CN204874221U - 一种清除河道底泥中重金属和多环芳烃的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种清除河道底泥中重金属和多环芳烃的装置，属于环境保护中的河道污染治理领域。它包括电解装置、生物燃料电池和检流计，其中，电解装置包括阴极区、底泥区和阳极区；生物燃料电池的负极布设在圆筒外侧，正极布设在圆筒内侧，负极和正极之间设有堆肥层；阴极区内设有阴极棒，阴极棒的顶部与正极电连接，负极与检流计的一端连接，检流计的另一端与阳极棒电连接；阳极区与底泥区之间设有物质交换膜，底泥区与阴极区之间也设有物质交换膜，阴极采样区的顶部上设有阴极采样口，中间采样区的顶部上设有中间采样口，阳极采样区的顶部上设有阳极采样口。它节约能源的同时，实现了以废治废的目的。

Description

一种清除河道底泥中重金属和多环芳烃的装置

技术领域

本实用新型属于环境保护中的河道污染治理领域，具体地说，涉及一种清除河道底泥中重金属和多环芳烃的装置。

背景技术

随着经济的发展和城市化进程的加快，环境问题日益加重，水体污染也越来越受到重视。河流污染问题集中表现在N、P元素含量过高，水体富营养化比较严重，水体中重金属元素含量超标，难降解有机污染物在水体中占有量也在不断提升，严重扰乱河流水质和生物多样性的平衡。河流污染原因，是由于外源污染物(氮磷、重金属、难降解有机物)的排放，污染物最终蓄积到底泥中，引起底泥的污染，在环境条件(溶解氧、pH、水动力)变化时，底泥中的污染物可能会重新释放到水体中，造成二次污染。

目前，针对河道底泥污染的治理，主要有以下三种方法，疏浚，底泥覆盖和生态修复。疏浚是采用机械的方式将污染底泥直接清除，处理效果较好，但是缺点是工程量大，对底泥环境破坏严重，且疏浚的底泥若处置不当，易造成二次污染；底泥覆盖是通过投加自然或人工合成的材料覆盖于沉积物表面，用来隔绝沉积物中污染物质通过沉积物-水界面释放到上覆水体的一种手段，覆盖技术与疏浚技术相比，具有工程实施成本较低，操作简单，对底泥环境扰动小，但是覆盖后会增加底泥的量，一定程度上会降低湖泊或水库容量，同时覆盖底泥吸附的污染性物质长期不能得到降解消除，同样会再次对水体产生污染；生态修复是采用种植水生植物，通过植物吸收、根系附着微生物等作用进行底质修复，缺点是修复周期长，效果不显著。

电动修复(electrokineticremediation)作为一种新型的绿色修复技术，近年来受到了越来越多的关注，它具有投资少、去除效率高和处理时间短等优点，特别是对于水力渗透性差的河道污泥，电动修复技术具有良好的应用前景，电场不仅可以促进目标污染物在底泥粘土中的流动，还可以增强微生物的运输能力，提高被污染物的污染物去除能力。单独的电动修复虽然对重金属污染的土壤或底泥具有较好的修复效果，然而，土壤或底泥的污染并不是单纯的重金属污染，往往伴随着多环芳烃(PAHs)等难降解有机物的污染。因此，需要其他辅助技术或者添加其他修复剂来提高对多环芳烃等难降解有机物的污染的修复能力。

中国发明专利，申请号：201110052105.8，申请日：2011.03.04，公开了一种新型表面活性剂强化电动生物修复多环芳烃污染土壤工艺与技术，此工艺是两极电解液混合循环并在电解液中添加表面活性剂和微生物进行电动注入，当电压梯度为1V/cm，电解液为菌悬液(含有营养盐)及表面活性剂，pH值为7.3，循环电解液的流速为800ml/h时，进行表面活性剂强化电动生物修复试验。其不足之处在于，1)、该方法使用单项直流电源提供电能，耗费能源；2)、电解液中的活性表面剂不能有效地进入到被污染的土壤中，不利于土壤中PAHs和重金属离子的解吸附作用，同时，加入的活性表面剂会造成二次污染，会对环境问题造成新的影响。

中国发明专利，授权公告号：CN103043768B，授权公告日：2013.12.18，公开了一种添加生物表面活性剂的电动力修复装置及方法。此发明的电源变压器的正、负极分别与的阳极区、阴极区相连；喷淋系统单独安装在污染区域地表；电极液储存箱与加液泵相连；加液泵通过管道与阳极区和阴极区相连；阳极区传输泵、阴极区传输泵分别通过管道与阳极区、阴极区相连；阳极区、阴极区传输泵分别经管道与重金属回收处理装置相连，重金属回收处理装置与工作液传输泵相连，工作液传输泵与工作液处理装置相连；此发明通过对污染地区喷淋生物表面活性剂的方式，改进电动力修复对重金属的处理效果，引入了生物表面活性剂喷淋系统、重金属回收系统及工作液处理系统，对重金属污染物去除率提高40％。其不足之处是，1)、该方法使用单项直流电源提供电能，处理污染区域范围较大，耗费能源大；2)、该发明处理污染区域范围较大，喷淋装置需要喷淋生物表面活性剂来溶解污染区域土壤中的重金属离子；同时，喷淋装置也需要喷淋pH调节液来调节污染土壤中的pH，两者之间喷淋时间上如何控制，此发明中未作陈述说明，若前者时间太少，生物表面活性剂的量不足以溶解污染区域土壤中的重金属离子，若时间充足，污染土壤中的pH可能又难以及时控制，不利于修复过程的进行。

实用新型内容

1.实用新型要解决的技术问题

针对现有技术对河道底泥的污染处理中存在耗费电能、污染物解吸附能力不强、活性表面剂产生的二次污染、处理效果不好和工程量大的问题，本发明提供了一种清除河道底泥中重金属和多环芳烃的装置，它能够有效地去除河道底泥中的重金属和多环芳烃，污染物解吸附能力强，不存在二次污染，处理效果好，节省能源实现废物再利用。

