一种全方位联合技术修复铀污染土壤的装置和方法
【专利摘要】本发明公开了属于铀污染环境修复【技术领域】的一种全方位联合技术修复铀污染区域的装置和方法。该装置由抽吸系统、电动修复系统、淋洗系统、修复分离系统和回灌系统组成，利用化学、电动修复及光解修复技术联合修复铀污染区域，先对污染区域中污染物铀进行浸提，使铀离子态从土壤相中提取到溶液相中；然后利用电动修复技术驱动土壤污染物铀富集到阳极附近；同时，对潜水层污染地下水进行抽吸，将污染地下水和污染土壤进行光解修复、分离，将修复后的土壤填埋回阳极区附近，将修复后的地下水回灌到回灌井中。利用此全方位联合技术修复装置，不仅能够有效减少污染土壤和地下水中铀的含量，而且能够对铀物质进行回收利用，处理过程清洁，无二次污染。
【专利说明】一种全方位联合技术修复铀污染土壤的装置和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及铀污染环境修复【技术领域】，具体涉及一种全方位联合技术修复铀污染土壤的装置和方法。
【背景技术】
[0002]随着我国不断加速的铀资源勘探和开采过程，产生了数量庞大的铀尾矿和铀废矿石。目前，铀尾矿的专用贮存设施为铀尾矿库。据不完全统计，全世界的铀尾矿总量已达200亿t。我国从20世纪40年代开始，大量在役或退役铀尾矿库中铀等放射性核素摄入地下水中并随地下水流动而扩散，给地下水和生态环境造成严重危害。铀主要是一种α射线源(铀-235为4.679MeV，铀238为4.270MeV)，其半衰期长达上亿年(铀-235的半衰期为
7.04亿年，铀-238的半衰期为44.6亿年)，迁移速度极慢。土壤中的铀会因生物富集作用在人体中积累，其化学行为和生理毒性与铅类似，对人类和动物肾脏具有化学毒性，当人体肾中铀含量超3mg/kg，就会产生损害并且能够致癌。
[0003]铀污染土壤的途径主要包括三个方面。第一，贫铀弹试验和使用。如英国和美国进行贫铀弹的试验，导致45t和70t贫铀物质进入环境。第二，核武器生产与试验。美国能源部因生产核武器而污染的土地估计为3.0X 107-8.0X 107m3，被污染的水体
1.8X 109-4.7X 109m3。第三，核电站排入环境中的废水、废气、废渣等均具有较强的放射性。2011年3月11日福岛第一核电站核反应堆使用铀-235作为燃料，事故泄漏出的放射性物质-铀备受关注。第四，来自于铀尾矿废渣。全球累计因铀矿开采而产生的铀尾矿废渣的体积估计达到了 9.38X 108m3。我国的铀矿山分布在全国15个省市、30多个地县境内，2/3以上的铀矿山位于山区和潮湿多雨地区，近1/3位于丘陵和干旱区。多年来，我国铀矿采掘出来的废石总量约为2800万t，占地面积250hm3。铀废水治理厂排出的尾砂量约3000万t，若按平均堆放高度4m计算,约需占地375hm3。
[0004]铀在土壤中以吸附态(在土壤微粒和孔隙水中)、复合态、沉淀态、可交换态存在，而这些存在形态对于土壤中铀的迁移会产生很大的影响。由于核污染危害巨大，核污染的大面积清除是世界性难题，各界人士都在寻求清除核污染的方法，也取得了一定的成效。各国大多采用方法有:物理法、化学法、电化学法、物理-化学连用法、微生物清除法和土壤的核污染去除法，但这些方法的处理成本较高，且容易对环境造成二次交叉污染，不能从根本上解决核素清除问题。虽然森林修复法能大面积修复污染土壤，并且可发展工业原料林、薪炭林，但其要求的核素浓度不能太高，使其应用受到了很大的限制。国外学者主要采用化学方法处理铀污染土壤,如Caroline et.al (1998)采用碳酸氢钠提取土壤溶液中的铀，随后采用离子交换技术去除溶液中的铀。