CN105170626B - 微波辅助化学淋洗修复重金属污染场地土壤的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了微波辅助化学淋洗修复重金属污染场地土壤的装置及方法，该装置包括淋洗剂储槽、高速搅拌土水混合装置、第一提升泵、传动式微波强化反应集成系统、沉淀池、泥水分离系统、淋洗液回收槽、第二提升泵和淋洗液净化再生装置。将原位破碎筛分过的污染土壤、淋洗剂加入到高速搅拌混合装置搅拌均匀后，开启传动式微波反应集成系统，进行微波淋洗，重金属在微波作用下，将会在短时间内从土壤中去除，随着传送带运输，反应完成的泥水混合液直接倒入沉淀池，沉淀池中的上层清液直接进入淋洗液回收槽，沉淀泥浆经过泥水分离系统，分离后的液体进入淋洗液回收槽，土壤修复达标后回填。将回收的淋洗液进行过滤净化、再生和循环再利用。
Description
技术领域
本发明涉及环境保护中的土壤修复装置及方法领域，具体涉及一种微波辅助化学淋洗修复重金属污染场地土壤的装置及方法。
背景技术
随着工业生产规模地不断扩大，产业结构调整地深入推进，大量工业企业被关停并转、破产或搬迁，遗留的重金属污染场地作为城市建设用地被再次开发利用，再加上农业生中大量使用含有重金属的化肥农药以及污水灌溉、污泥农用等，重金属土壤污染面积不断扩大，土壤重金属污染已成为备受关注的全球性环境问题之一。
土壤重金属污染具有长期性、隐蔽性和不可逆性的特点，直接或间接地污染地下水、空气，危害农作物等生物，危及人类的健康和生命。污染土壤修复方法与技术的研究起步于20世纪70年代后期,经过30多年全球范围的研究与应用,得到了快速发展,逐渐形成了物理修复、化学修复、生物修复以及联合修复方法与技术体系。土壤淋洗修复技术是一种物理化学修复技术，可以将污染物从土壤中去除而转移到淋洗液中，从而完成土壤修复。该技术可以实现污染物的减量化和无害化转化。但是传统淋洗修复技术所用修复周期较长，修复效率相对较低，而且对污染土壤的淋洗修复程度不均匀。
那么如何进一步缩短淋洗修复时间，减少修复的周期，是土壤淋洗修复技术的最新研究方向。与传统污染土壤淋洗修复技术相比，微波辅助淋洗修复技术是指整个化学淋洗过程在完全密闭的微波环境中进行，利用微波的能量辅助化学淋洗过程，这不仅可以提高土壤中重金属的淋洗去除率，还可大大缩短淋洗修复时间，提高淋洗效率。近年来，微波作为一种常用的辅助能量，已经被引入到环境样品中的重金属形态分析。专利申请2013100493540：一种微波辅助化学淋洗修复重金属污染场地土壤的方法公开了一种利用淋洗剂EDDS微波辅助化学淋洗铅、锌、镉污染土壤的方法，发现微波辅助化学淋洗相对于传统淋洗修复技术可以对重金属提高10％—50％的修复效率，同时淋洗修复时间由传统的数小时缩短到十分钟左右。Kuo[Kuo C Y,Wu C H,Lo S L.2005.Removal of copper fromindustrial sludge by traditional and microwave acid extraction.Journal ofHazardous Materials.120(1-3):249-256.]研究对比了传统方法与微波作用下不同酸去除工业污泥中的铜的效率，发现在一定功率、作用时间下，微波可以提高酸对污泥中铜的去除率。Xue[Xue J,Wang W,Wang Q H,et al.2010.Removal of heavy metals formunicipal solid waste incineration(MSWI)fly ash by traditional and microwaveacid extraction Journal of Chemical Technology and Biotechnology.85(9):1268-1277].等通过研究提出微波辐射可加速市政固体废物焚烧灰烬中有毒重金属Zn、Pb、Cu、Cr的溶解，缩短处理时间，提高重金属去除效率。国内的土壤淋洗技术近年来也有所发展，但是与国际上还有一定的差距，尚未形成规模化的成套淋洗装置。