2.技术方案

为解决上述问题，本实用新型提供的技术方案为：

一种清除河道底泥中重金属和多环芳烃的装置，包括电解装置、生物燃料电池和检流计，其中，所述的电解装置包括阴极区、底泥区和阳极区，从左到右依次为阴极区、底泥区和阳极区；所述的阴极区的顶部上和所述的阳极区的顶部上均设有出气口，设置出气口有利于电解装置内外的气体交换，保证电解装置内压强的稳定，有利于促进电解质溶液以稳定的速率循环流动，所述的阴极区的侧面上部通过管道与电解液杯连通，所述的电解液杯通过管道与蠕动泵的入口连接，所述的蠕动泵的出口通过管道与阴极区的侧面下部连通；

所述的生物燃料电池为圆筒状，包括负极、堆肥层和正极，所述的负极布设在圆筒外侧，所述的正极布设在圆筒内侧，所述的负极和所述的正极之间设有堆肥层；保障生物燃料电池的有效运行。

所述的阴极区内设有阴极棒，所述的阴极棒的顶部与生物燃料电池的负极电连接，生物燃料电池的正极与所述的检流计的一端电连接，所述的检流计的另一端与阳极棒电连接，所述的阳极棒设置在所述的阳极区内，所述的阳极区的侧面上部通过管道与电解液杯连通，所述的电解液杯通过管道与蠕动泵的入口连接，所述的蠕动泵的出口通过管道与阳极区的侧面下部连通；

所述的阳极区与所述的底泥区之间设有物质交换膜，所述的底泥区与所述的阴极区之间也设有物质交换膜，一根管道的一端从底泥区底部中间位置处，竖直向上插入到底泥区内中的顶部，这根管道的另一端与所述的蠕动泵的出口连通，与蠕动泵的入口连通的管道的另一端从电解液杯III的顶部伸入到电解液杯III的底部。保证生物活性表面剂能与底泥充分接触，提高污染物的解吸附能力。

所述的底泥区被平均划分为阴极采样区、中间采样区和阳极采样区三个区域，从左到右依次为阴极采样区、中间采样区和阳极采样区，三个区域之间无分离设置，重金属和多环芳烃物质在三个区域之间能够自由移动，所述的阴极采样区的顶部上设有阴极采样口，所述的中间采样区的顶部上设有中间采样口，所述的阳极采样区的顶部上设有阳极采样口。实验前后分别从三个采样口采取样品，对比检测分析不同区室重金属离子和多环芳烃的去除率。

优选地，所述的负极由外向内依次布设保护层、扩散层、炭基层、阴极膜电极和催化层，所述的正极由外向内依次布设保护层、扩散层、炭基层、阳极膜电极和催化层。负极和正极均采用这种层层相叠的布设方式，一方面有利于对生物燃料电池正负极的保护，促进电解装置长时间的有效运行，另一方面这种层状结构，能够催化堆肥层内的堆肥反应，加快堆肥层内堆肥的转化速率，促进电流的稳定产生和传递。

优选地，所述的堆肥层内为中度熟化的堆肥产物。

将生活、生产所产生的垃圾，即菜叶、蛋壳、果皮和秸秆破碎，混合处理后与麦麸、米糠、碎稻壳和细菌培养料，依次按照100～110:3～4:3～4:100～110:35～40的质量比混合均匀，将混合物的含水量调至50％-60％，调整pH至6.7～7.3之间，自然发酵，得到中度熟化的堆肥产物填充到所述的堆肥层内，达到以废治废的效果，利用生物燃料电池代替了单向直流电源，节约能源的同时也能实现废物的再利用。

优选地，所述的电解液杯包括电解液杯I、电解液杯II和电解液杯III，所述的阴极区的侧面上部通过管道与电解液杯I的顶部连通，该管道上设有上端阀门I，电解液杯I的侧面底部与电解液杯II的侧面上部连通，与蠕动泵的入口连通的管道从所述的电解液杯II的顶部，竖直插入到所述的电解液杯II的底部，所述的蠕动泵的出口与阴极区的侧面下部连通的管道上设有底端阀门I。用于控制蠕动泵向阴极区内泵入电解液。

优选地，所述的阳极区的侧面上部通过管道与电解液杯I的顶部连通，该管道上设有上端阀门II，电解液杯I的侧面底部与电解液杯II的侧面上部连通，与蠕动泵的入口连通的管道从所述的电解液杯II的顶部，竖直插入到所述的电解液杯II的底部，所述的蠕动泵的出口与阳极区的侧面下部连通的管道上设有底端阀门II。用于控制蠕动泵向阳极区内泵入电解液。

优选地，所述的蠕动泵的出口与所述的底泥区底部中间位置处连通的管道上设有底端阀门III。用于控制蠕动泵向底泥区的顶部泵入电解液，保证生物活性表面剂能与底泥充分接触，提高污染物的解吸附能力。

优选地，所述的电解液杯内含有电解质溶液，所述的电解质溶液是由浓度为4.0×10⁸CFU/mL的枯草芽孢杆菌悬液，浓度为2g/L的营养盐NaCl和浓度为250～350mg/L的生物表面活性剂组成的混合溶液，所述的电解质溶液的pH值范围控制在6.1～6.9之间，呈弱酸性；生物表面活性剂相对于人工合成表面活性剂，不存在二次污染，安全性好，效率更高，生物表面活性剂是鼠李糖脂、槐糖脂、皂角苷和枯草菌中的任意一种，或者是其中几种的组合，四种生物表面活性剂对重金属离子和多环芳烃都有很强的解吸附作用，电解质溶液在蠕动泵的带动下以600mL/h～800mL/h的速度流动，该流速条件下既满足电解液对电解过程的供应需求，同时又能综合考虑到生物表面活性剂与污染物的接触，保证其在最适合的解吸附范围的作用条件下，满足污染物转移、传递、流出的最优化需求，电解液中的添加剂使用生物活性表面剂鼠李糖脂取代原有活性表面剂，不会产生二次污染，添加剂浓度为250～350mg/L鼠李糖脂电解液，以600～800mL/h的流速在电解装置内流动，对底泥中多环芳烃的解吸附作用以及去除率最佳。

优选地，所述的阴极棒和所述的阳极棒均为石墨电极，所述的阴极区内填充固体碱性材料和固体吸附材料，所述的阳极区内填充固体酸性材料和固体吸附材料。碱性材料和酸性材料能够对电解液pH的控制起到积极作用，固体吸附材料能够吸附底泥中的重金属离子。

