一种污染底泥的原位修复方法
【专利摘要】本发明公开了一种污染底泥的原位修复方法，属于底泥原位修复【技术领域】，该方法为在污染底泥上覆盖厚度为10~15cm的黄土层，黄土层与污染底泥交界面处设极性碳极I，在黄土层与水交界面处设极性碳极II，极性碳极I与电源负极相连作为阴极，极性碳极II与电源正极相连作为阳极，通电水解对污染底泥进行原位修复即可。本发明在覆盖材料中加入电极，通电水解时，可有效降解底泥中污染物，在底泥覆盖层中迅速创造一个氧化还原梯度，提供电子供体与受体，刺激微生物生长，增强污染物的生物降解。
【专利说明】一种污染底泥的原位修复方法
【技术领域】
[0001]本发明属于底泥原位修复【技术领域】，具体涉及一种污染底泥的原位修复方法。
【背景技术】
[0002]水体污染是全球普遍存在的一个重要环境问题，在河流污染治理过程中，污染底泥的治理一直是主要的难点。污染物通过大气沉降、雨水淋溶、废水排放、水土流失与冲刷等途径进入水体，并逐渐沉降富集到水体底泥中。通过与上覆水体间的物理、化学和生物交换作用，底泥中的污染物会重新释放，成为影响和制约上覆水质的重要内污染源。
[0003]美国环保局(EPA) 2004年提出“污染底泥修复导则”，提出了三种主要方法:疏浚，监测下的自然修复和覆盖。受污染的底泥经常包含有毒的人为有机与无机污染物的复杂混合物。如果直接降解这些混合物，不仅花费大而且效率极为有限，若使其自然恢复，速率又很缓慢。在这种情况下，使用原位覆盖来处理被污染的底泥。通过覆盖，使底泥与上覆水隔开，阻止底泥污染物向上覆水的释放。同时，覆盖材料可以稳固污染底泥，防止其再悬浮或者迁移，并且具有吸附作用，可以一定程度地减少污染物向上覆水扩散的通量。原位覆盖方法简单来说就是用一层材料覆盖在底泥表面来隔离水生生态系统的污染物。然而，当覆盖材料饱和时，污染底泥对人类和环境健康的风险又会出现。基于电化学技术的补救措施被开发出来，电极有可能安置在地下水或者底泥中处理氯化溶剂和活性化合物的污染物、混合有机无机废物和重金属。在这些情况下的电极可被直接用于降解污染物，在电极隔离污染物，或通过电动过程收集污染物用于进一步处理；而这些过程都要求高电压或者大量电极，增加了成本。显 然，这些方法目前还不能完全满足使用需求。
【发明内容】
[0004]发明目的:针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种污染底泥的原位修复方法，不仅可以刺激沉积物中的污染物降解，而且在底泥覆盖层创造一个氧化还原梯度并且为污染物降解提供电子供体与受体，加强底泥中污染物的降解效率。
[0005]技术方案:为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为:
一种污染底泥的原位修复方法:在污染底泥上覆盖厚度为l(Tl5cm的黄土层，黄土层与污染底泥交界面处设极性碳极I，在黄土层与水交界面处设极性碳极II，极性碳极I与电源负极相连作为阴极，极性碳极II与电源正极相连作为阳极，通电水解对污染底泥进行原位修复即可。
[0006]所述的黄土密度为2~3g.cm_3，平均粒径0.1~θ.2mmol/L。
[0007]所述的通电水解，电源的输出电压为3~4V。
[0008]工作原理:本发明提供的底泥原位覆盖技术是在泥水界面放置一定厚度的黄土作为屏障隔离污染物扩散到上覆水层，并且在其中安置电极，通电水解时，阴极产生H2，刺激生物降解的还原反应，阳极产生O2，刺激生物降解的氧化反应；克服了自然条件不能为污染物的完全矿化提供连续的氧化还原条件，也不能为污染物生物降解提供足够的电子供体与受体的限制条件，迅速创造一个氧化还原梯度的同时提供电子供体与受体刺激微生物生长，增强污染物的生物降解。
[0009]有益效果:与现有技术相比，本发明的污染底泥的原位修复方法，不仅简单合理，在覆盖材料中加入电极，通电水解时，可有效降解底泥中污染物，在底泥覆盖层中迅速创造一个氧化还原梯度，同时提供电子供体与受体，刺激微生物生长，增强污染物的生物降解。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1为污染底泥的电动力学修复原理图解；
