重金屬污染地塊修復關鍵技術及裝備研究

齊水蓮 黃立志

摘 要：依據國內及河南省重金屬污染地塊污染現狀及特點，針對重金屬污染固化/穩定化修復技術及裝備研發存在的主要問題，分析了穩定化藥劑的研發情況，并著重介紹了一體化成套裝備的研發，為我國重金屬污染地塊修復工程實施提供了國產裝備支持，并指出了下一階段的工作重點。

關鍵詞：重金屬污染;固化/穩定化;穩定化藥劑;一體化修復裝備

中圖分類號：X820;X505文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）22-0148-03

Abstract： According to the pollution status and characteristics of heavy metal contaminated land in China and Henan Province， the research and development situation of stabilizing medicament was analyzed in view of the main problems of solidification/ stabilization remediation technology and equipment for heavy metal pollution， this paper introduced the research and development of the integrated equipment， which provided the domestic equipment support for the remediation project of heavy metal contaminated land， and pointed out the emphases of the next stage.

Keywords： heavy metal pollution;solidification/stabilization;stabilization agent;integrated restoration equipment

1 研究背景

隨著全國城鎮化進程和產業結構調整步伐的加快，各大中城市紛紛實施“退二進三”“退城進園”等政策，大批涉及化工、金屬冶煉、石油化工和電鍍、印染、機械制造等行業的重度污染企業先后搬遷或關閉。遺留的大量重金屬污染地塊引起的環境污染問題已開始日益引發民眾關注，也成為建設用地再開發利用的重要環境隱患。我國重金屬污染地塊主要以復合污染形式存在，如鎘、鉛、鉻、汞、砷等，對人體有致癌、致畸和致突變的危害，因此，加強對重金屬污染地塊修復治理已成為一項迫在眉睫的民生工程。河南省重金屬污染場地大量分散于城鎮建設規劃區、部分飲用水源保護區及其他環境敏感區域，污染類型是單一和復合污染并存，主要污染因子包含鉻、鎘、鉛、砷等，開展重金屬污染地塊修復技術及裝備研發勢在必行，意義重大。

目前，國內外重金屬污染地塊修復治理的途徑主要有兩類：一是改變重金屬在土壤中的存在形態，以降低重金屬的生物毒性和遷移性，包括固化/穩定化、光催化降解等;二是去除土壤中的重金屬，降低其在土壤中的濃度使不超過最大允許濃度，包括微生物修復、植物修復、淋洗、電動修復等。其中，固化/穩定化修復技術是國內外最常用的重金屬污染地塊修復技術，具有適用范圍廣、施工方便、處理時間短等優點[1]。在借鑒歐美等發達國家近40年來治理與修復案例和經驗時，治理修復技術在國內應用中均需要與當地土壤類型、污染物特征、用地性質等實際情況結合。項目團隊主要從重金屬污染修復穩定化技術和裝備兩方面開展針對性研究。

2 重金屬污染地塊的固化/穩定化修復技術研究

重金屬污染固化/穩定修復的技術原理是：向重金屬污染土壤中加入固化/穩定化藥劑，使土壤和藥劑混合通過吸附、沉淀等作用改變重金屬的存在形態，從而降低重金屬的生物有效性、浸出毒性和遷移性[2]。該技術可用于原位修復，也可用于異位修復。日本、歐美國家起步較早，開展了大量的技術研究和工程應用。我國在固化/穩定化修復技術方面的研究起步稍晚，已有不少科研院所和公司對重金屬污染土壤修復方法開展研究和試驗，取得了一定的成果[3]。目前，主要針對單一污染研究的較多，而對復合重金屬污染研究的較少，研發的修復藥劑也大多還停留在實驗室階段，沒有形成產業化，可大規模推廣應用的較少，難以應對當前土壤污染的嚴峻形勢。因此，加強修復技術和藥劑研發，形成擁有自主知識產權的工程技術、修復藥劑，不僅是土壤環境保護與技術產業化的需求，也是我國在土壤污染與修復的新興產業進入國際環境修復市場競爭的需求。

固化/穩定化藥劑是影響重金屬污染地塊修復效果的主要因素，固化藥劑以水泥、瀝青、粉煤灰為代表，常用的穩定化藥劑以無機物藥劑為主，包括磷酸鹽藥劑、堿性藥劑、硫化物、黏土礦物等。其中，磷酸鹽藥劑價格低廉，包含水溶性磷化物和難溶性磷化物兩類，對重金屬鉛的穩定化效果最好，適用于酸性土壤，大量應用易引起地下水體富營養化。常用的堿性藥劑包括金屬氫氧化物、金屬碳酸鹽，主要是在高土壤pH條件下形成穩定的金屬氫氧化物沉淀，短時間內穩定化效果較好。當土壤pH逐漸降低時，金屬氫氧化物沉淀中的重金屬會存在重新溶出的風險。硫化物多應用于含汞重金屬的治理。項目研究團隊以河南典型的鉻污染地塊和國內、省內量大面廣的鎘、鉛、砷等多種重金屬復合污染地塊為對象，研究與天然礦組分相近的無機復合藥劑，選取鈣系、硫系、碳系的穩定劑，按一定的比例組合復配，分別對鉻、鎘、鉛單一和不同復合污染土壤進行穩定化修復實驗研究，初步篩選出了2種針對單一及復合重金屬污染型場地的修復藥劑，實驗室小試修復效果良好，修復效果的長期穩定性還有待進一步驗證。

