一種光伏技術結合分區(qū)域滲析修復重金屬污染土壤的系統(tǒng)及使用方法
【專利摘要】一種光伏技術結合分區(qū)域滲析修復重金屬污染土壤的系統(tǒng)及使用方法，它涉及一種光伏技術結合分區(qū)域滲析修復重金屬污染土壤的系統(tǒng)及使用方法。本發(fā)明的目的是為了解決現有的土壤重金屬污染的治理方法，存在成本較高和治理周期較長的問題。該系統(tǒng)包括太陽能光伏發(fā)電裝置、酸堿控制裝置和陰極液循環(huán)系統(tǒng)。首先重金屬污染土壤中安裝正負電極，正負電極均為碳纖維制成，利用太陽能電池組件形成電流，之后針對土壤中pH值劃分處理帶，將滲析管埋入擬治理土壤中，重金屬依靠電動遷移作用運動到陰極溶液中，對陰極液中重金屬離子回收后，將處理后的溶液注入陽極，實現溶液的循環(huán)。本發(fā)明具有成本低、周期短的優(yōu)點。本發(fā)明應用于土壤修復領域。
【專利說明】
一種光伏技術結合分區(qū)域滲析修復重金屬污染土壤的系統(tǒng)及使用方法
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及一種光伏技術結合分區(qū)域滲析修復重金屬污染土壤的系統(tǒng)及使用方法。
【背景技術】
[0002]目前我國受鎘、砷、銅、鉻、銅等重金屬污染的耕地面積近2000萬公頃，約占耕地總面積的1/5。土壤環(huán)境污染一旦發(fā)生，僅僅依靠切斷污染源的方法往往很難自我恢復，必須采用各種有效的治理技術才能解決現實污染問題。由于重金屬污染的危害性和特殊性，重金屬污染土壤的修復技術己經成為全球環(huán)境科學與工程領域的研究熱點之一。國內外己發(fā)展起來多種土壤重金屬污染治理技術，如植物修復、化學萃取、固定化、施加改良劑、熱修復、氣相抽提、微生物修復、電動力、多技術聯用等技術。
[0003]與其他技術相比，電動力學技術在金屬污染修復方面有其獨特的優(yōu)勢:
[0004](I)與挖掘、土壤沖洗等異位技術相比，電動力學技術可原位處理污染土壤，最大程度地保護土壤上層的建筑結構；
[0005](2)電動力學技術改變土壤中原有成分的pH使金屬離子活化，不會影響土壤中的其他成分，且該過程不受土壤低滲透性的影響；
[0006](3)與化學穩(wěn)定化不同，電動力學技術中金屬離子從根本上完全被去除而不是通過向土壤中引人新的物質與金屬離子結合產生沉淀物實現的；
[0007](4)對于不能原位修復的現場，可以采用異位修復的方法；
[0008](5)可能對飽和層和不飽和層都有效；
[0009](6)水力傳導性較低特別是薪土含量高的土壤適用性較強；
[0010](7)對有機和無機污染物都有效果。
[0011]在應用上，現有的電動力學技術存在一些限制因素:(I)污染物的溶解性和污染物從土壤膠體表面的脫附性能對該技術的成功應用有重要影響；(2)土壤含水量低于10%的場合，處理效果大大降低；(3)處理過程需要外加電能，造成能量消耗；(4)電動處理過程陰極和陽極會出現堿區(qū)和酸區(qū)，嚴重影響土壤的處理效果。
[0012]在申請?zhí)枮镃N201520553410.9提供一種治理金屬污染土壤的系統(tǒng)，包括滲析管、管件、輸水管、水源、析鹽柱及處理設備，滲析管埋入擬治理土壤中且通過管件及輸水管與水源相連接以組成供水網，以在供水第一預置時間后形成以滲析管為軸心的圓柱形濕潤體且相鄰兩濕潤體相交形成金屬離子富集的交集區(qū)域;析鹽柱下半部插入交集區(qū)域且上半部裸露于地面，以在持續(xù)第二預置時間后，通過析鹽柱下半部持續(xù)地吸取土壤溶液且水分通過析鹽柱上半部持續(xù)地蒸發(fā)，使得金屬離子富集于析鹽柱中；處理設備，用于移除析鹽柱中的金屬離子并進行后續(xù)處理，以實現對擬治理土壤中金屬污染的處理。該方法受外界環(huán)境條件影響大，實施周期過長。
