拼裝式原位淋洗與EKG電動協同去除土壤重金屬的裝置及方法與流程

2023-09-20 09:21:45 2

本發明涉及土壤環境保護與土壤重金屬汙染修復領域，具體是一種拼裝式原位淋洗與EKG電動協同去除土壤重金屬的裝置及方法。

背景技術：

隨著工農業發展，土壤重金屬汙染問題日益凸顯，對人民群眾的生命健康造成了嚴重威脅。因而，亟需重金屬汙染土壤進行修復和治理。化學淋洗法是一種高效的重金屬汙染土壤修複方法，但對低滲透性土壤中重金屬的去除效果不佳，且原位化學淋洗還存在淋洗液排放難的問題。電動修復是指在汙染土壤通入低壓直流電，利用電場作用將土壤汙染物通過電遷移和電滲析逐步遷移分離，是一種綠色、高效和新型的原位修復技術，在低滲透性土壤汙染修複方面具有獨特優勢。因此，若能將淋洗和電動修復進行優勢互補，可大幅提高土壤重金屬汙染的修復效率。國內外目前關於重金屬汙染土壤淋洗與電動修複方面進行了較多的理論研究和一些工藝參數和方法探討，但電動修復裝置較少，特別是原位淋洗+電動修復的協同去除土壤重金屬的裝置更少。

發明專利「一種重金屬汙染土壤的淋洗電動聯合修復裝置和方法」(申請號：201510298674.9)公開了一種針對重金屬汙染土壤的異位修復(ex-situ)方法，該方法將重金屬汙染土壤挖出後，調節pH，然後把土壤放入淋洗槽中進行淋洗攪拌及固液分離，再將淋洗後的土壤轉入電動修復室進行電動處理。

實用新型專利「一種電修複式土壤汙染治理車」(專利號：201520782269.X)通過把汙染土壤裝入工程車，然後進行電動修復和電熱修復，具有可移動性的優點，但也屬於異位修復。

實用新型專利「採用電動方法強化處理重金屬汙染土壤的淋洗裝置」(專利號：201320357655.5)提供了一種電動修復與淋洗聯用的異位修復(ex-situ)裝置，將淋洗和電動修復放在同一圓形結構裝置，裝置外圈為陽極，圓中心處為陰極，重金屬從陽極向陰極遷移，淋洗液通過管道從裝置上方注入。

實用新型專利「一種移動式場地汙染土壤的原位電動修復工程裝置」(專利號：201520899695.1)，該裝置的電極為中空的圓形電極組，電極材料為鐵、鈦、不鏽鋼或者石墨電極，電極中空腔體中的重金屬溶液經抽提，進入過濾柱、氧化柱和吸附柱等，裝置為可拆除的組裝式設計，具有良好移動性。

本發明人在實現本發明的過程中發現，現有的淋洗+電動修復裝置不多，且主要存在如下不足：(1)現有電動修復裝置較少考慮汙染土壤的現場條件，缺乏可拼裝性，適用性較差；(2)原位處理裝置，大多數電動修復裝置為異位處理裝置，土壤挖掘成本高；(3)並不多見的原位土壤電動修復(in-situ)裝置採用的電極多是圓形中空電極，電極材料主要是鐵、鈦、不鏽鋼或者石墨電極，現場覆蓋面小，修復效率低，電極耐酸鹼腐蝕性差、不易安裝；(4)原位土壤電動修復過程中，側重將土壤重金屬離子在電極上吸附與富集，然後再對電極進行洗脫分離，操作步驟多，分離效率低。

技術實現要素：

針對上述問題，本發明採用兼具導水和導電性能的電動土工合成材料(EKG)為電極，利用EKG電極的電滲脫水和電遷移作用，提出了一種拼裝式原位淋洗與EKG電動協同去除土壤重金屬的裝置及方法，該裝置為模塊化可拼裝式裝置，無需開挖土壤，不用脫附電極，直接將淋洗液原位滲透到土壤汙染層，利用電場作用，原位洗脫和遷移重金屬，並將淋洗後的重金屬溶液從土層分離儲存，實現重金屬的水土分離，該裝置安裝方便，重金屬去除效率高，可批量和規模化應用，尤其適用於重金屬汙染底泥或農田土壤修復。

