重金属污染土壤修复的方法及装置

技术领域

本公开废旧电器拆解、环保领域，涉及一种采用旋流方法实现土壤内高度矿化及细微孔道内重金属高效处理的新方法，基于旋流脱附器内污染土壤颗粒公转的同时进行高速自转实现土壤表面及孔道内污染物高效振荡脱附。同时，本公开涉及一种采用旋流方法实现土壤内高度矿化及细微孔道内重金属高效处理的新装置。

背景技术

随着工业的崛起和采矿业的迅速发展，化石燃料和其他塑料的不完全燃烧导致了重金属的污染越来越严重，造成了可利用土地越来越少，并对人类的健康和生态环境造成了极大的影响。因此，对重金属污染土壤的治理和修复任务十分紧迫。

重金属在土壤中的吸附方式有化学形式和物理形式。前者是重金属通过化学键吸附在土壤微粒上，后者是部分重金属在土壤微粒孔道的深处，导致重金属的去除尤为困难。土壤重金属治理和修复方法有物理法、化学治理技术、植物吸收技术等。物理法主要通过客土置换污染场地土壤，没有从根本上去除重金属。化学治理技术是向土壤中添加钝化剂，通过吸附、络合、沉淀、氧化还原和离子交换等一系列反应，降低重金属的生物有效性和可迁移性，达到降低土壤重金属含量目的，但是易二次污染。植物吸收技术是利用植物吸收、分解、固化土壤中的重金属，降低其在土壤中的含量，处理周期过长。单一的重金属污染土壤修复方法都不理想，因此，不同修复技术的组合应用越来越受到重视。

但是，现有的一些土壤污染修复装置结构复杂，操作繁琐，存在可移动性差，不够灵活，使用时过于频繁，土壤修复的效果比较一般，对顽固重金属的处理不够彻底，并且只能对土壤进行单一的淋洗等缺点，不能满足发展的需要。

发明专利申请CN201810026828.2提出了一种可变换阵列式电极的土壤重金属修复装置，该装置以下几部分组成：土壤室环绕中心电极室布置，土壤室与中心电极室之间形成同心圆，同心圆中垂直于电场方向设置可渗透反应墙，中心电极室与PRB(可渗透反应墙)构成同心圆，中心极室与PRB的墙体之间装入介质填料；土壤室圆弧上均布有六个空心立柱式的阳极室作为周围极室；土壤室与阳极室、PRB以及PRB与阴极室相邻的内壁上贴有滤网，阳极室和阴极室中分别设有电极；通过电化学和电动力学的复合作用(电渗、电迁移和电泳等)驱动重金属富集到电极区，进行集中处理或分离的过程；但是此技术的应用效果取决于土壤中重金属离子的溶解与沉淀程度，在实际应用中为解决这些问题可能会引起土壤的酸化，发生反应产生新的污染。

发明专利申请CN201510033160.0提出了一种土壤重金属治理装置和土壤重金属治理方法，此方法通过在设置有第一池体和第二池体的土壤重金属治理装置中种植植物来吸收土壤中的重金属；植物在土壤重金属治理装置的第一池体形成陆生根，在土壤重金属治理装置的第二池体形成须状不定根，此种根系结构有利于植物迅速、可持续的生长发育和快速吸收金属元素；但是，此技术受植物生长季节的影响，修复周期长；超富集植物以草本为主，生长量小，重金属富集量不大，且能够富集的重金属种类少，植物修复有选择性，对复合污染效果不好；草本根系难以吸收深层土壤重金属。

发明专利申请CN201710096949.X提出了一种拼装式原位淋洗与EKG(电动土工合成材料)电动协同去除土壤重金属的装置及方法，其结构包括淋洗-电动协同作业平台、安装于淋洗-电动协同作业平台的用于插入土壤中的EKG电动去除模块、以及电源、淋洗液渗透装置、蠕动泵、土壤重金属溶液储存罐；EKG电极和蠕动泵与电源连接，重金属溶液抽提软管固定于EKG电极固定板，下端伸入土壤重金属溶液收集槽，上端通过蠕动泵后与土壤重金属溶液储存罐联通；此发明为可拼装式装置，无需开挖土壤，不用脱附电极，直接将淋洗液原位渗透到土壤污染层，利用电场作用，原位洗脱和迁移重金属，并将淋洗后的重金属溶液从土层分离储存，实现重金属的水土分离；但是，此方法在使用时由于淋洗液浸润土壤后土壤孔道对其具有吸附作用，导致了大量化学药剂残留在土壤中难以去除，导致了二次污染，并且同时存在电动力学中调节溶液pH造成土壤酸化的现象。

