CN111906135A - 一种太阳能热风强化生物电化学耦合生物炭的土壤修复系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种太阳能热风强化生物电化学耦合生物炭的土壤修复系统及方法，所述的土壤修复系统包括上下布置且相互连通的土壤装填室和电化学反应室；所述的土壤装填室内装填有土壤，所述的土壤中埋设有至少一个通风管，所述的通风管外接太阳能集热系统，所述的土壤装填室上方设置有至少一层喷淋层；所述的电化学反应室内设置有阳极电极和阴极电极，所述的阳极电极和阴极电极分别连接太阳能光伏储能系统。本发明在电化学反应室内掺入了生物炭，生物炭具有良好的电化学活性，当生物炭分散于洗脱废液中，势必会增强洗脱废液的导电性，从而促进洗脱废液导电网络的形成，从而增加洗脱废液中有机污染物的有效降解半径。
Description
技术领域
本发明属于土壤修复技术领域，涉及一种土壤修复系统及方法，尤其涉及一种太阳能热风强化生物电化学耦合生物炭的土壤修复系统及方法。
背景技术
随着经济的高速发展，土壤污染问题越来越突出。许多化工厂、采油场、加油站、原料罐区等设施的“跑、冒、滴、漏”导致土地被石油烃及其他有机化合物严重污染，这些有机化合物存留于土壤中或迁移到大气或地下水中，污染生态环境，对人类的生命健康产生直接或间接的危害。企业搬迁后的土地也不能进行开发，近几年由于污染土地处置不当而引发的事故比比皆是。因此对于污染土壤的修复治理已经成为了环保领域中一项迫切的任务。
生物通风法是一种用于该类型污染土壤的修复技术，作为土壤气相抽提与生物修复方法相结合的一种土壤原位修复方法，具有应用范围宽、操作费用低、不会造成二次污染、操作灵活简单等优点，在治理有机污染土壤方面具有广阔的应用前景。
通过对土壤加热可强化生物通风修复有机物污染土壤的效率和效果。尤其对于温度较低的土壤，如冬季或北方地区的土壤，由于温度较低，土壤中的微生物群活性较差，其所含的有机污染物较为稳定，吸附在土壤或吸收在土壤溶液中，不易从土壤中挥发出来，土壤中土著微生物及接种微生物，可将一些难挥发的大分子有机物降解为易挥发的小分子有机物，通过抽提脱除。对土壤进行适度加热，为微生物提供适宜土壤温度环境，可促进微生物降解污染土壤中有机物的效率，另一方面，对土壤进行加热可强化有机物的从土壤中解析，提高抽提效率和效果。土壤是热的不良导体，热容大，蓄热能力强，加热后的土壤不会再短时间内发生剧烈的温度波动。
CN204294616U公开了一种太阳能热脱附的污染土壤修复系统，包括有污染物真空抽吸系统、太阳能集热系统和气体加注系统，包括有加热扩散井、抽取井、混凝土硬化地面、气体加注管道、空气压缩机、输气管道、槽式太阳能集热器阵列、鼓风机、活性炭吸附装置、真空泵、空气过滤器。该专利公布装置属于一种太阳能辅助土壤气相抽提，抽提出的土壤气经过气液分离和活性炭吸附后排放。其本质是热脱附，空气作为热媒，加热效率低，不适合难挥发性有机物污染土壤的修复。本专利中营养液及微量元素注入系统可以调节土壤营养构成，激发微生物的降解活性，促进其将污染土壤中难挥发的大分子有机物转化为易挥发的小分子有机物，从而能大大改善有机物污染土壤的修复效果。营养液及微量元素注入系统还可以为土壤进行微生物接种。本专利充分发挥微生物降解大分子有机物的功能，配合气提，能有显著效果。
CN201959978U公开了一种太阳能异位修复挥发性有机物污染土的装置，由太阳能供汽系统、土壤修复仓、水循环系统和连接管道组成，装置利用太阳能辐射，通过聚光获取热量，加热吸热管中的水份以提供土壤修复用热蒸汽，水循环系统源源不断提供所需水份。该专利是一种异位修复装置，还需要配套土壤挖掘、输送、装料和卸料等辅助系统，不适合污染土壤上有构筑物等不适合挖掘的情况下使用，且该专利不具备微生物对大分子有机物的通风降解功能。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种太阳能热风强化生物电化学耦合生物炭的土壤修复系统及方法，本发明在电化学反应室内掺入了生物炭，生物炭具有良好的电化学活性，当生物炭分散于洗脱废液中，势必会增强洗脱废液的导电性，从而促进洗脱废液导电网络的形成，从而增加洗脱废液中有机污染物的有效降解半径。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种太阳能热风强化生物电化学耦合生物炭的土壤修复系统，所述的土壤修复系统包括上下布置且相互连通的土壤装填室和电化学反应室。
