CN217857997U

CN217857997U - 一种基于plc控制的生物电化学土壤污染修复装置

Info

Publication number: CN217857997U
Application number: CN202221241743.4U
Authority: CN
Inventors: 郑菲; 费晓昕; 张越; 朱红生; 李叶澄
Original assignee: Huatian Engineering and Technology Corp MCC
Current assignee: Huatian Engineering and Technology Corp MCC
Priority date: 2022-05-20
Filing date: 2022-05-20
Publication date: 2022-11-22
Anticipated expiration: 2032-05-20

Abstract

本实用新型公开了一种基于PLC控制的生物电化学土壤污染修复装置，属于土壤污染修复技术领域。本实用新型包括太阳能光伏装置、蓄电池、生物滤床、支撑层、土壤装填室、生物电化学反应室和PLC自动控制系统，所述的生物电化学反应室的上方通过支撑层设置有土壤装填室，土壤装填室的上方通过支撑层设置有生物滤床；所述的土壤装填室的上方设置有第一喷淋系统，生物滤床的上方设置有第二喷淋系统。本实用新型将太阳能光伏系统、高级氧化‑生物电化学及微生物修复有机物污染土壤技术协同耦合，能显著提高土壤中有机污染物的降解和修复效率，实现有机物污染土壤修复的自动化、智能化运行控制。

Description

一种基于PLC控制的生物电化学土壤污染修复装置

技术领域

本实用新型涉及土壤污染修复技术领域，更具体地说，涉及一种基于PLC控制的生物电化学土壤污染修复装置。

背景技术

土壤是人类及生物赖以生存和发展的物质基础。随着经济迅速发展，有机化工产品和有机农药使用量显著增加，每年大量有机物经过泄露、渗漏及污水排放等途径进入土壤-地下水环境，成为土壤环境污染的主要来源之一。有机污染物具有溶解度低、降解难、生物残留型强、生态毒性高等特点，伤害神经系统及器官系统，使生物致癌致畸，因而受到众多环境学者的广泛关注。有机污染物进入土壤后向深层土壤迁移，进入含水层缓慢溶解于地下水中，从而引起地下水严重污染，对人体健康及生态安全造成严重威胁。因此，开展有机物污染土壤修复工作具有重要意义。

针对土壤有机物污染现状，目前已经研发了物理(CN203875107U)、化学(CN101053689)及生物(CN104438298A)等多种修复技术。物理修复技术包括挖掘填埋封存、气相抽提、热脱附、电动修复等。化学修复通过溶剂萃取、淋洗法、化学氧化法等将土壤中的有机氯烃降解为低毒或无毒的小分子物质。生物修复主要通过植物或微生物吸收、降解、转化、细胞代谢等途径修复污染土壤。在实际应用中，物理修复受土壤非均质性、渗透性等因素的影响，无法彻底去除土壤中有机污染物。化学修复适用性强、修复时间短，适用于污染严重的土壤，具有广泛的应用前景。生物修复对有机污染物的自然净化速度慢、耗时长，不适用于污染严重、突发性污染及急需开发利用的污染场地。生物修复费用低，对土壤性质和生态环境影响较小，具有可原位修复、无二次污染、环境友好等优点，是一种绿色的修复技术。

综合比较各修复方法的特点，本实用新型将表面活性剂-螯合剂强化高级氧化-生物电化学及微生物修复技术协同耦合，提供一种适用性强、修复效率高的土壤有机物污染修复方法。有机物强氧化剂有芬顿试剂、过硫酸盐、高锰酸盐等，其中，过硫酸盐稳定性好、安全性高及工程适用性强，成为修复试剂首选。但过硫酸盐与有机污染物的反应较慢，降解效果差，需在碱、热、过渡金属等作用下，产生氧化性更强的硫酸根自由基(SO₄·-)，提高有机物的降解速率及降解效果。由于热化成本高，工程不便实施，本装置采用柠檬酸钠螯合的硫酸亚铁活化过硫酸盐，目的在于提高过硫酸钠的激活效率及SO₄·-的浓度。此外，表面活性剂具有增溶和降低表面张力等作用，能够显著提高吸附在土壤颗粒上的难溶有机物的溶解度，促进有机物与氧化剂的有效接触，显著提高反应速率。

