KH200集成破碎混合設備在重金屬污染土壤穩定化修復中的應用及其效果*

王湘徽

（上海康恒環境股份有限公司，上海 200001）

由于我國近年來快速的城市化進程，在“退二進三”的產業結構升級中，大量污染企業搬遷后的可能問題場地被遺留在城區［1］。如果在該類地塊直接開發將給其上和周邊的居民帶來嚴重的環境和健康風險，如何對搬遷遺留下來的老工業場地進行環境管理和修復治理已成為當前的環保工作新熱點。土壤污染修復技術主要可分為原位修復及異位修復2大類別，其中異位修復包含固化穩定化、化學氧化還原、生物修復等10余種細分技術。土壤顆粒的有效破碎以及與藥劑的均勻混合是絕大多數異位修復技術中的難點和關鍵點，若破碎混合效果較差將會直接影響土壤修復的最終效果和經濟效益。

由于土壤中的固體顆粒很少以單粒形式存在，多是單個土粒在各種因素綜合作用下相互粘合團聚，形成大小、形狀和性質不同的團聚體，因此修復藥劑往往只能與大塊土壤團聚體的表面接觸和反應，而無法作用到團聚體的內部污染物。要實現充分接觸與混合只能采用2種工藝：①將土壤加水至泥漿懸濁態后加藥劑混合；②利用機械破碎土壤至粒徑分布滿足90%在1 cm以下（團粒結構體）。黏性土壤泥漿態后的脫水極其復雜和困難，且容易造成廢水等二次污染，因此工藝①只能小規模適用于沙質土壤。同時，由于土壤的粘結性和粘著性，普通的顎式、錘式、反擊式、圓錐式破碎設備均無法適用土壤破碎，或容易頻繁造成設備中土壤粘著堵塞而無法連續運行。因此，更具有針對性的土壤破碎混合設備逐漸引起了國內外學者和行業的關注。然而，目前關于這類土壤破碎混合設備的報道仍然較少，尤其是缺乏大規模工程的現場效果研究。

針對上述問題，筆者通過國內首例大規模原址異位低溫熱脫附修復工程在現場試驗研究了一種新型集成土壤破碎混合設備（KH200），通過研究該設備對重金屬污染土壤的修復效果，并總結分析了該設備在土壤異位修復中的適用性。

1 材料與方法

1.1 KH200的原理與基本性能

KH200設備是一種自行式土壤破碎混合機，采用履帶底盤便于在各種場地行走。該設備包含進料斗模塊、加藥斗模塊、破碎混合倉模塊、出料模塊、動力模塊及控制模塊等（見圖1）。

圖1 KH200土壤破碎混合機工藝路線

污染土通過挖機或者裝載機被送入進料斗模塊，經初步篩分和壓實后進入輸送帶。同時，根據原料土的特性和進料速度，加藥模塊通過螺桿輸送定量向輸送帶上的土壤投加藥劑。破碎混合倉中的切土刀組剝落粘在輸送帶上的土壤和藥劑，并通過倉內高速旋轉的甩錘組破碎土壤同時混合藥劑。經過處理的土壤落在出料輸送帶上，在密封條件下被送出，并在出料口被后刀剝落和進一步破碎。

該KH200設備采用了切土刀+軸旋轉破碎錘+后破碎刀的連續工藝（處于保密原因，反應倉不提供詳細結構圖），能瞬間破碎和混合原料土，很好地解決了修復過程中黏土難破碎和設備易堵塞的難題。此外，該設備還實現了可調的定量投加藥劑和完美混合，并可用于固固混合、固液混合等多種不同的混合工藝。

該KH200設備有4種運行模式，根據土質的不同可選擇最適合的運行模式和處理能力（見表1）。

表1 KH200不同模式的處理能力

1.2 場地背景和實驗方法

1.2.1 上海某重金屬污染場地概況

上海某電鍍廠，面積約為3 000 m2，由于歷史的環保管理不當，以及治污設施欠完善，場地存在較為嚴重的重金屬污染。在土壤檢測中，銅、鋅、鎳、鉛均超標，污染土壤總量約3 000 m3。

根據重金屬污染場地的基本特性，采用了穩定化修復的方法，基本原理是：將污染土壤和固體修復藥劑按一定比例充分混合均勻，并盡可能增加污土的接觸反應面，以確保穩定化效果。

1.2.2 修復實驗方法

本次實驗在污染區域由挖掘機現場采集110m3污土，實驗前利用挖機翻倒5次確保混合均勻，并取2個混合樣，每個混合樣由3～5個點土壤混合合成，土壤混合樣用低溫整理箱保存，送至實驗室檢測。

