从细粒状土壤、粘土和粉砂中去除污染物的设备和方法

专利名称：从细粒状土壤、粘土和粉砂中去除污染物的设备和方法
技术领域：
本发明涉及用于从细粒状土壤、粘土粉砂和沉积物颗粒中有效地去除污染物的设备和方法。
图2是碰撞室的侧视图。
图3是碰撞室盖的俯视图。
图4是碰撞室上三分之一部分的局部剖视图。
图5是图2和4中示出的喷嘴和高压射流组件的详图。
在任何的生产制造区域都可以发现受污染的土壤。制造、使用或存储化学品或油料的公司经常会碰到例如储罐泄漏或在运输中遗洒等溢洒事件。使用地下储罐的服务站或其他设施经常在储罐的周围造成污染，因为在装罐的过程中会有一点泄漏或溢洒。
被溢洒所污染的土壤是许多不同大小的颗粒的组合体。受污染土壤颗粒的大小可以大至大石块，小至粒径非常小的细粉和粘土。
有关的环境清洁协议常常号召将污染土壤按大小分成不同的部分。这种分离的依据是尺寸较大的土壤颗粒更容易清洁。因此，使粒径大于约0.6毫米的颗粒与更小的颗粒分离。
一般采用本领域中已知的常规方式清洁较大的颗粒。污染土壤中粒径较小的部分被运往适当的储存和处置设施。
这种方法没有清洁所有的受污染的土壤颗粒。标准的做法只是将受污染的细颗粒部分转移到一个储存这种颗粒的设施而已。有时，污染土壤被作为有害废物处理。
粒径大于.063毫米的沙子、砂砾和石头比较容易清洁。较小的土壤颗粒更难以清洁，因此一般将这些颗粒从土壤中去除并作为有害的或特别的废物处理。因此，土壤清洁涉及减小污染土壤的总体积从较大的土壤颗粒上除去污染物和杂质，以及分离细颗粒以待处置。
用于运输和存储污染土壤和粘土的处理费用很高。用于这种污染土壤和粉砂的处置场所数量受到现有的适合这种处置的土地数量的限制。另外，由于希望将污染物保持在基本封闭的系统中，使污染物不能泄漏到邻近的地下水床中，这进一步限制了处置和存储的选择。
利用表面活性剂、加热或机械工艺如搅拌来清洁土壤中的较大颗粒是本领域熟知的技术。这些方法可以单独使用或组合使用，通过它们可以将污染物转移到清洗液中，后者可以用许多种方法得到进一步处理以除去或减少液体中的化学污染物。
土壤清洁(这里涉及沉积物、土壤、细粉、粘土和大颗粒的清洁)基于分离和优化针对特定颗粒大小范围的处理的原则。土壤清洁可以被应用到存在污染物的广泛的行业或项目中。
这些方法对于从直径小于约0.6毫米的颗粒上去除污染物是无效的。因此，熟知的从土壤或沉积物上去除污染物的技术只对较大的土壤颗粒有效。现有技术要求将受污染的土壤分成两个独立的物流，即较大的颗粒(直径大于约0.5毫米)和细粉及粘土。
尺寸较大的颗粒可以用标准方法有效地进行清洁，清洗过的土壤可以在处理后安全地放回原地。细粒或小于约0.63毫米的颗粒不能用标准方法清洁。使该粒径范围中的颗粒从污染土壤的整体中分离出来，然后在适当的机构中进行处理或储存。
因此，现有的土壤清洁技术仅仅对于大土壤颗粒有效。根本不能清洁较小的颗粒，而仅仅是将它们转移到一个存贮机构，例如经授权的有害废物处理设施中。这需要场地所有者或操作者为污染颗粒的运输和储存支付高额费用。对于处理设施，也必须十分小心地建造和监视，以防止发生从处理场所向地下水中的泄露。实质上，这仅仅是将问题从原来的污染场所转移到一个储存设施中。对污染土壤的处理针对清洁细粒土壤材料而言并不是成功的。
本发明有效地将污染物从污染土壤的整体中去除并避免了处置包括细粉和粘土在内的污染土壤的问题。将这种设备用于污染场所避免了将大量的污染土壤当作有害废物进行处理。
污染土壤一般有呈三种典型状态的污染物游离材料、表面吸附材料或小的或胶质材料，其中污染物以物理的或电化学的方式与土壤中的细颗粒结合。通过利用颗粒尺寸分离来减少土壤污染的标准方法系基于这样的事实绝大部分有机或无机的污染物倾向于与一般是粘土和粉砂的细粒状土壤成分结合。去除并处理细粉和粘土将从土壤中除去大量的污染物。但是，这确实没有清洁全部被污染的土壤。
