一种用于污染水体底泥沉积物原位修复的电化学方法与流程

1.本发明涉及底泥沉积物修复技术领域，尤其涉及一种用于污染水体底泥沉积物原位修复的电化学方法。


背景技术：

2.从20世纪80年代起，随着改革开放力度的不断加大，我国社会经济进入了持续高速发展阶段。然而各地在经济发展过程中往往以牺牲环境为代价，大量工业废水经简单处理后和生活污水就近直排入河，使得大量的污染物沉积在河道底部，由此带来一系列的环境问题。我国面临着严峻的城市水体黑臭问题，严重威胁了居民的生活和健康，限制了城市自身的发展；所谓黑臭是有机污染的一种极端现象，是由于水体缺氧，有机物腐败而造成的；当大量的有机污染物进入水体，在好氧微生物的生化作用下，消耗了水体中大量的氧气，厌氧细菌大量繁殖，使有机物腐败、分解、发酵，分解为nh3-n、腐殖质、硫化氢、甲烷和硫醇等；此过程引起的耗氧大于复氧，造成缺氧环境，产生的有机气体逸出水面进入大气，水中铁锰等重金属还原，与水中的硫离子形成了大量带负电胶体的包括fes及mns在内的硫化物悬浮颗粒，使水体变黑变臭；常见的发臭物质主要有厌氧细菌产生的甲硫醇（ch3sh）、硫化氢（h2s）和氨(nh3)，好氧细菌产生的乔司脒（geosmin）和2-甲基异崁醇(2-mib)；水体的致黑物质可以分为两部分：以固态或吸附于悬浮颗粒上的形式存在于水体中的不溶性物质; 可溶于水的带色有机化合物。悬浮颗粒对水体致黑起主导作用，其中的主要致黑成分是易被氧化的fes及mns。
3.黑臭现象归根到底是底泥的有机物污染所导致的，然而底泥的成分复杂，并且污染物的释放是一个相当缓慢的过程，因此在底泥沉积物的修复仍面临着艰巨的挑战。
4.现有的底泥沉积物治理技术包括：人工曝气、底泥疏浚、调水、投加化学药剂以及生物修复等；曝气复氧是治理河道污染的一种有效措施，可以提高水体中的溶解氧含量，强化水体的自净功能，促进水体生态系统的恢复；然而水中的溶解氧含量受季节变化的影响，并且曝气复氧修复依赖于水体中生物的作用，导致人工曝气的修复周期较长；底泥疏浚可以控制增加河道槽蓄量、提高水体泄洪和自净功能，但是这种方法不可能彻底清除底泥，剩余的底泥仍可能向水中释放污染物，可能会造成短期内污染物浓度增高的现象，并且底泥疏浚会把水体中的底栖生物、微生物一并带走，破坏水体长期形成的生态平衡。此外，底泥疏浚的挖掘和运输成本相当高，疏浚出的污泥可能会带来二次污染；调水可以增强水中污染物的扩散、净化和输出，能够快速缓解水体黑臭，但由于底泥污染释放缓慢的特性，不能实现黑臭河道水质的长期稳定改善，黑臭河道治理的化学方法主要包括强化絮凝、化学氧化和化学沉淀，然而化学药剂可能会对生态环境带来较大的影响，产生二次污染；生物修复效果易受水文和气候等外部条件的影响，同时系统地有效后续管理维护是生物修复过程中急需解决的重要问题。