Kantar et.al (2006)提出在弱酸条件下，采用柠檬酸淋洗技术可以促进土壤中铀的去除效率。Crean et.al(2013)采用多级化学提取技术修复污染土壤中的贫铀微粒。目前我国对铯污染土壤的研究主要集中在生物修复方面，如专利200810030860.4公开了一种采用美洲伤陆幼苗处理铀尾矿渣污染的土壤，专利201210056468.3公开了一种利用蕹菜修复高浓度铀污染土壤的方法，专利201210155561.X公开了一种利用肥料促进蚕豆修复铀或/和镉污染土壤的方法。
【发明内容】
[0005]针对现有技术不足，本发明的目的是提供一种全方位联合技术修复铀污染土壤的装置和方法。
[0006]为了实现上述目的，本发明采用以下的技术方案:
[0007]一种全方位联合技术修复铀污染土壤的装置，该装置的结构如下:在铀污染土壤区域两端设置阴极区5和阳极区6，阴极区5和阳极区6内分别设置阴极与阳极，阴极与阳极通过导线分别与电源变压器9相连；多个喷淋装置10以阵列形式设于阴极区5和阳极区6之间；在阴极区5附近设置抽吸井1，其内部设有抽吸管道3，抽吸管道3、抽吸泵11、抽吸控制器12与集水槽13依次相连；集水槽13的附近设有土壤储存槽14，修复分离系统15的一侧与集水槽13和土壤储存槽14相连，另一侧分别与土壤回收槽16、地下水回收槽17和铀回收槽18相连；在阳极区6附近设置回灌井2，其内部设有回灌管道4，回灌管道4、回灌泵19与地下水回收槽17依次相连。
[0008]上述全方位联合技术修复铀污染土壤的装置还包括阴极液处理系统7和阳极液处理系统8 ；阴极液处理系统7包括阴极液储存室、阴极液pH控制装置和蠕动泵，阴极液pH控制装置与阴极液储存室相连，阴极液储存室通过相应管路及蠕动泵与阴极区5相连；阳极液处理系统8包括阳极液储存室、阳极液pH控制装置和蠕动泵，阳极液pH控制装置与阳极液储存室相连，阳极液储存室通过相应管路及蠕动泵与阳极区6相连。
[0009]上述修复分离系统15由光电修复装置22、筛网23、固相萃取装置24、水相处理装置25和固相处理装置26组成，光电修复装置22的一侧与集水槽13和土壤储存槽14相连，另一侧与筛网23相连，筛网23分别与水相处理装置25和固相萃取装置24相连，水相处理装置25与地下水回收槽17相连，固相萃取装置24与固相处理装置26和铀回收槽18相连，固相处理装置26与土壤回收槽16相连。
[0010]上述抽吸管道3和回灌管道4的管道均为无砂混凝土井管，内径为250-500mm，深度为35-50m，管道的周围采用回填土和砾石填料填充，填充层的厚度为60-100_。
[0011]上述阴极与阳极均为板状电极。
[0012]一种利用上述全方位联合技术修复铀污染土壤的装置修复铀污染土壤的方法，包括如下步骤:
[0013]步骤1:在铀污染土壤处安装全方位联合技术修复铀污染土壤的装置，使阴极、阳极、抽吸管道3和回灌管道4插入土壤中，而喷淋装置10位于铀污染土壤上方；
[0014]步骤2:通过多个喷淋装置10向污染土壤中喷洒淋洗液，使土壤中淋洗液的含量为 10-30ml/g ；
[0015]步骤3:分别向阴极区5和阳极区6中加入阴极液和阳极液，通过调节电源变压器9，控制阴阳两极之间的电压为150-600V;电动修复持续进行2-8天，铀物质会迁移到阳极附近区域，达到富集铀污染物的作用；
[0016]步骤4:在进行电动修复的同时，开启抽吸泵11，将潜水层中的污染地下水通过抽吸管道3输送到集水槽13中，抽吸量为5-10m3/h，抽吸时间为1.5-6天；
[0017]步骤5:待电动修复结束后，挖取以阳极区6为中心方圆1-2.5m且深度为10_20m区域内的土壤，输送到土壤储存槽14中；
