土壤異位高效穩(wěn)定化修復(fù)一體化設(shè)備及應(yīng)用

陳婷，羅豐，周斌，陳筱清

（1.永清環(huán)保股份有限公司，長(zhǎng)沙 410300；2.湖南伍玖環(huán)?？萍及l(fā)展有限公司，長(zhǎng)沙 410100；3.湖南永清機(jī)械制造有限公司，長(zhǎng)沙 410300）

在我國(guó)工業(yè)化、城市化進(jìn)程中，污染工業(yè)企業(yè)和環(huán)境突發(fā)事故造成了大量高風(fēng)險(xiǎn)污染場(chǎng)地，對(duì)場(chǎng)區(qū)內(nèi)及周邊土壤和地下水環(huán)境、食品安全、飲用水安全、區(qū)域生態(tài)環(huán)境、人居環(huán)境健康、經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展及社會(huì)穩(wěn)定造成了影響[1,2]。因此，對(duì)污染土壤的修復(fù)工作刻不容緩。目前，我國(guó)土壤修復(fù)技術(shù)研發(fā)雖取得一定成果，但在技術(shù)和設(shè)備規(guī)模應(yīng)用上與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有一定差距。國(guó)內(nèi)自主研究的原位、異位修復(fù)技術(shù)和設(shè)備供給明顯短缺[3]。當(dāng)前，我國(guó)使用的土壤修復(fù)設(shè)備大多為進(jìn)口，由于進(jìn)口設(shè)備存在集成化低、采購(gòu)成本高、采購(gòu)周期長(zhǎng)、使用成本高和不適應(yīng)國(guó)情等諸多問(wèn)題，不能滿足國(guó)內(nèi)土壤修復(fù)市場(chǎng)的需要。而國(guó)內(nèi)與修復(fù)技術(shù)配套的裝備水平較差、可靠性不高、二次污染防治手段不足[4]。隨著《土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃》和《土壤污染防治法》的頒布，我國(guó)的土壤污染治理修復(fù)工作亟待進(jìn)一步加強(qiáng)[5～7]。因此，國(guó)內(nèi)特有的污染土壤類型、條件和場(chǎng)地環(huán)境決定了需要開(kāi)展適合于我國(guó)國(guó)情并且擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的實(shí)用型、經(jīng)濟(jì)型、環(huán)保型土壤修復(fù)設(shè)備與技術(shù)的研究與應(yīng)用。

1 重金屬污染土壤穩(wěn)定化修復(fù)技術(shù)

目前，重金屬污染土壤修復(fù)技術(shù)主要有：物理修復(fù)（換土法、熱解析法、電動(dòng)修復(fù)法）、生物修復(fù)（植物修復(fù)、微生物修復(fù)）、化學(xué)修復(fù)（固化/穩(wěn)定化、化學(xué)淋洗）等三種。與其他修復(fù)技術(shù)相比，異位固化/穩(wěn)定化是一種比較成熟的固化廢物處置技術(shù)，市場(chǎng)應(yīng)用廣泛，已成為重金屬污染土壤修復(fù)的主要技術(shù)方法之一[8]。該技術(shù)具有成本較低、施工方便、處理后的地基土強(qiáng)度高以及對(duì)生物降解有良好阻礙的優(yōu)點(diǎn)[9]。固化/穩(wěn)定化技術(shù)（solidification/ stabilization，簡(jiǎn)稱S/S 技術(shù)）是指向土壤中添加固化/穩(wěn)定劑，通過(guò)吸附、沉淀或共沉淀、離子交換等作用改變重金屬在土壤中的存在形態(tài)，降低重金屬在土壤環(huán)境中的溶解遷移性、浸出毒性和生物有效性，減少由于雨水淋溶或滲濾對(duì)動(dòng)植物造成的危害[10]。目前，我國(guó)已發(fā)展了許多重金屬污染土壤穩(wěn)定化技術(shù)，主要包括pH 控制技術(shù)、沉淀技術(shù)、吸附技術(shù)、氧化/還原電勢(shì)控制技術(shù)等。