优选地，所述的固体碱性材料为CaO/NaY碱性沸石；所述的固体酸性材料为Hβ酸性沸石；所述的固体吸附材料包括高岭石、钙基凹凸棒、钙基海泡石和活性炭，混合均匀，高温变性处理后，Hβ酸性沸石和CaO/NaY碱性沸石与固体吸附材料的质量比控制在1:1～2.5:4.0，对电解液pH的控制和底泥中重金属离子的吸附具有良好的效果；高岭石、钙基凹凸棒、钙基海泡石和活性炭的质量份数依次分别为：20～25份、25～30份、20～25份、25～30份。四种物质混合使用，根据它们对不同重金属离子的吸附作用效果的不同，最大化的吸附重金属离子，pH在6.1～6.9的弱酸性条件下，高温变性处理后，高岭石对Cu²⁺、Zn²⁺和Pb²⁺的吸附效果较强，对其它金属离子的吸附作用较弱；钙基凹凸棒对Cu²⁺、As²⁺和Cd²⁺的吸附效果较强，对其它金属离子的吸附作用较弱；钙基海泡石对Ni²⁺和As²⁺的吸附效果较强，对其它金属离子的吸附作用较弱；活性炭对Cr、Hg²⁺、Mn²⁺、Pb²⁺的吸附效果较强，对其它金属离子的吸附作用较弱。CaO/NaY碱性沸石和Hβ酸性沸石的粒径均为300～400目；对于平衡溶液中pH有着积极的作用；固体吸附材料包括高岭石、钙基凹凸棒、钙基海泡石和活性炭，粒径均为200～300目，均匀混合加工处理，有利于更好地与污染物重金属离子接触，提高对重金属离子的吸附率。

一种清除河道底泥中重金属和多环芳烃的方法，其步骤为：

A、搭建以上所述的一种清除河道底泥中重金属和多环芳烃的装置，确保所有阀门处于关闭状态；

B、采集被多环芳烃和重金属污染的河道底泥，底泥含水率在70％～80％之间，平铺于电解装置中底泥区内；

C、分别从阴极采样口、中间采样口和阳极采样口采取底泥，通过实验方法测出原始底泥中重金属离子和PAHs污染物含量；

D、将电解质溶液分别加入电解液杯I、电解液杯II和电解液杯III内；

E、先打开上端阀门I、上端阀门II、底端阀门I、底端阀门II和底端阀门III；

F、再打开蠕动泵，控制电解质溶液的流速为600mL/h～800mL/h；控制生物燃料电池的电压梯度为1～2V/cm；通过检流计的读数大小以及稳定性，能够判断生物燃料电池的电压强度大小以及电压的稳定性，修复过程中，控制生物燃料电池1～2V/cm，满足电动修复过程中对电压需求的同时，还能够对重金属离子和多环芳烃污染物的移动速率起到良好的控制作用，以便于将生物表面活性剂和强化电动法相结合去除河道底泥中的重金属和多环芳烃污染物。通过底端阀门I，蠕动泵将电解液杯II中的电解液泵入阴极区内，通过底端阀门II，蠕动泵将电解液杯II中的电解液泵入阳极区内，通过底端阀门III，蠕动泵将电解液杯III中的电解液泵入底泥区的顶部；当电解装置中充满了电解液后，阴极区内的电解液通过设置有上端阀门I的管道流入到电解液杯I内，电解液杯I内的电解液，再流入电解液杯II中，通过底端阀门I，蠕动泵将电解液杯II中的电解液泵入阴极区内，完成电解液的一次循环流动；阳极区内的电解液通过设置有上端阀门II的管道流入到电解液杯I内，电解液杯I内的电解液，再流入电解液杯II中，通过底端阀门II，蠕动泵将电解液杯II中的电解液泵入阳极区内，完成电解液的另一次循环流动。根据连通器原理，电解液在电解装置内下进上出，形成循环电解液，有利于维持溶液中pH的稳定，不会产生二次污染；

由于生物表面活性剂和电动法的联合作用，通过检流计控制生物燃料电池的电压梯度，以控制重金属离子和多环芳烃污染物的移动速率，在外电流的作用下，使底泥区内底泥中的重金属离子和PAHs污染物发生迁移，然后透过物质交换膜分别进入电解装置的阴极区和阳极区内，重金属离子污染物被阴极区和阳极区内的固体吸附材料所吸附；生物表面活性剂降低污染物与底泥之间的表面张力，增加其解吸附能力，从而增加其在液相中浓度，加快了污染物的移动速率，进而提高了其降解率及其降解速率。

G、经过生物表面活性剂和强化电动法联合修复7-10天后，再分别从阴极采样口、中间采样口和阳极采样口采取修复后的底泥，通过实验方法测出修复后的河道底泥中重金属离子和PAHs污染物含量；生物表面活性剂和强化电动法联合修复7-10天，在该时间范围内既能够满足最大限度的去除污染物，同时还能够提高装置使用效率。

H、将步骤C和G中的重金属离子和PAHs污染物含量数据进行对比分析，计算出重金属离子和PAHs污染物的去除率，实验完成后，先关闭蠕动泵，再关闭所有阀门，将去除重金属离子和PAHs污染物后的底泥重新回填到别处再利用。

本实用新型对修复原位河道底泥中重金属和多环芳烃的方法的研究具指导作用，这种有效的转化、去除底泥中重金属离子和多环芳烃的方法对于修复大面积整体河道底泥，及水体污染的治理具有重要的意义。

3.有益效果

采用本实用新型提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)本实用新型将生活、生产所产生的垃圾，即菜叶、蛋壳、果皮和秸秆破碎，混合处理后与麦麸、米糠、碎稻壳和细菌培养料，依次按照100～110:3～4:3～4:100～110:35～40的质量比混合均匀，将混合物的含水量调至50％-60％，调整pH至6.7～7.3之间，自然发酵，得到中度熟化的堆肥产物填充到所述的堆肥层内，达到以废治废的效果，利用生物燃料电池代替了单向直流电源，节约能源的同时也能实现废物的再利用；

