CN110434166B - 一种双环立式自清洁型原位脱水减污电动修复装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种双环立式自清洁型原位脱水减污电动修复装置及方法，该装置包括孔隙水收集环、阴极保护液释放环、导水绝缘防堵阴极、惰性阳极、阴极保护液储存池、孔隙水储存池、pH传感器、蠕动泵、可编程控制器；阴极保护液释放环通过导水绝缘防堵阴极与孔隙水收集环连接，水绝缘防堵阴极环绕惰性阳极设置，水绝缘防堵阴极中设有毛细导水滤管，阴极保护液释放环通过毛细导水滤管与孔隙水收集环连通，孔隙水收集环和阴极保护液释放环与蠕动泵连接，蠕动泵与孔隙水储存池和阴极保护液储存池连通；孔隙水储存池中安装有pH传感器，pH传感器和蠕动泵与可编程控制器连接。本发明可以最大化导排孔隙水与分离污染物为目的，减轻电极堵塞和阴极区污染物富集。
Description
技术领域
本发明涉及污染底泥治理修复领域，具体是一种双环立式自清洁型原位脱水减污电动修复装置及方法。
背景技术
底泥是河湖水生态系统的重要组成部分，主要由无机矿物、有机物和流动相组成。我国河湖众多，在许多经济发达、人口密集地区，工农业生产等人类活动导致河湖受到不同程度污染，大量污染物在底泥中富集造成严重内源污染。当底泥污染物浓度高出本底值2～3倍时，即认为对人类及水生生态系统有潜在危害，需要进行原位覆盖、疏浚等方式进行污染释放控制。
电动力学技术(Electrokinetics)是一种修复受污染底泥的绿色技术，主要用于从低渗透性底泥中去除重金属和有机污染物。其原理是通过向污染底泥施加直流电场，使水分和污染物在电场作用下发生迁移而达到去除的目的。电场作用下的迁移主要通过电迁移和电渗析作用进行。电迁移作用是指底泥孔隙水中带电离子在电场作用下的迁移过程；电渗析是底泥孔隙水本身的运动过程。电动力学技术既可用于底泥脱水处理，也可用于底泥重金属和有机污染物的去除。
目前，多数电动修复装置通常由阳极、阴极、样品室、阳极室、阴极室、直流电源等组成，结构复杂，工程应用难度较大。低压直流电场中，底泥孔隙水被电解产生H+与OH-，阳离子及孔隙水向阴极迁移，阴离子则向阳极迁移。底泥中的中性污染物受电渗流和H+的影响被溶解和释放，并随着孔隙水运移在电极附近富集。然而，由于未能排除孔隙水，污染物在底泥介质中发生了迁移而非分离；且H+和OH-的大量蓄积，还导致了阳极的快速酸化腐蚀，和阴极的碱化与金属离子的沉淀络合。另外，阳离子特别是带正电的重金属离子将与阴极附近蓄积的OH-相遇并生成沉淀，堵塞底泥微孔，致使电导降低，能耗升高和修复效率下降。因此，对电动修复来说，快速排出孔隙水，避免H+与OH-在电极附近大量聚集，缓解电极堵塞与极化，是提高污染底泥电动修复效率需要迫切解决的关键技术难题。
专利CN 201710042701公开了一种污染土壤电动修复装置，由若干个处理单元通过串联或并联组成。每个处理单元由立式圆柱状绝缘处理箱、立式圆柱状COMBOPO可拆卸更换式复合阴极、惰性阳极、自制非标可编程SynC交直流混合供电电源和CAMP袋等部件组成，可应用于重金属和/或有机和/或放射性污染土壤和/或淤泥和/或固体废弃物修复和处理，也可应用于稀有和/或稀土和/或贵金属贫矿的富集和提取。
