用于修复重金属污染土的系统和处理方法与流程

本发明属于环保领域，尤其是环保领域中的重金属污染土原位修复的技术。

背景技术：

随着工业、城市污染的加剧和农用化学物质种类、数量的增加，中国的土壤污染形势相当严峻，砷、汞、铅、镉等重金属超标的土地面积在不断增加。导致食物品质和产量不断下降，以及地表水及地下水污染、大气污染和生态系统退化等其它次生生态环境问题，直接危害人体健康，影响人类可持续发展。

电动修复技术能避免传统技术严重影响土层结构和地下水所处生态环境，又可以克服现场生物修复过程非常缓慢、效率低的缺点，而且投资少、成本低。

然而，现有的电动修复技术存在以下问题：（1）即使在土体含水量较高的情况下，随着阳极附近水不断向阴极流动，阳极处界面电阻不断增大，造成电迁移的时间非常短，电动修复时间越短，修复效果越差。（2）采用单纯的电动修复技术，重金属富集在阴极无法有效去除或无害化处理，严重限制了电动修复技术在重金属污染土中的发展应用。

技术实现要素：

发明目的：

一个目的是提供一种用于修复重金属污染土的系统，以解决现有技术存在的上述问题。进一步的目的是提供一种去除与无害化处理重金属并重的重金属污染土修复方法。

技术方案：

用于修复重金属污染土的系统，包括：

递进式电动修复系统，包括按照一定序列铺设在待处理土壤中的若干列电极，通过导线与每层或每排电极分别连接的直流电源；

真空排水系统，包括延伸至阴极处的抽水管，与抽水管连通的真空泵，以及与真空泵出口端连通的水池；

在工作时，按照预定次序调整电极与直流电源的正极或负极连接，使得电流的方向始终为同一方向，带动重金属离子向预定方向移动，在预定阴极处形成富集区。

根据本发明的一个方面，电极的排列方式包括纵横分布的矩形、梅花排列、同轴环绕式分布的环形排列。

根据本发明的一个方面，还包括注液系统，所述注液系统包括与电极数量匹配且位于电极一侧的若干注液管，通过连通管与注液管连通的蠕动泵和储液罐。

根据本发明的一个方面，还包括稳定固化系统，所述稳定固化系统为注入在富集区并可凝聚的水泥浆液。

根据本发明的一个方面，按照由内向外、由外向内、由中心向边缘，或者由边缘向中心的方向，依次调整电极与直流电源的连接顺序。

根据本发明的一个方面，当采用由内向外或由中心向边缘调整电极与直流电源的连接关系，且外层或边缘的电极与阴极连接时，即重金属离子由内向外或由中心向边缘移动时，在电极外侧或边缘处，设置保护电极，所述保护电极与直流电源的正极连接。

根据本发明的一个方面，在工作中，根据处理的进程，所述储液罐中的液体依次为自来水、柠檬酸或edta、以及碱性溶液。

根据本发明的一个方面，所述富集区的周围设置有密封沟，所述密封沟埋设有密封膜。当重金属由内向外电迁移时，污染区周边需要设置保护电极，避免重金属污染区扩散。

一种用于修复重金属污染土的方法，采用上述任一项所述的系统实现，并包括如下步骤：

s1、现场取土样应用xrf技术测量污染土样品，获得重金属污染土组成元素种类及对应含量信息；根据该区域工程建设情况设计桩或水泥土墙的位置，划分污染土区域，确定电极布置形式，确定电动修复递进方向由外向内或由内向外；沿电极长度方向将注液管通过塑料扎带固定在电极上；

s2、在预修复污染土区域的外围打设一圈保护电极，用于防止污染区扩散，当土体较坚硬时，借助钻孔机完成电极打设，通过一根导线连接所有保护电极，导线始终连接直流电源正极，为延长修复时间，阳极处低速率注入自来水；

s3、在每个污染土区域分层打设电极，每层电极均用一根导线独立连接；富集区内的阴极管通过导线与直流电源的负极连接，并将所有阴极管通过二通阀接头与抽水管连接，抽水管连接真空射流泵；在富集区周边挖设密封沟，在富集区上表面铺设一层土工布、两层真空膜，真空膜的周边全部压入密封沟内；

s4、当电动修复递进方向由外向内时，首轮通电将最外层至最中间层的电极依次与电源正极、负极连接，第二轮通电将最外层电极停止通电，其余电极进行阴阳极互换，第三轮通电将最外层和相邻第二层电极停止通电，其余电极进行阴阳极互换，形成重金属由阳极向阴极区域的电迁移；重复此通电过程，直至污染土区域重金属xrf检测合格；每一轮通电过程中，由xrf分别测得阴阳极附近污染土重金属含量相差20%以上，进行下一轮；

