一种铜镉重金属污染场地能源植物生态拦截净化修复系统及方法

摘要

本发明公开了一种铜镉重金属污染场地能源植物生态拦截净化修复系统，包括围设于污染场地外围的隔离墙体、布设于污染场地内的多个液体钝化剂加注模块和种植于污染场地上的能源植物，液体钝化剂加注模块用于将液体钝化剂均匀添加于污染场地的土壤内，能源植物种植于污染场地的土壤中并进行栽培管理，当能源植物生长至成熟期后，将能源植物地上部分进行收割或将能源植物整体从污染土壤中移走。还公开了该系统的工作方法。充分发挥了污染土地的正常生态和经济功能，实现重金属污染土地的高值化利用，利用重金属污染土地大力发展能源植物，既可有效修复土壤重金属污染，又可截断重金属进入食物链的途径，保障食品安全。

说明书

技术领域

本发明涉及重金属污染场地修复技术领域，尤其涉及一种铜镉重金属污染场地能源植物生态拦截净化修复系统及方法。

背景技术

进行矿业开采的地区，开矿最主要的“副产品”是形成大量的尾矿库，最终形成受重金属污染的废弃地。这些尾矿库因其规模较小、分散性较大、堤坝高度较低，极可能是造成周边农田土壤重金属污染的主要源头，存在较大的安全隐患，对农产品质量安全、生态安全、人类生存发展等有着重大影响。

由于重金属不可能通过生物降解途径消除，主要通过缓慢释放到环境完成土壤自净作用，而在此过程释放出来的重金属对地表、地下水体或周边土壤都可能造成一定量的不利影响。

如何有效预防尾矿库重金属污染、消除对周边农田土壤潜在生态风险、改善尾矿库区立地生存环境、加速尾矿库土壤自净修复进程是亟需解决的技术问题。围堰筑坝是目前实际操作过程中将重金属污染源控制在局部区域的通用措施，然而此类方法治标不治本。

发明内容

本发明实施例提供一种铜镉重金属污染场地能源植物生态拦截净化修复系统及方法，用以更好地预防尾矿库重金属污染、消减对周边环境潜在生态风险、截断重金属进入食物链的途径、改善尾矿库区立地生存环境、加速尾矿库土壤自净修复进程。

为了实现上述发明目的，本发明实施例第一方面提供了一种铜镉重金属污染场地能源植物生态拦截净化修复系统，包括围设于污染场地外围的隔离墙体、布设于污染场地内的多个液体钝化剂加注模块和种植于污染场地上的能源植物，液体钝化剂加注模块用于将液体钝化剂均匀添加于污染场地的土壤内，能源植物种植于污染场地的土壤中并进行栽培管理，当能源植物生长至成熟期后，将能源植物地上部分进行收割或将能源植物整体从污染土壤中移走。

收获的能源植物结合油脂转化和成型燃料制备技术，进行利用。

所述的能源植物包括油料能源植物和纤维素类能源植物，所述的源植物包括油桐、蓖麻、山苍子和白檀中的一种或多种，所述的纤维素类能源植物包括刺槐、苦楝和构树中的一种或多种。

可选的，所述的污染场地的土壤中还种植有乔木植物、灌木植物和草本植物中的一种或多种植物，如土荆芥、荨麻、商陆、油菜、栾树、构树、臭椿、泡桐等。通过乔木植物、灌木植物和草本植物中的一种或多种植物与能源植物，进行多品种配置，减少裸露土壤面积，提高单位面积的生物量，强化植物修复重金属污染土壤的效果。

优选的，所述的液体钝化剂加注模块根据污染场地内的污染物分布位置对应设置。即在污染物含量高的区域增大液体钝化剂加注模块的布设密度，在污染物含量低的区域减小液体钝化剂加注模块的布设密度；当污染物含量分布较为均匀时，液体钝化剂加注模块也均匀分布。

所述的改良模块包括至少一个液体钝化剂注入井和多个沿周向均匀布设于液体钝化剂注入井外围的抽风井，所述的液体钝化剂注入井包括置于污染场地地下的第一井管，所述的第一井管具有顶部开口的第一内腔，第一井管的顶部设置有密封所述开口的第一盖板，第一井管的管壁上均匀布设有多个喷液口，喷液口一端连通第一井管的外部，喷液口的另一端连接用于输送液体钝化剂的第一管道，第一管道穿过第一盖板并连接液体钝化剂泵送装置，第一井管的管壁上还均匀布设有多个第一通风孔，第一通风孔连通第一内腔与第一井管的外部，所述的第一盖板上设置有连通第一内腔的进风管，进风管通过管路连接鼓风装置，

