本发明涉及一种工程化的重金属砷、铅污染土壤的修复设备和修复方法，属于重金属土壤修复领域。
背景技术：
近年来，随着社会经济高速发展和高强度的人类活动，我国全国土壤环境总体不容乐观，部分地区土壤污染较重，工矿业废弃地土壤环境问题突出。全国土壤总的点位超标率为16.1％，无机污染物超标点位数占全部超标点位数的82.8％，其中砷、铅的点位超标率分别为2.7％和1.5％，污染面积较大，范围较广，尤其在冶炼厂及其周边土壤中砷、铅检出率较高。
目前针对重金属污染土壤的常用修复技术为固化稳定化和淋洗技术，但《污染地块修复技术指南固化稳定化技术(试行)2017》中规定固化稳定化修复后需要对场地进行长期监测与维护，长期监测的时间原则上不少于5年，所以对修复技术、场地及人员管理的要求较高，增加了场地的流转和利用时间，因此淋洗工艺的高效、修复周期短等特点使其成为重金属污染土壤常用的修复手段。
现有的重金属砷、铅淋洗设备仍存在不足之处，在已有专利中cn111438178a公开了一种土壤淋洗处理方法，介绍了淋洗工艺，确定了淋洗剂类型、浓度、液固比等淋洗参数，但未明确淋洗设备运行过程中进入设备的粒径、水土比等关键参数，未考虑淋洗成本的经济性；cn105750316a公开了一种多级筛分式异位土壤淋洗修复方法，以10mm、2mm、1mm作为粗筛粒径，10mm作为冲洗粒径，土壤经过粒径分级后采用固化稳定化技术协同处理，实施例中考虑了北方土壤的淋洗效果，但未考虑南北方土壤性质的差异性及固化稳定化技术对土地利用的适用性。
技术实现要素：
有鉴于现有技术中淋洗设备和淋洗方法所存在的不足，本发明的目的在于，对修复设备在修复过程中造浆水土比、筛分冲洗水土比及药剂浸提液固比等关键参数进行改进，同时根据南北方土壤性质，南方粘土类土壤更有利于砷、铅等重金属附着，界定修复过程中筛分冲洗及药剂浸提的粒径分级界限，并对此项工艺进行经济成本核算，提出一种工程化的重金属砷、铅污染土壤的修复设备和修复方法，可经济、有效的提高土壤的修复效率。
具体而言，本发明采用了以下技术手段：
本发明提供了一种工程化的重金属砷、铅污染土壤的修复设备，包括依次连接的造浆系统，筛分冲洗系统、淋洗浸提系统及脱水系统，其中：
所述造浆系统包括依次连接的阿鲁斗、进料仓、搅拌
给料机和擦洗机，以及经支线连接所述阿鲁斗和所述进料仓的
破碎机；粒径小于所述阿鲁斗的筛分粒径的污染土壤送至所述进料仓，粒径大于等于所述阿鲁斗的筛分粒径的污染土壤则送至所述破碎机，经破碎后再送至所述进料仓；经所述搅拌给料机和所述擦洗机造浆得到的泥浆送至所述筛分冲洗系统；
所述筛分冲洗系统包括依次连接的一级水力
振动筛、二级水力振动筛和三级水力振动筛；各个水力振动筛上均配置高压喷淋装置以进行筛分冲洗，筛上物土壤送至出料区，筛下物泥浆则送至所述淋洗浸提系统；
所述淋洗浸提系统包括依次连接的泥浆搅拌罐、水力旋流器、淋洗搅拌池和第一斜管沉淀池，以及与所述淋洗搅拌池相连的加药装置，以及经支线依次连接所述水力旋流器的泥浆搅拌池和第二斜管沉淀池；粒径小于所述水力旋流器的分离粒径的泥浆经所述泥浆搅拌池和所述第二斜管沉淀池送至所述脱水系统，粒径大于等于所述水力旋流器的分离粒径的泥浆则送至所述淋洗搅拌池，通过所述加药装置供给淋洗剂进行药剂浸提，然后再经所述第一斜管沉淀池送至所述脱水系统；
所述脱水系统包括分别与第一斜管沉淀池和第二斜管沉淀池相连的第一板框压滤机和第二板框压滤机；所述第一板框压滤机和所述第二板框压滤机得到的脱水土壤送至出料区。
优选的，所述阿鲁斗的筛分粒径为50mm。
优选的，所述搅拌给料机和所述擦洗机的造浆水土重量比为3：1。
优选的，所述一级水力振动筛、所述二级水力振动筛和所述三级水力振动筛的筛网孔径依次为10mm、2mm和0.5mm。
优选的，所述高压喷淋装置的冲洗水量为筛上物重量的10％，冲洗压力为350-500bar。