专利CN201721112967公开了一种适于机械化布设的柔性一体化电动修复装置，包括多功能电极带、导电土工布和排液管，可实现导电、导水和自流排水一体化；所述多功能电极带可根据土壤修复深度可加工成不同宽幅面，可直接插入土壤且只需一端导线连接电源，简单方便，不易腐蚀，抗剪性好；具有柔性特点，可成卷叠放，节省空间，便于运输和机械化大面积布设。
专利CN 201711172415公开了一种基于孔隙水导排的河湖污染底泥原位减量除污装置，包括直流稳压电源、蠕动泵、电动脱水除污电极。电动脱水除污电极包括导水电极板、设于导水电极板两侧的带孔有机玻璃板、设于带孔有机玻璃板外侧的滤网、盖设于导水电极板的上覆水隔绝罩。具有野外工作能力强，底泥污染物的原位分离与去除效果好，动力消耗少，运行成本低，维护简单，无化学药剂污染和固体废物产生，对河湖底栖生态环境影响小等优点。
孔隙水是底泥污染重要赋存介质与关键释放源头，围绕孔隙水导排与污染物分离，现有电动修复相关技术与装置存在以下不足：
(1)OH-的蓄积导致污染物在阴极区附近累积，出现电极结垢堵塞、孔隙水排水不畅和污染物富集等问题；电动修复过程中，污染物迁移较多，但最终分离去除不够；
(2)孔隙水导排、阴极区pH值监测控制和阴极防结垢保护等一体化考虑不够，造成电动修复进程中断或电极更换等；
(3)片状或棒状电极与底泥接触面积有限，孔隙水导排能力低，污染分离去除不足。
发明内容
为解决现有电动修复技术与装置方面的不足，以最大化导排孔隙水与分离污染物为目的，以减轻电极堵塞和阴极区污染物富集为关键，提出一种双环立式自清洁型原位脱水减污电动修复装置及方法。
本发明采用如下技术方案实现：
一种双环立式自清洁型原位脱水减污电动修复装置，包括孔隙水收集环、阴极保护液释放环、导水绝缘防堵阴极、惰性阳极、阴极保护液储存池、孔隙水储存池、pH传感器、蠕动泵、可编程控制器；阴极保护液释放环位于孔隙水收集环上部，阴极保护液释放环通过导水绝缘防堵阴极与孔隙水收集环连接，水绝缘防堵阴极环绕惰性阳极设置，水绝缘防堵阴极中设有毛细导水滤管，阴极保护液释放环通过毛细导水滤管与孔隙水收集环连通，毛细导水滤管用于将孔隙水导排至孔隙水收集环，孔隙水收集环和阴极保护液释放环通过导管与蠕动泵连接，蠕动泵通过导管与孔隙水储存池和阴极保护液储存池连通；孔隙水储存池中安装有pH传感器，用于监测导水绝缘防堵阴极导排的孔隙水pH值，pH传感器和蠕动泵与可编程控制器连接，可编程控制器用于根据pH传感器监测的孔隙水pH值控制蠕动泵动作将阴极保护液储存池的阴极保护液补充入阴极保护液释放环，阴极保护液释放环中的阴极保护液通过毛细导水滤管释放进入导水绝缘防堵阴极。
进一步的，还包括与导水绝缘防堵阴极、惰性阳极、蠕动泵、可编程控制器和pH传感器连接的电源。
进一步的，所述阴极保护液释放环与孔隙水收集环均为圆环管状结构，阴极保护液释放环通过导水绝缘防堵阴极与孔隙水收集环连接形成中空圆柱筒结构，惰性阳极由导水绝缘防堵阴极环绕设于所述中空圆柱筒中部。
进一步的，所述导水绝缘防堵阴极由绝缘层、毛细导电透排水层和防堵层组成，绝缘层位于毛细导电透排水层外侧，用于限定待修复范围，隔绝未处理底泥，毛细导电透排水层中布分布有毛细导水滤管、导电材料和金属导线，毛细导水滤管用于导排孔隙水和阴极保护液，导电材料通过金属导线连接电源，防堵层位于毛细导电透排水层内侧，用于防止底泥颗粒侵入导水绝缘防堵阴极的毛细导水滤管。
进一步的，所述防堵层采用不锈钢滤网或透水布制成。
进一步的，还包括用于将孔隙水收集环插入目标底泥层的把手。
