一種維持污染土壤電動修復(fù)效率的在線補水裝置及其方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種維持污染土壤電動修復(fù)效率的在線補水裝置，包括：順序連接的多通道蠕動泵、液體分裝控制器、PLC模塊組、上位機，以及與PLC模塊組連接的土壤電導(dǎo)率傳感器、土壤水分傳感器；所述土壤電導(dǎo)率傳感器、土壤水分傳感器置于土壤中。方法為：當(dāng)各區(qū)土壤電導(dǎo)率降至初始電導(dǎo)率的10％時，上位機根據(jù)水分?電導(dǎo)率關(guān)系曲線得到各區(qū)補水量后啟動分裝控制器；控制蠕動泵第一通道模塊為強場強區(qū)補水，并通過電子流量計控制第二、第三通道模塊分別為中場強區(qū)和弱場強區(qū)補水。本發(fā)明基于土壤水分與電導(dǎo)率之間的關(guān)系，自動補充土壤水分，維持切換電場條件下污染土壤電動修復(fù)效率，降低修復(fù)成本。本發(fā)明可用于大規(guī)模污染土壤電動及電動?生物修復(fù)場地的實際應(yīng)用。
【專利說明】
一種維持污染土壤電動修復(fù)效率的在線補水裝置及其方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于污染土壤電動修復(fù)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種維持污染土壤電動修復(fù)效率的在線補水裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]污染土壤的電動修復(fù)技術(shù)是將電極插入污染土壤，施加直流電形成直流電場，可在土壤中產(chǎn)生各種電動力學(xué)效應(yīng)及電化學(xué)反應(yīng)，包括電滲析、電迀移、電泳和電化學(xué)氧化還原反應(yīng)等。土壤中的重金屬或有機污染物可在電場作用下被迀移出土體或氧化/還原降解。與傳統(tǒng)污染土壤修復(fù)技術(shù)相比，電動修復(fù)技術(shù)具有經(jīng)濟、安全、不受土壤異質(zhì)與低滲透性限制及可強化生物修復(fù)過程等優(yōu)點，因此近年來備受國際關(guān)注。
[0003]對于有機污染土壤的電動及電動-生物修復(fù)而言，土壤水分至關(guān)重要。在電動修復(fù)過程中，電滲析作用會引起水從陽極向陰極移動，在陽極附近形成脫水區(qū)(Acar andAlshawabkeh, 1993;羅啟仕等,2004)，即使是在電極極性切換條件下，這種現(xiàn)象仍然存在。含水率不足會增加土壤電阻，降低電流密度，從而削弱電動修復(fù)的效率(Rohrs et al.,2007);但高含水率會造成電極附近持續(xù)發(fā)生水電解反應(yīng)，造成單位功率的污染物降解率降低，大量浪費能源；而且高電流密度會增加電勢降，從而抑制微生物的活性(Alsharabkehand Mai I Iacheruvu, 2001)。因此，維持電場條件下土壤水分在最適水平，對于污染物去除效率的提高和修復(fù)成本的降低至關(guān)重要。雖然有機污染土壤的電動及電動-生物修復(fù)研究日趨成熟，但電場水分管控措施研究仍屬空白，這方面的研究可切實解決電動修復(fù)技術(shù)壁皇，從根本上提高電動修復(fù)效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對電動修復(fù)過程施加極性切換電場土壤在各場強區(qū)存在不同程度失水問題，本發(fā)明提供了集土壤電導(dǎo)率、水分實時監(jiān)控與自動化補水于一體的電場水分調(diào)控裝置與方法。該裝置通過上位機判讀土壤電導(dǎo)率與水分關(guān)系曲線，確定補水時間與補水量，由此確保電場條件下土壤水分保持在最適水平，提高有機污染土壤的電動或電動-生物修復(fù)效率。
