一种重金属污染土壤电动修复装置的制作方法

本实用新型涉及重金属污染土壤修复领域，具体涉及一种重金属污染土壤电动修复装置。

背景技术：

土壤电动修复法的基本原理是在污染土壤区域插入电极，施加直流电后形成电场，土壤中的污染物在直流电场作用下定向迁移，富集在阴极区域，再通过其他方法(电镀、沉淀/共沉淀、抽出、离子交换树脂等)去除。

土壤电动修复过程中污染物的迁移机理有3个现象：

(1)电渗析：土壤孔隙表面带有负电荷，与孔隙水中的离子形成双电层，在外加电场作用下，土壤中的孔隙水从阳极向阴极方向流动。随孔隙水迁移的污染物质富集在阴极附近，可以被抽出进行处理；

(2)电迁移：带电离子或配位体在外加电场作用下向电性相反的电极迁移(正离子向阴极迁移,负离子向阳极迁移)的过程；

(3)电泳：土壤中带电胶体粒子，包括细小土壤颗粒、腐殖质及微生物细胞等，在外加电场作用下的迁移。从而可以除去这些胶体粒子和吸附在这些颗粒上的污染物质。

土壤电动修复方法原理不涉及有毒化学试剂的使用，不会造成二次污染。电能易得到、价低且易控制。该方法对多种金属元素有明显效果，非常适合耕地土壤重金属污染治理。目前该方法还停留在实验室研究以及农田中试(一亩范围内的试验)，未实现大规模工程化治理。国内没有涉及该方法的具体较大规模治理项目。

该治理方法主要关键点是(1)电场的布设。为了适用于工程化操作，阳极和阴极的设置必须简单、易维护且低廉、可靠。(2)重金属的移除。重金属在电场中迁移后会富集在阴极附近，为了彻底降低土壤中重金属含量，需要将重新富集的重金属元素移除出土壤并回收。(3)土壤底部防漏水。整个治理过程需要保持土壤水饱和，这要求土壤底部需要隔水。(4)阴阳极电解产生的氧气和氢气的排放。残留的气体会形成含气层，不导电。(5)控制土壤中碱性带位置。重金属元素迁移至饱含氢氧根的碱性带时会形成氢氧化物沉淀，停止迁移。

cn201710295059-重金属污染土壤的电动修复装置及电动修复方法中使用的方案为最原始的版本方案。采用板状电极，左右设置，电极板间产生均匀电场。阳离子自阳极向阴极移动。土壤和电极板间有间隔，形成阳极区和阴极区。该传统方案存在如下问题：(1)成本极高。农田里使用石墨板价格极为高昂，且使用周期很短(不到一周就腐蚀了)。其他金属阳极二次污染风险太高且不耐用，不合适；(2)为了隔出阴极区和阳极区，对土壤的隔挡且透水较难实现。20cm厚(农田里耕作层厚度，也是重金属富集区域)，超过20cm宽的土壤水饱和时对侧面的压力极大，常用的布膜、滤网无法承受土壤压力；(3)土壤中会形成碱性带。靠近阴极区域土壤由于电解产生的氢氧根进入而使ph值碱性，重金属迁移至碱性土壤区域后会和氢氧根形成难溶的氢氧化物，从而停止迁移；(4)重金属元素回收困难。重金属元素进入阴极区后沉淀在底部；(5)下雨会使处理池中水位上升，最后导致阴阳极直接接触，导致短路。

cn108326030a可变换阵列式电极的土壤重金属修复装置，中间为阴极，周围设置阳极。阴极附近设置有可渗透反应墙来过滤、吸附重金属元素。重金属向中心的阴极移动，进入可渗透反应墙。该方法由于可渗透反应墙的使用，使得碱性带移出土壤，控制在可渗透反应墙内，有利于重金属元素的收集。该方案存在的不足有：(1)成本高。阳极棒是消耗品且价格高，要减少使用量。该方案却增加阳极的使用量。(2)大量不可溶盐也会在电场中移动进入渗透反应墙并沉淀。治理过程中这些不可溶物质无法移除，会堵塞渗透反应墙，降低治理效率。(3)阴极和阳极液难以中和，导致两极的ph值极其高/低，降低治理效率。(4)阴极被渗透反应墙包围，产生的氢气无法排除(孔洞小于0.25cm2就会形成气层)，形成不导电的气层，降低治理效果。(5)非均匀电场，难以控制和预测。(6)未考虑下雨的情况。

