一种水体底泥原位电动处理装置及处理方法

本发明涉及水环境治理技术流域，尤其是一种水体底泥原位电动处理装置及处理方法。

背景技术：

污染物通过大气沉降、水土流失、废水排放、雨水淋溶与冲刷等多种方式进入水体，造成有害物质在底泥中不断累积富集，其沉淀下来的污染物大多数超过了标准，其中重金属的污染情况最为严重，底泥重金属如铬、铅、锌、铜等超标会对生态环境和人类健康造成的巨大的影响。除此之外，底泥中的重金属不稳定，当发生水体扰动、水质变化等情况时，底泥沉积的重金属重新释放到水体，引起水体二次污染。

目前，底泥重金属污染的处理方法主要有两种，一是通过改变土壤中重金属的存在形态，通过降低其活性来控制重金属污染；第二种是从根源消除重金属的污染，即将重金属从土壤中分离出来。底泥重金属去除方法包括吸附法、化学溶液清洗法、生物淋滤法、超临界萃取技术等方法。近年来电动修复技术修复作为一种新兴的修复技术，由于具有无需添加任何药剂，不会造成二次污染，重金属可回收利用等特点备受人们广泛关注。电动修复技术作为一种新型修复技术，具有所用化学试剂少、高效、对环境扰动较小等优点。

中国专利《一种去除污染底泥中黑臭污染物的原位电动修复方法》(申请号：201811453353.1)公开了一种底泥污染物的原位电动修复方法，通过切换正负极转换器使得两个电极轮流做阳极，去除底泥中的致黑臭污染物，以电极作为电子受体，耗能少。但该专利存在仪器制造复杂、设备安装繁琐、维修管理不便等缺点。中国专利《一种基于电动力学原理的黑臭水体底泥修复系统》(申请号：202010696239.2)公开了一种黑臭水体底泥的电动力学修复系统，可以减轻底泥酸化和沉积物产生的、抑制底泥温度的升高；减少底泥净化过程中消耗的功率，提高污染物的去除效率。但此项专利的应用前景不具有规模性。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：为克服上述专利存在的缺陷，本发明提供一种操作简单、投资较少的水体底泥原位电动处理装置，对重金属污染的水体底泥进行净化处理。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种水体底泥原位电动处理装置，所述的水体底泥原位电动处理装置为船体结构，包括浮力舱1、设备舱2、操作舱3，以及支撑杆4、发电系统5、操作移动平板6、直流电源7、阳极电解器8、阴极电解器9、锚杆10、隔水幕布11、水泵和水管；

所述浮力舱1位于船体结构两端的底部，为船体结构提供浮力，浮力舱1为密封式结构。

所述设备舱2位于船体结构的两端，且处于浮力舱1的上部，设备舱2中放置使用的部分装置设备。

所述操作舱3位于船体结构的中部，为镂空结构。

所述支撑杆4为圆柱体结构，垂直安装在浮力舱1的侧壁上。

所述发电系统5包括固定装置5-1、风力发电装置5-2、光伏发电装置5-3和变压箱5-4；所述固定装置5-1安置在支撑杆4的上方。风力发电装置5-2、变压箱5-4和光伏发电装置5-3依次排列在固定装置5-1上，风力发电装置5-2和光伏发电装置5-3的电线并联到变压箱5-4，变压箱5-4内装有控制器、逆变器和蓄电池，经过控制器和逆变器作用，风力发电装置5-2和光伏发电装置5-3的电力为蓄电池充电。蓄电池通过电缆与水体底泥原位电动处理装置的用电设备连接。

