一種雙向夾逼法聯合增溶劑修復菲污染土壤的裝置及方法
【專利摘要】本發明公開了菲污染環境修復【技術領域】的一種雙向夾逼法聯合增溶劑修復菲污染土壤的裝置及方法。所述整體裝置在修復過程中處于密封狀態，該裝置主要包括電源、電極室、電極、開關及水平分段式導向多孔管道；其中，在污染區域均勻分布四個相同電極，各電極安置在相應電極室中，通過開關和控制系統控制每個電極和電極室的使用情況。本發明中該裝置的修復方法是采用雙向夾逼的方法將污染物不斷向中間區域陰極逼近，并聯合增溶劑的增溶效果，將土壤中的污染物菲集中富集在特定陰極區域附近，從而有效地將菲從污染區域中遷移出來。
【專利說明】一種雙向夾逼法聯合增溶劑修復菲污染土壤的裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于菲污染環境修復【技術領域】，具體涉及一種雙向夾逼法聯合增溶劑修復菲污染土壤的裝置及方法。
【背景技術】
[0002]多環芳烴(PAHs)是自然環境中廣泛存在的一類持久、難降解的疏水性有機污染物。目前，我國土壤中多環芳烴類污染物的檢出率很高，有的甚至達到較高的濃度，其總質量分數可達到幾十到上萬yg/kg。環境中存在的多環芳烴對生態環境、農產品的安全以及人類的健康均構成了潛在的威脅。菲是典型的多環芳烴(PAHs)物質，屬于優先控制的目標污染物，被廣泛應用于多環芳烴環境行為與機理的研究。菲具有其它多環芳烴極為相似的物理化學性質:水中溶解度很低，易揮發且與有機質有很強的親和性，其在環境中具有很強的遷移活動能力。
[0003]目前對于土壤中菲污染物的處理主要有微生物修復、植物修復以及化學與生物相結合的修復等等。微生物修復往往需要向土壤中弓I入外源微生物，這些被引入的專性降解菌或基因工程菌易受到土著微生物競爭的影響，致使修復效果下降，而且外源菌的引入也存在潛在的土壤生態風險。植物修復主要依靠直接吸收和積累方式來修復多環芳烴，但目前由于植物對菲的吸收積累作用很不清楚，無法明確植物吸收積累、土著微生物降解土壤中菲的相對貢獻率。化學與生物相結合的修復是指通過化學修復過程中增效試劑對有機污染物的增溶作用，促進有機物從土壤固面向水相傳質，改善其生物可利用性，促進植物吸收、轉運和降解以及微生物的降解。
[0004]電動修復是一門新的污染土壤修復技術，它主要是通過在污染土壤的電解池兩側施加電壓，直流電壓形成電場梯度，土壤中的帶電離子污染物質通過電遷移、電滲流、電泳以及擴散的途徑被遷移并富集在電極區附近，隨后通過進一步的處理從而實現污染土壤樣品的減污或清潔。這種修復方法具有處理成本低，修復效率高，后處理方便等一系列優點，特別是在處理點源污染和突發性事故等方面有非常好的應用前景。增溶劑因其特殊的結構和性質，在修復土壤污染物方面具有很好的應用潛力。增溶劑在特定濃度下會自發形成膠束，在低濃度時，可在固相表面膠束化，對有機物產生增強吸附作用，達到一定濃度后可在溶液中膠束化，對有機物產生增溶洗脫作用，從而調控有機污染物在土-水界面的分配行為及生物可利用性。
【發明內容】
[0005]針對現有技術不足，本發明的目的是提供一種雙向夾逼法聯合增溶劑修復菲污染土壤的裝置及方法。
[0006]為了實現上述目的，本發明采用以下的技術方案:
[0007]—種雙向夾逼法聯合增溶劑修復菲污染土壤的裝置，如圖1所示。所述裝置包括:一級陽極1，二級電極2，一級陰極3，二級陽極4，一級陽極室5，二級電極室6，一級陰極室7，二級陽極室8，輸液泵9，三級控制系統10，流量計11，增溶劑儲液槽12，二級多通道蠕動泵13，二級控制系統14，電解液處理系統15，一級多通道蠕動泵16，一級控制系統17，陽極液槽18，陰極液槽19，穩壓電源20，水平分段式導向多孔管道21，一級開關1-1，二級開關1-2，三級開關1-3，四級開關1-4，五級開關1-5和六級開關1-6，整體裝置處于密封狀態；所述穩壓電源20的正極通過導線和一級開關1-1與一級陽極I相連，穩壓電源的負極通過導線和三級開關1-3與一級陰極3相連，穩壓電源的正極通過導線和四級開關1-4與二級陽極4相