土壤異位高效穩定化修復一體化設備及應用

陳婷，羅豐，周斌，陳筱清

（1.永清環保股份有限公司，長沙 410300；2.湖南伍玖環保科技發展有限公司，長沙 410100；3.湖南永清機械制造有限公司，長沙 410300）

在我國工業化、城市化進程中，污染工業企業和環境突發事故造成了大量高風險污染場地，對場區內及周邊土壤和地下水環境、食品安全、飲用水安全、區域生態環境、人居環境健康、經濟社會可持續發展及社會穩定造成了影響[1,2]。因此，對污染土壤的修復工作刻不容緩。目前，我國土壤修復技術研發雖取得一定成果，但在技術和設備規模應用上與發達國家相比還有一定差距。國內自主研究的原位、異位修復技術和設備供給明顯短缺[3]。當前，我國使用的土壤修復設備大多為進口，由于進口設備存在集成化低、采購成本高、采購周期長、使用成本高和不適應國情等諸多問題，不能滿足國內土壤修復市場的需要。而國內與修復技術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《土壤污染防治行動計劃》和《土壤污染防治法》的頒布，我國的土壤污染治理修復工作亟待進一步加強[5～7]。因此，國內特有的污染土壤類型、條件和場地環境決定了需要開展適合于我國國情并且擁有自主知識產權的實用型、經濟型、環保型土壤修復設備與技術的研究與應用。

1 重金屬污染土壤穩定化修復技術

目前，重金屬污染土壤修復技術主要有：物理修復（換土法、熱解析法、電動修復法）、生物修復（植物修復、微生物修復）、化學修復（固化/穩定化、化學淋洗）等三種。與其他修復技術相比，異位固化/穩定化是一種比較成熟的固化廢物處置技術，市場應用廣泛，已成為重金屬污染土壤修復的主要技術方法之一[8]。該技術具有成本較低、施工方便、處理后的地基土強度高以及對生物降解有良好阻礙的優點[9]。固化/穩定化技術（solidification/ stabilization，簡稱S/S 技術）是指向土壤中添加固化/穩定劑，通過吸附、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，降低重金屬在土壤環境中的溶解遷移性、浸出毒性和生物有效性，減少由于雨水淋溶或滲濾對動植物造成的危害[10]。目前，我國已發展了許多重金屬污染土壤穩定化技術，主要包括pH 控制技術、沉淀技術、吸附技術、氧化/還原電勢控制技術等。

2 土壤異位高效穩定化修復一體化設備及工藝

2.1 項目概況

應用工程項目為我國某市某流域重金屬污染整治及生態修復工程，項目重金屬污染土壤修復總量約為729 251.17m3，其中輕微重金屬污染土壤修復總量為401 152.51m3、輕度重金屬污染土壤修復總量為157 985.28m3、中度重金屬污染土壤修復總量為120 485.44m3、重度重金屬污染土壤修復總量為49 627.94m3。治理區域內表層土壤主要污染物為Cd、As、Hg、Cu、Zn 等，其中Cd、As、Cu 指標污染嚴重。項目需對以上重金屬污染物進行修復。輕微、輕度污染土壤采用異位固化穩定化方法進行重金屬污染治理，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安全處置。

2.2 設備及工藝路線

綜合考慮場地土壤條件、污染物特性、分布規律、修復目標及業主要求等因素，選擇采用穩定化工藝技術對場地中Cd、As、Cu 等重金屬污染土壤進行修復。

土壤異位高效穩定化修復一體化設備技術工藝路線為：根據場地污染空間分布信息進行測量放線后開始土壤挖掘，挖掘后的污染土壤運至處理車間暫存區域，然后通過裝載設備將土壤裝載至破碎篩分系統進行土壤雜質篩分和土壤破碎。篩分、破碎后的土壤經土壤輸送系統運輸至自動計量系統進行實時自動計量，同時根據該計量結果，藥劑輸送系統從藥劑存儲系統添加一定比例的藥劑至藥劑計量模塊，計量完成后自動落入攪拌、混合系統進行充分攪拌和混合，在攪拌和混合的過程中，自動進入下一批待處理土壤的輸送和計量。混合后的土壤由出料輸送系統輸送至臨時堆放區域。在出料輸送系統的末端設計有自動加水單元，對混合后的土壤根據設計比例噴灑一定量的水，然后由裝載設備轉場至養護區域進行堆放養護，最后將養護完畢的土壤進行回填或送至填埋場安全填埋。

工藝路線如圖1 所示。

3 設備關鍵系統設計

土壤異位高效穩定化修復一體化設備主要由土壤篩分破碎、土壤輸送和計量、藥劑儲存系統、藥劑輸送與計量、攪拌混合、智能控制等關鍵系統組成。設備整體采用集裝箱式結構，二次污染控制水平高，可實現快速安裝及轉場。設備總體結構如圖2 所示。

3.1 土壤篩分破碎系統

土壤篩分破碎系統采用自動正反轉的傾斜式對輥+雙側破碎振動模塊，土壤破碎后粒徑小而均勻，既適應北方的沙質土壤，又適應南方含水率較高的黏質土壤。土壤篩分破碎系統由篩分裝置、破碎裝置、液壓系統、電控系統和相應的支撐機架等部分組成。篩分裝置布置在設備的最上方，物料依靠自重進行一級或多級篩分；篩分裝置的格柵采用長條形布置，且格柵的間距逐步增大，避免因倒錐形物料堵塞格柵。破碎裝置出口處設有兩根或兩根以上破碎輥軸，破碎輥軸均勻布置破碎刀盤，每個刀盤按圓周均布兩個或以上破碎刀頭。破碎裝置的傳動機構包括兩組獨立設置的驅動裝置，由液壓馬達進行驅動并設置壓力傳感器，當出現卡滯或堵料時，根據壓力反饋信號驅動裝置自動進行反轉，排除卡滯或堵料問題。

