利用人工聚焦提高污染土壤及地下水电动修复效率的方法

摘要

本发明涉及一种污染土壤和地下水的电动修复方法，本方法利用离子诱导电压阱捕集效应，在阴阳两极之间建造人工高电导土壤带以制造人工聚焦带，将上游的污染物截留在人工聚焦带内，下游的污染物仍然迁移进入电极工作液中去除。富集了污染物的人工聚焦带被挖掘出来采用异位法进行处理和处置。本方法的优点是缩短了人工聚焦上游污染物迁移的距离和时间，从而缩减整个场地电动修复的时间、能耗及相关费用。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于离子诱导电压阱捕集效应(Ion-induced potential well trappingeffect)在设定位置人为制造聚焦现象以提高污染土壤和地下水电动修复效率的方法。

背景技术

当工业生产过程中产生的废水和固体废物进入土壤时，会导致土壤和地下水的污染，当该场地改为居住、农业等用地时，必须进行土壤和地下水的修复，消除其中的污染物。

土壤和地下水修复的主要方法有：(1)物理修复：物理分离修复、固化/稳定化修复、蒸汽浸提修复、电动修复等；(2)化学修复：化学淋洗修复、溶剂浸提修复、高温焚烧修复、氧化还原修复等；(3)生物修复：预备床法、土壤堆腐法、泥浆生物反应器法、土地耕作法等。按照土壤是否要挖掘，这些技术可分为原位(in situ)修复技术和异位(ex situ)修复技术。原位修复技术又可分为原位处理技术和原位控制技术。原位处理技术是指通过物理、化学、生物等方法在原位将污染物从土壤和地下水中去除；而原位控制技术是指通过各种方法将污染物限制在原位的一定区域内阻止其向外扩散。异位修复技术是指将污染土壤从原来的位置挖出来在场地内的某个地方或场地外某个地方进行修复或控制填埋。

电动修复技术是利用电化学原理(图1)，在污染土壤1、2、3的两端插入正电极4和负电极5，形成直流电场，在电场作用下，土壤和地下水中的污染物(主要是以离子态存在的重金属污染物)根据各自所带电荷的不同而向两电极迁移(即电迁移)，最后进入电极工作液中，实现将污染物从土壤和地下水中去除的目的。电动修复技术通常作为原位修复技术进行使用。

当采用电动修复技术对污染土壤和地下水进行原位修复时，通常会发生聚焦现象2(图1和图2)，即：目标污染物在修复场地内的某些区域2积聚，导致这些区域污染物浓度异常增高，可高达电动修复前浓度的数倍。聚焦带出现的位置与污染物浓度的初始分布情况并无直接关系，即：重金属初始浓度高的区域并不一定是聚焦带出现的位置。聚焦位置出现的不确定性和超高浓度为场地修复后的验收采样和评估工作带来了巨大的困难。此外，聚焦带的移动速度非常缓慢，远远低于重金属在非聚焦带的移动速度，导致整个场地电动修复时间延长数倍、电耗也相应增加数倍。电动修复的研究至今已有近三十多年的历史，实验室研究有大量成功案例，但极少见到工程实际应用，聚焦现象导致的实地修复效果、费用及时间的不稳定性是其主要原因之一。对于聚焦现象产生的机理鲜见专门的研究，一般认为是由于重金属离子在迁移过程中与OH^-离子或其他阴离子发生反应生成沉淀的结果，但这无法解释只要施加足够高的电压、通电时间足够长，聚焦带依然可以缓慢定向移动的现象(沉淀物是电中性，是不会在电场作用下定向移动的)。本专利申请人经过长期的研究证明，电动修复过程中聚焦带2的形成并不是一种化学反应现象，而是一种物理现象，只有在重金属离子由低电导区域1电迁移进入高电导区域3的情况下才会发生，位置在两个区域的交界处3。这是由于阳极4和阴极5之间的低电导区域1和高电导区域3为串联关系，导致低电导区域1上的电压梯度高于高电导区域3，而重金属离子在土壤中电迁移速率与施加在土壤上的电压梯度(电场强度)成正比，因此，当重金属离子从高电压梯度区域(即低电导区域1)电迁移进入低电压梯度区域(即高电导区域3)时，迁移速度陡降，在两个区域的交界处2聚集形成聚焦带(就像汽车从快车道突然进入慢车道形成的塞车现象一样)。高电导区与低电导区的电导差异越大，聚焦现象越严重，而且高电导区的电导越大，聚焦带的移动越慢。但如果重金属离子从低电压梯度区域(即高电导区域3)电迁移进入高电压梯度区域(即低电导区域1)时，就不会发生聚焦现象(就像汽车从慢车道突然进入快车道不会形成塞车现象一样)。

这种由于土壤水中离子浓度的不同引起的土壤电导不同，进而导致电动修复中电压梯度不同的情况称之为离子诱导电压阱捕集效应(ion-induced potential well trapping effect)。

