一種含油污泥電化學(xué)生物耦合深度處理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及含油污泥電化學(xué)生物耦合深度處理方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 電泳現(xiàn)象是于19世紀(jì)初當(dāng)Reuss在一個(gè)粘土-水的混合物中施加直流電場時(shí)首次 被所發(fā)現(xiàn)的。簡而言之，電化學(xué)力學(xué)處理（以下簡稱電化學(xué)處理)是一個(gè)發(fā)生在電極間的電 迀移、電滲透、電化學(xué)反應(yīng)的受控過程。土壤的電化學(xué)力學(xué)處理技術(shù)就是在受污染土壤中通 入電流，是土壤中的污染物在直流電場的作用下進(jìn)行定向迀移，最終達(dá)到去除污染物的目 的。其原理可以解釋為在通電過程中，帶正電的離子移向陰極，帶負(fù)電的離子移向陽極，而 不帶電的粒子則隨著電滲透作用產(chǎn)生的水流方向從陽極向陰極進(jìn)行移動(dòng)。
[0003] 根據(jù)選擇的電極不同，還會(huì)出現(xiàn)電極與污染物發(fā)生反應(yīng)來去除污染物的現(xiàn)象。土 壤電化學(xué)修復(fù)是一項(xiàng)新興的環(huán)境處理技術(shù)，對(duì)于飽和與非飽和的土壤都是適用的。電化學(xué) 修復(fù)的主要供能方式包括控制電壓法和控制電流法兩種，控制電壓法就是不考慮電場中的 電阻大小，通電過程中只保持電壓不變，一般采用電場強(qiáng)度或電勢(shì)梯度(V/m)來表征，其特 點(diǎn)是電勢(shì)梯度穩(wěn)定均勻；而控制電流法就是保持通電過程中電流恒定，一般采用電流密度 (mA/cm2)來表征，其特點(diǎn)是可以根據(jù)電勢(shì)的變化來指示修復(fù)的終點(diǎn)。
[0004] 根據(jù)電化學(xué)處理描述，其處理機(jī)制主要包括電迀移、電滲透及電泳三種方式，其中 電泳是指帶電粒子或膠體在電場中的運(yùn)動(dòng)方式，與其它兩種方式相比，在實(shí)際污染物去除 過程中，電泳作用的貢獻(xiàn)較小，甚至可以忽略不計(jì)，因此，主要介紹電化學(xué)處理過程中的電 迀移和電滲透機(jī)制。
[0005] ①電迀移電迀移是帶電離子或離子團(tuán)在直流電場中的移動(dòng)方式，其移動(dòng)方向是朝 與其本身所帶的電荷相反的電極方向。Probstein提出的電迀移速率的表達(dá)式如式(1-1)所 示：
[0006] Uem- =vXzXFXE (1-1)
[0007] 式中uem-帶點(diǎn)離子在土壤中的迀移速率(m2/s·V);
[0008] V-離子迀移率(m2/v);
[0009] z-離子電荷數(shù)(個(gè)）；
[0010] F-法拉第常數(shù)(C/mol);
[0011] E-電場強(qiáng)度(V/m)。
[0012] 根據(jù)式（1-1)可以看出，電迀移速率與離子電荷數(shù)和電場強(qiáng)度呈正比關(guān)系，這對(duì)于 一種已知離子污染物，提高電場強(qiáng)度可以提高該污染物的電迀移速率。
[0013] ②電滲透土壤中不帶電粒子一般采用電滲透作用移動(dòng)，其實(shí)質(zhì)是描述土壤孔隙水 本身的移動(dòng)過程，由于土壤表面帶有電荷可以形成雙電層結(jié)構(gòu)，而雙電層中的帶電溶液在 電場作用下就會(huì)迀移，而土壤孔隙中的粘性剪切力會(huì)平衡電滲透作用力將中性溶液移出雙 電層。Helmholtz和Smoluchowski是最早提出關(guān)于電場強(qiáng)度存在條件下的電滲流速和zeta 電位理論，一般稱之為Helmholtz和Smoluchowski公式，其表達(dá)式如式（1-2)所示：
[0015]式中ε-孔隙水的介電常數(shù)(F/m);
[0016] ζ-土壤表面的zeta電位(mV);
[0017] E-平均電場強(qiáng)度(V/m);
[0018] μ-孔隙水的粘度(Pa·s)。
[0019] 實(shí)際修復(fù)中為了控制陽極pH的酸化，往往對(duì)陽極pH進(jìn)行控制，以達(dá)到提高電滲流 的目的。
[0020] 電化學(xué)處理工藝實(shí)質(zhì)上是由被污染的土壤和放入的電極共同構(gòu)成一個(gè)典型的電 解反應(yīng)室，來進(jìn)行土壤的原位處理，而這種電解室由電極之間的物質(zhì)流動(dòng)所組成，在電化學(xué) 修復(fù)過程中常常加入處理液來強(qiáng)化污染物的去除。
