土壤异位高效稳定化修复一体化设备及应用

陈婷，罗丰，周斌，陈筱清

（1.永清环保股份有限公司，长沙 410300；2.湖南伍玖环保科技发展有限公司，长沙 410100；3.湖南永清机械制造有限公司，长沙 410300）

在我国工业化、城市化进程中，污染工业企业和环境突发事故造成了大量高风险污染场地，对场区内及周边土壤和地下水环境、食品安全、饮用水安全、区域生态环境、人居环境健康、经济社会可持续发展及社会稳定造成了影响[1,2]。因此，对污染土壤的修复工作刻不容缓。目前，我国土壤修复技术研发虽取得一定成果，但在技术和设备规模应用上与发达国家相比还有一定差距。国内自主研究的原位、异位修复技术和设备供给明显短缺[3]。当前，我国使用的土壤修复设备大多为进口，由于进口设备存在集成化低、采购成本高、采购周期长、使用成本高和不适应国情等诸多问题，不能满足国内土壤修复市场的需要。而国内与修复技术配套的装备水平较差、可靠性不高、二次污染防治手段不足[4]。随着《土壤污染防治行动计划》和《土壤污染防治法》的颁布，我国的土壤污染治理修复工作亟待进一步加强[5～7]。因此，国内特有的污染土壤类型、条件和场地环境决定了需要开展适合于我国国情并且拥有自主知识产权的实用型、经济型、环保型土壤修复设备与技术的研究与应用。

1 重金属污染土壤稳定化修复技术

目前，重金属污染土壤修复技术主要有：物理修复（换土法、热解析法、电动修复法）、生物修复（植物修复、微生物修复）、化学修复（固化/稳定化、化学淋洗）等三种。与其他修复技术相比，异位固化/稳定化是一种比较成熟的固化废物处置技术，市场应用广泛，已成为重金属污染土壤修复的主要技术方法之一[8]。该技术具有成本较低、施工方便、处理后的地基土强度高以及对生物降解有良好阻碍的优点[9]。固化/稳定化技术（solidification/ stabilization，简称S/S 技术）是指向土壤中添加固化/稳定剂，通过吸附、沉淀或共沉淀、离子交换等作用改变重金属在土壤中的存在形态，降低重金属在土壤环境中的溶解迁移性、浸出毒性和生物有效性，减少由于雨水淋溶或渗滤对动植物造成的危害[10]。目前，我国已发展了许多重金属污染土壤稳定化技术，主要包括pH 控制技术、沉淀技术、吸附技术、氧化/还原电势控制技术等。

2 土壤异位高效稳定化修复一体化设备及工艺

2.1 项目概况

应用工程项目为我国某市某流域重金属污染整治及生态修复工程，项目重金属污染土壤修复总量约为729 251.17m3，其中轻微重金属污染土壤修复总量为401 152.51m3、轻度重金属污染土壤修复总量为157 985.28m3、中度重金属污染土壤修复总量为120 485.44m3、重度重金属污染土壤修复总量为49 627.94m3。治理区域内表层土壤主要污染物为Cd、As、Hg、Cu、Zn 等，其中Cd、As、Cu 指标污染严重。项目需对以上重金属污染物进行修复。轻微、轻度污染土壤采用异位固化稳定化方法进行重金属污染治理，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场安全处置。

2.2 设备及工艺路线

综合考虑场地土壤条件、污染物特性、分布规律、修复目标及业主要求等因素，选择采用稳定化工艺技术对场地中Cd、As、Cu 等重金属污染土壤进行修复。

土壤异位高效稳定化修复一体化设备技术工艺路线为：根据场地污染空间分布信息进行测量放线后开始土壤挖掘，挖掘后的污染土壤运至处理车间暂存区域，然后通过装载设备将土壤装载至破碎筛分系统进行土壤杂质筛分和土壤破碎。筛分、破碎后的土壤经土壤输送系统运输至自动计量系统进行实时自动计量，同时根据该计量结果，药剂输送系统从药剂存储系统添加一定比例的药剂至药剂计量模块，计量完成后自动落入搅拌、混合系统进行充分搅拌和混合，在搅拌和混合的过程中，自动进入下一批待处理土壤的输送和计量。混合后的土壤由出料输送系统输送至临时堆放区域。在出料输送系统的末端设计有自动加水单元，对混合后的土壤根据设计比例喷洒一定量的水，然后由装载设备转场至养护区域进行堆放养护，最后将养护完毕的土壤进行回填或送至填埋场安全填埋。

工艺路线如图1 所示。

3 设备关键系统设计

土壤异位高效稳定化修复一体化设备主要由土壤筛分破碎、土壤输送和计量、药剂储存系统、药剂输送与计量、搅拌混合、智能控制等关键系统组成。设备整体采用集装箱式结构，二次污染控制水平高，可实现快速安装及转场。设备总体结构如图2 所示。

3.1 土壤筛分破碎系统

土壤筛分破碎系统采用自动正反转的倾斜式对辊+双侧破碎振动模块，土壤破碎后粒径小而均匀，既适应北方的沙质土壤，又适应南方含水率较高的黏质土壤。土壤筛分破碎系统由筛分装置、破碎装置、液压系统、电控系统和相应的支撑机架等部分组成。筛分装置布置在设备的最上方，物料依靠自重进行一级或多级筛分；筛分装置的格栅采用长条形布置，且格栅的间距逐步增大，避免因倒锥形物料堵塞格栅。破碎装置出口处设有两根或两根以上破碎辊轴，破碎辊轴均匀布置破碎刀盘，每个刀盘按圆周均布两个或以上破碎刀头。破碎装置的传动机构包括两组独立设置的驱动装置，由液压马达进行驱动并设置压力传感器，当出现卡滞或堵料时，根据压力反馈信号驱动装置自动进行反转，排除卡滞或堵料问题。

