重金屬污染地塊修復(fù)關(guān)鍵技術(shù)及裝備研究

齊水蓮 黃立志

摘 要：依據(jù)國內(nèi)及河南省重金屬污染地塊污染現(xiàn)狀及特點(diǎn)，針對(duì)重金屬污染固化/穩(wěn)定化修復(fù)技術(shù)及裝備研發(fā)存在的主要問題，分析了穩(wěn)定化藥劑的研發(fā)情況，并著重介紹了一體化成套裝備的研發(fā)，為我國重金屬污染地塊修復(fù)工程實(shí)施提供了國產(chǎn)裝備支持，并指出了下一階段的工作重點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：重金屬污染;固化/穩(wěn)定化;穩(wěn)定化藥劑;一體化修復(fù)裝備

中圖分類號(hào)：X820;X505文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）22-0148-03

Abstract： According to the pollution status and characteristics of heavy metal contaminated land in China and Henan Province， the research and development situation of stabilizing medicament was analyzed in view of the main problems of solidification/ stabilization remediation technology and equipment for heavy metal pollution， this paper introduced the research and development of the integrated equipment， which provided the domestic equipment support for the remediation project of heavy metal contaminated land， and pointed out the emphases of the next stage.

Keywords： heavy metal pollution;solidification/stabilization;stabilization agent;integrated restoration equipment

1 研究背景

隨著全國城鎮(zhèn)化進(jìn)程和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整步伐的加快，各大中城市紛紛實(shí)施“退二進(jìn)三”“退城進(jìn)園”等政策，大批涉及化工、金屬冶煉、石油化工和電鍍、印染、機(jī)械制造等行業(yè)的重度污染企業(yè)先后搬遷或關(guān)閉。遺留的大量重金屬污染地塊引起的環(huán)境污染問題已開始日益引發(fā)民眾關(guān)注，也成為建設(shè)用地再開發(fā)利用的重要環(huán)境隱患。我國重金屬污染地塊主要以復(fù)合污染形式存在，如鎘、鉛、鉻、汞、砷等，對(duì)人體有致癌、致畸和致突變的危害，因此，加強(qiáng)對(duì)重金屬污染地塊修復(fù)治理已成為一項(xiàng)迫在眉睫的民生工程。河南省重金屬污染場(chǎng)地大量分散于城鎮(zhèn)建設(shè)規(guī)劃區(qū)、部分飲用水源保護(hù)區(qū)及其他環(huán)境敏感區(qū)域，污染類型是單一和復(fù)合污染并存，主要污染因子包含鉻、鎘、鉛、砷等，開展重金屬污染地塊修復(fù)技術(shù)及裝備研發(fā)勢(shì)在必行，意義重大。

目前，國內(nèi)外重金屬污染地塊修復(fù)治理的途徑主要有兩類：一是改變重金屬在土壤中的存在形態(tài)，以降低重金屬的生物毒性和遷移性，包括固化/穩(wěn)定化、光催化降解等;二是去除土壤中的重金屬，降低其在土壤中的濃度使不超過最大允許濃度，包括微生物修復(fù)、植物修復(fù)、淋洗、電動(dòng)修復(fù)等。其中，固化/穩(wěn)定化修復(fù)技術(shù)是國內(nèi)外最常用的重金屬污染地塊修復(fù)技術(shù)，具有適用范圍廣、施工方便、處理時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)[1]。在借鑒歐美等發(fā)達(dá)國家近40年來治理與修復(fù)案例和經(jīng)驗(yàn)時(shí)，治理修復(fù)技術(shù)在國內(nèi)應(yīng)用中均需要與當(dāng)?shù)赝寥李愋?、污染物特征、用地性質(zhì)等實(shí)際情況結(jié)合。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)主要從重金屬污染修復(fù)穩(wěn)定化技術(shù)和裝備兩方面開展針對(duì)性研究。

