表面涌进电动法联合降解菌修复污染土壤的装置和方法
【专利摘要】本发明公开了石油污染环境修复【技术领域】的一种表面涌进电动法联合降解菌修复污染土壤的装置和方法。该装置主要包括：电源、电极、降解菌注液管道、PRB反应墙、智能多通道计数器以及控制系统等，其中在污染区域平行于水平面的方向上由下到上依次均匀安置五个电极，每两个电极之间安置一个降解菌注液管道，在修复过程中通过智能多通道计数器以及各个控制系统进行控制。本发明采用涌进式电动法修复污染物，通过变换电极的使用，将石油污染物不断向土壤表层涌出，由下往上迁移的部分石油污染物会被降解菌降解，而迁移到土壤表层的污染物则吸附在PRB反应墙中。本发明可将土壤中石油污染物高效降解，且无二次污染。
【专利说明】表面涌进电动法联合降解菌修复污染土壤的装置和方法
【技术领域】
[0001]本发明属于土壤污染环境修复【技术领域】，具体涉及一种表面涌进电动法联合降解菌修复污染土壤的装置和方法。
【背景技术】
[0002]石油是由上千种化合物组成的混合体，主要包括饱和烃、芳香烃类化合物、浙青质、树脂类等。这些化合物有致癌、致变、致畸等作用，并能通过食物链在动植物体内富集，对环境、植物、人类均会造成很大的负面影响。就土壤污染而言，石油在土壤中的横向迁移呈辐射状分布，污染强度随污染源的距离增加而迅速降低，污染源周围污染最重的区域在
0-40m范围内，占总量90 %以上，横向迁移范围确定在150m以内；落地原油纵向迁移绝大部分集中在距土壤表面O-lOcm范围内，竖向迁移一般不超过70cm。
[0003]目前国内外关于土壤中石油污染的处理方法分为物理法、化学法和生物法。其中，物理法主要是根据石油烃类的物理特性，利用吸附、气提、萃取等方法将其从污染的土壤相中分离出来。物理法主要的处理技术为吸附法、自然浮上法、气提法、萃取法、膜技术和热处理法。化学法主要是根据化学反应原理和方法来分离回收污染物或者改变它们的性质使其无害化，主要技术包括湿式氧化法、化学浸出法、电絮凝及电解氧化法等。污染土壤的生物法修复是指利用特定的植物、动物和微生物吸收、转化、清除或降解环境污染物，使环境中污染物浓度降低到可接受范围。主要技术包括投菌法、生物培养法、生物通气法、土地耕作法、堆肥法、生物反应器法和厌氧处理法。物理法只是修复土壤中石油的暂缓措施，并不能从根本上解决石油污染问题，化学法修复时间短，但易产生二次污染，生物法修复相对于物理法和化学法处理经济花费少，对环境影响小，不产生二次污染，但修复石油污染土壤周期较长。
[0004]污染土壤的电动修复是一门综合土壤化学、环境化学、电化学和分析化学等交叉的研究领域。电动修复是指在受污染的土壤和地下水区域插入电极，形成低压直流电场，利用电动力学效应使污染物发生迁移，从而达到去除土壤中污染物的目的。电动修复主要运动机制有电渗析、电迁移以及电泳等。电渗析是指土壤中的孔隙水在外加电场力的作用下引起的运动，移动速度较慢，且与土壤性质密切相关。电迁移是指污染土壤中的带电离子以及离子型化合物在电场力的作用下阳离子向阴极迁移，阴离子向阳极迁移的过程。电泳是指在外加电场力作用下，土壤中的带电胶体颗粒(细小的土壤颗粒、腐植粒、微生物细胞等)带动吸附在这些颗粒表面上的污染物做定向移动。
[0005]石油的成分比较复杂，主要由链烷烃、环烷烃、芳香烃和少量的非烃类化合物组成，它是一种混合物。微生物对石油烃类降解通常认为有两种机制，一种是直接分解，微生物在其生长繁殖等生命活动中，以石油烃类物质为碳源，在利用过程中使此类物质断链，将复杂的高分子量有毒物质分解为简单的低分子量无害物质；另外一种是通过共代谢降解，共代谢是指化合物不能被完全矿化利用，微生物必须从其它底物获得大部分碳源和能源，即，在有初级能源物质存在的情况下才能进行的有机化合物的生物降解过程。