因此，本领域迫切需要开发出一种能够克服上述现有技术的缺陷的，实现土壤中难处理重金属的去除的新方法。

发明内容

本公开提供了一种新颖的重金属污染土壤修复的方法及装置，实现了土壤中难处理重金属的去除，提高了污染物的去除效率，降低了工程成本，从而解决了现有技术中存在的问题。

一方面，本公开提供了一种重金属污染土壤修复的方法，该方法包括以下步骤：

(1)三相混合：将重金属污染土壤悬浊液与淋洗剂相混合，使其分散均匀，最终形成土壤浆液和淋洗剂的均匀混合物；

(2)旋流场洗脱：对步骤(1)中得到的均匀混合物进行旋流场洗脱，使污染土壤颗粒公转的同时进行高速自转，进入土壤孔道的淋洗剂随着高速振荡去除重金属污染物，得到游离在淋洗剂中的重金属以及未超标土壤，同时利用旋流场内超重力场实现土壤和淋洗剂的分离；以及

(3)土壤固液分离：对步骤(2)中经旋流场洗脱后的土壤进行旋流固液分离，并将土壤颗粒中残存的淋洗剂去除，同时对夹带污染物的淋洗溶剂实施减压蒸馏，以实现淋洗剂和污染水的分离。

在一个优选的实施方式中，在步骤(1)中，所述淋洗剂包括重金属淋洗剂。

在另一个优选的实施方式中，在步骤(1)中，所述重金属淋洗剂包括乙二胺四乙酸或柠檬酸。

在另一个优选的实施方式中，在步骤(1)中，重金属污染土壤颗粒在缓冲罐内与水以1:50～1:10的比例分散均匀后，输送至搅拌罐与淋洗剂进行混合，搅拌时间1～30min。

在另一个优选的实施方式中，在步骤(2)中，使用自转脱附旋流器进行旋流场洗脱，其入口速度为3-6m/s，分流比为5-20％，其内强化淋洗时间为1～3min。

在另一个优选的实施方式中，在步骤(3)中，淋洗剂的回收效率>99％；分离得到的淋洗剂返回步骤(1)循环使用，剩余的污染水进行无害化处理。

在另一个优选的实施方式中，经步骤(3)处理后，外排土壤颗粒的污染物回收率达98％，土壤内污染物皆未超标，淋洗剂残留率小于0.1％，以质量计。

另一方面，本公开提供了一种重金属污染土壤修复的装置，该装置包括：

搅拌罐，用于进行步骤(1)三相混合：将重金属污染土壤悬浊液与淋洗剂相混合，使其分散均匀，最终形成土壤浆液和淋洗剂的均匀混合物；

与搅拌罐连接的自转脱附旋流器，用于进行步骤(2)旋流场洗脱：对步骤(1)中得到的均匀混合物进行旋流场洗脱，使污染土壤颗粒公转的同时进行高速自转，进入土壤孔道的淋洗剂随着高速振荡去除重金属污染物，得到游离在淋洗剂中的重金属以及未超标土壤，同时利用旋流场内超重力场实现土壤和淋洗剂的分离；以及

与自转脱附旋流器连接的固液分离旋流器，和与固液分离旋流器连接的淋洗塔，用于进行步骤(3)土壤固液分离：对步骤(2)中经旋流场洗脱后的土壤进行旋流固液分离，并将土壤颗粒中残存的淋洗剂去除，同时对夹带污染物的淋洗溶剂实施减压蒸馏，以实现淋洗剂和污染水的分离。

