环境污染的物理修复原理ppt课件.ppt

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1、第二章 环境污染的物理修复原理,2.1.1 物理修复的概念,修复：Remediation 环境意义上的修复是指对被污染的环境采取物理、化学与生物学技术措施，使存在于环境中的污染物质浓度减少或毒性降低或完全无害化。物理修复：污染环境的物理修复过程主要利用污染物与环境之间各种物理特性的差异，达到将污染物从环境从去除、分离的目的。,2.1.2 物理修复的特点,物理修复具有高效、快捷、积极、修复时间较短、操作简便、对周围环境干扰少、对污染物的性质和浓度不是很敏感等特点，所以应用范围很广，近年来物理修复在污染土壤的治理方面得到了较大的发展。但相对与近年来迅速发展的生物修复技术也暴露出不少缺点：修复效果不

2、尽人意、所需费用较高、耗人力物力较多、有可能引起二次污染等,2.2 物理修复的技术类型,根据处理对象的位置是否改变分为：原位物理修复 原位物理修复更为经济有效：对污染物就地处置，使之得以降解和解毒，不需要建设昂贵的地面环境工程基础设施和远程运输，操作维护起来比较简单，还有一个优点就是可以对深层次污染的土壤进行修复。异位物理修复，与原位物理修复技术相比，异位物理修复技术的环境风险较低，系统处理的预测性高于原位物理修复。,5种物理修复技术,基本物理分离修复,1,蒸汽浸提修复,2,固定/稳定化修复,3,电动力学修复,4,热力学修复,5,2.3 基本物理分离修复,2.3.1 物理分离修复概述,在化学、

3、采矿和选矿工业中应用了几十年。主要是基于介质及污染物的物理特征而采用不同的操作方法：依据粒径大小，采用过滤或微过滤的方法进行分离；依据分布、密度大小，采用沉淀或离心分离；依据磁性有无或大小，采用磁分离的手段；根据表面特性，采用浮选法进行分离。,针对不同土壤颗粒粒级（如粗砂、细砂和薪粒等）、粒径或形状，可通过不同大小、形状网格的筛子（如格筛、振动筛）进行分离（图2-1)；,图 2-1 污染土壤的物理分离修复过程,2.3.2 物理分离修复过程,依据颗粒水动力学原理，将不同密度的颗粒，通过其重力作用导致的不同沉降、沉淀速率进行分离；根据颗粒表面特性的不同，采用浮选法，将其中一些颗粒吸引到目标泡沫上进

4、行分离；一些物质具有磁性，或者污染物本身具有磁感应效应，尤其是一些重金属，可采用磁分离法进行分离。物理分离技术通常需要挖掘土壤，因此修复工作所耗费的时间取决于设备的处理速度和待处理土壤的体积。通常，都是在流动的单元内原位开展修复工程，它的修复能力是每天能处理 9450m3 的土壤。,2.3.3 物理分离修复原理,(1)粒径分离筛分：根据颗粒直径分离固体干筛分 图2-2 滚筒筛设备示意图,湿筛分,图2-3 跳汰式湿筛分工艺示意图,一般来说，采用湿筛分技术要遵循以下原则：a.当大量重金属以颗粒状存在时，特别推荐采用湿筛分方式。此时，湿筛分手段能够使土壤无害化，而不需要进一步的处理；同时，应用少量的

5、化学试剂就将废液中重金属颗粒的体积减少到一定预期水平。b.如果接下来的化学处理需要水，如采用土壤清洗或淋洗技术，那么也推荐用湿筛分技术。c.如果处理得到的重金属可以循环再利用或废液不需要很多的化学处理试剂，也适合采用湿筛分方法。,筛分前的预处理：摩擦洗涤 摩擦洗涤器摩擦洗涤器能够打碎土壤团聚体结构，将氧化物或其他胶膜从土壤胶体上洗下来。,(2)水动力学分离 水动力学分离，或粒度分级，是基于颗粒在流体中的移动速度将其分成两部分或多部分的分离技术。颗粒在流体中的移动速度取决于颗粒大小、密度和形状。可以通过强化流体在与颗粒运动方向相反的方向上的运动，提高分离效率。,淘选机机械粒度 分级机,图 2-4