土壤的去污需要了解其中结合污染物的土壤基体的性质。一般而言，主要由大尺寸土壤颗粒组成的粗土壤基体是常规土壤清洁或清洗方法的理想对象。
污染的土壤一般通过包括按大小分离和洗涤较大颗粒的标准方法而经受处理。适合用常规方法去除的污染物是半挥发性有机物化合物、杀虫剂、聚氯代联苯酚(PCB)、金属、某些放射性核苷酸、以及聚芳烃或者直径大于2毫米的土壤颗粒。挥发性有机化合物(VOC)不是特别适合于作为靶污染物处理材料，因为清洁过程中的一般是强烈的混合和材料处理可能造成挥发性有机化合物最终释放到空气中。
土壤清洗或去污方法常见的局限性是由于土壤基体的类型和所涉及的污染物而造成的。污染物一般粘附在细颗粒材料上或以较快的速度被其吸附。这是由细颗粒材料产生的复杂而强大的结合力所造成的。由于具有吸附结合力，粗颗粒材料也可以保持污染物，但是大颗粒材料一般更容易清洁，因为吸附结合力通常随着颗粒尺寸的增大而变小。
表I表I表示按常规筛分进行的颗粒分类。因为常规清洁方法的局限性，土壤清洗常规方法的应用结果是细粉和粘土被送往处置或储存场所。因此，使细粉与较大的土壤基体分离减小了需要处理的污染土壤的体积。但是，分离细粉和粘土并没有解决问题，而只是造成了一个储存问题。被污染的土壤必须被运走并储存，其费用是根据污染物的类别从每立方码20美元到200美元不等。
常规方法可以将相对未受污染的土壤部分与受污染较重的细粉分离。然后，可以利用生物活化处理或金属螯合来处理所形成的细粉泥浆。粘土中的细粉基本上被处理成污染较小的污泥产物。这种方法一般将有机污染物聚集在污染的细粉泥浆中，其按重量计可构成有机污染物的主要部分，而开始时只是总产量的一小部分。另外，这些细粒状材料更难以脱水形成污泥饼，因为较小的颗粒具有亲和力，可以吸附许多种材料，包括水和其他亲水性污染物。
标准的土壤清洗过程是以预处理开始的，即用粉碎和分离设备分离土壤并按颗粒大小进行沉降。然后将土壤引导到振动筛中，但大小将土壤颗粒分成不同的颗粒流。使大于1到2毫米的材料在标准的大颗粒土壤清洗机中处理，这涉及到应用加热、搅拌和表面活性剂，以从较大的颗粒上分离被吸附的材料。而较小的颗粒则被处置。需要时可以在用于进行固液分离的旋风分离器中使这些颗粒脱水。
经常在清洗液中加入表面活性剂以加速清洗过程并帮助破坏污染物和被污染颗粒之间的吸附结合。但是，表面活性剂可能带来另外的问题，因为表面活性剂有毒性。本领域中已知有许多从土壤颗粒上去除污染物的设备。这些设备并不能使细土壤颗粒、粘土、粉砂等去污。
在Kroon的美国专利4,415,368中公开了一种方法，其中使用一种喷管产生真空，该真空在理论上通过使颗粒经过一个水幕帘来去除污染物。Kroon利用水幕将颗粒分离成其最小基本单位，从而打碎污染土壤块。然后，在此方法中清洗较大的颗粒，通过絮凝分离较小颗粒和污染物。根据美国环境保护局于1993年2月出版的NATO报告-“用于污染土地和地下水的补救行动技术的论证，最终报告，1986-1991”(Demonstration of Remedial Action Technologiesfor Contaminated Land and Groundwater，Final Report，1986-1991)，直径小于0.03-0.05毫米的小颗粒在由Kroon提出的结构和压力下不能被水射流有效地清洁。
在Kroon的方法中，通过施加产生真空的水流而在理论上使污染物与土壤颗粒分离。水流的压力是250巴，即约为3,500 psi(磅每平方英寸)。但是，这种方法不能有效地从粘土或细粒状土壤上除去污染物。
Darley在美国专利3,764,008中公开了一种联合使用喷射式旋风分离器和文丘里(Venturi)装置给沙子脱油的方法。Darley使用离心力从沙子中分离出含油废物。这种方法要求数次通过设备，而只能去除部分污染物。但是，该方法不能像本发明那样有效地从细颗粒上去除污染物。而且，所公开的设备不能有效地处理经常会遇到的极细的沙粒，后者被归类为沙子、粘土或粉砂。该工艺也不能使用与本发明相似的方法，即无论是从方法上、结构上、还是结果上的相似。