(2)本实用新型所述的电解液杯内含有电解质溶液，所述的电解质溶液是由浓度为4.0×10⁸CFU/mL的枯草芽孢杆菌悬液，浓度为2g/L的营养盐NaCl和浓度为250～350mg/L的生物表面活性剂组成的混合溶液，所述的电解质溶液的pH值范围控制在6.1～6.9之间；呈弱酸性；生物表面活性剂相对于人工合成表面活性剂，不存在二次污染，安全性好，效率更高，生物表面活性剂是鼠李糖脂、槐糖脂、皂角苷和枯草菌中的任意一种，或者是其中几种的组合，四种生物表面活性剂对重金属离子和多环芳烃都有很强的解吸附作用，电解质溶液在蠕动泵的带动下以600mL/h～800mL/h的速度流动，该流速条件下既满足电解液对电解过程的供应需求，同时又能综合考虑到生物表面活性剂与污染物的接触，保证其在最适合的解吸附范围的作用条件下，满足污染物转移、传递、流出的最优化需求，电解液中的添加剂使用生物活性表面剂鼠李糖脂取代原有活性表面剂，不会产生二次污染，添加剂浓度为250～350mg/L鼠李糖脂电解液，以600～800mL/h的流速在电解装置内流动，对底泥中多环芳烃的解吸附作用以及去除率最佳；

(3)本实用新型所述的固体碱性材料为CaO/NaY碱性沸石；所述的固体酸性材料为Hβ酸性沸石；所述的固体吸附材料包括高岭石、钙基凹凸棒、钙基海泡石和活性炭，混合均匀，高温变性处理后，Hβ酸性沸石和CaO/NaY碱性沸石与固体吸附材料的质量比控制在1:1～2.5:4.0，对电解液pH的控制和底泥中重金属离子的吸附具有良好的效果；高岭石、钙基凹凸棒、钙基海泡石和活性炭的质量份数依次分别为：20～25份、25～30份、20～25份、25～30份；四种物质混合使用，根据它们对不同重金属离子的吸附作用效果的不同，最大化的吸附重金属离子，pH在6.1～6.9的弱酸性条件下，高温变性处理后，高岭石对Cu²⁺、Zn²⁺和Pb²⁺的吸附效果较强，对其它金属离子的吸附作用较弱；钙基凹凸棒对Cu²⁺、As²⁺和Cd²⁺的吸附效果较强，对其它金属离子的吸附作用较弱；钙基海泡石对Ni²⁺和As²⁺的吸附效果较强，对其它金属离子的吸附作用较弱；活性炭对Cr、Hg²⁺、Mn²⁺、Pb²⁺的吸附效果较强，对其它金属离子的吸附作用较弱；CaO/NaY碱性沸石，粒径为300～400目；Hβ酸性沸石，粒径为300～400目；对于平衡溶液中pH有着积极的作用；固体吸附材料包括高岭石、钙基凹凸棒、钙基海泡石和活性炭，粒径均为200～300目，均匀混合加工处理，有利于更好地与污染物重金属离子接触，提高对重金属离子的吸附率；

(4)本实用新型通过检流计的读数大小以及稳定性，能够判断生物燃料电池的电压强度大小以及电压的稳定性，修复过程中，控制生物燃料电池1～2V/cm，满足电动修复过程中对电压需求的同时，还能够对重金属离子和多环芳烃污染物的移动速率起到良好的控制作用，以便于将生物表面活性剂和强化电动法相结合去除河道底泥中的重金属和多环芳烃污染物；通过底端阀门I，蠕动泵将电解液杯II中的电解液泵入阴极区内，通过底端阀门II，蠕动泵将电解液杯II中的电解液泵入阳极区内，通过底端阀门Ⅲ，蠕动泵将电解液杯III中的电解液泵入底泥区的顶部；当电解装置中充满了电解液后，阴极区内的电解液通过设置有上端阀门I的管道流入到电解液杯I内，电解液杯I内的电解液，再流入电解液杯II中，通过底端阀门I，蠕动泵将电解液杯II中的电解液泵入阴极区内，完成电解液的一次循环流动；阳极区内的电解液通过设置有上端阀门II的管道流入到电解液杯I内，电解液杯I内的电解液，再流入电解液杯II中，通过底端阀门II，蠕动泵将电解液杯II中的电解液泵入阳极区内，完成电解液的另一次循环流动。根据连通器原理，电解液在电解装置内下进上出，形成循环电解液，有利于维持溶液中pH的稳定，不会产生二次污染；

(5)本实用新型由于生物表面活性剂和电动法的联合作用，通过检流计控制生物燃料电池的电压梯度，以控制重金属离子和多环芳烃污染物的移动速率，在外电流的作用下，使底泥区内底泥中的重金属离子和PAHs污染物发生迁移，然后透过物质交换膜分别进入电解装置的阴极区和阳极区内，重金属离子污染物被阴极区和阳极区内的固体吸附材料所吸附；生物表面活性剂降低污染物与底泥之间的表面张力，增加其解吸附能力，从而增加其在液相中浓度，加快了污染物的移动速率，进而提高了其降解率及其降解速率；

(6)本实用新型对修复原位河道底泥中重金属和多环芳烃的方法的研究具指导作用，这种有效的转化、去除底泥中重金属离子和多环芳烃的方法对于修复大面积整体河道底泥，及水体污染的治理具有重要的意义；

(7)本实用新型所述的蠕动泵的出口与所述的底泥区底部中间位置处连通的管道上设有底端阀门III；用于控制蠕动泵向底泥区的顶部泵入电解液，保证生物活性表面剂能与底泥充分接触，提高污染物的解吸附能力；

(8)本实用新型所述的底泥区被平均划分为阴极采样区、中间采样区和阳极采样区三个区域，三个区域之间无分离设置，重金属和多环芳烃物质在三个区域之间能够自由移动，所述的阴极采样区的顶部上设有阴极采样口，所述的中间采样区的顶部上设有中间采样口，所述的阳极采样区的顶部上设有阳极采样口；实验前后分别从三个采样口采取样品，对比检测分析不同区室重金属离子和多环芳烃的去除率。