技术实现要素：

5.基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种用于污染水体底泥沉积物原位修复的电化学方法。
6.本发明提出的一种用于污染水体底泥沉积物原位修复的电化学方法，包括如下修复步骤：s1通过工程方法将电极完全插入底泥，向电极施加一定强度的直流电流，从而促进底泥沉积物中氮、磷、硫元素以及有机物的释放；底泥内源污染物污染释放的主要机理包括：阳极氧化、氧气氧化和气浮作用以及电阻加热促进污染物从底泥释放和阳极氧化作用；阳极氧化：在电解的过程中，由于外加电流的作用，阳极与其附近的底泥接触发生电子交换，可将污泥中的有机物或硫化物直接氧化；氧气氧化和气浮作用：通电过程中产生电解水作用，阳极存在释放氧气、产酸的过程，而阴极则是释放氢气、产碱的过程，氧气在扩散过程中可加速底泥中有机物的降解或氧化还原性物质，气泡在上浮的过程可将间隙水中溶解态或固态污染物吹浮至上覆水，从而加速底泥沉积物内源污染的释放，使得底泥中的污染物在短期内迁移到上覆水；电阻加热：电流流经底泥，具有导电性的底泥将电能转换成热能升温底泥，促进污染物从底泥释放和阳极氧化作用；s2释放到上覆水中的内源污染物采用水处理方法进行处理。
7.优选的，所述的电极为钛电极、钌钛电极、铱钽钛电极、石墨电极其中的一种。
8.优选的，所述电极为网状、板状、柱状、网筒状其中的一种形态。
9.优选的，所述步骤s1的工程方法将电极完全插入底泥为通过钻孔的方法将电极完全插入底泥。
10.优选的，所述电极的排布方式可为网状或菱形状。
11.优选的，相邻两个电极的间距不大于2m。
12.优选的，除电极以外的部分用防水胶密封，包括导线和电极与导线的连接处。
13.优选的，所述步骤s1的直流电流密度为20-500ma/cm2。
14.优选的，所述底泥内源污染物主要的污染包括：氮、磷、硫化物以及有机物污染。
15.优选的，所述步骤s2水处理方法为通过便携式水处理设备进行处理。
16.本发明中，所述一种用于污染水体底泥沉积物原位修复的电化学方法具有以下优点：1）原位对深层底泥沉积物进行修复，减少疏浚和运输过程的成本；2）可快速的将底泥中的污染物释放，修复周期短；3）可完成对底泥中污染的彻底去除，不会带来污染物的二次释放问题；4）电化学方法不受季节、温度等条件的影响，处理效果显著；5）电极可重复使用。
17.本发明相对于污泥疏浚和投加化学试剂等方法，具有更快捷、有效、成本低的优势，适用于深层底泥的原位修复。
附图说明
18.图1为电解组实验示意图；图2为上覆水中有机物的含量变化；图3为上覆水中溶解氧的含量变化；图4为上覆水中氨氮的浓度变化；图5为上覆水中总氮的浓度变化；图6为上覆水中总磷的浓度变化；图7为上覆水中硫酸根的浓度变化；图8为网筒状钌钛网示意图；图9为黑臭河道现场修复示意图。
19.图中：1-上覆水，2-底泥，3-钌钛网，4-导线，5-直流电源，6-网筒状钌钛网。
具体实施方式
20.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。
21.参照图1-9，一种用于污染水体底泥沉积物原位修复的电化学方法，包括如下修复步骤：s1通过工程方法将电极完全插入底泥2，向电极施加一定强度的直流电流，从而促进底泥沉积物中氮、磷、硫元素以及有机物的释放；底泥2内源污染物污染释放的主要机理包括：阳极氧化、氧气氧化和气浮作用以及电阻加热促进污染物从底泥释放和阳极氧化作用；阳极氧化：在电解的过程中，由于外加电流的作用，阳极与其附近的底泥接触发生电子交换，可将污泥中的有机物或硫化物直接氧化；氧气氧化和气浮作用：通电过程中产生电解水作用，阳极存在释放氧气、产酸的过程，而阴极则是释放氢气、产碱的过程，氧气在扩散过程中可加速底泥中有机物的降解或氧化还原性物质，气泡在上浮的过程可将间隙水中溶解态或固态污染物吹浮至上覆水1，从而加速底泥沉积物内源污染的释放，使得底泥中的污染物在短期内迁移到上覆水1；电阻加热：电流流经底泥，具有导电性的底泥将电能转换成热能升温底泥，促进污染物从底泥释放和阳极氧化作用；s2释放到上覆水1中的内源污染物采用水处理方法进行处理。
22.本发明中，所述的电极为钛电极、钌钛电极、铱钽钛电极、石墨电极其中的一种，电化学修复体系中，需定期将阳极和阴极的极性交换，以中和电解水产生的酸和碱，维持底泥的酸碱平衡。
23.本发明中，所述电极为网状、板状、柱状、网筒状其中的一种形态。
