用于重金属污染水稻土修复的二维EK-PRB装置论文和设计-黄园英

全文摘要

本实用新型涉及一种用于重金属污染水稻土修复的二维EK‑PRB装置，包括直流电源、电极、电解液和PRB活性反应材料，所述直流电源通过导线与电极相连；所述电极包括相互平行的四个阳极和一个阴极，所述阳极为圆柱形不锈钢电极且在同一水平面上按照其中心点依次相连围成正方形，任一所述阳极设置在多孔PVC管中，所述阴极为多孔不锈钢管电极且位于所述正方形的中心位置；所述电解液被容纳在所述多孔PVC管内和阴极内；所述PRB活性反应材料设置在所述多孔PVC管或阴极的周围。本实用新型装置的阴阳电极采用正方形布局，克服了以往阴阳电极作用距离短，电场分布不均匀的缺点，对深层的污染物有更高的去除效率。

主设计要求

1.一种用于重金属污染水稻土修复的二维EK-PRB装置，其特征在于，包括直流电源(6)、电极、电解液和PRB活性反应材料(3)，所述直流电源(6)通过导线(7)与电极相连；所述电极包括相互平行的四个阳极(2)和一个阴极(1)，所述阳极(2)为圆柱形不锈钢电极且在同一水平面上按照其中心点依次相连围成正方形，任一所述阳极(2)设置在多孔PVC管(5)中，所述阴极(1)为多孔不锈钢管电极且位于所述正方形的中心位置；所述电解液被容纳在所述多孔PVC管(5)内和阴极(1)内；所述PRB活性反应材料(3)设置在所述多孔PVC管(5)或阴极(1)的周围。

设计方案

2.根据权利要求1所述的二维EK-PRB装置，其中，所述多孔PVC管(5)和阴极(1)的外表面均依次包覆有防水膜(14)和滤网(15)。

3.根据权利要求1或2所述的二维EK-PRB装置，其中，所述多孔PVC管(5)设有阳极电解液进口(8)和阳极电解液出口(9)。

4.根据权利要求1或2所述的二维EK-PRB装置，其中，所述阴极(1)设有阴极电解液进口(10)和阴极电解液出口(11)。

5.根据权利要求1或2所述的二维EK-PRB装置，其中，所述阴极(1)和阳极(2)的间距为100-150cm。

6.根据权利要求1或2所述的二维EK-PRB装置，其中，所述电极的长度为90-100cm且其顶部设置为高出污染土壤10-20cm。

7.根据权利要求1或2所述的二维EK-PRB装置，其中，所述阴极(1)的内径为8-10cm，外径为8.4-10.4cm；所述阳极(2)的直径为2-4cm；所述多孔PVC管(5)的内径为7-9cm，外径为7.4-9.4cm。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及一种用于污染土壤修复的电动力学-渗透反应格栅 (EK-PRB)装置，特别涉及用于重金属污染水稻土修复的二维EK-PRB装置。

背景技术

因重金属有毒和长期存在的特点，重金属土壤污染已经是世界普遍存在的问题。而大米作为我国居民主食之一，水稻田在我国分布广泛，水稻田被重金属污染将导致大米中污染物被生物放大，并通过食物链或直接摄入的方式危害人体健康。目前用于污染土壤的治理技术有很多，比如固化\/稳定化、植物修复、土壤淋洗和电动修复，由于水稻田一般含有的粘土成分比较高，因此土壤淋洗并不适合水稻田土壤修复，固化\/稳定化也并不能保证水稻田中重金属长期稳定存在。电动修复技术(EK)因其能够适用于低渗透性土壤(包括水稻田)和同时去除多种污染物的优点而受到广泛关注，其可与土壤淋洗、生物淋滤、植物修复和渗透性反应墙(PRB)等技术联用。