所述操作移动平板6呈十字形平铺在操作舱3的上部，操作移动平板6的两端搭设在操作舱3的舱壁上，操作移动平板6提供操作平台。

所述直流电源7连接蓄电池。

所述阳极电解器8分为三部分，中上部为多段不锈钢柱叠摞组成的阳极圆柱形伸缩杆8-1，下端为圆柱形阳极电解插筒8-2，底端为阳极圆锥形固定插头8-3。

所述阳极圆柱形伸缩杆8-1的不锈钢柱之间通过连接螺栓8-4连接；每段不锈钢柱内均设有连接螺栓8-4，所述连接螺栓8-4一端具有外螺纹、另一端设有内螺纹。所述阳极圆柱形伸缩杆8-1最下端底部有沿伸缩杆周向均匀布置的圆形孔洞，孔洞内侧焊有若干螺帽。

所述圆柱形阳极电解插筒8-2与阳极圆柱形伸缩杆8-1为同心圆布置。圆柱形阳极电解插筒8-2直径为阳极圆柱形伸缩杆8-1直径的2～4倍。圆柱形阳极电解插筒8-2外壁上有沿筒壁方向向上延伸的阳极不锈钢环形插片8-5，阳极不锈钢环形插片8-5上有与阳极圆柱形伸缩杆8-1孔洞相对应的孔洞，两者通过螺丝链接，便于拆卸。圆柱形阳极电解插筒8-2中心处安置有圆柱形的阳极8-6，阳极8-6采用石墨材料制成，阳极8-6连接直流电源7的正极。圆柱形阳极电解插筒8-2外壁上设有若干菱形镂空结构，便于电解反应。

所述阳极电解器8最下端为阳极圆锥形固定插头8-3，阳极圆锥形固定插头8-3便于把阳极电解器8-2插入底泥中。

所述阳极电解器8设有4个。

所述阴极电解器8分为三部分，中上部为多段不锈钢柱叠摞组成的阴极圆柱形伸缩杆9-1，下端为圆柱形阴极电解插筒9-2，底为阴极圆锥形固定插头9-3。

所述阴极圆柱形伸缩杆9-1的不锈钢柱之间通过连接螺栓8-4连接；每段不锈钢柱内均设有连接螺栓8-4，所述连接螺栓8-4一端具有外螺纹、另一端设有内螺纹。所述阴极圆柱形伸缩杆9-1最下端底部有沿伸缩杆周向均匀布置的圆形孔洞，孔洞内侧焊有若干螺帽。

所述圆柱形阴极电解插筒9-2与阴极圆柱形伸缩杆9-1为同心圆布置。圆柱形阴极电解插筒9-2直径为阴极圆柱形伸缩杆9-1直径的2～4倍。圆柱形阴极电解插筒9-2有阴极电解内筒9-4和阴极电解外筒9-5。阴极电解内筒9-4有沿筒壁方向向上延伸的阴极不锈钢环形插片9-7，阴极不锈钢环形插片9-7上有与阴极圆柱形伸缩杆9-1孔洞相对应的孔洞，两者通过螺丝链接，便于拆卸。阴极电解内筒9-4中心处安置有石墨或不锈钢材料制成的圆柱形的阴极9-6，阴极9-6连接直流电源7的负极。阴极电解外筒9-5的内壁内衬有无纺棉布，将改性吸附碳填充在无纺棉布围成的圆柱形空间内。阴极电解外筒9-5与阴极电解内筒9-4为密闭结构，阴极电解内筒9-4和阴极电解外筒9-5筒壁上设有若干菱形镂空结构，便于电解反应。阴极电解外筒9-5外壁上设有可开闭的环形推拉门9-8，便于安置和清理改性吸附碳。

所述阴极电解器9最下端为阴极圆锥形固定插头9-3，阴极圆锥形固定插头9-3便于把阴极电解器插入底泥中。

所述阴极电解器9设有1个。

所述锚杆10设在设备舱2的四个角落，共有四根，每根锚杆10由不锈钢柱10-1和四棱锥10-2两部分组成，所述不锈钢柱10-1为4～6段结构组成，每段结构设有连接螺栓8-4，所述连接螺栓8-4一端具有外螺纹、另一端开有内螺纹。最下端的结构相邻两侧面分别焊有三个挂环6-1。不锈钢柱下方焊接有四棱锥10-2，四棱锥10-2结构便于把锚杆10插入底泥中。