所述的土壤装填室内装填有土壤，土壤中埋设有至少一个通风管，所述的通风管外接太阳能集热系统，所述的土壤装填室上方设置有至少一层喷淋层。
所述的电化学反应室内设置有阳极电极和阴极电极，所述的阳极电极和阴极电极分别连接太阳能光伏储能系统。
本发明采用太阳能作为热源，以空气为热媒，通过加热空气，调节土壤温度，并给土壤微生物供氧，强化了土壤中微生物群的活性，一方面，与洗脱液配合使用，提高了土壤中有机污染物的洗脱速率，另一方面，与营养液配合使用，使得土壤中的有机物的平衡浓度降低，降低有机物残存浓度，提高修复后土壤环境质量。本发明在电化学反应室内掺入了生物炭，生物炭具有良好的电化学活性，当生物炭分散于洗脱废液中，势必会增强洗脱废液的导电性，从而促进洗脱废液导电网络的形成，从而增加洗脱废液中有机污染物的有效降解半径。
在本发明中，阳极电极为导电性金属有机骨架材料或多孔碳材料，阴极电极为石墨棒或不锈钢网。
本发明所述的太阳能集热系统为槽式太阳能集热器阵列，由一组单个槽式太阳能聚光器通过串联或并联组合在一起，利用槽式抛面反射聚光，将太阳能聚集在空心集热管上，加热空心集热管内部的空气，槽式太阳能集热器阵列采用的是太阳能自动跟踪技术，可以实现对太阳能的高效利用。
作为本发明一种优选的技术方案，所述的土壤装填室上方设置有两层相互独立的喷淋层，分别为营养液喷淋层和洗脱液喷淋层。
优选地，所述的电化学反应室通过洗脱液循环管路连接洗脱液喷淋层，流入电化学反应室的洗脱废液经降解处理后回流至洗脱液喷淋层对土壤进行循环喷淋。
优选地，所述的洗脱液循环管路上设置有洗脱液储存装置。
优选地，所述的洗脱液循环管路上还设置有过滤装置。
优选地，所述的营养液喷淋层外接营养液储存装置。
优选地，所述的喷淋层包括喷淋主管，所述的喷淋主管上沿轴线开设有至少一个雾化喷嘴，所述的雾化喷嘴的喷射方向朝向土壤装填室。
在本发明中，通过向土壤喷淋营养液，为土壤中的微生物降解有机物过程提供了充足的营养物质，也预防土壤失水导致微生物生存环境缺水。同时可以给土壤适量补水加湿，避免因土壤中水分随有机污染物挥发渗漏而过度脱除。
作为本发明一种优选的技术方案，所述的土壤中埋设有三根横向并排间隔布置的通风管。
优选地，所述的通风管的入口端合并为一路后接入所述的太阳能集热系统。
优选地，所述的通风管上沿轴向对称设置有至少一个喷头。
作为本发明一种优选的技术方案，所述的太阳能光伏储能系统包括电性连接的太阳能光伏板和蓄电池。
所述的蓄电池的正极和负极分别连接阳极电极和阴极电极。
作为本发明一种优选的技术方案，所述的土壤装填室和电化学反应室之间设置有活性炭支撑层，洗脱液洗脱土壤中的有机污染后得到洗脱废液，洗脱废液渗出土壤后经活性炭支撑层流入电化学反应室。
作为本发明一种优选的技术方案，所述的电化学反应室内储存的洗脱废液中分散有生物炭颗粒。
第二方面，本发明提供了一种太阳能热风强化生物电化学耦合生物炭的土壤修复方法，所述的修复方法包括：
(Ⅰ)喷淋层向土壤装填室内的土壤中喷淋洗脱液和营养液，洗脱液对土壤中的有机污染物洗脱后形成洗脱废液；
(Ⅱ)洗脱废液渗出土壤后流入电化学反应室，太阳能光伏储能系统向阳极电极和阴极电极供电，洗脱废液中的有机污染物在电流的作用下降解成小分子、CO2和H2O；
(Ⅲ)空气经太阳能集热系统加热后喷入土壤，土壤中的微生物在营养液的激活作用下对土壤中的有机污染物进行降解。
作为本发明一种优选的技术方案，步骤(Ⅰ)中，所述的喷淋层包括相互独立的营养液喷淋层和洗脱液喷淋层，营养液喷淋层向土壤中喷淋营养液，洗脱液喷淋层向土壤中喷淋洗脱液。