生物滤床+曝气工艺是一种综合过滤、吸附和生物作用等各种净化过程的好氧废水处理工艺，集生物氧化和截留悬浮物于一体，对有机污染物具有一定氧化降解能力。

生物电化学系统是集生物氧化还原与电化学反应耦合的新型生物修复方法，阳极电极能够提高微生物在电极上的附着量，利用生物和电化学的协同作用氧化分解有机污染物，促进电子转移，从而提高生物降解速率。研究表明外部电能能够提高微生物活性及多样性，维持污染物去除的稳定性，显著提高污染土壤中有机物的去除率。

太阳能是一种清洁绿色的可再生能源，利用太阳能光伏所产电能驱动生物电化学系统和曝气装置，能够提高污染土壤的修复效率，并极大降低土壤污染物的修复成本。此外，通过PLC控制系统实现有机物污染土壤修复的信息化、自动化、智能化运行控制，实现土壤信息和水质信息的实时监测采集，节省人力物力财力，能够产生较好的生态效益和经济效益。

实用新型内容

1.实用新型要解决的技术问题

针对现有技术存在的缺陷与不足，本实用新型提供了一种基于PLC控制的生物电化学土壤污染修复装置，本实用新型针对现有有机物污染土壤修复技术效率低、耗时长、适用性局限等不足，提供一种以太阳能光伏系统作为电驱动力，基于PLC控制的高级氧化-生物电化学土壤污染修复装置，将太阳能光伏系统、高级氧化-生物电化学及微生物修复有机物污染土壤技术协同耦合，能显著提高土壤中有机污染物的降解和修复效率，实现有机物污染土壤修复的自动化、智能化运行控制。

2.技术方案

为达到上述目的，本实用新型提供的技术方案为：

本实用新型的一种基于PLC控制的生物电化学土壤污染修复装置，包括太阳能光伏装置、蓄电池、生物滤床、支撑层、土壤装填室、生物电化学反应室和PLC自动控制系统，太阳能光伏装置包括太阳能光伏板和光伏板控制器，太阳能光伏板通过光伏板控制器与蓄电池相连接，所述的生物电化学反应室的上方通过支撑层设置有土壤装填室，土壤装填室的上方通过支撑层设置有生物滤床；

所述的土壤装填室的上方设置有第一喷淋系统，生物滤床的底部敷设曝气管道，曝气管道的一端连接有曝气装置，生物滤床的上方设置有第二喷淋系统，第二喷淋系统、第一喷淋系统的输入端分别设置有循环水泵，循环水泵的输入端连接有电磁阀；

所述的生物电化学反应室内部设置有三维网格电池，三维网格电池布置有阳极电极和阴极电极，阳极电极的一侧设置有纳米零价铁；

所述的蓄电池的输出端连接有曝气装置，蓄电池还与生物电化学反应室中的阳极电极和阴极电极相连接；

所述的PLC自动控制系统的执行模块包括循环水泵、电磁阀、第二喷淋系统及第一喷淋系统。

进一步地，所述的PLC控制系统包括水质采集系统、PLC控制器及执行模块。所述的水质采集系统包括电导率传感器、COD传感器、NH₃-N传感器、溶解氧传感器、微生物传感器、有机物检测仪、A/D转换器；所述的水质检测信息通过A/D转换器输入PLC控制器；

所述的PLC控制器与执行模块相连接，完成太阳能光伏驱动的高级氧化-生物电化学土壤污染修复装置自动化、智能化运行控制，所述的PLC控制器通过RS232通讯接口与管理计算机相连接，所述的PLC控制器还通过RS485与人机对话装置相连接，用于人机交互式对话处理土壤污染修复装置输入输出信息。

进一步地，所述的太阳能光伏装置通过太阳能发电提供绿色清洁电能。

进一步地，所述的第一喷淋系统、第二喷淋系统均通过循环水泵和PLC自动控制系统控制。

进一步地，所述的三维网格电池的阳极电极为导电性金属有机骨架材料、铁或多孔碳材料，在距离阳极5cm处设置纳米零价铁；阴极电极为石墨棒、钛或不锈钢网，驱动生物电化学土壤修复的电压范围为0～2V。