[0018]步骤6:将土壤储存槽14中的污染土壤与集水槽13中的污染地下水输送到修复分离系统15，将土壤和地下水混合均匀，形成混悬液；然后将混悬液的pH调节为2.8-3.5，荧光照射24-36h进行光解修复，使混悬液中铀化合物形成铀酰氢氧化物沉淀；修复结束后，将土壤、水、铀酰氢氧化物沉淀与分离，分别输送到土壤回收槽16、地下水回收槽17和铀回收槽18中；
[0019]步骤7:将土壤回收槽16中经光解修复后的土壤输送回阳极区6附近，开启回灌泵19，将地下水回收槽17中修复后的地下水通过回灌管道4输送到回灌井2中；
[0020]步骤8:检测土壤修复结果，根据需要重复步骤I至步骤7，直至土壤中的铀含量达到安全标准或完全清除。
[0021]其中:
[0022]在进行步骤I前，对待处理的被放射性铀污染土壤进行场地调查，获取污染土壤的面积、水文地质条件，污染物种类、物理化学性质数据，从而确定污染情况。
[0023]经过步骤I后，抽吸管道3和回灌管道4穿过土壤的潜水层0.5_2m。
[0024]经过步骤I后，阴极与阳极深入污染土壤表面10-20m，与土壤的潜水层面相切。
[0025]步骤2中的淋洗液为0.2-0.6M的柠檬酸或碳酸氢钠溶液。
[0026]步骤2中喷淋的时间为2_4h。
[0027]步骤6中的混悬液中土壤与地下水的重量体积比为lg: (10-20)ml。
[0028]步骤6中的土壤、水与铀酰氢氧化物沉淀的分离按以下方式实现:光解修复结束后，混悬液经筛网23进行固液分离，优选使用孔径为0.22微米的筛网；然后将分离得到的地下水输送到水相处理装置25，将其pH调节为中性，再输送到地下水回收槽17中；将土壤输送到固相萃取装置24，采用TBP-磺化煤油萃取技术回收土壤中的铀酰氢氧化物沉淀，将回收得到的铀物质输送到铀回收槽18中；将剩余土壤输送到固相处理装置26，将其pH调节为中性，再输送到土壤回收槽16中。
[0029]步骤8中，采用电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)测定土壤中铀的残余含量或铀回收溶液中的铀含量，得到土壤修复的效果。
[0030]本发明的有益效果为:
[0031](I)此全方位联合技术不仅能够有效减少污染土壤和地下水中铀的含量，而且能够对铀物质进行回收利用；(2)电动技术能够将铀物质集中富集在电极阳极附近，便于有效集中处理；(3)向土壤中添加浸提剂柠檬酸或碳酸氢钠溶液，能够有效将铀从土壤相中提取到水溶液相中；(4)光解技术能够将铀物质生成沉淀，便于进一步回收处理；(5)该处理过程清洁，不会造成二次污染，处理周期较短，安全性好。
【专利附图】
【附图说明】
[0032]图1为全方位联合技术修复铀污染土壤的装置的示意图；
[0033]图2为修复分离系统的示意图；
[0034]图中:1-抽吸井；2_回灌井；3_抽吸管道；4_回灌管道；5_阴极区；6_阳极区；
7-阴极液处理系统；8_阳极液处理系统；9_电源变压器；10_喷淋装置；11_抽吸泵；12_抽吸控制器；13-集水槽；14-土壤储存槽；15-修复分离系统；16-土壤回收槽；17-地下水回收槽；18-铀回收槽；19-回灌泵；20-挖掘土壤区域；21_ 土层表层；22_光电修复装置；23-筛网；24_固相萃取装置；25_水相处理装置；26_固相处理装置。
[0035]图3为采用不同电压和电动修复时间处理铀污染土壤的效果。
【具体实施方式】
[0036]下面结合附图和具体实例对本发明做进一步说明:
[0037]图1为本发明的全方位联合技术修复铀污染土壤的装置的示意图，该装置由抽吸系统、电动修复系统、淋洗系统、修复分离系统和回灌系统组成，具体结构如下:在铀污染土壤区域两端设置阴极区5和阳极区6，阴极区5和阳极区6内分别设置阴极与阳极，阴极与阳极通过导线分别与电源变压器9相连。通过阴极液处理系统7和阳极液处理系统8控制阴极区5和阳极区6中的阴极液与阳极液含量、pH等参数，其中，阴极液处理系统7包括阴极液储存室、阴极液PH控制装置和蠕动泵，阴极液pH控制装置与阴极液储存室相连，阴极液储存室通过蠕动泵与阴极区5相连；阳极液处理系统8包括阳极液储存室、阳极液pH控制装置和蠕动泵，阳极液PH控制装置与阳极液储存室相连，阳极液储存室通过蠕动泵与阳极区6相连。多个喷淋装置10以阵列形式设于阴极区5和阳极区6之间，在污染土壤处安装装置后，喷淋装置恰好可以喷淋到阴极区5和阳极区6之间的污染土壤。在阴极区5附近设置抽吸井1，其内部设有抽吸管道3，抽吸管道3与抽吸泵11相连，抽吸泵11、抽吸控制器12与集水槽13依次相连，可以将土壤浅水层中的污染地下水输送到集水槽13中；集水槽13的附近设有土壤储存槽14，用于储存电动修复后的土壤。修复分离系统15的一侧与集水槽13和土壤储存槽14相连，另一侧分别与土壤回收槽16、地下水回收槽17和铀回收槽18相连。如图2所示，通过修复分离系统15光解修复污染地下水及电动修复后的土壤，修复分离系统15具体由光电修复装置22、筛网23、固相萃取装置24、水相处理装置25和固相处理装置26组成，光电修复装置22的一侧与集水槽13和土壤储存槽14相连，另一侧与筛网23相连，筛网23分别与水相处理装置25和固相萃取装置24相连，水相处理装置25与地下水回收槽17相连，固相萃取装置24与固相处理装置26和铀回收槽18相连，固相处理装置26与土壤回收槽16相连。在阳极区6附近设置回灌井2，其内部设有回灌管道4，回灌管道4与回灌泵19相连，回灌泵19与地下水回收槽17相连。
[0038]本发明所选用的抽吸管道3和回灌管道4的管道均为无砂混凝土井管，内径为250-500mm，深度为35_50m，管道的周围采用回填土和砾石填料填充，填充层的厚度为60-100_。阴极与阳极均为常规的板状电极。
[0039]实施例1
[0040]利用上述装置修复铀污染的土壤，具体步骤如下:
[0041]步骤1:对待处理的被放射性铀污染土壤进行场地调查，获取污染土壤的面积、水文地质条件，污染物种类、物理化学性质数据，从而确定污染情况。
[0042]步骤2:在铀污染土壤处安装全方位联合技术修复铀污染土壤的装置，使阴极、阳极、抽吸管道3和回灌管道4插入土层表层21之下，而喷淋装置10位于铀污染土壤上方；此时，确保抽吸管道3和回灌管道4穿过土壤的潜水层0.95m,阴极与阳极深入污染土壤表面12m，与土壤的潜水层面相切。
[0043]步骤3:通过多个喷淋装置10向污染土壤中喷洒0.4M的柠檬酸溶液，检测在不同的土壤中淋洗液含量(10、20、30ml/g)及不同喷淋时间(2、3、4h)条件下土壤的铀去除效率。
[0044]步骤4:利用阴极液pH控制装置和阳极液pH控制装置调节阴极液与阳极液的pH，通过相应的抽吸机泵将阴极液和阳极液分别输送到阴极区5和阳极区6，其中，阴极液与阳极液优选为石墨电极液，通过商业途径购得。通过调节电源变压器，使阴阳两极之间的电压控制为150V，电动修复持续进行2天，以将铀物质迁移到阳极附近区域，达到富集铀污染物的作用。
[0045]步骤5:在进行电动修复的同时，开启抽吸泵11，通过抽吸管道3将潜水层中的污染地下水抽吸到集水槽13中，抽吸量为5m3/h，抽吸时间为1.5天；
