一种重金属污染土壤处理方法及实施该方法的装置

摘要

本发明公开了一种重金属污染土壤处理方法及实施该方法的装置，此重金属污染土壤处理方法及实施该方法的装置将被重金属污染的土壤通过有机螯合剂和水泥进行稳定化处理，并加入石灰后制成砖，可节省重金属污染土壤的处理成本，并将重金属污染土壤循环再利用，减少了土地资源的浪费，也避免了重金属污染土壤填埋对环境造成的再次污染，此发明用于污染治理领域。

说明书

技术领域

本发明涉及污染治理领域，特别是涉及一种重金属污染土壤处理方法及实施该方法的装置。

背景技术

土壤是人类赖以生存的主要自然资源之一，也是人类生态环境的重要组成部分。随着工业、城市污染的加剧和农用化学物质种类、数量的增加，土壤重金属污染日益严重。自2009年以来，我国已连续发生30多起特大重金属污染事件，包括湖南浏阳镉污染、中金岭南铊超标事件、四川内江铅污染事件、山东临沂砷污染、福建紫金矿业溃坝事件等。《中国环境发展报告(2012)》称，我国特大重金属污染事件平均每年发生10起。目前全国受污染的耕地约有1.5亿亩，合计约占耕地总面积的10%。全国每年因重金属污染的粮食达1200万吨，造成的直接经济损失超过200亿元。

土壤重金属污染是指生物毒性显著的铅、汞、铬、镉以及类金属砷，还包括具有毒性的重金属铜、镍、锌等污染物对土壤的污染。随着工业的发展，大量未加处理的含有重金属的废水、废渣和废气排入土壤环境，使土壤遭受不同程度的污染。土壤重金属污染具有污染物在土壤中移动性差、滞留时间长、不能被微生物降解的特点，并可经水、植物等介质最终影响人类健康。

近年来，污染土壤修复越来越受到关注。土壤修复根据修复的形式，可分为原位修复和异位修复两个类型。根据修复的方法和技术手段，可分为物理修复、化学修复、生物修复和联合修复四大类型。物理修复主要有物理分离修复、蒸汽浸提修复、固定稳定化修复、电动力修复和热力学修复。化学修复主要有化学淋洗修复、化学固定修复、化学氧化修复、化学还原修复和原位可渗透反应墙。生物修复技术可以分为微生物修复、植物修复、动物修复和生态修复四大类。

固化/稳定化（solidification/stabilization，S/S）技术是土壤修复最常用的技术，其中固化技术中污染土壤与黏结剂可以不发生化学反应，只是机械地将污染物固封在结构完整的固态产物中，隔离重金属与外界之间的联系，从而达到控制重金属迁移的目的。稳定化是指将污染物转化为不易溶解、迁移能力或毒性更小的形式来实现其无害化降低生态系统的风险。为了达到更好的治理效果，通常将两种技术联用，比如在固化之前，先对污染物进行稳定化处理。

固化剂可分为无机粘结剂、有机粘结剂、热硬化有机聚合物、玻璃质物质。由于技术和费用等方面的原因，水泥和石灰为常见固化剂；稳定化药剂可分为无机药剂和有机药剂，有机类药剂主要采用高分子作为螯合剂，主要有吡酪烷系、亚胺系、氨基甲酸系和二硫胺基系等，其作用原理是将重金属包容于分子内部，生成不溶性反应物，从而达到重金属稳定化目的。无机类药剂主要有石灰、石膏、漂白粉、硫化物（硫化钠、硫代硫酸钠）、磷酸盐、铁盐等物质，主要通过调节pH值、吸附、离子交换以及生成沉淀物等方法稳定重金属。

我国的污染土壤固化/稳定化研究比较滞后，大型的处置工程相对缺乏。

华中科技大学的祝玺研究了以磷酸盐及氢氧化钙为稳定化药剂对土壤中重金属的稳定化效果。将污染土壤与不同用量的磷酸盐和氢氧化钙混合，反应72h后，检测其中有效态的重金属含量。研究结果显示单一固定剂对土壤中重金属的稳定化效果较差。10%磷酸二氢钾和5%氢氧化钙的复合使用，可有效的将土壤中有效态Pb、Zn完全去除，对有效态Cd、Cu的去除率分别为29%和75%。土壤中有效磷含量为388mg/kg，pH为9.21。此外，研究还以大冶实际场地作为研究对象，在土壤中加入不同量的磷酸盐药剂，待药剂随雨水渗入土壤后，再在土壤表面撒上Ca(OH)2进行固定。结果显示采用0.33%磷酸二氢钾和0.33%氢氧化钙进行原位修复。土壤pH为7.31，有效态Pb和Cu含量分别降低了48.4 %和13.3 %，有效磷含量维持在16.1 mg/kg；花生产量基本保持不变，果实中的各重金属含量均略有下降。