优选地，所述的营养液喷淋层向土壤中持续喷淋营养液。
优选地，所述的洗脱液喷淋层向土壤中间歇喷淋洗脱液。
优选地，所述的洗脱液一次喷淋的时间为10～20min，例如可以是10min、11min、12min、13min、14min、15min、16min、17min、18min、19min或20min，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述的洗脱液相邻两次喷淋之间的间隔时间为2～3min，例如可以是2.0min、2.1min、2.2min、2.3min、2.4min、2.5min、2.6min、2.7min、2.8min、2.9min或3.0min，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述的洗脱液中包括表面活性剂。
优选地，所述的洗脱液中表面活性剂的浓度为0～100mg/L，例如可以是10mg/L、20mg/L、30mg/L、40mg/L、50mg/L、60mg/L、70mg/L、80mg/L、90mg/L或100mg/L，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述的表面活性剂包括硬脂酸、季铵盐、卵磷脂或脂肪酸甘油酯。
作为本发明一种优选的技术方案，步骤(Ⅱ)中，所述的电化学反应室内还设置有生物炭颗粒，所述的生物炭颗粒分散于洗脱废液中。
优选地，所述的生物炭占洗脱废水质量的1～6w％，例如可以是1w％、2w％、3w％、4w％、5w％或6w％，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述的洗脱废液经降解处理后由洗脱液循环管路返回洗脱液喷淋层对土壤进行循环喷淋。
优选地，所述的生物炭颗粒采用如下方法制备得到：
生物质原料依次热解、冷却、研磨、清洗和烘干后得到所述的生物炭颗粒。
优选地，所述的生物质原料包括小麦秸秆。
优选地，所述的热解过程在石英管中进行。
优选地，所述的热解温度为300～900℃，例如可以是300℃、400℃、500℃、600℃、700℃、800℃或900℃，进一步优选地，所述的热解温度为600～900℃。
优选地，所述的热解时间为1～3h，例如可以是1.0h、1.2h、1.4h、1.6h、1.8h、2.0h、2.2h、2.4h、2.6h、2.8h或3.0h，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述的热解过程在保护性气氛下进行。
优选地，所述的清洗过程包括：研磨后的粉料依次经盐酸溶液和蒸馏水清洗。
优选地，所述的盐酸溶液的浓度为0.2～0.6mol/L，例如可以是0.2mol/L、0.3mol/L、0.4mol/L、0.5mol/L或0.6mol/L，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述的烘干温度为100～120℃，例如可以是100℃、101℃、102℃、103℃、104℃、105℃、106℃、107℃、108℃、109℃、110℃、111℃、112℃、113℃、114℃、115℃、116℃、117℃、118℃、119℃或120℃，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述的烘干时间为20～24h，例如可以是20h、21h、22h、23h或24h，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明一种优选的技术方案，步骤(Ⅲ)中，空气经太阳能集热系统加热至30～40℃后由通风管喷入土壤，例如可以是30℃、31℃、32℃、33℃、34℃、35℃、36℃、37℃、38℃、39℃或40℃，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述的营养液中包括磷源、碳源、氮源和营养物质。
