现象的产生，阻止了重金属的过早沉淀。施工简单、设备可回收重复利用，绿色环保无二次污染风险。同时兼顾排水固结能力，显著改善传统单一竖向电极存在涂抹和井阻效应，大大缩短土体处理时间，对降低土体含水率提升土体强度后续利用提供极大便利。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种污染底泥多极电动修复体，其特征在于，包括电极管，所述电极管的管壁上均匀设置透水孔，所述电极管的外侧面上设有用于捕获吸附重金属的可渗透复合层；

所述电极管包括竖向排水电极管和若干横向排水电极管，所述竖向排水电极管上可转动连接若干等距布设的所述横向排水电极管；

所述竖向排水电极管的顶端端口处设有外螺纹，所述竖向排水电极管的底端端口处设有与所述外螺纹相匹配的内螺纹；所述横向排水电极管的底端端口密封设置；

所述竖向排水电极管的侧壁上设置管道口，所述横向排水电极管与所述竖向排水电极管的连接处位于所述管道口的下方；所述竖向排水电极管的底端设有孔洞；

还包括第一钢丝绳和第二钢丝绳，所述第一钢丝绳的底端穿过所述管道口与所述横向排水电极管的上部内壁连接；所述第二钢丝绳的底端穿过所述孔洞与所述横向排水电极管的中部外侧面连接；

所述竖向排水电极管的内壁上安装第一定滑轮、第二定滑轮、第三定滑轮和第四定滑轮，所述第一定滑轮、所述第二定滑轮、所述第三定滑轮和所述第四定滑轮的个数均与所述横向排水电极管的个数相同；所述第一钢丝绳穿过所述第一定滑轮和所述第三定滑轮；所述第二钢丝绳穿过所述第二定滑轮和所述第四定滑轮。

2.根据权利要求1所述的一种污染底泥多极电动修复体，其特征在于，所述横向排水电极管的顶端通过转动组件与所述竖向排水电极管连接；所述转动组件包括两个连接叶瓣，所述连接叶瓣之间通过转动轴连接。

3.根据权利要求1所述的一种污染底泥多极电动修复体，其特征在于，所述第一定滑轮和所述第二定滑轮位于所述竖向排水电极管的内壁顶部，所述第三定滑轮靠近所述管道口；所述第四定滑轮位于所述竖向排水电极管的内壁底部。

4.根据权利要求1所述的一种污染底泥多极电动修复体，其特征在于，所述可渗透复合层由内外两层具有反滤作用的土工布或土工滤膜包裹内部材料组成，所述内部材料为还原铁粉和合成沸石1:1混合的材料或酸化合成沸石材料。

5.根据权利要求1所述的一种污染底泥多极电动修复体，其特征在于，所述可渗透复合层通过人工捆扎或热轧包裹于所述电极管的外侧面上。

6.一种污染底泥多极电动修复体的施工方法，其特征在于，使用权利要求1至5任一项所述污染底泥多极电动修复体实施，包括以下步骤：

根据污染土体处理深度，计算并准备多段多极电动修复体，依据现场情况进行放样；

拉动第一钢丝绳使横向排水电极管与竖向排水电极管垂直，保持第一钢丝绳拉紧、放松第二钢丝绳，打设阴极和阳极多极电动修复体至其仅露出顶部外螺纹端口，连接下一段多极电动修复体，根据所需长度连接多段并打设；

打设完成后，将阴极多极电动修复体、阳极多极电动修复体分别连接到电源两极，并将阴极多极电动修复体的竖向排水电极管与抽水泵连接，开启电源进行重金属修复与排水固结；

监测土体的重金属含量、含水率和强度的变化，待达到要求后，关闭电源，放松第一钢丝绳并拉紧第二钢丝绳，将多极电动修复体上拔，直至多极电动修复体完全露出土体，完成该区域污染土样的修复；

拆解多级电动修复体、剥离可渗透复合层，处理捕获吸附的重金属离子，整理电极排水管，以便重复利用。

7.根据权利要求6所述的一种污染底泥多极电动修复体的施工方法，其特征在于，打设多极电动修复体中首段打设的多极电动修复体底部安装相应大小的圆锥形不锈钢尖头。

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