传统土壤电动修复法存在5个缺陷：(1)电解产生的气体在土壤中难以排除，形成不导电的气层；(2)阴极和阳极区域ph值极低(ph＝2)/高(ph＝12)，降低治理效果；(3)如何将重金属元素从土壤中移除；(4)阳极材料不耐腐蚀，价格昂贵.需要减少使用量；(5)下雨对野外治理的影响。

技术实现要素：

本实用新型提供一种重金属污染土壤电动修复装置，使用电能和水势能，使得土壤中重金属自土壤底部向顶部移动，在靠近阴极附近与电解产生的氢氧根结合形成氢氧化物沉淀。重金属氢氧化物经过过滤后随着可渗透墙的剥离而移除出土壤环境。

本方法主要针对有稳定隔水层的水稻田的原位治理，通过建造隔水的水泥处理池或是在土壤底部添加塑料隔水膜也可以对旱地污染土壤进行异位/原位治理。

一种重金属污染土壤电动修复装置，待处理土壤区底部设置隔水层；包括：

电极组件：电极组件包括若干个竖向插入土壤区的阳极棒组件和水平设于土壤区表面阴极区域的阴极金属网、可渗透墙和滤网，所述阴极金属网贴附于可渗透墙顶面，所述滤网贴附于可渗透墙底面，所述滤网置于土壤表面，所述阳极棒和阴极金属网分别外接电源的正负极；

水循环组件：水循环组件包括设于土壤区周围的两个入水槽，一个出水槽和一个隔水板，两个入水槽位于其中相对的两侧，出水槽位于两个入水槽之间，隔水板位于出水槽对面，所述入水槽与土壤区在底部连通，所述土壤区与出水槽溢流连通。

阳极棒插入处阴极网对应开孔。

阳极棒组件包括绝缘套管和阳极棒，阳极棒可采用纯阳极棒(第一阳极棒)或结构改进后的阳极棒(第二阳极棒)、

一种优选的技术方案，所述阳极棒组件包括第一绝缘套管和第一阳极棒；所述第一绝缘套管竖向插入土壤中且高于土壤表面液体，第一绝缘套管内无土壤；所述第一阳极棒插入第一绝缘套管内且底端延伸出绝缘套管与土壤接触、顶端延伸至所述第一绝缘套管外并连接所述电源；所述第一阳极棒与第一绝缘套管之间预留透气间隙。

另一种优选的技术方案，所述阳极棒组件包括第一绝缘套管和第二阳极棒；所述第一绝缘套管竖向插入土壤中且高于土壤表面液体，第一绝缘套管内无土壤；所述第二阳极棒包括：

第二绝缘套管，插入第一绝缘套管内且与第一绝缘套管之间预留透气间隙；

棒状阳极，插入所述第二绝缘套管内且底端延伸出第一绝缘套管及第二绝缘套管并与土壤接触、顶部位于第二绝缘套管内；

导电棒，插入所述第二绝缘套管内且顶端延伸出第一绝缘套管及第二绝缘套管外与所述电源的正极连接、底端连接所述棒状阳极。

进一步优选地，所述棒状阳极与第二绝缘套管之间设置密封垫圈；所述导电棒上且与第二绝缘套管入口配合处带有胶塞。

进一步优选地，所述第一阳极棒或第二阳极棒的棒状阳极与土壤接触部分的高度为4cm～6cm。

进一步优选地，所述第一阳极棒或第二阳极棒的棒状阳极均为碳棒；所述第二阳极棒的导电棒为金属棒。

所述第一及为塑料或pvc不导电螺纹管，第二绝缘套管为塑料或亚克力不导电圆管，阳极棒外设置一个塑料或pvc不导电螺纹管(即第一绝缘套管)，螺纹管直径大于阳极棒0.5cm-1cm且高于土壤区表面液体1cm以上。该螺纹管的作用为①控制阳极在土壤底部的出露范围；②作为土壤底部与空气的沟通通道，使得阳极电解产生的氧气和热量上升排入空气；③方便阳极棒的布设；④防止阴阳极通过水接触短路。

由于阳极在底部，阴极在顶部，金属阳离子电渗析方向为自底向上，电迁移方向也是自底向上，最大限度的利用电能，将重金属元素向上迁移至阴极附近的可渗透墙以及阴极液中。

优选地，所述阴极区域内还设置可渗透墙和贴附于可渗透墙底面的滤网；所述阴极金属网贴附于该可渗透墙顶面，所述滤网置于土壤表面，所述阴极金属网连接所述电源的负极。金属网采用孔径在6.5cm2～25cm2的金属网。