在含水率相同的情况下，土壤电导的高低主要由土壤水中离子的总浓度决定，这些离子包括：K⁺、Na⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Mn²⁺、Cl^-、SO₄^2-、NO₃^-等以及作为修复目标污染物的重金属离子。通常，重金属离子在其中所占的比例非常低(百分之几到万分之几)，因此，仅依靠目标重金属离子的浓度一般不能判定土壤电导的高低，需要实际测量。

天然场地由于土壤理化性质的不均性导致其土壤电导分布也不均匀，在场地上建设了工厂之后，由于建设和排污的影响，整个场地电导分布的不均匀性进一步加大，因此，在污染土壤和地下水的电动修复过程中，聚焦现象或轻或重地普遍存在。

此外，在电动修复过程中如果电极工作液控制不当，也会导致在电极附近的土壤中发生聚焦现象(图2)。电极工作液6中加入电解质的主要目的是为了导电或中和电解产物(如：H⁺离子和OH^-离子)。但如果电解质浓度高了，会导致由电极工作液6扩散进入电极区土壤的电解质量大于由电极区土壤扩散进入电极工作液6的量，使得电极附近土壤电导升高，形成高电导区3。当这种电导升高幅度较大时，就会在电极附近土壤中发生明显的聚焦现象2。

聚焦现象虽然对电动修复非常有害，但在明白其发生机理之后，也可以利用其机理在两个电极之间人为地制造聚焦带，在不增加电极数量的情况下缩短电动修复的时间，提高电动修复效率和降低修复费用。

发明内容

本发明提出的方法是按照图3所示在阳极4和阴极5之间建造一个人工高电导土壤带3，并且在该人工高电导土壤带3内安装原位动态采样装置7(图3和图4)。通电后，在人工高电导土壤带3与原土壤1交界处形成人工聚焦带2(图3)，并且该聚焦带2逐渐向人工高电导土壤带3内移动，直到最后快要透过人工高电导土壤带3时，停止通电，将人工高电导土壤带3全部取出，换另一个新的人工高电导土壤带3继续进行电动修复，直到认为土壤1的电动修复达到了设定目标为止。该方法使得人工高电导土壤带3上游的重金属污染物被截留富集到人工高电导土壤带3内，不必再继续迁移到电极5；而同时人工高电导土壤带3下游的重金属污染物则仍是迁移到电极5被去除。如果土壤1的电导和重金属污染物浓度分布基本均匀，在两个电极正中间设置人工高电导土壤带3理论上可以缩短一倍的电动修复时间。根据需要可在阳极4和阴极5之间建造多个人工高电导土壤带3，以进一步缩短电动修复时间。

人工高电导土壤带3使用原场地的土壤做为原土进行配制。在计划建造人工高电导土壤带3的地方将土挖出，然后在挖出的土壤中加入电解质，使其电导增加1～10倍。将配置好的高电导土壤回填压实即建成人工高电导土壤带3。人工高电导土壤带3的配制原土也可采用建造电极池6时挖出的土壤或场地内其他地方渗透系数较低的土壤。为方便取出，可用土工布、尼龙布等高强度透水面料将配制的高电导土壤包裹后再放入土壤中压实。

按图3和图4所示在人工高电导土壤带3内安装原位动态采样装置7，用来动态监测聚焦带2前沿在人工高电导土壤带中移动的情况。当监测到聚焦带前沿已接近人工高电导土壤带下游端面时，停止通电，将人工高电导土壤带取出，换另一个新的人工高电导土壤带继续进行电动修复，直到认为土壤1的电动修复达到了设定目标为止。

富集了重金属的人工高电导土壤带的处理与处置采用异位法。可根据各地的实际情况进行固化\稳定化填埋、水泥窑、淋洗、水泥窑掺烧和资源化利用。

附图说明

图1土壤及地下水电动修复聚焦带形成原理示意图。

图2电极附近土壤聚焦带形成原理图。

图3人工高电导土壤带设置方式示意图。

图4人工高电导土壤带中原位动态采样装置安装示意图(顶视图)

具体实施方式

(1)在阳极4和阴极5之间挖出安装人工高电导土壤带3的坑，并将坑底和坑壁修理平整。

(2)用本场地内挖出的土做为原土配制高电导土壤，回填到坑中压实，形成人工高电导土壤带3。根据现场情况，如果认为有必要，可以在人工高电导土壤带3外包裹高强度透水土工布或尼龙布之后再安装到坑中，以方便取出。

(3)在人工高电导土壤带3内按图3和图4的布置方式安装原位动态采样装置7。

(4)当位于人工高电导土壤带3下游端面上(靠近电极5的面)的第三组原位动态采样装置7监测到聚焦带2的前沿时，停止通电，将整个人工高电导土壤带3取出进行处理，换另一个新的人工高电导土壤带3继续进行电动修复，直到认为土壤1的电动修复达到了设定目标为止。

(5)采用异位法对富集了重金属的人工高电导土壤带3进行处理与处置。可根据各地的实际情况进行固化\稳定化填埋、水泥窑、淋洗、水泥窑掺烧或资源化利用。