2 重金屬污染地塊的固化/穩(wěn)定化修復(fù)技術(shù)研究

重金屬污染固化/穩(wěn)定修復(fù)的技術(shù)原理是：向重金屬污染土壤中加入固化/穩(wěn)定化藥劑，使土壤和藥劑混合通過吸附、沉淀等作用改變重金屬的存在形態(tài)，從而降低重金屬的生物有效性、浸出毒性和遷移性[2]。該技術(shù)可用于原位修復(fù)，也可用于異位修復(fù)。日本、歐美國家起步較早，開展了大量的技術(shù)研究和工程應(yīng)用。我國在固化/穩(wěn)定化修復(fù)技術(shù)方面的研究起步稍晚，已有不少科研院所和公司對(duì)重金屬污染土壤修復(fù)方法開展研究和試驗(yàn)，取得了一定的成果[3]。目前，主要針對(duì)單一污染研究的較多，而對(duì)復(fù)合重金屬污染研究的較少，研發(fā)的修復(fù)藥劑也大多還停留在實(shí)驗(yàn)室階段，沒有形成產(chǎn)業(yè)化，可大規(guī)模推廣應(yīng)用的較少，難以應(yīng)對(duì)當(dāng)前土壤污染的嚴(yán)峻形勢(shì)。因此，加強(qiáng)修復(fù)技術(shù)和藥劑研發(fā)，形成擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的工程技術(shù)、修復(fù)藥劑，不僅是土壤環(huán)境保護(hù)與技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的需求，也是我國在土壤污染與修復(fù)的新興產(chǎn)業(yè)進(jìn)入國際環(huán)境修復(fù)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的需求。

固化/穩(wěn)定化藥劑是影響重金屬污染地塊修復(fù)效果的主要因素，固化藥劑以水泥、瀝青、粉煤灰為代表，常用的穩(wěn)定化藥劑以無機(jī)物藥劑為主，包括磷酸鹽藥劑、堿性藥劑、硫化物、黏土礦物等。其中，磷酸鹽藥劑價(jià)格低廉，包含水溶性磷化物和難溶性磷化物兩類，對(duì)重金屬鉛的穩(wěn)定化效果最好，適用于酸性土壤，大量應(yīng)用易引起地下水體富營養(yǎng)化。常用的堿性藥劑包括金屬氫氧化物、金屬碳酸鹽，主要是在高土壤pH條件下形成穩(wěn)定的金屬氫氧化物沉淀，短時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定化效果較好。當(dāng)土壤pH逐漸降低時(shí)，金屬氫氧化物沉淀中的重金屬會(huì)存在重新溶出的風(fēng)險(xiǎn)。硫化物多應(yīng)用于含汞重金屬的治理。項(xiàng)目研究團(tuán)隊(duì)以河南典型的鉻污染地塊和國內(nèi)、省內(nèi)量大面廣的鎘、鉛、砷等多種重金屬復(fù)合污染地塊為對(duì)象，研究與天然礦組分相近的無機(jī)復(fù)合藥劑，選取鈣系、硫系、碳系的穩(wěn)定劑，按一定的比例組合復(fù)配，分別對(duì)鉻、鎘、鉛單一和不同復(fù)合污染土壤進(jìn)行穩(wěn)定化修復(fù)實(shí)驗(yàn)研究，初步篩選出了2種針對(duì)單一及復(fù)合重金屬污染型場(chǎng)地的修復(fù)藥劑，實(shí)驗(yàn)室小試修復(fù)效果良好，修復(fù)效果的長期穩(wěn)定性還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

3 重金屬污染地塊修復(fù)的成套裝備研發(fā)

3.1 重金屬污染土壤修復(fù)設(shè)備存在的問題

污染土壤與修復(fù)藥劑的精確投加、均勻混合是重金屬污染地塊穩(wěn)定化修復(fù)工程實(shí)施的關(guān)鍵性因素。目前，國內(nèi)采用的土壤修復(fù)裝備以國外引進(jìn)為主，但國外裝備存在造價(jià)高昂、不適用于較復(fù)雜的土壤、進(jìn)料不暢、維修保養(yǎng)困難等狀況，大大制約著此類裝備在國內(nèi)的推廣使用。國內(nèi)修復(fù)裝備主要以裝載機(jī)、挖掘機(jī)、篩分機(jī)、破碎機(jī)、皮帶輸送機(jī)、藥劑加注機(jī)、混合機(jī)單體設(shè)備組合修復(fù)為主，存在設(shè)備功能單一、物料需要二次或多次轉(zhuǎn)運(yùn)、密閉性差、自動(dòng)化程度低、土壤和藥劑混合不均勻、藥劑加注量很難精確定量等問題，導(dǎo)致土壤修復(fù)工程實(shí)施時(shí)存在過度修復(fù)或者修復(fù)不徹底等現(xiàn)象。因此，亟待開發(fā)一體化、模塊化、便于拆分和移動(dòng)的國產(chǎn)治理修復(fù)裝備。

3.2 重金屬污染土壤修復(fù)成套裝備研發(fā)

