CN108262355B - 基于分区电场的复合污染土壤电动协同修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及污染土壤修复技术，具体是一种基于分区电场的复合污染土壤电动协同修复方法。具体是根据电动对重金属的迁移‑富集与有机污染物的化学氧化作用，对电极组进行间隔通电，控制电极极性，构建分区电场，包括重金属迁移区/有机污染物生物降解‑化学氧化交替区、重金属富集区/有机污染物生物降解区、重金属沉淀区/有机污染物生物降解区。通过非等时交替运行分区电场，在空间上实现重金属的富集和有机污染物的强化降解，在时间上实现重金属与有机污染物的协同去除。

Description

基于分区电场的复合污染土壤电动协同修复方法

技术领域

本发明属于污染土壤修复的技术领域，具体地说是一种基于分区电场的重金属-有机复合污染土壤电动协同修复方法。

背景技术

当前的土壤污染已由单一污染向复合污染转变。污染物可分为重金属与有机污染物。两者的理化性质与去除机制均存在较大差异。重金属主要通过脱附等物理的方式与土壤分离，而有机污染物主要是通过生物降解从土壤中去除。

目前，复合污染土壤的修复技术主要有植物修复、化学淋洗、电动修复等。综合比较以上三种修复方法，植物修复修复速度慢、效率低，对高浓度场地污染不适用；化学淋洗成本高、易造成二次污染，且不适用于原位修复及低渗透性土壤。而电动修复是一种经济、安全、高效的修复手段。电动修复对重金属和有机污染物均具有较好的修复效果。其修复机制具体是在电动效应下，一方面，从土壤颗粒表面解吸重金属，并定向迁移-沉淀重金属；另一方面，通过阳极及附近的化学氧化反应促进有机污染物的降解，并刺激土壤中功能微生物，加速有机污染物的生物降解。

因此，根据电动对土壤中重金属和有机污染物的去除机制，若充分利用电动对两者反应过程和时间的差异，就可以实现重金属-有机污染物协同去除，为复合污染土壤协同修复提供高效技术。

发明内容

本发明目的在于提供了一种基于分区电场的重金属-有机复合污染土壤电动协同修复方法。

为实现上述目的本发明采用的技术方案为：基于分区电场的复合污染土壤电动协同修复方法，包括以下步骤：

对土壤中设置的电极组进行间隔通电，控制电极极性，构建分区电场；

非等时交替运行分区电场，实现重金属-有机污染土壤的协同修复。

所述电极组为多组，并依次排列；任意相邻电极组之间有间隔。

所述电极组包括一对电极，极性相同。

所述一对电极中心连线与电极组排列方向垂直。

所述间隔通电具体是指奇数或偶数排列的电极组电极通电时，通电电极的相邻电极不通电。

所述控制电极极性具体是指：在奇数或偶数排列的电极组中，与其相邻的电极组极性相反；奇数电极组与其相邻的偶数电极组极性相同。

所述构建分区电场如下：

(1)电极组P_i与电极组P_i+1电极之间为重金属迁移区/有机污染物生物降解-化学氧化交替区，即R_i区；i＝1、2、3……；

(2)电极组P_i+1与电极组P_i+2电极之间为重金属富集区/有机污染物生物降解区，即R_i+1区；

(3)电极组P_i+2与电极组P_i+3电极之间为重金属沉淀区/有机污染物生物降解区，即R_i+2区。

所述非等时交替运行分区电场，具体是指：

运行模式一，电极组P_i为正极，电极组P_i+2为负极，电极组P_i+1和电极组P_i+3不通电，运行时间T₁是R1中重金属在R2中富集量直到大于设定值所需的时间。

所述非等时交替运行分区电场，具体是指：

运行模式二，电极组P_i+1为正极，电极组P_i+3为负极，电极组P_i和电极组P_i+2不通电，运行时间T₂是R₃区土壤酸碱突变面稳定后，重金属在酸碱突变面沉淀量直到大于设定值所需的时间。

本发明具有以下优点及有益效果：

本发明通过分区电场构建与运行模式切换，充分利用电动对重金属的定向迁移和有机污染物的化学氧化作用，在空间上实现了重金属的富集和有机污染物的强化降解，在时间上实现了重金属与有机污染物的协同去除。

附图说明

图1为本发明实施例的装置简图；

图2a是本发明实施例的电极布设与极性切换方式一；

图2b是本发明实施例的电极布设与极性切换方式二。

具体实施方式

下面结合具体实施例并配合附图就本发明进一步说明。

根据电动对重金属的迁移-富集与有机污染物的化学氧化，对电极组进行间隔通电，控制电极极性，构建分区电场；非等时交替运行分区电场，实现重金属-有机污染土壤的协同修复。