[0006]可渗透反应墙(Permeable Reactive Barrier, PRB)技术是近年来迅速发展起来的地下水污染原位修复技术，因其具备可持续原位处理多种污染物、处理效果好、对环境扰动小、安装施工方便、成本低等优点，已成为土壤污染修复主要的发展方向。当土壤中的污染物通过PRB时，污染物与墙体材料发生化学反应而被去除，从而达到环境修复的目的。PRB —旦安装完毕，除某些情况下需要更换墙体反应材料外，几乎不需要其他运行和维护费用。
[0007]传统的电动修复方法是在污染区域垂直于水平方向插入两根电极，从目前的研究情况来看，诸多适用于实验修复，处理区域面积较小，且在污染区域中间地带呈现污染物滞留情况，污染物移动速率较小，本发明的核心在于，提出表面涌进式电动联合降解菌和PRB技术，从污染区域底层将污染物渐渐逼近污染区域表层，融合降解菌和PRB技术，促进土壤中石油污染物的解吸与降解。
【发明内容】
[0008]针对现有技术不足，本发明的目的是提供一种表面涌进电动法联合降解菌修复污染土壤的装置和方法。
[0009]为了实现上述目的，本发明采用以下的技术方案:
[0010]一种表面涌进电动法联合降解菌修复污染土壤的装置，所述装置包括:一级阳极
1、二级阳极2、一级电极3、二级电极4、三级阴极5、一级阳极室6、二级阳极室7、一级电极室8、二级电极室9、三级阴极室10、一级控制系统11、智能多通道计数器12、稳压电源13、一级多通道蠕动泵14、二级控制系统15、电解液处理槽16、阴极液槽17、阳极液槽18、三级控制系统19、三级多通道蠕动泵20、降解菌液槽21、四级控制系统22、单通道蠕动泵23、PRB反应墙24和降解菌注液管道:一级注液管道1-1、二级注液管道1-2、三级注液管道1-3和四级注液管道1-4，整体装置处于密封状态；所述稳压电源13依次连接智能多通道计数器12和一级控制系统11，然后分别与一级阳极1、二级阳极2、一级电极3、二级电极4和三级阴极5相连；所述一级阳极1、二级阳极2、一级电极3、二级电极4和三级阴极5分别安置在一级阳极室6、二级阳极室7、一级电极室8、二级电极室9和三级阴极室10中；所述电解液处理槽16依次连接二级控制系统15和二级多通道蠕动泵14，然后分别与各个电极室相连，所述阴极液槽17和阳极液槽18以并联方式依次连接三级控制系统19和三级多通道蠕动泵20，然后分别与各个电极室相连；在污染区域平行于水平面的方向上由下到上依次均匀安置上述五个电极，在相邻电极室之间依次安装降解菌注液管道，所述降解菌液槽21通过四级控制系统22以及单通道蠕动泵23与上述各个降解菌注液管道相连；所示PRB反应墙24安装在三级阴极室10附近。
[0011]一种利用上述装置修复污染土壤的方法，所述方法包括以下步骤:
[0012](1)调查石油污染土壤的深度，在确保覆盖所有污染范围的情况下，安装所述装置的各个部件，在平行于水平面的方向上由下而上均匀布置五个相同的板状电极，在相邻两个电极中间位置铺设降解菌注液管道，在三级阴极室10附近安装PRB反应墙24。
[0013](2)通过一级控制系统11将一级阳极1连接至稳压电源13的正极，一级电极3连接至稳压电源13的负极，运行智能多通道计数器12，并由其控制一级阳极1和一级电极3的运作时间，同时通过四级控制系统22运行，将降解菌液槽21中的液体注入一级阳极1和二级阳极2之间的降解菌一级注液管道1-1以及二级阳极2和一级电极3之间的降解菌二级注液管道1-2，其中所施电压梯度为l-3v/cm，注液管道注射速度均为5-10mL/min，注射时间均为5-8h，多通道智能计数器12计数时间为12-24h ；
[0014](3)通过一级控制系统11将二级阳极2连接至稳压电源13的正极，二级电极4连接至稳压电源13的负极，运行智能多通道计数器12，并由其控制二级阳极2和二级电极4的运作时间，同时通过四级控制系统22运行，将降解菌液槽21中的液体注入二级阳极2和一级电极3之间的降解菌二级注液管道1-2以及一级电极3和二级电极4之间的降解菌三级注液管道1-3，其中所施加电压梯度、注液管道注射速度、注射时间、多通道智能计数器计数时间均与步骤⑵相同；