附图说明

图1为本实用新型的电解液全部充满整个电解装置后的结构示意图；

图2为本实用新型图1中生物燃料电池放大后的结构示意图。

示意图中的标号说明：

1、阴极区；2、阳极区；3、出气口；4、阴极采样口；5、中间采样口；6、阳极采样口；7、底泥区；8、上端阀门I；9、底端阀门I；10、上端阀门II；11、底端阀门II；12、底端阀门III；13、蠕动泵；14、电解液杯II；141、电解液杯III；15、底泥；16、物质交换膜；17、电解液杯I；18、阳极棒；19、阴极棒；21、负极；22、堆肥层；23、正极。

具体实施方式

为进一步了解本实用新型的内容，结合附图及实施例对本实用新型作详细描述。

实施例1：

一种清除河道底泥中重金属和多环芳烃的装置，包括电解装置、生物燃料电池和检流计，其中，所述的电解装置包括阴极区1、底泥区7和阳极区2，从左到右依次为阴极区1、底泥区7和阳极区2；所述的阴极区1的顶部上和所述的阳极区2的顶部上均设有出气口3，设置出气口有利于电解装置内外的气体交换，保证电解装置内压强的稳定，有利于促进电解质溶液以稳定的速率循环流动，所述的阴极区1的侧面上部通过管道与电解液杯连通，所述的电解液杯通过管道与蠕动泵13的入口连接，所述的蠕动泵13的出口通过管道与阴极区1的侧面下部连通；

所述的电解液杯包括电解液杯I17、电解液杯II14和电解液杯III14；所述的电解液杯内含有电解质溶液，即电解液杯I17、电解液杯II14和电解液杯III14均含有电解质溶液，所述的电解质溶液是由浓度为4.0×10⁸CFU/mL的枯草芽孢杆菌悬液，浓度为2g/L的营养盐NaCl和浓度为250～350mg/L的生物表面活性剂组成的混合溶液，所述的电解质溶液的pH值范围控制在6.1～6.9之间，呈弱酸性；生物表面活性剂相对于人工合成表面活性剂，不存在二次污染，安全性好，效率更高，生物表面活性剂是鼠李糖脂、槐糖脂、皂角苷和枯草菌中的任意一种，或者是其中几种的组合，四种生物表面活性剂对重金属离子和多环芳烃都有很强的解吸附作用，电解质溶液在蠕动泵13的带动下以600mL/h～800mL/h的速度流动，该流速条件下既满足电解液对电解过程的供应需求，同时又能综合考虑到生物表面活性剂与污染物的接触，保证其在最适合的解吸附范围的作用条件下，满足污染物转移、传递、流出的最优化需求，电解液中的添加剂使用生物活性表面剂鼠李糖脂取代原有活性表面剂，不会产生二次污染，添加剂浓度为250～350mg/L鼠李糖脂电解液，以600～800mL/h的流速在电解装置内流动，对底泥中多环芳烃的解吸附作用以及去除率最佳。

所述的阴极区1的侧面上部通过管道与电解液杯I17的顶部连通，该管道上设有上端阀门I8，电解液杯I17的侧面底部与电解液杯II14的侧面上部连通，与蠕动泵13的入口连通的管道从所述的电解液杯II14的顶部，竖直插入到所述的电解液杯II14的底部，所述的蠕动泵13的出口与阴极区1的侧面下部连通的管道上设有底端阀门I9。用于控制蠕动泵13向阴极区1内泵入电解液。

所述的生物燃料电池为圆筒状，包括负极21、堆肥层22和正极23，所述的负极21布设在圆筒外侧，所述的正极23布设在圆筒内侧，所述的负极21和所述的正极23之间设有堆肥层22；保障生物燃料电池的有效运行。负极21由外向内依次布设保护层、扩散层、炭基层、阴极膜电极和催化层，正极23由外向内依次布设保护层、扩散层、炭基层、阳极膜电极和催化层。负极21和正极23均采用这种层层相叠的布设方式，一方面有利于对生物燃料电池正负极的保护，促进电解装置长时间的有效运行，另一方面这种层状结构，能够催化堆肥层22内的堆肥反应，加快堆肥层22内堆肥的转化速率，促进电流的稳定产生和传递。

所述的堆肥层22内为中度熟化的堆肥产物。

将生活、生产所产生的垃圾，即菜叶、蛋壳、果皮和秸秆破碎，混合处理后与麦麸、米糠、碎稻壳和细菌培养料，依次按照100～110:3～4:3～4:100～110:35～40的质量比混合均匀，将混合物的含水量调至50％-60％，调整pH至6.7～7.3之间，自然发酵，得到中度熟化的堆肥产物填充到所述的堆肥层22内，达到以废治废的效果，利用生物燃料电池代替了单向直流电源，节约能源的同时也能实现废物的再利用。

所述的阴极区1内设有阴极棒19，所述的阴极棒19的顶部与生物燃料电池的负极21电连接，生物燃料电池的正极23与所述的检流计的一端电连接，所述的检流计的另一端与阳极棒18电连接，所述的阳极棒18设置在所述的阳极区2内，所述的阳极区2的侧面上部通过管道与电解液杯连通，所述的电解液杯通过管道与蠕动泵13的入口连接，所述的蠕动泵13的出口通过管道与阳极区2的侧面下部连通；

所述的阳极区2的侧面上部通过管道与电解液杯I17的顶部连通，该管道上设有上端阀门II10，电解液杯I17的侧面底部与电解液杯II14的侧面上部连通，与蠕动泵13的入口连通的管道从所述的电解液杯II14的顶部，竖直插入到所述的电解液杯II14的底部，所述的蠕动泵13的出口与阳极区2的侧面下部连通的管道上设有底端阀门II11。用于控制蠕动泵13向阳极区2内泵入电解液。

所述的阴极棒19和所述的阳极棒18均为石墨电极，所述的阴极区1内填充固体碱性材料和固体吸附材料，所述的阳极区2内填充固体酸性材料和固体吸附材料。碱性材料和酸性材料能够对电解液pH的控制起到积极作用，固体吸附材料能够吸附底泥中的重金属离子。