圖1 土壤異位高效穩定化修復一體化設備工藝路線

圖2 土壤異位高效穩定化修復一體化設備總體結構

3.2 土壤輸送、計量系統

考慮到土壤輸送距離盡可能小和輸送高度高等因素，此系統采用大傾角的波狀擋邊帶式輸送機輸送土壤，保障土壤的高效連續運輸。該系統有輸送距離長、輸送量大、連續輸送等優點，且運行可靠，易于實現自動化和集中化控制。根據現場環境及高精度計量要求，土壤計量系統采用懸臂梁型稱重傳感器進行稱量，該設備具有精度高、溫漂小、抗干擾能力強的優點，能實現土壤精確計量以保障與修復藥劑的精確配比。

3.3 藥劑儲存系統

藥劑儲存系統主要由藥劑倉體、倉頂除塵器、氣動破拱器、倉頂防爆閥等組成。藥劑倉采用創新結構設計倉體，容積為10～40m3，免基礎結構，安裝拆卸快捷。藥劑倉的底部出料口上方設有3 個氣動破拱器，氣動破拱器以壓縮空氣為動力，瞬間釋放，推動內部的錘頭打擊底部，將強大的沖力傳遞給料斗壁面，從而有效擊破物料所構成的拱橋，使積料松動，達到卸灰順暢的目的。氣動破拱器對斗壁的沖擊不是連續和高頻率的，接到啟動信號后，氣動破拱器只工作一次，只產生一次沖擊，待第二次啟動信號送達時氣動破拱器才再次動作。在破壞物料形成拱橋的同時，對灰斗構件不產生破壞作用。此過程幾乎不存在機械活動部件，因而故障率低，可靠性高，維修方便。倉頂部設計的粉末專用除塵器過濾面積大，體積小，安裝與維修快捷方便，振動式清理，操作簡單。卡式濾芯采用進口材料，既能滿足各類粉末狀物質的過濾要求，又能保證倉內無負壓。

3.4 藥劑輸送與計量系統

藥劑輸送模塊采用全程封閉式結構，可在粉塵量大的位置同時進行噴霧除塵，有效保證施工現場的環保要求，避免了二次污染。輸送系統采用高效率的LS型管式螺旋輸送機，采用了新型的懸掛式中間吊軸承架，增大了物料運送空間，減少了物流阻力，加上小直徑、高轉速、變螺距等設計，確保能順暢、快速、均勻送料。根據現場環境及高精度計量要求，藥劑計量系統采用懸臂梁型稱重傳感器進行稱量，此設備精度高、溫漂小、抗干擾能力強，可實現修復藥劑精確計量以保障與污染土壤的精確配比。

3.5 攪拌、混合系統

采用同向嚙合強制攪拌混合技術，通過同向軸攪拌葉片特殊結構設計，使穩定化藥劑與土壤充分混合，解決飽水高黏性土壤穩定化處理土壤包軸、穩定劑抱團與土壤難以充分混合、晾曬周期長的問題。設備采用的土壤專用雙臥軸攪拌機主要由攪拌罐體、攪拌部件、傳動部件、密封潤滑部件和進出料裝置等組成。攪拌機設有兩軸，每兩軸之間交叉排列布置數十個攪拌葉片。通過同向嚙合、剪切、翻轉、擠壓、推進、強制攪拌等復合作用，保障各種物料充分混合，均勻攪拌，混合均勻性變異系數CV ≤5%，確保反應充分、徹底且穩定。

3.6 智能控制系統

設備配置設計了全流程的智能控制系統，包括設備遠程綜合管理系統，可實現設備遠程監控、故障預警，為設備遠程故障診斷帶來便利，同時也大大降低了設備的維護和售后成本。系統主控界面采用智能化動態3D 顯示，根據土壤污染物及污染程度的不同，能自動調節處理工藝，實現污染土壤破碎→篩分→上料→計量→混合→出料→養護加水的全過程控制。計量精度高，可追溯性好，施工數據（如日處理量、藥劑添加量）可實時存儲、顯示和打印，便于過程管控和數據追查。系統可提供云端數據存儲、實時告警、推送報表、大數據分析等服務。

3.7 主要技術參數

異位高效穩定化修復一體化設備主要參數見下表。

異位高效穩定化修復一體化設備主要參數

3.8 項目運行情況

項目實施過程中，土壤異位高效穩定化修復一體化設備可連續穩定運行，一次性處理合格率達100%。設備采用模塊化設計，安裝、調試便捷。設備創新設計了全封閉式藥劑輸送模塊，可在粉塵量大的位置同時進行噴霧除塵，有效保證了施工現場的環保要求，二次污染控制效果好。驗收檢測報告顯示，污染場地土壤經固化/穩定化修復處理后，各批次抽樣結果顯示土壤污染物浸出值遠優于修復目標值。目前，項目已順利通過驗收。

4 結語

項目研制了移動式、模塊化、集成化的土壤異位高效穩定化修復一體化設備，工藝設計上實現了污染土壤破碎→篩分→計量→混合→出料→養護加水的全過程集成。設備創新設計了一體化集裝箱式結構模塊、自動正反轉的傾斜式對輥+雙側破碎振動模塊、全封閉式藥劑輸送模塊，采用了雙臥軸高效混合攪拌技術、土壤藥劑精準自動配比技術、全過程智能控制技術等。以上技術在使重金屬污染土壤得到高效穩定化修復處理的同時，降低了單方土壤修復成本，避免了施工現場揚塵及二次污染。設備技術先進，運行穩定可靠，適用于我國重金屬污染土壤的高效穩定治理。