[0015](4)通过一级控制系统11将一级电极3连接至稳压电源13的正极，三级阴极5连接至稳压电源13的负极，运行智能多通道计数器12，并由其控制一级电极3和三级阴极5的运作时间，同时通过运行四级控制系统22，将降解菌液槽21中的液体注入一级电极3和二级电极4之间的降解菌三级注液管道1-3以及二级电极4和三级阴极5之间的降解菌四级注液管道1-4，其中所施加电压梯度、注液管道注射速度、注射时间、多通道智能计数器计数时间均与步骤⑵相同；
[0016](5)通过一级控制系统11将二级电极4连接稳压电源13的正极，三级阴极5连接稳压电源13的负极，运行智能多通道计数器12，并由其控制二级电极4和三级阴极5的运作时间，同时通过运行四级控制系统22，将降解菌液槽21中的液体注入二级电极4和三级阴极5之间的降解菌四级注液管道1-4，其中所施电压梯度为l-2v/cm，注液管道注射速度为l_2mL/min，注射时间为1.5_3h，多通道智能计数器12计数时间为6_12h，在上述操作中，PRB反应墙24将富集在三级阴极5附近的石油污染物吸附，从而修复被石油污染的土壤；
[0017](6)在上述操作中，当电极接通稳压电源13的正极时，由三级控制系统19通过三级多通道蠕动泵20向对应电极的电极室中添加阳极液，当电极接通稳压电源13的负极时，由三级控制系统19通过三级多通道蠕动泵20向对应电极的电极室中添加阴极液；每当电极运作时，调节阳极室中的pH保持在9-11之间，阴极室中的pH保持在3-5之间，同时不断监测各个电极室中电解液的饱和度，通过二级控制系统15将饱和电解液通过溢流管道由二级多通道蠕动泵14抽取到电解液处理槽16中。
[0018]上述的一种表面涌进电动法联合降解菌修复污染土壤的方法，视土壤污染的深度，调整电极的数量，但需确保最上层电极为阴极，最下层电极为阳极。
[0019]本发明申请的有益效果是:(1)所述装置采用多个控制系统，可自动实现电极室中电极液的更新和处理，以及降解菌的自动注射，极大地减少了人力成本；(2)智能计数器与控制系统联合使用，大大加强了电极的自动化使用，减少了人员需求量，使操作变简单；
(3)修复过程中，采用涌进式电动法修复污染物，通过变换电极的使用，将石油污染物不断向土壤表层涌出，更加方便对污染物的处理；(4)在相邻电极之间布置降解菌注液管道，有效促进土壤中石油的降解，而且降解菌高效、经济、安全、无二次污染；(5)在土壤表层电极附近安装PRB可渗透反应墙，可将迁移到表层的污染物高效地吸附，加快土壤修复的速度。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1为一种表面涌进电动法联合降解菌修复污染土壤装置的示意图。
[0021]其中各标号为:1-一级阳极，2-二级阳极，3-—级电极，4-二级电极，5-三级阴极，6- —级阳极室，7- 二级阳极室，8- —级电极室，9- 二级电极室，10-三级阴极室，11- 一级控制系统，12-智能多通道计数器，13-稳压电源，14-一级多通道蠕动泵，15-二级控制系统，16-电解液处理槽，17-阴极液槽，18-阳极液槽，19-二级控制系统，20-三级多通道蠕动泵，21-降解菌液槽，22-四级控制系统，23-单通道蠕动泵，24-PRB反应墙，1_1_一级注液管道、1-2- 二级注液管道、1-3-三级注液管道、1-4-四级注液管道。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图和具体实例对本发明做进一步说明:
[0023]一种表面涌进电动法联合降解菌修复污染土壤的装置，如图1所示。该装置包括:一级阳极1、二级阳极2、一级电极3、二级电极4、三级阴极5、一级阳极室6、二级阳极室7、一级电极室8、二级电极室9、三级阴极室10、一级控制系统11、智能多通道计数器12、稳压电源13、一级多通道蠕动泵14、二级控制系统15、电解液处理槽16、阴极液槽17、阳极液槽18、三级控制系统19、三级多通道蠕动泵20、降解菌液槽21、四级控制系统22、单通道蠕动泵23、PRB反应墙24和降解菌注液管道:一级注液管道1-1、二级注液管道1-2、三级注液管道1-3和四级注液管道1-4 ;所述稳压电源13依次连接智能多通道计数器12和一级控制系统11，然后分别与一级阳极1、二级阳极2、一级电极3、二级电极4和三级阴极5相连；所述一级阳极1、二级阳极2、一级电极3、二级电极4和三级阴极5分别安置在一级阳极室6、二级阳极室7、一级电极室8、二级电极室9和三级阴极室10中；所述电解液处理槽16依次连接二级控制系统15和二级多通道蠕动泵14，然后分别与各个电极室相连，所述阴极液槽17和阳极液槽18以并联方式依次连接三级控制系统19和三级多通道蠕动泵20，然后分别与各个电极室相连；在相邻电极室之间依次安装降解菌注液管道，所述降解菌液槽21通过四级控制系统22以及单通道蠕动泵23与上述各个降解菌注液管道相连；所示PRB反应墙24安装在电极室10附近，整体装置处于密封状态。
[0024]利用上述装置进行表面涌进电动法联合降解菌修复污染土壤的方法，包括以下步骤:
[0025](1)调查石油污染土壤的深度，在确保覆盖所有污染范围的情况下，安装所述装置的各个部件，在平行于水平面的方向上由下而上均匀布置五个相同的板状电极，在相邻两个电极中间位置铺设降解菌注液管道，在三级阴极室10附近安装PRB反应墙24。
[0026](2)通过一级控制系统控制一级阳极1连接稳压电源13的正极，一级电极3连接稳压电源13的负极，运行智能多通道计数器12，并由其控制一级阳极1和一级电极3的运作时间，同时通过运行四级控制系统22，将降解菌液槽中的液体注入一级阳极1和二级阳极2之间的降解菌一级注液管道1-1以及二级阳极2和一级电极3之间的降解菌二级注液管道1-2，其中所施电压梯度为l-3v/cm，注液管道注射速度均为5-10mL/min，注射时间均为5-8h，多通道智能计数器12计数时间为12-24h。
[0027](3)通过一级控制系统控制二级阳极2连接稳压电源13的正极，二级电极4连接稳压电源13的负极，运行智能多通道计数器12，并由其控制二级阳极2和二级电极4的运作时间，同时通过运行四级控制系统22，将降解菌液槽中的液体注入二级阳极2和一级电极3之间的降解菌二级注液管道1-2以及一级电极3和二级电极4之间的降解菌三级注液管道1-3，其中所施加电压梯度、注液管道注射速度、注射时间、多通道智能计数器计数时间均与步骤(2)相同。
[0028](4)通过一级控制系统控制一级电极3连接稳压电源13的正极，控制三级阴极5连接稳压电源13的负极，运行智能多通道计数器12，并由其控制一级电极3和三级阴极5的运作时间，同时通过运行四级控制系统22，将降解菌液槽中的液体注入一级电极3和二级电极4之间的降解菌三级注液管道1-3以及二级电极4和三级阴极5之间的降解菌四级注液管道1-4，其中所施加电压梯度、注液管道注射速度、注射时间、多通道智能计数器计数时间均与步骤(2)相同。
[0029](5)通过一级控制系统控制二级电极4连接稳压电源13的正极，控制三级阴极5连接稳压电源13的负极，运行智能多通道计数器12，并由其控制二级电极4和三级阴极5的运作时间，同时通过运行四级控制系统22，将降解菌液槽中的液体注入二级电极4和三级阴极5之间的降解菌四级注液管道1-4，其中所施电压梯度为l-2v/cm，注液管道注射速度为l_2mL/min，注射时间为1.5_3h后停止，多通道智能计数器12计数时间为6_12h，在上述操作中，PRB反应墙能够将富集在三级阴极5附近的石油污染物进行吸附，从而修复被石油污染的土壤。