[0013]在申請?zhí)枮镃N201210000964.7提供一種電動力學聯合滴灌修復重金屬污染土壤方法。該方法是在重金屬污染土壤兩端安裝正負電極，正負電極均為碳纖維制成，在正負電極與污染土壤間分別放置吸附劑，在吸附劑附近土壤的上方設置滴灌裝置，將電解液、緩沖液或絡合劑等緩慢滴加到兩側污染土壤中，對電極進行周期性極性陰陽切換，重金屬依靠電動迀移作用運動并被吸附劑吸附從而降低其在土壤中的濃度。該方法耗能大，并且未考慮處理過程中在不同區(qū)域土壤的PH值不同。在影響處理效果的的各種因素中，控制土壤酸堿度非常重要。PH可以改變污染物的化學狀態(tài)，可以改變電滲流的大小和方向，影響土壤孔隙污染物的對流運輸，可以極化電極并減少直流電場的有效性。目前電動力處理重金屬污染的實驗，為保證較好的處理效果，提供的電壓約lv/cm，電流約為10mA，大規(guī)模應用處理土壤時，耗能高。
[0014]目前現有的土壤重金屬污染的治理方法，存在成本較高和治理周期較長的問題。因此，研究更為先進、更為有效和更為經濟的污染土壤修復、治理的各項技術與方法刻不容緩。

【發(fā)明內容】

[0015]本發(fā)明的目的是為了解決現有的土壤重金屬污染的治理方法，存在成本較高和治理周期較長的問題，提供一種光伏技術結合分區(qū)域滲析修復重金屬污染土壤的系統(tǒng)及使用方法。
[0016]本發(fā)明一種光伏技術結合分區(qū)域滲析修復重金屬污染土壤的系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括太陽能光伏發(fā)電裝置、酸堿控制裝置和陰極液循環(huán)系統(tǒng)，太陽能光伏發(fā)電裝置和陰極液循環(huán)系統(tǒng)位于該系統(tǒng)的左上角，酸堿控制裝置位于該系統(tǒng)的右上角；其中所述的酸堿控制裝置包括酸液箱、堿液箱和滲析管，酸液箱一側與輸酸管連通，堿液箱一側與輸堿管連通、輸酸管和輸堿管均通過酸堿調節(jié)閥與酸堿輸送管連通，酸堿輸送管與滲析管連通;太陽能光伏發(fā)電裝置包括太陽能組件、陽極管和陰極管;其中陽極管內部設有陽極液和陽極，陰極管內部設有陰極液和陰極，太陽能組件通過陽極導線與陽極管內的陽極連通，且通過陰極導線與陰極管內的陰極連通；陰極液循環(huán)系統(tǒng)通過輸入管與陰極管內的陰極液相連，通過輸出管與陽極管內的陽極液相連。
[0017]本發(fā)明一種光伏技術結合分區(qū)域滲析修復重金屬污染土壤的系統(tǒng)的使用方法，其特征在于該方法為:選定待處理的土地區(qū)域，在待處理的土地區(qū)的土壤內交替布置陽極管和陰極管，將待處理的土地區(qū)域劃分為不同的酸堿處理帶，將注滲析管打入不同的酸堿處理帶的土壤中，滲析管與酸堿輸送管連通，再根據最終土壤的pH值達到5±0.2，計算注入的酸堿流量;然后開啟系統(tǒng)，土壤中的重金屬離子在陰極和陽極的作用下進入陰極液中，陰極液通過輸入管進入陰極液循環(huán)系統(tǒng)，在陰極液循環(huán)系統(tǒng)內回收重金屬離子，得到處理后的溶液，處理后的溶液經過循環(huán)水栗進入陽極液，即完成。