本次實驗引入KH200集成破碎混合設備和普通挖掘機進行工程應用對比。首先將110 m3污土大體分為2組，實驗組1和2。針對實驗組1，使用挖機加入粉末狀穩定化劑約12%（無法精確計量），并利用挖機進行攪拌和翻倒5次，共處理約50 m3。針對實驗組2，使用KH200定量投加12%的某公司重金屬穩定化劑（主要成分為磷酸鹽），并很好地破碎土壤以及藥劑與土壤的充分混合，共處理約60 m3；隨后，將實驗組1和2的土壤同時養護7 d后，從土堆中各采集土樣12個，測試土壤的破碎后粒度以及混合后磷酸根濃度（磷酸根濃度與穩定化劑濃度成正比），并將12個土樣做成混合樣各自測定污染物最終浸出濃度。

1.3 采樣與分析方法

1.3.1 樣品采集依據與方法

現場采樣技術方法主要參照HJ/T 166—2004土壤環境監測技術規范、GB/T 14848—1993地下水質量標準、ASTM E 1527—2005場地環境評估標準操作：階段I場地環境評估、ASTM E 1903—1997（2002年重新審定） 場地環境評估標準導則：階段II場地環境評估等技術規定。

現場樣品采集設備為鐵鏟，重金屬樣品保存器材包括500g玻璃瓶；樣品箱（具有冷藏功能），藍冰。

裝運前核對采樣記錄表、樣品標簽等，如有缺項、漏項和錯誤處，應及時補齊和修正后方可裝運。樣品運輸過程中嚴防損失、混淆或沾污，并在樣品低溫（4℃）暗處冷藏條件下盡快送至實驗室分析測試。樣品送到實驗室后，采樣人員和實驗室樣品管理員雙方同時清點核實樣品，并在樣品流轉單上簽字確認。樣品管理員接樣后及時與分析人員進行交接，雙方核實清點樣品，核對無誤后分析人員在樣品流轉單上簽字，然后進行樣品制備，進行樣品分析。

1.3.2 分析方法

土壤樣品檢測分析方法，重金屬浸出采用HJ/T 299—2007固體廢物浸出毒性浸出方法 硫酸硝酸法；重金屬含量（不包括六價鉻）測定采用美國環保局電感耦合等離子體質譜法（USEPA 6020A—2007）；土壤中混合后磷酸鹽含量（即代表穩定化劑濃度） 測定采用HJ 632—2011土壤總磷的測定堿熔 鉬銻抗分光光度法。土壤破碎后粒度測定采用GB/T 27845—2011化學品 土壤粒度分析實驗方法，只采用篩分法測定粒度2.0 mm以上部分。

2 結果與討論

2.1 土壤破碎效果評價

破碎效果是影響土壤修復效果的關鍵性因素之一。本次實驗對象為上海地區典型的淺層黏性土壤，塑限（wp）為17%～24%，液限（wl）為30%～44%，塑性指數為11～21。由于上海地下水水位較淺，地面以下0.5～1.0 m，現場開挖采集的土壤含水率為25%～40%，土壤原始粒徑大多為10～500mm。

對每個實驗組采集的12個土壤破碎后樣品，隨機選擇6組進行土壤粒度測定，并繪制粒徑累計分布曲線，見圖2。實驗組1采用挖機施工，土壤破碎后的D50為50 mm，D90由于大粒徑數據較少無法準確獲得，但超過200 mm；實驗組2采用KH200施工，土壤破碎后的D50為20 mm，D90為50 mm。KH200的土壤破碎效果明顯好于挖機。

圖2 粒徑累計分布曲線

由于實驗土壤含水率高，處于塑性狀態，普通顎式、球磨等破碎機械無法實現破碎效果，且極易造成堵塞。實驗組1在施工前需要將土壤晾干降低含水率后，再采用挖掘機進行3～5次翻倒，間接進行破碎，所以破碎效果不佳，無法保證土壤破碎效果。

實驗組2中的KH200集成設備采用切土刀+軸旋轉破碎錘+后破碎刀的連續工藝，可直接一次性處理各種性質的沙土、粉土、黏土，出土粒徑分布能基本滿足50%在20 mm以下，90%在50 mm以下（見圖3），有利于與藥劑的充分接觸和反應。

圖3 土壤破碎對比

2.2 藥劑混合效果評價

實驗組1采用傳統機械（挖掘機）施工，先將污染土壤打堆成約1 m高1.5 m寬的土長條，然后利用挖機在土堆上進行藥劑的布料。由于無法對污染土壤和藥劑添加進行準確計量，整個過程存在極大的隨意性和不均勻性。為保證達到相關處理目標，傳統施工作業往往需要過量投加藥劑。實驗組1對完成布料后的土壤和藥劑混合體進行3～5次翻倒后，土壤中穩定化劑濃度的變異系數CV仍為33%（混合不均勻）。