图2为τ-cell反应器示意图；
图3为T-cell I氧化还原电位变化图；
图4为T-cell 2氧化还原电位变化图；
图5为T-cell 3氧化还原电位变化图；
图6为实验室测试反应器示意图；
图7为外施电压与硝基苯还原速率常数关系图；
图8为初始硝基苯浓度与硝基苯还原速率常数关系图；
图9为有机污染物存在与硝基苯还原速率常数关系图。
【具体实施方式】
[0011]下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明，本发明不仅限于以下实施例。
[0012]实施例1
如图1所示，污染底泥的原位修复方法，包括以下步骤:
1)在泥水交界面垂直于污染物传输路径放置极性碳极I，极性碳极I连接电源负极作为阴极；
2)在极性碳极I上覆盖l(Tl5cm厚度的覆盖材料(黄土层，黄土的密度为2~3g.cm_3，平均粒径 0.1^0.2mmol/L)；
3)在黄土层与水交界面处垂直于污染物传输路径安置另一个极性碳极II，极性碳极II连接电源正极作为阳极；
4)通电水解，电源的输出电压为3V。
[0013]污染底泥的原位修复方法是在泥水界面放置一定厚度的黄土作为屏障隔离污染物扩散到上覆水层，并且在其中安置电极，通电水解时，阴极产生H2，刺激生物降解的还原反应，阳极产生O2，刺激生物降解的氧化反应；克服了自然条件不能为污染物的完全矿化提供连续的氧化还原条件，也不能为污染物生物降解提供足够的电子供体与受体的限制条件，迅速创造一个氧化还原梯度的同时提供电子供体与受体刺激微生物生长，增强污染物的生物降解。
[0014]实施例2
如图2所示的T-cell反应器是作为实验室装置来评价碳极创造氧化还原梯度的能力，从而反映在此环境下污染物的生物降解能力。此反应器下层放置4cm厚度的沉积物(取自南京秦淮河夫子庙段)，一块14 X7 cm编织碳布放在沉积物上层作为极性碳极I。在阴极上放置IOcm厚度的黄土层(密度为2~3g.cm_3，平均粒径0.1~θ.2mmol/L)。在黄土层上放置一块14 X7 cm编织碳布作为极性碳极II。向反应器中加入与上述沉积物同地段的水。极性碳极I与电源负极相连作为阴极，极性碳极II与电源正极相连作为阳极。
[0015]实验中用三个上述反应器作对比实验，分别标记为T-cell I反应器，T-cell 2反应器，T-cell 3反应器。T-cell I与T-cell 2反应器中的电极分别用铜线与两台4 V华仪382202直流电源相连。电源I对T-cell I反应器输出电压4V并持续供电100天。电源2对T-cell 2反应器输出电压4V并持续30天，然后断开供电。T-cell 3反应器不连接电源。观察上述三个反应器，用Pt微电极测量三个反应器不同阶段不同深度(以黄土与水层交界面为0，向下深度依次增加)氧化还原电位，从而反映出碳极创造氧化还原梯度的能力。结果如图3飞所示，在图3~5中，d代表深度，单位为米。
[0016]如图3，T-cell I氧化还原电位变化图。对T_cell I反应器输出电压4V前，阳极与阴极氧化还原电位差为90mV，持续输出电压第98天时，阳极与阴极氧化还原电位差为700mV，远大于对反应器输出电压前阳极与阴极氧化还原电位差。 [0017]如图4，T-cell 2氧化还原电位变化图。对T_cell 2反应器输出电压4V前，阳极与阴极氧化还原电位差为80mV，持续输出电压第28天时，阳极与阴极氧化还原电位差为700mV，远大于对反应器输出电压前阳极与阴极氧化还原电位差。电源断开后氧化还原电位差逐渐减小。
[0018]如图5，T_cell 3氧化还原电位变化图。T_cell 3反应器中初始阳极与阴极氧化还原电位差为65mV，第98天时，阳极与阴极氧化还原电位差为5mV，基本保持变化不大的氧化还原电位差。