連，穩壓電源的負極通過導線和二級開關1-2、六級開關1-6與二級電極2相連，穩壓電源的正極通過導線和二級開關1-2、五級開關1-5與二級電極2相連；一級陽極1、二級電極2、一級陰極3、二級陽極4分別設置在一級陽極室5、二級電極室6、一級陰極室7、二級陽極室8中；陽極液槽18和陰極液槽19分別通過管道與一級控制系統17和多通道輸液泵16相連，一級多通道蠕動泵16通過進液管道分別與一級陽極室5、二級電極室6、一級陰極室7、二級陽極室8中相連；電解液處理系統15通過管道與二級控制系統14和二級多通道蠕動泵13相連，二級多通道蠕動泵13通過溢流管道分別與一級陽極室5、二級電極室6、一級陰極室7、二級陽極室8相連，增溶劑儲液槽12通過進液管道與流量計11、三級控制系統
10、輸液泵9及水平分段式導向多孔管道21相連。
[0008]一種利用上述裝置修復菲污染土壤的方法，所述方法包括以下步驟:
[0009](I)調查污染土壤的整體狀況，在確保覆蓋所有污染范圍的情況下，確定待修復區域的矩形范圍，按照裝置示意圖安裝所述裝置的各個部件，在垂直于矩形區域水平面的污染區域內均勻安置四個完全相同的電極；將水平分段式導向多孔管道安裝在待修復區域上方，并保證所述管道的噴灑范圍能夠覆蓋整個待修復區域，其中，水平分段式導向多孔管道分為三段式，并由三級控制系統控制每段管道的運行；
[0010](2)閉合一級開關1-1和三級開關1-3，則電源正極通過一級開關1-1連接到一級陽極1，電源負極通過三級開關1-3連接到一級陰極3，通過穩壓電源向電極施壓對污染土壤進行修復，所施電壓梯度為1.5-3v/cm，修復時間為24-48h，同時通過輸液泵將增溶劑輸送至水平分段式導向多孔管道中，并通過三級控制系統運行一級陽極I和一級陰極3之間的待修復區域上方的兩段管道，然后停止管道運作，斷開一級開關1-1和三級開關1-3，其中管道噴灑速度為2-5ml/min，運作時間為10_15h ；
[0011](3)閉合二級開關1-2、四級開關1-4和六級開關1-6，則電源正極通過四級開關1-4連接到二級陽極4，電源負極通過二級開關1-2和六級開關1-6連接到二級電極2，通過穩壓電源向電極施壓對污染土壤進行修復，所施電壓梯度與修復時間均與步驟(2)相同，同時通過輸液泵將增溶劑輸送至水平分段式導向多孔管道中，并通過三級控制系統運行二級電極2和二級陽極4之間的待修復區域上方的兩段管道，然后停止管道運作，斷開二級開關1-2、四級開關1-4和六級開關1-6，其中管道噴灑速度與運作時間均與步驟(2)相同；
[0012](4)閉合二級開關1-2、三級開關1-3和五級開關1-5，則通過二級開關1_2和五級開關1-5連接到電源正極的二級電極2充當陽極，電源負極通過三級開關1-3連接到一級陰極3，通過穩壓電源向電極施壓對污染土壤進行修復，所施電壓梯度與步驟(2)相同，修復時間為12_24h，同時通過輸液泵將增溶劑輸送至水平分段式導向多孔管道中，并通過三級控制系統將增溶劑運行至二級電極2和一級陰極3之間的待修復區域上方的一段管道，然后斷開二級開關1-2、三級開關1-3和五級開關1-5，其中管道噴灑速度為l-2ml/min，運作時間為4-6h ；
[0013](5)在運作過程中，在陽極液槽中添加堿性溶液，在陰極液槽中添加酸性溶液。陽極液槽和陰極液槽通過多通道輸液泵在一級控制系統下分別向相應的陽極室和陰極室輸送堿性溶液和酸性溶液，保持陽極室的PH為8-9，陰極室pH為3-4，同時不斷監測各個電極室中電解液的飽和度，若電極室中電解液趨于飽和，則通過多通道蠕動泵在二級控制系統下分別從各個電極室抽取電極液，并通過溢流管道輸送到電解液處理系統中；
[0014](6)重復以上操作，直至土壤中菲的含量符合要求。
[0015]上述的方法中，步驟(2-4)所述的增溶劑采用環糊精、Tween 80以及十二烷基硫酸鈉中的一種或其混合物，質量濃度為1.5-5g/L。