进一步优选地，所述可渗透墙的厚度为4cm～10cm。所述可渗透墙由酸碱条件下稳定的矿物砂组成，矿物砂粒径在10目以下，尽可能贴近土壤内矿物粒径大小。

在阴极和土壤之间有一层可渗透墙。可渗透墙与土壤之间有一层滤网，使得治理结束后可以快速剥离并回收可渗透墙。可渗透墙由石英砂或沸石颗粒组成，厚度在5cm以上。该可渗透墙的作用为①保持土壤的ph值低于7，防止阴极电解产生的氢氧根进入土壤；②在治理完毕放水时过滤阴极液中的重金属氢氧化物。阴极需要使用孔径在6.5cm2～25cm2金属网，使得电解产生的氢气可以直接上浮排入空气。使用塑料钉或线将阴极金属网贴付在可渗透墙上，避免上翘出露水面。

水循环系统是利用水势能差，利用抽水机(将出水槽内的水抽至入水槽)提供势能，根据蓄水区域水下渗速度设置抽水时长以及抽水机工作时间间隔，做到土壤中水自底向上运动。对加快重金属向上迁移速度起到辅助作用。另一方面，可以使得碱性阴极液运移至阳极附近，提高阳极附近ph值。

优选地，所述入水槽采用v形槽；v形槽底部开设连通土壤的排水孔、排水孔孔径为1-2.5mm，v形槽顶部高出土壤表面15～20cm。

进一步地，排水孔开设2-3排，孔径为1.5～2.5mm，孔间距为1cm。

进一步地，v形槽埋入土壤部分内设有用于对抗两侧土壤挤压的支撑结构，该支撑结构用于对抗两侧土壤对v形槽的挤压力。

入水区由v型槽组成，借此提高在农田中的布设效率。v型槽底部有孔径2mm左右的2-3排出水孔。埋入土壤后v型槽高度要高于需治理土壤深度约15cm。

优选地，土壤区与出水槽之间设置由石英粉砂或多孔过滤棉形成的氢氧化物过滤区。土壤区出水经过该过滤区后再进入出水槽。进一步地，所述过滤区位于入水槽上半部中心处。

阴极浸泡在水中，在电解作用下表面与空气接触的阴极液ph≈12，会在水面形成大量白色氢氧化物漂浮物。在土壤与出水区(收集池)间加设一个过滤系统，用石英砂或多孔棉过滤自土壤区流出的水，将随水流出的氢氧化物过滤。过滤完的水ph值较高，经过抽水机抽入入水区后重新进入土壤底部的阳极区域，提高土壤底部阳极ph值。

治理结束后将入水区水抽干，土壤区水位会随之下降。阴极液中残存的重金属氢氧化物会随着水的下降而被可渗透墙过滤。过滤用石英砂以及可渗透反应墙内石英砂/沸石可以通过稀酸或水清洗后将重金属氢氧化物简单洗去，可以在清洗液中回收重金属元素。

优选地，相邻阳极棒间距为0.5-1.5m。

利用所述重金属污染土壤电动修复装置进行重金属污染土壤电动修复的方法包括如下步骤：

(1)将待处理土壤饱和水后进行均质化，静置后排出多余水，至土壤表面无明显积水；

(2)在均质化的待治理土壤周围布设水循环系统；

(3)安装电极组件；

(4)入水槽内布水，由底部排水孔送入土壤中，水在势能差下在土壤中上行，淹没阴极网；最后经过滤区过滤后溢流出水进入出水槽内；待土壤区水停止流动后，抽水泵将出水槽中的水抽入入水槽中。通过如此循环来为土壤区内水的上行增加动力。

治理过程分两个周期：第一个周期内，阳极棒伸入土壤底部，持续至电流稳定不变后1天，进入第二个周期；第二个周期内，将阳极棒上提至土壤中部处，电压下调一倍，保持一周以上，直至电流稳定；

(5)治理结束后，清洗阴极区域渗透墙和过滤区域上的截留氢氧化物，回收重金属。

优选地，安装电极组件的步骤：

(1)先铺滤网，滤网与阳极棒对应处开孔；

(2)插入绝缘套管，确保套管内无土；

(3)安装阳极棒；

(4)再依次铺设可渗透墙和阴极金属网，阴极金属网与阳极棒对应处开孔。

根据治理的土壤深度，电压设置0.5v/cm-2v/cm间。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

(1)成本下降。阳极材料使用量显著下降，只需要保持螺纹管下出露约5cm就行。其余部分都是可以多次使用的塑料部件。本方案为水稻田原位治理方案，无需移动土壤等大规模工程操作。无需额外的大规模场地。也可以按需求建造水泥池对旱地土壤进行异位治理。

