一种微波电动土壤原位修复装置及修复方法，属于土壤污染的原位修复技术领域。装置由电极系统、微波加热系统、地下水循环系统组成，包括阴极井（1）等，阴极（3）置于阴极井（1）中。向土壤中埋入微波吸收材料，搭建密闭集气棚，安装pH监控装置和温度感应器，处理土壤中部分有机污染物和重金属；将地下水抽出注入土壤促进带电粒子的迁移速度和加快土壤受热过程，回收挥发性有机物，将蒸馏出来的水回注入地下水中；再采用高温微波土壤热修复技术处理难挥发、难降解的有机污染物和残余重金属。本技术设备结构紧凑，操作简单，可靠性高，在国内外具有良好的推广潜力，尤其是针对重金属和有机物的复合型土壤污染拥有广阔的应用前景。
1.一种微波电动土壤原位修复装置，其特征在于，该装置包括电极系统、微波加热系统、地下水循环系统三部分；该装置由阴极井(1)、阳极井(2)、阴极(3)、阳极(4)、工业数字PH计(5)、蠕动泵(6)、酸碱槽(7)、直流电源(8)、微波发生器(9)、波导(10)、辐射器(11)、微波吸收材料(12)、抽水井(13)、注水井(14)、离心泵(15)、温度感应器(16)、集气棚(17)、集气口(18)、多级蒸馏装置(19)、有机物收集装置(20)、输水管道(21)、导线(22)、地下水(23)和集气管道(24)组成；
所述电极系统包括分布在所处理土壤区域两端的石墨组成的阳极和阴极电极井，在电极中装有电解液；阴极井(1)与阳极井(2)分别垂直放置于土壤中，阴极(3)置于阴极井(1)中，阳极(4)置于阳极井(2)中，直流电源(8)的正极与阳极(4)通过导线(22)连接，直流电源(8)的负极与阴极(3)相连，阴极井(1)与阳极井(2)都通过蠕动泵(6)和酸碱槽(7)连接，在阴极井(1)与阳极井(2)内分别放置工业数字PH计(5)；
所述微波加热系统包括安装在所处理土壤区域上方的集气棚、微波发生器以及埋在土壤中的微波吸收材料；在所需要处理土壤区域范围内搭建集气棚(17)，集气棚(17)上部安装有集气口(18)，构成一个密闭的空间；微波发生器(9)连接到集气棚(17)上，辐射器(11)通过波导(10)与微波发生器(9)相连，土壤中埋设微波吸收材料(12)和温度感应器(16)，集气棚(17)上的集气口(18)通过集气管道(24)与多级蒸馏装置(19)连接，多级蒸馏装置(19)的一端连接有机物收集装置(20)，另一端通过输水管道(21)连接到注水井(14)中进而进入地下水(23)；
所述地下水循环处理系统由分布在所处理土壤区域外围的抽水井、注水井以及离心泵组成，其中，抽水井(13)通过离心泵(15)连通输水管道(21)从地下水(23)中抽出被污染的水。
2.利用如权利要求1所述的一种微波电动土壤原位修复装置的一种微波电动土壤原位修复方法，其特征在于，该方法步骤为：
1)启动离心泵(15)将地下水从抽水井(13)抽出缓缓地注入所处理土壤的土层之中，使土壤中保持水分；
2)开启阴极井(1)、阳极井(2)、阴极(3)、阳极(4)、工业数字PH计(5)、蠕动泵(6)、酸碱槽(7)、直流电源(8)；存在于土壤中的带正电荷的离子，尤其是重金属离子，会向阴极移动，富集到阴极附近的区域；带负电荷的离子会向阳极移动，富集到阳极附近的区域，达到去除土壤中污染物的目的；阴极井(1)、阳极井(2)中的工业数字PH计(5)监测电极液的pH值变化，当工业数字PH计(5)监测到电解液的pH值超出设定的临界值时，启动蠕动泵(6)的开关，使酸碱槽中的酸或碱液流向电极液中来调节pH值，直到pH值回到设定范围内，蠕动泵(6)停止工作；
3)同时打开土壤上方的微波发生器(9)、波导(10)、辐射器(11)，使微波辐射到土壤深处，土壤被慢慢加热到一定温度；此时，微波加热和电动力修复同时进行；由于存在事先埋在土壤中的微波吸收材料(12)，并且土壤中还含有从地下水中注入的水分，所以使得微波被吸收的更快更好，使得土壤受热均匀迅速；同时打开埋在土壤中的温度感应器(16)，监测土壤的升温状况；