[0019]由此得出，反应器中由于加入电极输出电压能够在迅速创造一个氧化还原梯度，克服了自然条件不能为污染物的完全矿化提供连续的氧化还原条件的限制，从而增强微生物氧化有机污染物的能力。
[0020]实施例3
如图6所示，为实验室测试反应器，其含有两个玻璃腔室，以阳离子交换膜相连接，在玻璃腔室中分别安置12.6X6.25cm的碳布作为电极；两个电极通过直径0.64cm，长度15.2cm的石墨棒与一台E3620A直流电源供应器相连；每个腔室有60ml顶部空间和250ml缓冲溶液，缓冲溶液含有20mmol/L NaHCO3与20mmol/L NaCl，并用5%浓度的NaOH调节pH到6.5，与底泥孔隙水的强度相匹配。此装置模拟了常规水域环境，用来测试电压，初始污染物浓度和天然有机物浓度对降解污染物的影响，从而为含有电极的原位覆盖层的设计提供参考数据，做出最佳设计方案。
[0021]硝基苯是一般水域中比较常见的污染物。以硝基苯为污染物，分别研究外施电压，初始污染物浓度及天然有机物的存在对污染物降解的影响。在其中一个腔室中加入硝基苯，在还原反应中连接到电源负极作为阴极，然后在氧化反应中切换到正极作为阳极。在此反应器中，硝基苯按理论在阴极还原为苯胺，中间产物为亚硝基苯，苯胺随后在阳极被去除。
[0022]如图7，测试外施电压对硝基苯还原速率的影响。当电压在2V到3.5V时硝基苯的还原速率从0.3 h I增加到1.6 h 1，亚硝基苯的还原速率从0.04 h 1增加到0.64h 1 ;电压高于3.5V时，硝基苯和亚硝基苯的还原速率并没有随电压继续增大而增大；电压小于2V时，反应不会发生。[0023]如图8，测试初始硝基苯浓度对硝基苯还原速率影响。若将初始硝基苯浓度从ΙΟΟμΜ减小到5μΜ，硝基苯还原速率从0.88 h 1增加到7.9 h S亚硝基苯的还原速率0.36h 1增加到1.7 h 1O
[0024]如图9，测试天然有机物的存在对硝基苯还原速率的影响。用腐植酸溶液(含有14.4 mg/L DOC)试验。当没有天然有机物存在时，硝基苯还原速率常数为2.2 h、加入腐植酸溶液时，硝基苯还原速率常数为0.8 h 1O而亚硝基苯还原速率常数均在0.4 h 1左右。
[0025]本发明提供的底泥原位覆盖技术是在沉积物水界面放置l(Tl5cm厚度的黄土作为屏障隔离污染物扩散到上覆水层；由于自然条件不能为污染物的完全矿化提供连续的氧化还原条件，也不能为污染物生物降解提供足够的电子供体与受体。本发明在黄土覆盖层中安置电极，迅速创造一个氧化还原梯度的同时提供电子供体与受体刺激微生物生长，增强污染物的生物降解。从以上实验得出结论，当电压在2V到3.5V时硝基苯和亚硝基苯还原速率常数均随外施电压的增加而增加，当电压高于3.5V时停止增加，故优选电压为3~4V。当初始硝基苯浓度从ΙΟΟμΜ减小到5μΜ时，硝基苯还原速率常数变为原来的9倍，亚硝基苯还原速率常数变为原来的5倍。天然有机物的存在降低硝基苯还原速率，亚硝基苯还原速率基本不变。`
【权利要求】
1.一种污染底泥的原位修复方法，其特征在于:在污染底泥上覆盖厚度为l(Tl5cm的黄土层，黄土层与污染底泥交界面处设极性碳极I，在黄土层与水交界面处设极性碳极II，极性碳极I与电源负极相连作为阴极，极性碳极II与电源正极相连作为阳极，通电水解对污染底泥进行原位修复即可。
2.根据权利要求1所述的污染底泥的原位修复方法，其特征在于:所述的黄土密度为2~3g.cnT3,平均粒径 0.1~0.2mmol/L0
3.根据权利要求1所述的污染底泥的原位修复方法，其特征在于:所述的通电水解，电源的输出电压为3~4V。
【文档编号】C02F11/00GK103771674SQ201410052322
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2014年2月17日 优先权日:2014年2月17日
【发明者】李轶, 蔡玮, 吴悦, 王晴, 王大伟 申请人:河海大学