一種污染底泥的原位修復(fù)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種污染底泥的原位修復(fù)方法，屬于底泥原位修復(fù)【技術(shù)領(lǐng)域】，該方法為在污染底泥上覆蓋厚度為10~15cm的黃土層，黃土層與污染底泥交界面處設(shè)極性碳極I，在黃土層與水交界面處設(shè)極性碳極II，極性碳極I與電源負(fù)極相連作為陰極，極性碳極II與電源正極相連作為陽極，通電水解對污染底泥進(jìn)行原位修復(fù)即可。本發(fā)明在覆蓋材料中加入電極，通電水解時，可有效降解底泥中污染物，在底泥覆蓋層中迅速創(chuàng)造一個氧化還原梯度，提供電子供體與受體，刺激微生物生長，增強(qiáng)污染物的生物降解。
【專利說明】一種污染底泥的原位修復(fù)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于底泥原位修復(fù)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種污染底泥的原位修復(fù)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]水體污染是全球普遍存在的一個重要環(huán)境問題，在河流污染治理過程中，污染底泥的治理一直是主要的難點。污染物通過大氣沉降、雨水淋溶、廢水排放、水土流失與沖刷等途徑進(jìn)入水體，并逐漸沉降富集到水體底泥中。通過與上覆水體間的物理、化學(xué)和生物交換作用，底泥中的污染物會重新釋放，成為影響和制約上覆水質(zhì)的重要內(nèi)污染源。
[0003]美國環(huán)保局(EPA) 2004年提出“污染底泥修復(fù)導(dǎo)則”，提出了三種主要方法:疏浚，監(jiān)測下的自然修復(fù)和覆蓋。受污染的底泥經(jīng)常包含有毒的人為有機(jī)與無機(jī)污染物的復(fù)雜混合物。如果直接降解這些混合物，不僅花費大而且效率極為有限，若使其自然恢復(fù)，速率又很緩慢。在這種情況下，使用原位覆蓋來處理被污染的底泥。通過覆蓋，使底泥與上覆水隔開，阻止底泥污染物向上覆水的釋放。同時，覆蓋材料可以穩(wěn)固污染底泥，防止其再懸浮或者遷移，并且具有吸附作用，可以一定程度地減少污染物向上覆水?dāng)U散的通量。原位覆蓋方法簡單來說就是用一層材料覆蓋在底泥表面來隔離水生生態(tài)系統(tǒng)的污染物。然而，當(dāng)覆蓋材料飽和時，污染底泥對人類和環(huán)境健康的風(fēng)險又會出現(xiàn)。基于電化學(xué)技術(shù)的補(bǔ)救措施被開發(fā)出來，電極有可能安置在地下水或者底泥中處理氯化溶劑和活性化合物的污染物、混合有機(jī)無機(jī)廢物和重金屬。在這些情況下的電極可被直接用于降解污染物，在電極隔離污染物，或通過電動過程收集污染物用于進(jìn)一步處理；而這些過程都要求高電壓或者大量電極，增加了成本。顯 然，這些方法目前還不能完全滿足使用需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]發(fā)明目的:針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種污染底泥的原位修復(fù)方法，不僅可以刺激沉積物中的污染物降解，而且在底泥覆蓋層創(chuàng)造一個氧化還原梯度并且為污染物降解提供電子供體與受體，加強(qiáng)底泥中污染物的降解效率。
[0005]技術(shù)方案:為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
一種污染底泥的原位修復(fù)方法:在污染底泥上覆蓋厚度為l(Tl5cm的黃土層，黃土層與污染底泥交界面處設(shè)極性碳極I，在黃土層與水交界面處設(shè)極性碳極II，極性碳極I與電源負(fù)極相連作為陰極，極性碳極II與電源正極相連作為陽極，通電水解對污染底泥進(jìn)行原位修復(fù)即可。
[0006]所述的黃土密度為2~3g.cm_3，平均粒徑0.1~θ.2mmol/L。
[0007]所述的通電水解，電源的輸出電壓為3~4V。
[0008]工作原理:本發(fā)明提供的底泥原位覆蓋技術(shù)是在泥水界面放置一定厚度的黃土作為屏障隔離污染物擴(kuò)散到上覆水層，并且在其中安置電極，通電水解時，陰極產(chǎn)生H2，刺激生物降解的還原反應(yīng)，陽極產(chǎn)生O2，刺激生物降解的氧化反應(yīng)；克服了自然條件不能為污染物的完全礦化提供連續(xù)的氧化還原條件，也不能為污染物生物降解提供足夠的電子供體與受體的限制條件，迅速創(chuàng)造一個氧化還原梯度的同時提供電子供體與受體刺激微生物生長，增強(qiáng)污染物的生物降解。