(2)农田现场布设方便。入水区为v型槽，由于农田污染深度浅(20cm)且由于长期耕作土质疏松，可以直接通过锤击敲入土壤。v型槽顶部空间也可以作为电线的排线区域。螺纹管通过内部插不锈钢管直接随不锈钢管插入土壤，后期可实现机械化插管。

(3)由于碳棒与绝缘管间有间隙，阳极在土壤底部产生的氧气和热量可以通过两者间间隙排出土壤。

(4)通过水循化系统，无需埋管就能实现土壤底部供水。实现阳极液与阴极液沟通，平衡二者ph值。封闭的供水系统降低了治理过程中水的使用量，节约水资源，并且防止含重金属污水排放污染周边。

(5)合理使用阴极液高ph值特征，使得重金属元素以氢氧化物形式沉淀。水过滤系统回收重金属氢氧化物，避免二次污染，保证水的可持续使用。

(6)水循环系统可以在雨水天气(除暴雨、冰冻天气)下正常使用，多余的水会在收集池处外溢排放，不会因为雨水加入导致土壤治理区污水外溢产生二次污染。

(7)可渗透墙由滤布包裹，不会混入土壤中。保证土壤在治理后可以快速恢复原貌。安装和移除的现场工作量小。

附图说明

图1是本实用新型装置结构示意图。

图2是本实用新型水循环系统立体示意图。

图3是本实用新型水循环系统俯视图。

图4是本实用新型水循环纵向截面图。

图5是本实用新型第二阳极棒及第一绝缘套管的剖视图。

图中所示附图标记如下：

1-阳极棒2-第一绝缘套管3-阴极金属网

4-可渗透墙5-滤网6-入水槽

7-出水槽8-土壤区9--过滤区

10-隔板11-支撑架

101-棒状阳极102-导电棒103-第二绝缘套管

104-密封圈105-胶塞

61-排水孔

具体实施方式

如图1～图5所示，一种重金属污染土壤的电动修复装置，适用于土壤区8底部设置防水层的稻田或土壤修复，包括电极组件和水循环组件。

电极组件包括阳极棒组件和阴极网组件，阴极金属网铺设在土壤区8的顶面阴极区域，阳极棒组件竖向插入土壤区8内。阳极棒组件包括第一绝缘套管2和阳极棒1，第一绝缘套管采用塑料管或pvc螺纹管，第一绝缘套管竖向插入土壤内，底端与土壤区底部防水层之间预留间隙，顶端高出阴极网上方的液面。

阳极棒1可采用纯阳极棒，棒状阳极插入第一绝缘套管内并与第一绝缘套管之间预留透气间隙，底部延伸出第一绝缘套管与土壤接触、顶端延伸出第一绝缘套管外连接电源正极，该电极棒采用碳棒，且与土壤接触区域高度为4～6cm。

如图5所示为一种更优选的阳极棒，阳极棒包括棒状阳极101、导电棒102、第二绝缘套管103，第二绝缘套管采用塑料圆管或亚克力圆管。棒状阳极插入第二绝缘套管中，底端向下延伸出第二绝缘套管，棒状阳极顶部位于绝缘套管内，位于套管内的长度以棒状阳极和导电棒能够稳固固定于第二绝缘套管中为宜；导电棒102插入第二绝缘套管中，顶端高出第二绝缘套管，顶端通过导线与电源的正极相连，导电棒的底端与棒状阳极接触连接。该结构的阳极棒，方便对阳极材料的更换以及节省阳极材料，当棒状电极损耗后，用条形辊将第一阳极材料余段顶出，放入新的棒状电极。棒状阳极采用碳棒，导电棒采用金属棒。棒状阳极与第二绝缘套管间有一圈橡胶密封圈104，防止治理过程中气体和水进入绝缘套管内，导电棒上与第二绝缘套管入口配合处带有胶塞105。该优选结构的阳极棒整体插入第一绝缘套管2内，与第二绝缘套管之间预留间隙，棒状阳极与土壤接触部分长度为4～6cm，电极棒顶端延伸出第二绝缘套管及第一绝缘套管外。

阴极区域内包括滤网6、可渗透墙5和阴极金属网4，滤网置于土壤区表面，可渗透墙位于滤网顶面，阴极金属网4固定于可渗透墙顶面，金属网采用孔径在6.5cm2～25cm2的金属网。可渗透墙的厚度为4cm～10cm。所述可渗透墙由酸碱条件下稳定的矿物砂组成，矿物砂粒径在10目以下，尽可能贴近土壤内矿物粒径大小。