分区电场的构建方式，具体是指：

(1)电极组，具体包括4组电极，依次为P1、P2、P3、P4；

(2)间隔通电，具体是指间隔电极通电时，通电电极的相邻电极不通电；

(3)电极极性，具体是指间隔电极(P1与P3、P2与P4)的极性相反，相邻电极(P1与P2、P3与P4)的极性相同。

根据电动对重金属和有机污染物的不同作用，各分区电场的功能分别为：

(1)P1与P2电极之间为重金属迁移区/有机污染物生物降解-化学氧化交替区，即R1区；

(2)P2与P3电极之间为重金属富集区/有机污染物生物降解区，即R2区；

(3)P3与P4电极之间为重金属沉淀区/有机污染物生物降解区，即R3区。

分区电场的非等时交替运行，具体是指：

(1)运行模式一，P1为正极，P3为负极，P2和P4不通电，运行时间T1是R1中重金属在R2中富集量(从当前值)直到大于设定值(如：≥80％)所需的时间；

(2)运行模式二，P2为正极，P4为负极，P1和P3不通电，运行时间T2是R3区土壤酸碱突变面稳定后，重金属在酸碱突变面沉淀量(从当前值)直到大于设定值(如：≥80％)所需的时间。

如图1所示，电动修复所用装置包括土壤室、电极、电源、电流电压监控系统等。将污染土壤与有机污染物降解菌混合，调整其含水率为20％～30％，置于土壤室。运行期间向土壤中加入适量去离子水以平衡水分损失。

将4组电极布置于土壤室中，依次为P₁、P₂、P₃、P₄。为保持电压恒定，实验采用两个直流电源，电极与电源间用导线连接，P₁与电源1正极相连，P3与电源1负极相连，P₂与电源2正极相连、P₄与电源2负极相连。反应区相应的分为P₁与P₂电极之间的R₁区、P₂与P₃电极之间的R₂区、P₃与P₄电极之间的R₃区。

电动修复的两个非等时运行模式具体为：

运行模式一：如图2a所示，开启电源1，关闭电源2，即电极P₁与电极P₃通电，其中P₁为正极，P₃为负极，电极P₂与电极P₄不通电，反应区范围为R₁∪R₂。

运行时间是由R₂区重金属富集量确定。具体是指，通过实验，测得不同pH梯度条件，重金属在土壤中电迁移速度，当R₁中重金属在R₂中富集量≥80％时，终止模式一运行，运行时间记为T₁。

与此同时，电极P₁附近的有机污染物通过化学氧化去除，其他区的有机污染物通过生物降解，形成化学氧化-生物降解的双重作用。因此，在反应过程中，R₁为重金属迁移区/有机污染物生物降解-化学氧化交替区，R₂为重金属富集区/有机污染物生物降解区。

模式二：如图2b所示，关闭电源1，开启电源2，即电极P₂与电极P₄通电，其中电极P₂为阳极，电极P₄为阴极，电极P₁与电极P₃不通电，反应区范围为R₂∪R₃。

运行时间是由R₃区土壤酸碱突变面稳定后重金属沉淀量确定。具体是指，通过批处理实验，测得在土壤酸碱突变面稳定后，重金属在酸碱突变面沉淀量≥80％时，终止模式二运行，运行时间记为T₂。

与此同时，电极P₂附近的有机污染物通过化学氧化去除，其他区的有机污染物通过生物降解，但以生物降解为主。因此，在反应过程中，R₂为重金属富集区/有机污染物生物降解区，R₃为重金属沉淀区/有机污染物生物降解区。

由此，通过电极P₁～P₃、电极P₂～P₄的非等时交替运行，实现土壤中重金属和有机污染物的协同去除。

实施例1

本实施例所修复的污染土壤为自配Cd和芘复合污染土壤。清洁土壤采自辽宁省沈北新区0-20cm表土，该土壤为壤土。将去除石块和植物根系的土壤自然风干后过20目筛，人工配制成Cd、芘浓度均为100mg/kg左右的复合污染土壤。待污染土壤风干，测得土壤pH为6.1。将实验室保存的芘降解菌活化，并配置成悬浊液与污染土壤混合，用去离子水将土壤湿度调节到30％，装入土壤室。土壤室的具体规格为：长32cm，宽17cm，高10cm。运行期间向土壤中加入适量去离子水以平衡水分损失。

本发明实施例所采用的修复装置如图1所示，装置主要包括土壤室、电极、电源、电压电流监控系统。在污染土壤中设置4组电极，依次为P₁、P₂、P₃、P₄。电极均为不锈钢柱状电极，直径1cm，高10cm。电极P₁与电极P₄放置在土壤室两端，相聚30cm，电极P₂与电极P₁相距13cm，电极P₃与电极P₁相距25cm。为了保持恒定的电压梯度，实验应用2个直流电源，其中电源1电压为25V，电源2电压为17V。电极与电源间用导线连接，P₁与电源1正极相连，P₃与电源1负极相连，P₂与电源2正极相连、P₄与电源2负极相连。反应区相应的分为P₁与P₂电极之间的R₁区、P₂与P₃电极之间的R₂区、P₃与P₄电极之间的R₃区。

电动修复共运行60天，分为两个运行模式：

运行模式一：开启电源1，关闭电源2，即电极P₁与电极P₃通电，其中P₁为正极，P₃为负极，电极P₂与电极P₄不通电，反应区范围为R₁∪R₂。其中，R₁为重金属迁移区/有机污染物生物降解-化学氧化交替区，R₂为重金属富集区/有机污染物生物降解区。