4)当土壤温度在100℃时，土壤中易挥发性有机物和半挥发性有机物开始混合着水蒸气被挥发出土壤，混合气体向上移动从安装在集气棚(17)中的集气口(18)以及集气管道(24)进入多级蒸馏装置(19)；有机物经过多级蒸馏被回收进入有机物收集装置(20)，分馏出来的水分用连接管道进入注水井(14)回注到地下水中以保持地下水的水力平衡；
5)当土壤中的温度高于200℃的时候，停止电动力修复系统，继续对土壤进行微波辐射，使土壤继续升温；污染物特别是有机物及重金属离子进入土壤黏土矿物晶格层间而被固定,并进一步被玻璃化的土壤包裹,最终固定于土壤中。
3.根据权利要求2所述的一种微波电动土壤原位修复方法，其特征在于，所述蠕动泵的开关通过工业数字PH计(5)上设定的临界值来控制，在修复过程中，一旦工业数字PH计(5)测得的pH值超过了设定的临界值，连接的蠕动泵便开始工作，释放出酸或碱的溶液来中和电解产生的OH-和H+，直到酸度计测得的pH值回到设定的范围内，蠕动泵才停止动作。
4.根据权利要求2所述的一种微波电动土壤原位修复方法，其特征在于，所述埋在土壤中的微波吸收材料为炭颗粒、碳棒、石墨或者磁性纳米颗粒。
5.根据权利要求2所述的一种微波电动土壤原位修复方法，其特征在于，由温度传感器和报警器组成埋在土壤中的温度监控装置，当土壤中温度超过200℃的时候会发出报警信号，这时此修复装置将会停止工作。
一种微波电动土壤原位修复装置及修复方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种微波电动土壤原位修复装置及修复方法，属于土壤污染的原位修复技术领域。
背景技术
[0002] 随着我国工业化、城市化及现代农业化的进程，土壤污染日益严重，并逐步表现为多种污染物的复合污染。尤以重金属污染和高毒性、持久性有机物污染最为突出，它们主要来自废厂矿区、污灌区、生活垃圾、工业三废以及农药、化肥的大量使用。调查研究显示，我国受镉、砷、铅等重金属污染造成的经济损失巨大。另一方面，有机污染以其持久性、高毒性、积聚性、流动性的特征，协同重金属污染的隐蔽性、长期性、不可逆性特点，成为当前的研究热点。总之，重金属、有机污染物不仅改变土壤的理化特征，导致土壤的退化、农作物产量和品质的降低，而且通过径流和淋洗作用污染地表水和地下水，恶化水文环境，并可能通过直接接触、食物链等途径危及人类的生命和健康。因此，解决这类复合型污染土壤的修复问题，迫在眉睫。
[0003] 当前，污染土壤修复技术主要包括物理工程修复、蒸汽萃取和生物修复等。其中蒸汽萃取虽能有效地处理气相污染物，但对液相、残留相的污染物只能采取其他方法处理，导致处理系统复杂、处理成本高昂。植物修复法就是利用植物直接或间接的吸收、同化、降解作用，修复受污染的土壤，但其处理周期较长，短时间内达不到明显的效果。而微生物降解法虽然操作比较简单、且无污染，但是特定的微生物只降解特定类型的化学物质。此外，微生物活性还受温度和其它环境条件变化的影响较大，这就极大的限制了微生物降解法的应用范围。由此可见，每种方法都有其修复对象的针对性和优缺点，事实上也正是由于这种修复的针对性或单一性，在处理复合污染时便不具备应用价值。为克服这一局限性，一种联合修复技术应用而生。