当电动修复递进方向由内向外时，首轮通电将中间层至最外层的电极依次与电源正极负极连接，第二轮通电将中间层电极停止通电，其余电极进行阴阳极互换，第三轮通电将中间层和相邻第二层电极停止通电，其余电极进行阴阳极互换，形成重金属由阳极向阴极区域的电迁移；重复此通电过程，直至污染土区域重金属xrf检测合格；每一轮通电过程中，由xrf分别测得阴阳极附近污染土重金属含量相差20%以上，进行下一轮；

s5、在步骤s4进行的同时，首先开启蠕动泵向所有阳极处注液管注自来水，待两不同时段xrf测量污染土样品的重金属含量相差小于2%，向储液罐中注入柠檬酸或edta溶液，输送至所有阳极处注液管，待污染土样检测合格停止输送；

s6、在步骤s4和s5进行的同时，待富集区污染土含水量达到60%或完成一轮通电，开启真空射流泵，将富集区内的水连同大部分的游离态重金属一同抽入储水池内，储水池内含有重金属的水排放至净化池，采用化学的方法提取其中的重金属，净化后的水达到标准即可排放；

s7、待污染土区域土样重金属检测合格，富集区内的阴极管无水抽出，揭开真空膜，回收阴极管，采用搅拌桩机将水泥喷入富集区土体并充分搅拌形成水泥土墙或桩，将富集区内无法排出的较少含量重金属固化稳定。

有益效果：本发明的修复系统及处理方法有助于充分结合电渗、电迁移、电化学、真空预压、固化稳定的优势，对重金属污染土开展原位修复，避免了对环境造成二次污染，污染土中重金属去除率高，能够解决常规电动修复技术重金属富集于阴极而得不到有效处理的难题。同时，本发明结构简单，易于操作，降低了污染土修复造价，便于质量控制。

附图说明

图1是本发明由外向内迁移重金属结构剖视图。

图2是本发明由外向内迁移重金属矩形电动修复系统、注液系统和排水系统布置示意图。

图3是本发明由外向内迁移重金属真空密封系统布置图。

图4是本发明由外向内迁移重金属固化稳定系统水泥土墙示意图。

图5是本发明由外向内迁移重金属圆形电动修复系统、注液系统和排水系统布置示意图。

图6是本发明由外向内迁移重金属固化稳定系统水泥土桩示意图。

图7是本发明由内向外迁移重金属结构剖视图。

图8是本发明由内向外迁移重金属固化稳定系统水泥土墙示意图。

图9是本发明由内向外迁移重金属圆形电动修复系统、注液系统和排水系统布置示意图。

图10是本发明由内向外迁移重金属固化稳定系统环形水泥土墙示意图。

具体实施方式

如图1所示，提供一种用于修复重金属污染土的系统，主要包括递进式电动修复系统、注液系统、真空排水系统和固化稳定系统。

其中，递进式电动修复系统包括若干呈矩形、梅花形或环形布置的电极，依次将各层电极与电源正负极连接，将污染土中的重金属由外向内或由内向外迁移至富集区；注液系统包括随电极一起打入土体中的注液管，管道另一端与储液罐连接，通过蠕动泵控制流量和流速；真空排水系统包括与富集区阴极管相连的抽水管，以及富集区密封系统；固化稳定系统包括通过对富集区内土体采取固化稳定措施形成的水泥土墙或桩。

电极呈矩形、梅花形或环形等形式分层布置，电极布置形式及通电递进方向决定了富集区将固化稳定为水泥土墙或桩，可根据修复区域未来工程建设情况决定。电极间距1～1.5m，富集区内埋置有直径为5～10cm周身打满排水孔外包滤布的阴极管。