所述的固体碱性材料为CaO/NaY碱性沸石；所述的固体酸性材料为Hβ酸性沸石；所述的固体吸附材料包括高岭石、钙基凹凸棒、钙基海泡石和活性炭，混合均匀，高温变性处理后，Hβ酸性沸石和CaO/NaY碱性沸石与固体吸附材料的质量比控制在1:1～2.5:4.0，对电解液pH的控制和底泥中重金属离子的吸附具有良好的效果；高岭石、钙基凹凸棒、钙基海泡石和活性炭的质量份数依次分别为：20～25份、25～30份、20～25份、25～30份。四种物质混合使用，根据它们对不同重金属离子的吸附作用效果的不同，最大化的吸附重金属离子，pH在6.1～6.9的弱酸性条件下，高温变性处理后，高岭石对Cu²⁺、Zn²⁺和Pb²⁺的吸附效果较强，对其它金属离子的吸附作用较弱；钙基凹凸棒对Cu²⁺、As²⁺和Cd²⁺的吸附效果较强，对其它金属离子的吸附作用较弱；钙基海泡石对Ni²⁺和As²⁺的吸附效果较强，对其它金属离子的吸附作用较弱；活性炭对Cr、Hg²⁺、Mn²⁺、Pb²⁺的吸附效果较强，对其它金属离子的吸附作用较弱。CaO/NaY碱性沸石和Hβ酸性沸石的粒径均为300～400目；对于平衡溶液中pH有着积极的作用；固体吸附材料包括高岭石、钙基凹凸棒、钙基海泡石和活性炭，粒径均为200～300目，均匀混合加工处理，有利于更好地与污染物重金属离子接触，提高对重金属离子的吸附率。

所述的阳极区2与所述的底泥区7之间设有物质交换膜16，所述的底泥区7与所述的阴极区1之间也设有物质交换膜16，一根管道的一端从底泥区7底部中间位置处，竖直向上插入到底泥区7内中的顶部，这根管道的另一端与所述的蠕动泵13的出口连通，与蠕动泵13的入口连通的管道的另一端从电解液杯III141的顶部伸入到电解液杯III141的底部。所述的蠕动泵13的出口与所述的底泥区7底部中间位置处连通的管道上设有底端阀门III12。用于控制蠕动泵13向底泥区7的顶部泵入电解液，保证生物活性表面剂能与底泥充分接触，提高污染物的解吸附能力。

所述的底泥区7被平均划分为阴极采样区、中间采样区和阳极采样区三个区域，从左到右依次为阴极采样区、中间采样区和阳极采样区，三个区域之间无分离设置，重金属和多环芳烃物质在三个区域之间能够自由移动，所述的阴极采样区的顶部上设有阴极采样口4，所述的中间采样区的顶部上设有中间采样口5，所述的阳极采样区的顶部上设有阳极采样口6。实验前后分别从三个采样口采取样品，对比检测分析不同区室重金属离子和多环芳烃的去除率。

一种清除河道底泥中重金属和多环芳烃的方法，其步骤为：

A、搭建以上所述的一种清除河道底泥中重金属和多环芳烃的装置，确保所有阀门处于关闭状态；

B、采集被多环芳烃和重金属污染的河道底泥，底泥15的含水率在70％～80％之间，平铺于电解装置中底泥区7内；

C、分别从阴极采样口4、中间采样口5和阳极采样口6采取底泥15，通过实验方法测出原始底泥中重金属离子和PAHs污染物含量；

D、将电解质溶液分别加入电解液杯I17、电解液杯II14和电解液杯III141内；

E、先打开上端阀门I8、上端阀门II10、底端阀门I9、底端阀门II11和底端阀门III12；

F、再打开蠕动泵13，控制电解质溶液的流速为600mL/h～800mL/h；控制生物燃料电池的电压梯度为1～2V/cm；

通过检流计的读数大小以及稳定性，能够判断生物燃料电池的电压强度大小以及电压的稳定性，修复过程中，控制生物燃料电池1～2V/cm，满足电动修复过程中对电压需求的同时，还能够对重金属离子和多环芳烃污染物的移动速率起到良好的控制作用，以便于将生物表面活性剂和强化电动法相结合去除河道底泥中的重金属和多环芳烃污染物。通过底端阀门I9，蠕动泵13将电解液杯II14中的电解液泵入阴极区1内，通过底端阀门II11，蠕动泵13将电解液杯II14中的电解液泵入阳极区2内，通过底端阀门III12，蠕动泵13将电解液杯III141中的电解液泵入底泥区7的顶部；当电解装置中充满了电解液后，阴极区1内的电解液通过设置有上端阀门I8的管道流入到电解液杯I17内，电解液杯I17内的电解液，再流入电解液杯II14中，通过底端阀门I9，蠕动泵13将电解液杯II14中的电解液泵入阴极区1内，完成电解液的一次循环流动；阳极区2内的电解液通过设置有上端阀门II10的管道流入到电解液杯I17内，电解液杯I17内的电解液，再流入电解液杯II14中，通过底端阀门II11，蠕动泵13将电解液杯II14中的电解液泵入阳极区2内，完成电解液的另一次循环流动。根据连通器原理，电解液在电解装置内下进上出，形成循环电解液，有利于维持溶液中pH的稳定，不会产生二次污染；

由于生物表面活性剂和电动法的联合作用，通过检流计控制生物燃料电池的电压梯度，以控制重金属离子和多环芳烃污染物的移动速率，在外电流的作用下，使底泥区7内底泥中的重金属离子和PAHs污染物发生迁移，然后透过物质交换膜16分别进入电解装置的阴极区1和阳极区2内，重金属离子污染物被阴极区1和阳极区2内的固体吸附材料所吸附；生物表面活性剂降低污染物与底泥之间的表面张力，增加其解吸附能力，从而增加其在液相中浓度，加快了污染物的移动速率，进而提高了其降解率及其降解速率。

G、经过生物表面活性剂和强化电动法联合修复7-10天后，再分别从阴极采样口4、中间采样口5和阳极采样口6采取修复后的底泥15，通过实验方法测出修复后的河道底泥中重金属离子和PAHs污染物含量；生物表面活性剂和强化电动法联合修复7-10天，在该时间范围内既能够满足最大限度的去除污染物，同时还能够提高装置使用效率。

H、将步骤C和G中测得的重金属离子和PAHs污染物含量数据进行对比分析，计算出重金属离子和PAHs污染物的去除率，实验完成后，先关闭蠕动泵13，再关闭所有阀门，将去除重金属离子和PAHs污染物后的底泥15重新回填到别处再利用。