[0005]本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是:一種維持污染土壤電動修復(fù)效率的在線補水裝置，包括:順序連接的多通道蠕動栗、液體分裝控制器、PLC模塊組、上位機，以及與PLC模塊組連接的土壤電導(dǎo)率傳感器、土壤水分傳感器;所述土壤電導(dǎo)率傳感器、土壤水分傳感器置于土壤中；
[0006]上位機，用于通過PLC模塊組接收土壤電導(dǎo)率傳感器的土壤電導(dǎo)率信息、土壤水分傳感器的土壤水分信息，控制多通道蠕動栗各通道的水量輸出。
[0007]所述多通道蠕動栗的各通道出口處設(shè)有電子流量計，與液體分裝控制器連接，用于監(jiān)控實時水量。
[0008]所述多通道蠕動栗的第一通道模塊輸水管連接至土壤中的強場強區(qū)；第二通道模塊輸水管、第三通道模塊輸水管分別連接至土壤中的中場強區(qū)、弱場強區(qū)。
[0009]所述土壤電導(dǎo)率傳感器、土壤水分傳感器與電極非接觸。
[0010]所述土壤電導(dǎo)率傳感器表面、土壤水分傳感器表面距離電極表面超過3厘米。
[0011 ] —種維持污染土壤電動修復(fù)效率的在線補水方法，包括以下步驟:
[0012]I)首先根據(jù)極性切換電場條件下的電場強度分布，將修復(fù)區(qū)土壤劃分為弱場強區(qū)、中場強區(qū)和強場強區(qū);將各場強區(qū)作為補水區(qū)；
[0013]2)上位機實時收取各場強區(qū)的土壤電導(dǎo)率和水分信息，得到土壤的水分-電導(dǎo)率關(guān)系曲線；
[0014]3)上位機實時監(jiān)測各補水區(qū)的土壤電導(dǎo)率和水分信息；當(dāng)各區(qū)土壤電導(dǎo)率降至初始電導(dǎo)率的10%時，上位機根據(jù)水分-電導(dǎo)率關(guān)系曲線得到各區(qū)補水量后啟動分裝控制器；
[0015]4)分裝控制器控制蠕動栗第一通道模塊為強場強區(qū)補水，并通過電子流量計控制第二、第三通道模塊分別為中場強區(qū)和弱場強補水；
[0016]6)當(dāng)某補水區(qū)土壤電導(dǎo)率恢復(fù)到初始電導(dǎo)率的95%時，上位機發(fā)送停止補水工作指令，控制分裝控制器待機，直到接收啟動命令為止。
[0017]所述分裝控制器控制蠕動栗第一通道模塊為強場強區(qū)補水包括具體為:上位機將初始電導(dǎo)率對應(yīng)的水分作為目標(biāo)值、將強場強區(qū)內(nèi)水分傳感器反饋的水分作為實測值，通過控制蠕動栗第一通道模塊為強場強區(qū)補水。
[0018]所述通過電子流量計控制第二、第三通道模塊分別為中場強區(qū)和弱場強補水包括:當(dāng)PLC控制第I通道模塊開始補水，上位機通過土壤水分傳感器檢測中場強區(qū)和弱場強區(qū)的實際含水量，并分別得到與各自初始含水量之差作為補水量，根據(jù)補水量/時間=流速，通過電子流量計控制第2、3通道模塊的流量與流速，確保與第I通道模塊同時完成補水工作。
[0019]本發(fā)明具有以下有益效果及優(yōu)點:
[0020]1.本發(fā)明基于土壤水分與電導(dǎo)率之間的關(guān)系，自動補充土壤水分，維持切換電場條件下污染土壤電動修復(fù)效率，降低修復(fù)成本。
[0021 ] 2.本發(fā)明還可用于污染土壤的電動-生物聯(lián)合修復(fù)，保證修復(fù)過程土壤微生物生長所需水分，離子劑、輔助藥劑施加所必需的水力條件。