进一步地，所述的土壤装填室内装填有污染土壤，土壤中有机物浓度不低于100mg/kg，土壤装填室内设置取样孔道隔板，土壤装填室上方设置第一喷淋系统，第一喷淋系统喷洒的溶液为表面活性剂-螯合剂强化高级氧化修复试剂，成分为表面活性剂、过硫酸钠、螯合剂、亚铁盐和pH调节剂，螯合剂为柠檬酸或柠檬酸钠。其中，非离子表面活性剂聚山梨酯80(Tween80)用量为污染土壤中有机物总量的0.5～1倍，过硫酸钠、柠檬酸钠、亚铁盐和pH调节剂的摩尔比为1～15:1～15:1～20:1～4，pH范围为6～7，通过PLC自动控制系统的PLC控制器设定第一喷淋系统的工作程序，控制修复试剂添加剂量和添加时间。

进一步地，所述的生物滤床是以沙子、碎石、沸石、陶粒或塑料为滤料，生物滤床一侧设置曝气装置，曝气装置包括鼓风曝气机和设置在滤床底部的曝气管道，鼓风曝气机与曝气管道连通，曝气管道上设置有曝气孔，能够充分提供微生物所需的溶解氧。

进一步地，所述的第二喷淋系统喷洒的溶液成分为碳源、氮源、磷源、金属离子、微生物必需的营养元素以及微生物菌剂，喷淋溶液按照每升水中含有碳源0～120g/L、氮源0～12g/L、磷源0～6g/L，金属离子0.15～2.0g MgSO₄·7H₂O、10～20mg FeCl₃、0.15～2.0gKH₂PO₄、0.06～1.2g CaCl₂；微生物必需营养元素0.8～5.5ml/L；适量微生物菌剂，通过PLC自动控制系统的PLC控制器设定第二喷淋系统的工作程序，控制溶液添加剂量和添加时间。

进一步地，所述的修复装置修复土壤污染物种类为有机污染物，包括石油芳香烃、酚类、有机氯烃和有机磷农药中的一种或几种。

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：

本实用新型针对现有有机物污染土壤修复技术效率低、耗时长、适用性局限等不足，提供一种以太阳能光伏系统作为电驱动力，基于PLC控制的高级氧化-生物电化学土壤污染修复装置，将太阳能光伏系统、高级氧化-生物电化学及微生物修复有机物污染土壤技术协同耦合，能显著提高有机污染物的去除率，显著提高土壤中有机污染物的修复效率，实现有机物污染土壤修复的自动化、智能化运行控制。

本实用新型将太阳能光伏系统、高级氧化-生物电化学及微生物修复有机物污染土壤技术协同耦合，通过PLC控制系统实现有机物污染土壤修复的自动化、智能化运行控制，具有结构简单，适用性强，设计合理、运行控制方便、土壤修复高效的优点，通过PLC控制器实现土壤信息的实时监测采集，节省人力物力财力，能够产生较好的生态效益和经济效益。

附图说明

图1为本实用新型的整体图；

图2为本实用新型的PLC控制系统示意图；

图3为本实用新型的有机物平均去除率曲线图。

图中：1、太阳能光伏板；2、光伏板控制器；3、蓄电池；4、曝气装置；5、第二喷淋系统；6、生物滤床；61、曝气管道；7、支撑层；8、第一喷淋系统；9、土壤装填室；91、取样孔道隔板；10、生物电化学反应室；101、三维网格电池；102、阳极电极；103、阴极电极；104、纳米零价铁；11、PLC自动控制系统；111、循环水泵；112、电磁阀。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的描述：

实施例1

从图1-3可以看出，本实施例的一种基于PLC控制的生物电化学土壤污染修复装置，包括太阳能光伏装置、蓄电池3、生物滤床6、支撑层7、土壤装填室9、生物电化学反应室10和PLC自动控制系统11，太阳能光伏装置包括太阳能光伏板1和光伏板控制器2，太阳能光伏板1通过光伏板控制器2与蓄电池3相连接，生物电化学反应室10的上方通过支撑层7设置有土壤装填室9，土壤装填室9的上方通过支撑层7设置有生物滤床6；