所述隔水幕布11绕着锚杆10围成封闭状四面体形，隔水幕布11中内置有由上至下层层分布的钢圈11-1，层与层之间的钢圈11-1通过细钢丝11-2连接，位于隔水幕布11最上部的钢圈上焊接有多个挂钩11-3，每个挂钩11-3分别挂在操作舱3四周的舱壁上。隔水幕布11最下部的钢圈11-1上焊接有多个挂钩11-3，每个挂钩11-3分别挂入锚杆10上设置的挂环6-1上。

所述水泵安装在设备舱2内，水管与水泵相连，水泵工作时通过水管，将锚杆10和隔水幕布11围绕的四面体空间里的水抽干。

进一步地，所述改性吸附碳的制作过程为：

(1)将小麦秆洗净干燥、粉碎、经50～100目过筛后，浸入质量浓度为2～10％的氢氧化钠水溶液中反应80～100分钟，小麦秆与氢氧化钠水溶液固液比为10～80g/ml；

(2)在步骤(1)反应物中加入质量浓度为90～95％的环氧氯丙烷水溶液，小麦秆与环氧氯丙烷水溶液的固液比为10～80g/ml，反应18～24小时后，抽滤，得1号固体样品；

(3)将1号固体样品浸入质量浓度为10～15％的氢氧化钾水溶液，再加入质量浓度为85～95％的二硫化碳水溶液，1号固体样品与氢氧化钾水溶液、二硫化碳水溶液的固液比均为10～80g/ml，辅以微波处理，反应40～60分钟后，抽滤，得2号固体样品；

(4)将2号固体样品浸入质量浓度为10～15％的硫酸镁水溶液，2号固体样品与硫酸镁水溶液的固液比为10～80g/ml，继续反应15分钟，抽滤，用硫酸镁和乙醇的混合液作为洗涤液洗涤至ph7.0～7.5，其中硫酸镁的质量浓度为5％，乙醇的纯度为95～100v/v％，得3号固体样品；