[0004] 电动力学技术是一种新兴的土壤原位修复技术。该技术可以有效的去除土壤的有机和无机污染物，尤其是重金属，具有可控性强和处理效果好、容易安装和操作、耗费人力少、接触毒害物质少、经济效益高且不破坏原有自然环境等优点，从而能够在进行环境修复的同时，最大限度地保护原有的生态环境。近几年国内外已有较多的小试研究报道，也有少量中试和工程应用实例。鉴于该方法对有机物处理效率不高，进而我们引进修复效率较高的热处理法作为该项联合修复技术的另一核心内容，考虑到联合修复系统的可操作性、简易性、经济性、前瞻性以及不对已有电动修复产生干扰影响，微波加热法是一个合理的选择。近年来微波技术作为一项新的污染土壤修复技术，开始引起广泛关注。微波用于土壤修复，不仅能处理挥发性、半挥发性的有机物，如卤代烃、多环芳烃、多氯联苯等，还能处理重金属等非挥发性物质。微波加热可对被加热物质里外一起加热,加热极快,并且热损耗小、热效率高。在热修复污染土壤时具有高效、快捷,操作灵活,对环境影响小,适用范围广且具有选择性加热的特点,可分离回收某些有用的组分。目前已有人做过微波修复土壤中有机溶剂、多环芳烃、多氯联苯和重金属等的研究，处理效果较好。但大部分研究都集中在微波对污染土壤的异位修复，重点进行了污染土壤修复效果和机理的实验研究，没有对修复技术的系统性及工业化进行探讨。因此，鉴于以上两种方法都能处理重金属和有机污染物，且其处理对象的侧重点又优势互补，可相得益彰应用于土壤原位联合修复。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于针对现有电动力修复和土壤热修复技术的不足，将二者结合并强化，提出一种微波电动土壤原位处理技术，处理前期采用电动力修复和微波加热联合修复技术处理土壤中部分有机污染物和重金属，后期采用高温微波土壤热修复技术处理难挥发、难降解的有机污染物和残余重金属。具有修复时间短，修复效果好，能处理重金属以及有机物复合型污染的土壤，流程简单易操作等优点。
[0006] 一种微波电动土壤原位修复装置，该修复装置由电极系统、微波加热系统、地下水循环系统三部分组成。
[0007] 1、电极系统由分布在所处理土壤区域两端的石墨组成的阳极和阴极电极井组成，在电极中装有电解液。
[0008] 2、微波加热系统包括安装在所处理土壤区域上方的集气棚、微波辐射器以及埋在土壤中的微波吸收材料组成。
[0009] 3、地下水循环处理系统由分布在所处理土壤区域外围的抽水井、注水井以及真空抽吸泵组成。
[0010] 一种微波电动土壤原位修复方法，该方法步骤为：
[0011] 1）启动离心泵将适量的地下水抽出缓缓地注入所处理土壤的土层之中，是土壤中保持一定的水分。
[0012] 2）启动供电系统，开启电动力修复系统。存在于土壤中的带正电荷的离子（尤其是重金属离子）会向阴极移动，使其富集到阴极附近的区域；带负电荷的离子会向阳极移动，使其富集到阳极附近的区域，达到去除土壤中污染物的目的。同时打开安装在电极井中的pH监测系统，监测电极液的pH变化，以便向电极液中加入酸或碱来调节pH。
[0013] 3）同时打开土壤上方的微波辐射器，使微波辐射到土壤深处，土壤被慢慢加热到一定温度。此时，微波加热和电动力修复同时进行。由于存在事先埋在土壤中的微波吸收材料，并且土壤中还含有从地下水中注入的一定的水分，所以使得微波被吸收的更快更好，使得土壤受热均匀迅速。同时打开埋在土壤中的温度监控装置，监测土壤的升温状况。
[0014] 4）当土壤温度在100℃左右时，土壤中易挥发性有机物和半挥发性有机物开始混合着水蒸气被挥发出土壤，混合气体向上移动从安装在集气棚中的集气口以及连接管道进入多级蒸馏装置。有机物经过多级蒸馏被回收利用，分馏出来的水分用过连接管道回注到地下水中以保持地下水的水力平衡。
[0015] 5）当土壤中的温度高于200℃的时候，停止电动力修复系统，继续对土壤进行微波辐射，使土壤继续升温。污染物特别是有机物及重金属离子进入土壤黏土矿物晶格层间而被固定,并进一步被玻璃化的土壤包裹,最终固定于土壤。