[0021] 電化學(xué)自從1809年就開始在科學(xué)和工業(yè)上應(yīng)用，至今已有200年左右的歷史。在應(yīng) 用上，主要有兩種方式，一種是合成反應(yīng)，即將一種化學(xué)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為其他的物質(zhì)，另一種則 屬于動(dòng)力學(xué)方面的應(yīng)用，即將離子物質(zhì)從土壤中迀移出來。電化學(xué)工藝技術(shù)就是利用電化 學(xué)原理，利用大地電場和低電壓、低電流技術(shù)，在有機(jī)物和無機(jī)物之間引入氧化還原反應(yīng)， 將土壤中復(fù)雜的碳?xì)浠衔锓纸鉃槎趸己退?，并通過電化學(xué)力去除重金屬和小顆粒物 質(zhì)及水。
[0022] 該方法的技術(shù)要點(diǎn)為通過破壞分子的尺寸進(jìn)行液化(氧化還原反應(yīng)），利用電化學(xué) 原理使油迀移并利用電滲析原理去除水。該法可有效的去除土壤中的有機(jī)污染物如TPH、 PAH、cVOCs、半揮發(fā)性氯化物、BTEX、氰化物、PCBs、殺蟲劑、DF(二氧吲哚，呋喃）、MTBE、重金 屬等，另外，此法目前在采油上也有應(yīng)用。
[0023]微生物處理技術(shù)是指利用微生物來降解土壤中的石油烴類污染物，使其最終轉(zhuǎn)化 為〇)2和出0或者其他無害物質(zhì)的過程，根據(jù)微生物的種類可以分為細(xì)菌處理和真菌處理，比 較而言，細(xì)菌具有容易培養(yǎng)、容易進(jìn)行分子生物學(xué)技術(shù)改造、代謝底物廣泛、容易實(shí)現(xiàn)烴類 污染無礦化等優(yōu)點(diǎn)，因此在土壤處理中細(xì)菌比真菌的應(yīng)用廣泛。
[0024]微生物對(duì)石油的降解的研究，由于石油烴分子難溶于水，而微生物的代謝過程需 要在水環(huán)境中完成，因此，可以把微生物代謝石油烴的過程分成兩個(gè)部分，即石油烴的攝取 和石油烴的降解。在烴類微生物降解的過程中，關(guān)于微生物攝取烴類的機(jī)制還尚未明確，目 前的研究仍然處于探索階段。Rosenberg的研究也證實(shí)了這一點(diǎn)，有效的接觸可以提高微生 物對(duì)烴類污染物的利用。主動(dòng)運(yùn)輸?shù)倪^程需要表面活性劑的支持，外源表面活性劑和微生 物自身產(chǎn)生的表面活性劑都可以在微生物代謝過程進(jìn)行主動(dòng)運(yùn)輸過程，根據(jù)Pena的研究可 知，對(duì)于離子型表面活性劑而言，其膠體分子難以接近油的分子顆粒。土壤的微生物處理過 程實(shí)質(zhì)就是微生物在以石油烴為碳源生長代謝過程中逐漸去除土壤中的石油烴類污染物。 與物理化學(xué)處理技術(shù)相比，微生物的生長代謝過程容易受環(huán)境條件等因素的干擾，因此，如 果想提高微生物的處理效率，就需要在實(shí)際的處理過程中采取一定強(qiáng)化手段，為微生物的 生長代謝創(chuàng)造有利環(huán)境。根據(jù)已有的研究成果，可以將土壤的微生物處理過程中存在的關(guān) 鍵因素及相關(guān)的解決方案概括為以下幾個(gè)方面進(jìn)行描述。
[0025] (1)石油烴的組成及性質(zhì)
[0026]作為目標(biāo)污染物，石油烴化學(xué)組成、水溶性、濃度及毒性等都可以對(duì)微生物的代謝 過程產(chǎn)生影響。微生物對(duì)石油烴中的主要組分的降解的能力的順序?yàn)橥闊N最高，芳香烴次 之，膠質(zhì)和瀝青等物質(zhì)很難被微生物降解，然而對(duì)于一個(gè)給定的需要處理的土壤而言，這些 石油烴的組分是無法改變的。石油烴的存在濃度及毒性也可以影響微生物的代謝，某些石 油烴本身就是微生物生長的抑制劑，但畢竟這是極少的一部分，更多的是由于高濃度的底 物濃度給微生物生長帶來的底物抑制效應(yīng)，這就要求微生物本身應(yīng)該具有較高的耐受性。 [0027] (2)微生物對(duì)石油烴的降解能力
[0028]微生物對(duì)石油烴的降解能力是進(jìn)行土壤微生物處理技術(shù)的決定因素，目前的微生 物處理技術(shù)更傾向于采用投加外源微生物，這就要求所投加的外源微生物對(duì)石油烴必須具 有較高的代謝能力，圍繞篩選高效石油降解菌的研究已經(jīng)有很多報(bào)道，這些報(bào)道的菌株不 僅在降解石油烴方面是有效的，而且均具有自身產(chǎn)生生