土壤装填室9的上方设置有第一喷淋系统8，生物滤床6的底部敷设曝气管道61，曝气管道61的一端连接有曝气装置4，生物滤床6的上方设置有第二喷淋系统5，第二喷淋系统5、第一喷淋系统8的输入端分别设置有循环水泵111，循环水泵111的输入端连接有电磁阀112；第一喷淋系统8、第二喷淋系统5均通过循环水泵111和PLC自动控制系统11控制。

生物电化学反应室10内部设置有三维网格电池101，三维网格电池101布置有阳极电极102和阴极电极103，阳极电极102的一侧设置有纳米零价铁104；

三维网格电池101的阳极电极102为导电性金属有机骨架材料、铁或多孔碳材料，在距离阳极5cm处设置纳米零价铁104；阴极电极103为石墨棒、钛或不锈钢网，驱动生物电化学土壤修复的电压范围为0～2V

蓄电池3的输出端连接有曝气装置4，蓄电池3还与生物电化学反应室10中的阳极电极102和阴极电极103相连接；太阳能光伏装置通过太阳能发电提供绿色清洁电能。

PLC自动控制系统11的执行模块包括循环水泵111、电磁阀112、第二喷淋系统5及第一喷淋系统8。

PLC控制系统包括水质采集系统、PLC控制器及执行模块，水质采集系统包括电导率传感器、COD传感器、NH₃-N传感器、溶解氧传感器、微生物传感器、有机物检测仪、A/D转换器；水质检测信息通过A/D转换器输入PLC控制器；

电导率传感器、COD传感器、NH₃-N传感器、溶解氧传感器、微生物传感器、有机物检测仪安装在高级氧化-生物电化学反应室10，有机物检测仪还通过取样孔道隔板91安装在土壤装填室9；传感器和检测仪分别与A/D转换器相连接，将土壤和水质检测信息传输至PLC控制器。

PLC控制器与执行模块相连接，完成太阳能光伏驱动的高级氧化-生物电化学土壤污染修复装置自动化、智能化运行控制，PLC控制器通过RS232通讯接口与管理计算机相连接，PLC控制器还通过RS485与人机对话装置相连接，用于人机交互式对话处理土壤污染修复装置输入输出信息。

PLC控制器根据检测信息向执行模块传输信号，执行模块包括循环水泵111、电磁阀112、曝气装置4及喷淋系统；循环水泵111和电磁阀112安装在试剂输送管道上，PLC控制器与循环水泵111和电磁阀112连接，用于控制试剂的输送和喷洒；PLC控制器还与曝气装置4连接，用于控制鼓风曝气机启停，及生物滤床气体输送管道曝气时间和曝气量。

土壤装填室9内装填有污染土壤，土壤中有机物浓度不低于100mg/kg，土壤装填室9内设置取样孔道隔板91，土壤装填室9上方设置第一喷淋系统8，第一喷淋系统8喷洒的溶液为表面活性剂-螯合剂强化高级氧化修复试剂，成分为表面活性剂、过硫酸钠、螯合剂、亚铁盐和pH调节剂，螯合剂为柠檬酸或柠檬酸钠，其中，非离子表面活性剂聚山梨酯80(Tween80)用量为污染土壤中有机物总量的0.5～1倍，过硫酸钠、柠檬酸钠、亚铁盐和pH调节剂的摩尔比为1～15:1～15:1～20:1～4，pH范围为6～7，通过PLC自动控制系统11的PLC控制器设定第一喷淋系统8的工作程序，控制修复试剂添加剂量和添加时间。

生物滤床6是以沙子、碎石、沸石、陶粒或塑料为滤料，生物滤床6一侧设置曝气装置4，曝气装置4包括鼓风曝气机和设置在滤床底部的曝气管道61，鼓风曝气机与曝气管道61连通，曝气管道61上设置有曝气孔，能够充分提供微生物所需的溶解氧。