进一步的，所述把手包括位于上部的握持部及与握持部连接向下延伸的插杆，插杆底部与孔隙水收集环底部外侧相连，握持部位于阴极保护液释放环附近，略高于阴极保护液释放环。
进一步的，所述阴极保护液释放环为可拆卸式穿孔硬质绝缘管，阴极保护液释放环的下方开有小孔，用于接入导水绝缘防堵阴极的毛细导电透排水层。
进一步的，所述阴极保护液为土壤环境友好型的有机酸溶液。
一种双环立式自清洁型原位脱水减污电动修复方法，其特征在于采用上述装置进行，所述方法包括如下步骤：
步骤一、开启电源给导水绝缘防堵阴极和惰性阳极供电，在电场作用下，底泥孔隙水及其所含污染物迁移至导水绝缘防堵阴极，水绝缘防堵阴极中的毛细导水滤管将孔隙水导排至孔隙水收集环进行储存，然后可编程控制器12控制蠕动泵将孔隙水收集环中的孔隙水抽入孔隙水储存池；
步骤二、pH传感器实时监测排入孔隙水储存池中的孔隙水pH值，当孔隙水pH值呈弱酸性或碱性时，由可编程控制器控制蠕动泵动作，将阴极保护液储存池中的阴极保护液补充入阴极保护液释放环，阴极保护液释放环中的阴极保护液通过导水绝缘防堵阴极的毛细导水滤管释放进入导水绝缘防堵阴极，用于溶解导水绝缘防堵阴极表面的结垢和活化释放阴极区富集的污染物，当孔隙水pH值重回酸性后，可编程控制器通过控制蠕动泵关闭，停止补充阴极保护液。
由于采用了上述方案，本发明突出的技术创新和显著进步为：
(1)通过导水绝缘防堵阴极的毛细导水滤管，一头连接孔隙水收集环，一头连接阴极保护液释放环，既导排孔隙水，又释放阴极保护液，解决了导水绝缘防堵阴极的结垢堵塞、阴极区污染物富集等问题，畅通了孔隙水迁移路径，促进了阴极区污染物的分离与释放，提高了孔隙水导排与污染物削减效率；
(2)避免了因阴极保护的电动修复过程中断，提高了阴极使用寿命与工作效率，实现了阴极的自清洁；
(3)限定了电动修复范围，提高了电能利用与电动修复效率；增加了导水绝缘防堵阴极与污染底泥的接触面积，有利于孔隙水收集与导排；
(4)采用pH传感器与可编程控制器(PLC)相组合，根据孔隙水储存池进水pH值变化，结合污染物的酸化解离特性，科学控制阴极保护液的添加，实现了电极的有效保护与污染物分离的精细化控制。
附图说明
图1是本发明双环立式自清洁型原位脱水减污电动修复装置的结构示意图；
图2是本发明中毛细导电透排水层的结构示意图；
图3是本发明双环立式自清洁型原位脱水减污电动修复装置的工作流程图。
图中：1—孔隙水收集环，2—导水绝缘防堵阴极，3—惰性阳极，4—阴极保护液释放环，5—把手，6—导管，7—孔隙水储存池，8—pH传感器，9—蠕动泵，10—阴极保护液储存池，11—电源，12—可编程控制器，2-1—绝缘层，2-2—毛细导电透排水层，2-3—防堵层，2-2-1—毛细导水滤管，2-2-2—导电材料，2-2-3—导线。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
图1所示为本发明双环立式自清洁型原位脱水减污电动修复装置的结构示意图，该装置包括孔隙水收集环1、阴极保护液释放环4、导水绝缘防堵阴极2、惰性阳极3、把手5、导管6、阴极保护液储存池10、孔隙水储存池7、pH传感器8、蠕动泵9、电源11和可编程控制器(PLC)12。导水绝缘防堵阴极2包括绝缘层2-1、毛细导电透排水层2-2和防堵层2-3，其中毛细导电透排水层2-2包括毛细导水滤管2-2-1、导电材料2-2-2及导线2-2-3。