一般传统电动修复装置阴阳极间距非常短，大约20cm，不适合在野外现场使用。由于阴阳极电压作用距离短、处理时间长、效率低，污染物单一(主要是重金属Cd或Cr)，而目前我国水稻土污染主要以多重金属复合污染较普遍。此外，某些电动修复活化剂会对修复后的土壤生态环境造成二次污染，如被广泛应用于植物和各种淋洗修复技术中的螯合剂EDTA几乎可以与所有过渡重金属离子形成稳定的水溶性螯合物，在自然环境体系中难以降解，而长期稳定存在。此类修复后残留的水溶性重金属螯合物具有强淋溶性，会随着雨水下渗而污染地下水。因此，迫切需要研发一套修复效率高、费用低、绿色环保、可操作性强，适用于重金属污染水稻土原位修复的装置。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种用于重金属污染水稻土修复的电动力学-渗透反应格栅(EK-PRB)装置。EK-PRB联合修复技术是近几年来兴起的一种新型、绿色环保的土壤修复技术，主要是将电动修复技术 (EK)与渗透性反应墙技术(PRB)结合起来共同修复污染土壤，该技术结合了两种修复技术的优势。

具体而言，本实用新型提供了如下技术方案：

一种用于重金属污染水稻土修复的二维EK-PRB装置，包括直流电源6、电极、电解液和PRB活性反应材料3，所述直流电源6通过导线7与电极相连；所述电极包括相互平行的四个阳极2和一个阴极1，所述阳极2为圆柱形不锈钢电极且在同一水平面上按照其中心点依次相连围成正方形，任一所述阳极2设置在多孔PVC管5中，所述阴极1为多孔不锈钢管电极且位于所述正方形的中心位置；所述电解液被容纳在所述多孔PVC管5内和阴极1 内；所述PRB活性反应材料3设置在所述多孔PVC管5或阴极1的周围。

优选的，上述装置中，所述多孔PVC管5和阴极1的外表面均依次包覆有防水膜14和滤网15。

优选的，上述装置中，所述多孔PVC管5设有阳极电解液进口8和阳极电解液出口9。

优选的，上述装置中，所述阴极1设有阴极电解液进口10和阴极电解液出口11。

优选的，上述装置中，所述阴极1和阳极2的间距为100-150cm。

优选的，上述装置中，所述电极的长度为90-100cm且其顶部设置为高出污染土壤10-20cm。

优选的，上述装置中，所述阴极1的内径为8-10cm，外径为8.4-10.4cm；所述阳极2的直径为2-4cm；所述多孔PVC管5的内径为7-9cm，外径为 7.4-9.4cm。

本实用新型的有益效果为：

(1)本实用新型的二维EK-PRB装置使得EK-PRB技术应用于重金属污染水稻土原位修复成为可能，所述装置的阴阳电极采用正方形布局，克服了以往阴阳电极作用距离短，电场分布不均匀的缺点，对深层的污染物有更高的去除效率；

(2)本实用新型的二维EK-PRB装置中阳极采用不锈钢电极，能够在电极表面产生铁氧化层而不参与电解反应，从而阻止通过阳极腐蚀作用导致强烈酸化。

(3)本实用新型的二维EK-PRB装置用防水膜和滤网将多孔PVC管和阴极包覆，可以有效防止电解液的泄漏，阻止土壤进入多孔PVC管中和作为阴极的多孔不锈钢管电极中；

(4)本实用新型的二维EK-PRB装置可以根据污染重金属种类，灵活选择PRB活性反应材料的安装位置。

下面结合附图和各个具体实施方式，对本实用新型及其有益技术效果进行详细说明。

附图说明

图1为实施例1中二维EK-PRB装置电极布局图单元。

图2为实施例1中阴极系统结构图。

图3为实施例1中阳极系统结构图。

图4为实施例1中阳极系统剖面图。

图5为实施例1中场地二维EK-PRB装置整体布局图。

图中标记说明如下：1-阴极、2-阳极、3-PRB活性反应材料、4-重金属污染水稻土、5-多孔PVC管、6-直流电源、7-导线、8-阳极电解液进口、9-阳极电解液出口、10-阴极电解液进口、11-阴极电解液出口、12-第一蠕动泵、 13-第二蠕动泵、14-防水膜、15-滤网。

