土壤修復一體機在重金屬污染土壤修復中的應用

張樹立，李彥偉*，唐建穩，姜珊，陳洪法，王偉臣，付融冰

（1.杰瑞環?？萍加邢薰?，山東 煙臺 264003；2.同濟大學，上海 200092）

隨著工業化和城市化的飛速發展，土壤重金屬污染已成為不容忽視的突出環境問題。2014 年發布的《全國土壤污染狀況調查公報》顯示，全國土壤總的點位超標率為16.1%，其中輕微、輕度、中度和重度污染點位比例分別為11.2%、2.3%、1.5%和1.1%。污染類型以無機型為主，有機型次之，復合型污染比重較小，無機污染物超標點位數占全部超標點位的82.8%[1]。土壤重金屬污染有人為原因和自然原因兩種，人類活動是土壤重金屬污染的主要原因。土壤重金屬污染的人為來源主要為礦產開采、金屬冶煉、化工、汽車尾氣排放、生活污水排放、農業和化肥使用等。重金屬污染土壤具有隱蔽性、長期性、不可降解、不可逆轉性的特點[2]。目前國內外發展了一系列的土壤修復技術，包括固化、穩定化、玻璃化、淋洗、氧化—還原法、電動力法、植物修復法、微生物修復法等[3]。固化穩定化具有適用范圍廣、操作快捷、成本較低等特點，尤其適用于金屬和放射性污染物[4]。目前我國土壤修復固化穩定化技術應用中缺乏土壤混合設備及集混合和藥劑加注于一體的固化穩定化成套設備，現主要采用破碎篩分斗、長臂旋噴設備、臥式雙軸攪拌設備和翻拋機進行修復，其效率、可靠性、混拌均勻性、移動性好和藥劑利用效率均無法完全滿足工業化應用的要求。

針對上述技術瓶頸，某公司開發了一種土壤修復一體機，這是一種具有修復周期短、普適性強、混拌均勻性良好、移動性和藥劑利用效率高的成套固定穩定化處理設備。該設備可通過固化穩定化技術手段實現對受重金屬污染的工廠、農耕地、道路、地基基礎、河川、港灣區域污染土壤的高質量、高效修復[5]，已成功應用于多個修復項目。

1 固化穩定化技術

固化穩定化技術是向污染土壤中加入固化穩定化藥劑，通過控制土壤pH 值，使其發生物理、化學反應，改變重金屬在土壤中的存在狀態，改變土壤的理化性質，從而降低其生物有效性和遷移性。這類技術能阻止或減緩重金屬污染物的釋放，與一般的修復技術相比，它不破壞污染物本身，而是讓污染物對周圍環境的浸出維持在安全水平。

2 破碎篩分斗在重金屬污染土壤中的應用情況

最早進入我國重金屬污染土壤修復領域的設備是破碎篩分斗，其具有篩分、混合的功能，可實現重金屬污染土壤和藥劑的混合、修復。采用破碎篩分斗對重金屬污染土壤進行修復，具有投資成本小、靈活方便的特點，單個破碎篩分斗可以實現多種功能，具有一定的應用效果。

破碎篩分斗在修復重金屬污染土壤過程中，添加藥劑方式粗放，添加量不準，藥劑添加不足會造成重復修復，藥劑添加過量會造成修復成本增加及對環境的二次污染。在修復重金屬污染土壤過程中，破碎篩分斗對于污染土壤中的大粒徑硬質物料無法破碎，需要對該部分物料進行二次處置，會造成處置成本的增加，而且在處理過程中對設備磨損嚴重，設備磨損件需要反復修理和調整，會造成工期的延誤。

3 長臂旋噴設備在重金屬污染土壤中的應用情況

長臂旋噴設備采用定壓定量的方式添加固化穩定化藥劑，對黏性較大、污染深度較大的重金屬污染土壤進行修復。該設備操作靈活，前端轉桿工作范圍大，履帶底盤可實現移動式作業，滿足不同區域污染土壤的處置。

該設備功能單一，投入成本高，對于修復場地的通行性有一定的要求。具有添加藥劑不精準，需要對污染場地進行反復修復，效率較低的特點。在對重金屬污染土壤進行修復的過程中，需要使用藥劑添加車進行輔助作業，增加了修復成本。