[0016]本發明的有益效果為:(1)所述裝置中采用多個控制系統，可自動實現增溶劑的噴灑，以及電極室中電極液的更新和處理，極大地減少了人力成本；(2)修復過程，采用雙向夾逼法聯合增溶劑的處理技術來修復受菲污染土壤，此技術將土壤中的污染物不斷從兩邊區域向中間區域逼近，以此來提高處理效果；(3)所述方法大大縮短了污染物遷移距離，也縮短了污染物在污染區域的遷移時間，從而有效加快污染物整體修復效率；(4)所述表面活性劑能夠加快菲在土壤中的溶解度，且采用分段運作方式，對污染面積針對性噴灑，既節省成本，又提高了遷移效率；(5)所述處理過程清潔，無二次污染，處理周期短，安全性好。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1為一種雙向夾逼法聯合增溶劑修復菲污染土壤裝置的示意圖。
[0018]其中各標號為:1-一級陽極，2-二級電極，3-—級陰極，4-二級陽極，5-—級陽極室，6- 二級電極室，7- —級陰極室，8- 二級陽極室，9-輸液泵，10-三級控制系統，11-流量計，12-增溶劑儲液槽，13- 二級多通道蠕動泵，14- 二級控制系統，15-電解液處理系統，16- 一級多通道蠕動泵，17- 一級控制系統，18-陽極液槽，19-陰極液槽，20-穩壓電源，21-水平分段式導向多孔管道，1-1- 一級開關，1-2- 二級開關，1-3-三級開關，1-4-四級開關，1-5-五級開關和1-6-六級開關。
【具體實施方式】
[0019]下面結合附圖和具體實例對本發明做進一步說明:
[0020]一種雙向夾逼法聯合增溶劑修復菲污染土壤的裝置，如圖1所示。該裝置包括:一級陽極1，二級電極2，一級陰極3，二級陽極4，一級陽極室5，二級電極室6，一級陰極室7，二級陽極室8，輸液泵9，三級控制系統10，流量計11，增溶劑儲液槽12，二級多通道蠕動泵13，二級控制系統14，電解液處理系統15，一級多通道蠕動泵16，一級控制系統17，陽極液槽18，陰極液槽19，穩壓電源20，水平分段式導向多孔管道21，一級開關1-1，二級開關1-2，三級開關1-3，四級開關1-4，五級開關1-5和六級開關1-6，整體裝置處于密封狀態。所述穩壓電源20的正極通過導線和一級開關1-1與一級陽極I相連，穩壓電源的負極通過導線和三級開關1-3與一級陰極3相連，穩壓電源的正極通過導線和四級開關1-4與二級陽極4相連，穩壓電源的負極通過導線和二級開關1-2、六級開關1-6與二級電極2相連，穩壓電源的正極通過導線和二級開關1-2、五級開關1-5與二級電極2相連；一級陽極1、二級電極2、一級陰極3、二級陽極4分別設置在一級陽極室5、二級電極室6、一級陰極室7、二級陽極室8中；陽極液槽18和陰極液槽19分別通過管道與一級控制系統17和一級多通道蠕動泵16相連，一級多通道蠕動泵16通過管道分別與一級陽極室5，二級電極室6，一級陰極室7，二級陽極室8相連；電解液處理系統15通過管道與二級控制系統14和二級多通道蠕動泵13相連，二級多通道蠕動泵13通過溢流管道分別與一級電極室5、二級電極室6，一級陰極室7，二級陽極室8相連；增溶劑儲液槽12通過管道與流量計11、三級控制系統10、輸液泵9及水平分段式導向多孔管道21相連。
[0021]實施例1
[0022]利用上述裝置進行雙向夾逼法聯合增溶劑修復菲污染土壤的方法，該方法包括以下步驟:
[0023](I)調查污染土壤的整體狀況，在確保覆蓋所有污染范圍的情況下，確定待修復區域的矩形范圍，按照裝置示意圖安裝各個部件，在垂直于矩形區域水平面的污染區域內均勻安置四個完全相同的電極；將水平分段式導向多孔管道安裝在待修復區域上方，并保證多孔管道的噴灑范圍覆蓋整個待修復區域，其中，水平分段式導向多孔管道分為三段式，并由三級控制系統控制每段管道的運行；
[0024](2)閉合一級開關1-1和三級開關1-3，則電源正極通過一級開關1-1連接到一級陽極1，電源負極通過三級開關1-3連接到一級陰極3，所施電壓梯度為2v/cm，修復時間為36h，同時通過輸液泵將增溶劑輸送至水平分段式導向多孔管道中，并通過三級控制系統運行一級陽極I和一級陰極3之間的待修復區域上方的兩段管道，然后停止管道運作，斷開一級開關1-1和三級開關1-3，其中管道噴灑速度為3ml/min，多孔管道運作時間為1h ；
