重金属污染地块修复关键技术及装备研究

齐水莲 黄立志

摘 要：依据国内及河南省重金属污染地块污染现状及特点，针对重金属污染固化/稳定化修复技术及装备研发存在的主要问题，分析了稳定化药剂的研发情况，并着重介绍了一体化成套装备的研发，为我国重金属污染地块修复工程实施提供了国产装备支持，并指出了下一阶段的工作重点。

关键词：重金属污染;固化/稳定化;稳定化药剂;一体化修复装备

中图分类号：X820;X505文献标识码：A文章编号：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

随着全国城镇化进程和产业结构调整步伐的加快，各大中城市纷纷实施“退二进三”“退城进园”等政策，大批涉及化工、金属冶炼、石油化工和电镀、印染、机械制造等行业的重度污染企业先后搬迁或关闭。遗留的大量重金属污染地块引起的环境污染问题已开始日益引发民众关注，也成为建设用地再开发利用的重要环境隐患。我国重金属污染地块主要以复合污染形式存在，如镉、铅、铬、汞、砷等，对人体有致癌、致畸和致突变的危害，因此，加强对重金属污染地块修复治理已成为一项迫在眉睫的民生工程。河南省重金属污染场地大量分散于城镇建设规划区、部分饮用水源保护区及其他环境敏感区域，污染类型是单一和复合污染并存，主要污染因子包含铬、镉、铅、砷等，开展重金属污染地块修复技术及装备研发势在必行，意义重大。

目前，国内外重金属污染地块修复治理的途径主要有两类：一是改变重金属在土壤中的存在形态，以降低重金属的生物毒性和迁移性，包括固化/稳定化、光催化降解等;二是去除土壤中的重金属，降低其在土壤中的浓度使不超过最大允许浓度，包括微生物修复、植物修复、淋洗、电动修复等。其中，固化/稳定化修复技术是国内外最常用的重金属污染地块修复技术，具有适用范围广、施工方便、处理时间短等优点[1]。在借鉴欧美等发达国家近40年来治理与修复案例和经验时，治理修复技术在国内应用中均需要与当地土壤类型、污染物特征、用地性质等实际情况结合。项目团队主要从重金属污染修复稳定化技术和装备两方面开展针对性研究。

2 重金属污染地块的固化/稳定化修复技术研究

重金属污染固化/稳定修复的技术原理是：向重金属污染土壤中加入固化/稳定化药剂，使土壤和药剂混合通过吸附、沉淀等作用改变重金属的存在形态，从而降低重金属的生物有效性、浸出毒性和迁移性[2]。该技术可用于原位修复，也可用于异位修复。日本、欧美国家起步较早，开展了大量的技术研究和工程应用。我国在固化/稳定化修复技术方面的研究起步稍晚，已有不少科研院所和公司对重金属污染土壤修复方法开展研究和试验，取得了一定的成果[3]。目前，主要針对单一污染研究的较多，而对复合重金属污染研究的较少，研发的修复药剂也大多还停留在实验室阶段，没有形成产业化，可大规模推广应用的较少，难以应对当前土壤污染的严峻形势。因此，加强修复技术和药剂研发，形成拥有自主知识产权的工程技术、修复药剂，不仅是土壤环境保护与技术产业化的需求，也是我国在土壤污染与修复的新兴产业进入国际环境修复市场竞争的需求。

固化/稳定化药剂是影响重金属污染地块修复效果的主要因素，固化药剂以水泥、沥青、粉煤灰为代表，常用的稳定化药剂以无机物药剂为主，包括磷酸盐药剂、碱性药剂、硫化物、黏土矿物等。其中，磷酸盐药剂价格低廉，包含水溶性磷化物和难溶性磷化物两类，对重金属铅的稳定化效果最好，适用于酸性土壤，大量应用易引起地下水体富营养化。常用的碱性药剂包括金属氢氧化物、金属碳酸盐，主要是在高土壤pH条件下形成稳定的金属氢氧化物沉淀，短时间内稳定化效果较好。当土壤pH逐渐降低时，金属氢氧化物沉淀中的重金属会存在重新溶出的风险。硫化物多应用于含汞重金属的治理。项目研究团队以河南典型的铬污染地块和国内、省内量大面广的镉、铅、砷等多种重金属复合污染地块为对象，研究与天然矿组分相近的无机复合药剂，选取钙系、硫系、碳系的稳定剂，按一定的比例组合复配，分别对铬、镉、铅单一和不同复合污染土壤进行稳定化修复实验研究，初步筛选出了2种针对单一及复合重金属污染型场地的修复药剂，实验室小试修复效果良好，修复效果的长期稳定性还有待进一步验证。