2014年南京大学刘志超在移动式物理强化土壤修复技术的设备化研究与应用中介绍了一台微波辅助化学淋洗修复重金属污染场地土壤的设备装置，该设备包括依次相连的储水槽和淋洗剂储槽、土水混合和淋洗搅拌设备、高速搅拌与微波强化反应集成系统、沉淀池、泥水分离系统、淋洗液回收槽、淋洗液过滤净化装置和淋洗液再生装置，各装置间以提升泵、不锈钢管或软管连接。并预测该装置可以实现污染土壤重金属的高效去除，但是没有该装置实施的案列。由于该装置设计了两次搅拌混匀装置，能耗高；而且需要微波淋洗装置间歇式运行，自动化程度较低，难以实现修复工程的大规模应用。本发明在该装置基础上做了改进，设计一次搅拌混匀装置，采用传送式微波强化淋洗装置，实现了整套装置自动化运行，快速高效地去除土壤中重金属。
发明内容
1、发明要解决的技术问题
针对上述存在的问题，本发明的目的是在于提供一种能作为工程应用规模的经济、可行的微波辅助化学淋洗修复重金属污染场地土壤的装置及方法，其可自动化进行微波辅助淋洗修复重金属污染土壤，实现了快速、高效修复重金属污染场地土壤的目的，且淋洗液可回收再利用，稳定性高，二次污染风险小，修复成本相对较低。
2、技术方案
为达此目的，本发明所采用的技术方案是：
一种微波辅助化学淋洗修复重金属污染场地土壤的装置，包括淋洗剂储槽、高速搅拌土水混合装置、第一提升泵、传动式微波强化反应集成系统、沉淀池、泥水分离系统、淋洗液回收槽、第二提升泵和淋洗液净化再生装置；所述淋洗剂储槽与高速搅拌土水混合装置、提升泵一、传动式微波强化淋洗系统、沉淀池依次相连，沉淀池与泥水分离系统、淋洗液回收槽分别连接，泥水分离系统与淋洗液回收槽、第二提升泵、淋洗液净化再生装置、淋洗剂储槽依次连接。
本发明的传动式微波强化淋洗系统由传动系统和微波系统构成，微波系统的微波功率在0-10KW之间。传动系统由传动轴、传送带和安装在传动带上的微波反应单元盒组成；微波系统由微波反应罩和微波功率源组成。
本发明的淋洗液净化再生装置包括多级滤网过滤装置和离子交换树脂装置。
本发明的淋洗修复装置各部件之间通过钢管或软管连接。
本发明的高速搅拌土水混合装置由碳钢制成，厚度为4mm，内径为1000mm，高为1500mm；高速搅拌土水混合装置搅拌机的转速为300转/每分钟。
本发明的传动轴、传送带和微波反应单元盒均为聚丙烯材质，传送带宽300mm，厚16mm，微波反应单元盒上端开口，长宽高均为200mm；所述微波反应罩为不锈钢材质，厚度1mm，长5000mm，高和宽均为400mm；微波功率源型号为MY10S-3。
一种通过上述装置进行微波辅助化学淋洗修复重金属污染场地土壤的方法，包括以下步骤：
步骤一：将已经原位破碎筛分过的重金属污染土壤加入到高速搅拌土水混合装置，同时将淋洗剂储槽内混合均匀的淋洗剂加入高速搅拌土水混合装置由搅拌电机通过转轴带动搅拌桨叶进行搅拌操作；
步骤二：开启微波功率源，然后将充分混合后的泥浆由第一提升泵输送至传动式微波强化反应集成系统中，此时电机带动传动轴将泥浆装入微波反应单元盒，通过传送带进入微波反应罩。泥浆在传送带输送下边进行微波淋洗反应，边向前移动。至微波反应罩出口处反应完全，该过程为10-30min；
步骤三：关闭微波装置，通过传送带将微波反应单元盒内的泥浆倒入沉淀池中；
步骤四：电机带动传送带将微波反应单元盒内的泥浆倒入沉淀池中，完成一个微波淋洗循环；
步骤五：固液分离后的淋洗液送入淋洗液回收槽，在第二提升泵的作用下，回收的淋洗液通过淋洗液净化再生装置进行过滤净化和再生，最终汇入淋洗剂储槽，实现淋洗液的循环再利用。
3、有益效果：
相比较现有技术，本发明的有益效果如下
1)本发明不仅实现了微波辅助化学淋洗修复污染土壤的自动化，而且减少了原料和人工投入，大大缩短了修复周期，提高了修复效率，可应用于重金属污染场地土壤修复工程项目。
2)本发明的淋洗液净化再生装置，先是多级滤网过滤，有效过滤掉淋洗液中的杂质，过滤后的淋洗液通过离子交换树脂装置，可将淋洗剂结合的重金属物质置换出来，实现淋洗剂和污染物的分离，淋洗液得到净化再生，可循环利用。