[0022]3.本發(fā)明可擴展能力強，可用于大規(guī)模污染土壤電動及電動-生物修復(fù)場地的實際應(yīng)用。
【附圖說明】
[0023]圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不意圖；
[0024]其中:(a)上位機，(b)PLC模塊組，(C)液體分裝控制器，(d)電源，(e)多通道蠕動栗，(f)蠕動栗第一通道模塊，(g)蠕動栗第二通道模塊，(h)蠕動栗第三通道模塊，(i)電子流量計，(j)蠕動栗輸水軟管，(k)土壤電導(dǎo)率傳感器，(I)土壤水分傳感器；
[0025]圖2為本發(fā)明實施例提供的最小電極矩陣單元的場強區(qū)劃分示意圖；
[0026]圖3為本發(fā)明實施例提供的最小電極矩陣單元的補水方法應(yīng)用示意圖；
[0027]其中:(I)電源，(2)極性切換控制器，(3)電極矩陣，(4)土壤電導(dǎo)率傳感器，(5)土壤水分傳感器，(6)布水管，(7)弱場強區(qū)，(8)中場強區(qū)，(9)強場強區(qū)；
[0028]圖4預(yù)埋布水管在土壤中的剖面圖；
[0029]圖5為本發(fā)明實施例提供的自動補水條件下石油污染土壤電導(dǎo)率變化曲線圖；
[0030]圖6為本發(fā)明實施例上位機獲取的土壤水分與電導(dǎo)率變化曲線圖；
[0031]圖7為本發(fā)明實施例提供的自動補水條件下石油污染土壤電動修復(fù)效率曲線圖。
【具體實施方式】
[0032]下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明做進一步的詳細說明。
[0033]一種維持污染土壤電動修復(fù)效率的在線補水裝置，該裝置可實時監(jiān)控土壤電導(dǎo)率與水分變化，并通過自動水分調(diào)控系統(tǒng)對極性切換電場條件下各場強區(qū)土壤水分進行補充。
[0034]如圖1所示，所述水分調(diào)控系統(tǒng)包括土壤電導(dǎo)率傳感器、水分傳感器、多通道蠕動栗、液體分裝控制器、電子流量計、PLC模塊組以及上位機組成。裝置通過上位機判讀土壤電導(dǎo)率信息，控制蠕動栗及與其連接的電子流量計和液體分裝控制器。
[0035]裝置的工作分為兩個階段，第一個階段為土壤電導(dǎo)率與水分信息的讀取與判斷，當(dāng)任意一個區(qū)的土壤電導(dǎo)率降低10%時，即啟動第二階段補水工作。依據(jù)實時收取的土壤電導(dǎo)率與水分信息，繪制土壤水分-電導(dǎo)率關(guān)系曲線，確定補水量，確保補水后土壤電導(dǎo)率恢復(fù)到初始值的95%以上。補水時間固定設(shè)置為4小時，保證補水過程的平穩(wěn)與均勻。
[0036]所述的水分調(diào)控系統(tǒng)，與蠕動栗軟管連接的是預(yù)埋于不同場強區(qū)的多孔布水管，管中填裝石英砂確保布水的均勻性。
[0037]連接上位機的土壤電導(dǎo)率傳感器與水分傳感器布置于距布水管5cm處。
[0038]維持污染土壤電動修復(fù)效率的在線補水方法步驟如下:
[0039](I)首先根據(jù)極性切換電場條件下電場強度分布情況，將修復(fù)區(qū)土壤劃分為3個場強區(qū)，即弱場強區(qū)(電場強度0-0.5V/cm)、中場強區(qū)(電場強度0.5-1.5V/cm)和強場強區(qū)(電場強度>1.5V/cm);在各區(qū)均置入水管、土壤電導(dǎo)率傳感器和土壤水分傳感器;強場強區(qū)包括四個部分，每個部分分別置入一個水管，任一部分中置入一個土壤電導(dǎo)率傳感器和一個土壤水分傳感器即可。中場強區(qū)中可分布多個水管，盡可能均勻分布。弱場強區(qū)為圓形，水管位置為圓心。
