礦區(qū)重金屬污染土壤修復一體機顆粒混拌效果的數(shù)值研究*

林慧麗李彥偉張樹立梁仁剛付融冰

（1.杰瑞環(huán)保科技有限公司；2.同濟大學環(huán)境科學與工程學院）

近年來，隨著我國采礦業(yè)迅速發(fā)展，大量的礦山廢渣被剝離和排放到礦區(qū)環(huán)境中，這些廢渣的堆存不僅占用大量的土地，還會通過酸化、降雨淋濾等作用污染土壤、地下水及地表水。目前對于金屬礦區(qū)及周邊地區(qū)的重金屬污染土壤，行業(yè)內通常采用固化穩(wěn)定化技術進行無害化治理。

固化穩(wěn)定化技術即將功能性藥劑與污染介質混合，通過物理、化學作用實現(xiàn)對土壤中有毒物質的固定，從而降低污染介質的環(huán)境風險，使其滿足使用環(huán)境要求標準的技術。固化作用即通過物理封閉等作用將有毒物質轉化為結構穩(wěn)定的顆粒狀或塊狀固體，進而減弱其向環(huán)境釋放的過程，該作用不涉及污染物與藥劑之間的化學反應。穩(wěn)定化作用即利用藥劑或其生成物與有毒物質間的有效化學反應來改變土壤中污染物質的賦存形態(tài)，將其由高活性狀態(tài)轉化為低活性狀態(tài)，進而降低其環(huán)境危害性的過程。相較于其他技術，固化穩(wěn)定化技術在處理成本、使用便捷性、效果長效性、處理土壤可再利用性等方面優(yōu)勢明顯，是處理重金屬污染土壤的最有效手段之一［1-3］。

從1990—2015年美國超級基金項目每年應用固化穩(wěn)定化技術的次數(shù)看，北美和歐洲土壤修復項目使用該技術的次數(shù)整體下降，該技術的應用強度逐漸降低［4］，表明這些國家重金屬污染土壤處理工程已接近尾聲。

從場地修復的工程角度出發(fā)，固化穩(wěn)定化技術可分為原位和異位2種不同施工工藝，二者在成本、工期等方面存有較大差異。與原位技術相比，異位技術雖然在開挖、外運及施工設備的使用和維護等方面的成本較高，但其修復速度快、固化穩(wěn)定化效率高，同時由于污染土壤異位混合，不同地層土壤的修復均勻度較高，效果可控性好［5］。

本文對異位土壤修復技術中得到成功應用的自行式重金屬污染土壤固化穩(wěn)定化一體機進行建模，對其內部顆粒混拌效果進行仿真分析，為產品的優(yōu)化改進及相關研究提供技術參考。

1 設備工藝

目前，國內土壤修復行業(yè)廣泛應用的XF150型一體機采用履帶底盤，便于在各種場地間靈活移動，整體裝置還包括進料系統(tǒng)、吊機系統(tǒng)、加藥系統(tǒng)、破碎混拌系統(tǒng)、出料系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、機架系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)等，見圖1。

土壤從料斗進入后由鏈板進行線性傳送，先由平料機構碾壓平整，在經過加藥機構下方時與添加的藥劑初步混合，然后依次經過切土刀和3組混拌軸葉片的作用實現(xiàn)土壤與藥劑的深度混合，處理后的土壤經出料輸送皮帶完成排料。

在用一體機對土壤進行固化穩(wěn)定化處理的過程中，土壤與所添加藥劑的混合程度直接影響土壤的整體修復效果，故本研究將選取設備中平料、切料及混料機構的作用過程進行離散元系統(tǒng)的建模設計，重點研究土壤顆粒與藥劑顆粒間的混合行為。

針對不同工況，XF150型一體機通常配置4種作業(yè)模式，見表1；不同作業(yè)模式下的運動部件參數(shù)見表2。

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后續(xù)研究將以一體機常規(guī)M模式為對象進行模型設置與計算。

2 模型簡化

對于顆粒系統(tǒng)的離散元素法計算，經常會面臨計算規(guī)模的問題，例如真實的土壤顆粒，其粒級通常在0.1 μm～3 mm，那么一體機內的顆粒數(shù)量將高達109以上，1 dm3內的顆粒數(shù)在106以上，而普通臺式機的求解量僅為幾萬個顆粒，運算承載條件相差甚遠。如果將顆粒放大數(shù)倍可明顯降低模型的計算量，但粒徑的改變將極大影響顆粒的慣性力、碰撞能、斯托克斯數(shù)、摩擦系數(shù)等各項物理特征，導致模型失真。

基于上述情況，本研究對一體機仿真模型進行了以下簡化：

（1）根據“相似理論”的設計方法，將一體機模型縮小為真實尺寸的1/20，土壤顆粒維持在真實粒徑范圍內，以此來維持一體機內土壤顆粒可靠的動力學性質［6］。

（2）忽略進料、平料過程，僅在切土刀和混拌機構前端構造一定厚度（參考前方平料厚度）和體積的顆粒層，在添加一定量的藥劑顆粒后，土壤顆粒隨鏈板運動至末端進而降落至混拌區(qū)域內。