所述的抽风井包括置于污染场地地下的第二井管，所述的第二井管具有顶部开口的第二内腔，第二井管的顶部设置有密封所述开口的第二盖板，第二井管上设置有多个第二通风孔，第二通风孔连通第二内腔与第二井管的外部，所述的第二盖板上设置有连通第二内腔的抽风管，抽风管通过管路连接抽风装置。

优选的，所述的第一通风孔内均安装有筛网。

优选的，所述的第二通风孔内均安装有筛网。进一步优选的，所述的每个第二通风孔均安装有一个封闭该第二通风孔的电控阀门。可选的，所述的电控阀门包括阀门本体和驱动液压缸，阀门本体通过转轴旋转安装于第二井管的内壁，驱动液压缸的末端铰接于第二井管的内壁，驱动液压缸的活塞杆的端部铰接于阀门本体，通过驱动液压缸的活塞杆的伸出和收回，驱动阀门本体绕转轴旋转，并实现阀门本体的关闭和打开。阀门本体关闭时，阀门本体封闭其对应的第二通风孔，当阀门本体打开时，阀门本体敞开其对应的第二通风孔。

进一步优选的，位于所述第一井管与各所述第二井管之间的污染场地的地下均设置有用于检测液体钝化剂在各深度的扩散情况的检测装置。所述的系统还包括控制器，各检测装置及各电控阀门均分别与控制器电性连接。控制器根据接收检测装置传输的信号，判断液体钝化剂在地下各方位、各深度的扩散情况，对于扩散效果不佳的方位和深度，控制器控制相应方位的第二井管内，仅保持扩散效果不佳的深度的电控阀门保持打开状态、并关闭该第二井管内其他深度的电控阀门，从而增大该方位、该深度的通气量，进而促进该方位、该深度的液体钝化剂的扩散，提升液体钝化剂均匀扩散、扩散充分的效果。

优选的，所述的检测装置位于靠近第二井管的位置处。可选的，所述的检测装置为多个埋设于不同深度的湿度传感器。

优选的，述的第二通风孔均位于第二井管靠近第一井管的一侧。

可选的，所述的系统包括至少两个改良模块，任意两个相邻的改良模块之间为紧邻设置或间隔设置，当两个相邻的改良模块紧邻设置时，该两个相邻的改良模块共用一个或多个抽风井，所述共用的抽风井的第二井管在靠近所述两个相邻的改良模块的第一井管的侧面均设置有第二通风孔。

本发明实施例另一方面提供了一种所述的系统的工作方法，包括以下步骤：

S1、在污染场地设置多个改良模块，即在污染场地钻设用于安装液体钝化剂注入井的第一井孔和多个沿周向均匀布设于第一井孔外围、用于安装抽风井的第二井孔，将液体钝化剂注入井设置于第一井孔内，将抽风井设置于第二井孔内，并在第一井管与各所述第二井管之间的污染场地的地下均设置有用于检测液体钝化剂在各深度的扩散情况的检测装置；

S2、将液体钝化剂注入井的第一管道连接液体钝化剂泵送装置、进风管通过管路连接鼓风装置，将抽风井的抽风管通过管路连接抽风装置，将各检测装置及各电控阀门均分别与控制器电性连接；

S3、开启液体钝化剂泵送装置，液体钝化剂通过第一管道经各喷液口喷射入污染场地土壤内，同时鼓风装置和抽风装置开始工作，鼓风装置鼓吹的气流经第一通风孔鼓吹入污染场地土壤内，抽风装置通过第二通风孔将土壤的气体抽离，从而形成的从第一通风孔向第二通风孔的定向气流，促进土壤内液体钝化剂的均匀扩散；

S4、控制器根据接收检测装置传输的信号，判断液体钝化剂在地下各方位、各深度的扩散情况，对于扩散效果不佳的方位和深度，控制器控制相应方位的第二井管内，仅保持扩散效果不佳的深度的电控阀门保持打开状态、并关闭该第二井管内其他深度的电控阀门，从而增大该方位、该深度的通气量，进而促进该方位、该深度的液体钝化剂的扩散；

S5、将能源植物种植于污染场地的土壤中并进行栽培管理，当能源植物生长至成熟期后，将能源植物地上部分进行收割或将能源植物整体从污染土壤中移走。

本发明实施例中的一个或者多个技术方案，至少具有如下技术效果或者优点：

本发明以能源植物为主要建群物种，搭配乔、灌、草本植物，并结合油脂转化和成型燃料制备技术，构建了重金属污染土地持续修复和能源化利用技术模式，充分发挥了污染土地的正常生态和经济功能，实现重金属污染土地的高值化利用。利用重金属污染土地大力发展能源植物，代替粮油果生产，既可有效修复土壤重金属污染，又可截断重金属进入食物链的途径，保障食品安全。