一種拼裝式原位淋洗與EKG電動協同去除土壤重金屬的裝置，包括淋洗-電動協同作業平臺、安裝於淋洗-電動協同作業平臺的用於插入土壤中的EKG電動去除模塊、以及電源、淋洗液滲透裝置、蠕動泵、土壤重金屬溶液儲存罐，所述EKG電動去除模塊包括EKG電極固定板及固定於EKG電極固定板的EKG電極、土壤重金屬溶液收集槽，EKG電極和蠕動泵與電源連接，重金屬溶液抽提軟管固定於EKG電極固定板，下端伸入土壤重金屬溶液收集槽，上端通過蠕動泵後與土壤重金屬溶液儲存罐聯通，淋洗液滲透裝置用於將淋洗液分散進入土壤，EKG電極上形成有導水槽，用於將EKG電極通電後淋洗出的土壤重金屬離子導入土壤重金屬溶液收集槽，蠕動泵用於將土壤重金屬溶液從土壤重金屬溶液收集槽抽入淋洗-電動協同作業平臺上的土壤重金屬溶液儲存罐。

進一步的，所述EKG電動去除模塊還包括EKG電極保護板，EKG電極保護板與EKG電極之間間隔一定間距，EKG電極保護板後拔出可最大限度避免土壤顆粒堵塞EKG電極導水槽。進一步的，

進一步的，所述EKG電動去除模塊還包括安裝於EKG電極固定板上的液位計，液位計的下端伸入土壤重金屬溶液收集槽中，用於實時監測土壤重金屬溶液收集槽的液面高度，當液面高度增長緩慢或不變後，啟動蠕動泵將土壤重金屬溶液從土壤重金屬溶液收集槽抽入淋洗-電動協同作業平臺上的土壤重金屬溶液儲存罐。

進一步的，所述淋洗液滲透裝置包括淋洗液儲存槽和與淋洗液儲存槽聯通且豎直設於淋洗液儲存槽下方的帶孔滲透柱，帶孔滲透柱的長度與土壤汙染層厚度相同，淋洗液加入到淋洗液儲液槽後，經帶孔滲透柱分散進入土壤汙染層。

進一步的，EKG電極固定板和EKG電極保護板插接固定在土壤重金屬溶液收集槽上部。

進一步的，土壤重金屬溶液收集槽上部設有EKG電極固定板卡槽和EKG電極保護板卡槽，EKG電極固定板和EKG電極保護板分別插接在EKG電極固定板卡槽和EKG電極保護板卡槽中。

進一步的，土壤重金屬溶液收集槽內設有可容納重金屬溶液的中空腔體。

進一步的，EKG電極固定板和土壤重金屬溶液收集槽上端分別設有EKG電極固定板預留孔和重金屬溶液收集槽預留孔，用於放置液位計和重金屬溶液抽提軟管，重金屬溶液抽提軟管和液位計下端從金屬溶液收集槽預留孔伸入中空腔體中。

進一步的，所述EKG電極包括導電銅線、EKG電極導電材料、包裹EKG導電材料的土工布、EKG電極導水槽，EKG電極導電材料表面形成由上至下的EKG電極導水槽。

一種原位淋洗與EKG電動協同去除土壤重金屬的方法，其特徵在於使用上述裝置進行，所述方法包括如下步驟：

原位淋洗與EKG電動協同去除啟動：在淋洗液滲透裝置中添加淋洗液，淋洗液通過淋洗液滲透裝置的淋洗液滲透柱分散進入土壤，滲透柱長度與土壤耕作層厚度相同，EKG電極接通直流穩壓電源，在EKG電場作用下，淋洗液對重金屬汙染土壤進行原位淋洗，洗脫出的重金屬離子與土壤孔隙水，在電遷移和電滲析的作用下向EKG電動去除模塊的EKG電極遷移；