依據(jù)穩(wěn)定化修復(fù)工藝技術(shù)，在借鑒國外先進(jìn)國家類似設(shè)備如破碎與篩分、加藥混合單體設(shè)備的基礎(chǔ)上，結(jié)合河南金谷實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及設(shè)備制作經(jīng)驗(yàn)，完成了成套修復(fù)裝備的整體設(shè)計(jì)方案，主體機(jī)構(gòu)分為：進(jìn)料單元（進(jìn)料斗）、計(jì)量單元（電子皮帶秤）、藥劑加注單元（提升機(jī)、粉料藥劑加注裝置、液體藥劑加注裝置）、混合單元（混合機(jī)）、輸送單元（單托輥皮帶輸送機(jī)）、除塵單元（旋風(fēng)除塵器）、自動(dòng)控制單元等，最終形成的設(shè)計(jì)總圖如圖1所示。

整套裝備運(yùn)行的工藝流程描述如下：經(jīng)過預(yù)處理的污染土壤通過鏟車或者輸送設(shè)備進(jìn)入進(jìn)料斗，進(jìn)料斗出料口設(shè)置有切削輪，完成土壤的初步破碎，并均勻?qū)攵拷o料機(jī)（皮帶秤），電子皮帶稱輸送土壤的同時(shí)能在線稱重，并把結(jié)果傳輸給藥劑加注機(jī)。粉狀藥劑由提升裝置提升至粉狀藥劑加注機(jī)的上部進(jìn)料口進(jìn)入混合機(jī)料倉，經(jīng)過傳動(dòng)裝置由下部出料口被定量均勻地排出，灑落到下部皮帶秤上，與污染土壤一起進(jìn)入后續(xù)混合單元;液體藥劑通過計(jì)量泵定量供給，由噴嘴噴出與土壤混合。土壤藥劑混合物在混合機(jī)內(nèi)完成破碎、混合后，混合物從下部出料口流至單托輥皮帶輸送機(jī)上完成出料。整機(jī)配有PLC控制系統(tǒng)及變頻調(diào)速裝置，PLC實(shí)時(shí)采集、處理、保存皮帶秤污染土壤以及藥劑加注機(jī)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞給后臺(tái)計(jì)算機(jī)，通過計(jì)算，再通過變頻調(diào)速裝置及時(shí)調(diào)整藥劑加注機(jī)減速電機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)速，保證藥劑投加量與污染土壤量的適配，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)計(jì)量投加。

公司采購部、生產(chǎn)部全力配合，保質(zhì)保量地完成了設(shè)備的制作和安裝，整套設(shè)備具有以下創(chuàng)新點(diǎn)。

①土壤和藥劑充分混合均勻。在混合機(jī)內(nèi)部設(shè)置兩組切削輪、兩組混合輪四級(jí)縱向錯(cuò)位排布，切削輪高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，既能切削污染物、雜草、繩頭等，又能對(duì)物料進(jìn)行攪拌、混合，使物料混合更充分、更均勻。

②污染土壤與修復(fù)藥劑的精確計(jì)量和投加。PLC控制系統(tǒng)及變頻調(diào)速，保證藥劑的精確計(jì)量。粉狀藥劑加注機(jī)采用進(jìn)料口、出料口豎向錯(cuò)位排布，上、下?lián)懿嫘D(zhuǎn)，出料器設(shè)有容積式分料盤，均勻布料從出料孔內(nèi)卸出，實(shí)現(xiàn)藥劑的均勻投加。

③所有設(shè)備集成在一個(gè)可移動(dòng)平臺(tái)上，占地面積小，可連續(xù)化作業(yè)，自動(dòng)化程度高。

4 結(jié)語

針對(duì)重金屬污染地塊治理修復(fù)技術(shù)、裝備主要問題和實(shí)際情況，研發(fā)了兩種復(fù)配的修復(fù)藥劑，實(shí)驗(yàn)室效果良好。重金屬污染土壤修復(fù)成套裝備集進(jìn)料、定量加藥、混合攪拌、除塵、自動(dòng)出料等功能于一體，具有連續(xù)化作業(yè)、物料混合均勻、設(shè)備相對(duì)密閉、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，完成了單機(jī)試運(yùn)轉(zhuǎn)和改進(jìn)?？偨Y(jié)階段性成果，優(yōu)化藥劑配方，完善設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，提高設(shè)備的穩(wěn)定性，制定重金屬污染地塊修復(fù)技術(shù)方案，建立修復(fù)工程典型示范區(qū)，盡快開展大規(guī)模工程化應(yīng)用是今后工作的重點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

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