其他的已知方法主要是通过加热来挥发或焚烧污染物。这些方法的缺点是污染物可能被释放到空气中，而且焚烧法需要输入大量的热能，这在经济上不如本发明那么有效。
本发明的详细描述本发明利用了能以机械方式从土壤、粉砂、粘土和细粉颗粒表面去除污染物的设备。将这些颗粒夹带在液体载体中以形成泥浆。将液体载体引入一个来自预先安置好的喷嘴的排放液流的交叉区。这种排放液流可以只是水，也可以是混有表面活性剂的水。这些排放液流是从两个或更多个基本上相对的喷嘴装置排出的。将喷嘴装置固定在一个框架上。该框架是用来支承喷嘴装置的，它也有使得喷嘴装置正确定位的功能。
喷嘴装置在优选地为2000psi至20000psi的压力下排放液体。压力的设置是根据被处理颗粒的大小和要从颗粒表面除去的污染物的类型来确定的。另外，可以利用单个喷嘴在约10000psi至20000psi下进行所需排放。
将待处理的土壤流注入或引入从喷嘴排放的清洗液流所在的区域或至少两个喷嘴的排放液流交汇的区域。在该区域中，根据所使用的喷嘴装置的数目，土壤颗粒受到大约4000psi至大约60000psi的总压力。
如下文所述，在最优选的实施方案中，使用的喷嘴装置的总数是4个。但具体实施人员可能会发现，为了达到从小粒土壤、粉砂和沉积物颗粒的表面去除污染物的目的，使用1个、2个、3个、4个、5个或更多喷嘴装置也可能是适合的和有效的。
还可以改进本发明以改变喷嘴装置的排放流和泥浆的输入流之间的碰撞角度。要注意，泥浆可以含有载体液，如水。还可以在预处理过程中或在碰撞室中的处理过程中向泥浆中加入表面活性剂。
将泥浆排放流导向喷嘴排放流的某个点。如果使用一个以上的喷嘴，应将泥浆排放流导向这些喷嘴的交叉点。这可以通过调整喷嘴支承架以使喷嘴指向特定的方向、或通过改变土壤泥浆流的引入角度来实现。
来自喷嘴装置的液流的汇合区是一个使被注入该区域的物体或颗粒将经受很大作用力的区域。被引入该区域的污染颗粒会被除去污染物。绝大部分污染物看来位于土壤较小颗粒的表面上。因此，污染物和土壤颗粒之间的结合是吸附性的。这种结合很容易被破坏，因为这种结合主要是薄弱的电-机结合。这样，就将通过机械方式使土壤颗粒与污染物分离。污染物颗粒保留在液体载体中，而土壤颗粒通过重力被导向碰撞容器的底部。按本领域熟知的方法，借助于一个排放机构从所述底部排出载体、清洁的土壤颗粒和用过的清洁液。
这是借助于喷嘴装置所排放的液体的作用力或来自喷嘴机构的相对排放流的会聚区中的作用力而去除被清洁颗粒表面的污染物的。这种紊流必须足够大。已发现，喷嘴的数量决定着喷嘴装置的排放速率。
当使用单个喷嘴时，发现约10000psi至约20000psi的排放造成约85％到约90％的污染物去除率。使用两个或更多喷嘴可以提高污染物去除率。当使用两个或更多喷嘴时，约2000psi到约20000psi的喷嘴排放速率可以有效地去除约90％以上的污染物。
高压清洁液的去污能力可以通过向清洗液中加入表面活性剂或向土壤泥浆流的载体中加入表面活性剂而得以增强。机械力与或者不与表面活性剂相互作用都足以达到从土壤颗粒上机械分离污染物的目的。
应用本发明装置的结果是粘土、细粉和粉砂的泥浆以约89％至约99％(或更高)的污染物去除率得到清洗。该清洗率范围使得处理后的材料可以被当作未受污染的土壤使用。
可以通过将处理后的材料再次引入清洁容器并重复上述操作循环来进行多个清洁循环。
使用本设备的一个特别的优点是，利用本发明设备对多种污染物进行试验，都得到了适用于任何地域的清洁土壤颗粒(粘土、细粉和粉砂)。污染物的去除非常彻底，不用再将这些材料交于任何有害废物或其他特殊废物处理站处理。