2 土壤異位高效穩(wěn)定化修復(fù)一體化設(shè)備及工藝

2.1 項(xiàng)目概況

應(yīng)用工程項(xiàng)目為我國(guó)某市某流域重金屬污染整治及生態(tài)修復(fù)工程，項(xiàng)目重金屬污染土壤修復(fù)總量約為729 251.17m3，其中輕微重金屬污染土壤修復(fù)總量為401 152.51m3、輕度重金屬污染土壤修復(fù)總量為157 985.28m3、中度重金屬污染土壤修復(fù)總量為120 485.44m3、重度重金屬污染土壤修復(fù)總量為49 627.94m3。治理區(qū)域內(nèi)表層土壤主要污染物為Cd、As、Hg、Cu、Zn 等，其中Cd、As、Cu 指標(biāo)污染嚴(yán)重。項(xiàng)目需對(duì)以上重金屬污染物進(jìn)行修復(fù)。輕微、輕度污染土壤采用異位固化穩(wěn)定化方法進(jìn)行重金屬污染治理，治理后的土壤原位回填。中度、重度污染土壤直接挖掘后送往填埋場(chǎng)安全處置。

2.2 設(shè)備及工藝路線

綜合考慮場(chǎng)地土壤條件、污染物特性、分布規(guī)律、修復(fù)目標(biāo)及業(yè)主要求等因素，選擇采用穩(wěn)定化工藝技術(shù)對(duì)場(chǎng)地中Cd、As、Cu 等重金屬污染土壤進(jìn)行修復(fù)。

土壤異位高效穩(wěn)定化修復(fù)一體化設(shè)備技術(shù)工藝路線為：根據(jù)場(chǎng)地污染空間分布信息進(jìn)行測(cè)量放線后開(kāi)始土壤挖掘，挖掘后的污染土壤運(yùn)至處理車間暫存區(qū)域，然后通過(guò)裝載設(shè)備將土壤裝載至破碎篩分系統(tǒng)進(jìn)行土壤雜質(zhì)篩分和土壤破碎。篩分、破碎后的土壤經(jīng)土壤輸送系統(tǒng)運(yùn)輸至自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)計(jì)量，同時(shí)根據(jù)該計(jì)量結(jié)果，藥劑輸送系統(tǒng)從藥劑存儲(chǔ)系統(tǒng)添加一定比例的藥劑至藥劑計(jì)量模塊，計(jì)量完成后自動(dòng)落入攪拌、混合系統(tǒng)進(jìn)行充分?jǐn)嚢韬突旌希跀嚢韬突旌系倪^(guò)程中，自動(dòng)進(jìn)入下一批待處理土壤的輸送和計(jì)量?；旌虾蟮耐寥烙沙隽陷斔拖到y(tǒng)輸送至臨時(shí)堆放區(qū)域。在出料輸送系統(tǒng)的末端設(shè)計(jì)有自動(dòng)加水單元，對(duì)混合后的土壤根據(jù)設(shè)計(jì)比例噴灑一定量的水，然后由裝載設(shè)備轉(zhuǎn)場(chǎng)至養(yǎng)護(hù)區(qū)域進(jìn)行堆放養(yǎng)護(hù)，最后將養(yǎng)護(hù)完畢的土壤進(jìn)行回填或送至填埋場(chǎng)安全填埋。

工藝路線如圖1 所示。

3 設(shè)備關(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)計(jì)

土壤異位高效穩(wěn)定化修復(fù)一體化設(shè)備主要由土壤篩分破碎、土壤輸送和計(jì)量、藥劑儲(chǔ)存系統(tǒng)、藥劑輸送與計(jì)量、攪拌混合、智能控制等關(guān)鍵系統(tǒng)組成。設(shè)備整體采用集裝箱式結(jié)構(gòu)，二次污染控制水平高，可實(shí)現(xiàn)快速安裝及轉(zhuǎn)場(chǎng)。設(shè)備總體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

3.1 土壤篩分破碎系統(tǒng)

土壤篩分破碎系統(tǒng)采用自動(dòng)正反轉(zhuǎn)的傾斜式對(duì)輥+雙側(cè)破碎振動(dòng)模塊，土壤破碎后粒徑小而均勻，既適應(yīng)北方的沙質(zhì)土壤，又適應(yīng)南方含水率較高的黏質(zhì)土壤。土壤篩分破碎系統(tǒng)由篩分裝置、破碎裝置、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)和相應(yīng)的支撐機(jī)架等部分組成。篩分裝置布置在設(shè)備的最上方，物料依靠自重進(jìn)行一級(jí)或多級(jí)篩分；篩分裝置的格柵采用長(zhǎng)條形布置，且格柵的間距逐步增大，避免因倒錐形物料堵塞格柵。破碎裝置出口處設(shè)有兩根或兩根以上破碎輥軸，破碎輥軸均勻布置破碎刀盤(pán)，每個(gè)刀盤(pán)按圓周均布兩個(gè)或以上破碎刀頭。破碎裝置的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括兩組獨(dú)立設(shè)置的驅(qū)動(dòng)裝置，由液壓馬達(dá)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)并設(shè)置壓力傳感器，當(dāng)出現(xiàn)卡滯或堵料時(shí)，根據(jù)壓力反饋信號(hào)驅(qū)動(dòng)裝置自動(dòng)進(jìn)行反轉(zhuǎn)，排除卡滯或堵料問(wèn)題。