3 重金属污染地块修复的成套装备研发

3.1 重金属污染土壤修复设备存在的问题

污染土壤与修复药剂的精确投加、均匀混合是重金属污染地块稳定化修复工程实施的关键性因素。目前，国内采用的土壤修复装备以国外引进为主，但国外装备存在造价高昂、不适用于较复杂的土壤、进料不畅、维修保养困难等状况，大大制约着此类装备在国内的推广使用。国内修复装备主要以装载机、挖掘机、筛分机、破碎机、皮带输送机、药剂加注机、混合机单体设备组合修复为主，存在设备功能单一、物料需要二次或多次转运、密闭性差、自动化程度低、土壤和药剂混合不均匀、药剂加注量很难精确定量等问题，导致土壤修复工程实施时存在过度修复或者修复不彻底等现象。因此，亟待开发一体化、模块化、便于拆分和移动的国产治理修复装备。

3.2 重金属污染土壤修复成套装备研发

依据稳定化修复工艺技术，在借鉴国外先进国家类似设备如破碎与筛分、加药混合单体设备的基础上，结合河南金谷实业发展有限公司的工程实践经验及设备制作经验，完成了成套修复装备的整体设计方案，主体机构分为：进料单元（进料斗）、计量单元（电子皮带秤）、药剂加注单元（提升机、粉料药剂加注装置、液体药剂加注装置）、混合单元（混合机）、输送单元（单托辊皮带输送机）、除尘单元（旋风除尘器）、自动控制单元等，最终形成的设计总图如图1所示。

整套装备运行的工艺流程描述如下：经过预处理的污染土壤通过铲车或者输送设备进入进料斗，进料斗出料口设置有切削轮，完成土壤的初步破碎，并均匀导入定量给料机（皮带秤），电子皮带称输送土壤的同时能在线称重，并把结果传输给药剂加注机。粉状药剂由提升装置提升至粉状药剂加注机的上部进料口进入混合机料仓，经过传动装置由下部出料口被定量均匀地排出，洒落到下部皮带秤上，与污染土壤一起进入后续混合单元;液体药剂通过计量泵定量供给，由喷嘴喷出与土壤混合。土壤药剂混合物在混合机内完成破碎、混合后，混合物从下部出料口流至单托辊皮带输送机上完成出料。整机配有PLC控制系统及变频调速装置，PLC实时采集、处理、保存皮带秤污染土壤以及药剂加注机的各项数据，并把数据实时传递给后台计算机，通过计算，再通过变频调速装置及时调整药剂加注机减速电机输出轴转速，保证药剂投加量与污染土壤量的适配，实现精准计量投加。

公司采购部、生产部全力配合，保质保量地完成了设备的制作和安装，整套设备具有以下创新点。

①土壤和药剂充分混合均匀。在混合机内部设置两组切削轮、两组混合轮四级纵向错位排布，切削轮高速旋转时，既能切削污染物、杂草、绳头等，又能对物料进行搅拌、混合，使物料混合更充分、更均匀。

②污染土壤与修复药剂的精确计量和投加。PLC控制系统及变频调速，保证药剂的精确计量。粉状药剂加注机采用进料口、出料口竖向错位排布，上、下拨叉旋转，出料器设有容积式分料盘，均匀布料从出料孔内卸出，实现药剂的均匀投加。

③所有设备集成在一个可移动平台上，占地面积小，可连续化作業，自动化程度高。

4 结语

针对重金属污染地块治理修复技术、装备主要问题和实际情况，研发了两种复配的修复药剂，实验室效果良好。重金属污染土壤修复成套装备集进料、定量加药、混合搅拌、除尘、自动出料等功能于一体，具有连续化作业、物料混合均匀、设备相对密闭、自动化程度高等优点，完成了单机试运转和改进。总结阶段性成果，优化药剂配方，完善设备运行参数，提高设备的稳定性，制定重金属污染地块修复技术方案，建立修复工程典型示范区，尽快开展大规模工程化应用是今后工作的重点。

参考文献：

[1]诸毅，宋立杰，黄攀攀，等.重金属污染土壤异位修复施工技术及设备发展[J].广州化工，2017（19）：16-19.

[2]林志坚，毕薇.重金属污染土壤固化/稳定化修复技术及设备研究进展[J].广东化工，2016（14）：119-120.

[3].蒋忠.异位污染土壤修复设备关键部件设计分析及送料控制策略的研究[D].上海：华东理工大学，2015.