24.本发明中，所述步骤s1的工程方法将电极完全插入底泥为通过钻孔的方法将电极完全插入底泥，增大污泥与电极的接触面积，避免电极直接作用于上覆水。
25.本发明中，所述电极的排布方式可为网状或菱形状。
26.本发明中，相邻两个电极的间距不大于2m。
27.本发明中，除电极以外的部分用防水胶密封，包括导线和电极与导线的连接处，提
高电流的利用效率。
28.本发明中，所述步骤s1的直流电流密度为20-500ma/cm2。
29.本发明中，所述底泥内源污染物主要的污染包括：氮、磷、硫化物以及有机物污染。
30.本发明中，所述步骤s2水处理方法为通过便携式水处理设备进行处理，经电化学修复，底泥中的污染物释放到上覆水中，便携式水处理设备结合化学、生物处理方法将上覆水中的污染物去除。
实施例一
31.本实施例中用电化学方法在实验室模拟修复底泥沉积物；污泥采自武汉某排污河道，污泥表征颜色为黑色，并散发出刺鼻的气味，主要的污染包括：氮、磷、硫化物以及有机物污染；修复过程在两个尺寸为20cm
×
15cm
×
20cm的容器中进行，设置电解组a和对照组b。将污泥平铺于容器中，污泥厚度约为6cm；以去离子水作为上覆水1，通过虹吸的方式将去离子水沿容器壁缓慢加入，避免对底泥的扰动，上覆水的厚度约为12cm，即上覆水与污泥的体积比为2:1；电解组的阳极和阴极均采用钌钛网3电极，钌钛网3的尺寸为12cm
×
10cm，形状为“l”形，以铜导线4连接电极，连接处用环氧树脂密封，铜线外部包裹着塑料层；将电极穿过上覆水，垂直插入电解组的底泥，电解组示意图如图1所示。
32.实验过程如下：1、对电解组施加30ma的恒电流，对照组不作处理；2、更换上覆水，静置；3、对电解组施加100ma的恒电流，对照组不作处理；4、更换上覆水，静置，每日交换阳极和阴极极性，监测上覆水的水质指标。
33.如图2所示，在电解的过程中，上覆水1中的有机物含量显著增加，而将上覆水1更换静置处理时，电解组底泥的有机物释放与对照组类似，表明电解过程可有效的加速底泥2中有机物的释放过程，同时上覆水接收大量有机物后，会快速降低其溶解氧含量，溶解氧含量变化如图3；如图4所示，电解可快速地将底泥中的氨氮释放，施加30ma电流电解9d后，电解组上覆水的氨氮含量达到51.7 mg/l，对照组上覆水仅有27.7 mg/l；施加100ma电流电解1d后，电解组上覆水的氨氮含量即达到23.1 mg/l，而此时对照组的上覆水仅含有3.0 mg/l；图5为上覆水总氮浓度的变化，其与氨氮的含量变化相类似，表明电解对氮元素的释放作用显著；电化学方法对总磷的释放也有一定的促进作用，并且在换水后电解组总磷的释放速度仍高于对照组，上覆水总磷的含量变化如图6所示；图7为上覆水硫酸根的含量变化，电解组的硫酸根含量在电解3d后达到8.3 mg/l, 在电解的作用下快速达到平衡状态，而对照组的硫酸根含量增加缓慢，这表明电解可快速的将底泥中的硫化物氧化为硫酸根，综上所述，电化学方法可以快速、有效地将底泥中的氮、磷、硫及有机物等污染释放，减少底泥的内源负荷。
实施例二
34.本实施例中用电化学方法实地修复某污染河道；该河道水动力学条件较差，上覆水混浊发黑，并散发出刺鼻的气味；上覆水透明度为5cm，溶解氧含量低于0.2mg/l，氨氮含量为22 mg/l，cod含量为50mg/l，属于重度黑臭水体。该河道曾作为某化工厂的排污河道，底泥受到严重的有机物污染，其中底泥重污染区域长50m、宽 5m，需修复的底泥深度约为
1m。
35.本实施例中修复底泥所用的电极均采用网筒状钌钛网6（如图8所示），网筒直径为30cm，高1m，钌钛网厚5mm；将铜导线与钌钛网进行焊接，并且连接处用防水胶密封，避免连接处腐蚀增大电阻，铜线外部包裹着绝缘塑料层；利用钻孔机在底泥中按照电极排布方式进行打孔，辅助网筒状钌钛网完全插入底泥。
36.如图9所示的黑臭河道现场修复示意图，电极呈网状排列，相邻电极间的距离均为1.5m，阴极和阳极沿河岸方向依次排布，沿河岸垂直方向的电极极性均相同；将连接同一极性的导线并联接入直流电源，通过直流电源5对电极施加50 ma/cm2的恒电流，每日交换电极极性；在电化学修复过程中，结合便携式水处理设备对上覆水进行处理；修复进行20天后，底泥的有机物污染基本得到控制，上覆水水质得到较好的改善，溶解氧含量上升96.9%，氨氮含量下降88.2%，总磷下降81.3%，cod含量下降46.6%；经持续跟踪监测，修复后的水体在半年内未再次发生黑臭现象，水质各项指标基本稳定，生态多样性开始恢复。