优选地，所述的营养液中磷源浓度为0～5g/L，例如可以是0.5g/L、1g/L、1.5g/L、2g/L、2.5g/L、3g/L、3.5g/L、4g/L、4.5g/L或5g/L，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述的磷源包括磷酸二氢钠和/或磷酸氢二钠。
优选地，所述的营养液中碳源浓度为0～100g/L，例如可以是10g/L、20g/L、30g/L、40g/L、50g/L、60g/L、70g/L、80g/L、90g/L或100g/L，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述的碳源包括葡萄糖、乙酸钠、甲酸钠或蔗糖中的一种或至少两种的组合。
优选地，所述的营养液中氮源浓度为0～10g/L，例如可以是1g/L、2g/L、3g/L、4g/L、5g/L、6g/L、7g/L、8g/L、9g/L或10g/L，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述的氮源为氯化铵和/或硫酸铵。
优选地，所述的营养物质包括维生素和/或氨基酸。
所述系统是指设备系统、装置系统或生产装置。
示例性地，本发明提供了一种太阳能热风强化生物电化学耦合生物炭的土壤修复方法，所述的修复方法包括：
(1)营养液喷淋层向土壤中持续喷淋营养液，营养液中包括0～5g/L的磷源、0～100g/L的碳源、0～10g/L的氮源以及其他营养物质，磷源包括磷酸二氢钠和/或磷酸氢二钠；碳源包括葡萄糖、乙酸钠、甲酸钠或蔗糖中的一种或至少两种的组合；氮源为氯化铵和/或硫酸铵；营养物质包括维生素和/或氨基酸；
(2)空气经太阳能集热系统加热至30～40℃后由通风管喷入土壤，土壤中的微生物在营养液的激活作用下对土壤中的有机污染物进行降解；
(3)洗脱液喷淋层向土壤中间歇喷淋洗脱液，洗脱液中包括0～100mg/L的硬脂酸、季铵盐、卵磷脂或脂肪酸甘油酯，一次喷淋的时间为10～20min，洗脱液相邻两次喷淋之间的间隔时间为2～3min；
(4)洗脱液对土壤中的有机污染物洗脱后形成洗脱废液，洗脱废液渗出土壤后流入电化学反应室，电化学反应室内设置的生物炭颗粒分散于洗脱废液中，生物炭占洗脱废液质量的1～6w％，太阳能光伏板将太阳能转化为电能后储存于蓄电池中，洗脱废液中的有机污染物在电流的作用下降解成小分子、CO2和H2O，经降解的洗脱废液由洗脱液循环管路返回洗脱液喷淋层对土壤进行循环喷淋。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明采用太阳能作为热源，以空气为热媒，通过加热空气，调节土壤温度，并给土壤微生物供氧，强化了土壤中微生物群的活性，一方面，与洗脱液配合使用，提高了土壤中有机污染物的洗脱速率，另一方面，与营养液配合使用，使得土壤中的有机物的平衡浓度降低，降低有机物残存浓度，提高修复后土壤环境质量。
(2)本发明在电化学反应室内掺入了生物炭，生物炭具有良好的电化学活性，当生物炭分散于洗脱废液中，势必会增强洗脱废液的导电性，从而促进洗脱废液导电网络的形成，从而增加洗脱废液中有机污染物的有效降解半径。
附图说明
图1为本发明一个具体实施方式提供的土壤修复系统的结构示意图。
其中，1-太阳能集热系统；2-土壤装填室；3-电化学反应室；4-活性炭支撑层；5-营养液喷淋层；6-洗脱液喷淋层；7-洗脱液储存装置；8-营养液储存装置；9-过滤装置；10-阴极电极；11-阳极电极；12-生物炭；13-蓄电池；14-太阳能光伏板；15-通风管。
具体实施方式
需要理解的是，在本发明的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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，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。