6、 螺旋分级机或“沙螺旋”的工作原理示意图,水力旋风分离器,图 2-5 水力旋风除尘器示意图,(3)密度（或重力）分离基于物质密度，采用重力富集方式分离颗粒。在重力和其他一种或多种与重力方向相反的作用力的同时作用下，不同密度的颗粒产生的运动行为也有所不同。尽管密度不同是重力分离的主要标准，但是颗粒大小和形状也影响分离。一般情况下，重力分离对粗颗粒比较有效。,图2-6 重力分离设备工作原理示意图,(4)脱水分离过滤和压滤,图2-7 自动板框压滤机工作原理示意图1主梁 2滤布 3固定压板 4滤板 5池框 6活动压板 7压紧机构 8洗刷槽,沉淀离心,图2-8 一种圆筒型离心机构造及工作原理示意图,脱水

7、分离修复的主要技术特征总结,(5)泡沫浮选分离浮选的基本原理固体废物根据表面性质可分为：极性与非极性a.非极性颗粒表面吸附的水分子少而稀疏，水化膜薄而易破裂。疏水性易与气泡结合b.极性颗粒表面吸附的水分子量大而密集，水化膜后而难破裂。亲水性难与气泡结合捕收剂：使预浮的废物颗粒表面疏水，增加可浮性，使其易于向气泡附着。,图2-9 机械搅拌式浮选机构造及工作原理示意图,(6)磁力分选利用固体废物中各种物质的磁性差异来实现分离。,(7)电力分选利用固体废物中各种组分的导电性的不同实现分离,物理分离修复技术的主要属性小结（一）,物理分离修复技术的主要属性小结（二）,2.3.4 物理分离修复技术应用,物

8、理分离技术主要应用在污染土壤中无机污染物的修复技术上，它最适合用来处理小范围射击场污染的土壤，从土壤、沉积物、废渣中分离重金属、清洁土壤、恢复土壤正常功能。大多数物理分离修复技术都有设备简单，费用低廉，可持续高产出等优点，但是在具体分离过程中，其技术的可行性，要考虑各种因素的影响。物理分离技术在应用过程中还有许多局限性，比如用粒径分离时易塞住或损坏筛子；用水动力学分离和重力分离时，当土壤中有较大比例的黏粒、粉粒和腐殖质存在时很难操作；用磁分离时处理费用比较高等。这些局限性决定了物理分离修复技术只能在小范围内应用，不能被广泛的推广。,2.4 蒸气浸提修复原理,2.4.1 蒸气浸提修复概述,蒸气浸

9、提技术是指通过降低土壤空隙蒸汽压，把土壤中的污染物转化为蒸汽形式而加以去除的技术，是利用物理方法去除不饱和土壤中挥发性有机组分（VOCs）污染的一种修复技术。该技术适用处理污染物为高挥发性化学成分，如汽油、苯和四氯乙烯等环境污染。,土壤蒸气浸提(SVE)利用真空泵产生负压驱使空气流过污染的土壤孔隙而解吸并夹带有机组分流向抽取井，最终于地上进行处理。为增加压力梯度和空气流速，很多情况下在污染土壤中也安装若干空气注射井。,蒸气浸提研究另一个重要的方向是原位空气注射技术，该技术将土壤蒸气浸提技术的应用范围拓展到对饱和层土壤及地下水有机污染的修复。操作上用空气注入地下水，空气上升后将对地下水及水分饱和