富集区的形成，最外层电极至最中间层的电极依次与电源正负极连接，形成重金属由外向内的电迁移，此时最内层电极为富集区；最中间层至最外层的电极依次与电源正负极连接，形成重金属由内向外的电迁移，此时最外层电极为富集区，富集区内的电极始终为阴极。重金属由内向外电迁移时，污染区周边需要设置保护电极，避免重金属污染区扩散。

储液罐中的液体最初为自来水，避免阳极附近土体干燥降低电动修复时间，根据土体含水量控制注水速率为100-1000ml/min，待土体中重金属含量稳定后，向储液罐中注入柠檬酸、edta等溶液，进一步将污染土中的重金属向富集区迁移。将富集区内的所有阴极管与抽水管通过二通阀连接，在富集区周边挖设密封沟，利用真空膜密封富集区，膜周边压入密封沟。条状及环形富集区通过搅拌桩机将水泥喷入土体并充分搅拌形成水泥土墙，圆形富集区则形成桩。

在本方案中，递进式电动修复系统，最外层电极至最中间层的电极依次与电源正负极连接，形成重金属由外向内的电迁移，此时最中间层电极为富集区；最中间层至最外层的电极依次与电源正负极连接，形成重金属由内向外的电迁移，此时最外层电极为富集区，富集区内的电极始终为阴极。

结合图1至图10描述具体的实施方案，根据该重金属污染土区域1修复合格以后的未来工程建设规划，确定水泥土墙20或桩17的位置，进而确定电极2的布置形式为矩形或圆形等形状，以及重金属电迁移的方向为由内向外或由外向内。将直径为1cm周身布满小孔外包滤膜的注液管12通过塑料扎带固定于电极上，将电极与注液管垂直打入重金属污染土区域，电极分层布置。重金属富集区内打入的电极为周身布满小孔外包滤膜的阴极管4。将每层电极均用一根导线11单独连接，按实施进程导线与直流电源6的正极或负极连接。当重金属电迁移方向为由内向外时，需在富集区外围再打设一圈保护电极13，始终连接直流电源的正极。

地表以上未打孔注液管穿过蠕动泵16与储液罐18连接。在富集区的周边挖设密封沟3，阴极管通过二通阀与抽水管7连接，连接阴极管的导线和抽水管穿过密封沟，分别与直流电源的负极和射流真空泵10连接，射流真空泵放置在储水池8内，储水池通过排水管19与净化池9连接。将真空密封膜5压入密封沟内，检查真空密封情况。

如图2至图4所示，电极矩形布置，首先将富集区左右两侧连接最外层电极的导线与直流电源正极相连，与最外层电极相邻的第二层电极导线与直流电源负极相连，其余每层电极依次与直流电源正负极相连。与此同时，开启蠕动泵与阳极处的止水阀25，向所有为阳极的电极处输送自来水。然后，最外层电极停止通电，其余层电极进行阴阳极互换，再将最外层和第二层电极停止通电，其余层电极再次阴阳极互换，如此依次进行，实现重金属由外向内电迁移。重复该通电过程，直至两不同时间段xrf检测污染土重金属含量相差不大，向储液罐中注入柠檬酸、edta等溶液，再次重复上述通电过程，直至污染土区域土样xrf重金属检测合格，可向储液罐中注入碱性溶液，中和土体酸性。回收富集区内的阴极管，采用搅拌桩机将水泥喷入富集区土体并充分搅拌形成水泥土墙。

如图5和图6所示，为电极同轴环绕式分布，通过上述操作步骤，重金属迁移至圆形富集区，通过固化稳定将富集区土体形成水泥土桩。

如图7所示，将最中间的两层电极导线连接直流电源的正极，其相邻第二层电极导线分别连接直流电源的负极，其余层电极如此依次连接直流电源，与此同时，开启蠕动泵与阳极处的止水阀，向所有为阳极的电极处输送自来水。然后，最中间两层电极停止通电，其余层电极进行阴阳极互换，再将最中间两层和其相邻第二层电极停止通电，其余层电极再次阴阳极互换，如此依次进行，实现重金属由内向外电迁移，在互换电极的方向时，电势的方向是相同的，从而保证重金属离子向一个方向移动。重复该通电过程，直至两不同时间段xrf检测污染土重金属含量相差不大，向储液罐中注入柠檬酸、edta等溶液，再次重复上述通电过程，直至污染土区域土样重金属检测合格，可向储液罐中注入碱性溶液，中和土体酸性。回收富集区内的阴极管，采用搅拌桩机将水泥喷入富集区土体并充分搅拌形成水泥土桩。