[0018]太陽能光伏發(fā)電裝置包括太陽能電池組件、控制器、蓄電池和碳棒。通過太陽能電池組件經控制器，將太陽能轉化為電能儲存在蓄電池內，通過以碳棒作為電極將電能導入土壤中，將電極至于土壤內部，根據需求制作成多個正電極和負電極，電極布置有多種選擇，通過形成的電場來驅動金屬離子的迀移。
[0019]酸堿控制裝置包括酸堿控制裝置包括酸液箱、堿液箱和滲析管。在處理過程中，土壤中PH值隨著距離電極的不同位置而變化，根據pH值劃分成不同的處理帶。利用抽水栗抽取配置好的酸堿液。滲析管為管壁布滿微孔的管。滲析管以埋入擬治理土壤中且通過管件及酸堿輸送管與酸液箱、堿液箱相連接以組成供水網，形成以每根滲析管為軸心的圓柱形濕潤體且相鄰兩濕潤體相交形成金屬離子富集的交集區(qū)域，其中，濕潤體中的水流方向為從圓柱形軸心到圓柱形側面，通過滲析管滴加在特定的處理帶，調節(jié)該區(qū)域至最佳PH值，使得金屬離子最大程度處于游離態(tài)。
[0020]處理一段時間后，將陰極液流進陰極液循環(huán)系統(tǒng)，實現溶液中重金屬回收，將處理后的溶液經過循環(huán)水栗送回陽極液，實現電極液體的循環(huán)利用。
[0021]整個土壤重金屬污染治理系統(tǒng)由上訴三個主要裝置組成，通過太陽能光伏發(fā)電裝置提供電能，之后經過酸堿控制裝置實現金屬離子的最佳處理效果，最后陰極液循環(huán)系統(tǒng)實現重金屬從土壤中分離和溶液的循環(huán)。
[0022]本發(fā)明的有益效果:
[0023]與現有的技術方案相比，本發(fā)明具有以下的優(yōu)勢:
[0024](I)利用光伏技術，大大降低處理過程中的能耗，經濟性好。
[0025](2)電極布置采用交錯式，有利于重金屬污染物的迀移。
[0026](3)采用滲析管。根據不同位置酸堿性的不同，有針對性的調節(jié)PH，使處理過程中土壤各處始終保持在最適PH，大大提高了污染物的溶解性和脫附性，同時保證了土壤的含水率，提尚處理效果。
[0027](4)放電技術和酸堿調控技術可以進一步增快反應，治理周期短。
【附圖說明】
[0028]圖1為本發(fā)明光伏技術結合分區(qū)域滲析修復重金屬污染土壤的系統(tǒng)示意圖；
[0029]圖2為實施例1的陰極管和陽極管排布圖。
【具體實施方式】
[0030]本發(fā)明技術方案不局限于以下所列舉的【具體實施方式】，還包括各【具體實施方式】之間的任意組合。
[0031]【具體實施方式】一:本實施方式一種光伏技術結合分區(qū)域滲析修復重金屬污染土壤的系統(tǒng)包括太陽能光伏發(fā)電裝置、酸堿控制裝置和陰極液循環(huán)系統(tǒng)I，太陽能光伏發(fā)電裝置和陰極液循環(huán)系統(tǒng)I位于該系統(tǒng)的左上角，酸堿控制裝置位于該系統(tǒng)的右上角;其中所述的酸堿控制裝置包括酸液箱2、堿液箱16和滲析管14，酸液箱2—側與輸酸管11連通，堿液箱16一側與輸堿管12連通、輸酸管11和輸堿管12均通過酸堿調節(jié)閥13與酸堿輸送管15連通，酸堿輸送管15與滲析管14連通;太陽能光伏發(fā)電裝置包括太陽能組件3、
[0032]陽極管6和陰極管8;其中陽極管6內部設有陽極液和陽極7，陰極管8內部設有陰極液和陰極18，太陽能組件3通過陽極導線10與陽極管6內的陽極7連通，且通過陰極導線9與陰極管8內的陰極18連通；陰極液循環(huán)系統(tǒng)I通過輸入管4與陰極管8內的陰極液相連，通過輸出管5與陽極管7內的陽極液相連。
[0033]太陽能光伏發(fā)電裝置包括太陽能電池組件、控制器、蓄電池和碳棒。通過太陽能電池組件經控制器，將太陽能轉化為電能儲存在蓄電池內，通過以碳棒作為電極將電能導入土壤中，將電極至于土壤內部，根據需求制作成多個陽極和陰極，電極布置有多種選擇，通過形成的電場來驅動金屬離子的迀移。