10、层土壤中有机组分产生挥发、解吸及生物降解作用，之后空气流将携带这些有机组分继续上升至不饱和层土壤，在那里通过常规的SVE系统回收有机污染物。尽管原位空气注射技术使用不过十年时间，但因其高效、低成本的修复优点，使之正在取代泵抽取地下水的常规修复手段。,3.4.2 蒸气浸提修复原理,（1）原位土壤蒸气浸提技术（深层）原位土壤蒸汽浸提技术是利用真空通过布置在不饱和土壤层中的提取井向土壤中导人气流，气流经过土壤时，挥发性和半挥发性的有机物挥发随空气进入真空井，气流经过之后，土壤得到修复。根据受污染地区的实际地形、钻探条件或者其他现场具体因素的不同，可选用垂直或水平提取井进行修复,图2-11 原位土壤蒸

11、汽浸提修复技术的系统示意图,（2）异位土壤蒸气浸提技术（浅层）异位土壤蒸气浸提技术是指利用真空通过布置在堆积着的污染土壤中开有狭缝的管道网络向土壤中引入气流，促使挥发性和半挥发性的污染物挥发进入土壤中的清洁空气流，进而被提取脱离土壤。这项技术还包括尾气处理系统。,图2-12 异位土壤蒸汽浸提修复技术的系统示意图,蒸气浸提技术的主要优点包括：能够原位操作，比较简单，对周围的干扰能够限定在尽可能小的范围之内；非常有效地去除挥发性有机物；在可接受的成本范围之内能够处理尽可能多的受污染的土壤；系统容易安装和转移；容易与其他技术组合使用。在美国，蒸气浸提技术几乎已经成为修复受加油站污染的地下水和土壤的“

12、标准”技术。,3.4.3 蒸气浸提修复技术应用,浸提技术主要用于挥发性有机卤代物和非卤代物的修复，通常应用的污染物是那些亨利系数大于0.01或蒸汽压大于66.66 Pa 的挥发性有机物，有时也应用于去除环境中的油类、重金属及其有机物、多环芳烃等污染物。一般来讲，原位蒸气浸提修复技术运行和维护所需时间由612个月不等，异位蒸气浸提技术通常每批污染土壤的处理需要46个月，而多相浸提修复技术运行周期在6个月和几年不等。,辅助手段压裂技术,而对于渗透性较差的介质（如黏土、有机土壤和紧密的土体），蒸气浸提技术的应用受到了限制，水力和气动压裂技术正是用来对付这类土壤或沉积物的污染问题。水力压裂技术将高压水

13、流、气动压裂技术将高压气体，通过注射井注入地下，也低渗透性介质中形成裂纹缝隙，从刷增加提取介质与污染物的接触面积强化其他一些原位浸提技术的提取效果。通常，压裂技术用于帮助处理那些非水溶性液态物质，地下没有裂痕的情况下，这些物质通常是很难去除的。,经验表明，限制土壤蒸气浸提技术应用效果的因素主要有：下层土壤的异质性会引起气流分配的不均匀；低渗透性的土壤难于进行修复处理；地下水位太高(地下12m)会降低土壤蒸气提取的效果；排出的气体需要进行进一步处理；新土、腐殖质含量较高或本身极其干燥的土壤，由于其本身对挥发性有机物的吸附性很强，采用原位土壤蒸气提取时，污染物的去除效率很低；对饱和土壤层中的修复效

14、果不好，但降低地下水位，可增加不饱和土壤层的体积，从而改善这一状况。,2.5 固化/稳定化修复原理,2.5.1 固化/稳定化修复概述,固化/稳定化修复技术是指防止或者降低污染土壤释放有害化学物质过程的一组修复技术，包括原位和异位固定/稳定化。通常用于重金属和放射性物质污染土壤的无害化处理。固化/稳定化技术需要污染土壤与固化剂或稳定剂等进行混合后，投掷于原位或异位进行稳定化处理。原位处理相比而言较为经济，处理目标污染物深度可达30 m。,固化是指将污染物包被起来，使之呈颗粒状或大块状存在，进而使污染物处于相对稳定的状态。在通常情况下，它主要是将污染土壤转化成固态形式，也就是将污染物封装在结构完整