优选的，所述水力旋流器的分离粒径0.075mm。
优选的，所述第一板框压滤机和所述第二板框压滤机还连接水处理设备，所述水处理设备的出口连接所述造浆系统和所述筛分冲洗系统，以对脱水产生的废水进行净化处理后回用。
本发明还提供了一种工程化的重金属砷、铅污染土壤的修复方法，包括以下步骤：
(1)造浆
将污染土壤送至阿鲁斗进行筛分，粒径小于所述阿鲁斗的筛分粒径的污染土壤送至进料仓，粒径大于等于所述阿鲁斗的筛分粒径的污染土壤送至破碎机经破碎后再送至所述进料仓；将所述进料仓的污染土壤送至搅拌给料机加水搅拌以初步造浆，然后送至擦洗机进一步造浆，得到的泥浆送至后续筛分冲洗步骤；
(2)筛分冲洗
将步骤(1)得到的泥浆送至依次连接的一级水力振动筛、二级水力振动筛和三级水力振动筛，在筛分的同时进行高压喷淋，筛上物土壤输送至出料区，筛下物泥浆送至后续淋洗浸提步骤；
(3)淋洗浸提
将步骤(2)得到的泥浆送至泥浆搅拌罐进行搅拌，然后送至水力旋流器进行分离，粒径小于所述水力旋流器的分离粒径的泥浆经泥浆搅拌池和第二斜管沉淀池送至后续脱水步骤，粒径大于等于所述水力旋流器的分离粒径的泥浆则送至淋洗搅拌池，加入淋洗剂进行药剂浸提，然后再经第一斜管沉淀池送至后续脱水步骤；
(4)脱水
将步骤(3)中所述第一斜管沉淀池得到的泥浆送至第一板框压滤机进行脱水，脱水土壤送至出料区；将步骤(3)中所述第二斜管沉淀池得到的泥浆送至第二板框压滤机进行脱水，脱水土壤送至出料区。
优选的，步骤(1)中所述阿鲁斗的筛分粒径为50mm。
优选的，步骤(1)中所述造浆的造浆水土重量比为3：1。
优选的，步骤(2)中所述一级水力振动筛、所述二级水力振动筛和所述三级水力振动筛的筛网孔径依次为10mm、2mm和0.5mm。
优选的，步骤(2)中所述高压喷淋的冲洗水量为筛上物重量的10％，冲洗压力为350-500bar。
优选的，步骤(3)中所述水力旋流器的分离粒径0.075mm。
优选的，步骤(3)中所述淋洗剂为0.1mol/l的fecl3溶液，所述淋洗剂的加入量与泥浆固含量的重量比为6：1，所述药剂浸提的时间为30min。
优选的，步骤(4)中脱水产生的废水进一步送至水处理设备进行净化处理，经过絮凝、深层过滤后达到废水回用标准，回用至所述造浆步骤及所述筛分冲洗步骤中。
相较于现有技术，本发明的有益效果在于：
1、本发明确定了重金属砷、铅污染土壤的修复设备及修复工艺关键参数，并根据南北方土壤性质的差异，确定了筛分冲洗粒径范围及淋洗浸提的粒径界限，与现有修复设备和修复工艺参数相比，在保证修复效果的前提下，大大降低了水量的消耗和废水的处理量。例如，在水量消耗方面，在筛分冲洗阶段，现有工程案例中常用冲洗水土比为2：1，造成了水资源的浪费同时加大了废水的处理压力，而本发明的冲洗水量仅为筛上物重量的10％。再例如，在废水的处理量方面，本发明通过对脱水阶段的废水进行处理并回用，回用率不低于90％。
2、经经济成本核算，本发明的工程化重金属砷、铅污染土壤的修复设备和修复方法可经济、有效的提高土壤的修复效率，修复得到的大粒径土壤(≥0.075mm)达到《土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准(试行)》(gb36600-2018)，小颗粒土壤(＜0.075mm)达到《水泥窑协同处置固体废物污染控制标准》(gb30485-2013)，可转运至水泥窑进行利用，此种方式可提高土地的使用效率，同时避免了固化稳定化技术长期监测的风险。
附图说明
图1为本发明所涉及的一种工程化的重金属砷、铅污染土壤的修复设备连接图。
具体实施方式
下面结合具体实施例来进一步描述本发明，本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但这些实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。