(5)将3号固体样品在40～70℃烘干，即得到改性吸附碳。

进一步地，所述的支撑杆4的长度为1.5～2m，直径为5～20cm。

进一步地，所述支撑杆4采用硬塑料、金属、木料或竹竿制成。

进一步地，所述固定装置5-1由金属制成。

进一步地，所述操作移动平板6采用木板、钢板或硬塑料板制成。

进一步地，所述直流电源7为恒压式直流电源，电场强度设定为3v/cm。

进一步地，所述阳极圆柱形伸缩杆8-1、阴极圆柱形伸缩杆9-1的不锈钢柱均为4-6段。

进一步地，所述阳极电解器8、阴极电解器9均用不锈钢材料制成。

进一步地，所述不锈钢柱10-1外径为5～20cm。

进一步地，所述隔水幕布11由防水胶布材质制成。

利用本发明的水体底泥原位电动处理装置进行底泥处理的方法为：

①水体底泥原位电动处理装置抛锚停留在待处理位置；

②将锚杆10沿操作舱四周的舱壁垂直插入河流底泥中，隔水幕布11在锚杆10的带动落下，围绕锚杆10形成密闭四面体形；

③把操作移动平板6搭设在操作舱3的舱壁上，提供操作空间，水泵将隔水幕布11围成的四面体内的水抽干；

④将阳极电解器8和阴极电解器9垂直插入底泥中，4个阳极电解器8组成长方形，阴极电解器9位于长方形中心处；

⑤接通直流电源7，直流电源7的电压梯度设定为3v/cm，在电场力的作用下，底泥中的重金属以电迁移的形式进行运动，带正电荷的重金属离子往阴极电解器9移动；

⑥通电修复一段时间后，断电，进行间歇通电操作，每次间断通电时间距上一次通电时间间隔4h；

⑦阴极电解器9中的改性吸附碳对迁移过来的重金属离子进行吸附，修复结束后拔出阴极电解器9，更换改性吸附碳，土壤和地下水中的重金属被去除；

⑧当底泥修复处理完毕之后，把锚杆10和隔水幕布11升起，放置在设备舱2内。

本发明的有益效果为：

(1)本发明的原位电动修复技术，采用间歇通电技术可以缩短通电时间、降低能耗。(2)多边形阳极的布置结构与单个阴极形成均匀电场。(3)利用改性吸附碳的高效吸附作用去除地下水中的重金属，投资少，运行管理方便，能有效避免二次污染。(4)本发明对水体底泥进行原位电动修复，对操作环境的要求较低，能取得较高的经济效益和生态效益。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的具体实施例的俯视图；

图2是a-a处纵剖面图；

图3是发电系统的结构示意图

图4是本发明的电极布置示意图；

图5是本发明的操作舱的俯视图

图6是本发明的阳极电解器的结构示意图；

图7是本发明的阴极电解器的结构示意图；

图8是本发明的连接螺栓的结构示意图；

图9是本发明的锚杆的结构示意图；

图10是本发明的锚杆的结构示意图；

图11是本发明的隔水幕布的结构示意图

图1～图11中：1.浮力舱，2.设备舱，3.操作舱，4.支撑杆，5.发电系统，5-1.固定装置，5-2.风力发电装置，5-3.光伏发电装置，5-4.变压箱，6.操作移动平板，6-1挂环，7.直流电源，8.阳极电解器，8-1.阳极圆柱形伸缩杆，8-2.圆柱形阳极电解插筒，8-3.阳极圆锥形固定插头，8-4.连接螺栓，8-5.阳极不锈钢环形插片，8-6.阳极，9.阴极电解器，9-1.阴极圆柱形伸缩杆，9-2.圆柱形阴极电解插筒，9-3.阴极圆锥形固定插头，9-4.阴极电解内筒，9-5.阴极电解外筒，9-6.阴极，9-7.阴极不锈钢环形插片，9-8.环形推拉门，10.锚杆，10-1.不锈钢柱，10-2.四棱锥，11.隔水幕布，11-1.钢圈，11-2.细钢丝，11-3.挂钩

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

实施例如图1～图11所示，本发明为船体结构，包括浮力舱1、设备舱2和操作舱3。本发明还设置有支撑杆4、发电系统5、操作移动平板6、直流电源7、阳极电解器8、阴极电解器9、锚杆10、隔水幕布11、水泵和水管。

所述浮力舱1设置在船体结构两端的底部，为船体结构供浮力，浮力舱1为密封式结构。

所述设备舱2位于船体结构的两端和浮力舱1的上部，设备舱2中放置使用的部分装置设备。

所述操作舱3位于船体结构的中部，为镂空结构。

所述支撑杆4为圆柱体结构，垂直安装在浮力舱1的侧壁上，支撑杆4长度为1.5m、直径为10cm，所述支撑杆4采用金属制成。

所述发电系统5包括固定装置5-1、风力发电装置5-2、光伏发电装置5-3和变压箱5-4，所述固定装置5-1安置在支撑杆4上方，固定装置5-1由金属制成，风力发电装置5-2、变压箱5-4和光伏发电装置5-3依次排列在固定装置5-1上，风力发电装置5-2和光伏发电装置5-3的电线并联到变压箱5-4，变压箱5-4内装有控制器、逆变器和蓄电池，经过控制器和逆变器作用风力发电装置5-2和光伏发电装置5-3的电力为蓄电池充电。蓄电池通过电缆与水体底泥原位电动处理装置的用电设备连接。