上覆水在修复前后的水质指标如下表所示：水质指标修复前修复后修复后6个月溶解氧（mg/l）0.26.57.2氨氮（mg/l）222.62.3总磷（mg/l）1.60.30.4cod（mg/l）5026.729.3浊度（ntu）682415本发明：通过钻孔的方式将电极完全插进底泥，向电极施加一定强度的直流电流，从而促进底泥沉积物中氮、磷、硫元素以及有机物的释放，加速内源污染释放的主要机理包括：阳极氧化、氧气氧化和气浮作用以及电阻加热促进污染物从底泥释放和阳极氧化作用，由于外加电流的作用，阳极与其附近的底泥发生电子交换，从而将污泥中的有机物和硫化物直接氧化；该体系在通电过程中产生电解水作用，阳极是释放氧气、产酸的过程，阴极时释放氢气、产碱的过程，氧气在扩散过程中可加速底泥中有机物的降解或氧化还原性物质，并且气泡在上浮的过程中可将间隙水中溶解态或固态污染物吹浮至上覆水，从而加速底泥沉积物内源污染的释放，使得底泥中的污染物在短期内迁移到上覆水，然后结合水处理方法对上覆水进行处理，同时，电流流经底泥，具有导电性的底泥将电能转换成热能升温底泥，促进污染物从底泥释放和阳极氧化作用。
37.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种用于污染水体底泥沉积物原位修复的电化学方法，其特征在于，包括如下修复步骤：s1通过工程方法将电极完全插入底泥，向电极施加一定强度的直流电流，从而促进底泥沉积物中氮、磷、硫元素以及有机物的释放；底泥内源污染物污染释放的主要机理包括：阳极氧化、氧气氧化和气浮作用以及电阻加热促进污染物从底泥释放和阳极氧化作用；阳极氧化：在电解的过程中，由于外加电流的作用，阳极与其附近的底泥接触发生电子交换，可将污泥中的有机物或硫化物直接氧化；氧气氧化和气浮作用：通电过程中产生电解水作用，阳极存在释放氧气、产酸的过程，而阴极则是释放氢气、产碱的过程，氧气在扩散过程中可加速底泥中有机物的降解或氧化还原性物质，气泡在上浮的过程可将间隙水中溶解态或固态污染物吹浮至上覆水，从而加速底泥沉积物内源污染的释放，使得底泥中的污染物在短期内迁移到上覆水；电阻加热：电流流经底泥，具有导电性的底泥将电能转换成热能升温底泥，促进污染物从底泥释放和阳极氧化作用；s2释放到上覆水中的内源污染物采用水处理方法进行处理。2.根据权利要求1所述的一种用于污染水体底泥沉积物原位修复的电化学方法，其特征在于，所述的电极为钛电极、钌钛电极、铱钽钛电极、石墨电极其中的一种。3.根据权利要求1所述的一种用于污染水体底泥沉积物原位修复的电化学方法，其特征在于，所述电极为网状、板状、柱状、网筒状其中的一种形态。4.根据权利要求1所述的一种用于污染水体底泥沉积物原位修复的电化学方法，其特征在于，所述步骤s1的工程方法将电极完全插入底泥为通过钻孔的方法将电极完全插入底泥。5.根据权利要求1所述的一种用于污染水体底泥沉积物原位修复的电化学方法，其特征在于，所述电极的排布方式可为网状或菱形状。6.根据权利要求1所述的一种用于污染水体底泥沉积物原位修复的电化学方法，其特征在于，相邻两个电极的间距不大于2m。7.根据权利要求1所述的一种用于污染水体底泥沉积物原位修复的电化学方法，其特征在于，除电极以外的部分用防水胶密封，包括导线和电极与导线的连接处。8.根据权利要求1所述的一种用于污染水体底泥沉积物原位修复的电化学方法，其特征在于，所述步骤s1的直流电流密度为20-500ma/cm2。9.根据权利要求1所述的一种用于污染水体底泥沉积物原位修复的电化学方法，其特征在于，所述底泥内源污染物主要的污染包括：氮、磷、硫化物以及有机物污染。10.根据权利要求1所述的一种用于污染水体底泥沉积物原位修复的电化学方法，其特征在于，所述步骤s2水处理方法为通过便携式水处理设备进行处理。

技术总结
本发明公开了一种用于污染水体底泥沉积物原位修复的电化学方法，包括如下修复步骤：通过工程方法将电极完全插入底泥，向电极施加一定强度的直流电流，从而促进底泥沉积物中氮、磷、硫元素以及有机物的释放；底泥内源污染物污染释放的主要机理包括：阳极氧化、氧气氧化和气浮作用以及电阻加热促进污染物从底泥释放和阳极氧化作用；释放到上覆水中的内源污染物采用水处理方法进行处理。本发明相对于污泥疏浚和投加化学试剂等方法，具有更快捷、有效、成本低的优势，适用于深层底泥的原位修复。适用于深层底泥的原位修复。适用于深层底泥的原位修复。


技术研发人员：毛旭辉 华河林 曾香 杨圣云 李娜 吴丹 高锐 胡茂华
受保护的技术使用者：李娜 吴丹 高锐 胡茂华
技术研发日：2023.06.02
技术公布日：2023/8/28