[0030](6)在上述操作中，当电极接通稳压电源13的正极时，由三级控制系统通过三级多通道蠕动泵20向对应电极的电极室中添加阳极液，当电极接通稳压电源13的负极时，由三级控制系统19通过三级多通道蠕动泵20向对应电极的电极室中添加阴极液，每当电极运作时，调节阳极室中的pH保持在9-11之间，阴极室中的pH保持在3-5之间，同时不断监测各个电极室中电解液的饱和度，通过二级控制系统15将饱和电解液通过溢流管道由二级多通道蠕动泵14抽取到电解液处理槽16中。
[0031]为使本装置和方法易于了解，下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明。
[0032]第一步:制备供试土壤
[0033]采集150kg的土样，通过1mm筛孔(即18号筛)，试验配置土壤中石油污染浓度为1000mg/kg。
[0034]第二步:配置降解菌液
[0035]以石油污染土壤为原料，在30°C、170r/min条件下进行富集与驯化，再通过稀释涂布和划线筛选分离出能以石油为唯一碳源生长的高效石油降解菌，随后使用摇瓶培养离心得到菌种的富集菌液，随后使用葡萄糖琼脂培养基，在28°C，160r/min恒温振摇条件下对该菌液进行扩大培养，制备成降解菌液，存放在降解菌液槽21中。
[0036]第三步:选择PRB可渗透反应墙
[0037]PRB反应墙内填充介质采用粗砂和固定化泥炭(配比为4:1)，规格为35cm X 25cm X 3cm (L X ff X H)。
[0038]第四步:选择电解液
[0039]配置0.05mol/L的NaOH作为阳极液，配置0.05mol/L的柠檬酸作为阴极液。
[0040]第五步:装置的组装与运行
[0041]将150kg 土样填入40cmX 30cmX 100cm的有机玻璃中，在垂直方向上每隔20cm安置一个板状石墨电极，电极规格为35cmX25cmX5cm(LXWXH)。按照附图1装置安装说明布置所需设备，并按照上述方法步骤运行设备，其中电压梯度为为lV/cm，步骤2-4中按照质量浓度为4%的比例注射降解菌，所施电压梯度为1.5v/cm,降解菌注液管道注射速度均为5mL/min，注射时间均为5h，多通道智能计数器12计数时间为12h，步骤5中所施电压梯度为lv/cm，降解菌注液管道注射速度为lmL/min，注射时间为1.5h，多通道智能计数器12计数时间为6h后，整个修复过程中保持调节阳极室中的pH为10，阴极室中的pH为3.5。表面涌进电动法联合降解菌修复后，土壤中石油的去除率可达92.3%。
[0042]本发明采用涌进式电动法修复污染物，通过变换电极的使用，将石油污染物不断向土壤表层涌进，此技术联合相邻电极之间注射的降解菌液以及在表层电极附近用于吸附石油污染物的PRB反应墙，更有助于石油污染物的修复速率。本发明中采用多个控制系统和智能系统，极大地减少了人力成本，使整个过程更自动化。
【权利要求】
1.一种表面涌进电动法联合降解菌修复污染土壤的装置，其特征在于，所述装置包括:一级阳极⑴、二级阳极(2)、一级电极(3)、二级电极⑷、三级阴极(5)、一级阳极室(6)、二级阳极室(7)、一级电极室(8)、二级电极室(9)、三级阴极室(10)、一级控制系统(11),智能多通道计数器(12)、稳压电源(13)、一级多通道蠕动泵(14)、二级控制系统(15)、电解液处理槽(16)、阴极液槽(17),阳极液槽(18)、三级控制系统(19)、三级多通道蠕动泵(20)、降解菌液槽(21)、四级控制系统(22)、单通道蠕动泵(23)41?反应墙(24)和降解菌注液管道:一级注液管道(1-1)、二级注液管道(1-2)、三级注液管道(1-3)和四级注液管道(1-4)，整个装置处于密封状态；所述稳压电源依次连接智能多通道计数器和一级控制系统，然后分别与一级阳极、二级阳极、一级电极、二级电极和三级阴极相连；所述一级阳极、二级阳极、一级电极、二级电极和三级阴极分别安置在各个相应电极室中；所述电解液处理槽依次连接二级控制系统和二级多通道蠕动泵，然后分别与各个电极室相连，所述阴极液槽和阳极液槽以并联方式依次连接三级控制系统和三级多通道蠕动泵，然后分别与各个电极室相连；在相邻电极室之间依次安装降解菌注液管道，所述降解菌液槽通过四级控制系统以及单通道蠕动泵与上述各个降解菌注液管道相连；所述反应墙安装在三级阴极室附近。