环境友好、无二次污染、对土壤结构不产生破坏，还能改善土壤生态、减少水土流失、增加碳固定等。利用能源植物修复不仅可提升土壤吸附、固定、汇集重金属污染物的能力，降低重金属污染物的扩散性，改善生态环境，同时还可以持续提供大量的生物质能源，对促进我国生物质能源产业的发展具有重要的意义。

本发明能够迅速修复污染区植被与景观，提高植被覆盖率，丰富生物多样性，提高土地与植物资源利用价值。采用生态拦截净化技术，有效阻隔重金属污染扩散，净化污染区地表径流与土壤渗漏液，保护尾矿库周边生态环境。

通过土壤钝化、表土覆盖和植被修复措施进行风险管控和生态景观修复。目标是污染区根际土壤改良、生态-经济型植物群落构建。本发明技术模式的建设、运行和维护管理成本低，无能耗；植被与景观修复快、经济与景观生态学价值高；生态拦截净化功能强，可降低污染区水土流失量90％以上，出水水质可达到国家有关标准；适用面广，可用于矿区、工业区大面积重金属污染环境的治理。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的改良模块的结构示意图；

图3为液体钝化剂注入井的结构示意图；

图4为图2的局部放大结构示意图；

图5为抽风井的结构示意图；

图6为电控阀门的结构示意图；

图7为两个相邻的改良模块共用两个抽风井的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种铜镉重金属污染场地能源植物生态拦截净化修复系统，如图1所示，包括围设于污染场地外围的隔离墙体200、布设于污染场地内的多个液体钝化剂加注模块100和种植于污染场地上的能源植物，液体钝化剂加注模块100用于将液体钝化剂均匀添加于污染场地的土壤内，能源植物种植于污染场地的土壤中并进行栽培管理，当能源植物生长至成熟期后，将能源植物地上部分进行收割或将能源植物整体从污染土壤中移走。

收获的能源植物结合油脂转化和成型燃料制备技术，进行利用。

所述的能源植物包括油料能源植物和纤维素类能源植物，所述的源植物包括油桐、蓖麻、山苍子和白檀中的一种或多种，所述的纤维素类能源植物包括刺槐、苦楝和构树中的一种或多种。

可选的，所述的污染场地的土壤中还种植有乔木植物、灌木植物和草本植物中的一种或多种植物，如土荆芥、荨麻、商陆、油菜、栾树、构树、臭椿、泡桐等。通过乔木植物、灌木植物和草本植物中的一种或多种植物与能源植物，进行多品种配置，减少裸露土壤面积，提高单位面积的生物量，强化植物修复重金属污染土壤的效果。

优选的，所述的液体钝化剂加注模块100根据污染场地内的污染物分布位置对应设置。即在污染物含量高的区域增大液体钝化剂加注模块100的布设密度，在污染物含量低的区域减小液体钝化剂加注模块100的布设密度；当污染物含量分布较为均匀时，液体钝化剂加注模块100也均匀分布。

如图2所示，所述的液体钝化剂加注模块100包括至少一个液体钝化剂注入井1和多个沿周向均匀布设于液体钝化剂注入井1外围的抽风井2，如图3、图4所示，所述的液体钝化剂注入井1包括置于污染场地地下的第一井管11，所述的第一井管11具有顶部开口的第一内腔，第一井管11的顶部设置有密封所述开口的第一盖板12，第一井管11的管壁上均匀布设有多个喷液口13，喷液口13一端连通第一井管11的外部，喷液口13的另一端连接用于输送液体钝化剂的第一管道14，第一管道14穿过第一盖板12并连接液体钝化剂泵送装置，第一井管11的管壁上还均匀布设有多个第一通风孔15，第一通风孔15连通第一内腔与第一井管11的外部，所述的第一盖板12上设置有连通第一内腔的进风管16，进风管16通过管路连接鼓风装置，

如图5所示，所述的抽风井2包括置于污染场地地下的第二井管21，所述的第二井管21具有顶部开口的第二内腔，第二井管21的顶部设置有密封所述开口的第二盖板22，第二井管21上设置有多个第二通风孔23，第二通风孔23连通第二内腔与第二井管21的外部，所述的第二盖板22上设置有连通第二内腔的抽风管24，抽风管24通过管路连接抽风装置。