15、的固态物质中的过程。通过密封隔离含有污染物的土壤，或者大幅降低污染物暴露的易泄漏、释放的表面积，从而达到控制污染物迁移的目的。稳定化是指将污染物转化为不易溶解、迁移能力或毒性变小的状态和形式，即通过降低污染物的生物有效性，实现其无害化或者降低其对生态系统危害性的风险。,2.5.2 固化/稳定化修复原理,固化/稳定化是用物理-化学方法将污染物固定或包封在密实的惰性基材中，使其稳定化的一种过程。固化机理十分复杂，目前尚在研究和发展之中。其固化过程有的是将污染物通过化学转变或引入某种稳定的晶格中的过程；有的是将污染物用惰性材料加以包容的过程；有的兼有上述两种过程。,固化稳定化技术既可以将污染介质（主

16、要包括土壤和沉积物等）提取或挖掘出来，在地面混合后，投放到适当形状的模具中或放置到空地，进行稳定化处理，称之为异位固化/稳定化技术；也可以在污染介质原位稳定处理。相比较而言，现场原位稳定处理比较经济，并且能够处理深达30 m处的污染物。,图2-13 异位固化/稳定化修复污染土壤,图2-14 原位固化/稳定化修复污染土壤,稳定和固定化技术处理的一般步骤包括：中和过量的酸度；破坏金属络合物；控制金属的氧化还原状态；转化为不溶性的稳定形态；采用固化剂形成稳定的固体形态物质。在稳定化之前，有些金属离子需要进行顶处理，例如电镀废水中的金属氰化物需要被破坏掉，将六价铬离子Cr(还原为二价的形式，然后转化为

17、氢氧化物形式。对于有毒有机污染物，也可以采用类似的步骤进行稳定化处理。,固化与稳定化技术具有以下一些特点：需要污染土壤与固化剂/稳定剂等进行原位或异位混合，与其它固定技术相比，无需破坏天机物质，但可能改变有机物质的性质；稳定化可能与封装等其他固定技术联合应用，并可能增加污染物的总体积；固化/稳定化处理后的污染土壤应当有利于后续处理；现场应用需要安装全部或部分设施：原位修复所需的螺旋钻井和混合设备；集尘系统；挥发性污染物控制系统；大型储存池。,2.5.3 固化/稳定化修复技术应用,异位固化稳定化通常用于处理无机污染物质。对于受半挥发性的有机物质及农药杀虫剂等污染物污染的情况，进行修复的适用性有限

18、。不过，目前正在进行能有效处理有机污染物的黏结剂的研究，可望在不久的将来也能应用于有机污染物污染土壤的修复。原位固化稳定化通常用于修复金属污染的介质。,实例:有研究者对固化/稳定化技术所形成的污染土壤凝块进行了安全测试。模仿2300 mm降雨含酸量，分别用硫酸(PH1.0)、盐酸(pH1.0)、硝酸(PH3.0)和乙酸(pH=3.0)对含有大量金属的土壤凝块进行淋洗试验，结果表明；浸出液中金属离子含量不到1mg/L。,固化/稳定化技术是少数几个能够原位修复金属污染介质的技术之一。固化/稳定化处理技术对污染介质进行修复，具有的优点包括：可以处理多种复杂金属废物；费用低廉；加工设备容易转移；所形成

19、的固体毒性降低，稳定性增强；凝结在固体中的微生物很难生长，不致破坏结块结构。,影响污染土壤固化与稳定化修复有效性的因素：首先，影响固化稳定化过程的物理机制影响其技术的有效性，这些因素包括：水分及有机污染物含量过高，部分潮湿土壤或者废物颗粒与黏结剂接触粘合，而另一些未经处理的土壤团聚体或结块，最后形成处理土壤与黏结剂混合不均匀；亲水有机物对养护水泥或者矿渣水泥混合物的胶体结构有破坏作用；干燥或黏性土壤或废物容易导致混合不均。其次，影响固化/稳定化过程的化学机制也影响其技术的有效性，这些因素包括：化学吸附老化过程；沉降/沉淀过程；结晶作用。,2.6 电动力学修复,2.6.1 电动力学修复概述,电动