因此，该设备可以用来清洁这些较细的颗粒，并避免了处置的额外费用。据估计，使用本设备处理每立方码的费用大大低于处置污染材料的费用，后者为每立方码污染土壤4.00-350.00美元。这种处置必须在授权的有害或特殊废物站来进行，而这需要按数个政府部门的规定运输该材料。
本发明能够从包括细粉和粘土的大多数基体中清除重质烃类污染，包括原油、聚芳烃、燃油和柴油。本方法适合于大范围的有机、无机和金属化合物污染物，而此时粘土和粉砂经常是主要的介质，可以用本发明对此进行有效的去污或清洁。
本发明解决了广泛推广实施土壤清洗技术的三个障碍。这些障碍是不能处理大分子量的污染物或杂质、不能清洗小沉积物如粉砂和粘土颗粒、以及巨大的投资成本和土壤清洗技术中所用的大型处理设备相对固定。
本发明还包括应用合成的生物表面活性化学品(Biogenesis Inc.，Milwaukee，Wisconsin)，根据所遇到的污染物，可以选用这种化学品。这些生物表面活性化学品能够在清洗结束后提供持续的补救作用，以更彻底地减低经清洗的土壤产物中的污染物水平。
本发明是一种现场使用的技术，它可以用于被有机污染物和金属污染的所有土壤类型。大于约0.5毫米的颗粒采用标准土壤清洗方法处理，这种处理所采用的液体随后经过进一步处理，以从该液体中去除污染物。粒度小于约0.5毫米的颗粒可以容易地在本发明的设备中得到处理，即本发明的土壤和沉积物清洗方法。
可以对清洗液(可以只是水)进行进一步的处理，然后将清洗过的土壤和沉积物送回到原地或做他用。
本发明的应用可以结合着复杂的生物救济性表面活性剂混合物，结合使用水、加热、混合和摩擦，以清洁土壤颗粒。本领域中熟知，大颗粒清洗单元每小时可以清洁80立方码以上。
在本发明中，可以在一个可移动的连续流单元中以大于80码每小时的速度清洁沉积物和土壤颗粒(也称之为细粉和粘土)，而无需额外地处置细粉和粘土。
设备需求包括颗粒筛分设备、罐、喷水和水处理设备以及生物反应器，所用这些都是本领域中的标准设备。作为本发明主题物的碰撞室允许操作者清洁细粉和粘土。
可以将沉积物清洗设备构建成一个连续流单元。
可以使用Wentworth分类器或其他本领域中已知的系统完成颗粒大小的分离。唯一必须满足的要求是颗粒的直径应小于约5毫米。设备结构的描述在本说明书中，设备如

图1-4中所示。该设备的结构适用于清洁大量的取自污染区的土壤，所述污染区以前被用做工业场地。该区域中的污染土壤中有沙子、砂砾、壤土、细沙和粘土。
沉积物清洗系统被构建成两个基本区域。这些区域在第一部分中用于进行沉积物筛分和待处理土壤的准备，在第二部分中用于在清洁容器中清洁土壤颗粒。
在第一步中，参见图1，先按颗粒大小对被污染材料(也称为沉积物)进行分离。该材料取自沉积物池塘10并通过淤泥管线14被泵送到湿法筛分设备4中。所用的湿筛进料泵11是美国威斯康星州Liquid Waste Technology ofSomerset的Pit Hog 900型液压泵。借助于湿筛进料泵11，使淤泥沿着淤泥管14移动。当淤泥材料经过湿筛4(Vibro-Energy Separator LSZ4S461 SWECO Inc.，Florence KY.)处理后，直径大于约0.5毫米的材料被分离出来。更小的材料通过细粉粘土软管49被运送到细粉粘土储存罐50中。可以使用在线混合器以防止材料沉降并帮助移动(50-FT-2 Inliner型，加拿大多伦多省的GreyLightnin公司)。大尺寸的材料用本领域熟知的常规方法处理。
在细粉粘土混合室50中，用混合器组件2(Litnin，V5P55 VEKTOR Mixer型，11.8英寸的涡轮，Litnin公司，Rochester，NY)搅拌材料。该混合器组件是本领域熟知的。向细粉粘土混合物中加入水，形成泥浆。然后细粉粘土泥浆通过一个细粉粘土进料计量器51从细粉粘土罐50流向碰撞室进料泵21，在此它通过细粉粘土通道22被泵入碰撞室20。