需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“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，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
在一个具体实施方式中，本发明提供了一种太阳能热风强化生物电化学耦合生物炭的土壤修复系统，所述的土壤修复系统如图1所示，包括上下布置且相互连通的土壤装填室2和电化学反应室3。土壤装填室2内装填有土壤，所述的土壤中埋设有至少一个通风管15，通风管15外接太阳能集热系统1，所述的土壤装填室2上方设置有至少一层喷淋层。电化学反应室3内设置有阳极电极11和阴极电极10，阳极电极11和阴极电极10分别连接太阳能光伏储能系统。
土壤装填室2上方设置有两层相互独立的喷淋层，分别为营养液喷淋层5和洗脱液喷淋层6。电化学反应室3通过洗脱液循环管路连接洗脱液喷淋层6，流入电化学反应室3的洗脱废液经降解处理后回流至洗脱液喷淋层6对土壤进行循环喷淋，洗脱液循环管路上沿洗脱废液流向依次设置有洗脱液储存装置7和过滤装置9。营养液喷淋层5外接营养液储存装置8。喷淋层包括喷淋主管，喷淋主管上沿轴线开设有至少一个雾化喷嘴，雾化喷嘴的喷射方向朝向土壤装填室2。
土壤中埋设有三根横向并排间隔布置的通风管15，通风管15的入口端合并为一路后接入所述的太阳能集热系统1。通风管15上沿轴向对称设置有至少一个喷头。
太阳能光伏储能系统包括电性连接的太阳能光伏板14和蓄电池13，蓄电池13的正极和负极分别连接阳极电极11和阴极电极10。
土壤装填室2和电化学反应室3之间设置有活性炭支撑层4，洗脱液洗脱土壤中的有机污染后得到洗脱废液，洗脱废液渗出土壤后经活性炭支撑层4流入电化学反应室3。电化学反应室3内的洗脱废液中分散有生物炭12颗粒。
在另一个具体实施方式中，本发明提供了一种太阳能热风强化生物电化学耦合生物炭的土壤修复方法，所述的修复方法包括：
(1)营养液喷淋层5向土壤中持续喷淋营养液，营养液中包括0～5g/L的磷源、0～100g/L的碳源、0～10g/L的氮源以及其他营养物质，磷源包括磷酸二氢钠和/或磷酸氢二钠；碳源包括葡萄糖、乙酸钠、甲酸钠或蔗糖中的一种或至少两种的组合；氮源为氯化铵和/或硫酸铵；营养物质包括维生素和/或氨基酸；
(2)空气经太阳能集热系统1加热至30～40℃后由通风管15喷入土壤，土壤中的微生物在营养液的激活作用下对土壤中的有机污染物进行降解；
(3)洗脱液喷淋层6向土壤中间歇喷淋洗脱液，洗脱液中包括0～100mg/L的硬脂酸、季铵盐、卵磷脂或脂肪酸甘油酯，一次喷淋的时间为10～20min，洗脱液相邻两次喷淋之间的间隔时间为2～3min；
(4)洗脱液对土壤中的有机污染物洗脱后形成洗脱废液，洗脱废液渗出土壤后流入电化学反应室3，电化学反应室3内设置的生物炭12颗粒分散于洗脱废液中，生物炭12占洗脱废液质量的1～6w％，太阳能光伏板14将太阳能转化为电能后储存于蓄电池13中，洗脱废液中的有机污染物在电流的作用下降解成小分子、CO2和H2O，经降解的洗脱废液由洗脱液循环管路返回洗脱液喷淋层6对土壤进行循环喷淋。
其中，步骤(4)所述的生物炭12颗粒采用如下方法制备得到：
(a)小麦秸秆切碎后置于石英管中300～900℃下热解1～2h，在热解过程中向石英管通入氮气；
(b)热解结束后冷却至室温取出研磨后过筛，经0.2～0.6mol/L的HCl溶液充分清洗以去掉生物炭12热解过程残留的灰分和可溶性盐，然后用蒸馏水清洗至清洗液变为中性；
(c)清洗后的生物炭12在100～120℃下干燥20～24h。
实施例1
本发明提供了一种太阳能热风强化生物电化学耦合生物炭的土壤修复方法，所述的修复方法包括：
(1)营养液喷淋层5向土壤中持续喷淋营养液，营养液中包括1g/L的磷酸二氢钠、10g/L的葡萄糖、2g/L的氯化铵以及维生素和氨基酸；
(2)空气经太阳能集热系统1加热至30℃后由通风管15喷入土壤，土壤中的微生物在营养液的激活作用下对土壤中的有机污染物进行降解；