圖1 土壤異位高效穩(wěn)定化修復(fù)一體化設(shè)備工藝路線

圖2 土壤異位高效穩(wěn)定化修復(fù)一體化設(shè)備總體結(jié)構(gòu)

3.2 土壤輸送、計(jì)量系統(tǒng)

考慮到土壤輸送距離盡可能小和輸送高度高等因素，此系統(tǒng)采用大傾角的波狀擋邊帶式輸送機(jī)輸送土壤，保障土壤的高效連續(xù)運(yùn)輸。該系統(tǒng)有輸送距離長(zhǎng)、輸送量大、連續(xù)輸送等優(yōu)點(diǎn)，且運(yùn)行可靠，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和集中化控制。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境及高精度計(jì)量要求，土壤計(jì)量系統(tǒng)采用懸臂梁型稱重傳感器進(jìn)行稱量，該設(shè)備具有精度高、溫漂小、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)土壤精確計(jì)量以保障與修復(fù)藥劑的精確配比。

3.3 藥劑儲(chǔ)存系統(tǒng)

藥劑儲(chǔ)存系統(tǒng)主要由藥劑倉(cāng)體、倉(cāng)頂除塵器、氣動(dòng)破拱器、倉(cāng)頂防爆閥等組成。藥劑倉(cāng)采用創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)倉(cāng)體，容積為10～40m3，免基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，安裝拆卸快捷。藥劑倉(cāng)的底部出料口上方設(shè)有3 個(gè)氣動(dòng)破拱器，氣動(dòng)破拱器以壓縮空氣為動(dòng)力，瞬間釋放，推動(dòng)內(nèi)部的錘頭打擊底部，將強(qiáng)大的沖力傳遞給料斗壁面，從而有效擊破物料所構(gòu)成的拱橋，使積料松動(dòng)，達(dá)到卸灰順暢的目的。氣動(dòng)破拱器對(duì)斗壁的沖擊不是連續(xù)和高頻率的，接到啟動(dòng)信號(hào)后，氣動(dòng)破拱器只工作一次，只產(chǎn)生一次沖擊，待第二次啟動(dòng)信號(hào)送達(dá)時(shí)氣動(dòng)破拱器才再次動(dòng)作。在破壞物料形成拱橋的同時(shí)，對(duì)灰斗構(gòu)件不產(chǎn)生破壞作用。此過(guò)程幾乎不存在機(jī)械活動(dòng)部件，因而故障率低，可靠性高，維修方便。倉(cāng)頂部設(shè)計(jì)的粉末專用除塵器過(guò)濾面積大，體積小，安裝與維修快捷方便，振動(dòng)式清理，操作簡(jiǎn)單?？ㄊ綖V芯采用進(jìn)口材料，既能滿足各類粉末狀物質(zhì)的過(guò)濾要求，又能保證倉(cāng)內(nèi)無(wú)負(fù)壓。

3.4 藥劑輸送與計(jì)量系統(tǒng)

藥劑輸送模塊采用全程封閉式結(jié)構(gòu)，可在粉塵量大的位置同時(shí)進(jìn)行噴霧除塵，有效保證施工現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)保要求，避免了二次污染。輸送系統(tǒng)采用高效率的LS型管式螺旋輸送機(jī)，采用了新型的懸掛式中間吊軸承架，增大了物料運(yùn)送空間，減少了物流阻力，加上小直徑、高轉(zhuǎn)速、變螺距等設(shè)計(jì)，確保能順暢、快速、均勻送料。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境及高精度計(jì)量要求，藥劑計(jì)量系統(tǒng)采用懸臂梁型稱重傳感器進(jìn)行稱量，此設(shè)備精度高、溫漂小、抗干擾能力強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)修復(fù)藥劑精確計(jì)量以保障與污染土壤的精確配比。

3.5 攪拌、混合系統(tǒng)