本实用新型对修复原位河道底泥中重金属和多环芳烃的方法的研究具指导作用，这种有效的转化、去除底泥中重金属离子和多环芳烃的方法对于修复大面积整体河道底泥，及水体污染的治理具有重要的意义。

实施例2：

针对安徽某河道的底泥中重金属和PAHs污染物的含量较高，为去除其中的污染物，提出了一种清除河道底泥中重金属和多环芳烃的装置，本实施例的装置结构及其方法同实施例1，其中，生物表面活性剂选择使用鼠李糖脂，鼠李糖脂的浓度为250mg/L，生物表面活性剂还能够选择鼠李糖脂与槐糖脂、皂角苷和枯草菌中的任意一种或几种的组合使用；所述的电解质溶液的pH值控制为6.1，电解质溶液在蠕动泵13的带动下的流速为600mL/h；将生活、生产所产生的垃圾，即菜叶、蛋壳、果皮和秸秆破碎，混合处理后与麦麸、米糠、碎稻壳和细菌培养料，依次按照100:3:3:100:35的质量比混合均匀，将混合物的含水量调至50％，调整pH至6.7，自然发酵，得到中度熟化的堆肥产物填充到所述的堆肥层22内；Hβ酸性沸石和CaO/NaY碱性沸石与经过高温变性处理后的固体吸附材料的质量比控制在1:2.5:4.0；高岭石、钙基凹凸棒、钙基海泡石和活性炭的质量份数依次分别为：20份、25份、20份、25份；CaO/NaY碱性沸石和Hβ酸性沸石，粒径均为300目；固体吸附材料包括高岭石、钙基凹凸棒、钙基海泡石和活性炭，粒径均为200目；底泥15含水率为70％；控制生物燃料电池的电压梯度为1V/cm，其它部分同实施例1。经过生物表面活性剂和强化电动法联合修复7天后，阴极采样区、中间采样区和阳极采样区内的重金属离子的去除率分别为：65％、70％、67％；和阴极采样区、中间采样区和阳极采样区内的多环芳烃的去除率分别为78％、83％、76％。与现有技术中去除重金属离子和多环芳烃的方法相比，本实用新型提高了重金属离子和多环芳烃的去除率。

实施例3：

针对湖北某河道的底泥中重金属和PAHs污染物的含量较高，为去除其中的污染物，提出了一种清除河道底泥中重金属和多环芳烃的装置，本实施例的装置结构及其方法同实施例1，其中，生物表面活性剂选择使用槐糖脂，槐糖脂的浓度为300mg/L，生物表面活性剂还能够选择槐糖脂与鼠李糖脂、皂角苷和枯草菌中的任意一种或几种的组合使用；所述的电解质溶液的pH值控制为6.5，电解质溶液在蠕动泵13的带动下的流速为700mL/h；将生活、生产所产生的垃圾，即菜叶、蛋壳、果皮和秸秆破碎，混合处理后与麦麸、米糠、碎稻壳和细菌培养料，依次按照105:3.5:3.5:105:37.5的质量比混合均匀，将混合物的含水量调至55％，调整pH至7，自然发酵，得到中度熟化的堆肥产物填充到所述的堆肥层22内；Hβ酸性沸石和CaO/NaY碱性沸石与经过高温变性处理后的固体吸附材料的质量比控制在1:1.75:4.0；高岭石、钙基凹凸棒、钙基海泡石和活性炭的质量份数依次分别为：22.5份、37.5份、22.5份、27.5份；CaO/NaY碱性沸石和Hβ酸性沸石，粒径均为350目；固体吸附材料包括高岭石、钙基凹凸棒、钙基海泡石和活性炭，粒径均为250目；底泥15含水率为75％；控制生物燃料电池的电压梯度为1.5V/cm，其它部分同实施例1。经过生物表面活性剂和强化电动法联合修复10天后，阴极采样区、中间采样区和阳极采样区内的重金属离子的去除率分别为：77％、82％、76％；和阴极采样区、中间采样区和阳极采样区内的多环芳烃的去除率分别为81％、87％、82％。与现有技术中去除重金属离子和多环芳烃的方法相比，本实用新型提高了重金属离子和多环芳烃的去除率。

实施例4：

针对江苏某河道的底泥中重金属和PAHs污染物的含量较高，为去除其中的污染物，提出了一种清除河道底泥中重金属和多环芳烃的装置，本实施例的装置结构及其方法同实施例1，其中，生物表面活性剂选择使用皂角苷，皂角苷的浓度为350mg/L，生物表面活性剂还能够选择皂角苷与鼠李糖脂、槐糖脂和枯草菌中的任意一种或几种的组合使用；所述的电解质溶液的pH值控制为6.9，电解质溶液在蠕动泵13的带动下的流速为800mL/h；将生活、生产所产生的垃圾，即菜叶、蛋壳、果皮和秸秆破碎，混合处理后与麦麸、米糠、碎稻壳和细菌培养料，依次按照110:4:4:110:40的质量比混合均匀，将混合物的含水量调至60％，调整pH至7.3，自然发酵，得到中度熟化的堆肥产物填充到所述的堆肥层22内；Hβ酸性沸石和CaO/NaY碱性沸石与经过高温变性处理后的固体吸附材料的质量比控制在1:1:4.0；高岭石、钙基凹凸棒、钙基海泡石和活性炭的质量份数依次分别为：25份、30份、25份、30份；CaO/NaY碱性沸石和Hβ酸性沸石，粒径均为400目；固体吸附材料包括高岭石、钙基凹凸棒、钙基海泡石和活性炭，粒径均为300目；底泥15含水率为80％；控制生物燃料电池的电压梯度为2V/cm，其它部分同实施例1。经过生物表面活性剂和强化电动法联合修复8天后，阴极采样区、中间采样区和阳极采样区内的重金属离子的去除率分别为：79％、84％、76％；和阴极采样区、中间采样区和阳极采样区内的多环芳烃的去除率分别为77％、82％、75％。与现有技术中去除重金属离子和多环芳烃的方法相比，本实用新型提高了重金属离子和多环芳烃的去除率。

