一种光伏技术结合分区域渗析修复重金属污染土壤的系统及使用方法

摘要

一种光伏技术结合分区域渗析修复重金属污染土壤的系统及使用方法，它涉及一种光伏技术结合分区域渗析修复重金属污染土壤的系统及使用方法。本发明的目的是为了解决现有的土壤重金属污染的治理方法，存在成本较高和治理周期较长的问题。该系统包括太阳能光伏发电装置、酸碱控制装置和阴极液循环系统。首先重金属污染土壤中安装正负电极，正负电极均为碳纤维制成，利用太阳能电池组件形成电流，之后针对土壤中pH值划分处理带，将渗析管埋入拟治理土壤中，重金属依靠电动迁移作用运动到阴极溶液中，对阴极液中重金属离子回收后，将处理后的溶液注入阳极，实现溶液的循环。本发明具有成本低、周期短的优点。本发明应用于土壤修复领域。

说明书

技术领域

本发明涉及一种光伏技术结合分区域渗析修复重金属污染土壤的系统及使用方法。

背景技术

目前我国受镉、砷、铜、铬、铜等重金属污染的耕地面积近2000万公顷，约占耕地总面积的1/5。土壤环境污染一旦发生，仅仅依靠切断污染源的方法往往很难自我恢复，必须采用各种有效的治理技术才能解决现实污染问题。由于重金属污染的危害性和特殊性，重金属污染土壤的修复技术己经成为全球环境科学与工程领域的研究热点之一。国内外己发展起来多种土壤重金属污染治理技术，如植物修复、化学萃取、固定化、施加改良剂、热修复、气相抽提、微生物修复、电动力、多技术联用等技术。

与其他技术相比，电动力学技术在金属污染修复方面有其独特的优势：

(1)与挖掘、土壤冲洗等异位技术相比，电动力学技术可原位处理污染土壤，最大程度地保护土壤上层的建筑结构；

(2)电动力学技术改变土壤中原有成分的pH使金属离子活化，不会影响土壤中的其他成分，且该过程不受土壤低渗透性的影响；

(3)与化学稳定化不同，电动力学技术中金属离子从根本上完全被去除而不是通过向土壤中引人新的物质与金属离子结合产生沉淀物实现的；

(4)对于不能原位修复的现场，可以采用异位修复的方法；

(5)可能对饱和层和不饱和层都有效；

(6)水力传导性较低特别是薪土含量高的土壤适用性较强；

(7)对有机和无机污染物都有效果。

在应用上，现有的电动力学技术存在一些限制因素:(1)污染物的溶解性和污染物从土壤胶体表面的脱附性能对该技术的成功应用有重要影响；(2)土壤含水量低于10％的场合，处理效果大大降低；(3)处理过程需要外加电能，造成能量消耗；(4)电动处理过程阴极和阳极会出现碱区和酸区，严重影响土壤的处理效果。

在申请号为CN201520553410.9提供一种治理金属污染土壤的系统，包括渗析管、管件、输水管、水源、析盐柱及处理设备，渗析管埋入拟治理土壤中且通过管件及输水管与水源相连接以组成供水网，以在供水第一预置时间后形成以渗析管为轴心的圆柱形湿润体且相邻两湿润体相交形成金属离子富集的交集区域；析盐柱下半部插入交集区域且上半部 裸露于地面，以在持续第二预置时间后，通过析盐柱下半部持续地吸取土壤溶液且水分通过析盐柱上半部持续地蒸发，使得金属离子富集于析盐柱中；处理设备，用于移除析盐柱中的金属离子并进行后续处理，以实现对拟治理土壤中金属污染的处理。该方法受外界环境条件影响大，实施周期过长。

