CN112642853A - 一种电动修复-固化联合处理重金属污染土的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动修复‑固化联合处理重金属污染土的装置及方法，属于污染土壤修复和加固领域。本发明装置可以先进行电动修复降低土中污染物浓度，再通过固化剂固化重金属离子，达到对污染物的先排后封的双重作用，同时形成具有一定强度固化土，可用于路基填埋等工程。其中电动修复过程包括三段式修复：前期输入去离子水电动修复；中期输入天然表面活性剂电动修复，伴随超声波振动提高去除率；在后期输入液体形式的固化剂浆液，利用电渗流驱动固化剂到达土体相应位置。处理完成后，可以通过强度测试处理后固化土强度，通过动态浸出法和波速法检测污染物降低、封存效果和固化剂分布均匀性。

Description

一种电动修复-固化联合处理重金属污染土的装置及方法

技术领域

本发明属于污染土壤污染修复和加固领域，具体涉及一种电动修复-固化联合处理重金属污染土的装置及方法。

背景技术

电动修复法利用土体的导电性，在土体中插入阴阳电极并施加直流电，在电场的作用下，土体中带正负电荷的粒子向相反方向移动，驱动土中的孔隙水和溶解在其中的阳离子向阴极移动，进而带动重金属污染物向阴极区域转移。但是传统的电动修复方法往往只是降低土中的污染物浓度到一定值，不关注处理后土体的强度方面和持久性，因此，处理后的污染土还会存在向周边二次扩散的风险，且土体强度较低。

固化方法可以实现对污染物有效的封存，降低污染物向周边环境的扩散，同时提升污染土强度，可用作路基填埋等工程，具有价格低廉、施工方便、稳定性好等优点。但是，当固化剂选用水泥等胶凝材料时，固化/稳定的效果会受到污染物的浓度等影响，高浓度污染物会延缓、破坏水泥水化反应，导致固化土强度降低，污染物封存效果减弱，增加了污染物向周边环境扩散的风险。

发明内容

为解决上述污染土二次扩散、污染物浓度干扰固化处理效果、处理后土体强度低等问题，本发明提供了一种电动修复-固化联合处理重金属污染土的装置及方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明一方面提供了一种电动修复-固化联合处理重金属污染土的装置，该装置包括供液系统、传输系统、控制阀门、加压控制器、声波发声器、强度测试系统、超声波振动系统、土体含水率和孔隙水压力测试系统、液体接收系统、浸提剂供液系统、声波接收器、阳极、阴极、污染土处理室、浸提动力系统和加压系统；所述供液系统包括去离子水供液系统、活性剂供液系统和固化剂供液系统；

所述污染土处理室内装有待处理重金属污染土，内部一侧设有阳极，另一侧设有阴极；污染土中布置若干土体含水率和孔隙水压力测试系统；

所述去离子水供液系统、活性剂供液系统和固化剂供液系统分别与加压系统连接后，通过控制阀门和加压控制器，输送到阳极侧土体的上部、中部和下部；所述液体接收系统用于收集从阴极侧上部、中部和下部排出的土体；所述污染土处理室内左上方设置声波发声器和浸提动力系统，右上方设置声波接收器和浸提动力系统；

所述声波发声器用于发射低应变波或超声波，另一侧的声波接收器用于接收声波发声器发出的声波，通过测试波速，无损测试处理后固化土中的孔洞和裂缝情况，检验固化剂分布的均匀性；两侧的浸提动力系统用于驱动浸提剂往复运动，模拟水流冲刷后污染土中的重金属向外界环境的扩散情况，通过测试浸提剂中的重金属含量，检测固化处理重金属污染土的效果；

所述污染土处理室上方设置有强度测试系统和超声波振动系统；所述强度测试系统用于测试固化处理后土体的强度，所述超声波振动系统用于深入污染土中，利用超声波的空化作用、温热效应和机械效应，促进活性剂对污染物的去除效率。

进一步地，所述强度测试系统由十字板剪切强度测试仪；所述土体含水率和孔隙水压力测试系统有TDR探针和孔隙水压力传感器等构成。

进一步地，所述供液系统提供的去离子水、活性剂、固化剂在阳极侧注入污染土处理室中的重金属污染土中，经过中间的工作区传向阴极侧，通过阴极侧的液体接收系统收集排出的含有重金属的液体。

