CN107855353A - 一种重金属污染土壤的原位平面淋洗修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种重金属污染土壤的原位平面淋洗修复方法，该方法是将水喷淋至污染土壤上，加水、加酸、及添加可生物降解表面活性剂。水由表面流经土壤，经加温、翻耕、震荡，将重金属离子溶于水中，降低土壤中残留的重金属浓度。在较低位置收集的污水经电絮凝净化后重新回用作喷淋，无排放问题。表面活性剂于数周内自然降解，无化学残留物，或二次污染。该方法修复效率高，能耗低，且无二次污染，近零排放。

Description

一种重金属污染土壤的原位平面淋洗修复方法

技术领域

本发明涉及一种重金属污染土壤的原位平面淋洗修复方法，具体涉及一种在不移动土壤情况下，用水流经表面，清洗土壤，降低土壤中重金属含量，污水经净化后重复循环使用的方法，属于重金属污染土壤淋洗技术领域。

背景技术

土壤是地球表面疏松表层，用以种植食物及居住生活的场所，对人类生存生活至关重要。然而在人类活动中，造成土壤的重金属污染，如工业污泥、垃圾农用、污水灌溉、大气中污染物沉降，大量使用含重金属的矿质化肥和农药等等，这些污染散布在千万公顷良田里，及居住、工商业用地上。

重金属污染会经过种植食物的吸收，直接传输到人体，或经禽畜，间接由人体吸收。亦有重金属如汞、铅等经过空气进入人体。重金属污染危害最烈的为汞、镉、铬、铅、砷。其次为铜、锌、镍、铍、钡、硒等。重金属在人体中不能被分解，会逐渐累积。到一定浓度时，即会影响内分泌，并产生各种病痛。如镉会造成关节痛、神经痛及全身骨痛。世界上许多重金属污染造成的公害，广为人知。

鉴于重金属土壤污染的严重性，国家在2015年公布的土壤污染治理行动方案，又称土十条中对土壤污染治理有明确的规定。除了对农地的重金属含量有严格规定，对于居住、商业、工业、会展等用地重金属污染也有明确指标，在土地建筑利用前，需通过检验，符合各项污染指标后，方能开发利用。因此这一代人无序开发所造成的污染，需于这一代处理净化，不能遗害万年。

土壤修复是指利用物理、化学和生物的方法转移、吸收、降解和转化土壤中的污染物，使其浓度降低到可接受水平，或将有毒有害的污染物转化为无害的物质。目前重金属污染土壤修复技术主要有换土法、电动力学修复法、热解析法、玻璃化法、固定稳定化法、淋滤法及植物修复法，各有其优缺点。其中最彻底、且快速、经济、有效的方式为土壤淋洗。

淋洗修复分为原位(in situ)和异位(ex situ)两种，原位修复适用于污染物浓度较低，面积较大的情形，异位修复适用于污染严重，面积较小的情形。 原位又可分为平面(planner)及纵深(vertical) 修复两种，异位可分为场内(onsite)和异地(offsite)修复两种。本发明使用的是原位平面淋洗修复，即在不移动土壤情况下，水流经表面，将土壤清洗干净。当土质属于粘土性质，且污染物分佈较浅时，适用此方式。若土质属于砂土性质，且污染物分佈较深时，则需使用原位纵深修复。

土壤淋洗目前一般只注重将污泥洗净，然而清洗完后污水处理尚无明确工艺。如何污水不外排，不造成二次污染，并且将中水回用，节约水资源，使重金属污染土壤淋洗成为零污染，零排放的工艺，目前尚无明确整体方案。

发明内容

本发明提供一种重金属污染土壤的原位平面淋洗修复方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：

本发明一种重金属污染土壤的原位平面淋洗修复方法，将水喷淋在土壤上，水流经土壤表面时将重金属溶于水中，降低土壤中重金属浓度，在较低位置收集污水，进行污水净化，净化后重新用来喷淋清洗，形成水的循环使用。