4 臥式雙軸攪拌設備在重金屬污染土壤中的應用情況

臥式雙軸攪拌設備是場站重金屬污染土壤修復設備，具有處理效果穩定、處理量大的特點，是固定式場站的良好選擇。

臥式雙軸攪拌裝置的基礎建設需要較大的投入和周期。若調整作業場所，需要重新進行基礎建設，增加了投資成本并延長了修復工期。

5 翻拋機在重金屬污染土壤中的應用情況

翻拋機可對重金屬污染土壤進行快速修復，通過人工添加藥劑的方式，實現藥劑的均勻分布，再通過翻拋機對藥劑和土壤進行多次翻拋和混拌，實現對重金屬污染土壤的修復。

修復處理前需要對污染土壤進行預處理，處理效率低，對處理污染土壤有尺寸和規格的要求，處理投入相對較大。

6 XF150 土壤修復一體機的研發

結合重金屬污染土壤修復設備存在的問題，某公司自主研發了XF150 土壤修復一體機，應用于重金屬污染土壤修復。

6.1 設備優點

（1）提升修復效率

該設備采用體積計量法對進料量進行測量和控制，根據污染土壤的種類和程度，最大處理量可達150m3/h，提升了重金屬污染土壤的處理效率。

（2）精準添加藥劑

該設備藥劑添加系統根據控制系統反饋的進土量，可實現實時精準加藥，加藥量控制在0.9—15m3/h，藥劑利用率為98%，既避免了藥劑添加不足導致的返工，又避免了藥劑過量造成的二次污染，實現了污染土壤的高效修復。藥劑添加采用設備自帶吊機，減少了運行成本，提升了工作效率。藥劑添加系統示意見下圖。

干粉/液體藥劑添加系統示意圖

該系統可以添加固體藥劑或者液體藥劑，或者同時添加固體和液體藥劑，創新性實現多種重金屬污染土壤的一次性高效修復。

（3）便于轉移和運輸

此設備結構集成，重量為27t，外形尺寸小于13 600mm×2850mm×3200mm，采用常規底盤車即可拉運，滿足公路運輸要求。

（4）實現多點快速移動作業

XF150 土壤修復一體機設備重量分布合理，左右無偏重，前后無偏載，接近角和離去角滿足標準需求。行走速度可達3.2km/h，爬坡角度為15°，離去角為12°，履帶底盤由導向輪、張緊裝置、履帶架、支重輪、驅動裝置、拖鏈輪和履帶板等組成[6]，轉向性能滿足在水平路面低速勻速轉向的需求，地面載荷均勻分布，質心在水平面上的投影與幾何中心點重合[7]。設備采用鋼制履帶的方式，可在冰雪、泥濘路面行走，作業范圍廣闊。

（5）節能降耗、環保高效

土壤修復一體機破碎混拌系統有H、M、L、G四種工作模式。根據修復土質的不同可采用不同的修復模式，可實現針對性修復，在節約能源的同時又提升了工作效率。土壤修復一體機具有連續作業的特點，配置QSB6.7-190-30 型渦輪增壓柴油機，動力配置滿足工程機械作業工況需求，符合《非道路移動機械用柴油機排氣污染物排放限值及測量方法（中國第三、四階段）》（GB 20891—2014）[8]，滿足重金屬污染土壤修復作業安全要求。

（6）精準控制，高效執行

電氣控制系統采用集成的一體機可編程序邏輯控制器（PLC）及人工交互（HMI）屏控制系統。該系統涵蓋發動機的控制功能、顯示功能及整機外圍傳感器功能。基于J1939 通信協議，可實現控制系統的穩定性，實現對發動機系統的數據采集顯示、控制，完善設備故障報警信息，迅速排除設備故障。

根據各部分功能，在控制模式上給予嚴格劃分。工作模式分為運行模式、調試模式、行走模式。運行模式在設備整機運行時使用，用于對設備各軸進行順序控制；行走模式只用于底盤車行走，在此模式下，其他模式全部失效，不能啟動包括吊機在內的各傳動系統[9]。

液壓執行系統可保證XF150 土壤修復一體機各部件能夠正常運轉，采用負載敏感和交叉功率，通過發動機驅動負載敏感變量柱塞液壓泵[10]。負載敏感變量柱塞液壓泵，根據系統所需流量自動調節排量，通過雙泵交叉維持系統總功率[11]。

6.2 設備總成

XF150 土壤修復一體機由底盤系統、進料系統、吊機系統、藥劑添加系統、破碎混拌系統、出料系統、動力系統、機架系統、液壓系統和電氣系統組成。液壓系統實現底盤系統和進出料系統、藥劑添加系統和破碎混拌系統的執行，電氣系統實現各執行機構的控制。