对污染底泥等，首先调查含水率与重金属等污染物的种类、含量及有效态含量，确定修复深度。将孔隙水收集环1插入目标底泥层，所述孔隙水收集环1为绝缘环形硬质绝缘管，孔隙水收集环1与导水绝缘防堵阴极2连通，孔隙水收集环1用于收集与储存导水绝缘防堵阴极2富集的孔隙水及孔隙水中所含的污染物。
所述导水绝缘防堵阴极2由绝缘层2-1、毛细导电透排水层2-2和防堵层2-3组成，绝缘层2-1位于毛细导电透排水层2-2外面，用于限定待修复范围，隔绝未处理底泥，提高电能利用效率；毛细导电透排水层2-2中布分布有毛细导水滤管2-2-1、导电材料2-2-2和金属导线2-2-3，毛细导水滤管2-2-1用于导排孔隙水和阴极保护液，导电材料2-2-2通过金属导线2-2-3连接电源11，导电材料2-2-2可由石墨制成；防堵层2-3位于毛细导电透排水层2-2内侧，可采用滤布或透水布制成，用于防止底泥颗粒侵入导水绝缘防堵阴极2的毛细导水滤管2-2-1。
所述把手5包括位于上部的握持部及与握持部连接向下延伸的插杆，插杆底部与孔隙水收集环1底部外侧相连，握持部位于阴极保护液释放环4附近，略高于阴极保护液释放环4，把手5采用绝缘材料制成。所述把手5用于将孔隙水收集环1插入目标底泥层。
阴极保护液释放环4为可拆卸式穿孔硬质绝缘管，位于孔隙水收集环1上部，阴极保护液释放环4与孔隙水收集环1均为圆环管状结构，两者由导水绝缘防堵阴极2连接，孔隙水收集环1插入目标底泥层后与导水绝缘防堵阴极2、孔隙水收集环1形成中空圆柱筒结构，惰性阳极3位于圆柱筒中部，即惰性阳极3由导水绝缘防堵阴极2环绕，导水绝缘防堵阴极2为所述中空圆柱筒的侧壁。阴极保护液释放环4通过导水绝缘防堵阴极2的毛细导水滤管2-2-1与孔隙水收集环1连通。毛细导水滤管2-2-1既可以导排孔隙水，也可以用来释放阴极保护液。阴极保护液释放环4的下方开有小孔4-1，用于接入导水绝缘防堵阴极2的毛细导电透排水层2-2，阴极保护液释放环4储存的阴极保护液通过导水绝缘防堵阴极2的毛细导水滤管2-2-1释放进入导水绝缘防堵阴极2，用于溶解导水绝缘防堵阴极2表面的结垢和活化释放阴极区富集的污染物。
孔隙水收集环1和阴极保护液释放环4通过导管6(例如橡胶导排软管)与蠕动泵9连接，蠕动泵9通过导管与孔隙水储存池7和阴极保护液储存池10连通。
在电场作用下，孔隙水及其所含污染物从惰性阳极3向导水绝缘防堵阴极2迁移富集，当处理一定时间后，借助蠕动泵9抽排孔隙水收集环1中储存的孔隙水及其所含的污染物。具体的，孔隙水收集环1储存的孔隙水被蠕动泵9经过导管6抽入孔隙水储存池7，孔隙水储存池7的进水端安装有pH传感器8，用于监测导水绝缘防堵阴极2导排的孔隙水pH值。对大多数重金属来说，碱性环境将促使Ca、Mg等在毛细导电透排水层2-2表面结垢，同时也会导致从惰性阳极3迁移至导水绝缘防堵阴极2附近的重金属污染物形成沉淀。因此，当孔隙水pH值呈弱酸性或碱性时，开始加入阴极保护液。pH传感器8和蠕动泵9与可编程控制器(PLC)12连接。
阴极保护液储存池10用于储存阴极保护液(例如柠檬酸、草酸、FeCl3等)，阴极保护液为土壤环境友好型的柠檬酸等有机酸溶液，根据pH传感器8的监测数据，由可编程控制器(PLC)12通过控制蠕动泵9开启，蠕动泵9将阴极保护液储存池10中阴极保护液向阴极保护液投加环4的添加；当导水绝缘防堵阴极2导排的孔隙水pH值重回酸性后，可编程控制器(PLC)12通过控制蠕动泵9关闭，停止补充阴极保护液。