[0009]有益效果:與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的污染底泥的原位修復(fù)方法，不僅簡單合理，在覆蓋材料中加入電極，通電水解時，可有效降解底泥中污染物，在底泥覆蓋層中迅速創(chuàng)造一個氧化還原梯度，同時提供電子供體與受體，刺激微生物生長，增強(qiáng)污染物的生物降解。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1為污染底泥的電動力學(xué)修復(fù)原理圖解；
圖2為τ-cell反應(yīng)器示意圖；
圖3為T-cell I氧化還原電位變化圖；
圖4為T-cell 2氧化還原電位變化圖；
圖5為T-cell 3氧化還原電位變化圖；
圖6為實驗室測試反應(yīng)器示意圖；
圖7為外施電壓與硝基苯還原速率常數(shù)關(guān)系圖；
圖8為初始硝基苯濃度與硝基苯還原速率常數(shù)關(guān)系圖；
圖9為有機(jī)污染物存在與硝基苯還原速率常數(shù)關(guān)系圖。
【具體實施方式】
[0011]下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，本發(fā)明不僅限于以下實施例。
[0012]實施例1
如圖1所示，污染底泥的原位修復(fù)方法，包括以下步驟:
1)在泥水交界面垂直于污染物傳輸路徑放置極性碳極I，極性碳極I連接電源負(fù)極作為陰極；
2)在極性碳極I上覆蓋l(Tl5cm厚度的覆蓋材料(黃土層，黃土的密度為2~3g.cm_3，平均粒徑 0.1^0.2mmol/L)；
3)在黃土層與水交界面處垂直于污染物傳輸路徑安置另一個極性碳極II，極性碳極II連接電源正極作為陽極；
4)通電水解，電源的輸出電壓為3V。
[0013]污染底泥的原位修復(fù)方法是在泥水界面放置一定厚度的黃土作為屏障隔離污染物擴(kuò)散到上覆水層，并且在其中安置電極，通電水解時，陰極產(chǎn)生H2，刺激生物降解的還原反應(yīng)，陽極產(chǎn)生O2，刺激生物降解的氧化反應(yīng)；克服了自然條件不能為污染物的完全礦化提供連續(xù)的氧化還原條件，也不能為污染物生物降解提供足夠的電子供體與受體的限制條件，迅速創(chuàng)造一個氧化還原梯度的同時提供電子供體與受體刺激微生物生長，增強(qiáng)污染物的生物降解。
[0014]實施例2
如圖2所示的T-cell反應(yīng)器是作為實驗室裝置來評價碳極創(chuàng)造氧化還原梯度的能力，從而反映在此環(huán)境下污染物的生物降解能力。此反應(yīng)器下層放置4cm厚度的沉積物(取自南京秦淮河夫子廟段)，一塊14 X7 cm編織碳布放在沉積物上層作為極性碳極I。在陰極上放置IOcm厚度的黃土層(密度為2~3g.cm_3，平均粒徑0.1~θ.2mmol/L)。在黃土層上放置一塊14 X7 cm編織碳布作為極性碳極II。向反應(yīng)器中加入與上述沉積物同地段的水。極性碳極I與電源負(fù)極相連作為陰極，極性碳極II與電源正極相連作為陽極。
[0015]實驗中用三個上述反應(yīng)器作對比實驗，分別標(biāo)記為T-cell I反應(yīng)器，T-cell 2反應(yīng)器，T-cell 3反應(yīng)器。T-cell I與T-cell 2反應(yīng)器中的電極分別用銅線與兩臺4 V華儀382202直流電源相連。電源I對T-cell I反應(yīng)器輸出電壓4V并持續(xù)供電100天。電源2對T-cell 2反應(yīng)器輸出電壓4V并持續(xù)30天，然后斷開供電。T-cell 3反應(yīng)器不連接電源。觀察上述三個反應(yīng)器，用Pt微電極測量三個反應(yīng)器不同階段不同深度(以黃土與水層交界面為0，向下深度依次增加)氧化還原電位，從而反映出碳極創(chuàng)造氧化還原梯度的能力。結(jié)果如圖3飛所示，在圖3~5中，d代表深度，單位為米。
[0016]如圖3，T-cell I氧化還原電位變化圖。對T_cell I反應(yīng)器輸出電壓4V前，陽極與陰極氧化還原電位差為90mV，持續(xù)輸出電壓第98天時，陽極與陰極氧化還原電位差為700mV，遠(yuǎn)大于對反應(yīng)器輸出電壓前陽極與陰極氧化還原電位差。 [0017]如圖4，T-cell 2氧化還原電位變化圖。對T_cell 2反應(yīng)器輸出電壓4V前，陽極與陰極氧化還原電位差為80mV，持續(xù)輸出電壓第28天時，陽極與陰極氧化還原電位差為700mV，遠(yuǎn)大于對反應(yīng)器輸出電壓前陽極與陰極氧化還原電位差。電源斷開后氧化還原電位差逐漸減小。
[0018]如圖5，T_cell 3氧化還原電位變化圖。T_cell 3反應(yīng)器中初始陽極與陰極氧化還原電位差為65mV，第98天時，陽極與陰極氧化還原電位差為5mV，基本保持變化不大的氧化還原電位差。