进一步地，流经土壤为平行于表面的土壤。

进一步地，喷淋过程中土壤可加热、加酸、加表面活性剂及加土壤稳定剂。

进一步地，水流经土壤时进行搅拌、震荡操作。

进一步地，加热为燃料加热或太阳能加热。

进一步地，酸为盐酸HCl或硝酸HNO3。

进一步地，表面活性剂为可生物降解的表面活性剂。

进一步地，搅拌操作为耕耘机翻耕。

进一步地，震荡为超音波震荡。

进一步地，水喷淋清洗完成后，将土壤pH值调成碱性，并添加稳定剂，将残余重金属稳定在土壤晶格中，不易释出。

进一步地，污水净化使用电絮凝净化方式。

进一步地，电絮凝净化方式将重金属转换成氧化物。

进一步地，电絮凝采用多片电极板，直立平行排列。

进一步地，电絮凝使用电极串联或串联加并联方式。

进一步地，电絮凝所接电极每数分钟反转正负级一次。

本发明所达到的有益效果是：

1.本发明不需移动土壤，能耗低，无扬尘，无噪音，无二次污染，可大面积的实施。

2.本发明将土壤中重金属绝大部分转换成可溶性的形态，溶于水中，将污泥洗净。

3.翻耕可迅速将离表面约30厘米的污染土壤翻至表面，清洗干净。

4.清洗泥土时添加的表面活性剂能增进重金属在水中的溶解。

5.表面活性剂在数周内自然降解，不残留任何化学物质，无二次污染。

6.太阳能加温，增进淋洗效益。

7.污水经过电絮凝净化后成为清水，重新用来清洗污泥，成为一完整的循环，无任何污水排放问题。

8.污泥中分离出来的重金属多以氧化物存在，极少部分以氢氧化物存在，因此形态稳定，可作渗滤液测试，证明其不属于危险废物后，以一般固体废物填埋。

9.土壤清洗完后再将少量残余的重金属稳定化，减低生物毒性。

10.土壤改成微碱性，减少毒素病发生。

整个含重金属污染土壤淋洗过程成为零污染，零排放的工艺。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为土壤原位平面淋洗示意图；

图2为电絮凝原理示意图；

图3为电絮凝若干个电极串联结果示意图。

具体实施方式

以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为土壤原位平面淋洗示意图。在需整治的土地周围建筑土堤防止水外溢。水从一边注入，从另一边流出。重金属离子从土壤表面脱附至水中，再扩散至上层水流中被带走。水经过电絮凝净化后，重新回用。水面上覆盖黑色膜，增加太阳能吸收，增高水温，并防止水汽蒸发及散热。

图2为电絮凝的原理示意图。在水溶液中放置两片平行的电极板，通上直流电，就会产生电化学反应。如使用的是铁电极片，阳极产生铁离子Fe+3及亚铁离子Fe+2，带有很强的化学活性，可以将水中的重金属转换成氧化物。阴极产生氢氧离子OH-及氢气H2。氢氧化铁Fe(OH)3有絮凝作用，能吸附微小颗粒，形成较大的颗粒，易于过滤掉。羟基自由基(·OH)是最强的氧化剂，可降解COD。

图3为电絮凝若干个电极串联结果示意图。第一片电极接到正极，最后一片电极接到负极，中间的电极板不需要接到电源，以水当作介质，电压自然分布到所有电极片。电压为每对电极板之间的电压V乘以间隔数n，电流为每对电极板之间的电流I。

本发明为一种重金属污染土壤的原位平面淋洗修复方法，包括如下步骤：

步骤（1）、选择粘质土壤，且污染分布较浅的整治区域，周围筑一土堤，防止水外溢。在区域较高一端将水注入地面，最好水能浸没所有面积。将重金属溶于水中，然后水从另一端或较低的地方流出；

步骤（2）、水中可添加酸液、可生物降解表面活性剂，再加温、翻耕、并且超音波震荡，进行淋洗，将附着在泥沙表面的重金属从不可交换态转换成可交换态，并脱附下来，溶于水中；

步骤（3）、将污水经过电絮凝处理，使水中溶解的重金属，经过氧化、降解、絮凝、过滤出来得到清水，同时杀菌、除臭。清水可回用来清洗污泥。絮凝过滤出来的含重金属泥渣经压干后，含毒性低，经过渗滤液测试达标后可以当一般污泥处置。

步骤（4）、淋洗完后，在土壤中添加微量醎液或生石灰，将pH值调至微醎性，并添加土壤稳定剂，将残留的重金属转换成不可交换态，减少渗滤及生物毒性。

在步骤（1）中粘质土壤透水性低，因此水不易流失，且不易将污染物渗入地下较深的地方。也因此污染物在粘质土壤内的垂直分布多在20厘米以内，整治较容易。

若是地面水平，坡度小，且平整，如水田一样，整片面积都浸在水中，则所有地方都能均匀整治，积水深度可以较浅，同样的处理水流量，换水率可以加快，加速整治时间。

若地面不平整，或有斜度，仍可用此淋洗方式，只要维持表面湿度及水的流动性即可，但效果较低，所需整治时间加长。

在步骤（2）中酸液可以增进重金属在水中的溶解。重金属在土壤中主要分五种形态存在：可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化态、有机结合态、残渣态。其中可交换态易溶于水中，另四种形态较不易溶于水。在酸性环境下，这四种形态逐渐转换成可交换态，然后溶于水中，被去除掉。