所述操作移动平板6采用钢板板制成，操作移动平板呈十字形平铺在操作舱3的上部，操作移动平板6的两端搭设在舱壁上，操作移动平板提供操作平台。

所述直流电源7为恒压式直流电，直流电源7连接蓄电池，电场强度设定为3v/cm。

所述阳极电解器8分为三部分，中上部为多段不锈钢柱叠摞组成的阳极圆柱形伸缩杆8-1，下端为圆柱形阳极电解插筒8-2，底端为阳极圆锥形固定插头8-3。

所述阳极圆柱形伸缩杆8-1由多段不锈钢柱组成，阳极圆柱形伸缩杆8-1由四段不锈钢柱通过连接螺栓8-4连接组成，每段不锈钢柱内设有连接螺栓8-4，所述连接螺栓8-4一端具有外螺纹、另一端设有内螺纹。所述阳极圆柱形伸缩杆8-1最下端底部有沿伸缩杆周向均匀布置的圆形孔洞，孔洞内侧焊有若干螺帽。

所述圆柱形阳极电解插筒8-2与阳极圆柱形伸缩杆8-1为同心圆布置，圆柱形阳极电解插筒8-2直径约为阳极圆柱形伸缩杆8-1直径的两倍。圆柱形阳极电解插筒8-2外壁上有沿筒壁方向向上延伸的阳极不锈钢环形插片8-5，阳极不锈钢环形插片8-5上有与阳极圆柱形伸缩杆8-1孔洞相对应的孔洞，两者通过螺丝链接，便于拆卸。圆柱形阳极电解插筒8-2中心处安置有圆柱形阳极8-6，阳极8-6采用石墨材料制成，阳极8-6连接直流电源7的正极。圆柱形阳极电解插筒8-2外壁上设有若干菱形镂空结构，便于电解反应。

阳极电解器8最下端焊有阳极圆锥形固定插头8-3，阳极圆锥形固定插头8-3便于把阳极电解器8插入底泥中。

所述阳极电解器8用不锈钢材料制成，阳极电解器8设有4个。

所述阴极电解器9分为三部分，中上部为多段不锈钢柱叠摞组成的阴极圆柱形伸缩杆9-1，下端为圆柱形阴极电解插筒9-2，底端为阴极圆锥形固定插头9-3。

所述阴极圆柱形伸缩杆9-1由多段不锈钢柱组成，阴极圆柱形伸缩杆9-1由四段不锈钢柱通过连接螺栓8-4连接组成，每段不锈钢柱内设有连接螺栓8-4，所述连接螺栓8-4一端具有外螺纹、另一端设有内螺纹。所述阴极圆柱形伸缩杆9-1最下端底部有沿伸缩杆周向均匀布置的圆形孔洞，孔洞内侧焊有若干螺帽。

所述圆柱形阴极电解插筒9-2与阴极圆柱形伸缩杆9-1为同心圆布置，圆柱形阴极电解插筒9-2直径约为阴极圆柱形伸缩杆9-1直径的两倍。圆柱形阴极电解插筒9-2有阴极电解内筒9-4和阴极电解外筒9-5。阴极电解内筒9-4有沿筒壁方向向上延伸的阴极不锈钢环形插片9-7，阴极不锈钢环形插片9-7上有与阴极圆柱形伸缩杆9-1孔洞相对应的孔洞，两者通过螺丝链接，便于拆卸。阴极电解内筒9-4中心处安置有石墨或不锈钢材料制成的圆柱形阴极9-6，阴极9-6连接直流电源7的负极。阴极电解外筒9-5的内壁内衬有无纺棉布，将改性吸附碳填充在无纺棉布围成的圆柱形空间内。所述阴极电解外筒9-5与阴极电解内筒9-4为密闭结构，阴极电解内筒9-4和阴极电解外筒9-5筒壁上设有若干菱形镂空结构，便于电解反应。阴极电解外筒9-5外壁上设有可开闭的环形推拉门9-8，便于安置和清理改性吸附碳。