电源11与导水绝缘防堵阴极2、惰性阳极3、蠕动泵9、可编程控制器(PLC)12和pH传感器8相连，一方面为惰性阳极3和导水绝缘防堵阴极2提供电动修复电力，促进孔隙水迁移、污染物分离；另一方面，电源11与pH传感器8、蠕动泵9和可编程控制器(PLC)12相连，为孔隙水导排、pH监测、阴极保护液添加提供电力支持。
如图3所示，本发明实施例还提供一种双环立式自清洁型原位脱水减污电动修复方法，其采用上述装置进行，所述方法包括如下步骤：
步骤一、开启电源11给导水绝缘防堵阴极2和惰性阳极3供电，在电场作用下，底泥孔隙水及其所含污染物迁移至导水绝缘防堵阴极2，水绝缘防堵阴极2中的毛细导水滤管2-2-1将孔隙水导排至孔隙水收集环1进行储存，然后可编程控制器12控制蠕动泵9将孔隙水收集环1中的孔隙水抽入孔隙水储存池7；
步骤二、pH传感器8实时监测排入孔隙水储存池7中的孔隙水pH值，当孔隙水pH值呈弱酸性或碱性时，由可编程控制器12控制蠕动泵9动作，将阴极保护液储存池10中的阴极保护液补充入阴极保护液释放环4，阴极保护液释放环4中的阴极保护液通过导水绝缘防堵阴极2的毛细导水滤管2-2-1释放进入导水绝缘防堵阴极2，用于溶解导水绝缘防堵阴极2表面的结垢和活化释放阴极区富集的污染物，当孔隙水pH值重回酸性后，可编程控制器12通过控制蠕动泵9关闭，停止补充阴极保护液。
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，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，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种双环立式自清洁型原位脱水减污电动修复装置，其特征在于：包括孔隙水收集环(1)、阴极保护液释放环(4)、导水绝缘防堵阴极(2)、惰性阳极(3)、阴极保护液储存池(10)、孔隙水储存池(7)、pH传感器(8)、蠕动泵(9)、可编程控制器(12)；阴极保护液释放环(4)位于孔隙水收集环(1)上部，阴极保护液释放环(4)通过导水绝缘防堵阴极(2)与孔隙水收集环(1)连接，导水绝缘防堵阴极(2)环绕惰性阳极(3)设置，导水绝缘防堵阴极(2)中设有毛细导水滤管(2-2-1)，阴极保护液释放环(4)通过毛细导水滤管(2-2-1)与孔隙水收集环(1)连通，毛细导水滤管(2-2-1)用于将孔隙水导排至孔隙水收集环(1)，孔隙水收集环(1)和阴极保护液释放环(4)通过导管与蠕动泵(9)连接，蠕动泵(9)通过导管与孔隙水储存池(7)和阴极保护液储存池(10)连通；孔隙水储存池(7)中安装有pH传感器(8)，用于监测导水绝缘防堵阴极(2)导排的孔隙水pH值，pH传感器(8)和蠕动泵(9)与可编程控制器(12)连接，可编程控制器(12)用于根据pH传感器(8)监测的孔隙水pH值控制蠕动泵(9)动作将阴极保护液储存池(10)的阴极保护液补充入阴极保护液释放环(4)，阴极保护液释放环(4)中的阴极保护液通过毛细导水滤管(2-2-1)释放进入导水绝缘防堵阴极(2)。
2.如权利要求1所述的双环立式自清洁型原位脱水减污电动修复装置，其特征在于：还包括与导水绝缘防堵阴极(2)、惰性阳极(3)、蠕动泵(9)、可编程控制器(12)和pH传感器(8)连接的电源(11)。