阴离子表面活性剂可以降低水的表面张力，使表面附着的重金属污染物藉卷缩机理，较易从土壤表面脱附至水中。表面活性剂亦有增溶作用，增加污染物在水中溶解度。因此表面活性剂的添加，加速污染物在水中的溶解，更彻底清除污染物。

然而表面活性剂在水中有数百至数千ppm的浓度，淋洗完后，土壤中含有60-90%的水分，其中仍有残余的表面活性剂，造成二次污染。本发明使用可生物降解表面活性剂，如鼠李糖脂及槐糖脂，其本身即为微生物分解糖类生成，不含其他合成化学物质，因此残留在土壤中的表面活性剂可于数周内自然降解，无任何有害化学残留物，无二次污染的疑虑。

加温可使泥块松软，并增加污染物在水中的溶解及扩散。用燃料加温将非常耗能。用太阳能加温较经济有效。在水面上覆盖一层轻质黑色的吸热层，黑色能减少阳光反射并吸收较多的太阳能，将水加热。表面覆盖层同时减少风吹散热及水蒸汽散失，节约水资源。即使是3-5℃度的增温亦能加快重金属的溶解扩散，及整治时间。

超音波震荡藉空穴效应，使土壤表面吸附的重金属等污染物易于从土壤表面脱附下来，溶于水中。超音波板可覆盖约0.5m²面积，数片超音波板在水面来回缓慢移动将能覆盖整个区域，增加整治效益。

土壤污染随时间推移，渐往深处扩散，但大部分皆分布在20厘米cm深度内。水稻等食用作物根系约95%分布在深度30cm内，因此重金属污染整治也多着重在深度30cm内。在土壤淋洗时最有效的深度为2-5cm，因此需要翻耕，用耕耘机将30cm深的土壤翻至地面，进行淋洗。

通常表面1cm为污染浓度最高的地方，因此刚开始淋洗时溶解出来的重金属最多。数日后效应逐渐减低，此时用耕耘机将表层约5-10 cm的泥土翻耕，一方面使泥土松软，利于重金属从土中扩散出来，一方面让下层土壤有被淋洗的机会。此时水很浑浊，不利于后续水的净化。因此静置数日，让悬浮物沉降下来后，再继续让水循环淋洗。下一次翻耕为10-20cm深。如此淋洗、翻耕、静置、淋洗数个周期后，达到约30cm深度，或重金属浓度低于检测限值后，此区域淋洗完成，将水抽入另一区域，进行淋洗。每次翻耕增加的深度，总深度，及翻耕次数随污染物浓度及分布而定，翻耕次数越多，淋洗的越干净，相应的淋洗时间也加长。

在步骤（3）中电絮凝处理通过导电电极片串联通电来实现。

电絮凝处理的方法为：在水中放置二片以上的导电电极片，材质可以是铁、铝、不锈钢、铜、钛等金属片或石墨。电极片接到直流电源上，如图2所示。以铁片为例，金属电极片加直流电，阳极产生铁离子（Fe+3）及亚铁离子(Fe+2)，带有很强的化学活性，可以将水中的重金属转换成氧化物，如氧化镉CdO、 氧化铬Cr2O3、氧化铅PbO、氧化砷As2O3、As2O5、***HgO等，这些重金属氧化物在水中溶解度低，因此从水中析出。

阴极产生氢氧根 (OH-)。氢氧化铁作为凝聚的核心，能改变附近小颗粒表面的电子分布或是极性，从而将附近小颗粒吸附在一起，絮凝成较大的颗粒。当颗粒絮凝至微米以上时，气浮或者沉降下来，就容易被滤网过滤掉。

电极之间产生羟基自由基(·OH) ，是最强的氧化剂，可以将有机物长链碳键断裂，便于絮凝，甚至完全氧化成二氧化碳及水。因此对降解水中油污、COD非常有效。

电絮凝还能处理有机物、氯化物、农药、油污，并有漂白、杀菌、除臭等功能。

电絮凝设备中为增加处理效益，常用多个电极片。若干个电极接电方式有串联、并联及串联加并联三种方式。串联是高电压低电流，并联是低电压高电流，串联加并联是中电压中电流。在水处理设备中电极串联通常只需数百伏电压及数百安培电流，电源供应容易，因此可以用面积大数量多的电极片，处理大的水量。若是采用电极并联，同样的功率时电压低，电流大，可能需数千或上万安培，电源供应困难，因此只能作小水量的应用。本发明采用电极串联方式，因此才可能处理大水量。