本方法的第二步发生在碰撞室20中，在这里发生污染物脱除。在进入碰撞室1时，细粉粘土泥浆经过喷嘴装置24之喷流的交叉点。然后，处理过的泥浆借助于重力滴到碰撞室20中的处理后泥浆存储罐25中。此后，用混合器组件2慢慢地搅拌碰撞室20混合区中的泥浆，以保持经清洁的材料悬浮在载液中。这通过用混合器2(Litnin，V5P55 VEKTOR Litnin，Rochester，NY)实现。然后，通过重力或辅助进料泵31，经排出装置304、继而经出口软管31，将处理过的土壤从碰撞混合容器中移出。
喷嘴装置24上装有一个喷嘴调节臂407。该喷嘴调节臂407由固定在喷嘴颈套402上的喷嘴杆401组成。该组件固定在喷嘴框架400上。喷嘴杆401可以参照任何其他喷嘴24的水平(如果使用一个以上的喷嘴)来调节。另外，可以调节喷嘴装置24，使得喷嘴装置或其中任何一个的排放流相对于来自泥浆输入管231的排放流处于一个特定的角度。这些调节部件要设计得使操作者可以调节喷嘴排放流的角度。喷嘴调节臂407和喷嘴锚固调节托架341成一体地固定在喷嘴支承角撑板342上。然后，可以使喷嘴支承装置的各种元件可调节地装配在喷嘴杆401上，这形成用于在清洁容器内保持喷嘴装置处于理想高度并具有特定角度的框架装置的一部分。
喷嘴调节机构由不锈钢制成。喷嘴杆由碳素钢制成。本发明中用于排放清洁液的喷嘴头是本领域所熟知的。
排放清洁液的喷嘴500得自Elmhurst(Illinois)的Quality SprayProducts，型号为1/4M6.5-7E型硬质合金喷雾嘴。这是一种高压喷嘴，用于根据喷嘴装置500的结构、待除去的污染物和本设备所清洁的被污染材料的性质在位于2000psi到20000psi之间的理想压力下排放清洁液。
喷嘴调节框架400(和定位装置)使操作者得以选择适当的喷嘴装置排放流相对于沉积物进料排放头231的交叉角度，所述排放头231要安装成使沉积物进料排放流优选地位于喷嘴装置500排放流的交叉平面上方。但是，根据特定的条件限制和设计喜好，操作者可能希望沉积物从设备的顶部流入。沉积物流入装置的位置对于本设备的功能并不是关键的，只要该沉积物流入装置能让操作者使沉积物输入流23中的泥浆通过喷嘴装置500排放流的交叉平面，如图3和4所示。
在本设备的操作中，操作者可能希望对处理过的材料进行额外的清洗循环。可以使这种处理过一次的材料再循环通过相同的碰撞室20或引入到第二或第三单元进行额外的处理循环。但是，经测定，如果清洗循环被优化，这种额外的处理循环在大部分情况下是不必要的。
这种优化可以通过如下的调节来实现通过调节喷嘴框架的适当元件来调节由喷嘴装置排放流所形成的平面的角度，调节泥浆进料流的温度。还可以调节清洁液的温度以提高去污效力。已经发现可将清洁液的温度提高至约100°F。
如果不需要额外的处理循环，就将处理过的材料经处理后淤泥管33泵入旋风分离器30中。该旋风分离器是本领域所熟知的，如(Encyclon公司，Kenosha，WI)。在旋风分离器30中完成水/污泥分离后，将得到的固体送入固体收集箱40中，然后通过固体转移泵42或其他适宜的机构转运到固体存贮器44中。
在旋风分离器30中分离出的水经液体转移泵41被泵入液体存贮罐43中待随后处理，或者可经额外的管线再循环经过土壤清洗工艺，所述额外管线可由操作者根据本发明实施的需要来设置。
在本实例中，清洁材料是水，这可以是来自城市水源的普通自来水并通过泵17泵入。可以将水加热到约100°F到约160°F。已确定，清洁液的温度可以在凝固温度以上至约200°F，或从约33°F到约200°F。
另外，清洁液如水可以与来自表面活性剂给料器6的、定量的选定表面活性剂混合。在本发明中使用的表面活性剂是来自Biogenesis公司(Milwaukee，WI.)的生物表面活性剂。