2.一种利用权利要求1所述装置修复污染土壤的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤: (1)调查石油污染土壤的深度，在确保覆盖所有污染范围的情况下，安装所述装置的各个部件，在平行于水平面的方向上由下而上均匀布置五个相同的板状电极，在相邻两个电极中间位置铺设降解菌注液管道，在三级阴极室附近安装反应墙； (2)通过一级控制系统将一级阳极连接至稳压电源的正极，一级电极连接至稳压电源的负极，运行智能多通道计数器，并由其控制一级阳极和一级电极的运作时间，同时通过四级控制系统运行，将降解菌液槽中的液体注入一级阳极和二级阳极之间的降解菌一级注液管道以及二级阳极和一级电极之间的降解菌二级注液管道，其中所施电压梯度为注液管道注射速度均为5-1011117111111，注射时间均为5-81！，多通道智能计数器计数时间为12-2411 ； (3)通过一级控制系统将二级阳极连接至稳压电源的正极，二级电极连接至稳压电源的负极，运行智能多通道计数器，并由其控制二级阳极和二级电极的运作时间，同时通过四级控制系统运行，将降解菌液槽中的液体注入二级阳极和一级电极之间的降解菌二级注液管道以及一级电极和二级电极之间的降解菌三级注液管道，其中所施加电压梯度、注液管道注射速度、注射时间、多通道智能计数器计数时间均与步骤(2)相同； (4)通过一级控制系统将一级电极连接至稳压电源的正极，三级阴极连接至稳压电源的负极，运行智能多通道计数器，并由其控制一级电极和三级阴极的运作时间，同时通过四级控制系统运行，将降解菌液槽中的液体注入一级电极和二级电极之间的降解菌三级注液管道以及二级电极和三级阴极之间的降解菌四级注液管道，其中所施加电压梯度、注液管道注射速度、注射时间、多通道智能计数器计数时间均与步骤(2)相同； (5)通过一级控制系统将二级电极连接稳压电源的正极，三级阴极连接稳压电源的负极，运行智能多通道计数器，并由其控制二级电极和三级阴极的运作时间，同时通过四级控制系统运行，将降解菌液槽中的液体注入二级电极和三级阴极之间的降解菌四级注液管道，其中所施电压梯度为1-2^八111，注液管道注射速度为1-211117111111，注射时间为1.5-3匕多通道智能计数器计数时间为6-121！，在上述操作中，？即反应墙将富集在三级阴极附近的石油污染物吸附，从而修复被石油污染的土壤； (6)在上述操作中，当电极接通稳压电源的正极时，由三级控制系统通过三级多通道蠕动泵向对应电极的电极室中添加阳极液，当电极接通稳压电源的负极时，由三级控制系统通过三级多通道蠕动泵向对应电极的电极室中添加阴极液；每当电极运作时，调节阳极室中的邱保持在9-11之间，阴极室中的邱保持在3-5之间，同时不断监测各个电极室中电解液的饱和度，通过二级控制系统将饱和电解液通过溢流管道由二级多通道蠕动泵抽取到电解液处理槽中。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，视土壤污染的深度，调整电极的数量，但需确保最上层电极为阴极，最下层电极为阳极。
【文档编号】B09C1/08GK104307867SQ201410450049
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年9月5日 优先权日:2014年9月5日
【发明者】卢宏玮, 任丽霞, 何理, 樊星, 李晶, 宋欣爽 申请人:华北电力大学