如图8所示，为电极矩形布置，通过上述操作步骤，重金属迁移至两侧富集区，通过固化稳定将富集区土体形成水泥土墙。

如图9和图10所示，为电极同轴环绕式分布，通过上述操作步骤，重金属迁移至最外层富集区，通过固化稳定将富集区土体形成水泥土墙。

具体地，本发明用于修复重金属污染土的系统和处理方法主要包括以下步骤：

s1、现场取土样应用xrf技术测量污染土样品，获得重金属污染土组成元素种类及对应含量信息；根据该区域未来工程建设情况设计桩或水泥土墙的位置，划分污染土区域，确定电极布置形式，确定电动修复递进方向由外向内或由内向外。沿电极长度方向将注液管通过塑料扎带牢固固定在所有电极上；

s2、在预修复污染土区域的外围打设一圈保护电极，用于防止污染区扩散，若土体较坚硬，可借助钻孔机完成电极打设，通过一根导线连接所有保护电极，导线始终连接直流电源正极，为延长修复时间，阳极处低速率注入自来水；

s3、在每个污染土区域分层打设电极，每层电极均用一根导线独立连接；富集区内的阴极管通过导线与直流电源的负极连接，并将所有阴极管通过二通接头与抽水管连接，抽水管连接真空射流泵；在富集区周边挖密封沟，在富集区上表面铺设一层土工布、两层真空膜，真空膜的周边全部埋入密封沟内。

s4、当电动修复递进方向由外向内时，首轮通电将最外层至最中间层的电极依次与电源正极、负极连接，第二轮通电将最外层电极停止通电，其余电极进行阴阳极互换，第三轮通电将最外层和相邻第二层电极停止通电，其余电极进行阴阳极互换，形成重金属由阳极向阴极区域的电迁移；重复此通电过程，直至污染土区域重金属xrf检测合格；每一轮通电过程中，由xrf分别测得阴阳极附近污染土重金属含量相差20%以上，进行下一轮；

当电动修复递进方向由内向外时，首轮通电将中间层至最外层的电极依次与电源正极负极连接，第二轮通电将中间层电极停止通电，其余电极进行阴阳极互换，第三轮通电将中间层和相邻第二层电极停止通电，其余电极进行阴阳极互换，形成重金属由阳极向阴极区域的电迁移；重复此通电过程，直至污染土区域重金属xrf检测合格；每一轮通电过程中，由xrf分别测得阴阳极附近污染土重金属含量相差20%以上，进行下一轮；

s5、在步骤s4进行的同时，首先开启蠕动泵向所有阳极处注液管注自来水，待两不同时段xrf测量污染土样品的重金属含量相差小于2%，向储液罐中注入柠檬酸、edta等溶液，输送至所有阳极处注液管，待污染土样检测合格停止输送。

s6、在步骤s4和s5进行的同时，待富集区污染土含水量达到60%或完成一轮通电，即可开启真空射流泵，将富集区内的水连同大部分的游离态重金属一同抽入储水池内，储水池内含有重金属的水排放至净化池，采用化学的方法提取其中的重金属，净化后的水达到标准即可排放。

s7、待污染土区域土样重金属检测合格，富集区内的阴极管无水抽出，揭开真空膜，回收阴极管，采用搅拌桩机将水泥喷入富集区土体并充分搅拌形成水泥土墙或桩，将富集区内无法排出的较少含量重金属固化稳定。

总之，本发明提供的用于修复重金属污染土的系统和处理方法具有以下优点：第一，富集区以外的污染土区域重金属去除率高，富集区污染土通过固化稳定进行无害化处理。第二，本发明结构简单，易于操作，造价低，能够实现重金属污染土的修复和无害化处理。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。