實驗組2采用的KH200集成設備，可以對土壤的進料速度進行測量，并根據進土速度和設定的藥劑比例，通過螺桿定量投加藥劑，并隨土壤在3次破碎中實現藥劑與土壤的充分混合。實驗組2中混合后土壤中穩定化劑濃度的變異系數CV為9%（混合較為均勻）。KH200集成設備可實現藥劑添加量與土壤比例在9～400 kg/m3的精確添加和充分混合。此外，該設備還可投加液體藥劑、或者固/固、固/液2種形態藥劑的同時添加。

2.3 修復效果評價

固化穩定化技術是較普遍應用于土壤重金屬污染的快速控制修復方法，對同時處理多種重金屬復合污染土壤具有明顯的優勢［2］。目前國內暫無穩定化修復技術實施導則，也無相關技術標準對破碎后土壤粒徑以及藥劑投加精確度嚴格要求，導致國內固化穩定化修復效果存在較大不確定性。

本實驗將KH200設備施工后混合土樣與普通挖機施工后混合土樣均進行重金屬浸出測定，相關穩定化效果對比匯總見表2。使用挖機施工穩定化后，土壤中銅、鋅、鎳和鉛的浸出濃度分別降低70%、93%、99%和81%，而使用KH200設備后，銅、鋅、鎳和鉛的浸出濃度分別降低90%、99.7%、99.9%和99%，穩定化效果顯著優于傳統挖機。基于上面分析，KH200設備在破碎效果和藥劑混合效果方面都遠勝于傳統機械（挖掘機），更有利于藥劑與土壤的充分反應，因此穩定化效果也更明顯。

表2 KH200與普通挖機在土壤穩定化技術中應用效果對比

此外，KH200設備穩定化施工僅進行一次進土、藥劑定量布料、破碎、混合和出土，全過程在密閉環境中進行，有效降低揚塵等問題，避免造成二次污染。

KH200還配有履帶行走系統，便于在復雜場地移動，節約大量物料搬運費及人工成本。該設備自配強勁動力柴油發動機，無需外接電源等其它動力，適用于各種野外作業。

2.4 設備的適用性分析

根據美國超級基金的修復場地統計數據，1982—2005年，美國超級基金一共進行了997個修復項目，其中，接近91%的修復項目（889個項目）在對污染源修復（主要是土壤修復）中主要使用以下修復技術中的一種或幾種，包括固化穩定化、化學氧化還原、熱脫附、焚燒、土壤蒸氣抽提、多相抽提和生物修復。其中，修復項目中采用固化穩定化技術的比例超過15%。經過上海某重金屬污染場地穩定化修復的應用實踐證明，本研究中的KH200集成土壤破碎混合設備能很好地應用于固化穩定化修復中。

此外，KH200設備還適用于土壤化學氧化/還原修復技術。化學氧化/還原技術的實現工藝略復雜，除要求土壤和固體修復藥劑按一定比例充分混合均勻外，需要相應地進行修復藥劑的催化和激活。以Fenton試劑為例，氧化反應需要精確地投加固體亞鐵鹽和液體雙氧水2種藥劑。現有同類設備基本無法同時完成，而KH200可以通過藥劑倉先定量投加固體亞鐵鹽催化劑，在破碎混合倉與污土充分拌合，然后在出料口霧狀定量噴灑雙氧水。同理，KH200還可以利用藥劑倉先定量投加氧化劑（比如過硫酸鹽），與污土一起破碎混合后，再在出料口霧狀定量噴灑液體催化劑（比如亞鐵鹽溶液、堿液等）。2套工藝配合使用可基本覆蓋化學氧化/還原異位修復工藝的各種需求。

3 結論

在上海某電鍍廠重金屬污染場地的現場穩定化修復中研究了集成破碎混合設備KH200的土壤破碎、藥劑混合和重金屬穩定化的效果。KH200設備能很好地解決修復過程中黏土難破碎和設備易堵塞的難題，土壤破碎后的D50為20 mm，D90為50 mm，該設備能通過對土壤的進料速度進行測量，并根據進土速度和設定的藥劑比例定量投加藥劑，從而隨土壤在3次破碎中實現藥劑與土壤的充分混合，混合后土壤中穩定化劑濃度的變異系數CV為9%，使用該設備進行重金屬污染土壤的穩定化，銅、鋅、鎳和鉛的浸出濃度分別降低90%、99.7%、99.9%和99%。與傳統挖機修復比較發現，KH200設備在土壤破碎、藥劑混合和重金屬穩定化方面的效果顯著優于傳統挖機。該設備的成功開發和廣泛應用，將滿足我國污染場地修復工程實施中的緊迫需求，對提高修復效率和效果，降低修復成本，消除環境風險具有重要意義。

［1］廖曉勇，崇忠義，閻秀蘭.城市工業污染場地：中國環境修復領域的新課題［J］.環境科學，2011，32（3）：784-794.

［2］駱永明.污染土壤修復技術研究現狀與趨勢［J］.化學進展，2009，21（3）：559-565.