阴极电解器9最下端焊有阴极圆锥形固定插头9-3，阴极圆锥形固定插头9-3便于把阴极电解器9插入底泥中。

所述阴极电解器9用不锈钢材料制成，阴极电解器9设有1个。

所述改性吸附碳的制作过程为：

(1)将小麦秆洗净干燥、粉碎、经80目过筛后，浸入质量浓度为6％的氢氧化钠水溶液中反应90分钟，小麦秆与氢氧化钠水溶液固液比为80g/ml；

⑵在步骤⑴反应物中加入质量浓度为90％的环氧氯丙烷水溶液，小麦秆与环氧氯丙烷水溶液的固液比为60g/ml，反应18小时后，抽滤，得1号固体样品；

(3)将1号固体样品浸入质量浓度为10％的氢氧化钾水溶液，再加入质量浓度为90％的二硫化碳水溶液，辅以微波处理，1号固体样品与氢氧化钾水溶液、二硫化碳水溶液的固液比均为60g/ml，辅以微波处理，反应45分钟后，抽滤，得2号固体样品；

(4)将2号固体样品浸入质量浓度为10％的硫酸镁水溶液，2号固体样品与硫酸镁水溶液的固液比为60g/ml，继续反15分钟，抽滤，用硫酸镁和乙醇的混合液作为洗涤液洗涤至ph7.0，其中硫酸镁的质量浓度为5％，乙醇的纯度为95v/v％，得3号固体样品；

(5)将3号固体样品在50℃烘干，即得到改性吸附碳。

所述锚杆10设在设备舱2四个角落，共有四根，每根锚杆10由不锈钢柱10-1和四棱锥10-2两部分组成，所述不锈钢柱10-1外径为15cm，不锈钢柱10-1为五段结构组成，每段钢柱设有连接螺栓8-4，所述连接螺栓8-4一端具有外螺纹、另一端开有内螺纹。最下端的不锈钢柱10-1相邻两个侧面分别焊有三个挂环6-1。不锈钢柱10-1下方焊接有四棱锥10-2，四棱锥10-2结构便于把锚杆10插入底泥中。

所述隔水幕布11由防水胶布材质制成，隔水幕布11绕着锚杆10围成封闭状四面体形，隔水幕布11中内置有由上至下层层分布的钢圈11-1，层与层之间的钢圈11-1通过细钢丝11-2连接，位于隔水幕布11最上部的钢圈11-1上焊接有多个挂钩11-3，挂钩11-3分别挂在操作舱3四周的舱壁上。隔水幕布11最下部的钢圈11-1上焊接有多个挂钩11-3，每个挂钩11-3分别挂入锚杆10上设置的挂环6-1上。

所述水泵安装在设备舱2内，水管与水泵相连，水泵工作时通过水管，将锚杆10和隔水幕布11围绕的四面体空间里的水抽干。

利用本发明的水体底泥原位电动处理装置进行底泥处理的方法为：

①水体底泥原位电动处理装置抛锚停留在待处理位置；

②将锚杆10沿操作舱3四周的舱壁垂直插入河流底泥中，隔水幕布11在锚杆10的带动下迅速落下，围绕锚杆10形成密闭四面体形；

③把操作移动平板6搭设在操作舱3的舱壁上，提供操作空间，水泵将隔水幕11布围成的四面体内的水抽干；

④将阳极电解器8和阴极电解器9垂直插入底泥中，4个阳极电解器8组成长方形，阴极电解器9位于长方形中心点处；

⑤接通直流电源7，直流电源7的电压梯度设定为3v/cm，在电场力的作用下，底泥中的重金属以电迁移的形式进行运动，带正电荷的重金属离子往阴极电解器9移动；

⑥通电修复一段时间后，断电，进行间歇通电操作，每次间断通电时间距上一次通电时间间隔4h；

⑦阴极电解器9中的改性吸附碳对迁移过来的重金属离子进行吸附，修复结束后拔出阴极电解器9，更换改性吸附碳，土壤和地下水中的重金属被去除；

⑧当底泥修复处理完毕之后，把锚杆10和隔水幕布11升起，放置在设备舱2内。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。