土壤重金屬分離與去除：遷移到EKG電極表面的重金屬溶液在重力作用下沿著EKG電極導水槽經土壤重金屬溶液導流槽流到EKG電動去除模塊的土壤重金屬溶液收集槽，液位計實時監測土壤重金屬溶液收集槽的液面高度，及時啟動蠕動泵將重金屬溶液從土壤重金屬溶液收集槽抽入淋洗-電動協同作業平臺上的土壤重金屬溶液收集罐，達到重金屬水-土分離與原位去除的目的；

及時採集土壤重金屬溶液收集槽抽提出來溶液的目標重金屬濃度，並測定受處理土壤目標重金屬含量，當土壤重金屬含量達標或土壤重金屬溶液收集槽抽提溶液目標重金屬濃度較低時，即可結束處理。

本發明的有益效果和顯著技術進步如下：

1、模塊化設計電動修復裝置，可組裝式布置淋洗與電動修復，一體化考慮重金屬汙染土壤淋洗，土壤內淋洗出重金屬溶液收集，土壤淋洗出重金屬溶液分離等過程，實現了土壤重金屬的原位淋洗和水-土分離，最大限度將淋洗出的重金屬移除土壤，修復周期短，見效快。

2、採用具有導水和導電作用的EKG作為電極，並設計了三層結構的可插拔卡槽式EKG電動去除模塊，便利EKG電極的現場安裝及工程應用。利用EKG電極固定板鑲嵌安裝EKG電極，確保EKG電極平整及與汙染層土壤的全面接觸，通過EKG電極保護板防止土壤顆粒堵塞EKG導水槽，最大限度發揮EKG電滲脫水和電遷移去除重金屬性能。

3、淋洗-電動協同作業平臺上搭載了淋洗液滲透裝置，設計了淋洗液補加和高效分散等功能，淋洗液滲透裝置在寬度上與EKG電極相同，淋洗液滲透裝置的滲透柱在長度上與汙染層土壤深度上相同，這樣能夠使淋洗液在EKG電場驅動作用下，全方位充分接觸土壤汙染層，提高重金屬汙染土壤的淋洗效率。

4、EKG電動去除模塊設計了土壤重金屬溶液收集槽，並在EKG電極固定板內留置了液位計與重金屬溶液抽提軟管，能夠快速收集、監測和排出EKG電動去除模塊的重金屬溶液，將液位計與重金屬溶液抽提軟管和EKG電動去除模塊耦合，裝置結構緊湊、功能齊全、空間利用效率高。

5、EKG電動去除模塊與淋洗-電動協同作業平臺為拼裝式設計，安裝簡便快速，可批量生產，且可根據現場需求進行多個EKG電動去除模塊的拼接，具備規模化應用基礎。

附圖說明

圖1為本發明拼裝式原位淋洗與EKG電動協同去除土壤重金屬的裝置的結構示意圖；

圖2為圖1中A-A斷面剖視圖；

圖3為圖1中B-B斷面剖視圖；

圖4為本發明中EKG電極的結構示意圖；

圖5為本發明中淋洗液滲透裝置的剖視圖。

圖中：1-EKG電動去除模塊，2-電線，3-淋洗-電動協同作業平臺，4-直流穩壓電源，5-土壤重金屬溶液收集罐，6-土壤重金屬溶液轉移軟管，7-蠕動泵，8-淋洗液滲透裝置，9-EKG電極固定板，10-EKG電極(10-1-導電銅線，10-2-包裹EKG導電材料的土工布，10-3-EKG電極導水槽，10-4-EKG電極導電材料)，11-EKG-電極保護板，12-中空腔體，13-EKG電極固定板卡槽，14-EKG電極保護板卡槽，15-土壤重金屬溶液導流槽，16-土壤重金屬溶液抽提軟管，17-EKG電極固定板預留孔，18-重金屬溶液收集槽預留孔，19-土壤重金屬溶液收集槽，20-液位計，21-淋洗液滲透柱，22-墊圈，23-固定螺釘，24-淋洗液儲存槽，25-淋洗液添加口。