3 重金屬污染地塊修復的成套裝備研發

3.1 重金屬污染土壤修復設備存在的問題

污染土壤與修復藥劑的精確投加、均勻混合是重金屬污染地塊穩定化修復工程實施的關鍵性因素。目前，國內采用的土壤修復裝備以國外引進為主，但國外裝備存在造價高昂、不適用于較復雜的土壤、進料不暢、維修保養困難等狀況，大大制約著此類裝備在國內的推廣使用。國內修復裝備主要以裝載機、挖掘機、篩分機、破碎機、皮帶輸送機、藥劑加注機、混合機單體設備組合修復為主，存在設備功能單一、物料需要二次或多次轉運、密閉性差、自動化程度低、土壤和藥劑混合不均勻、藥劑加注量很難精確定量等問題，導致土壤修復工程實施時存在過度修復或者修復不徹底等現象。因此，亟待開發一體化、模塊化、便于拆分和移動的國產治理修復裝備。

3.2 重金屬污染土壤修復成套裝備研發

依據穩定化修復工藝技術，在借鑒國外先進國家類似設備如破碎與篩分、加藥混合單體設備的基礎上，結合河南金谷實業發展有限公司的工程實踐經驗及設備制作經驗，完成了成套修復裝備的整體設計方案，主體機構分為：進料單元（進料斗）、計量單元（電子皮帶秤）、藥劑加注單元（提升機、粉料藥劑加注裝置、液體藥劑加注裝置）、混合單元（混合機）、輸送單元（單托輥皮帶輸送機）、除塵單元（旋風除塵器）、自動控制單元等，最終形成的設計總圖如圖1所示。

整套裝備運行的工藝流程描述如下：經過預處理的污染土壤通過鏟車或者輸送設備進入進料斗，進料斗出料口設置有切削輪，完成土壤的初步破碎，并均勻導入定量給料機（皮帶秤），電子皮帶稱輸送土壤的同時能在線稱重，并把結果傳輸給藥劑加注機。粉狀藥劑由提升裝置提升至粉狀藥劑加注機的上部進料口進入混合機料倉，經過傳動裝置由下部出料口被定量均勻地排出，灑落到下部皮帶秤上，與污染土壤一起進入后續混合單元;液體藥劑通過計量泵定量供給，由噴嘴噴出與土壤混合。土壤藥劑混合物在混合機內完成破碎、混合后，混合物從下部出料口流至單托輥皮帶輸送機上完成出料。整機配有PLC控制系統及變頻調速裝置，PLC實時采集、處理、保存皮帶秤污染土壤以及藥劑加注機的各項數據，并把數據實時傳遞給后臺計算機，通過計算，再通過變頻調速裝置及時調整藥劑加注機減速電機輸出軸轉速，保證藥劑投加量與污染土壤量的適配，實現精準計量投加。

公司采購部、生產部全力配合，保質保量地完成了設備的制作和安裝，整套設備具有以下創新點。

①土壤和藥劑充分混合均勻。在混合機內部設置兩組切削輪、兩組混合輪四級縱向錯位排布，切削輪高速旋轉時，既能切削污染物、雜草、繩頭等，又能對物料進行攪拌、混合，使物料混合更充分、更均勻。

②污染土壤與修復藥劑的精確計量和投加。PLC控制系統及變頻調速，保證藥劑的精確計量。粉狀藥劑加注機采用進料口、出料口豎向錯位排布，上、下撥叉旋轉，出料器設有容積式分料盤，均勻布料從出料孔內卸出，實現藥劑的均勻投加。

③所有設備集成在一個可移動平臺上，占地面積小，可連續化作業，自動化程度高。

4 結語

針對重金屬污染地塊治理修復技術、裝備主要問題和實際情況，研發了兩種復配的修復藥劑，實驗室效果良好。重金屬污染土壤修復成套裝備集進料、定量加藥、混合攪拌、除塵、自動出料等功能于一體，具有連續化作業、物料混合均勻、設備相對密閉、自動化程度高等優點，完成了單機試運轉和改進。總結階段性成果，優化藥劑配方，完善設備運行參數，提高設備的穩定性，制定重金屬污染地塊修復技術方案，建立修復工程典型示范區，盡快開展大規模工程化應用是今后工作的重點。

參考文獻：

[1]諸毅，宋立杰，黃攀攀，等.重金屬污染土壤異位修復施工技術及設備發展[J].廣州化工，2017（19）：16-19.

[2]林志堅，畢薇.重金屬污染土壤固化/穩定化修復技術及設備研究進展[J].廣東化工，2016（14）：119-120.

[3].蔣忠.異位污染土壤修復設備關鍵部件設計分析及送料控制策略的研究[D].上海：華東理工大學，2015.