20、力学技术早期应用在土木工程中,用于水坝和地基的脱水和夯实。在油类提取工业和土壤脱水方面的应用已经有几十年的历史了，最近几年也开始了在原位土壤修复和受污染地下水修复方面的应用，是刚发展起来的一种新兴原位物理修复技术。它是从饱和土壤层、不饱和土壤层、污泥、沉积物中分离提取重金属、有机物的过程。电动力学技术主要用于低渗透性土壤（由于水力传导性问题，传统的技术应用受到限制）的修复，适用于大部分无机污染物，也可用于对放射性物质及吸附性较强的有机物的治理。,2.6.2 电动力学修复原理,电动力学修复技术的基本原理类似电池，利用插入介质（土壤或沉积物）中的两个电极在污染介质两端加上低压直流电场，在低强度直流

21、电的作用下，水溶的或者吸附在土壤颗粒表层的污染物根据各自所带电荷的不同而向不同的电极方向运动：阳极附近的酸开始向介质的毛隙孔移动，打破污染物与介质的结合键，此时，大量的水以电渗透方式在介质中流动，土壤等介质毛隙孔中的液体被带到阴极附近，这样就将溶解到介质溶液中的污染物吸收至土壤表层得以去除。通过电化学和电动力学的复合作用，土壤中的带电颗粒在电场内作定向移动，土壤污染物在电极附近富集或者被收集回收。,图2-15 电动力学修复过程原理,污染物去除主要涉及电迁移、电渗析、电泳和酸性迁移等4种电动力学过程,电迁移电迁移是指带电离子在电场中的迁移运动,和带电离子的淌度(在单位电场梯度中的迁移速度)有关。

22、电迁移量与离子浓度和电位梯度成正比关系.在无限稀释的溶液中,离子淌度在110-81010-8m2/(V.cm)之间.在土壤中,由于孔隙的作用迁移的路径长而曲折,实际淌度大约在310-91010-8m2/(V.cm)之间。,电渗（electrosmosis）土壤孔隙表面带有负电荷，与孔隙水中的离子形成双电层。扩散双电层引起孔隙水沿电场从阳极向阴极方向流动称为电渗析。孔隙水流动速度与双电层厚度(土壤孔隙表面的Zeta电位)或者说与水流所携带的动电电流成正比，而与水流中电解质的浓度关系不大。土壤颗粒表面的双电层厚度一般约为10nm左右。不同类型的土壤带有的电荷及形成的双电层厚度是不同的：沙土细沙土高

23、龄土蒙脱土。,图2-16 土壤孔隙水的电渗析流动与水力流动比较,电渗析在土壤孔隙中产生的水流比较均匀，流动方向容易控制。对于结合紧密的粘土土壤，电渗析产生的水流渗透率高于水力学渗透率的几个数量级，而且动力消耗低。电渗析流的速度一般约为2.5cm/d。通过电渗析方法，密实土壤中的污染物可以被抽取出来以便进行适当的处理。,电泳（electrophoresis）土壤中带电胶体颗粒(包括细小土壤颗粒、腐殖质和微生物细胞等)的迁移运动称为电泳。土壤中胶体粒子包括细小土壤颗粒、腐殖质和微分物细胞等。运动的方向和大小取决于电场和毛细孔隙的直径等因素。,酸性迁移电解反应导致阴极附近pH呈酸性、pH可能低至2，