第二喷淋系统5喷洒的溶液成分为碳源、氮源、磷源、金属离子、微生物必需的营养元素以及微生物菌剂，喷淋溶液按照每升水中含有碳源0～120g/L、氮源0～12g/L、磷源0～6g/L，金属离子0.15～2.0g MgSO₄·7H₂O、10～20mg FeCl₃、0.15～2.0g KH₂PO₄、0.06～1.2gCaCl₂；微生物必需营养元素0.8～5.5ml/L；适量微生物菌剂，通过PLC自动控制系统11的PLC控制器设定喷淋系统2的工作程序，控制溶液添加剂量和添加时间。

第二喷淋系统5喷洒的溶液碳源为葡萄糖、蔗糖、甲酸钠、乙酸钠等，比例为1:1:1:1～4:1:2:3；氮源为硫酸铵、氯化铵等；磷源为磷酸氢二钠、磷酸二氢钠等；金属离子为K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺等；微生物必需的营养元素为微量元素、维生素、氨基酸等。

修复装置修复土壤污染物种类为有机污染物，包括石油芳香烃、酚类、有机氯烃和有机磷农药中的一种或几种，修复后的土壤可作为园林绿化种植土。

一种基于PLC控制的生物电化学土壤污染修复装置的方法，其步骤为：

步骤一：向土壤装填室9中装填有机物污染土壤，开启第一喷淋系统8喷洒表面活性剂-螯合剂强化高级氧化试剂，试剂进入污染土壤层充分淋洗并氧化降解有机污染物，洗脱的有机物和反应后的溶液进入太阳能光伏驱动的生物电化学反应室10，反应室中阳极电极102吸附残留的有机污染物并通过蓄电池3所提供的低电压将污染物降解成小分子、CO₂和H₂O。反应过程中，采用有机物检测仪检测土壤装填室9和生物电化学反应室10中有机物的浓度，并通过A/D转换器传输至PLC控制器，当浓度达到设定限值后，PLC控制器启动执行模块，自动打开电磁阀112，使反应溶液经出水管道排至试剂收集池，循环水泵111停止向第一喷淋系统8输送修复试剂，修复试剂储存在试剂调节池；

步骤二：PLC控制器启动执行模块，由PLC控制器控制的第二喷淋系统5和曝气装置4同步工作，开启曝气装置4，向生物滤床6底部的曝气管道61输送气体进行曝气，同时开启第二喷淋系统5，喷洒溶液经生物滤床6进入修复土壤层，土壤洗脱液汇于生物电化学反应室10，反应室中阳极电极102通过电极生物膜附着的微生物和蓄电池3所提供的低电压持续降解残留有机物。反应过程中，采用电导率传感器、COD传感器、NH₃-N传感器、溶解氧传感器、微生物传感器、有机物检测仪检测土壤装填室9和生物电化学反应室10中电导率、COD、NH₃-N、DO、BOD、有机物的浓度，并通过A/D转换器传输至PLC控制器，当浓度达到设定限值后，PLC控制器启动执行模块，自动打开电磁阀112，使反应溶液经出水管道排至溶液收集池，循环水泵111停止向第二喷淋系统5输送微生物试剂，微生物试剂储存在溶液调节池，关闭鼓风曝气机停止曝气；

步骤三：反应过程中，通过PLC控制系统的水质采集系统实时检测土壤有机物和水质的信息，并将检测信息经A/D转换器传输至PLC控制器，PLC控制器根据浓度检测信息控制执行模块，通过循环多阶段模式控制循环水泵111、电磁阀112和第一喷淋系统8、第二喷淋系统5的工作程序，循环水泵111交替连续地分别将表面活性剂-螯合剂强化高级氧化试剂经第一喷淋系统8和微生物溶液通过第二喷淋系统5输送至土壤装填室9和生物滤床6，持续进行有机物的淋洗氧化和微生物好氧的协同高效降解，实现有机物的彻底分解去除。

本实施例1-3中生物滤床6是以沙子、碎石为滤料，阳极电极102为铁金属有机骨架材料，阴极电极103为石墨棒；太阳能光伏驱动生物电化学土壤修复的电压为0V，土壤污染物为有机氯烃，取样分析土壤中有机污染物浓度为200mg/kg。

第二喷淋系统5的喷淋溶液为按照每升水中含有碳源、氮源、磷源浓度均为0g/L；金属离子MgSO₄·7H₂O(0.12g/L)、KH₂PO₄(0.12g/L)、FeCl₃(1.2mg/L)、CaCl₂(0.06g/L)；适量微生物菌剂，微生物必需营养元素维生素浓度为0.6ml/L。