(3)洗脱液喷淋层6向土壤中间歇喷淋洗脱液，洗脱液中包括10mg/L的硬脂酸，一次喷淋的时间为20min，洗脱液相邻两次喷淋之间的间隔时间为3min；
(4)洗脱液对土壤中的有机污染物洗脱后形成洗脱废液，洗脱废液渗出土壤后流入电化学反应室3，电化学反应室3内设置的生物炭12颗粒分散于洗脱废液中，生物炭12占洗脱废液质量的1w％，太阳能光伏板14将太阳能转化为电能后储存于蓄电池13中，洗脱废液中的有机污染物在电流的作用下降解成小分子、CO2和H2O，经降解的洗脱废液由洗脱液循环管路返回洗脱液喷淋层6对土壤进行循环喷淋。
其中，步骤(4)所述的生物炭12颗粒采用如下方法制备得到：
(a)小麦秸秆切碎后置于石英管中300℃下热解2h，在热解过程中向石英管通入氮气；
(b)热解结束后冷却至室温取出研磨后过筛，经0.2mol/L的HCl溶液充分清洗以去掉生物炭12热解过程残留的灰分和可溶性盐，然后用蒸馏水清洗至清洗液变为中性；
(c)清洗后的生物炭12在100℃下干燥24h。
实施例2
本发明提供了一种太阳能热风强化生物电化学耦合生物炭的土壤修复方法，所述的修复方法包括：
(1)营养液喷淋层5向土壤中持续喷淋营养液，营养液中包括2g/L的磷酸氢二钠、30g/L的乙酸钠、4g/L的硫酸铵以及维生素和氨基酸；
(2)空气经太阳能集热系统1加热至32℃后由通风管15喷入土壤，土壤中的微生物在营养液的激活作用下对土壤中的有机污染物进行降解；
(3)洗脱液喷淋层6向土壤中间歇喷淋洗脱液，洗脱液中包括30mg/L的季铵盐，一次喷淋的时间为17min，洗脱液相邻两次喷淋之间的间隔时间为2.7min；
(4)洗脱液对土壤中的有机污染物洗脱后形成洗脱废液，洗脱废液渗出土壤后流入电化学反应室3，电化学反应室3内设置的生物炭12颗粒分散于洗脱废液中，生物炭12占洗脱废液质量的2w％，太阳能光伏板14将太阳能转化为电能后储存于蓄电池13中，洗脱废液中的有机污染物在电流的作用下降解成小分子、CO2和H2O，经降解的洗脱废液由洗脱液循环管路返回洗脱液喷淋层6对土壤进行循环喷淋。
其中，步骤(4)所述的生物炭12颗粒采用如下方法制备得到：
(a)小麦秸秆切碎后置于石英管中450℃下热解1.7h，在热解过程中向石英管通入氮气；
(b)热解结束后冷却至室温取出研磨后过筛，经0.3mol/L的HCl溶液充分清洗以去掉生物炭12热解过程残留的灰分和可溶性盐，然后用蒸馏水清洗至清洗液变为中性；
(c)清洗后的生物炭12在105℃下干燥23h。
实施例3
本发明提供了一种太阳能热风强化生物电化学耦合生物炭的土壤修复方法，所述的修复方法包括：
(1)营养液喷淋层5向土壤中持续喷淋营养液，营养液中包括3g/L的磷酸二氢钠、50g/L的甲酸钠、6g/L的氯化铵以及维生素和氨基酸；
(2)空气经太阳能集热系统1加热至35℃后由通风管15喷入土壤，土壤中的微生物在营养液的激活作用下对土壤中的有机污染物进行降解；
(3)洗脱液喷淋层6向土壤中间歇喷淋洗脱液，洗脱液中包括50mg/L的卵磷脂，一次喷淋的时间为15min，洗脱液相邻两次喷淋之间的间隔时间为2.5min；
(5)洗脱液对土壤中的有机污染物洗脱后形成洗脱废液，洗脱废液渗出土壤后流入电化学反应室3，电化学反应室3内设置的生物炭12颗粒分散于洗脱废液中，生物炭12占洗脱废液质量的3w％，太阳能光伏板14将太阳能转化为电能后储存于蓄电池13中，洗脱废液中的有机污染物在电流的作用下降解成小分子、CO2和H2O，经降解的洗脱废液由洗脱液循环管路返回洗脱液喷淋层6对土壤进行循环喷淋。
其中，步骤(4)所述的生物炭12颗粒采用如下方法制备得到：
(a)小麦秸秆切碎后置于石英管中600℃下热解1.5h，在热解过程中向石英管通入氮气；
(b)热解结束后冷却至室温取出研磨后过筛，经0.4mol/L的HCl溶液充分清洗以去掉生物炭12热解过程残留的灰分和可溶性盐，然后用蒸馏水清洗至清洗液变为中性；
(c)清洗后的生物炭12在110℃下干燥22h。
实施例4