在申请号为CN201210000964.7提供一种电动力学联合滴灌修复重金属污染土壤方法。该方法是在重金属污染土壤两端安装正负电极，正负电极均为碳纤维制成，在正负电极与污染土壤间分别放置吸附剂，在吸附剂附近土壤的上方设置滴灌装置，将电解液、缓冲液或络合剂等缓慢滴加到两侧污染土壤中，对电极进行周期性极性阴阳切换，重金属依靠电动迁移作用运动并被吸附剂吸附从而降低其在土壤中的浓度。该方法耗能大，并且未考虑处理过程中在不同区域土壤的pH值不同。在影响处理效果的的各种因素中，控制土壤酸碱度非常重要。pH可以改变污染物的化学状态，可以改变电渗流的大小和方向，影响土壤孔隙污染物的对流运输，可以极化电极并减少直流电场的有效性。目前电动力处理重金属污染的实验，为保证较好的处理效果，提供的电压约1v/cm，电流约为10mA，大规模应用处理土壤时，耗能高。

目前现有的土壤重金属污染的治理方法，存在成本较高和治理周期较长的问题。因此，研究更为先进、更为有效和更为经济的污染土壤修复、治理的各项技术与方法刻不容缓。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的土壤重金属污染的治理方法，存在成本较高和治理周期较长的问题，提供一种光伏技术结合分区域渗析修复重金属污染土壤的系统及使用方法。

本发明一种光伏技术结合分区域渗析修复重金属污染土壤的系统，其特征在于该系统包括太阳能光伏发电装置、酸碱控制装置和阴极液循环系统，太阳能光伏发电装置和阴极液循环系统位于该系统的左上角，酸碱控制装置位于该系统的右上角；其中所述的酸碱控制装置包括酸液箱、碱液箱和渗析管，酸液箱一侧与输酸管连通，碱液箱一侧与输碱管连通、输酸管和输碱管均通过酸碱调节阀与酸碱输送管连通，酸碱输送管与渗析管连通；太阳能光伏发电装置包括太阳能组件、阳极管和阴极管；其中阳极管内部设有阳极液和阳极，阴极管内部设有阴极液和阴极，太阳能组件通过阳极导线与阳极管内的阳极连通，且通过阴极导线与阴极管内的阴极连通；阴极液循环系统通过输入管与阴极管内的阴极液相连，通过输出管与阳极管内的阳极液相连。

本发明一种光伏技术结合分区域渗析修复重金属污染土壤的系统的使用方法，其特征在于该方法为：选定待处理的土地区域，在待处理的土地区的土壤内交替布置阳极管和阴极管，将待处理的土地区域划分为不同的酸碱处理带，将注渗析管打入不同的酸碱处理带的土壤中，渗析管与酸碱输送管连通，再根据最终土壤的pH值达到5±0.2，计算注入的酸碱流量；然后开启系统，土壤中的重金属离子在阴极和阳极的作用下进入阴极液中，阴极液通过输入管进入阴极液循环系统，在阴极液循环系统内回收重金属离子，得到处理后的溶液，处理后的溶液经过循环水泵进入阳极液，即完成。

太阳能光伏发电装置包括太阳能电池组件、控制器、蓄电池和碳棒。通过太阳能电池组件经控制器，将太阳能转化为电能储存在蓄电池内，通过以碳棒作为电极将电能导入土壤中，将电极至于土壤内部，根据需求制作成多个正电极和负电极，电极布置有多种选择，通过形成的电场来驱动金属离子的迁移。

酸碱控制装置包括酸碱控制装置包括酸液箱、碱液箱和渗析管。在处理过程中，土壤中pH值随着距离电极的不同位置而变化，根据pH值划分成不同的处理带。利用抽水泵抽取配置好的酸碱液。渗析管为管壁布满微孔的管。渗析管以埋入拟治理土壤中且通过管件及酸碱输送管与酸液箱、碱液箱相连接以组成供水网，形成以每根渗析管为轴心的圆柱形湿润体且相邻两湿润体相交形成金属离子富集的交集区域，其中，湿润体中的水流方向为从圆柱形轴心到圆柱形侧面，通过渗析管滴加在特定的处理带，调节该区域至最佳pH值，使得金属离子最大程度处于游离态。