实施例5：

针对浙江某河道的底泥中重金属和PAHs污染物的含量较高，为去除其中的污染物，提出了一种清除河道底泥中重金属和多环芳烃的装置，本实施例的装置结构及其方法同实施例1，其中，生物表面活性剂选择使用枯草菌，枯草菌的浓度为340mg/L，生物表面活性剂还能够选择枯草菌与鼠李糖脂、槐糖脂和皂角苷中的任意一种或几种的组合使用；所述的电解质溶液的pH值控制为6.7，电解质溶液在蠕动泵13的带动下的流速为789mL/h；将生活、生产所产生的垃圾，即菜叶、蛋壳、果皮和秸秆破碎，混合处理后与麦麸、米糠、碎稻壳和细菌培养料，依次按照108:3.8:3.85:109:36的质量比混合均匀，将混合物的含水量调至54％，调整pH至6.8，自然发酵，得到中度熟化的堆肥产物填充到所述的堆肥层22内；Hβ酸性沸石和CaO/NaY碱性沸石与经过高温变性处理后的固体吸附材料的质量比控制在1:2.0:4.0；高岭石、钙基凹凸棒、钙基海泡石和活性炭的质量份数依次分别为：24份、29份、23份、26份；CaO/NaY碱性沸石和Hβ酸性沸石，粒径均为380目；固体吸附材料包括高岭石、钙基凹凸棒、钙基海泡石和活性炭，粒径均为240目；底泥15含水率为73％；控制生物燃料电池的电压梯度为1.9V/cm，其它部分同实施例1。经过生物表面活性剂和强化电动法联合修复9天后，阴极采样区、中间采样区和阳极采样区内的重金属离子的去除率分别为：80％、85％、78％；和阴极采样区、中间采样区和阳极采样区内的多环芳烃的去除率分别为75％、84％、76％。与现有技术中去除重金属离子和多环芳烃的方法相比，本实用新型提高了重金属离子和多环芳烃的去除率。

以上示意性的对本实用新型及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本实用新型的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本实用新型创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种清除河道底泥中重金属和多环芳烃的装置，其特征在于，包括电解装置、生物燃料电池和检流计，其中，所述的电解装置包括阴极区(1)、底泥区(7)和阳极区(2)；所述的阴极区(1)的顶部上和所述的阳极区(2)的顶部上均设有出气口(3)，所述的阴极区(1)的侧面上部通过管道与电解液杯连通，所述的电解液杯通过管道与蠕动泵(13)的入口连接，所述的蠕动泵(13)的出口通过管道与阴极区(1)的侧面下部连通；

所述的生物燃料电池为圆筒状，包括负极(21)、堆肥层(22)和正极(23)，所述的负极(21)布设在圆筒外侧，所述的正极(23)布设在圆筒内侧，所述的负极(21)和所述的正极(23)之间设有堆肥层(22)；

所述的阴极区(1)内设有阴极棒(19)，所述的阴极棒(19)的顶部与生物燃料电池的负极(21)电连接，生物燃料电池的正极(23)与所述的检流计的一端电连接，所述的检流计的另一端与阳极棒(18)电连接，所述的阳极棒(18)设置在所述的阳极区(2)内，所述的阳极区(2)的侧面上部通过管道与电解液杯连通，所述的电解液杯通过管道与蠕动泵(13)的入口连接，所述的蠕动泵(13)的出口通过管道与阳极区(2)的侧面下部连通；

所述的阳极区(2)与所述的底泥区(7)之间设有物质交换膜(16)，所述的底泥区(7)与所述的阴极区(1)之间也设有物质交换膜(16)，一根管道的一端从底泥区(7)底部中间位置处，竖直向上插入到底泥区(7)内中的顶部，这根管道的另一端与所述的蠕动泵(13)的出口连通，与蠕动泵(13)的入口连通的管道的另一端从电解液杯III(141)的顶部伸入到电解液杯III(141)的底部；

所述的底泥区(7)被平均划分为阴极采样区、中间采样区和阳极采样区三个区域，三个区域之间无分离设置，所述的阴极采样区的顶部上设有阴极采样口(4)，所述的中间采样区的顶部上设有中间采样口(5)，所述的阳极采样区的顶部上设有阳极采样口(6)。

2.根据权利要求1所述的一种清除河道底泥中重金属和多环芳烃的装置，其特征在于，所述的负极(21)由外向内依次布设保护层、扩散层、炭基层、阴极膜电极和催化层，所述的正极(23)由外向内依次布设保护层、扩散层、炭基层、阳极膜电极和催化层。

3.根据权利要求1所述的一种清除河道底泥中重金属和多环芳烃的装置，其特征在于，所述的堆肥层(22)内为中度熟化的堆肥产物。

4.根据权利要求1所述的一种清除河道底泥中重金属和多环芳烃的装置，其特征在于，所述的电解液杯包括电解液杯I(17)、电解液杯II(14)和电解液杯III(141)，所述的阴极区(1)的侧面上部通过管道与电解液杯I(17)的顶部连通，该管道上设有上端阀门I(8)，电解液杯I(17)的侧面底部与电解液杯II(14)的侧面上部连通，与蠕动泵(13)的入口连通的管道从所述的电解液杯II(14)的顶部，竖直插入到所述的电解液杯II(14)的底部，所述的蠕动泵(13)的出口与阴极区(1)的侧面下部连通的管道上设有底端阀门I(9)。

5.根据权利要求4所述的一种清除河道底泥中重金属和多环芳烃的装置，其特征在于，所述的阳极区(2)的侧面上部通过管道与电解液杯I(17)的顶部连通，该管道上设有上端阀门II(10)，所述的蠕动泵(13)的出口与阳极区(2)的侧面下部连通的管道上设有底端阀门II(11)。

6.根据权利要求1所述的一种清除河道底泥中重金属和多环芳烃的装置，其特征在于，所述的蠕动泵(13)的出口与所述的底泥区(7)底部中间位置处连通的管道上设有底端阀门III(12)。

7.根据权利要求1所述的一种清除河道底泥中重金属和多环芳烃的装置，其特征在于，所述的阴极棒(19)和所述的阳极棒(18)均为石墨电极，所述的阴极区(1)内填充固体碱性材料和固体吸附材料，所述的阳极区(2)内填充固体酸性材料和固体吸附材料。