[0019]由此得出，反應(yīng)器中由于加入電極輸出電壓能夠在迅速創(chuàng)造一個氧化還原梯度，克服了自然條件不能為污染物的完全礦化提供連續(xù)的氧化還原條件的限制，從而增強(qiáng)微生物氧化有機(jī)污染物的能力。
[0020]實施例3
如圖6所示，為實驗室測試反應(yīng)器，其含有兩個玻璃腔室，以陽離子交換膜相連接，在玻璃腔室中分別安置12.6X6.25cm的碳布作為電極；兩個電極通過直徑0.64cm，長度15.2cm的石墨棒與一臺E3620A直流電源供應(yīng)器相連；每個腔室有60ml頂部空間和250ml緩沖溶液，緩沖溶液含有20mmol/L NaHCO3與20mmol/L NaCl，并用5%濃度的NaOH調(diào)節(jié)pH到6.5，與底泥孔隙水的強(qiáng)度相匹配。此裝置模擬了常規(guī)水域環(huán)境，用來測試電壓，初始污染物濃度和天然有機(jī)物濃度對降解污染物的影響，從而為含有電極的原位覆蓋層的設(shè)計提供參考數(shù)據(jù)，做出最佳設(shè)計方案。
[0021]硝基苯是一般水域中比較常見的污染物。以硝基苯為污染物，分別研究外施電壓，初始污染物濃度及天然有機(jī)物的存在對污染物降解的影響。在其中一個腔室中加入硝基苯，在還原反應(yīng)中連接到電源負(fù)極作為陰極，然后在氧化反應(yīng)中切換到正極作為陽極。在此反應(yīng)器中，硝基苯按理論在陰極還原為苯胺，中間產(chǎn)物為亞硝基苯，苯胺隨后在陽極被去除。
[0022]如圖7，測試外施電壓對硝基苯還原速率的影響。當(dāng)電壓在2V到3.5V時硝基苯的還原速率從0.3 h I增加到1.6 h 1，亞硝基苯的還原速率從0.04 h 1增加到0.64h 1 ;電壓高于3.5V時，硝基苯和亞硝基苯的還原速率并沒有隨電壓繼續(xù)增大而增大；電壓小于2V時，反應(yīng)不會發(fā)生。[0023]如圖8，測試初始硝基苯濃度對硝基苯還原速率影響。若將初始硝基苯濃度從ΙΟΟμΜ減小到5μΜ，硝基苯還原速率從0.88 h 1增加到7.9 h S亞硝基苯的還原速率0.36h 1增加到1.7 h 1O
[0024]如圖9，測試天然有機(jī)物的存在對硝基苯還原速率的影響。用腐植酸溶液(含有14.4 mg/L DOC)試驗。當(dāng)沒有天然有機(jī)物存在時，硝基苯還原速率常數(shù)為2.2 h、加入腐植酸溶液時，硝基苯還原速率常數(shù)為0.8 h 1O而亞硝基苯還原速率常數(shù)均在0.4 h 1左右。
[0025]本發(fā)明提供的底泥原位覆蓋技術(shù)是在沉積物水界面放置l(Tl5cm厚度的黃土作為屏障隔離污染物擴(kuò)散到上覆水層；由于自然條件不能為污染物的完全礦化提供連續(xù)的氧化還原條件，也不能為污染物生物降解提供足夠的電子供體與受體。本發(fā)明在黃土覆蓋層中安置電極，迅速創(chuàng)造一個氧化還原梯度的同時提供電子供體與受體刺激微生物生長，增強(qiáng)污染物的生物降解。從以上實驗得出結(jié)論，當(dāng)電壓在2V到3.5V時硝基苯和亞硝基苯還原速率常數(shù)均隨外施電壓的增加而增加，當(dāng)電壓高于3.5V時停止增加，故優(yōu)選電壓為3~4V。當(dāng)初始硝基苯濃度從ΙΟΟμΜ減小到5μΜ時，硝基苯還原速率常數(shù)變?yōu)樵瓉淼?倍，亞硝基苯還原速率常數(shù)變?yōu)樵瓉淼?倍。天然有機(jī)物的存在降低硝基苯還原速率，亞硝基苯還原速率基本不變。`
【權(quán)利要求】
1.一種污染底泥的原位修復(fù)方法，其特征在于:在污染底泥上覆蓋厚度為l(Tl5cm的黃土層，黃土層與污染底泥交界面處設(shè)極性碳極I，在黃土層與水交界面處設(shè)極性碳極II，極性碳極I與電源負(fù)極相連作為陰極，極性碳極II與電源正極相連作為陽極，通電水解對污染底泥進(jìn)行原位修復(fù)即可。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的污染底泥的原位修復(fù)方法，其特征在于:所述的黃土密度為2~3g.cnT3,平均粒徑 0.1~0.2mmol/L0
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的污染底泥的原位修復(fù)方法，其特征在于:所述的通電水解，電源的輸出電壓為3~4V。
【文檔編號】C02F11/00GK103771674SQ201410052322
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年2月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月17日
【發(fā)明者】李軼, 蔡瑋, 吳悅, 王晴, 王大偉 申請人:河海大學(xué)