[0025](3)閉合二級開關1-2、四級開關1-4和六級開關1_6，則電源正極通過四級開關1-4連接到二級陽極4，電源負極通過二級開關1-2和六級開關1-6連接到二級電極2，所施電壓梯度與修復時間均與步驟(2)相同，同時通過輸液泵將增溶劑輸送至水平分段式導向多孔管道中，并通過三級控制系統運行二級電極2和二級陽極4之間的待修復區域上方的兩段管道，然后停止管道運作，斷開二級開關1-2、四級開關1-4和六級開關1-6，其中管道噴灑速度與運作時間均與步驟(2)相同；
[0026](4)閉合二級開關1-2、三級開關1-3和五級開關1_5，則電源正極通過二級開關1-2和五級開關1-5連接到二級電極2，電源負極通過三級開關1-3連接到一級陰極3，所施電壓梯度與步驟(2)相同，修復時間為12h，同時通過輸液泵將增溶劑輸送至水平分段式導向多孔管道中，并通過三級控制系統將增溶劑運行至二級電極2和一級陰極3之間的待修復區域上方的一段管道，然后斷開二級開關1-2、三級開關1-3和五級開關1-5，其中管道噴灑速度為lml/min，管道運作時間為4h ；
[0027](5)在運作過程中，在陽極液槽中添加質量濃度為1%的NaOH溶液，在陰極液槽中添加質量濃度為5%的HCl溶液。陽極液槽和陰極液槽通過多通道蠕動泵在一級控制系統下分別向相應的陽極室和陰極室輸送NaOH溶液和HCl溶液，保持陽極室的pH為8，陰極pH為3.5，同時不斷監測各個電極室中電解液的飽和度，若電極室中電解液趨于飽和，則通過多通道蠕動泵在二級控制系統下分別從各個電極室抽取電解液，并通過溢流管道輸送到電解液處理系統中；
[0028](6)將以上過程稱為一次操作，不斷檢測污染土壤中菲的含量，根據實際需求重復操作過程，其中修復時間、管道流量及運行時間均可進行適當調整。
[0029]上述方法中使用的增溶劑是環糊精溶液，溶液的質量濃度為3g/L。
[0030]結果表明，當修復完成后，土壤中菲的修復效率達到了 72.1%。
[0031]對比實施例2
[0032]按照“Electroremediat1n of a natural soil polluted with phenanthreneina pilot plant” 一文,在電動修復聯合表面活性劑十二燒基硫酸鈉的作用下,菲的去除效率僅為25%。
[0033]對比實施例3
[0034]按照 “ Phenanthrene removal in unsaturated soils treatedby electrokinetics with different surfactants—Triton X-100 andrhamnolipidTriton” 一文,在電動修復聯合表面活性劑Triton X-100的作用下,土壤中菲的去除率為10%。
[0035]對比實施例4
[0036]按照 “ Phenanthrene removal in unsaturated soils treatedby electrokinetics with different surfactants—Triton X-100 andrhamnolipidTriton” 一文,在電動修復聯合表面活性劑鼠李糖的作用下,土壤中菲的去除率最高達到30%。
【權利要求】
1.一種雙向夾逼法聯合增溶劑修復菲污染土壤的裝置，其特征在于，所述裝置包括:一級陽極(1)，二級電極(2)，一級陰極(3)，二級陽極(4)，一級陽極室(5)，二級電極室(6)，一級陰極室(7)，二級陽極室(8)，輸液泵(9)，三級控制系統(10)，流量計(11)，增溶劑儲液槽(12)，二級多通道蠕動泵(13)，二級控制系統(14)，電解液處理系統(15)，一級多通道蠕動泵(16)，一級控制系統(17)，陽極液槽(18)，陰極液槽(19)，穩壓電源(20)，水平分段式導向多孔管道(21)，一級開關(1-1)，二級開關(1-2)，三級開關(1-3)，四級開關(1-4)，五級開關(1-5)和六級開關(1-6)，