进一步地，所述固化剂为离子型固化剂，或者具有较高流动性的硅酸盐基固化剂浆液。

进一步地，所述浸提剂可以为去离子水，模拟地下水冲刷；或者采用醋酸，pH＝2.88，模拟垃圾填埋分解；或者采用硝酸和硫酸的混合物，pH＝3.20，模拟酸雨冲刷。、

本发明另一方面提供了一种利用上述装置处理重金属污染土的方法，该方法包括三段式修复：

(1)在处理前期，进行单一电动修复，从阳极侧输入去离子水至稳定排水；

(2)在处理中期，在电动修复的同时，停止输入去离子水并开始输入活性剂，每隔一段时间(例如可设置为1小时)断电，将超声波振动系统深入污染土中振动污染土(振动时间可设置为10分钟)；再通电，并重复该步骤；

(3)在处理后期，在电动修复的同时，停止输入活性剂并开始输入液体形式的固化剂浆液，利用电渗流驱动固化剂浆液到达土体相应位置，对污染土进行封存，同时提升土体强度。

进一步地，首先通过电动修复过程降低土中重金属污染水平，再通过固化剂液体固化重金属离子，实现先降低污染土中的污染物浓度，再对污染土中的残余重金属进行封存的目的。

进一步地，所述步骤(1)中，如果土体渗透性较低，可利用加压系统(如射流泵等)对污染土进行处理。

进一步地，处理完污染土后，可以对处理效果进行自动检测；在输入固化剂并养护一段时间后，利用浸提动力系统(如微型造浪机)采用动态浸出法检测污染土中重金属的降低和封存效果；利用声波发声器、声波接收器和强度测试系统，采用波速法和强度测试对处理后污染土的均匀性和强度等指标进行评估测试。

进一步地，强度测试为在固化土表面取4个点(距离边界一定距离)，将强度测试系统贯入土体深度二分之一处，测试固化后土体的抗剪强度。

本发明的有益效果是：

1.本发明提供一种电动修复-固化联合处理重金属污染土的装置，先进行电动修复降低土中污染物浓度，再通过固化剂固化重金属离子，达到对污染物的先排后封的双重作用，同时形成具有一定强度固化土，可用于路基填埋等工程。

2.充分发挥电动修复法和固化方法的优势，电动修复法可以降低土中的污染物浓度到一定值，降低重金属对固化过程中胶凝材料水化反应的不利影响；固化方法可以大大提升电动修复后污染土的强度，同时有效封存污染物，降低土中污染物向周边二次扩散的风险。

3.采用的电动修复过程包括三段式修复：前期输入去离子水电动修复；中期输入天然表面活性剂电动修复；在后期输入液体形式的固化剂浆液，通过三段式修复提升电动修复效果。

4.电动修复过程中，结合超声波振动法，利用超声波的空化作用、温热效应和机械效应，促进活性剂对污染物的去除效率。

5.装置中包含多种方法检测处理效果：通过测试强度反应固化后污染土强度，通过动态浸出法和波速法检测污染物降低、封存效果和固化剂分布均匀性。

附图说明

图1是本发明实施例提供的电动修复-固化联合处理重金属污染土装置侧视图；

图2是本发明实施例提供的电动修复-固化联合处理重金属污染土装置俯视图；

图中：1-供液系统；2-传输系统；3-控制阀门；4-加压控制器；5-供液方向；6-声波发声器；7-强度测试系统；8-超声波振动系统；9-土体含水率和孔隙水压力测试系统；10-液体接收系统；11-浸提剂供液系统；12-声波接收器；13-阳极；14-阴极；15-污染土处理室；16-浸提动力系统；17-浸提区域；18-去离子水供液系统；19-活性剂供液系统；20-固化剂供液系统；21-加压系统。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明不受实施例的限制。

如图1、2所示，本发明实施例提供的一种电动修复-固化联合处理重金属污染土的装置，该装置包括供液系统1、传输系统2、控制阀门3、加压控制器4、声波发声器6、强度测试系统7、超声波振动系统8、土体含水率和孔隙水压力测试系统9、液体接收系统10、浸提剂供液系统11、声波接收器12、阳极13、阴极14、污染土处理室15、浸提动力系统16和加压系统21；所述供液系统1包括去离子水供液系统18、活性剂供液系统19和固化剂供液系统20；