永清环保发明了一种用于治理砷污染土壤的修复药剂及使用方法。修复药剂包含以下原料，其质量百分比为：氧化剂为5-30% ；铁基化合物为30-70%；矿物材料为10-60%；将各原料分别磨制成粒度不小于200目的物料，按比例混合均匀。修复药剂用于治理砷污染土壤的使用方法为：检测待处理污染土壤的砷含量及浸出毒性，按污染程度将不同比例的修复药剂铺设在待处理土壤表面，采用翻耕搅拌方式混合均匀形成成混合土壤，通过加水保持混合土壤的含水量不低于25%，在混合土壤上覆盖保湿材料，养护时间至少5 天，让混合土壤中的修复药剂与重金属污染土壤中不稳定的砷发生反应，以不溶性砷酸盐沉淀稳定化，养护后检测达到环保要求。

北京高能时代环境技术股份有限公司重金属污染土壤稳定化/固化处理工艺流程为：1）将土方从污染地挖掘装车运输至污泥稳定化处理中心的堆场等待处理，堆场底部须做防渗；2）以铲车将土壤送至进料斗，通过皮带输送机送至震动筛，采用振动筛将土壤中粒径大于50mm的石块和杂质分拣出来， 经过高压水冲洗后作为建材或地基材料外运使用；3）沙土由振动进料器定量进入强制式搅拌塔，加入调节水将土壤含水量在控制在60～65%范围内，同时加入稳定剂进行连续性搅拌；4）经强制搅拌混合后的土壤由搅拌机排出；5）搅拌均匀的稳定化土壤再由皮带输送机转移至土堆暂存区，再由铲车送至稳定堆场进行养护，保证稳定化反应彻底完成，养护完成后土壤水分可降至30%以下； 稳定堆场要求通风、防渗；6）稳定堆须经采样进行毒性浸出试验分析，确定达标后进行回填。

上述的重金属污染土壤固定稳定化修复多采用原位固化技术，此类技术可大大降低修复成本，但不是一个治本的措施，重金属仍滞留在土壤中，且对土壤破坏较重，如土壤中必需的营养元素也发生沉淀，导致微量元素缺乏，土壤破坏后一般不能恢复原始状态，不宜进一步利用，而且对其长期有效性和对生态系统的影响不甚了解，也缺乏这方面的研究。

现有的异位固定稳定化技术大多需要磨样、过筛和养护，都存在费时费力的缺点。此外，现有的异位固定稳定化技术最后都是将污染土壤与稳定化剂混合后堆放于稳定化堆场，最后进行填埋处理。这种方法对堆场的防渗要求较高，而且处理起来需要大量的人力物力，污染的土壤也没有得到利用。

另外，在稳定化药剂方面，采用无机固定剂进行土壤改良往往需要较大的施入量，在某些情况下，可能诱发新的环境问题。如磷灰石的大量施用会使土壤累积较多的磷，对周围水体造成潜在的威胁。在一些修复过程中由于土壤过度石灰化，会使土壤中重金属离子浓度长期升高并导致农作物减产。在土壤中添加沸石或沸石类似的硅酸盐物质，可导致土壤溶液中可溶性有机碳升高，最后是土壤中镉和锌的淋溶性加大。

有机材料因其对提高土壤肥力具有十分重要的意义，且取材方便、经济，因此在土壤重金属污染修复中得到了广泛应用。有机材料可能通过几种途径降低土壤重金属的有效性：提高土壤pH，增加土壤固相有机质对重金属的吸附；有机分解产物与重金属形成难溶性沉淀；水溶性有机物与重金属结合形成不易被植物吸收的形态等。

现有的研究中稳定化药剂中的有机螯合剂虽然能够达到处理效果，而且反应所需时间比较短，但其价格昂贵，单纯使用螯合剂修复污染土壤会导致处理成本较高，难以进行市场推广；同时采用有机螯合剂形成的重金属稳定化产物在长期的填埋过程中，存在氧化产生变质，进而存在失去稳定化效果的可能。

发明内容

    为解决上述问题，本发明提供一种处理效果好、反应时间短且能有效减少土地浪费的重金属污染土壤处理方法及实施该方法的装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种重金属污染土壤处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