实施例1
请参阅图1，本实施例提供了一种工程化的重金属砷、铅污染土壤的修复设备，包括依次连接的造浆系统，筛分冲洗系统、淋洗浸提系统及脱水系统，其中：
所述造浆系统包括依次连接的阿鲁斗、进料仓、搅拌给料机和擦洗机，以及经支线连接所述阿鲁斗和所述进料仓的破碎机；本实施例中所述阿鲁斗的筛分粒径为50mm，粒径小于50mm的污染土壤送至所述进料仓，粒径大于等于50mm的污染土壤则送至所述破碎机，经破碎后再送至所述进料仓；本实施例中所述搅拌给料机和所述擦洗机的造浆水土重量比为3：1，经所述搅拌给料机和所述擦洗机造浆得到的泥浆送至所述筛分冲洗系统；
所述筛分冲洗系统包括依次连接的一级水力振动筛、二级水力振动筛和三级水力振动筛；本实施例中所述一级水力振动筛、所述二级水力振动筛和所述三级水力振动筛的筛网孔径依次为10mm、2mm和0.5mm，各个水力振动筛上均配置高压喷淋装置以进行筛分冲洗，所述高压喷淋装置的冲洗水量为筛上物重量的10％，冲洗压力为350-500bar，筛上物土壤送至出料区，筛下物泥浆则送至所述淋洗浸提系统；
所述淋洗浸提系统包括依次连接的泥浆搅拌罐、水力旋流器、淋洗搅拌池和第一斜管沉淀池，以及与所述淋洗搅拌池相连的加药装置，以及经支线依次连接所述水力旋流器的泥浆搅拌池和第二斜管沉淀池；本实施例中所述水力旋流器的分离粒径0.075mm，粒径小于0.075mm的泥浆经所述泥浆搅拌池和所述第二斜管沉淀池送至所述脱水系统，粒径大于等于0.075mm的泥浆则送至所述淋洗搅拌池，通过所述加药装置供给淋洗剂进行药剂浸提，然后再经所述第一斜管沉淀池送至所述脱水系统；
所述脱水系统包括分别与第一斜管沉淀池和第二斜管沉淀池相连的第一板框压滤机和第二板框压滤机；所述第一板框压滤机和所述第二板框压滤机得到的脱水土壤送至出料区；
所述第一板框压滤机和所述第二板框压滤机还连接水处理设备，所述水处理设备的出口连接所述造浆系统和所述筛分冲洗系统，以对脱水产生的废水进行净化处理后回用。
实施例2
本实施例以广东某冶炼厂遗留场地砷、铅污染土壤为处理目标，污染土壤地层分布为杂填土、粉质粘土和砂质粘土，粒径为>0.5mm和≤0.075mm土壤颗粒重量百分比分别为70％和16％，土壤中砷、铅残渣态所占比例最高，占40％-50％，其次为水溶态30％左右。土壤修复工艺中粒径>0.5mm砷、铅污染土壤依靠物理筛分冲洗将污染土壤表面松散附着的污染物去除，以fecl3为淋洗剂，淋洗浸提粒径0.075-0.5mm污染土壤，使污染土壤中砷、铅得到有效去除，具体方法及相关检测情况如下：
(1)造浆
将污染土壤送至50mm粒径阿鲁斗进行筛分，粒径小于50mm的污染土壤送至进料仓，粒径大于等于50mm的污染土壤送至破碎机经破碎后再送至所述进料仓，以防止粒径过大对后续设备造成破坏；将所述进料仓的污染土壤送至搅拌给料机加水搅拌以初步造浆，然后送至擦洗机进一步造浆，造浆水土重量比为3：1，经过擦洗，污染土壤中的污染物与粘粒从砾石表面分离，得到的泥浆送至后续筛分冲洗步骤；
(2)筛分冲洗
经检测，步骤(1)得到的泥浆中主要污染物的初始浓度为砷1121mg/kg、铅1240mg/kg，将其送至依次连接的10mm粒径一级水力振动筛、2mm粒径二级水力振动筛和0.5mm粒径三级水力振动筛，因南方粘性土壤中重金属砷、铅附着性较强，不易洗脱，所以在筛分的同时使用各个所述水力振动筛上配置的高压喷淋装置进行高压喷淋，以保证土壤颗粒表面冲洗完全，冲洗水量为筛上物重量的10％，冲洗压力为350-500bar，经充分筛分冲洗后，筛上物土壤通过皮带输送至出料区，经检测，筛分冲洗后粒径10mm、2mm、0.5mm的筛上物土壤中砷的浓度分别为26.4mg/kg、41mg/kg、50.1mg/kg，铅的浓度分别为38.2mg/kg、45mg/kg、62.7mg/kg，均达到《土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准(试行)》(gb36600-2018)，筛下物泥浆送至后续淋洗浸提步骤；