实施例1分为5组：(1)第一喷淋系统8的喷洒溶液为表面活性剂Tween80，溶液质量分数4％(wt.)；

(2)第一喷淋系统8的喷洒溶液混合氧化剂，过硫酸钠，柠檬酸钠，硫酸亚铁、有机物的摩尔比为1:15:5:1；

(3)第一喷淋系统8的喷洒溶液混合氧化剂，溶液质量分数4％(wt.)，过硫酸钠，柠檬酸钠，硫酸亚铁、有机物的摩尔比为10:15:5:1；

(4)第一喷淋系统8的喷洒溶液混合氧化剂，过硫酸钠，柠檬酸钠，硫酸亚铁、有机物的摩尔比为15:15:5:1；

(5)第一喷淋系统8的喷洒溶液混合氧化剂，过硫酸钠，柠檬酸钠，硫酸亚铁、有机物的摩尔比为20:15:5:1，均使用pH调节剂(1.0M/L)调节pH至6～7。

实施例2

分为三组：(1)第一喷淋系统8的喷洒溶液混合氧化剂，过硫酸钠，柠檬酸钠，硫酸亚铁、有机物的摩尔比为15:5:5:1；

(2)第一喷淋系统8的喷洒溶液混合氧化剂，过硫酸钠，柠檬酸钠，硫酸亚铁、有机物的摩尔比为15:10:5:1；

(3)第一喷淋系统8的喷洒溶液混合氧化剂，过硫酸钠，柠檬酸钠，硫酸亚铁、有机物的摩尔比为15:20:5:1，均使用pH调节剂(1.0M/L)调节pH至6～7。

实施例3

分为二组：(1)第一喷淋系统8的喷洒溶液混合氧化剂，过硫酸钠，柠檬酸钠，硫酸亚铁、有机物的摩尔比为15:15:10:1；

(2)第一喷淋系统8的喷洒溶液混合氧化剂，过硫酸钠，柠檬酸钠，硫酸亚铁、有机物的摩尔比为15:15:15:1；均使用pH调节剂(1.0M/L)调节pH至6～7。

本实施例4～6中生物滤床6是以沙子、碎石为滤料，阳极电极102为铁金属有机骨架材料，阴极电极103为石墨棒；太阳能光伏驱动生物电化学土壤修复的电压为0V，土壤污染物为有机氯烃，取样分析土壤中有机污染物浓度为200mg/kg。

第一喷淋系统8的喷洒溶液为表面活性剂Tween80，溶液质量分数4％(wt.)，过硫酸钠，柠檬酸钠，硫酸亚铁、有机物的摩尔比为15:15:5:1，使用pH调节剂(1.0M/L)调节pH至6～7。

实施例4

第二喷淋系统5的喷淋溶液为按照每升水中含有碳源浓度为60g/L，其中葡萄糖、蔗糖、甲酸钠和乙酸钠的比例为1:1:1:1；氮源浓度为6g/L、磷源浓度为2.6g/L；金属离子MgSO₄·7H₂O(1.2g/L)、KH₂PO₄(1.2g/L)、FeCl₃(12mg/L)、CaCl₂(0.6g/L)；适量微生物菌剂，微生物必需营养元素维生素浓度为2.2ml/L。

实施例5

第二喷淋系统5的喷淋溶液为按照每升水中含有碳源浓度为120g/L，其中葡萄糖、蔗糖、甲酸钠和乙酸钠的比例为4:1:2:3；氮源浓度为12g/L、磷源浓度为6g/L；金属离子MgSO₄·7H₂O(2.2g/L)、KH₂PO₄(2.2g/L)、FeCl₃(22mg/L)、CaCl₂(1.2g/L)；适量微生物菌剂，微生物必需营养元素维生素浓度为5.5ml/L。