在一个优选的实施方式中，该装置还包括：

与搅拌罐连接的缓冲罐，用于对土壤浆液进行缓冲储存，实现间歇外排的土壤浆液的连续输出处理。

在另一个优选的实施方式中，所述自转脱附旋流器可根据处理量的要求由多台并联以组成自转脱附旋流器组，其进口流速大于4m/s，进口和含污染物淋洗剂的出口压力降小于0.2MPa；公称直径不大于40mm，锥段长度为20～60mm，锥角为10～30°。

有益效果：

本发明实现了土壤中难处理重金属的去除，提高了污染物的去除效率，降低了工程成本。

附图说明

附图是用以提供对本公开的进一步理解的，它只是构成本说明书的一部分以进一步解释本公开，并不构成对本公开的限制。

图1是根据本公开的一个优选实施方式的重金属污染物脱附工艺流程图。

具体实施方式

本申请的发明人经过广泛而深入的研究后发现，在污染土壤的处理过程中，由于部分重金属与土壤形成了化学键或者产生其他的作用，使得重金属在土壤内高度矿化，在实际修复中这一部分重金属很难得到有效去除；而对于这部分土壤在淋洗剂内高速搅拌会有很好的修复效果；应用强化淋洗旋流器对其进行实验操作，由于强化淋洗旋流器可以在很短的时间内产生极大的离心力，从而实现污染物的高效脱附，而淋洗后含有大量液体的土壤经过固液分离旋流器后脱去大部分水分后可以直接进行无害化填埋。基于上述发现，本发明得以完成。

在本公开的第一方面，提供了一种重金属污染土壤修复的方法，该方法包括以下步骤：

(1)三相混合：将污染物土壤悬浊液与淋洗剂相混合，使其分散均匀，最终形成土壤浆液和淋洗剂的均匀混合物；

(2)旋流场洗脱：对步骤(1)中得到的混合物进行强旋流场洗脱，通过旋流操作参数调控实现污染土壤同时高速自转和公转，使土壤表面及孔道中的重金属污染物脱附并被淋洗剂溶解，得到游离在淋洗剂中的重金属以及未超标土壤，再通过密度差别实现净化土壤与淋洗剂的分层；以及

(3)土壤固液分离：对步骤(2)中经强旋流场洗脱后的土壤进行旋流固液分离，并将土壤颗粒残存的淋洗剂去除；同时对夹带污染物的淋洗溶剂实施减压蒸馏，以实现淋洗剂和污染水的分离。

在本公开中，在步骤(1)中，土壤颗粒在缓冲罐内与水以1:50～1:10，优选1:20的比例充分分散均匀后，输送至搅拌罐与淋洗剂进行混合，搅拌时间1～30min，优选20min。

在本公开中，在步骤(1)中，所述淋洗剂为乙二胺四乙酸、柠檬酸等重金属淋洗剂。

在本公开中，在步骤(2)中，进行旋流场洗脱的自转脱附旋流器的入口速度为3-6m/s，优选4m/s，分流比为5-20％，其内强化淋洗时间为1～3min。

在本公开中，在步骤(3)中，淋洗剂的回收效率>99％；分离得到的淋洗剂返回步骤(1)循环使用，剩余的废水进行无害化处理。

在本公开中，三相混合物在自转脱附旋流器内的循环周期为三次。

在本公开中，经所述旋流场洗脱和土壤固液分离后的外排土壤颗粒的污染物回收率高达98％、土壤内污染物皆未超标，淋洗剂残留率小于0.1％，以质量计。

在本公开的第二方面，提供了一种重金属污染土壤修复的装置，该装置包括：

缓冲罐，用于对土壤浆液进行缓冲储存，实现间歇外排的土壤浆液的连续输出处理；

与缓冲罐连接的搅拌罐，用于一定浓度的土壤浆料与淋洗剂混合，并使其分散均匀，以形成土壤浆液与淋洗剂的均匀混合物，并调控混合物的液固比；

与搅拌罐连接的自转脱附旋流器，用于对土壤浆液和淋洗剂在旋流场中进行强化淋洗，其中，通过相似相溶原理，采用相关淋洗剂对重金属进行淋洗，使土壤中的污染物迁移到淋洗剂中，并利用旋流场中快速的界面更新及剪切力和离心力，实现土壤颗粒表面及孔洞中污染物的强化淋洗，同时利用旋流分离作用，实现土壤和溶液的分离；