本发明提供了一种太阳能热风强化生物电化学耦合生物炭的土壤修复方法，所述的修复方法包括：
(1)营养液喷淋层5向土壤中持续喷淋营养液，营养液中包括4g/L的磷酸二氢钠、70g/L的蔗糖、8g/L的硫酸铵以及维生素和氨基酸；
(2)空气经太阳能集热系统1加热至37℃后由通风管15喷入土壤，土壤中的微生物在营养液的激活作用下对土壤中的有机污染物进行降解；
(3)洗脱液喷淋层6向土壤中间歇喷淋洗脱液，洗脱液中包括70～100mg/L的脂肪酸甘油酯，一次喷淋的时间为13min，洗脱液相邻两次喷淋之间的间隔时间为2.3min；
(4)洗脱液对土壤中的有机污染物洗脱后形成洗脱废液，洗脱废液渗出土壤后流入电化学反应室3，电化学反应室3内设置的生物炭12颗粒分散于洗脱废液中，生物炭12占洗脱废液质量的5w％，太阳能光伏板14将太阳能转化为电能后储存于蓄电池13中，洗脱废液中的有机污染物在电流的作用下降解成小分子、CO2和H2O，经降解的洗脱废液由洗脱液循环管路返回洗脱液喷淋层6对土壤进行循环喷淋。
其中，步骤(4)所述的生物炭12颗粒采用如下方法制备得到：
(a)小麦秸秆切碎后置于石英管中750℃下热解1.3h，在热解过程中向石英管通入氮气；
(b)热解结束后冷却至室温取出研磨后过筛，经0.5mol/L的HCl溶液充分清洗以去掉生物炭12热解过程残留的灰分和可溶性盐，然后用蒸馏水清洗至清洗液变为中性；
(c)清洗后的生物炭12在115℃下干燥21h。
实施例5
本发明提供了一种太阳能热风强化生物电化学耦合生物炭的土壤修复方法，所述的修复方法包括：
(1)营养液喷淋层5向土壤中持续喷淋营养液，营养液中包括5g/L的磷酸二氢钠、100g/L的葡萄糖、10g/L的氯化铵以及维生素和氨基酸；
(2)空气经太阳能集热系统1加热至40℃后由通风管15喷入土壤，土壤中的微生物在营养液的激活作用下对土壤中的有机污染物进行降解；
(3)洗脱液喷淋层6向土壤中间歇喷淋洗脱液，洗脱液中包括100mg/L的硬脂酸，一次喷淋的时间为10min，洗脱液相邻两次喷淋之间的间隔时间为2min；
(4)洗脱液对土壤中的有机污染物洗脱后形成洗脱废液，洗脱废液渗出土壤后流入电化学反应室3，电化学反应室3内设置的生物炭12颗粒分散于洗脱废液中，生物炭12占洗脱废液质量的6w％，太阳能光伏板14将太阳能转化为电能后储存于蓄电池13中，洗脱废液中的有机污染物在电流的作用下降解成小分子、CO2和H2O，经降解的洗脱废液由洗脱液循环管路返回洗脱液喷淋层6对土壤进行循环喷淋。
其中，步骤(4)所述的生物炭12颗粒采用如下方法制备得到：
(a)小麦秸秆切碎后置于石英管中900℃下热解1h，在热解过程中向石英管通入氮气；
(b)热解结束后冷却至室温取出研磨后过筛，经0.6mol/L的HCl溶液充分清洗以去掉生物炭12热解过程残留的灰分和可溶性盐，然后用蒸馏水清洗至清洗液变为中性；
(c)清洗后的生物炭12在120℃下干燥20h。
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (10)
1.一种太阳能热风强化生物电化学耦合生物炭的土壤修复系统，其特征在于，所述的土壤修复系统包括上下布置且相互连通的土壤装填室和电化学反应室；
所述的土壤装填室内装填有土壤，土壤中埋设有至少一个通风管，所述的通风管外接太阳能集热系统，所述的土壤装填室上方设置有至少一层喷淋层；
所述的电化学反应室内设置有阳极电极和阴极电极，所述的阳极电极和阴极电极分别连接太阳能光伏储能系统。
2.根据权利要求1所述的土壤修复系统，其特征在于，所述的土壤装填室上方设置有两层相互独立的喷淋层，分别为营养液喷淋层和洗脱液喷淋层；
优选地，所述的电化学反应室通过洗脱液循环管路连接洗脱液喷淋层，流入电化学反应室的洗脱废液经降解处理后回流至洗脱液喷淋层对土壤进行循环喷淋；
优选地，所述的洗脱液循环管路上设置有洗脱液储存装置；
优选地，所述的洗脱液循环管路上还设置有过滤装置；
优选地，所述的营养液喷淋层外接营养液储存装置；