[0016] 步骤2）中的pH自动监控系统，由数字工业酸度计和单通道蠕动泵组成。蠕动泵的开关通过酸度计上设定的临界值来控制。在电动力修复过程中，一旦酸度计测得的pH值超过了设定的临界值，连接的蠕动泵便开始工作，释放出酸或碱的溶液来中和电解产生的OH-和H+，直到酸度计测得的pH值回到设定的范围内，蠕动泵才停止动作。
[0017] 步骤3）中埋在土壤中的微波吸收材料为炭颗粒、碳棒、石墨或者磁性纳米颗粒等。由于本发明使用电动力修复技术，因此不考虑在土壤中埋入金属棒这一类微波吸收材料，以免影响电动力修复中电场分布和污染物的移动方向。
[0018] 步骤3）中安装在土壤中的温度监控装置由温度传感器和报警器组成，当土壤中温度超过200℃的时候会发出报警信号，这时会电动力修复装置将会被停止工作。
[0019] 步骤4）中收集气体的集气棚搭建在整个所处理土壤的四周和上方，构成一个密闭的空间，以便挥发出来的有机物通过集气口进入多级蒸馏装置进一步处理。
[0020] 本发明的优点在于：
[0021] 1）本技术引入地下水循环装置，将处理区域内地下水抽出注入到污染土壤中，促进电动力修复中带电粒子在土壤中的移动。不仅如此，水快速吸收微波成为热源，使土壤微波受热更迅速更均匀。随着挥发性有机物被蒸发的水分通过多级蒸馏回注入地下水中，保持了地下水的水力平衡。
[0022] 2）所处理区域上部空间安装集气棚，在污染土壤上方构成一个密闭的空间，使污染土壤与外部环境隔绝，减少了外部环境受污染的风险。并且利用集气棚收集挥发出来的有机物并提纯回收利用，节省资源，不造成浪费。
[0023] 3）微波辐射使土壤温度升高，土壤温度升高又促进了电动力修复中带电粒子在电场中的迁移速度，加快电动力的修复过程。
[0024] 4）电动力修复和微波辐射的联合强化修复技术跟以往的技术相比，修复周期大大缩短，修复效果极为出色。有机物的去除率达到了98%，重金属的去除率也在90%以上，具有很高的环境效益和时间效益。
[0025] 5）本技术设备结构紧凑，操作简单，可靠性高，在国内外具有良好的推广潜力，尤其是针对重金属和有机物的复合型土壤污染拥有广阔的应用前景。
附图说明
[0026] 图1为微波电动土壤原位修复装置结构示意图。其中，1-阴极井、2-阳极井、3-阴极、4-阳极、5-工业数字PH计、6-蠕动泵、7-酸碱槽、8-直流电源、9-微波发生器、10-波导、11-辐射器、12-微波吸收材料、13-抽水井、14-注水井、15-离心泵、16-温度感应器、17-集气棚、18-集气口、19-多级蒸馏装置、20-有机物收集装置、21-输水管道、22-导线、
23-地下水、24-集气管道。
[0027] 图2为微波电动土壤原位修复方法流程图。
具体实施方式
[0028] 下面结合附图和具体实例对本发明做进一步说明。
[0029] 图1是本发明装置示意图，如图1所示，一种微波电动土壤原位修复装置，该装置包括电极系统、微波加热系统、地下水循环系统,具体部件如下:1-阴极井、2-阳极井、3-阴极、4-阳极、5-工业数字PH计、6-蠕动泵、7-酸碱槽、8-直流电源、9-微波发生器、
10-波导、11-辐射器、12-微波吸收材料、13-抽水井、14-注水井、15-离心泵、16-温度感应器、17-集气棚、18-集气口、19-多级蒸馏装置、20-有机物收集装置、21-输水管道、22-导线、23-地下水、24-集气管道。在电极系统中，阴极井1与阴极井2分别垂直放置于土壤中，阴极3置于阴极井1中，阳极4置于阳极井2中，直流电源8的正极与阳极4通过导线