3)本发明装置的运行时间、微波功率、传动速度和时间、淋洗剂的选择以及水土比等参数均可调整，有利于在实践中针对不同污染程度和类型的的土壤进行处理方案的调整，从而达到最佳处理效果。
附图说明
图1为本发明重金属污染场地土壤的修复装置的结构示意图。
图2为本发明装置对铅砷污染土壤的去除效果图。
图中，1、淋洗剂储槽；2、高速搅拌土水混合装置；31、第一提升泵；4、传动式微波强化反应集成系统；41、传动轴；42、传送带；43、微波反应单元盒；44、微波反应罩；45、微波功率源；5、沉淀池；6、泥水分离系统；7、淋洗液回收槽；32、第二提升泵；8、淋洗液净化再生装置。
具体实施方式
为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，本发明的典型但非限制性的实施例如下：
实施例：
微波辅助化学淋洗修复重金属污染场地土壤的装置由淋洗剂储槽1、高速搅拌土水混合装置2、第一提升泵31、传动式微波强化反应集成系统4(包括传动轴41、传送带42、微波反应单元盒43、微波反应罩44、微波功率源45)、沉淀池5、泥水分离系统6、淋洗液回收槽7、第二提升泵32和淋洗液净化再生装置8组成；其中，淋洗剂储槽1与高速搅拌土水混合装置2、第一提升泵31、传动式微波强化反应集成系统4、沉淀池5依次相连，沉淀池5与泥水分离系统6、淋洗液回收槽7分别连接，泥水分离系统6与淋洗液回收槽7、第二提升泵32、淋洗液净化再生装置8、淋洗剂储槽1依次连接。各装置间以提升泵、不锈钢管或软管连接。
其中高速搅拌土水混合装置2所用材质为碳钢，厚度为4mm，内径为1000mm，高为1500mm。搅拌机转速300转/每分钟。传动轴41、传送带42和微波反应单元盒43均为聚丙烯材质，传送带42宽300mm，厚16mm，微波反应单元盒上端开口，长宽高均为200mm；所述微波反应罩44为不锈钢材质，厚度1mm，长5000mm，高和宽均为400mm；微波功率源45型号为MY10S-3。总微波功率在0-10KW之间，可以适用不同功率要求。沉淀池5为PE材质，通过软管与淋洗液回收槽7联通，上层清液可直接转至淋洗液回收槽，减轻泥水分离装置负担，提高泥水分离效率。
重金属污染土壤首先经过原位破碎筛分，然后加入到高速搅拌土水混合装置2，同时将淋洗剂储槽1内混合均匀的淋洗剂加入高速搅拌土水混合装置2由搅拌电机通过转轴带动搅拌桨叶进行搅拌操作；充分混合后的泥浆由第一提升泵31输送传动式微波强化反应集成系统4中，此时转动传动轴41，将泥浆装入微波反应单元盒43，通过传送带42进入微波反应罩44，开启微波功率源45，进行微波作业，反应时间10-30min。完成一次微波淋洗循环，通过传送带42将微波反应单元盒43内泥浆倒入沉淀池5中；沉淀后的上层清液直接由上层清液出口进入淋洗液回收槽7，沉淀池5底部的泥浆进入泥水分离系统6进行泥水分离；固液分离后的淋洗液送入淋洗液回收槽7，在第二提升泵32的作用下，回收的淋洗液通过淋洗液净化再生装置8进行过滤净化和再生，最终汇入淋洗剂储槽1，实现淋洗液的循环再利用。经过微波辅助淋洗处理后土壤的重金属符合相关标准，经泥水分离后的土壤可以回填，至此即完成整个土壤修复过程。整个修复装置为自动化控制装置，可根据实际情况，自行控制搅拌装置和微波装置的开启、关闭，并可自行设定工作时间。
取江苏省某重金属污染企业的污染土壤为例，样品土壤中主要污染物为铅和砷，铅的浓度4833.21mg/kg，砷浓度78.21mg/kg。试验探究不同微波辅助淋洗时间对土壤中重金属铅和砷去除效率效率的影响。