与自转脱附旋流器连接的固液分离旋流器，用于对经过旋流淋洗后得到的带有淋洗剂的土壤颗粒进行旋流固液分离，以脱除土壤颗粒夹带的淋洗剂；以及

与固液分离旋流器连接的淋洗塔，用于对得到的污染物淋洗剂混合溶液实施精馏分离。

在本公开中，根据处理量的要求，所述自转脱附旋流器可由多台并联以组成自转脱附旋流器组，其进口流速大于4m/s，进口和含污染物淋洗剂的出口压力降小于0.2MPa。

在本公开中，所述自转脱附旋流器的公称直径为20-50mm，优选不大于40mm，锥段长度为20～60mm，锥角为10～30°。

在本公开中，所述自转脱附旋流器采用耐磨、耐酸碱材料。

以下参看附图。

图1是根据本公开的一个优选实施方式的重金属污染物脱附工艺流程图。如图1所示，土壤加入缓冲罐1-1的同时加入水并混合搅拌均匀，加入搅拌罐后1-2进行不断往返混合，得到均匀混合的水土混合物后加入淋洗剂继续进行混合；打开自转脱附旋流器2-1(可并联多级)，关闭其底流口的阀门进行强化淋洗操作，淋洗一定时间后，自转脱附旋流器2-1的溢流口排出淋洗剂及其污染物，通过淋洗塔3-1实现污染物与淋洗剂的分离，进行淋洗剂的回用，废水从淋洗塔底部排出，进行达标处理；达标土壤通过自转脱附旋流器2-1进入固液分离旋流器2-2进行脱水，脱水后未超标的达标土壤直接进行就地填埋。

下面结合具体的实施例进一步阐述本发明。但是，应该明白，这些实施例仅用于说明本发明而不构成对本发明范围的限制。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。除非另有说明，所有的百分比和份数按重量计。

使用本发明方法进行重金属污染土壤修复。

1.实验土壤性质及操作条件

实验土壤取自浙江台州某废旧电器拆解场地，经检测其中有机污染物未超过第一类建筑用地污染标准，但其中Cu、Ni、Pb等重金属超标严重，常规方法无法达到理想效果。

土壤污染物含量如下表1所示：

表1土壤污染物含量

按照本发明的方法，采用重金属旋流脱附装置，用于对重金属污染土壤进行污染物的脱附。进行实验的污染土壤与水、淋洗剂的比例为1:25:25，装置处理量为0.8m

2.实施方式

如图1所示。污染土壤经过初步筛选，去除大块的砂粒和场地垃圾，确保进入缓冲罐的颗粒粒径在1-2000微米之间，土壤加入缓冲罐的同时加入水并混合搅拌均匀，加入搅拌罐后进行不断往返混合20min，得到均匀混合的水土混合物后加入淋洗剂继续进行混合；打开自转脱附旋流器组，关闭其底流口的阀门进行强化淋洗操作，淋洗10min后，自转脱附旋流器组的溢流口排出淋洗剂及其污染物，通过淋洗塔实现污染物与淋洗剂的分离，进行淋洗剂的回用，废水从淋洗塔底部排出；达标的土壤通过自转脱附旋流器组进入固液分离旋流器组进行脱水，脱水后未超标的土壤直接进行固液分离填埋；整套设备的运行通过自动控制柜控制。

3.实验结果

污染土壤经过搅拌罐内初步淋洗以及自转脱附旋流器内的强化淋洗后，重金属得到了有效去除；其中Cu、Pb的淋洗效率达到了85％，其他超标重金属污染物皆得到了有效去除。经自转脱附旋流器组处理后的土壤Cu<750mg/kg，Pb<145mg/kg，Ni<100mg/kg，Cd<18mg/kg，Hg<15mg/kg，其含量皆在第一类建筑用地要求的污染含量之内；经固液分离旋流器固液分离后的土壤含水率<40％，可直接填埋。

上述所列的实施例仅仅是本公开的较佳实施例，并非用来限定本公开的实施范围。即凡依据本申请专利范围的内容所作的等效变化和修饰，都应为本公开的技术范畴。

在本公开提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本公开的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本公开作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。