所述污染土处理室15内装有待处理重金属污染土，内部一侧设有阳极13，另一侧设有阴极14；污染土中布置若干土体含水率和孔隙水压力测试系统9；

所述去离子水供液系统18、活性剂供液系统19和固化剂供液系统20分别与加压系统21连接后，通过控制阀门3和加压控制器4，输送到阳极侧土体的上部、中部和下部；所述液体接收系统10用于收集从阴极侧上部、中部和下部排出的土体；供液系统1提供的去离子水、活性剂、固化剂在阳极侧注入污染土处理室1中的重金属污染土中，经过中间的工作区传向阴极侧，通过阴极侧的液体接收系统10收集排出的含有重金属的液体；

所述污染土处理室1内左上方设置声波发声器6和浸提动力系统16，右上方设置声波接收器12和浸提动力系统16；

所述声波发声器6用于发射低应变波或超声波，另一侧的声波接收器12用于接收声波发声器6发出的声波，通过测试波速，无损测试处理后固化土中的孔洞和裂缝情况，检验固化剂分布的均匀性；两侧的浸提动力系统16用于驱动浸提剂往复运动，模拟水流冲刷后污染土中的重金属向外界环境的扩散情况，通过测试浸提剂中的重金属含量，检测固化处理重金属污染土的效果；

所述污染土处理室1上方设置有强度测试系统7和超声波振动系统8；所述强度测试系统7用于测试固化处理后土体的强度，所述超声波振动系统8用于深入污染土中，利用超声波的空化作用、温热效应和机械效应，促进活性剂对污染物的去除效率。

在一个实施例中，强度测试系统7采用十字板剪切强度测试仪；土体含水率和孔隙水压力测试系统9由TDR探针和孔隙水压力传感器等构成。

在一个实施例中，固化剂为离子型固化剂，或者具有较高流动性的硅酸盐基固化剂浆液。浸提剂可以为去离子水，模拟地下水冲刷；或者采用醋酸，pH＝2.88，模拟垃圾填埋分解；或者采用硝酸和硫酸的混合物，pH＝3.20，模拟酸雨冲刷。

本发明实施例提供一种利用上述装置，电动修复-固化联合处理重金属污染土的方法，该方法包括三段式修复：

(1)在装置中的污染土处理室15内装入待处理的污染土，前期进行单一电动修复，装置左侧为阳极13，右侧为阴极14，通过装置左侧的去离子水供液系统18向污染土中输入去离子水6小时至电动修复稳定排水，右侧液体接收系统10接收排出的液体；如果土体渗透性较低，可利用加压系统21如射流泵等进行处理。

(2)当污染土中排水修复通道稳定后，在中期电动修复过程中，停止输入去离子水，通过装置左侧的活性剂供液系统19输入天然表面活性剂，每隔1小时断电，将超声波振动系统8深入污染土中，振动10分钟，利用超声波的空化作用、温热效应和机械效应，促进天然表面活性剂对污染物的去除效率。整个过程持续24小时，其中，最后4小时不输入液体，通过土体含水率和孔隙水压力测试系统9测试含水率，将土中含水率降至50％。

(3)在处理后期，在电动修复的同时，停止输入活性剂，通过固化剂供液系统20输入液体形式的固化剂浆液，利用电渗流驱动固化剂浆液到达土体相应位置，对污染土进行封存，同时提升土体强度。

处理完成后，可以通过强度测试处理后固化土强度，通过动态浸出法和波速法检测污染物降低、封存效果和固化剂分布均匀性，具体如下：

在输入固化剂浆液后，当养护一段时间后进行强度测试，强度测试为在固化土表面取4个点，利用强度测试系统7贯入土体深度二分之一处，测试固化后土体的抗剪强度。

通过浸提剂供液系统11向固化土的上方浸提区域17输入浸提液，两端通过浸提动力系统16(如微型造浪机)驱动水流往复运动，模拟水平震荡法，震荡一段时间后，测试浸提剂中污染物浓度。

在污染土的一端通过声波发生器6发射低应变波或超声波，另一侧声波接收器12接收波，通过测试波速的方法，无损测试固化土中的孔洞和裂缝情况，检验固化土的均匀性。具体地：

(1)在污染土的一端通过发射低应变波，测试另一端的不同深度处污染土的剪切波速，通过剪切波的均匀性判断固化土的处理情况；

(2)在污染土的一端发射超声波，另一端接收超声波，可设置水平同侧接收或水平对侧接收，利用超声波探伤原理，测试固化土中的孔洞和裂缝情况。

以上所述仅为本发明示意性具体实施方案，并非用以限制本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种电动修复-固化联合处理重金属污染土的装置，其特征在于，该装置包括供液系统(1)、传输系统(2)、控制阀门(3)、加压控制器(4)、声波发声器(6)、强度测试系统(7)、超声波振动系统(8)、土体含水率和孔隙水压力测试系统(9)、液体接收系统(10)、浸提剂供液系统(11)、声波接收器(12)、阳极(13)、阴极(14)、污染土处理室(15)、浸提动力系统(16)和加压系统(21)；所述供液系统(1)包括去离子水供液系统(18)、活性剂供液系统(19)和固化剂供液系统(20)；