建立的土壤固化穩(wěn)定化一體機幾何模型見圖2。

3 仿真設置

離散單元法的計算過程遵循力和位移的循環(huán)過程。對于一體機的M作業(yè)模式，暫不考慮土壤顆粒及藥劑顆粒間的粘附作用，故選擇Hertz-MindLin（no slip）built-in模型進行計算，根據文獻、測試結果及材料庫，土壤、藥劑以及設備機構的物理特性和相互間的力學特性見表3、表4、表5［7］。

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4 仿真分析

針對M模式，截取不同時刻的仿真軟件顯示圖像，見圖3。

由圖3可以看出，一體機模型中的土壤顆粒（淺色）和藥劑顆粒（黑色）經過鏈板傳送、切土刀剪切以及混拌軸葉片撞擊后，呈一定規(guī)律落于出料皮帶上。對降落靜止后的顆粒進行混合均勻度分析需將顆粒層所在區(qū)域劃分成若干網格單元，見圖4。

在已劃分的各網格單元中，統(tǒng)計藥劑顆粒占總顆粒數(shù)的百分比，計算出所有百分比的標準差作為衡量顆粒混合程度的指標。針對圖4劃分的網格單元對應料層表面及厚度范圍內的顆粒混合均勻度，將有效的182組單元數(shù)據導出，并計算標準差為0.371。

下面調取模型中幾何體運動部件的受力計算數(shù)據繪制折線圖，以計算時間為x軸，所受合力為y軸，導出圖線見圖5。

分析圖5可知：①切土刀在顆粒運動過程中與顆粒間幾乎沒有產生接觸力，表明當物料的松散度和流動性較好時，物料顆粒在進料鏈板的末端順流而下，切土刀基本沒有產生剪切作用；②在混拌系統(tǒng)內，混拌軸1的受力程度最弱，接觸力主要由混拌軸2、混拌軸3承擔，且由于混拌軸2位于顆粒自由下落的路徑上，其受力的頻次最高，混拌軸1和混拌軸3主要用于截擊被混拌軸2撞擊后高速線性運動的顆粒；③根據“相似理論”推算，模型中計算出的接觸力應為實際接觸力的0.053。

顆粒混合是對流、剪切和擴散過程共同作用的結果，對于一體機而言，其運動部件對顆粒的剪切混合作用占據主導地位。在3個混拌軸的高速旋轉作用下，所有顆粒的運動軌跡呈近似正態(tài)分布，即中間集中、兩邊分散（圖6）。分析其原因，中間顆粒集中降落是由于這一區(qū)域對應于混拌系統(tǒng)的夾擊路徑；兩側顆粒稀薄是由于混拌軸采用交錯式葉片，被混拌軸2擊出的顆粒可能從混拌軸1和混拌軸3間或混拌軸3下方的間隙中穿過，同時被混拌軸3擊出的顆粒也可能從混拌軸2下方的間隙中穿過，還有部分顆粒是被3個混拌軸根部“粘住”后再甩出的。

5 優(yōu)化設計

基于一體機模型在M模式下的仿真計算和分析，提出了一種初步優(yōu)化方案，針對沙土類物料，改進思路為將“先加藥后混拌”改為“邊加藥邊混拌”，從初始條件上改善均勻性，設計細節(jié)如下：

（1）現(xiàn)有模型中混拌系統(tǒng)在x軸方向上的寬度略小于進料鏈板的寬度，這可能會造成鏈板兩側邊緣處的物料自鏈板末端下落后無法與混拌系統(tǒng)的葉片接觸，因此，優(yōu)化方案將進料鏈板的寬度縮小至與混拌軸的寬度相等，避免邊緣物料的自由下落。

（2）將切土刀去掉，將藥添裝置移至原有切土刀附近。

（3）擴大藥添裝置出口的藥劑灑落寬度，使其能覆蓋鏈板上整個土壤層的寬度，這一條件在實際設備中可嘗試通過特殊設計的布料結構來實現(xiàn)（圖7）。

完成上述結構調整與計算，針對出料皮帶上的顆粒層分布仍采用劃分網格單元的方法進行均勻度分析，計算出標準差STDEV為0.270，比原M模式下的0.371降低至0.270，可見優(yōu)化方案對物料混合的均勻度有明顯改善。

6 結論

基于“相似理論”，利用離散元分析軟件，針對重金屬污染土壤固化穩(wěn)定化一體機內部顆粒混拌過程進行了計算分析，可知其主要通過運動部件的剪切作用實現(xiàn)顆粒混合，并針對仿真結果，采用數(shù)學統(tǒng)計的方法進行取樣和標準差計算，對礦區(qū)土壤修復設備的性能分析和優(yōu)化設計具有實際指導意義。