采用同向嚙合強(qiáng)制攪拌混合技術(shù)，通過(guò)同向軸攪拌葉片特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使穩(wěn)定化藥劑與土壤充分混合，解決飽水高黏性土壤穩(wěn)定化處理土壤包軸、穩(wěn)定劑抱團(tuán)與土壤難以充分混合、晾曬周期長(zhǎng)的問(wèn)題。設(shè)備采用的土壤專用雙臥軸攪拌機(jī)主要由攪拌罐體、攪拌部件、傳動(dòng)部件、密封潤(rùn)滑部件和進(jìn)出料裝置等組成。攪拌機(jī)設(shè)有兩軸，每?jī)奢S之間交叉排列布置數(shù)十個(gè)攪拌葉片。通過(guò)同向嚙合、剪切、翻轉(zhuǎn)、擠壓、推進(jìn)、強(qiáng)制攪拌等復(fù)合作用，保障各種物料充分混合，均勻攪拌，混合均勻性變異系數(shù)CV ≤5%，確保反應(yīng)充分、徹底且穩(wěn)定。

3.6 智能控制系統(tǒng)

設(shè)備配置設(shè)計(jì)了全流程的智能控制系統(tǒng)，包括設(shè)備遠(yuǎn)程綜合管理系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控、故障預(yù)警，為設(shè)備遠(yuǎn)程故障診斷帶來(lái)便利，同時(shí)也大大降低了設(shè)備的維護(hù)和售后成本。系統(tǒng)主控界面采用智能化動(dòng)態(tài)3D 顯示，根據(jù)土壤污染物及污染程度的不同，能自動(dòng)調(diào)節(jié)處理工藝，實(shí)現(xiàn)污染土壤破碎→篩分→上料→計(jì)量→混合→出料→養(yǎng)護(hù)加水的全過(guò)程控制。計(jì)量精度高，可追溯性好，施工數(shù)據(jù)（如日處理量、藥劑添加量）可實(shí)時(shí)存儲(chǔ)、顯示和打印，便于過(guò)程管控和數(shù)據(jù)追查。系統(tǒng)可提供云端數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)告警、推送報(bào)表、大數(shù)據(jù)分析等服務(wù)。

3.7 主要技術(shù)參數(shù)

異位高效穩(wěn)定化修復(fù)一體化設(shè)備主要參數(shù)見(jiàn)下表。

異位高效穩(wěn)定化修復(fù)一體化設(shè)備主要參數(shù)

3.8 項(xiàng)目運(yùn)行情況

項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，土壤異位高效穩(wěn)定化修復(fù)一體化設(shè)備可連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，一次性處理合格率達(dá)100%。設(shè)備采用模塊化設(shè)計(jì)，安裝、調(diào)試便捷。設(shè)備創(chuàng)新設(shè)計(jì)了全封閉式藥劑輸送模塊，可在粉塵量大的位置同時(shí)進(jìn)行噴霧除塵，有效保證了施工現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)保要求，二次污染控制效果好。驗(yàn)收檢測(cè)報(bào)告顯示，污染場(chǎng)地土壤經(jīng)固化/穩(wěn)定化修復(fù)處理后，各批次抽樣結(jié)果顯示土壤污染物浸出值遠(yuǎn)優(yōu)于修復(fù)目標(biāo)值。目前，項(xiàng)目已順利通過(guò)驗(yàn)收。

4 結(jié)語(yǔ)

項(xiàng)目研制了移動(dòng)式、模塊化、集成化的土壤異位高效穩(wěn)定化修復(fù)一體化設(shè)備，工藝設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)了污染土壤破碎→篩分→計(jì)量→混合→出料→養(yǎng)護(hù)加水的全過(guò)程集成。設(shè)備創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一體化集裝箱式結(jié)構(gòu)模塊、自動(dòng)正反轉(zhuǎn)的傾斜式對(duì)輥+雙側(cè)破碎振動(dòng)模塊、全封閉式藥劑輸送模塊，采用了雙臥軸高效混合攪拌技術(shù)、土壤藥劑精準(zhǔn)自動(dòng)配比技術(shù)、全過(guò)程智能控制技術(shù)等。以上技術(shù)在使重金屬污染土壤得到高效穩(wěn)定化修復(fù)處理的同時(shí)，降低了單方土壤修復(fù)成本，避免了施工現(xiàn)場(chǎng)揚(yáng)塵及二次污染。設(shè)備技術(shù)先進(jìn)，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，適用于我國(guó)重金屬污染土壤的高效穩(wěn)定治理。