处理一段时间后，将阴极液流进阴极液循环系统，实现溶液中重金属回收，将处理后的溶液经过循环水泵送回阳极液，实现电极液体的循环利用。

整个土壤重金属污染治理系统由上诉三个主要装置组成，通过太阳能光伏发电装置提供电能，之后经过酸碱控制装置实现金属离子的最佳处理效果，最后阴极液循环系统实现重金属从土壤中分离和溶液的循环。

本发明的有益效果：

与现有的技术方案相比，本发明具有以下的优势：

(1)利用光伏技术，大大降低处理过程中的能耗，经济性好。

(2)电极布置采用交错式，有利于重金属污染物的迁移。

(3)采用渗析管。根据不同位置酸碱性的不同，有针对性的调节PH，使处理过程中土壤各处始终保持在最适PH，大大提高了污染物的溶解性和脱附性，同时保证了土壤的含水率，提高处理效果。

(4)放电技术和酸碱调控技术可以进一步增快反应，治理周期短。

附图说明

图1为本发明光伏技术结合分区域渗析修复重金属污染土壤的系统示意图；

图2为实施例1的阴极管和阳极管排布图。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。

具体实施方式一：本实施方式一种光伏技术结合分区域渗析修复重金属污染土壤的系统包括太阳能光伏发电装置、酸碱控制装置和阴极液循环系统1，太阳能光伏发电装置和阴极液循环系统1位于该系统的左上角，酸碱控制装置位于该系统的右上角；其中所述的酸碱控制装置包括酸液箱2、碱液箱16和渗析管14，酸液箱2一侧与输酸管11连通，碱液箱16一侧与输碱管12连通、输酸管11和输碱管12均通过酸碱调节阀13与酸碱输送管15连通，酸碱输送管15与渗析管14连通；太阳能光伏发电装置包括太阳能组件3、

阳极管6和阴极管8；其中阳极管6内部设有阳极液和阳极7，阴极管8内部设有阴极液和阴极18，太阳能组件3通过阳极导线10与阳极管6内的阳极7连通，且通过阴极导线9与阴极管8内的阴极18连通；阴极液循环系统1通过输入管4与阴极管8内的阴极液相连，通过输出管5与阳极管7内的阳极液相连。

太阳能光伏发电装置包括太阳能电池组件、控制器、蓄电池和碳棒。通过太阳能电池组件经控制器，将太阳能转化为电能储存在蓄电池内，通过以碳棒作为电极将电能导入土壤中，将电极至于土壤内部，根据需求制作成多个阳极和阴极，电极布置有多种选择，通过形成的电场来驱动金属离子的迁移。

酸碱控制装置包括酸碱控制装置包括酸液箱2、碱液箱16和渗析管14。在处理过程中，土壤中pH值随着距离电极的不同位置而变化，根据pH值划分成不同的处理带。利用抽水泵抽取配置好的酸碱液。渗析管14为管壁布满微孔的管。渗析管14以埋入拟治理土壤中且通过管件及酸碱输送管15与酸液箱2、碱液箱16相连接以组成供水网，形成以每根渗析管14为轴心的圆柱形湿润体且相邻两湿润体相交形成金属离子富集的交集区域，其中，湿润体中的水流方向为从圆柱形轴心到圆柱形侧面，通过渗析管14滴加在特定的处理带，调节该 区域至最佳pH值，使得金属离子最大程度处于游离态。

处理一段时间后，将阴极液流进阴极液循环系统1，实现溶液中重金属回收，将处理后的溶液经过循环水泵送回阳极液，实现电极液体的循环利用。

整个土壤重金属污染治理系统由上诉三个主要装置组成，通过太阳能光伏发电装置提供电能，之后经过酸碱控制装置实现金属离子的最佳处理效果，最后阴极液循环系统1实现重金属从土壤中分离和溶液的循环。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：渗析管14位于阳极管6和阴极管8之间的区域。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述的阳极管6、阴极管8和渗析管14位于土壤17内部。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述的太阳能组件3包括太阳能电池组件、控制器和蓄电池。其它与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：酸碱输送管15是若干个平行排布于土壤16表面。其它与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：酸碱控制装置2内设有抽水泵。其它与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：阴极液循环系统1内设有循环水泵。其它与具体实施方式一至六之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是所述的阴极18和阳极7均为碳棒。其它与具体实施方式一至七之一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是所述渗析管14为微润管、塑料多孔管、多孔陶瓷管、烧结金属微孔管、开孔发泡橡胶管或纤维纺织管。其它与具体实施方式一至八之一相同。