22连接，负极与阴极3相连，阴极井1与阳极井2都通过蠕动泵6和酸碱槽7连接，在阴极井1与阳极井2内分别放置工业数字PH计5。所述地下水循环系统，包括抽水井13与注水井14，抽水井13通过离心泵15连通输水管道21从地下水23中抽出被污染的水。所述微波加热系统，微波发生器9连接到集气棚17上，辐射器11通过波导10与9相连，土壤中埋设微波吸收材料12和温度感应器16，在集气棚17上设有集气口18，它通过集气管道24与多级蒸馏装置19连接，多级蒸馏装置的一端连接有机物收集装置20，另一端通过输水管道
21连接到注水井14中进而进入地下水23。
[0030] 一种微波电动土壤原位修复装置及修复方法，如图2所示，该方法，[0031] 前期处理：
[0032] 在所处理土壤区域范围内搭建集气棚17，上部安装有集气口18，构成一个密闭的空间。翻松土壤，将微波吸收材料12均匀埋入土壤中。在所处理土壤区域范围两端安装阴极3和阳极4，并注入电解液，安装pH自动监控装置5-7。在所处理土壤外围两端打两口井联通地下水，一口为抽水井13，另一个作为注水井14与多级蒸馏装置19相连，以便地下水循环，保持水力平衡。
[0033] 在土壤空间正上方均匀地布置微波发射装置9-11，使微波能够完全覆盖所处理的污染土壤范围。在土壤中插入温度感应器16，监控土壤温度变化。
[0034] 该方法步骤为：
[0035] 1、启动离心泵15将适量的地下水从抽水井13抽出缓缓地注入所处理土壤的土层之中，使土壤中保持一定的水分。
[0036] 2、开启电动力修复装置1-4,8,22以及pH自动监控装置5-7。存在于土壤中的带正电荷的离子（尤其是重金属离子）会向阴极移动，使其富集到阴极附近的区域；带负电荷的离子会向阳极移动，使其富集到阳极附近的区域，达到去除土壤中污染物的目的。电极井1-2中的工业数字pH计5监测电极液的pH变化。当pH计监测到电解液的pH超出设定的临界值时，便启动单通道蠕动泵6的开关，使酸碱槽中的酸或碱流向电极液中来调节pH，直到pH回到设定范围内水平，单通道蠕动泵停止工作。
[0037] 3、同时打开土壤上方的微波辐射器9-11，使微波辐射到土壤深处，土壤被慢慢加热到一定温度。此时，微波加热和电动力修复同时进行。由于存在事先埋在土壤中的微波吸收材料12，并且土壤中还含有从地下水中注入的一定的水分，所以使得微波被吸收的更快更好，使得土壤受热均匀迅速。同时打开埋在土壤中的温度感应器16，监测土壤的升温状况。
[0038] 4、当土壤温度在100℃左右时，土壤中易挥发性有机物和半挥发性有机物开始混合着水蒸气被挥发出土壤，混合气体向上移动从安装在集气棚17中的集气口18以及连接管道24进入多级蒸馏装置19。有机物经过多级蒸馏被回收进入有机物收集装置20，分馏出来的水分用连接管道进入注水井14回注到地下水中以保持地下水的水力平衡。
[0039] 5、当土壤中的温度高于200℃的时候，停止电动力修复系统，继续对土壤进行微波辐射，使土壤继续升温。污染物特别是有机物及重金属离子进入土壤黏土矿物晶格层间而被固定,并进一步被玻璃化的土壤包裹,最终固定于土壤。
[0040] 实例1：
[0041] 在电镀厂周围含Cd Zn Cu和苯、丙酮的污染土壤中选取5m*5m范围进行处理，土壤污染深度大约有1.5m，将微波吸收材料均匀的埋入该区域中，在污染区域上方设置一个5.3*5.3*2.3的集气棚，采用PbO2/Ti电极为阳极，石墨为阴极；电解缓冲液采用0.5mol/L、PH值为3的醋酸—醋酸钠缓冲溶液；恒电压15V,相应的电场强度为1.5V/cm，处理时间设定为30h,。在集气棚上安装微波发射装置，在污染区域放置温度感应器，开始处理。电动力修复装置开启之后，存在土壤中的带正电荷的离子会向阴极移动，富集到阴极附近的区域，带有负电荷的离子会富集到阳极区域。当pH超出设定的临界值时，利用酸碱槽中的酸或碱调节pH；在微波加热时，土壤中易挥发性有机物和半挥发性有机物及水蒸气会挥发出土壤，通过集气棚进入蒸馏装置。当土壤的温度超过200℃时，将电动力修复装置的电源关闭，继续微波加热。实验结束后，采用原子吸收仪测量土壤中Cd Zn Cu离子的浓度，结果表明这三种离子的平均去除率都达到85%以上，采用萃取法测定有机物的含量，结果表明苯