[0040](2)由場強-土壤水分關(guān)系曲線可知，各場強區(qū)不同位置土壤的失水速率較為一致，且集中于較小的變化范圍之內(nèi)，因此可將場強區(qū)視為補水區(qū)；
[0041](3)在上位機中預(yù)設(shè)不同土壤在極性切換電場條件下，各場強區(qū)土壤的水分-電導(dǎo)率關(guān)系曲線，由上位機依據(jù)該曲線缺定各補水區(qū)的理論補水量。各區(qū)土壤初始含水量與土壤電導(dǎo)率由初始值降低10%后所對應(yīng)的土壤含水量之差，即為理論補水量；
[0042](4)將蠕動栗入水管浸入儲水槽，在距補水管5cm處布置土壤電導(dǎo)率傳感器并連接上位機，當(dāng)各區(qū)土壤電導(dǎo)率降低至初始電導(dǎo)率的10%時，經(jīng)上位機計算得到各區(qū)補水總量(理論補水量)后發(fā)出工作指令，啟動分裝控制器；
[0043](5)分裝控制器向蠕動栗和電子流量計發(fā)送工作指令，控制蠕動栗各通道模塊的孔道水流量、流速，啟動補水過程；
[0044](6)各場強區(qū)的補水量逐級遞減。蠕動栗第一通道模塊為強場強區(qū)補水，補水量最大，其流量即蠕動栗主流量由分裝控制器控制;第二、第三通道模塊為中場強區(qū)和弱場強補水，其流量分別由各自配備的電子流量器控制，由此保證各場強區(qū)補水過程的時長一致；
[0045]電子流量計由分裝控制器控制，分裝控制器接收來自PLC的指令。第二第三通道模塊的補水時長與第一通道模塊有關(guān)，因為蠕動栗僅配備一個栗頭，水按照1、2、3模塊順序流經(jīng)，因此需要配備流量計調(diào)整2、3模塊水流，根據(jù)實驗結(jié)論，土壤失水速率與電場強度有關(guān)，強場強區(qū)的失水速率是最快的，因此最先補水，之后依次是中、弱場強區(qū)。在強場強區(qū)即第I通道模塊開始補水時，2、3通道還未開啟補水，因此需要電子流量計控制2、3通道模塊的補水開啟時間、流量，從而實現(xiàn)3個模塊補水結(jié)束時間的同步。
[0046]當(dāng)PLC控制第I通道模塊開始補水，上位機通過土壤水分傳感器檢測中場強區(qū)和弱場強區(qū)的實際含水量，并分別計算與各自初始含水量之差作為補水量(補水量/4小時=流速)，通過電子流量計調(diào)節(jié)第2、3通道模塊的流速，確保與第I通道模塊同時完成補水工作。第I通道模塊的補水時間根據(jù)其補水量/流速得到。為確保補水過程的平穩(wěn)與均勻，補水時間固定為4小時，通過電子流量計控制第二、三模塊的流速，實現(xiàn)補水的同時結(jié)束。
[0047](7)當(dāng)各補水區(qū)土壤電導(dǎo)率恢復(fù)到初始值的95%以上時，視為補水終點，此時由上位機發(fā)送停止補水工作指令，水分調(diào)控系統(tǒng)自動待機，等待接收下一次工作指令。
[0048]各場強區(qū)土壤補水時間和補水量由上位機判定，并自動控制補水系統(tǒng)的啟動和停止。
[0049]實施例1:
[0050]本實施例將在線補水裝置應(yīng)用于石油污染土壤的電動修復(fù)，采用實驗室配置的石油污染土壤，所采的土壤為清潔粘土，除去肉眼可見的雜質(zhì)和草木根，室內(nèi)自然風(fēng)干后過2mm篩子，石油采自遼河油田曙光采油廠某油坑，配制成含油量40g/kg石油污染土壤。
[0051 ]配制土壤自然風(fēng)干放置7天，待石油與土壤混合均勻后，用去離子水調(diào)節(jié)含水率為25 %，分成3個處理，即對照、電動修復(fù)、水分調(diào)控電動修復(fù)，分別裝入到土壤盒內(nèi)(長40cm X寬40cm X高15cm)，每個土壤盒內(nèi)20kg填裝應(yīng)試土壤。