[0034]酸堿控制裝置包括酸堿控制裝置包括酸液箱2、堿液箱16和滲析管14。在處理過程中，土壤中pH值隨著距離電極的不同位置而變化，根據pH值劃分成不同的處理帶。利用抽水栗抽取配置好的酸堿液。滲析管14為管壁布滿微孔的管。滲析管14以埋入擬治理土壤中且通過管件及酸堿輸送管15與酸液箱2、堿液箱16相連接以組成供水網，形成以每根滲析管14為軸心的圓柱形濕潤體且相鄰兩濕潤體相交形成金屬離子富集的交集區(qū)域，其中，濕潤體中的水流方向為從圓柱形軸心到圓柱形側面，通過滲析管14滴加在特定的處理帶，調節(jié)該區(qū)域至最佳pH值，使得金屬離子最大程度處于游離態(tài)。
[0035]處理一段時間后，將陰極液流進陰極液循環(huán)系統(tǒng)I，實現溶液中重金屬回收，將處理后的溶液經過循環(huán)水栗送回陽極液，實現電極液體的循環(huán)利用。
[0036]整個土壤重金屬污染治理系統(tǒng)由上訴三個主要裝置組成，通過太陽能光伏發(fā)電裝置提供電能，之后經過酸堿控制裝置實現金屬離子的最佳處理效果，最后陰極液循環(huán)系統(tǒng)I實現重金屬從土壤中分離和溶液的循環(huán)。
[0037]【具體實施方式】二:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是:滲析管14位于陽極管6和陰極管8之間的區(qū)域。其它與【具體實施方式】一相同。
[0038]【具體實施方式】三:本實施方式與【具體實施方式】一或二不同的是:所述的陽極管6、陰極管8和滲析管14位于土壤17內部。其它與【具體實施方式】一或二相同。
[0039]【具體實施方式】四:本實施方式與【具體實施方式】一至三之一不同的是:所述的太陽能組件3包括太陽能電池組件、控制器和蓄電池。其它與【具體實施方式】一至三之一相同。
[0040]【具體實施方式】五:本實施方式與【具體實施方式】一至四之一不同的是:酸堿輸送管15是若干個平行排布于土壤16表面。其它與【具體實施方式】一至四之一相同。
[0041 ]【具體實施方式】六:本實施方式與【具體實施方式】一至五之一不同的是:酸堿控制裝置2內設有抽水栗。其它與【具體實施方式】一至五之一相同。
[0042]【具體實施方式】七:本實施方式與【具體實施方式】一至六之一不同的是:陰極液循環(huán)系統(tǒng)I內設有循環(huán)水栗。其它與【具體實施方式】一至六之一相同。
[0043]【具體實施方式】八:本實施方式與【具體實施方式】一至七之一不同的是所述的陰極18和陽極7均為碳棒。其它與【具體實施方式】一至七之一相同。
[0044]【具體實施方式】九:本實施方式與【具體實施方式】一至八之一不同的是所述滲析管14為微潤管、塑料多孔管、多孔陶瓷管、燒結金屬微孔管、開孔發(fā)泡橡膠管或纖維紡織管。其它與【具體實施方式】一至八之一相同。
[0045]本實施方式中微潤管的管壁上具有微孔，所述微孔的孔徑為每平方厘米50個。
[0046]【具體實施方式】十:本實施方式一種光伏技術結合分區(qū)域滲析修復重金屬污染土壤的系統(tǒng)的使用方法為:選定待處理的土地區(qū)域，在待處理的土地區(qū)的土壤17內交替布置陽極管6和陰極管8，將待處理的土地區(qū)域劃分為不同的酸堿處理帶，將注滲析管14打入不同的酸堿處理帶的土壤17中，滲析管14與酸堿輸送管15連通，再根據最終土壤的pH值達到5土