3
和丙酮平均去除率达90%以上，处理耗能为8Kwh/m。
[0042] 实例2
[0043] 在化工厂周围含Ag、Cd和正己烷、二甲苯的污染土壤中选取2.5m*3m范围进行处理，土壤污染深度大约为1.2m，将微波吸收材料均匀的埋入该区域中，在污染区域上方设置一个2.8*3.8*2.3的集气棚，阴阳极均采用石墨板为电极；电解缓冲液采用PH值为6的柠檬酸—柠檬酸钠缓冲溶液；恒电压2V,相应的电场强度为0.2V/cm，处理时间为60h。在集气棚上安装微波发射装置，在污染区域放置温度感应器，开始处理。电动力修复装置开启之后，存在土壤中的带正电荷的离子会向阴极移动，富集到阴极附近的区域，带有负电荷的离子会向阳极移动，富集到阳极附近的区域。当pH超出设定的临界值时，利用酸碱槽中的酸或碱调节pH；在微波加热时，土壤中易挥发性有机物和半挥发性有机物及水蒸气会挥发出土壤，通过集气棚进入蒸馏装置。当土壤的温度超过200℃时，将电动力修复装置的电源关闭，继续微波加热。实验结束后，采用原子吸收仪测量土壤中Ag、Cd离子的浓度，结果表明这两种种离子的平均去除率都达到88.3%以上，采用萃取法测定有机物的含量，结果表明3
正己烷和二甲苯平均去除率达89%以上，处理耗能为6Kwh/m。
[0044] 实例3
[0045] 在蓄电池厂周围含Pb、Cd和酚类、醛类、有机胺的污染土壤中选取2m*2m范围进行处理，土壤污染深度大约为1.0m，对该区域目标污染物含量做一个基本测量，然后将微波吸收材料均匀的埋入该区域中，在污染区域上方设置一个2.5*2.5*1.5的集气棚，阴阳极均采用石墨板为电极；电解缓冲液采用0.5mol/L、PH值为3的醋酸—醋酸钠缓冲溶液；恒电压12V,相应的电场强度为1.2V/cm，处理时间设定为24h,。在集气棚上安装微波发射装置，在污染区域放置温度感应器，开始处理。电动力修复装置开启之后，存在土壤中的带正电荷的离子会向阴极移动，富集到阴极附近的区域，带有负电荷的离子会富集到阳极区域。当pH超出设定的临界值时，利用酸碱槽中的酸或碱调节pH；在微波加热时，土壤中易挥发性有机物和半挥发性有机物及水蒸气会挥发出土壤，通过集气棚进入蒸馏装置。当土壤的温度超过200℃时，将电动力修复装置的电源关闭，继续微波加热。实验结束后，采用原子吸收仪测量土壤中Pb、Cd离子的浓度，结果表明这三种离子的平均去除率都达到80%以上，采用萃取法测定有机物的含量，结果表明酚类、醛类和有机胺平均去除率达85%以上，处理耗
3
能为7.2Kwh/m。
[0046] 本发明引入地下水循环装置，将处理区域内地下水抽出注入到污染土壤中，促进电动力修复中带电粒子在土壤中的移动。不仅如此，水快速吸收微波成为热源，使土壤微波受热更迅速更均匀。随着挥发性有机物被蒸发的水分通过多级蒸馏回注入地下水中，保持了地下水的水力平衡。所处理区域上部空间安装集气棚，在污染土壤上方构成一个密闭的空间，使污染土壤与外部环境隔绝，减少了外部环境受污染的风险。并且利用集气棚收集挥发出来的有机物并提纯回收利用，节省资源，不造成浪费。微波辐射使土壤温度升高，土壤温度升高又促进了电动力修复中带电粒子在电场中的迁移速度，加快电动力的修复过程。电动力修复和微波辐射的联合强化修复技术跟以往的技术相比，修复周期大大缩短，修复效果极为出色。机物的去除率达到了98%，重金属的去除率也在90%以上，具有很高的环境效益和时间效益。本发明设备结构紧凑，操作简单，可靠性高，在国内外具有良好的推广潜力，尤其是针对重金属和有机物的复合型土壤污染拥有广阔的应用前景。
