专利名称：电动力和铁可渗透反应格栅联合修复重金属污染土壤工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及原位、高效、无二次污染修复重金属污染土壤技术。
背景技术：
随着全球工业的迅猛发展，有害重金属通过各种途径进入土壤，造成污染。土壤污染不仅影响农作物的产量和品质，还导致地下水污染，危害人类健康。据报道，全世界每年平均排放Hg为115万t，Mn为1500万t，Cu为340万t，Pb为500万t，Ni为100万t。在我国，每年产生含铬废渣75～90万吨，累计堆存铬渣不低于200万吨，约有3万多公顷土地受汞的污染，有1万多公顷土地受镉的污染，每年产生的镉米就达5万t以上，因污染而损失的粮食约1200万t，这对我国的粮食生产和食物安全带来了严重的问题。由于土壤重金属污染的特异性及地域的复杂性，土壤污染其治理不仅见效慢、费用高，而且还受到多种因素的制约。因此，土壤的重金属污染与治理一直是国际上研究的热点与难点问题，也是我国农业可持续发展和环境质量改善中许多学科共同感兴趣的问题。
电动修复法是国际上近二十年来新兴的土壤修复技术，该法由于耗费人工少，接触有害物质少，经济性较高，已引起科学家的高度重视，目前该技术正处于由实验室研究向现场实施转化阶段，国外已有中试工程实施。该法利用电场中金属离子的迁移力，将重金属迁移到阴极室(金属阳离子如Cd2+)或阳极室(金属阴离子如铬(VI))，从而达到去除重金属的目的。但该法只是将土壤中的重金属迁移到电极溶液中，并引起温度、pH等理化条件的变化。为了维持土壤的理化条件和修复效率，需定期更换阴极室和阳极室的电解液，并对更换下来的电解液中的重金属进行后处理，以免引起水体污染。
铁可渗透反应格栅(permeable reactive barrier，PRB)技术修复地下水重金属(如铬、铀等)、有机物(硝基苯、三氯乙烯等)污染是近二十年来国际上新兴的地下水原位修复技术。在国外，该技术发展很快，已经有很多应用实例。该技术具有原料便宜易得，修复过程为原位修复，无二次污染的特点，但将PRB技术应用于土壤修复有很多限制因素，原因是土壤颗粒结合态污染物流动性不如在水体中，不可能与PRB中的铁充分作用。
发明内容
为克服重金属在土壤流动性差和电动修复重金属污染土壤修复技术的不足，本发明提供了一种既能快速、高效的修复重金属污染土壤，又避免对水体产生二次污染的土壤修复技术。
解决上述问题的技术方案是将两种技术原位联用，在受处理的土壤两侧安装板状(或柱状)石墨电极，两电极和待处理土壤间安放上的铁墙(PRB)，接通直流电，在电场作用下金属阴离子如Cr(VI)迁移到阳极附近，金属阳离子如Cd2+，Hg2+等迁移到阴离子附近，当重金属通过铁PRB时与之发生反应，将重金属原位吸附、还原、沉淀下来。
本发明包含电动力和铁PRB原位联用为主要功能部件的电动力和铁PRB联合装置。所述的电动力装置由电极4和直流电源直流变压器13组成，重金属污染土壤1下方平铺的防渗层10、上方平铺的一覆盖层11、顺序相连的重金属污染土壤1、沙子2、电极4、铁墙(PRB)3、电极室5、废气处理池12、废水回收池14；运行修复土壤时，电极4通过接线柱9与直流变压器13接通；电极室5加水由进水口6流入，不需要时由出水口7排出，进入废水回收池14，处理后循环使用，进水排水均通过水阀控制；电极室5产生的废气由气阀控制，经排气口8输送到废气处理池12处理后排放。
重金属污染土壤1下方平铺的防渗层10为具有防渗漏的工程塑料材质或具有与重金属发生物理化学反应的材质，污染土壤1上方平铺的一覆盖层11亦为具有防渗漏的工程塑料材质。所述的防渗层还可以为沸石、废铁屑、活性炭或粉煤灰材质。
所述的电极为石墨材质，厚度1～3cm，高度与污染土壤1深度一致或略高出2～5cm，长度与重金属污染土壤1宽度一致的板状电极，或为直径1～10cm，长度与重金属污染土壤1深度一致或略高出2～5cm的柱状电极，直流变压器14的直流电输出范围为电压梯度≥10V/m。
铁墙(PRB)3装置由废铁屑组成，所用废铁屑在使用前应去除表面氧化层和油污，为增加铁墙(PRB)3的通透性，可搀加质量≤30％沙子，厚度10～30cm，高度与重金属污染土壤1深度一致，长度与重金属污染土壤1的宽度一致；为便于安装和后处理，沙子2和铁墙(PRB)3置于符合规格要求的模具中，沙子2可根据具体情况机动安装。
电极室5进水、排水由水阀控制，电极室5产生的废气由气阀控制，可以采用可编程逻辑控制器或计算机系统远程控制整套工艺系统，自动管理电磁阀进水、出水、排气以及故障监控报警。
废水回收池14内的废水经沉降、酸度调节后回收利用，可用稀盐酸或氢氧化钠调节pH值在6～8之间。
废气处理池12内放置具有吸水、中和能力的碱性物质，如氢氧化钠。