0.2，計算注入的酸堿流量;然后開啟系統(tǒng)，土壤中的重金屬離子在陰極和陽極的作用下進入陰極液中，陰極液通過輸入管4進入陰極液循環(huán)系統(tǒng)I，在陰極液循環(huán)系統(tǒng)I內回收重金屬離子，得到處理后的溶液，處理后的溶液經過循環(huán)水栗進入陽極液，即完成。
[0047]與現有的技術方案相比，本實施方式具有以下的優(yōu)勢:
[0048](I)利用光伏技術，大大降低處理過程中的能耗，經濟性好。
[0049](2)電極布置采用交錯式，有利于重金屬污染物的迀移。
[0050](3)采用滲析管。根據不同位置酸堿性的不同，有針對性的調節(jié)PH，使處理過程中土壤各處始終保持在最適PH，大大提高了污染物的溶解性和脫附性，同時保證了土壤的含水率，提尚處理效果。
[0051](4)放電技術和酸堿調控技術可以進一步增快反應，治理周期短。
[0052]【具體實施方式】^^一:本實施方式與【具體實施方式】十不同的是:劃分為不同的酸堿處理帶的方法為:根據土壤pH距陰極管8距離的變化符y =-0.0003x3+0.019x2_0.42x+10，計算土壤pH值，其中y為pH值，X為土壤距陰極管8的距離，pH值I?3變化率為一個酸堿處理帶。其他與【具體實施方式】十相同。
[0053 ]通過以下實施例驗證本發(fā)明的有益效果:
[0054]實施例1
[0055]本實施例一種光伏技術結合分區(qū)域滲析修復重金屬污染土壤的系統(tǒng)的使用方法為，選定一待處理的5mX5m 土地區(qū)域。按照圖2在待處理的土地區(qū)的土壤17內交替布置陽極管6和陰極管8，將待處理的土地區(qū)域劃分為不同的酸堿處理帶，將注滲析管14打入不同的酸堿處理帶的土壤17中，滲析管14與酸堿輸送管15連通，再根據最終土壤的pH值達到5土
0.2，計算注入的酸堿流量;然后開啟系統(tǒng)，土壤中的重金屬離子在陰極和陽極的作用下進入陰極液中，陰極液通過輸入管4進入陰極液循環(huán)系統(tǒng)I，在陰極液循環(huán)系統(tǒng)I內回收重金屬離子，得到處理后的溶液，處理后的溶液經過循環(huán)水栗進入陽極液，即完成。
[0056]本實施例劃分為不同的酸堿處理帶的方法為:根據土壤pH距陰極管8距離的變化符y = -0.0003x3+0.019x2-0.42x+10，計算土壤pH值，其中y為pH值，x為土壤距陰極管8的距離，pH值I?3變化率為一個酸堿處理帶。
[0057]連續(xù)處理8個小時后，對比處理前后土壤中Cd和Pb的含量，離子濃度分別由I.32mg/kg和54.34mg/kg降為I.17mg/kg和48.86mg/kg。
[0058]由實施例可知，本實施例利用光伏技術，大大降低處理過程中的能耗，經濟性好；電極布置采用交錯式，有利于重金屬污染物的迀移;采用滲析管。根據不同位置酸堿性的不同，有針對性的調節(jié)PH，使處理過程中土壤各處始終保持在最適PH，大大提高了污染物的溶解性和脫附性，同時保證了土壤的含水率，提高處理效果;放電技術和酸堿調控技術可以進一步增快反應，治理周期短。
【主權項】
1.一種光伏技術結合分區(qū)域滲析修復重金屬污染土壤的系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括太陽能光伏發(fā)電裝置、酸堿控制裝置和陰極液循環(huán)系統(tǒng)(I)，太陽能光伏發(fā)電裝置和陰極液循環(huán)系統(tǒng)(I)位于該系統(tǒng)的左上角，酸堿控制裝置位于該系統(tǒng)的右上角;其中所述的酸堿控制裝置包括酸液箱(2)、堿液箱(16)和滲析管(14)，酸