具體實施方式

下面將結合本發明中的附圖，對本發明中的技術方案進行清楚、完整地描述。

圖1所示為本發明拼裝式原位淋洗與EKG電動協同去除土壤重金屬的裝置的結構示意圖，所述拼裝式原位淋洗與EKG電動協同去除土壤重金屬的裝置包括兩個相對設置的EKG電動去除模塊1及一個淋洗-電動協同作業平臺3。淋洗-電動協同作業平臺3上搭載有直流穩壓電源4、淋洗液滲透裝置8、蠕動泵7、重金屬溶液抽提軟管6和土壤重金屬溶液儲存罐5。

請結合參考圖2和圖3，所述EKG電動去除模塊1包括EKG電極固定板9、EKG電極10、EKG電極保護板11、液位計20和土壤重金屬溶液收集槽19。

淋洗液滲透裝置8，與EKG近似等寬地安裝在淋洗-電動協同作業平臺3上，淋洗液滲透裝置8和淋洗-電動協同作業平臺3之間用墊圈22密封並用螺釘23擰緊，防止淋洗液溢流到淋洗-電動協同作業平臺。

如圖5所示，淋洗液滲透裝置8包括淋洗液儲存槽24和與淋洗液儲存槽24聯通且豎直設於淋洗液儲存槽24下方的帶孔滲透柱21，帶孔滲透柱21的長度與土壤汙染層厚度相同，淋洗液加入到淋洗液儲液槽24後，經帶孔滲透柱21分散進入土壤汙染層。

土壤重金屬溶液收集槽19內設有中空腔體12，EKG電極固定板9和EKG電極保護板11插接在土壤重金屬溶液收集槽19上部，如圖3所示，土壤重金屬溶液收集槽19上部設有EKG電極固定板卡槽13和EKG電極保護板卡槽14，EKG電極固定板9和EKG電極保護板11分別插接在EKG電極固定板卡槽13和EKG電極保護板卡槽14中。EKG電極固定板9的卡槽13還可防止抽提重金屬溶液時土壤顆粒進入重金屬溶液收集槽的中空腔體12。

EKG電極固定板9與EKG電極10固定，例如EKG電極10可用膨脹鉚釘並排固定在EKG固定板9上，EKG電極10用電線串聯後分別與直流穩壓電源4的正負極連接。

為保證EKG電極10平整及與土壤剖面全方位接觸，EKG電極保護板11與EKG電極10之間有一定間距，用於拔出EKG電極保護板11後，最大限度避免土壤顆粒堵塞EKG電極導水槽10-3。

EKG電極固定板9和土壤重金屬溶液收集槽19上端分別設有EKG電極固定板預留孔17和重金屬溶液收集槽預留孔18，用於放置液位計20和重金屬溶液抽提軟管16。重金屬溶液抽提軟管16和液位計20可貫穿設於EKG電極固定板9中，下端從金屬溶液收集槽預留孔18伸入中空腔體12中。

如圖4所示，所述EKG電極10包括導電銅線10-1、EKG電極導電材料10-4、包裹EKG導電材料10-4的土工布10-2、EKG電極導水槽10-3，EKG電極導電材料10-4表面形成由上至下的EKG電極導水槽10-3。

2個EKG電動去除模塊1與淋洗-電動協同作業平臺3通過卡槽拼裝，接通直流穩壓電源4，土壤孔隙水與淋洗出的土壤重金屬離子即可在電場作用下，逐步遷移到EKG電極10的導水槽10-3，並在重力作用下進入土壤重金屬溶液收集槽19。