(3)淋洗浸提
随着土壤粒径变细，筛分冲洗的效果变弱，所以将步骤(2)得到的泥浆送至泥浆搅拌罐进行搅拌，然后送至0.075mm粒径水力旋流器进行分离，粒径小于0.075mm的泥浆经泥浆搅拌池和第二斜管沉淀池送至后续脱水步骤，粒径大于等于0.075mm的泥浆则送至淋洗搅拌池，加入淋洗剂进行药剂浸提，然后再经第一斜管沉淀池送至后续脱水步骤；所述淋洗剂为0.1mol/l的fecl3溶液，所述淋洗剂的加入量与泥浆固含量的重量比为6：1，所述药剂浸提的时间为30min；
(4)脱水
将步骤(3)中所述第一斜管沉淀池得到的泥浆送至第一板框压滤机进行脱水，脱水土壤通过皮带输送至出料区，经检测，脱水土壤中砷、铅的浓度分别为51mg/kg、300mg/kg，均达到《土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准(试行)》(gb36600-2018)；将步骤(3)中所述第二斜管沉淀池得到的泥浆送至第二板框压滤机进行脱水，脱水土壤通过皮带输送至出料区，经检测，脱水土壤中砷、铅的浓度分别为237mg/kg、4500mg/kg，均达到《水泥窑协同处置固体废物污染控制标准》(gb30485-2013)，遂将其转运至水泥窑进行利用；
(5)水处理
经检测，修复每方土在步骤(4)中脱水产生的废水量为4.273方，将废水送至水处理设备进行净化处理，经过絮凝、深层过滤后达到废水回用标准，回用至所述造浆步骤及所述筛分冲洗步骤中，回用率不低于90％。
技术特征：
1.一种工程化的重金属砷、铅污染土壤的修复设备，其特征在于，包括依次连接的造浆系统，筛分冲洗系统、淋洗浸提系统及脱水系统，其中：
所述造浆系统包括依次连接的阿鲁斗、进料仓、搅拌给料机和擦洗机，以及经支线连接所述阿鲁斗和所述进料仓的破碎机；粒径小于所述阿鲁斗的筛分粒径的污染土壤送至所述进料仓，粒径大于等于所述阿鲁斗的筛分粒径的污染土壤则送至所述破碎机，经破碎后再送至所述进料仓；经所述搅拌给料机和所述擦洗机造浆得到的泥浆送至所述筛分冲洗系统；
所述筛分冲洗系统包括依次连接的一级水力振动筛、二级水力振动筛和三级水力振动筛；各个水力振动筛上均配置高压喷淋装置以进行筛分冲洗，筛上物土壤送至出料区，筛下物泥浆则送至所述淋洗浸提系统；
所述淋洗浸提系统包括依次连接的泥浆搅拌罐、水力旋流器、淋洗搅拌池和第一斜管沉淀池，以及与所述淋洗搅拌池相连的加药装置，以及经支线依次连接所述水力旋流器的泥浆搅拌池和第二斜管沉淀池；粒径小于所述水力旋流器的分离粒径的泥浆经所述泥浆搅拌池和所述第二斜管沉淀池送至所述脱水系统，粒径大于等于所述水力旋流器的分离粒径的泥浆则送至所述淋洗搅拌池，通过所述加药装置供给淋洗剂进行药剂浸提，然后再经所述第一斜管沉淀池送至所述脱水系统；
所述脱水系统包括分别与第一斜管沉淀池和第二斜管沉淀池相连的第一板框压滤机和第二板框压滤机；所述第一板框压滤机和所述第二板框压滤机得到的脱水土壤送至出料区。
2.根据权利要求1所述的修复设备，其特征在于：
所述阿鲁斗的筛分粒径为50mm；
所述一级水力振动筛、所述二级水力振动筛和所述三级水力振动筛的筛网孔径依次为10mm、2mm和0.5mm；
所述水力旋流器的分离粒径0.075mm。
3.根据权利要求1所述的修复设备，其特征在于：
所述搅拌给料机和所述擦洗机的造浆水土重量比为3：1；
所述高压喷淋装置的冲洗水量为筛上物重量的10％，冲洗压力为350-500bar。