24、带正电的氢离子向阴极迁移；而阴极附近呈碱性、pH可高至12，带负电的氢氧根离子向阳极迁移。其中，氢离子因为半径小，其迁移速度又是氢氧根离子的两倍。加之氢离子的迁移与电渗析流同向，容易形成酸性迁移带。酸性迁移带的好处是有助于沉淀的金属重新离解为离子，进行迁移。,图2-17 电动力学修复技术的基本原理示意图,4.3 电动力学修复技术应用,去除重金属污染 在施加直流电场后，带正电荷的重金属离子开始向阳极迁移，其迁移速度比同方向流动的电渗析流快得多。金属离子的迁移速度与离子半径有关。离子尺寸愈小，迁移速度愈快，例如，NaKCaNi。去除有机物 用清洁的流体置换受污染的地下水和洗刷受有机物污染的土壤。,

25、最新的发展趋向是将电动力学技术与其他技术相结合，强化电动力学修复。（3）与生物修复技术优化组合 电动力学技术与现场生物修复技术优化组合，用以现场降解和去除土壤和地下水中的有机污染物。在这种技术组合中电动力学方法克服水力输送的缺点，有效地将营养物质输送至土壤微孔中去，或者将微生物输送至污染区域，从而促进微生物的生长，提高其降解土壤中有机物的效率。,图2-19 电动力学生物强化修复原理示意图,2.7 热力学修复,2.7.1 热力学修复概述,热力学修复技术涉及利用热传导（如热井和热墙）或辐射（如无线电波加热）实现对污染环境(如土壤)的修复，如高温（1000）原位加热修复技术、低温（100）原位加热修

26、复技术和原位电磁波加热技术等。与玻璃化技术所不同的是，热力学修复技术即使是高温加热修复，其温度也相对较低。,2.7.2 热力学修复原理,（1）高温原位加热修复高温原位加热与标准土壤蒸气提取过程类似，利用汽提井和鼓风机（适用于高温情况的）将水蒸气和污染物收集起来，通过热传导加热，可以通过加热毯从地表进行加热（加热深度可达到地下lm左右），也可以通过安装在加热井中的加热器件进行，可以处理地下深层的土壤污染。在土壤不饱和层利用各种加热手段甚至可以使土壤温度升至 l000。如果系统温度足够高，地下水流速较低，输人的热量足以将进水很快加热至沸腾蒸汽，那么即使在土壤饱和层，也可以达到这样的高温。,图2-2

27、0 污染土壤高温加热修复过程,（2）低温原位加热修复低温原位加热修复是利用蒸汽井加热，包括蒸汽注射钻头、热水浸泡或者依靠电阻加热产生蒸汽加热(如六段加热)，可以将土壤加热到100。蒸汽注射加热可以利用固定装置井进行，也可以利用带有钻井装置的移动系统进行。（3）原位电磁波加热修复电磁波加热主要是利用发射器发射的无线电波中的电磁能量进行加热，过程无需土壤的热传导，电磁能量通过埋在钻孔中的电极导入土壤介质。发射器的发射频率根据污染范围和土壤的介电性质进行确定，一般使用频率为22450MHz的电磁波绝缘加热。,微波加热原理,微波一碰到金属就发生反射，金属根本没有办法吸收或传导它；微波可以穿过玻璃、陶瓷、塑料等绝缘材料，但不会消耗能量；而含有水分的食物，微波不但不能透过，其能量反而会被吸收。这个叫磁控管的电子管是个微波发生器，它能产生每秒钟振动频率为24.5亿次的微波。这种肉眼看不见的微波，能穿透食物达5cm深，并使食物中的水分子也随之运动，剧烈的运动产生了大量的热能，于是食物煮熟了。这就是微波炉加热的原理。,2.7.3 热力学修复应用,高温原位加热技术主要处理的污染物有半挥发性的卤代有机物和非卤代有机、多氯联苯以及密度较高的非水质的液体有机物。低温原位加热主要处理的污染物有半挥发性的卤代物和非卤代物以及浓的非溶性的液态物质，挥发性有机物也可以用此方法进行处理。,The End!,