1) 、将重金属污染土壤进行搅拌破碎，使重金属污染土壤均质化；

2) 、在均质化后的重金属污染土壤中加入为重金属污染土壤总质量10%～30%的有机螯合剂作稳定化药剂和30%～70%的水泥作固定剂，并和重金属污染土壤混合均匀；

3) 、将步骤2）中混合物搅拌到反应完全，反应时间为3～8分钟；

4) 、匀速加入相当于混合物总质量11%～17%的石灰；

5) 、将步骤4）中的混合物输入制砖机压成砖块形状。

进一步作为本发明技术方案的改进，步骤1）中通过采用并排的两个搅拌轴进行破碎搅拌。

进一步作为本发明技术方案的改进，步骤1）搅拌完成后，将混合物转输送至稳定化装置中进行步骤2）中的加料和反应过程。

进一步作为本发明技术方案的改进，有机螯合剂的投加比例为28%时，所述水泥固定剂的投加比例为35%，所述石灰的投加比例为15%。

进一步作为本发明技术方案的改进，有机螯合剂的投加比例为25%时，所述水泥固定剂的投加比例为42%，所述石灰的投加比例为15%。

进一步作为本发明技术方案的改进，有机螯合剂的投加比例为22%时，所述水泥固定剂的投加比例为49%，所述石灰的投加比例为15%。

进一步作为本发明技术方案的改进，有机螯合剂的投加比例为15%时，所述水泥固定剂的投加比例为64%，所述石灰的投加比例为15%。

进一步作为本发明技术方案的改进，有机螯合剂的投加比例为12%时，所述水泥固定剂的投加比例为69%，所述石灰的投加比例为15%。

一种实施上述重金属污染土壤处理方法的重金属污染土壤处理装置，包括通过传送带连接成生产线的搅拌破碎装置、稳定化装置和制砖装置，所述搅拌破碎装置和稳定化装置的下方均设有出料口，所述传送带分别设置于搅拌破碎装置和稳定化装置的出料口下方。

进一步作为本发明技术方案的改进，稳定化装置包括平行竖直设置的两料筒和分别设置于两所述料筒内的搅拌轴。 

本发明的有益效果：此重金属污染土壤处理方法及实施该方法的装置将被重金属污染的土壤通过有机螯合剂和水泥进行稳定化处理，并加入石灰后制成砖，可节省重金属污染土壤的处理成本，并将重金属污染土壤循环再利用，减少了土地资源的浪费，也避免了重金属污染土壤填埋对环境造成的再次污染。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1是本发明实施例装置整体结构示意图。

具体实施方式

参照图1，本发明为一种重金属污染土壤处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

1) 、将重金属污染土壤进行搅拌破碎，使重金属污染土壤均质化；

2) 、在均质化后的重金属污染土壤中加入为重金属污染土壤总质量10%～30%的有机螯合剂作稳定化药剂和30%～70%的水泥作固定剂，并和重金属污染土壤混合均匀；

3) 、将步骤2）中混合物搅拌到反应完全，反应时间为3～8分钟，最佳的反应时间选择为5分钟；

4) 、匀速加入相当于混合物总质量11%～17%的石灰；

5) 、将步骤4）中的混合物输入制砖机压成砖块形状。

一种实施上述重金属污染土壤处理方法的重金属污染土壤处理装置，包括通过传送带连接成生产线的搅拌破碎装置1、稳定化装置2和制砖装置3，所述搅拌破碎装置1和稳定化装置2的下方均设有出料口，所述传送带分别设置于搅拌破碎装置1和稳定化装置2的出料口下方。

此重金属污染土壤处理方法及实施该方法的装置将被重金属污染的土壤通过有机螯合剂和水泥进行稳定化处理，并加入石灰后制成砖，可节省重金属污染土壤的处理成本，并将重金属污染土壤循环再利用，减少了土地资源的浪费，也避免了重金属污染土壤填埋对环境造成的再次污染。

作为本发明优选的实施方式，步骤1）中通过采用并排的两个搅拌轴进行破碎搅拌。

作为本发明优选的实施方式，稳定化装置2包括平行竖直设置的两料筒和分别设置于两所述料筒内的搅拌轴。

作为本发明优选的实施方式，步骤1）搅拌完成后，将混合物转输送至稳定化装置中进行步骤2）中的加料和反应过程。

作为本发明优选的实施方式，有机螯合剂的投加比例为28%时，所述水泥固定剂的投加比例为35%，所述石灰的投加比例为15%。

作为本发明优选的实施方式，有机螯合剂的投加比例为25%时，所述水泥固定剂的投加比例为42%，所述石灰的投加比例为15%。

作为本发明优选的实施方式，有机螯合剂的投加比例为22%时，所述水泥固定剂的投加比例为49%，所述石灰的投加比例为15%。

作为本发明优选的实施方式，有机螯合剂的投加比例为15%时，所述水泥固定剂的投加比例为64%，所述石灰的投加比例为15%。

作为本发明优选的实施方式，有机螯合剂的投加比例为12%时，所述水泥固定剂的投加比例为69%，所述石灰的投加比例为15%。

有机螯合剂与飞灰、污泥、土壤等均匀混合即可将其中溶解性重金属，包括As、Cd、Pb、Cr、Cu、Hg、Zn、Se、及Ba等，以缠绕、编结等方式接触，并由于重金属与有机螯合剂之间更倾向于形成溶解度较低的稳定产物，所接触的重金属与药剂内阳离子发生取代反应，形成溶解度极低并无毒性的复合式矿物质。一旦复合式矿物质形成，即会产生热动力平衡效应而致使更多的接触金属为药剂所缠绕、编结，由此而产生更稳定的产物。

当作为稳定化药剂的有机螯合剂投入比例减少时，作为固定剂的水泥的投入比例需要增加，以保证重金属的固定效率，最终保证重金属的浸出削减率大部分在99%以上，减少重金属在环境中浸出，发生迁移的可能。

当然，本发明创造并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。