优选地，所述的喷淋层包括喷淋主管，所述的喷淋主管上沿轴线开设有至少一个雾化喷嘴，所述的雾化喷嘴的喷射方向朝向土壤装填室。
3.根据权利要求1或2所述的土壤修复系统，其特征在于，所述的土壤中埋设有三根横向并排间隔布置的通风管；
优选地，所述的通风管的入口端合并为一路后接入所述的太阳能集热系统；
优选地，所述的通风管上沿轴向对称设置有至少一个喷头。
4.根据权利要求1-3任一项所述的土壤修复系统，其特征在于，所述的太阳能光伏储能系统包括电性连接的太阳能光伏板和蓄电池；
所述的蓄电池的正极和负极分别连接阳极电极和阴极电极。
5.根据权利要求1-4任一项所述的土壤修复系统，其特征在于，所述的土壤装填室和电化学反应室之间设置有活性炭支撑层，洗脱液洗脱土壤中的有机污染后得到洗脱废液，洗脱废液渗出土壤后经活性炭支撑层流入电化学反应室。
6.根据权利要求1-5任一项所述的土壤修复系统，其特征在于，所述的电化学反应室内储存的洗脱废液中分散有生物炭颗粒。
7.一种太阳能热风强化生物电化学耦合生物炭的土壤修复方法，其特征在于，采用权利要求1-6任一项所述的土壤修复系统对有机污染土壤进行修复，所述的土壤修复方法包括：
(Ⅰ)喷淋层向土壤装填室内的土壤中喷淋洗脱液和营养液，洗脱液对土壤中的有机污染物洗脱后形成洗脱废液；
(Ⅱ)洗脱废液渗出土壤后流入电化学反应室，太阳能光伏储能系统向阳极电极和阴极电极供电，洗脱废液中的有机污染物在电流的作用下降解成小分子、CO2和H2O；
(Ⅲ)空气经太阳能集热系统加热后喷入土壤，土壤中的微生物在营养液的激活作用下对土壤中的有机污染物进行降解。
8.根据权利要求7所述的土壤修复方法，其特征在于，步骤(Ⅰ)中，所述的喷淋层包括相互独立的营养液喷淋层和洗脱液喷淋层，营养液喷淋层向土壤中喷淋营养液，洗脱液喷淋层向土壤中喷淋洗脱液；
优选地，所述的营养液喷淋层向土壤中持续喷淋营养液；
优选地，所述的洗脱液喷淋层向土壤中间歇喷淋洗脱液；
优选地，所述的洗脱液一次喷淋的时间为10～20min；
优选地，所述的洗脱液相邻两次喷淋之间的间隔时间为2～3min；
优选地，所述的洗脱液中包括表面活性剂；
优选地，所述的洗脱液中表面活性剂的浓度为0～100mg/L；
优选地，所述的表面活性剂包括硬脂酸、季铵盐、卵磷脂或脂肪酸甘油酯。
9.根据权利要求7或8所述的土壤修复方法，其特征在于，步骤(Ⅱ)中，所述的电化学反应室内还设置有生物炭颗粒，所述的生物炭颗粒分散于洗脱废液中；
优选地，所述的生物炭占洗脱废水质量的1～6w％；
优选地，所述的洗脱废液经降解处理后由洗脱液循环管路返回洗脱液喷淋层对土壤进行循环喷淋；
优选地，所述的生物炭颗粒采用如下方法制备得到：
生物质原料依次热解、冷却、研磨、清洗和烘干后得到所述的生物炭颗粒；
优选地，所述的生物质原料包括小麦秸秆；
优选地，所述的热解过程在石英管中进行；
优选地，所述的热解温度为300～900℃，进一步优选地，所述的热解温度为600～900℃；
优选地，所述的热解时间为1～3h；
优选地，所述的热解过程在保护性气氛下进行；
优选地，所述的清洗过程包括：研磨后的粉料依次经盐酸溶液和蒸馏水清洗；
优选地，所述的盐酸溶液的浓度为0.2～0.6mol/L；
优选地，所述的烘干温度为100～120℃；
优选地，所述的烘干时间为20～24h。
10.根据权利要求7-9任一项所述的土壤修复方法，其特征在于，步骤(Ⅲ) 中，空气经太阳能集热系统加热至30～40℃后由通风管喷入土壤；
优选地，所述的营养液中包括磷源、碳源、氮源和营养物质；
优选地，所述的营养液中磷源浓度为0～5g/L；
优选地，所述的磷源包括磷酸二氢钠和/或磷酸氢二钠；
优选地，所述的营养液中碳源浓度为0～100g/L；
优选地，所述的碳源包括葡萄糖、乙酸钠、甲酸钠或蔗糖中的一种或至少两种的组合；
优选地，所述的营养液中氮源浓度为0～10g/L；
优选地，所述的氮源为氯化铵和/或硫酸铵；
优选地，所述的营养物质包括维生素和/或氨基酸。
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