表面活性剂/清洁液混合物可以通过表面活性剂进料管180泵入或者可通过随后向管18的水中注射而随后引入。这样就加入了定量的表面活性剂，它与水一起来提高清洁液的清洁效力。
然后将单独的水或水-表面活性剂混合物17引流过高压活塞泵9，在此，压力被提高到约2000psi至最高约20000psi的范围内。高压水或水与表面活性剂的混合物通过一个高压管线16被导向喷嘴组件24。安装喷嘴组件24，使得单独的自来水或混有表面活性剂的自来水17的喷雾在碰撞室20中与来自泥浆输入管23的液流相碰撞。
参见图2，这是碰撞室组件的主视图，可以看到支架301支承着碰撞室20的主体。还设置了装有栏杆302的走道303，以用于操作者调节和观察。在碰撞室20的顶部，高压管线16通过法兰308相互配合并穿过碰撞室盖307。
碰撞室盖7通过法兰306成一体地装配在碰撞室20的主体上。
碰撞室20还装配有水平传感器303，后者被设计用来保证碰撞室20维持水平，以发挥喷嘴组件24的最佳性能。碰撞室装置与混合器组件2(本领域中的标准件)装配在一起。该混合器组件2用于防止处理后的固体分离成沉重的污泥和水。利用混合器组件2可以保证细粉和其他固体不沉降，从而使混合物保持泥浆状。
通过隔离阀304将处理过的材料导入碰撞室组件20的混合室1中。阀304是本领域所熟知的类型。然后，通过泵机构31将处理后的泥浆导向旋风分离器30或者通过管线组件16再循环经过碰撞室20。提供一个电子控制板305以便于安装在支架元件301上。该电子控制板305用于控制泵，如泵31。还设有一个窥视孔窗330，它安装在碰撞室20的侧面。提供窥视孔窗组件330是为了让操作者观察表面活性剂-水混合物或水与细粉粘土泥浆相互作用的过程。
现在参看图3，这是碰撞室的俯视图，其中示出了盖子307。这里，高压管线16位于碰撞室的顶部，其中高压管线通过承插焊接318与喷嘴机构24相连接，承插焊接318成一体地与高压表面活性剂软管319邻接。表面活性剂-水输送系统到高压喷嘴24的其他配置可容易地由本领域的技术人员确定。
碰撞室盖307通过安装法兰306固定在碰撞室主体上。在这种配置中，喷嘴(24)固定在盖子307上。图3的视图显示了高压进料管319的配置，它定位在碰撞室20的盖子307之上。几个高压进料管319的交叉点是法兰320，它保持高压进料管319相对于第二高压进料管319处于稳定。操作者可以选择使用只有两个相对喷嘴24的配置，如果希望如此的话。这样只需要一个高压进料管319。高压进料管319通过承插焊接318固定在喷嘴组件上。喷嘴组件24在图4中进一步描述。
图4是碰撞室20最上部分的局部视图。该图示出了阀和喷嘴组件24，后者通过固定架340、支承角撑板342固定在碰撞室盖307上，所述角撑板通过六边形螺母和螺栓403成一体地固定。喷嘴组件与调节装置341配合，后者使得操作者能够将喷嘴组件24保持在水平位置。泥浆通过泥浆输入管23被引入碰撞室。在被泵入碰撞室以后，泥浆被进一步向上引导并从泥浆输入喷嘴231排出泥浆输入管23，然后泥浆被导入喷嘴装置24排放流的交叉区。泥浆是在压力下被引入碰撞室的，该压力只需让其从泥浆输入喷嘴231流出就足以让泥浆实际到达与喷嘴24的排放流足够接近的区域，从而使得清洁液有效地作用于泥浆，以从泥浆中除去污染物。
这种流速足以让泥浆向上喷射至喷嘴组件24的排放流的交叉点，在这里进行泥浆的清洗或清洁。
在图4中还有一个石英玻璃窗330，它安装在碰撞室20的侧壁201中，目的在于让操作者看到清洗过程。不管泥浆的特性如何，清洁液(水或水与表面活性剂的混合物)的持续输入迅速清洁了玻璃，在泥浆通过管23的流动暂时中断时，或泥浆大部分是液体时，清洗泥浆的过程也会造成对碰撞室20的侧壁201的向下冲洗。