[0052]如圖3所示，污染土壤中布置2X 2的電極矩陣，電極材質(zhì)為不銹鋼電極，直徑lcm，高15cm，外加電壓為40V。通過調(diào)整極性切換控制器2，實現(xiàn)電極極性切換時間為3h，保持相鄰兩根電極3的極性相反。修復(fù)時間為60d。
[0053]具體操作流程包括:
[0054]將施加電場的修復(fù)土壤區(qū)域依電場強度的分布劃分為強、中、弱3個場強區(qū)進行補水(圖2)。弱場強區(qū)補水面積為直徑約為22cm的圓(7);強場強區(qū)補水面積近似為半徑約為Ilcm的1/4圓(9);其余為中場強區(qū)補水面積(8)。在各場強區(qū)適當(dāng)位置預(yù)埋布水管(6)，距布水管5cm插入土壤電導(dǎo)率傳感器(4)與土壤水分傳感器(5)(兩者距離盡量靠近但不接觸)，連接蠕動栗輸水管(j)與布水管，在啟動電動修復(fù)的同時開啟水分調(diào)控裝置。
[0055]上位機(a)通過PLC(b)模塊實時收取土壤電導(dǎo)率傳感器(k)與水分傳感器(I)反饋信息，繪制土壤水分-電導(dǎo)率關(guān)系曲線，并由此確定補水量。當(dāng)各區(qū)土壤電導(dǎo)率由初始值降低10%時，即向水分調(diào)控裝置發(fā)送工作指令。蠕動栗第一通道模塊(f)用于為強場強區(qū)補水，補水時間早于另外兩個場強區(qū)且補水量要高得多，故而不需加裝電子流量計(i)，可直接通過分裝控制器(c)調(diào)節(jié)蠕動栗(e)流量。第二 (g)、第三(h)通道模塊通過電子流量計自動調(diào)節(jié)流量。由于粘土的滲透系數(shù)較低，故而選擇長時間(4h)低流量補水原則，保證水分補充的穩(wěn)定性和均勻性。
[0056]基于土壤電導(dǎo)率與水分變化的實時監(jiān)控，利用在線補水裝置，可避免由于施加電場導(dǎo)致的各場強區(qū)土壤水分的梯度降低導(dǎo)致的修復(fù)效率降低，有效維持土壤電導(dǎo)率在初始值的95%以上(圖4)維持石油污染土壤電動修復(fù)整體效率始終保持在較高水平(圖5)。在60天的運行過程中，水分調(diào)控裝置分別在第試驗的第10d、19d、30d、39d、48d、54d和60d自動啟動對電動修復(fù)土壤的補水，補水總量分別為30ml/kg.soil、35ml/kg.soil、41ml/kg.soil、54ml/kg.soil、72ml/kg.soil、90ml/kg.soil和 125ml/kg.soil。圖6為，以第一個補水節(jié)點(1d)為例，上位機繪制的用以確定土壤補水量的土壤水分與電導(dǎo)率關(guān)系曲線。隨著電動處理時間的延長，補水間隔時間逐漸縮短，補水量逐漸增大。實驗結(jié)束后，與對照電動實驗相比，使用在線補水裝置的電動修復(fù)系統(tǒng)中，土壤總石油污染物的去除效率提高了13.7%(圖 7)。
【主權(quán)項】
1.一種維持污染土壤電動修復(fù)效率的在線補水裝置，其特征在于包括:順序連接的多通道蠕動栗、液體分裝控制器、PLC模塊組、上位機，以及與PLC模塊組連接的土壤電導(dǎo)率傳感器、土壤水分傳感器;所述土壤電導(dǎo)率傳感器、土壤水分傳感器置于土壤中； 上位機，用于通過PLC模塊組接收土壤電導(dǎo)率傳感器的土壤電導(dǎo)率信息、土壤水分傳感器的土壤水分信息，控制多通道蠕動栗各通道的水量輸出。