本实施方式中微润管的管壁上具有微孔，所述微孔的孔径为每平方厘米50个。

具体实施方式十：本实施方式一种光伏技术结合分区域渗析修复重金属污染土壤的系统的使用方法为：选定待处理的土地区域，在待处理的土地区的土壤17内交替布置阳极管6和阴极管8，将待处理的土地区域划分为不同的酸碱处理带，将注渗析管14打入不同的酸碱处理带的土壤17中，渗析管14与酸碱输送管15连通，再根据最终土壤的pH值达到5±0.2，计算注入的酸碱流量；然后开启系统，土壤中的重金属离子在阴极和阳极的作用下进入阴极液中，阴极液通过输入管4进入阴极液循环系统1，在阴极液循环系统1内回收重金属离子，得到处理后的溶液，处理后的溶液经过循环水泵进入阳极液，即完成。

与现有的技术方案相比，本实施方式具有以下的优势：

(1)利用光伏技术，大大降低处理过程中的能耗，经济性好。

(2)电极布置采用交错式，有利于重金属污染物的迁移。

(3)采用渗析管。根据不同位置酸碱性的不同，有针对性的调节PH，使处理过程中土壤各处始终保持在最适PH，大大提高了污染物的溶解性和脱附性，同时保证了土壤的含水率，提高处理效果。

(4)放电技术和酸碱调控技术可以进一步增快反应，治理周期短。

具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式十不同的是：划分为不同的酸碱处理带的方法为：根据土壤pH距阴极管8距离的变化符y＝-0.0003x³+0.019x²-0.42x+10，计算土壤pH值，其中y为pH值，x为土壤距阴极管8的距离，pH值1～3变化率为一个酸碱处理带。其他与具体实施方式十相同。

通过以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例1

本实施例一种光伏技术结合分区域渗析修复重金属污染土壤的系统的使用方法为，选定一待处理的5m×5m土地区域。按照图2在待处理的土地区的土壤17内交替布置阳极管6和阴极管8，将待处理的土地区域划分为不同的酸碱处理带，将注渗析管14打入不同的酸碱处理带的土壤17中，渗析管14与酸碱输送管15连通，再根据最终土壤的pH值达到5±0.2，计算注入的酸碱流量；然后开启系统，土壤中的重金属离子在阴极和阳极的作用下进入阴极液中，阴极液通过输入管4进入阴极液循环系统1，在阴极液循环系统1内回收重金属离子，得到处理后的溶液，处理后的溶液经过循环水泵进入阳极液，即完成。

本实施例划分为不同的酸碱处理带的方法为：根据土壤pH距阴极管8距离的变化符y＝-0.0003x³+0.019x²-0.42x+10，计算土壤pH值，其中y为pH值，x为土壤距阴极管8的距离，pH值1～3变化率为一个酸碱处理带。

连续处理8个小时后，对比处理前后土壤中Cd和Pb的含量，离子浓度分别由1.32mg/kg和54.34mg/kg降为1.17mg/kg和48.86mg/kg。

由实施例可知，本实施例利用光伏技术，大大降低处理过程中的能耗，经济性好；电极布置采用交错式，有利于重金属污染物的迁移；采用渗析管。根据不同位置酸碱性的不同，有针对性的调节PH，使处理过程中土壤各处始终保持在最适PH，大大提高了污染 物的溶解性和脱附性，同时保证了土壤的含水率，提高处理效果；放电技术和酸碱调控技术可以进一步增快反应，治理周期短。