所述污染土处理室(15)内装有待处理重金属污染土，内部一侧设有阳极(13)，另一侧设有阴极(14)；污染土中布置若干土体含水率和孔隙水压力测试系统(9)；

所述去离子水供液系统(18)、活性剂供液系统(19)和固化剂供液系统(20)分别与加压系统(21)连接后，通过控制阀门(3)和加压控制器(4)，输送到阳极侧土体的上部、中部和下部；所述液体接收系统(10)用于收集从阴极侧上部、中部和下部排出的土体；所述污染土处理室(1)内左上方设置声波发声器(6)和浸提动力系统(16)，右上方设置声波接收器(12)和浸提动力系统(16)；

所述声波发声器(6)用于发射低应变波或超声波，另一侧的声波接收器(12)用于接收声波发声器(6)发出的声波，通过测试波速，无损测试处理后固化土中的孔洞和裂缝情况，检验固化剂分布的均匀性；两侧的浸提动力系统(16)用于驱动浸提剂往复运动，模拟水流冲刷后污染土中的重金属向外界环境的扩散情况，通过测试浸提剂中的重金属含量，检测固化处理重金属污染土的效果；

所述污染土处理室(1)上方设置有强度测试系统(7)和超声波振动系统(8)；所述强度测试系统(7)用于测试固化处理后土体的强度，所述超声波振动系统(8)用于深入污染土中，利用超声波的空化作用、温热效应和机械效应，促进活性剂对污染物的去除效率。

2.根据权利要求1所述的一种电动修复-固化联合处理重金属污染土的装置，其特征在于，所述强度测试系统(7)为十字板剪切强度测试仪；所述土体含水率和孔隙水压力测试系统(9)由TDR探针和孔隙水压力传感器等构成。

3.根据权利要求1所述的一种电动修复-固化联合处理重金属污染土的装置，其特征在于，所述供液系统(1)提供的去离子水、活性剂、固化剂在阳极侧注入污染土处理室(1)中的重金属污染土中，经过中间的工作区传向阴极侧，通过阴极侧的液体接收系统(10)收集排出的含有重金属的液体。

4.根据权利要求1所述的一种电动修复-固化联合处理重金属污染土的装置，其特征在于，所述固化剂为离子型固化剂，或者具有较高流动性的硅酸盐基固化剂浆液。

5.根据权利要求1所述的一种电动修复-固化联合处理重金属污染土的装置，其特征在于，所述浸提剂可以为去离子水，模拟地下水冲刷；或者采用醋酸，pH＝2.88，模拟垃圾填埋分解；或者采用硝酸和硫酸的混合物，pH＝3.20，模拟酸雨冲刷。

6.一种利用权利要求1-5任一项所述装置处理重金属污染土的方法，其特征在于，该方法包括三段式修复：

(1)在处理前期，进行单一电动修复，从阳极侧输入去离子水至稳定排水；

(2)在处理中期，在电动修复的同时，停止输入去离子水并开始输入活性剂，每隔一段时间断电，将超声波振动系统(8)深入污染土中振动污染土；再通电，并重复该步骤；

(3)在处理后期，在电动修复的同时，停止输入活性剂并开始输入液体形式的固化剂浆液，利用电渗流驱动固化剂浆液到达土体相应位置，对污染土进行封存，同时提升土体强度。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，首先通过电动修复过程降低土中重金属污染水平，再通过固化剂液体固化重金属离子，实现先降低污染土中的污染物浓度，再对污染土中的残余重金属进行封存的目的。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，如果土体渗透性较低，可利用加压系统(21)对污染土进行处理。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，处理完污染土后，可以对处理效果进行自动检测；在输入固化剂并养护一段时间后，利用浸提动力系统(16)采用动态浸出法检测污染土中重金属的降低和封存效果；利用声波发声器(6)、声波接收器(12)和强度测试系统(7)，采用波速法和强度测试对处理后污染土的均匀性和强度等指标进行评估测试。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，强度测试为在固化土表面取4个点，将强度测试系统(7)贯入土体深度二分之一处，测试固化后土体的抗剪强度。

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