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種維持污染土壤電動修復(fù)效率的在線補水裝置，其特征在于所述多通道蠕動栗的各通道出口處設(shè)有電子流量計，與液體分裝控制器連接，用于監(jiān)控實時水量。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種維持污染土壤電動修復(fù)效率的在線補水裝置，其特征在于所述多通道蠕動栗的第一通道模塊輸水管連接至土壤中的強場強區(qū)；第二通道模塊輸水管、第三通道模塊輸水管分別連接至土壤中的中場強區(qū)、弱場強區(qū)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種維持污染土壤電動修復(fù)效率的在線補水裝置，其特征在于所述土壤電導(dǎo)率傳感器、土壤水分傳感器與電極非接觸。5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的一種維持污染土壤電動修復(fù)效率的在線補水裝置，其特征在于所述土壤電導(dǎo)率傳感器表面、土壤水分傳感器表面距離電極表面超過3厘米。6.—種維持污染土壤電動修復(fù)效率的在線補水方法，其特征在于包括以下步驟: 1)首先根據(jù)極性切換電場條件下的電場強度分布，將修復(fù)區(qū)土壤劃分為弱場強區(qū)、中場強區(qū)和強場強區(qū);將各場強區(qū)作為補水區(qū)； 2)上位機實時收取各場強區(qū)的土壤電導(dǎo)率和水分信息，得到土壤的水分-電導(dǎo)率關(guān)系曲線； 3)上位機實時監(jiān)測各補水區(qū)的土壤電導(dǎo)率和水分信息；當(dāng)各區(qū)土壤電導(dǎo)率降至初始電導(dǎo)率的10%時，上位機根據(jù)水分-電導(dǎo)率關(guān)系曲線得到各區(qū)補水量后啟動分裝控制器； 4)分裝控制器控制蠕動栗第一通道模塊為強場強區(qū)補水，并通過電子流量計控制第二、第三通道模塊分別為中場強區(qū)和弱場強補水； 6)當(dāng)某補水區(qū)土壤電導(dǎo)率恢復(fù)到初始電導(dǎo)率的95%時，上位機發(fā)送停止補水工作指令，控制分裝控制器待機，直到接收啟動命令為止。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種維持污染土壤電動修復(fù)效率的在線補水方法，其特征在于所述分裝控制器控制蠕動栗第一通道模塊為強場強區(qū)補水包括具體為:上位機將初始電導(dǎo)率對應(yīng)的水分作為目標(biāo)值、將強場強區(qū)內(nèi)水分傳感器反饋的水分作為實測值，通過控制蠕動栗第一通道模塊為強場強區(qū)補水。8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種維持污染土壤電動修復(fù)效率的在線補水方法，其特征在于所述通過電子流量計控制第二、第三通道模塊分別為中場強區(qū)和弱場強補水包括:當(dāng)PLC控制第I通道模塊開始補水，上位機通過土壤水分傳感器檢測中場強區(qū)和弱場強區(qū)的實際含水量，并分別得到與各自初始含水量之差作為補水量，根據(jù)補水量/時間=流速，通過電子流量計控制第2、3通道模塊的流量與流速，確保與第I通道模塊同時完成補水工作。
【文檔編號】B09C1/10GK105945063SQ201610567284
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年7月19日
【發(fā)明人】郭書海, 張猛, 李鳳梅, 吳波, 李剛, 王加寧
【申請人】中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所