在电絮凝反应时，有些水中杂质会沉积在电极板上，造成电极钝化，甚至短路。因此每数分钟正负极反转，使杂质不易沉积在电极片上，解决电极钝化问题。

当水中杂质絮凝成微米级颗粒后，气浮或沉降，从水中分离出来，可以用离心或压滤将这些颗粒去除，因此除掉水中杂质，得到清水。

清水回用来清洗污泥，水循环使用，只需补充少量流失的水，没有污水排放等二次污染问题。

淋洗的效率除了和重金属从泥土表面脱附速率有关外，还与换水的速率及重金属在水中的扩散速率有关，后者更常常是关键因素。因扩散速度较慢，不像异位淋洗那样迅速，因此原位淋洗常需数周以上的时间，但能同时处理数千平方米的面积，因此是以时间换取空间。

絮凝过滤出来的含重金属泥渣经压干，因其主要为重金属氧化物，类似矿物，含毒性低，经过浸出毒性鉴别后，可达到危险废物鉴别标准，因此可以当一般污泥处置，无危险废物排放问题。

在步骤（4）中淋洗完后，在土壤中添加微量醎液或生石灰，将pH值调至微醎性，并添加土壤稳定剂，将残留的重金属转换成不可交换态，减少渗滤及生物毒性。

酸性环境有利于重金属较快溶解释出，因此淋洗时所用的水是酸性。碱性环境下，重金属较稳定，利于从可交换态，逐渐向碳酸盐结合态、铁锰氧化态、有机结合态及残渣态方向转换，有助于将重金属稳定在土壤晶格中，大幅减低释出速率，减轻土壤中重金属的毒性。添加土壤稳定剂亦有类似功效。

碱性土壤并能减低对生物的病毒害。

最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种重金属污染土壤的原位平面淋洗修复方法，其特征在于，将水喷淋在土壤上，水流经土壤表面时将重金属溶于水中，降低土壤中重金属浓度，在较低位置收集污水，进行污水净化，净化后重新用来喷淋清洗，形成水的循环使用。

2.根据权利要求1一种重金属污染土壤的原位平面淋洗修复方法，其特征在于，流经土壤为平行于表面的土壤。

3.根据权利要求1一种重金属污染土壤的原位平面淋洗修复方法，其特征在于，喷淋过程中土壤可加热、加酸、加表面活性剂及加土壤稳定剂。

4.根据权利要求2一种重金属污染土壤的原位平面淋洗修复方法，其特征在于，水流经土壤时进行搅拌、震荡操作。

5.根据权利要求3一种重金属污染土壤的原位平面淋洗修复方法，其特征在于，加热为燃料加热或太阳能加热。

6.根据权利要求3一种重金属污染土壤的原位平面淋洗修复方法，其特征在于，酸为盐酸HCl或硝酸HNO3。

7.根据权利要求3一种重金属污染土壤的原位平面淋洗修复方法，其特征在于，表面活性剂为可生物降解的表面活性剂。

8.根据权利要求4一种重金属污染土壤的原位平面淋洗修复方法，其特征在于，搅拌操作为耕耘机翻耕。

9.根据权利要求4一种重金属污染土壤的原位平面淋洗修复方法，其特征在于，震荡为超音波震荡。

10.根据权利要求1一种重金属污染土壤的原位平面淋洗修复方法，其特征在于，水喷淋清洗完成后，将土壤pH值调成碱性，并添加稳定剂，将残余重金属稳定在土壤晶格中，不易释出。

11.根据权利要求1一种重金属污染土壤的原位平面淋洗修复方法，其特征在于，污水净化使用电絮凝净化方式。

12.根据权利要求11一种重金属污染土壤的原位平面淋洗修复方法，其特征在于，电絮凝净化方式将重金属转换成氧化物。

13.根据权利要求11一种重金属污染土壤的原位平面淋洗修复方法，其特征在于，电絮凝采用多片电极板，直立平行排列。

14.根据权利要求11一种重金属污染土壤的原位平面淋洗修复方法，其特征在于，电絮凝使用电极串联或串联加并联方式。

15.根据权利要求11一种重金属污染土壤的原位平面淋洗修复方法，其特征在于，电絮凝所接电极每数分钟反转正负级一次。