优选的，所述的第一通风孔15内均安装有筛网。

优选的，所述的第二通风孔23内均安装有筛网。进一步优选的，所述的每个第二通风孔23均安装有一个封闭该第二通风孔23的电控阀门。可选的，如图6所示，所述的电控阀门包括阀门本体25和驱动液压缸26，阀门本体25通过转轴旋转安装于第二井管21的内壁，驱动液压缸26的末端铰接于第二井管21的内壁，驱动液压缸26的活塞杆的端部铰接于阀门本体25，通过驱动液压缸26的活塞杆的伸出和收回，驱动阀门本体25绕转轴旋转，并实现阀门本体25的关闭和打开。阀门本体25关闭时，阀门本体25封闭其对应的第二通风孔23，当阀门本体25打开时，阀门本体25敞开其对应的第二通风孔23。

进一步优选的，位于所述第一井管11与各所述第二井管21之间的污染场地的地下均设置有用于检测液体钝化剂在各深度的扩散情况的检测装置3。所述的系统还包括控制器，各检测装置3及各电控阀门均分别与控制器电性连接。控制器根据接收检测装置3传输的信号，判断液体钝化剂在地下各方位、各深度的扩散情况，对于扩散效果不佳的方位和深度，控制器控制相应方位的第二井管21内，仅保持扩散效果不佳的深度的电控阀门保持打开状态、并关闭该第二井管21内其他深度的电控阀门，从而增大该方位、该深度的通气量，进而促进该方位、该深度的液体钝化剂的扩散，提升液体钝化剂均匀扩散、扩散充分的效果。

优选的，所述的检测装置3位于靠近第二井管21的位置处。可选的，所述的检测装置3为多个埋设于不同深度的湿度传感器。

优选的，述的第二通风孔23均位于第二井管21靠近第一井管11的一侧。

可选的，所述的系统包括至少两个液体钝化剂加注模块100，任意两个相邻的液体钝化剂加注模块100之间为紧邻设置或间隔设置，当两个相邻的液体钝化剂加注模块100紧邻设置时，该两个相邻的液体钝化剂加注模块100共用一个或多个抽风井2，如图7所示，所述共用的抽风井2的第二井管21在靠近所述两个相邻的液体钝化剂加注模块100的第一井管11的侧面均设置有第二通风孔23。

本发明实施例另一方面提供了一种所述的系统的工作方法，包括以下步骤：

S1、在污染场地设置多个液体钝化剂加注模块100，即在污染场地钻设用于安装液体钝化剂注入井1的第一井孔和多个沿周向均匀布设于第一井孔外围、用于安装抽风井2的第二井孔，将液体钝化剂注入井1设置于第一井孔内，将抽风井2设置于第二井孔内，并在第一井管11与各所述第二井管21之间的污染场地的地下均设置有用于检测液体钝化剂在各深度的扩散情况的检测装置3；

S2、将液体钝化剂注入井1的第一管道14连接液体钝化剂泵送装置、进风管16通过管路连接鼓风装置，将抽风井2的抽风管24通过管路连接抽风装置，将各检测装置3及各电控阀门均分别与控制器电性连接；

S3、开启液体钝化剂泵送装置，液体钝化剂通过第一管道14经各喷液口13喷射入污染场地土壤内，同时鼓风装置和抽风装置开始工作，鼓风装置鼓吹的气流经第一通风孔15鼓吹入污染场地土壤内，抽风装置通过第二通风孔23将土壤的气体抽离，从而形成的从第一通风孔15向第二通风孔23的定向气流，促进土壤内液体钝化剂的均匀扩散；

S4、控制器根据接收检测装置3传输的信号，判断液体钝化剂在地下各方位、各深度的扩散情况，对于扩散效果不佳的方位和深度，控制器控制相应方位的第二井管21内，仅保持扩散效果不佳的深度的电控阀门保持打开状态、并关闭该第二井管21内其他深度的电控阀门，从而增大该方位、该深度的通气量，进而促进该方位、该深度的液体钝化剂的扩散；

S5、将能源植物种植于污染场地的土壤中并进行栽培管理，当能源植物生长至成熟期后，将能源植物地上部分进行收割或将能源植物整体从污染土壤中移走。

应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”或“包括”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序，可将这些单词解释为名称。

本发明实施例中的一个或者多个技术方案，至少具有如下技术效果或者优点：

通过土壤钝化、表土覆盖和植被修复措施进行风险管控和生态景观修复。目标是污染区根际土壤改良、生态-经济型植物群落构建。本发明技术模式的建设、运行和维护管理成本低，无能耗；植被与景观修复快、经济与景观生态学价值高；生态拦截净化功能强，可降低污染区水土流失量90％以上，出水水质可达到国家有关标准；适用面广，可用于矿区、工业区大面积重金属污染环境的治理。

本发明通过定向气流来促进液体钝化剂的均匀扩散，提高液体钝化剂的扩散效率，提升重金属污染物的钝化效率，进而提高土壤改良效率。本发明恢复了土壤正常的生态功能，实现污染地的安全利用。

本说明书中公开的所有特征，除了互相排斥的特征，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。