液箱(2)—側與輸酸管(11)連通，堿液箱(16)—側與輸堿管(12)連通，輸酸管(11)和輸堿管(12)均通過酸堿調節(jié)閥(13)與酸堿輸送管(15)連通，酸堿輸送管(15)與滲析管(14)連通;太陽能光伏發(fā)電裝置包括太陽能組件(3)、陽極管(6)和陰極管(8);其中陽極管(6)內部設有陽極液和陽極(7)，陰極管(8)內部設有陰極液和陰極(18)，太陽能組件(3)通過陽極導線(10)與陽極管(6)內的陽極(7)連通，且通過陰極導線(9)與陰極管(8)內的陰極連通；陰極液循環(huán)系統(tǒng)(I)通過輸入管(4)與陰極管(8)內的陰極液相連，且通過輸出管(5)與陽極管⑴內的陽極液相連。2.根據權利要求1所述的一種光伏技術結合分區(qū)域滲析修復重金屬污染土壤的系統(tǒng)，其特征在于滲析管(14)位于陽極管(6)和陰極管(8)之間的區(qū)域。3.根據權利要求1所述的一種光伏技術結合分區(qū)域滲析修復重金屬污染土壤的系統(tǒng)，其特征在于所述的陽極管(6)、陰極管(8)和滲析管(14)位于土壤(17)內部。4.根據權利要求1所述的一種光伏技術結合分區(qū)域滲析修復重金屬污染土壤的系統(tǒng)，其特征在于所述的太陽能組件(3)包括太陽能電池組件、控制器和蓄電池。5.根據權利要求1所述的一種光伏技術結合分區(qū)域滲析修復重金屬污染土壤的系統(tǒng)，其特征在于酸堿輸送管(15)是若干個平行排布于土壤(16)表面。6.根據權利要求1所述的一種光伏技術結合分區(qū)域滲析修復重金屬污染土壤的系統(tǒng)，其特征在于酸堿控制裝置(2)內設有抽水栗。7.根據權利要求1所述的一種光伏技術結合分區(qū)域滲析修復重金屬污染土壤的系統(tǒng)，其特征在于陰極液循環(huán)系統(tǒng)(I)內設有循環(huán)水栗。8.根據權利要求1所述的一種光伏技術結合分區(qū)域滲析修復重金屬污染土壤的系統(tǒng)，其特征在于所述的陰極(18)和陽極(7)均為碳棒。9.如權利要求1所述的一種光伏技術結合分區(qū)域滲析修復重金屬污染土壤的系統(tǒng)的使用方法，其特征在于該方法為:選定待處理的土地區(qū)域，在待處理的土地區(qū)的土壤(17)內交替布置陽極管(6)和陰極管(8)，將待處理的土地區(qū)域劃分為不同的酸堿處理帶，將注滲析管(14)打入不同的酸堿處理帶的土壤(17)中，滲析管(14)與酸堿輸送管(15)連通，再根據最終土壤的pH值為5±0.2，計算注入的酸堿流量;然后開啟系統(tǒng)，土壤中的重金屬離子在陰極和陽極的作用下進入陰極液中，陰極液通過輸入管(4)進入陰極液循環(huán)系統(tǒng)(I)，在陰極液循環(huán)系統(tǒng)(I)內回收重金屬離子，得到處理后的溶液，處理后的溶液經過循環(huán)水栗進入陽極液，即完成。10.根據權利要求9所述的一種光伏技術結合分區(qū)域滲析修復重金屬污染土壤的系統(tǒng)的使用方法，其特征在于劃分為不同的酸堿處理帶的方法為:根據土壤PH距陰極管(8)距離的變化符y = -0.0003x3+0.019x2-0.42x+10，計算土壤pH值，其中y為pH值，x為土壤距陰極管(8)的距離，pH值為I?3變化率為一個酸堿處理帶。
【文檔編號】B09C1/08GK105903758SQ201610356259
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年5月25日
【發(fā)明人】高繼慧, 王妍, 佟磊, 周偉
【申請人】哈爾濱工業(yè)大學