具体实施方式

本实用新型提供一种用于重金属污染水稻土修复的二维EK-PRB装置，其包括直流电源6、电极、电解液和PRB活性反应材料3，所述直流电源6 通过导线7与电极相连；所述电极包括相互平行的四个阳极2和一个阴极1，所述阳极2为圆柱形不锈钢电极且在同一水平面上按照其中心点依次相连围成正方形，任一所述阳极2设置在多孔PVC管5中，所述阴极1为多孔不锈钢管电极且位于所述正方形的中心位置；所述电解液被容纳在所述多孔PVC 管5内和阴极1内；所述PRB活性反应材料3设置在所述多孔PVC管5或阴极1的周围。

本实用新型的二维EK-PRB装置中阴阳电极采用正方形布局，克服了以往阴阳电极作用距离短，电场分布不均匀的缺点，且比六边形布局在相同电压下具有更高的电流，对深层污染物的去除效率更高。同时，阳极采用不锈钢电极，能够在电极表面产生铁氧化层而不参与电解反应，从而阻止通过阳极腐蚀作用导致强烈酸化。

本实用新型中所述的重金属污染可以是单一重金属污染或多种重金属污染，可以根据污染重金属种类灵活选择PRB反应材料，最后选定了沸石、铸铁屑、改性凹凸棒土、磷灰石和活性炭中的一种或几种，其PRB反应材料来源广泛，价格低廉，材料失效后可以随时更换。在本实用新型的一种优选实施方式中，PRB反应材料按照一定比例装在长15cm*宽10cm的尼龙袋中，然后通过铁丝网将尼龙袋与多孔PVC管5或作为阴极1的多孔不锈钢管电极围拢固定。

在本实用新型的一种优选实施方式中，所述直流电源6采用太阳能供电为主、发电机或市电为辅的供电系统。直流电源6的输出电压为0～220V并可通过变压器随时调节输出电压，电压梯度为1～2V\/cm。

在本实用新型的一种优选实施方式中，所述电解液包括被容纳在多孔 PVC管5内的阳极电解液NaOH溶液和被容纳在阴极1内的阴极电解液柠檬酸。

在本实用新型的一种优选实施方式中，所述多孔PVC管5和阴极1的外表面均依次包覆有防水膜14和滤网15。本实用新型用防水膜14和滤网15 将多孔PVC管5和阴极1包覆，可以有效防止电解液的泄漏，阻止土壤进入多孔PVC管5和作为阴极1的多孔不锈钢管电极中。

在本实用新型的一种优选实施方式中，根据修复场地面积大小，可同时采用多个EK-PRB装置，然后按照正方形布局摆放阳极2，在每个正方形的中心位置摆放阴极1，该布局方式使得EK-PRB技术应用于野外水稻土原位修复成为可能。

一种利用上述EK-PRB装置修复重金属污染水稻土的方法，包括以下步骤：

步骤一：提供PRB活性反应材料3，并将所述PRB活性反应材料3填装在尼龙网中；

步骤二：设置电极，阳极2采用正方形方式布置，阴极1位于正方形的中心位置，待修复的土壤位于阴阳电极之间，以多孔PVC管5或阴极1为中心，在周围设置一圈铁丝网，将填装有PRB反应活性材料的尼龙袋放置在多孔PVC管5或阴极1与铁丝网的间隙中。对于阳离子型重金属类(如Cd、 Pb、Cu、Zn)，则以多孔PVC管5为中心，即以阳极2为中心，设置PRB 活性反应材料；对于阴离子型重金属(如Cr、As)，则以多孔不锈钢管电极为中心，即以阴极1为中心，设置PRB活性反应材料；若为阴阳离子型重金属类(如Cd、As离子共存)，则分别以阴极1和阳极2为中心，设置PRB 活性反应材料。