图5示出了最优选实施方案的喷嘴组件。该组件的特征在于保持四个喷嘴杆401中的每一个的支架和角撑板能稳定地相互作用。每个喷嘴杆401通过喷嘴颈套402装在喷嘴500上。喷嘴颈套402然后通过六边形螺母404成一体地装配在高压表面活性剂管线16上。
喷嘴角撑板托架342被安置在喷嘴500的排放水平面之上，以便不妨碍从喷嘴500的流出。
喷嘴杆401与喷嘴角撑板343和342一起形成一个框架，它将喷嘴结构24悬置在碰撞室20中。喷嘴杆401与本领域中广为人知的调节装置相连接，这是。这样，通过调节调节托架341，很容易调节喷嘴杆401。
如图4所示，图5的整个结构安装在碰撞室20上。用于定位喷嘴机构的其它结构对于本领域技术人员是显而易见的。图中所显示的特定配置可以在不影响设备效率的情况下被改变。
定位喷嘴组件24，从而使每个喷嘴500的排出液排放在一个与所有其他喷嘴500大约等高的点上。这种排放形成一个几何形状接近平面的水层。在接近排放区中央的点上，形成了一个喷嘴的水射流的交叉区。来自泥浆输入喷嘴231的排出物将被引入该区域。由喷嘴500的排放液所确定的平面与泥浆输入喷嘴231之间的角度可能影响本设备的操作效率。
从喷嘴500排出的清洁液可以仅仅是水、水与表面活性剂的混合物、热水、或热水加自来水。清洁液加自来水可以是混合物，或者将表面活性剂注入到清洁液管12中，它将清洁液从高压活塞泵9传送到喷嘴进料管319中，然后到达喷嘴500。
以上描述中的条件和参数已经用于本设备的应用中，这在以下实施例中进一步说明。
选择被4000ppm以上聚芳烃(PAH)污染的沉积物用于清洁。该污染的沉积物主要(81％)是平均粒径小于38微米的中等粉砂。首先处理沉积物以分离大颗粒材料。将大颗粒材料转移到标准的大颗粒清洗机中进行处理。通过铁格筛的材料流向粉碎机，然后进入预处理罐。将被粉碎的材料混合、加热并与水和生物表面活性剂化学品混合。这样就形成了泥浆。
然后将泥浆传送给振动筛分离器，它将颗粒筛分为两组。直径大于0.5毫米的材料被转移到标准的大颗粒土壤清洗机中。0.5毫米和更小的材料继续流向沉积物清洗机的进料斗。泥浆从这里被泵到沉积物混合室中，在此用由2％生物表面活性剂(Biogenesis，Milwaukee，WI)和自来水组成的溶液对其进行处理。这完成了初步解除污染物和颗粒之间的结合。将泥浆加热到160°F。
在加热泥浆后，将水和表面活性剂的混合物(在本实施例中称之为料浆)排到碰撞室中，其中料浆被注入到四个喷嘴装置的交叉区中。
随后，处理后的泥浆借助于重力被收集到碰撞室的下部中，在材料经处理后落在了碰撞室的底部。
将三套碰撞室/碰撞洗涤器串联以进行连续的洗涤。处理过的泥浆然后流经旋风分离器组件，以分离大小在5到10微米以上的固体。使游离的液体流向一台离心机，以进行最后的固一液分离。
将固体送至清洁固体堆，而对所有的液体进行废水处理，以除去有机和无机污染物。使经去污的水再循环回处理工艺中。测试处理后的沉积物和细粉，以便确定清洗效率。经测定，应用本发明方法的清洗效率大于90％的去除率。
在实施例2-7中使用了下述一般条件。
选择能通过10、50、100和200筛目的颗粒。试验污染物是润滑油，将其施加在颗粒上并让其保持在颗粒上约12小时。选择润滑油作为中等分子量有机污染物的代表。在所有这些条件下，预计较小分子量污染物的去除率将高一些，而更大分子量污染物的去除效率将稍微低一些。
但在本发明的所有应用中可以预期，当以最大效率使用该设备完成特定的污染物去除任务时，清洁效率将高于90％。
选用的清洁液是水。在以下实施例中，没有向清洁液中加入任何表面活性剂或其他清洁化学品，以便不影响对设备机械效率的评价。但可以向清洁液中加入表面活性剂，以提高上述本发明的效率。
如从实施例1所见，在清洁液中使用清洁化学品或将其混合在土壤和沉积物泥浆中，将会提高污染物的去除效率。