6.3 安全性分析

關鍵承重件和核心機械部件均使用有限元分析法進行分析、校驗，以保證使用要求。對XF150 土壤修復一體機進行結構分析，等效應力、最大切應力、最大變形量滿足設計要求[12-14]，結果見表1。

表1 計算結果：材料利用率[9]

6.4 性能測試與應用

依據《工程機械 通用安全技術要求》（JB 6030-2001）[15]和JP-26-17A 產品試驗大綱對XF150 土壤修復一體機進行性能測試，包括發動機、吊機、履帶底盤等關鍵部件的性能測試，底盤的承載能力和行駛性能測試，液壓系統、氣路系統及操作系統的功能測試。各項性能指標均達到設計要求，運行穩定，滿足重金屬污染土壤修復工況的要求。

發動機額定轉速為2200r/min，設備進料量變化、藥劑添加量和土壤混拌均勻度如表2 所示。

表2 XF150 土壤修復一體機測試數據

通過大量的作業可證明混拌均勻度平均達到96%。該設備在作業過程中運行穩定，可靠性高，得到了使用方的高度認可。對于污染土壤修復目標值的浸出濃度依據《固體廢物 浸出毒性浸出方法 硫酸硝酸法》（HJ/T 299—2007）的方法進行測定，測定結果達到修復目標值。

7 XF150 土壤修復一體機工程應用案例

7.1 山東某重金屬污染土壤修復

某化工總廠片區地處城區，土壤修復工程包括場地0—5m 深度范圍內135 097m3污染土壤的修復，目標重金屬污染物為銅、鉛、鎳。

根據廠區調研和取樣分析，污染種類和濃度見表3。

表3 場地污染情況

本項目場地污染土壤修復目標值及污染物浸出濃度見表4。對于污染土壤修復目標值的浸出濃度依據《固體廢物 浸出毒性浸出方法 硫酸硝酸法》（HJ/T 299—2007）的方法進行測定。

表4 污染土壤修復目標值

7.2 濰坊某河道重金屬污染土壤修復

山東某河道下游污染較為嚴重，多年來對周邊居民的生產生活以及當地生態環境等造成了嚴重影響。該河道污染物為鎘、鋅重金屬，修復量為0—3m 深度范圍內的268 587m3污染土方。

根據廠區調研和取樣分析，污染種類和濃度見表5。

表5 河道污染情況

本項目場地污染土壤修復目標值及污染物浸出濃度見表6。其中對于污染土壤修復目標值的浸出濃度依據《固體廢物 浸出毒性浸出方法 硫酸硝酸法》（HJ/T 299—2007）的方法進行測定。

表6 污染土壤修復目標值

7.3 四川某重金屬污染土壤修復

該項目待修復污染固體廢物、污染土壤和河道淤泥共約60 萬m3，采用穩定化技術處置，即經穩定化處理后運送到固體廢物堆存區進行填埋處置。廢物處置后滿足《危險廢物填埋污染控制標準》（GB 18598—2019）的允許填埋控制限值，具體見表7、表8。

表7 處理前參數測定值

表8 污染物控制限值

8 結語

（1）XF150 土壤修復一體機可滿足重金屬污染土壤修復連續穩定運行的作業要求。

（2）該設備解決了常規重金屬污染土壤修復設備經濟性差、效率低以及會對環境造成二次污染的問題，具有經濟性好、環保、高效等明顯的優勢。

（3）該設備擁有安全保障系統，核心部件均采用軟件校核強度；數據實時交互，人機界面友好；適應國內外不同地區土質復雜的作業工況，設備可靠性強。

（4）XF150 土壤修復一體機性能穩定，截至目前，在國內已經累計完成修復280 萬m3重金屬污染土壤，具有良好的實用性和經濟性。

9 設備發展建議

通過建立土質和環境庫，分析重金屬污染土壤的種類和程度，研發鉛、鎘、砷等重金屬同步穩定化功能材料，建立土壤穩定體長效評價方法與指標，驗證功能材料的長效穩定化效果。

針對設備采用液壓抓斗機耦合自動傳送實現自動上料、投料，結合基于重金屬XRF 快速在線監測的劑量——響應自動饋控加藥模塊，獲得適用于進料特點的加藥策略，根據控制系統反饋的進土量實時調整精準添加藥劑量，研制形成集 “自動投料、饋控加藥、破碎混勻”于一體的異位自動投料、破碎混勻智能異位修復裝備，進而搭建一體化、智能化、成熟化、先進的土壤修復裝備，實現污染土壤的高效修復。