3.如权利要求1所述的双环立式自清洁型原位脱水减污电动修复装置，其特征在于：所述阴极保护液释放环(4)与孔隙水收集环(1)均为圆环管状结构，阴极保护液释放环(4)通过导水绝缘防堵阴极(2)与孔隙水收集环(1)连接形成中空圆柱筒结构，惰性阳极(3)由导水绝缘防堵阴极(2)环绕设于所述中空圆柱筒结构中部。
4.如权利要求1所述的双环立式自清洁型原位脱水减污电动修复装置，其特征在于：所述导水绝缘防堵阴极(2)由绝缘层(2-1)、毛细导电透排水层(2-2)和防堵层(2-3)组成，绝缘层(2-1)位于毛细导电透排水层(2-2)外侧，用于限定待修复范围，隔绝未处理底泥，毛细导电透排水层(2-2)中分布有毛细导水滤管(2-2-1)、导电材料(2-2-2)和金属导线(2-2-3)，毛细导水滤管(2-2-1)用于导排孔隙水和阴极保护液，导电材料(2-2-2)通过金属导线(2-2-3)连接电源(11)，防堵层(2-3)位于毛细导电透排水层(2-2)内侧，用于防止底泥颗粒侵入导水绝缘防堵阴极(2)的毛细导水滤管(2-2-1)。
5.如权利要求4所述的双环立式自清洁型原位脱水减污电动修复装置，其特征在于：所述防堵层(2-3)采用不锈钢滤网或透水布制成。
6.如权利要求1所述的双环立式自清洁型原位脱水减污电动修复装置，其特征在于：还包括用于将孔隙水收集环(1)插入目标底泥层的把手(5)。
7.如权利要求6所述的双环立式自清洁型原位脱水减污电动修复装置，其特征在于：所述把手(5)包括位于上部的握持部及与握持部连接向下延伸的插杆，插杆底部与孔隙水收集环(1)底部外侧相连，握持部位于阴极保护液释放环(4)附近，略高于阴极保护液释放环(4)。
8.如权利要求4所述的双环立式自清洁型原位脱水减污电动修复装置，其特征在于：所述阴极保护液释放环(4)为可拆卸式穿孔硬质绝缘管，阴极保护液释放环(4)的下方开有小孔(4-1)，用于接入导水绝缘防堵阴极(2)的毛细导电透排水层(2-2)。
9.如权利要求1所述的双环立式自清洁型原位脱水减污电动修复装置，其特征在于：所述阴极保护液为土壤环境友好型的有机酸溶液。
10.一种双环立式自清洁型原位脱水减污电动修复方法，其特征在于采用权利要求1-9中任一项所述装置进行，所述方法包括如下步骤：
步骤一、开启电源(11)给导水绝缘防堵阴极(2)和惰性阳极(3)供电，在电场作用下，底泥孔隙水及其所含污染物迁移至导水绝缘防堵阴极(2)，导水绝缘防堵阴极(2)中的毛细导水滤管(2-2-1)将孔隙水导排至孔隙水收集环(1)进行储存，然后可编程控制器(12)控制蠕动泵(9)将孔隙水收集环(1)中的孔隙水抽入孔隙水储存池(7)；
步骤二、pH传感器(8)实时监测排入孔隙水储存池(7)中的孔隙水pH值，当孔隙水pH值呈弱酸性或碱性时，由可编程控制器(12)控制蠕动泵(9)动作，将阴极保护液储存池(10)中的阴极保护液补充入阴极保护液释放环(4)，阴极保护液释放环(4)中的阴极保护液通过导水绝缘防堵阴极(2)的毛细导水滤管(2-2-1)释放进入导水绝缘防堵阴极(2)，用于溶解导水绝缘防堵阴极(2)表面的结垢和活化释放阴极区富集的污染物，当孔隙水pH值重回酸性后，可编程控制器(12)通过控制蠕动泵(9)关闭，停止补充阴极保护液。
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