[0046]步骤6:待电动修复结束后，挖取以阳极区6为中心方圆1-2.5m且深度为IOm区域内的土壤，即图1中所示的挖掘土壤区域20，将其输送到土壤储存槽14中；
[0047]步骤7:将土壤储存槽14中的污染土壤与集水槽13中的污染地下水输送到光解修复分离系统15，将土壤和地下水混合均匀，形成混悬液，其中，土壤与地下水的重量体积比为10g: 120ml。然后，将混悬液的pH调节为3.5，荧光照射24h进行光解修复，使混悬液中的铀化合物形成铀酰氢氧化物沉淀。光解修复结束后，混悬液用0.22微米的筛网23进行固液分离，将分离得到的地下水输送到水相处理装置25，将其pH调节为中性，再输送到地下水回收槽17中；将土壤输送到固相萃取装置24，采用TBP-磺化煤油萃取技术回收土壤中的铀酰氢氧化物沉淀，将回收得到的铀物质输送到铀回收槽18中；将剩余土壤输送到固相处理装置26，将 其pH调节为中性，再输送到土壤回收槽16中。
[0048]步骤8:将土壤回收槽16中经光解修复后的土壤输送回阳极区6附近，开启回灌泵19，将地下水回收槽17中修复后的地下水通过回灌管道4输送到回灌井2中。
[0049]步骤9:采用电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)测定土壤中铀的残余含量或铀回收溶液中的铀含量，得到土壤修复的效果，根据需要重复步骤2至步骤8，直至土壤中的铀含量达到安全标准或完全清除。
[0050]检测结果如下表所示:
[0051]表1不同喷淋时间与喷淋量下土壤中铀的去除效率
[0052]
【权利要求】
1.一种全方位联合技术修复铀污染土壤的装置，其特征在于，该装置的结构如下:在铀污染土壤区域两端设置阴极区(5)和阳极区(6)，阴极区(5)和阳极区(6)内分别设置阴极与阳极，阴极与阳极通过导线分别与电源变压器(9)相连；多个喷淋装置(10)以阵列形式设于阴极区(5)和阳极区(6)之间；在阴极区(5)附近设置抽吸井(I)，其内部设有抽吸管道(3)，抽吸管道(3)、抽吸泵(11)、抽吸控制器(12)与集水槽(13)依次相连；修复分离系统(15)的一侧与集水槽(13)和土壤储存槽(14)相连，另一侧分别与土壤回收槽(16)、地下水回收槽(17)和铀回收槽(18)相连；在阳极区(6)附近设置回灌井(2)，其内部设有回灌管道(4)，回灌管道(4)、回灌泵(19)与地下水回收槽(17)依次相连。
2.根据权利要求1所述的全方位联合技术修复铀污染土壤的装置，其特征在于，所述全方位联合技术修复铀污染土壤的装置还包括阴极液处理系统(7)和阳极液处理系统(8);所述阴极液处理系统(7)包括阴极液储存室、阴极液pH控制装置和蠕动泵，阴极液pH控制装置与阴极液储存室相连，阴极液储存室通过相应管路及蠕动泵与阴极区(5)相连；所述阳极液处理系统(8)包括阳极液储存室、阳极液pH控制装置和蠕动泵，阳极液pH控制装置与阳极液储存室相连，阳极液储存室通过相应管路及蠕动泵与阳极区(6)相连。
3.根据权利要求1所述的全方位联合技术修复铀污染土壤的装置，其特征在于，所述修复分离系统(15)由光电修复装置(22)、筛网(23)、固相萃取装置(24)、水相处理装置(25)和固相处理装置(26)组成，光电修复装置(22)的一侧与集水槽(13)和土壤储存槽(14)相连，另一侧与筛网(23)相连，筛网(23)分别与水相处理装置(25)和固相萃取装置(24)相连，水相处理装置(25)与地下水回收槽(17)相连，固相萃取装置(24)分别与固相处理装置(26)和铀回收槽(18)相连，固相处理装置(26)与土壤回收槽(16)相连。