步骤三：打开蠕动泵，使电解液进入多孔PVC管5内和阴极1内调节阴阳两极pH值，接通电源进行土壤修复；

步骤四：待修复完成后，将装置取出，重新布置，继续进行下一块水稻土修复。

进一步地，在步骤三中，所述土壤含水率保持在30％以上。

下面通过具体实施例来进一步说明本实用新型所述用于重金属污染水稻土修复的二维EK-PRB装置。

实施例1

本实施例的EK-PRB装置包括直流电源6、电极、电解液和PRB活性反应材料3，所述电极包括四个阳极2和一个阴极1，四个阳极2采用并联的方式与阴极1构成四对电极，直流电源6通过导线7与电极相连。

如图2所示，本实施例的阴极1为下端闭合的多孔不锈钢管电极，其内径φ2为10cm，外径为10.4cm，壁厚0.2cm，长度H2为100cm。阴极1设有阴极电解液进口10和阴极电解液出口11，且其外表面依次包覆有Gor-tex 防水膜和80-100目数的滤网，防止土壤进入多孔不锈钢管电极中和阴极电解液的泄漏。本实施例的PRB活性反应材料3为沸石、改性凹凸棒土和磷灰石按质量比1:1:2均匀混合而成，其被填装在尼龙袋中，通过铁丝网包覆在阴极1的一圈外表面，其包覆的高度H3为90cm，外径Φ3为120cm。

如图3和图4所示，本实施例的阳极2为圆柱形不锈钢电极，其直径φ为3cm，高度h为90cm，任一所述阳极2设置在下端闭合的多孔PVC管5 中，多孔PVC管5内径φ1为7cm，外径为7.4，长度H1为100cm。多孔 PVC管5设有阳极电解液进口8和阳极电解液出口9，且其外表面依次包覆有Gor-tex防水膜14和80-100目数的滤网15，防止土壤进入多孔PVC管5 中和阳极电解液的泄漏，同时，多孔PVC管5中设有一根细PVC软管，其上端与阳极电解液进口8相连，下端位于多孔PVC管5的底部，使进入多孔 PVC管5的阳极电解液从下部向上流动。

如图1所示，四个阳极2按照其中心点依次相连围成正方形，阴极1位于正方形的中心位置，第一蠕动泵12连接多孔PVC管5的阳极电解液进口 8，第二蠕动泵13连接阴极1的阴极电解液进口10。

本实施例所述电解液包括被容纳在多孔PVC管5中的阳极电解液NaOH 溶液和被容纳在阴极1中的阴极电解液柠檬酸。

本实施例的试验用土为湖南湘潭地区的某重金属污染水稻土，如图5所示，试验区长L为4.5m，宽D为3m，深度H为0.8m。将多组EK-PRB装置的电极以图5所示的摆放方式竖直插入土壤中，阴极1位于正方形中心，而阳极2位于正方形四个顶点，阴极1和阳极2的间距d为100cm。阳极电解液出口9和阴极电解液出口11设置在地面以下位置有利于过剩的电解液排出。通过第一蠕动泵12将阳极电解液NaOH溶液起初以0.2ml\/min的流速不断加入多孔PVC管5中，过剩的NaOH溶液从阳极电解液出口9流出，通过第二蠕动泵13将阴极电解液柠檬酸起初以0.5ml\/min的流速不断加入阴极 1中，多余的柠檬酸溶液从阴极电解液出口11流出，土壤含水率保持在40％左右，在阴阳电解池中分别安装了热电偶温度计和pH计，实时监测温度和 pH值变化。施加直流电，电压梯度为2V\/cm，开始进行土壤修复处理，处理时间为期8周，处理结果见表1。

表1实施例处理前后污染土壤指标变化

设计图

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