液位計20安裝在EKG固定板內，實時監測土壤重金屬溶液收集槽的液面高度，當液面高度增長緩慢或不變後，啟動蠕動泵7將土壤重金屬溶液從土壤重金屬溶液收集槽19抽入淋洗-電動協同作業平臺3上的土壤重金屬溶液儲存罐5。

本實施例以重金屬汙染農田為對象，利用圖1所示裝置進行原位淋洗與EKG電動協同去除重金屬的步驟如下：

(1)重金屬汙染土壤現場調查。根據《土壤檢測第1部分：土壤樣品的採集、處理和貯存(NY/T 1121.1-2006)》採集重金屬汙染土壤樣品，測定土壤pH值、有機質含量、含水率、土壤粒徑組成等理化特性；土樣經過預處理後，採用ICP-MS或AAS測定重金屬含量，並確定要處理的目標重金屬。

(2)EKG電極10固定。用膨脹鉚釘將EKG電極10固定在EKG電極固定板9上，根據需要將單塊EKG電極10利用電線串聯，拼接更大的EKG電極；

(3)組裝EKG電動去除模塊1。將EKG電極固定板9和EKG電極保護板11與土壤重金屬溶液收集槽19利用卡槽(13、14)進行拼裝，從EKG電極固定板9和土壤重金屬溶液收集槽上端19的預留孔(17、18)插入重金屬溶液抽提軟管16和液位計20至土壤重金屬溶液收集槽19的中空腔體12，然後將組裝好的EKG電動去除模塊1插入到重金屬汙染土壤中，拔出EKG電極保護板11；

(4)原位淋洗與EKG電動協同體系構建。利用卡槽將兩個EKG電動去除模塊1安裝於淋洗-電動協同作業平臺3。兩個EKG電動去除模塊1的間距與直流穩壓電源4的可供給電壓和EKG電動修復的電壓梯度有關。一般來說，電壓梯度為2-4V/cm，EKG電動去除模塊1間距不高於50cm。在淋洗-電動協同作業平臺3上安裝直流穩定電源4、淋洗液滲透裝置8、蠕動泵7、土壤重金屬溶液抽提軟管6和土壤重金屬溶液儲液罐5；

(5)原位淋洗與EKG電動協同去除啟動。在淋洗液滲透裝置8中添加淋洗液(如FeCl3和氯化鈣)，淋洗液通過淋洗液滲透裝置8的淋洗液滲透柱21分散進入土壤，滲透柱長度與土壤耕作層厚度相同(約25cm)，EKG電極10接通直流穩壓電源4，在EKG電場作用下，淋洗液對重金屬汙染土壤進行原位淋洗，洗脫出的重金屬離子與土壤孔隙水，在電遷移和電滲析的作用下向2個EKG電動去除模塊1的EKG電極10遷移；

(6)土壤重金屬分離與去除。遷移到EKG電極10表面的重金屬溶液在重力作用下沿著EKG電極導水槽10-3經土壤重金屬溶液導流槽15流到EKG電動去除模塊1的土壤重金屬溶液收集槽19，液位計20實時監測土壤重金屬溶液收集槽19的液面高度，及時啟動蠕動泵7將重金屬溶液從土壤重金屬溶液收集槽19抽入淋洗-電動協同作業平臺3上的土壤重金屬溶液收集罐5，達到重金屬水-土分離與原位去除的目的。

(7)及時採集土壤重金屬溶液收集槽19抽提出來溶液的目標重金屬濃度，並測定受處理土壤目標重金屬含量，當土壤重金屬含量達標或土壤重金屬溶液收集槽19抽提溶液目標重金屬濃度較低時，即可結束處理。

(8)現場應用時，可根據處理處理程度和時限要求，在同一區域原地多次處理或拼裝後大面積快速處理。淋洗-電動協同作業平臺3可利用交流電為直流穩壓電源供電，當野外供電不便時，也可採用蓄電池替代直流穩壓電源。

以上所述，僅為本發明的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何屬於本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應該以權利要求的保護範圍為準。