本发明的有益效果本发明是利用电动力将土壤中的重金属迁移富集到水体，用铁PRB再将其从水体去除，充分发挥了这两种技术的优点，既使土壤中的重金属流动起来彻底从土壤中去除，又避免了对水体的二次污染，同时还减小了土壤理化性质的改变。
图1是本发明的工艺的示意中1.污染土壤，2.沙子，3.铁墙(PRB)，4.电极(石墨)，5.电极室，6.进水口，7.出水口，8.排气口，9.接线柱，10.防渗层，11.覆盖层，12.废气处理池，13.直流变电器，14.废水回收池具体实施方式
下面结合图1对该发明进行进一步说明。
实施例1用重铬酸钾(K2Cr2O7)将未污染土壤(铬背景值92mg/kg)，制成含铬(VI)1000mg/kg的污染土壤，用电动力和铁PRB联合技术如图1装置进行修复，在污染土壤1下方平铺一层防渗层10，铬污染土壤两侧垂直安放沙子2，紧接着安放铁墙(PRB)3和电极4。电极室5填加水由进水口6流入，由出水口7排出，进水排水均通过水阀控制，电极室5产生的废气由气阀控制，经排气口8输送到废气处理池12处理后排放。电极4通过接线柱9与直流变压器13的阳极输出和阴极输出口连接。为保证土壤含水率，污染土壤上方平铺一覆盖层11。设计参数污染土壤放入长、宽、高分别为16cm，11cm，6cm的玻璃箱中，用0.3kg/cm2力压实。插入石墨电极(11×9×1.5cm)，施加直流电，电压梯度为1V/cm。铁屑取自工厂废弃物(1.5cm厚)，沙子层(1.5cm厚)。电极室填加0.01mol/L KCl做电解液。总处理时间130h。
表1 具体实施例处理前后污染土壤指标变化
权利要求
1.一种电动力学和铁PRB联合修复重金属污染土壤的工艺，其特征在于包含电动力学和铁PRB原位联用为主要功能部件的电动力学和铁PRB联合装置。
2.按照权利要求1所述的电动力学和铁PRB联合修复重金属污染土壤的工艺，其特征在于电动力学装置由电极(4)和直流电源直流变压器(13)组成，重金属污染土壤(1)下方平铺的防渗层(10)、上方平铺的一覆盖层(11)、顺序相连的重金属污染土壤(1)、沙子(2)、电极(4)、铁墙(PRB)(3)、电极室(5)、废气处理池(12)、废水回收池(14)；运行修复土壤时，电极(4)通过接线柱(9)与直流变压器(13)接通；电极室(5)加水由进水口(6)流入，不需要时由出水口(7)排出，进入废水回收池(14)，处理后循环使用，进水排水均通过水阀控制；电极室(5)产生的废气由气阀控制，经排气口(8)输送到废气处理池(12)处理后排放。
3.按照权利要求2所述的电动力学和铁PRB联合修复重金属污染土壤的工艺，其特征在于重金属污染土壤(1)下方平铺的防渗层(10)为具有防渗漏的工程塑料材质或具有与重金属发生物理化学反应的材质，污染土壤(1)上方平铺的一覆盖层(11)亦为具有防渗漏的工程塑料材质。
4.按照权利要求3所述的电动力学和铁PRB联合修复重金属污染土壤的工艺，其特征在于所述的防渗层为沸石、废铁屑、活性炭或粉煤灰材质。
5.按照权利要求2所述的电动力学和铁PRB联合修复重金属污染土壤的工艺，其特征在于所述的电极为石墨材质，厚度1～3cm，高度与污染土壤深度一致或略高出2～5cm，长度与铬污染土壤宽度一致的板状电极，或为直径1～10cm，长度与污染土壤深度一致或略高出2～5cm的柱状电极，直流变压器的直流电输出能保证施加在土壤上的电压梯度≥10V/m。
6.按照权利要求2所述的电动力学和铁PRB联合修复重金属污染土壤的工艺，其特征在于铁墙(PRB)装置由废铁屑组成，所用废铁屑在使用前应用稀盐酸处理去除掉表面氧化层和油污，为增加铁墙(PRB)的通透性，可搀加质量≤30％沙子，厚度10～30cm，高度与重金属污染土壤深度一致，长度与重金属污染土壤的宽度一致；为便于安装和后处理，沙子和铁墙(PRB)可置于符合规格要求的模具中，沙子亦可机动安装。
7.按照权利要求2所述的电动力学和铁PRB联合修复重金属污染土壤的工艺，其特征在于电极室进水、排水由水阀控制，电极室产生的废气由气阀控制，可以采用可编程逻辑控制器或计算机系统远程控制整套工艺系统，自动管理电磁阀进水、出水、排气以及故障监控报警。
8.按照权利要求2所述的电动力学和铁PRB联合修复重金属污染土壤的工艺，其特征在于废水回收池(14)内的废水经沉降、酸度调节后回收利用，可用稀盐酸或氢氧化钠调节pH值在6～8之间。
9.按照权利要求2所述的技术工艺，其特征在于废气处理池(12)内放置具有吸水、中和能力的碱性物质。
全文摘要
本发明涉及原位、高效、无二次污染修复重金属污染土壤技术。本发明将电动力和铁PRB原位联用两种技术原位联用，在受处理的土壤两侧安装石墨电极，两电极和待处理土壤间安放上铁墙(PRB)，接通直流电，在电场作用下金属阴离子如Cr(VI)迁移到阳极附近，金属阳离子如Cd
文档编号B09C1/08GK1899717SQ20061001473
公开日2007年1月24日 申请日期2006年7月7日 优先权日2006年7月7日
发明者孙红文, 张瑞华 申请人:南开大学