实施例6

第二喷淋系统5的喷淋溶液为按照每升水中含有碳源浓度为150g/L，其中葡萄糖、蔗糖、甲酸钠和乙酸钠的比例为4:1:2:3；氮源浓度为15g/L、磷源浓度为10g/L；金属离子MgSO₄·7H₂O(2.5g/L)、KH₂PO₄(2.5g/L)、FeCl₃(25mg/L)、CaCl₂(1.5g/L)；适量微生物菌剂，微生物必需营养元素维生素浓度为8.0ml/L。

实施例7～9

本实施例7～9中生物滤床6是以沙子、碎石为滤料，阳极电极102为铁金属有机骨架材料，阴极电极103为石墨棒；太阳能光伏驱动生物电化学土壤修复的电压为2V，土壤污染物为有机氯烃，取样分析土壤中有机污染物浓度为200mg/kg。

实施例7～9中第二喷淋系统5的喷淋溶液同实施例4～6。

实施例10

生物滤床6是以沙子、碎石、沸石为滤料，阳极电极102为钛金属有机骨架材料，阴极电极103为石墨棒；太阳能光伏驱动生物电化学土壤修复的电压为2V，土壤污染物为有机氯烃，取样分析土壤中有机污染物浓度为200mg/kg。

第二喷淋系统5的喷淋溶液为按照每升水中含有碳源浓度为150g/L，其中葡萄糖、蔗糖、甲酸钠和乙酸钠的比例为4:1:2:3；氮源浓度为15g/L、磷源浓度为10g/L；金属离子MgSO₄·7H₂O(2.5g/L)、KH₂PO₄(2.5g/L)、FeCl₃(25mg/L)、CaCl₂(1.5g/L)；适量微生物菌剂，微生物必需营养元素维生素浓度为5.5ml/L。

各实施例的具体设置见表1。

表1实施例设计条件

各实施例有机物的平均去除率见图3。

本实用新型的有益效果：(1)采用表面活性剂-螯合剂强化高级氧化协同电动技术去除土壤有机物，同时在生物电化学反应室10中距离阳极5cm处设置纳米零价铁104，一方面纳米零价铁104比表面积高、反应活性强，能够快速活化降解有机物，加速试剂中Fe²⁺、Fe³ ⁺的循环反应，为体系持续提供Fe²⁺，促进S₂O₈ ^2-活化产生SO₄·-氧化降解有机物；另一方面，纳米零价铁104使有机物首先还原，再进行氧化反应，利用还原和氧化协同高效降解有机物；(2)利用太阳能光伏直流电刺激电极生物膜，强化微生物对土壤有机污染物的降解，通过多孔电极的吸附与氧化作用，利用三维网格电池101加快电子传递速率，增大土壤有机污染物与电极生物膜接触面积，结合生物滤床6对污染物的高效降解能力，最终形成土壤有机污染物降解新技术和新途径；(3)利用表面活性剂+螯合剂强化高级氧化+纳米零价铁+生物电化学的耦合处理技术，表面活性剂能够显著提高吸附在土壤颗粒胶体表面有机物的溶解性，螯合Fe²⁺持续活化过硫酸盐产生SO₄·-氧化降解有机物，增大SO₄·-的存在时间，通过电动作用促进表面活性剂-螯合剂强化高级氧化溶剂的迁移，促进氧化剂与有机物的有效接触，显著提高反应速率。

本实用新型针对现有有机物污染土壤修复技术效率低、耗时长、适用性局限等不足，提供一种以太阳能光伏系统作为电驱动力，基于PLC控制的高级氧化-生物电化学土壤污染修复装置，将太阳能光伏系统、高级氧化-生物电化学及微生物修复有机物污染土壤技术协同耦合，能显著提高土壤中有机污染物的降解和修复效率，实现有机物污染土壤修复的自动化、智能化运行控制。

本实用新型将太阳能光伏系统、高级氧化-生物电化学及微生物修复有机物污染土壤技术协同耦合，通过PLC控制系统11实现有机物污染土壤修复的自动化、智能化运行控制，具有结构简单，适用性强，设计合理、运行控制方便、土壤修复高效的优点，通过PLC控制器实现土壤信息的实时监测采集，节省人力物力财力，能够产生较好的生态效益和经济效益。