实验条件，水土比5:1，微波功率10KW，淋洗剂与重金属摩尔比为2。采用自动控制装置控制高速搅拌土水混合装置以及微波装置的运行，在不同的反应时间分别取样检测重金属含量。分析结果表明微波辅助淋洗可以高效快速地去除土壤中的重金属铅和砷，图2为微波辅助化学淋洗对铅砷污染土壤去除效果。从图中可以发现在30分钟内随着反应时间的增加去除效率增大，当微波淋洗30分钟时候对铅的去除效率70.4％，对砷的去除效果达到60.5％。说明该微波辅助化学淋洗修复装置可以实现对土壤中重金属的高效，快速，自动化去除。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征以及修复方法，但本发明并不局限于上述详细结构特征以及修复方法，即不意味着本发明依赖上述详细结构特征以及修复方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本发明要求的保护范围。
Claims (6)
1.一种微波辅助化学淋洗修复重金属污染场地土壤的装置，包括淋洗剂储槽(1)、高速搅拌土水混合装置(2)、第一提升泵(31)、沉淀池(5)、泥水分离系统(6)、淋洗液回收槽(7)和淋洗液净化再生装置(8)；其特征在于：所述装置还包括传动式微波强化反应集成系统(4)，所述传动式微波强化反应集成系统(4)由传动系统和微波系统构成，微波系统的微波功率在0-10KW之间，传动系统由传动轴(41)、传送带(42)和安装在传送带上的微波反应单元盒(43)组成；微波系统由微波反应罩(44)和微波功率源(45)组成；所述淋洗剂储槽(1)与高速搅拌土水混合装置(2)、第一提升泵(31)、传动式微波强化反应集成系统(4)、沉淀池(5)依次相连，沉淀池(5)与泥水分离系统(6)、淋洗液回收槽(7)分别连接，泥水分离系统(6)与淋洗液回收槽(7)、淋洗液净化再生装置(8)、淋洗剂储槽(1)依次连接。
2.根据权利要求1所述的微波辅助化学淋洗修复重金属污染场地土壤的装置，其特征在于，所述淋洗液净化再生装置(8)包括依次相连的多级滤网过滤装置和离子交换树脂装置。
3.根据权利要求1所述的微波辅助化学淋洗修复重金属污染场地土壤的装置，其特征在于，所述微波辅助化学淋洗修复重金属污染场地土壤的装置各部件之间通过钢管或软管连接。
4.根据权利要求1所述的微波辅助化学淋洗修复重金属污染场地土壤的装置，其特征在于，所述高速搅拌土水混合装置(2)由碳钢制成，厚度为4mm，内径为1000mm，高为1500mm；高速搅拌土水混合装置(2)搅拌机的转速为300转/每分钟。
5.根据权利要求1所述的微波辅助化学淋洗修复重金属污染场地土壤的装置，其特征在于，所述传动轴(41)、传送带(42)和微波反应单元盒(43)均为聚丙烯材质，传送带(42)宽300mm，厚16mm，微波反应单元盒(43)上端开口，长宽高均为200mm；所述微波反应罩(44)为不锈钢材质，厚度1mm，长5000mm，高和宽均为400mm；微波功率源(45)型号为MY10S-3。
6.一种通过权利要求1-5任何一项所述的装置进行微波辅助化学淋洗修复重金属污染场地土壤的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤一：将已经原位破碎筛分过的重金属污染土壤加入到高速搅拌土水混合装置(2)，同时将淋洗剂储槽(1)内混合均匀的淋洗剂加入高速搅拌土水混合装置(2)由搅拌电机通过转轴带动搅拌桨叶进行搅拌操作；
步骤二：开启微波功率源(45)，然后将充分混合后的泥浆由第一提升泵(31)输送至传动式微波强化反应集成系统(4)中，此时电机带动传动轴(41)将泥浆装入微波反应单元盒(43)，通过传送带(42)进入微波反应罩(44)，泥浆在传送带(42)输送下边进行微波淋洗反应，边向前移动，至微波反应罩(44)出口处反应完全，该过程为10-30min；
步骤三：电机带动传送带(42)将微波反应单元盒(43)内的泥浆倒入沉淀池(5)中，完成一个微波淋洗循环；
步骤四：沉淀后的上层清液直接由上层清液出口进入淋洗液回收槽(7)，沉淀池(5)底部的泥浆进入泥水分离系统(6)进行泥水分离；
步骤五：固液分离后的淋洗液送入淋洗液回收槽(7)，在第二提升泵(32)的作用下，回收的淋洗液通过淋洗液净化再生装置(8)进行过滤净化和再生，最终汇入淋洗剂储槽(1)，实现淋洗液的循环再利用。
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