4.根据权利要求1所述的修复设备，其特征在于：
所述第一板框压滤机和所述第二板框压滤机还连接水处理设备，所述水处理设备的出口连接所述造浆系统和所述筛分冲洗系统，以对脱水产生的废水进行净化处理后回用。
5.一种工程化的重金属砷、铅污染土壤的修复方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)造浆
将污染土壤送至阿鲁斗进行筛分，粒径小于所述阿鲁斗的筛分粒径的污染土壤送至进料仓，粒径大于等于所述阿鲁斗的筛分粒径的污染土壤送至破碎机经破碎后再送至所述进料仓；将所述进料仓的污染土壤送至搅拌给料机加水搅拌以初步造浆，然后送至擦洗机进一步造浆，得到的泥浆送至后续筛分冲洗步骤；
(2)筛分冲洗
将步骤(1)得到的泥浆送至依次连接的一级水力振动筛、二级水力振动筛和三级水力振动筛，在筛分的同时进行高压喷淋，筛上物土壤输送至出料区，筛下物泥浆送至后续淋洗浸提步骤；
(3)淋洗浸提
将步骤(2)得到的泥浆送至泥浆搅拌罐进行搅拌，然后送至水力旋流器进行分离，粒径小于所述水力旋流器的分离粒径的泥浆经泥浆搅拌池和第二斜管沉淀池送至后续脱水步骤，粒径大于等于所述水力旋流器的分离粒径的泥浆则送至淋洗搅拌池，加入淋洗剂进行药剂浸提，然后再经第一斜管沉淀池送至后续脱水步骤；
(4)脱水
将步骤(3)中所述第一斜管沉淀池得到的泥浆送至第一板框压滤机进行脱水，脱水土壤送至出料区；将步骤(3)中所述第二斜管沉淀池得到的泥浆送至第二板框压滤机进行脱水，脱水土壤送至出料区。
6.根据权利要求5所述的修复方法，其特征在于：
步骤(1)中所述阿鲁斗的筛分粒径为50mm；
步骤(2)中所述一级水力振动筛、所述二级水力振动筛和所述三级水力振动筛的筛网孔径依次为10mm、2mm和0.5mm；
步骤(3)中所述水力旋流器的分离粒径0.075mm。
7.根据权利要求5所述的修复方法，其特征在于：
步骤(1)中所述造浆的造浆水土重量比为3：1；
步骤(2)中所述高压喷淋的冲洗水量为筛上物重量的10％，冲洗压力为350-500bar。
8.根据权利要求5所述的修复方法，其特征在于：
步骤(3)中所述淋洗剂为0.1mol/l的fecl3溶液，所述淋洗剂的加入量与泥浆固含量的重量比为6：1，所述药剂浸提的时间为30min。
9.根据权利要求5所述的修复方法，其特征在于：
步骤(4)中脱水产生的废水进一步送至水处理设备进行净化处理，经过絮凝、深层过滤后达到废水回用标准，回用至所述造浆步骤及所述筛分冲洗步骤中。
技术总结
本发明公开了一种工程化的重金属砷、铅污染土壤的修复设备和修复方法。所述修复设备包括依次连接的造浆系统，筛分冲洗系统、淋洗浸提系统及脱水系统。所述修复方法包括(1)造浆；(2)筛分冲洗；(3)淋洗浸提；(4)脱水。本发明对造浆水土比、筛分冲洗水土比及药剂浸提液固比等关键参数进行改进，同时根据南北方土壤性质，南方粘土类土壤更有利于砷、铅等重金属附着，界定修复过程中筛分冲洗及药剂浸提的粒径分级界限，并对此项工艺进行经济成本核算，提出一种工程化的重金属砷、铅污染土壤的修复设备和修复方法，可经济、有效的提高土壤的修复效率。
技术研发人员：张文;初文磊;张水;李从文;郑盛之;张程;陈恺;王世君;赵铎;杨勇;王海东;殷晓东
受保护的技术使用者：中科鼎实环境工程有限公司
技术研发日：2020.12.07
技术公布日：2021.04.02
声明：
“工程化的重金属砷、铅污染土壤的修复设备和修复方法与流程” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：中冶有色技术网
来源：中科鼎实环境工程有限公司
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2024年12月27日 ~ 29日 