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

1.一种基于PLC控制的生物电化学土壤污染修复装置，包括太阳能光伏装置、蓄电池(3)、生物滤床(6)、支撑层(7)、土壤装填室(9)、生物电化学反应室(10)和PLC自动控制系统(11)，太阳能光伏装置包括太阳能光伏板(1)和光伏板控制器(2)，太阳能光伏板(1)通过光伏板控制器(2)与蓄电池(3)相连接，其特征在于：所述的生物电化学反应室(10)的上方通过支撑层(7)设置有土壤装填室(9)，土壤装填室(9)的上方通过支撑层(7)设置有生物滤床(6)；

所述的土壤装填室(9)的上方设置有第一喷淋系统(8)，生物滤床(6)的底部敷设曝气管道(61)，曝气管道(61)的一端连接有曝气装置(4)，生物滤床(6)的上方设置有第二喷淋系统(5)，第二喷淋系统(5)、第一喷淋系统(8)的输入端分别设置有循环水泵(111)，循环水泵(111)的输入端连接有电磁阀(112)；

所述的生物电化学反应室(10)内部设置有三维网格电池(101)，三维网格电池(101)布置有阳极电极(102)和阴极电极(103)，阳极电极(102)的一侧设置有纳米零价铁(104)；

所述的蓄电池(3)的输出端连接有曝气装置(4)，蓄电池(3)还与生物电化学反应室(10)中的阳极电极(102)和阴极电极(103)相连接；

所述的PLC自动控制系统(11)的执行模块包括循环水泵(111)、电磁阀(112)、第二喷淋系统(5)及第一喷淋系统(8)。

2.根据权利要求1所述的一种基于PLC控制的生物电化学土壤污染修复装置，其特征在于：所述的PLC控制系统包括水质采集系统、PLC控制器及执行模块，所述的水质采集系统包括电导率传感器、COD传感器、NH₃-N传感器、溶解氧传感器、微生物传感器、有机物检测仪、A/D转换器；所述的水质检测信息通过A/D转换器输入PLC控制器；

3.根据权利要求1所述的一种基于PLC控制的生物电化学土壤污染修复装置，其特征在于：所述的太阳能光伏装置通过太阳能发电提供绿色清洁电能。

4.根据权利要求1所述的一种基于PLC控制的生物电化学土壤污染修复装置，其特征在于：所述的第一喷淋系统(8)、第二喷淋系统(5)均通过循环水泵(111)和PLC自动控制系统(11)控制。

5.根据权利要求1所述的一种基于PLC控制的生物电化学土壤污染修复装置，其特征在于：所述的三维网格电池(101)的阳极电极(102)为导电性金属有机骨架材料、铁或多孔碳材料，在距离阳极5cm处设置纳米零价铁(104)；阴极电极(103)为石墨棒、钛或不锈钢网，驱动生物电化学土壤修复的电压范围为0～2V。

6.根据权利要求1所述的一种基于PLC控制的生物电化学土壤污染修复装置，其特征在于：所述的土壤装填室(9)内装填有污染土壤，土壤中有机物浓度不低于100mg/kg，土壤装填室(9)内设置取样孔道隔板(91)，土壤装填室(9)上方设置第一喷淋系统(8)，通过PLC自动控制系统(11)的PLC控制器设定第一喷淋系统(8)的工作程序，控制修复试剂添加剂量和添加时间。

7.根据权利要求1所述的一种基于PLC控制的生物电化学土壤污染修复装置，其特征在于：所述的生物滤床(6)是以沙子、碎石、沸石、陶粒或塑料为滤料，生物滤床(6)一侧设置曝气装置(4)，曝气装置(4)包括鼓风曝气机和设置在滤床底部的曝气管道(61)，鼓风曝气机与曝气管道(61)连通，曝气管道(61)上设置有曝气孔，能够充分提供微生物所需的溶解氧。

8.根据权利要求1所述的一种基于PLC控制的生物电化学土壤污染修复装置，其特征在于：通过PLC自动控制系统(11)的PLC控制器设定第二喷淋系统(5)的工作程序，控制溶液添加剂量和添加时间。

9.根据权利要求1所述的一种基于PLC控制的生物电化学土壤污染修复装置，其特征在于：所述的修复装置修复土壤污染物种类为有机污染物，包括石油芳香烃、酚类、有机氯烃和有机磷农药中的一种或几种。