图1 土壤异位高效稳定化修复一体化设备工艺路线

图2 土壤异位高效稳定化修复一体化设备总体结构

3.2 土壤输送、计量系统

考虑到土壤输送距离尽可能小和输送高度高等因素，此系统采用大倾角的波状挡边带式输送机输送土壤，保障土壤的高效连续运输。该系统有输送距离长、输送量大、连续输送等优点，且运行可靠，易于实现自动化和集中化控制。根据现场环境及高精度计量要求，土壤计量系统采用悬臂梁型称重传感器进行称量，该设备具有精度高、温漂小、抗干扰能力强的优点，能实现土壤精确计量以保障与修复药剂的精确配比。

3.3 药剂储存系统

药剂储存系统主要由药剂仓体、仓顶除尘器、气动破拱器、仓顶防爆阀等组成。药剂仓采用创新结构设计仓体，容积为10～40m3，免基础结构，安装拆卸快捷。药剂仓的底部出料口上方设有3 个气动破拱器，气动破拱器以压缩空气为动力，瞬间释放，推动内部的锤头打击底部，将强大的冲力传递给料斗壁面，从而有效击破物料所构成的拱桥，使积料松动，达到卸灰顺畅的目的。气动破拱器对斗壁的冲击不是连续和高频率的，接到启动信号后，气动破拱器只工作一次，只产生一次冲击，待第二次启动信号送达时气动破拱器才再次动作。在破坏物料形成拱桥的同时，对灰斗构件不产生破坏作用。此过程几乎不存在机械活动部件，因而故障率低，可靠性高，维修方便。仓顶部设计的粉末专用除尘器过滤面积大，体积小，安装与维修快捷方便，振动式清理，操作简单。卡式滤芯采用进口材料，既能满足各类粉末状物质的过滤要求，又能保证仓内无负压。

3.4 药剂输送与计量系统

药剂输送模块采用全程封闭式结构，可在粉尘量大的位置同时进行喷雾除尘，有效保证施工现场的环保要求，避免了二次污染。输送系统采用高效率的LS型管式螺旋输送机，采用了新型的悬挂式中间吊轴承架，增大了物料运送空间，减少了物流阻力，加上小直径、高转速、变螺距等设计，确保能顺畅、快速、均匀送料。根据现场环境及高精度计量要求，药剂计量系统采用悬臂梁型称重传感器进行称量，此设备精度高、温漂小、抗干扰能力强，可实现修复药剂精确计量以保障与污染土壤的精确配比。

3.5 搅拌、混合系统

采用同向啮合强制搅拌混合技术，通过同向轴搅拌叶片特殊结构设计，使稳定化药剂与土壤充分混合，解决饱水高黏性土壤稳定化处理土壤包轴、稳定剂抱团与土壤难以充分混合、晾晒周期长的问题。设备采用的土壤专用双卧轴搅拌机主要由搅拌罐体、搅拌部件、传动部件、密封润滑部件和进出料装置等组成。搅拌机设有两轴，每两轴之间交叉排列布置数十个搅拌叶片。通过同向啮合、剪切、翻转、挤压、推进、强制搅拌等复合作用，保障各种物料充分混合，均匀搅拌，混合均匀性变异系数CV ≤5%，确保反应充分、彻底且稳定。

3.6 智能控制系统

设备配置设计了全流程的智能控制系统，包括设备远程综合管理系统，可实现设备远程监控、故障预警，为设备远程故障诊断带来便利，同时也大大降低了设备的维护和售后成本。系统主控界面采用智能化动态3D 显示，根据土壤污染物及污染程度的不同，能自动调节处理工艺，实现污染土壤破碎→筛分→上料→计量→混合→出料→养护加水的全过程控制。计量精度高，可追溯性好，施工数据（如日处理量、药剂添加量）可实时存储、显示和打印，便于过程管控和数据追查。系统可提供云端数据存储、实时告警、推送报表、大数据分析等服务。

3.7 主要技术参数

异位高效稳定化修复一体化设备主要参数见下表。

异位高效稳定化修复一体化设备主要参数

3.8 项目运行情况

项目实施过程中，土壤异位高效稳定化修复一体化设备可连续稳定运行，一次性处理合格率达100%。设备采用模块化设计，安装、调试便捷。设备创新设计了全封闭式药剂输送模块，可在粉尘量大的位置同时进行喷雾除尘，有效保证了施工现场的环保要求，二次污染控制效果好。验收检测报告显示，污染场地土壤经固化/稳定化修复处理后，各批次抽样结果显示土壤污染物浸出值远优于修复目标值。目前，项目已顺利通过验收。

4 结语

项目研制了移动式、模块化、集成化的土壤异位高效稳定化修复一体化设备，工艺设计上实现了污染土壤破碎→筛分→计量→混合→出料→养护加水的全过程集成。设备创新设计了一体化集装箱式结构模块、自动正反转的倾斜式对辊+双侧破碎振动模块、全封闭式药剂输送模块，采用了双卧轴高效混合搅拌技术、土壤药剂精准自动配比技术、全过程智能控制技术等。以上技术在使重金属污染土壤得到高效稳定化修复处理的同时，降低了单方土壤修复成本，避免了施工现场扬尘及二次污染。设备技术先进，运行稳定可靠，适用于我国重金属污染土壤的高效稳定治理。