4.根据权利要求1所述的全方位联合技术修复铀污染土壤的装置，其特征在于，所述抽吸管道(3)和回灌管道(4)的管道均为无砂混凝土井管，内径为250-500mm，深度为.35-50m，管道的周围采用回填土和砾石填料填充，填充层的厚度为60-100_。
5.一种利用权利要求1所述的全方位联合技术修复铀污染土壤的装置修复铀污染土壤的方法，其特征在于，具体方法包括如下步骤: 步骤1:在铀污染土壤处安装全方位联合技术修复铀污染土壤的装置； 步骤2:通过多个喷淋装置(10)向污染土壤中喷洒淋洗液，使土壤中淋洗液的含量为.10_30ml/g ； 步骤3:分别向阴极区(5)和阳极区(6)中加入阴极液和阳极液，通过调节电源变压器(9)，控制阴阳两极之间的电压为150-600V，电动修复持续进行2-8天，土壤中的铀物质迁移到阳极附近区域； 步骤4:在进行电动修复的同时，开启抽吸泵(11)，将潜水层中的污染地下水通过抽吸管道⑶输送到集水槽(13)中，抽吸量为5-10m3/h，抽吸时间为1.5_6天； 步骤5:待电动修复结束后，挖取以阳极区(6)为中心方圆1-2.5m且深度为10_20m区域内的土壤，输送到土壤储存槽(14)中； 步骤6:将土壤储存槽(14)中的污染土壤与集水槽(13)中的污染地下水输送到修复分离系统(15)，将土壤和地下水混合均匀，形成混悬液；然后将混悬液的pH调节为.2.8-3.5，荧光照射24-36h进行光解修复，使混悬液中铀化合物形成铀酰氢氧化物沉淀；修复结束后，将土壤、水与 铀酰氢氧化物沉淀分离，分别输送到土壤回收槽(16)、地下水回收槽(17)和铀回收槽(18)中； 步骤7:将土壤回收槽(16)中经光解修复后的土壤输送回阳极区(6)附近，开启回灌泵(19);将地下水回收槽(17)中修复后的地下水通过回灌管道(4)输送到回灌井(2)中； 步骤8:检测土壤修复结果，根据需要重复步骤I至步骤7，直至土壤中的铀含量达到安全标准或完全清除。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，经过所述步骤I后，抽吸管道(3)和回灌管道(4)穿过土壤的潜水层0.5-2m。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，经过所述步骤I后，阴极与阳极深入污染土壤表面10-20m，与土壤的潜水层面相切。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤2中所述淋洗液为0.2-0.6M的柠檬酸或碳酸氢钠溶液。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤6中所述混悬液中土壤与地下水的重量体积比为Ig: (10-20)ml。
10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤6中所述土壤、水与铀酰氢氧化物沉淀的分离按 以下方式实现:光解修复结束后，混悬液经筛网(23)进行固液分离，将分离得到的地下水输送到水相处理装置(25)，将其pH调节为中性，再输送到地下水回收槽(17)中；将土壤输送到固相萃取装置(24)，采用TBP-磺化煤油萃取技术回收土壤中的铀酰氢氧化物沉淀，将回收得到的铀物质输送到铀回收槽(18)中；将剩余土壤输送到固相处理装置(26)，将其pH调节为中性，再输送到土壤回收槽(16)中。
【文档编号】B09C1/08GK103920705SQ201410168041
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年4月24日 优先权日:2014年4月24日
【发明者】卢宏玮, 任丽霞, 何理 申请人:华北电力大学