整體裝置處于密封狀態；所述穩壓電源的正極通過導線和一級開關與一級陽極相連，穩壓電源的負極通過導線和三級開關與一級陰極相連，穩壓電源的正極通過導線和四級開關與二級陽極相連，穩壓電源的負極通過導線和二級開關、六級開關與二級電極相連，穩壓電源的正極通過導線和二級開關、五級開關與二級電極相連；一級陽極、二級電極、一級陰極、二級陽極分別設置在各個電極室中；陽極液槽和陰極液槽分別通過管道與一級控制系統和一級多通道蠕動泵相連，一級多通道蠕動泵通過進液管道分別與各個電極室相連；電解液處理系統通過管道與二級控制系統和二級多通道蠕動泵相連，二級多通道蠕動泵通過溢流管道分別與各個電極室相連；增溶劑儲液槽通過進液管道與流量計、三級控制系統、輸液泵及水平分段式導向多孔管道相連。
2.一種利用權利要求1所述裝置修復菲污染土壤的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: (1)調查污染土壤的整體狀況，在確保覆蓋所有污染范圍的情況下，確定待修復區域的矩形范圍，安裝所述裝置的各個部件，在垂直于矩形區域水平面的污染區域內均勻安置四個完全相同的電極；將水平分段式導向多孔管道安裝在待修復區域上方，并保證所述管道的噴灑范圍覆蓋整個待修復區域，其中，水平分段式導向多孔管道分為三段式，并由三級控制系統控制每段管道的運行； (2)閉合一級開關和三級開關，則電源正極通過一級開關連接到一級陽極，電源負極通過三級開關連接到一級陰極，通過穩壓電源向電極施壓對污染土壤進行修復，所施電壓梯度為1.5-3v/cm，修復時間為24-48h，同時通過輸液泵將增溶劑輸送至水平分段式導向多孔管道中，并通過三級控制系統運行一級陽極和一級陰極之間的待修復區域上方的兩段管道，然后停止管道運作，斷開一級開關和三級開關，其中管道噴灑速度為2-5ml/min，運作時間為 10-15h ； (3)閉合二級開關、四級開關和六級開關，則電源正極通過四級開關連接到二級陽極，電源負極通過二級開關和六級開關連接到二級電極，通過穩壓電源向電極施壓對污染土壤進行修復，所施電壓梯度與修復時間均與步驟(2)相同，同時通過輸液泵將增溶劑輸送至水平分段式導向多孔管道中，并通過三級控制系統運行二級電極和二級陽極之間的待修復區域上方的兩段管道，然后停止管道運作，斷開二級開關、四級開關和六級開關，其中管道噴灑速度與運作時間均與步驟(2)相同； (4)閉合二級開關、三級開關和五級開關，則電源正極通過二級開關和五級開關連接到二級電極，電源負極通過三級開關連接到一級陰極，通過穩壓電源向電極施壓對污染土壤進行修復，所施電壓梯度與步驟(2)相同，修復時間為12-24h，同時通過輸液泵將增溶劑輸送至水平分段式導向多孔管道中，并通過三級控制系統運行二級電極和一級陰極之間的待修復區域上方的一段管道，然后停止管道運作，斷開二級開關、三級開關和五級開關，其中管道噴灑速度為l_2ml/min，運作時間為4_6h ； (5)在運作過程中，在陽極液槽中添加堿性溶液，在陰極液槽中添加酸性溶液，陽極液槽和陰極液槽通過多通道輸液泵在一級控制系統下分別向相應的陽極室和陰極室輸送堿性溶液和酸性溶液，保持陽極室PH為8-9，陰極室pH為3-4，同時不斷監測各個電極室中電解液的飽和度，若電極室中電解液趨于飽和，則通過多通道蠕動泵在二級控制系統下分別從各個電極室抽取電極液，并通過溢流管道輸送到電解液處理系統中； (6)重復以上操作，直至土壤中菲的含量符合要求。
3.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，所述增溶劑是環糊精、Tween 80以及十二烷基硫酸鈉中的一種或其混合物，質量濃度為1.5-5g/L。
【文檔編號】B09C1/08GK104226677SQ201410450046
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月5日 優先權日:2014年9月5日
【發明者】盧宏瑋, 任麗霞, 何理, 李晶, 樊星, 宋欣爽 申請人:華北電力大學