运行时间由R₂区Cd富集量确定。通过实验，测定了电压梯度为1V/cm条件下，Cd在pH＝2.5、3.5、4.5、5、5.5、6、6.5时，Cd在土壤中的迁移速度分别大约为10cm/d、6.6cm/d、4.9cm/d、3.2cm/d、1.9cm/d、0.2cm/d、0cm/d，而酸面向阴极的平均移动速度约为0.9cm/d。综合以上速度计算得，当R₁中重金属在R₂中富集量≥80％时，需要运行18天，即模式一时间T₁＝18天。与此同时，芘在化学氧化-生物降解的双重作用下去除。

运行模式二：关闭电源1，开启电源2，即电极P₂与电极P₄通电，其中电极P₂为阳极，电极P₄为阴极，电极P₁与电极P₃不通电，反应区范围为R₂∪R₃。其中，R₂为重金属富集区/有机污染物生物降解区，R₃为重金属沉淀区/有机污染物生物降解区。

运行时间是由R₃区土壤酸碱突变面稳定后Cd沉淀量确定。通过实验测得，土壤pH于8天后稳定，重金属在酸碱突变面沉淀量≥80％时，需要运行时间为12天，即模式二时间T₂＝12天。与此同时，芘主要通过生物降解作用去除。

由此，通过两种模式的交替运行，共经过60天(T₁×2+T₂×2)的处理，R₂区富集的Cd占土壤中Cd总含量的85.7％，土壤中芘的总去除率达到68.6％。

实施例2

与实施例1不同之处在于：实验用土为自配Cd和正十六烷复合污染土壤，Cd浓度为200mg/kg、正十六烷浓度为500mg/kg。总处理时间为60天，模式一运行时间为16天；模式二的运行时间为的14天。处理60天后，土壤中84.3％的Cd富集于R₂区，土壤中正十六烷的总去除率达到57.3％。

实施例3

与实施例1和2不同之处在于：土壤中污染物为多种重金属和有机物。实验用土为冶炼厂周边污染土壤，土壤中的重金属污染物主要为Pb、Cd、Zn、Ni、Cu等，浓度分别为98.73mg/kg、8.64mg/kg、105.52mg/kg、35.68mg/kg、25.84mg/kg，有机污染物主要为多环芳烃，16种EPA优先控制多环芳烃总浓度为563mg/kg。总处理时间为45天。

通过实验测得，相同pH条件下，五种重金属中Cu在土壤中的迁移速度最慢，从而计算出R₂区Cu富集量，由此确定模式一的运行时间，即模式一时间T₁＝25天。根据R₃区土壤酸碱突变面稳定后Cu沉淀量，确定模式二运行时间，即模式二时间T₁＝20天。

处理45天后，R₂区富集的重金属Pb、Cd、Zn、Ni、Cu量，分别占土壤中总含量的44.3％、62.5％、65.6％，59.3％、32.6％，多环芳烃的去除率达到36.3％。

以上内容是结合具体的优先实施案例对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于此。在不脱离本发明构思的前提下，还可做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.基于分区电场的复合污染土壤电动协同修复方法，其特征在于包括以下步骤：

对土壤中设置的电极组进行间隔通电，控制电极极性，构建分区电场；

非等时交替运行分区电场，实现重金属-有机污染土壤的协同修复；

所述电极组为多组，并依次排列；任意相邻电极组之间有间隔；

所述间隔通电具体是指奇数或偶数排列的电极组电极通电时，通电电极的相邻电极不通电；

所述非等时交替运行分区电场，具体是指：

运行模式一，电极组P₁为正极，电极组P ₃为负极，电极组P₂和电极组P₄不通电，运行时间T₁是R₁区中重金属在R₂区中富集量直到大于设定值所需的时间；

所述非等时交替运行分区电场，具体是指：

运行模式二，电极组P₂为正极，电极组P₄为负极，电极组P₁和电极组P₃不通电，运行时间T₂是R₃区土壤酸碱突变面稳定后，重金属在酸碱突变面沉淀量直到大于设定值所需的时间。

2.按权利要求1所述的基于分区电场的复合污染土壤电动协同修复方法，其特征在于所述电极组包括一对电极，极性相同。

3.按权利要求2所述的基于分区电场的复合污染土壤电动协同修复方法，其特征在于所述一对电极中心连线与电极组排列方向垂直。

4.按权利要求1所述的基于分区电场的复合污染土壤电动协同修复方法，其特征在于：所述构建分区电场如下：

(1)电极组P_i与电极组P_i+1电极之间为重金属迁移区/有机污染物生物降解-化学氧化交替区，即R_i区；i＝1、2、3……；

(2)电极组P_i+1与电极组P_i+2电极之间为重金属富集区/有机污染物生物降解区，即R_i+1区；

(3)电极组P_i+2与电极组P_i+3电极之间为重金属沉淀区/有机污染物生物降解区，即R_i+2区。

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