阳极棒间隔均匀插入土壤区内，阴极网与阳极棒插入位置对应处开孔。相邻阳极棒间距为0.5m-1.5m。

水循环系统如图2～图4所示，图1中的入水槽和出水槽只是为了示意水的流向，具体结构以图2～图4为准，包括两个入水槽7和一个出水槽8和一个隔板11，两个入水槽设置在土壤区9对称的两侧(第一侧和第二侧)，出水槽设置在入水槽之间，隔板设置在出水槽对面，v型槽底部有孔径2mm左右的2-3排出水孔，孔间间距约5mm。埋入土壤后v型槽高度要高于需治理土壤深度约15cm。v形槽打入土壤中，为抵抗两侧土壤压力，v形槽内埋入土壤中部分不同高度处设置支撑架12。

出水槽8顶部低于土壤区的顶面，出水槽靠近土壤区一侧上设置向出水槽内内凹的过滤区10，土壤区出水经过过滤区10过滤后再进入出水槽内。过滤区由石英粉砂或多孔过滤棉形成氢氧化物过滤区，入水槽中的水从底部进入土壤区，土壤区内水上行，最后从阴极网上方溢流进入过滤区，经过滤区过滤后进入出水槽8中，水的初始势能以及运行中需要补充的势能来自于抽水泵，抽水泵将出水槽内的水抽入入水槽中。

修复过程如下：

(1)将待处理土壤饱和水后进行均质化，静置后排出多余水，至土壤表面无明显积水；

(2)在均质化的待治理土壤周围布设水循环系统，水循环系统包括设于土壤区周围的两个入水槽，一个出水槽和一个隔水板，两个入水槽位于其中相对的两侧，出水槽位于两个入水槽之间，隔水板位于出水槽对面，所述入水槽与土壤区在底部连通，所述土壤区与出水槽溢流连通；

(3)将滤网、可渗透墙和阴极金属网依次铺设于均质化处理后的土壤表面、阳极棒插入均质化的土壤中，阳极棒和阴极金属网分别连接电源的正负极；

(a)先铺滤网，滤网与阳极棒对应处开孔；

(b)插入第一绝缘套管，确保套管内无土；

(c)安装阳极棒；

(d)再依次铺设可渗透墙和金属网，金属网与阳极棒对应处开孔。

(4)入水槽内布水，由底部排水孔送入土壤中，水在势能差下在土壤中上行，淹没阴极网(治理时第一次放水过程可以通过直接在土壤区加水来减少等待时间)；最后经过滤区过滤后溢流出水进入出水槽内；

治理过程分两个周期：第一个周期内，阳极棒伸入土壤底部，持续至电流稳定不变(连续24小时无明显变化)后1天，进入第二个周期；第二个周期内，将阳极棒上提至土壤中部处，电压下调一倍，直至电流稳定(连续24小时无明显变化)；

(5)治理结束后，清洗阴极区域渗透墙和过滤区域上的截留氢氧化物，回收重金属。

治理结束后将入水区水抽干，土壤区水位会随之缓慢下降。阴极液中残存的重金属氢氧化物会随着水的下降而被可渗透墙过滤。过滤用石英砂以及可渗透反应墙内石英砂/沸石可以通过稀酸或水清洗后将重金属氢氧化物简单洗去，可以在清洗液中回收重金属元素。

应用试验结果：

样品：浙江省衢州市开化县村头镇石煤矿山尾水污染的农田(水稻田)土壤。镉元素超标。治理结果如表1所示：

表1治理27天后土壤镉含量情况

未治理土壤中镉元素含量约为4.1ppm。经过31天通电(前24日电压2v/cm；后7日上提阳极，电压2v/cm)土壤中镉元素含量显著下降(停止试验时电流仍然有下降趋势)。根据tessier五步法对土壤中镉元素形态进行测试后发现，经过治理后碳酸盐结合态、有机结合态和铁锰氧化物结合态的镉元素含量显著下降，但残渣态和水溶态、离子交换态镉元素含量无明显变化。考虑到因治理结束时电流仍然有下降趋势，以及最易去除的水溶态和离子交换态镉元素含量无明显变化，说明本次试验结束时其他形态的镉元素仍然被活化进入水中迁移。故若治理周期加长，本方案治理成果仍然具有很大的提升空间。试验的成功验证了本方案对镉污染土壤治理的有效性。

以上所述仅为本实用新型专利的具体实施案例，但本实用新型专利的技术特征并不局限于此，任何相关领域的技术人员在本实用新型的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本实用新型的专利范围之中。