在以下的每个实施例中，来自排放清洁液的喷嘴的液流基本上形成一个平面。每个喷嘴固定在设备的框架元件上，而且喷嘴的排放部分指向设备的中心点。
喷嘴装置的排放流在设备中处于基本相同的高度，由其确定的平面在以下实施例中被称为α。如果α等于零，则由喷嘴装置排放流确定的平面和沉积物泥浆输入流的方向平行，即沿相同方向流动。在这种情况下，在沉积物进口流和喷嘴装置的排放流之间没有碰撞。如果喷嘴装置的排放流和沉积物输入流之间的角度为90度，则喷嘴排放方向和沉积物的方向几乎是垂直的。随着排放流角度的增大，输入流和喷嘴流于是彼此直接相对。
可以对喷嘴装置和沉积物流入装置排放流之间的角度做进一步的调节。最优选的是，使基本上排放到同一个平面上的喷嘴装置液流与沉积物进流入排放流之间的角度约为30度。
在下列的每个实施例中，喷嘴的数目从一个排放喷嘴到四个排放喷嘴地变化。从这些结果可以得出喷嘴装置的排放在四个喷嘴装置时是最优的。以一个喷嘴装置的排放流获得的去除率或效率是最低的。
在以下的每个实施例中，已表明喷嘴排放流所确定的平面与沉积物输入流的排出方向之间的角度对决定本发明的效率是很重要的。当由喷嘴排放流确定的平面与沉积物输入流之间的角度增大至30度时，得到了最佳的结果。
以上信息用于以下的每个实施例中。
在每个喷嘴的排放压力为6000psi、8000psi和12000psi时进行试验。经测定，当粒度小于50筛目、喷嘴装置的排出压力在8000到12000psi时，对通过200筛目的颗粒产生99％的去污效率。见表1。
表1
实施例3在本实施例中，所使用的喷嘴的数目为4个，每个喷嘴排放清洁液的压力为6000psi。由喷嘴装置的排放流所确定的平面与输入流之间的排放角度保持在90度。
在本实施例中，在100°F上下的范围内测试清洁液的温度。这些温度对于大颗粒和小颗粒的效力均较低(见表2)。表2
经测定，当去除如本实施例所用之油类的污染物时，温度必须维持在100到160°F之间才能对通过200筛目的颗粒获得99％的效率。本设备的其他应用可以使用更高或更低的清洁液最佳温度，这取决于污染物的类型和在泥浆中处理的颗粒的平均大小。
在本实施例中，无论颗粒大小如何，喷嘴数目的增加导致效率接近直线的提高。但是，喷嘴装置的排放流与输入流之间的角度α等于45度时，无论试验的颗粒大小如何，仅产生约90％的去污率。因此可以确定，45度的排放角度可能是对于200目材料的效率的较低限。见表3。表3
实施例5在本实施例中，喷嘴装置的排放压力保持在6000 psi。清洗液的温度保持在100°F。
在本实施例中，喷嘴装置排放流和输入流之间的交叉角度从45度增加到90度。对于最小粒度，这使污染物去除效率急剧提高。在本实施例中，使用3个或4个喷嘴对所有粒度的颗粒取得了约95％到约97％的去除率。见表4。表4
实施例6在本实施例中，喷嘴装置的排放压力还保持在6000psi。清洗液的温度保持在100°F。在本实施例中，喷嘴装置的排放点与输入流之间的角度从90度增加到135度，与实施例5获得的结果相比，这时污染物去除率的提高不太显著。见表5。
表5
实施例7本实施例中，改变喷嘴装置排放流之间的角度和在沉积物流入方向与决定喷嘴装置的液流方向的出入口之间确定的角度。在本实施例中，喷嘴装置的排放压力保持在6000psi。如从表8中可以看到的那样，喷嘴液流与沉积物流入物之间的角度增加约30度时效果很有限。
如表6中所示，当由喷嘴排放流确定的平面与沉积物流入物之间的角度增加到30度时，获得了最佳结果。
表6
表7
表8
在不脱离这里所公开的本发明的前提下，可以对本发明的设备和方法进行其他变化和调整。
权利要求
1.一种用于净化被污染颗粒的设备，其中颗粒的大小为直径小于约5毫米，该颗粒被夹带在液体载体中以形成泥浆，而且该设备处于一个基本封闭的容器中，该容器装有用于固定一个框架的机构，所述框架具有固定在所述容器中的喷嘴承载机构，该设备包括(a)成一体地固定在框架上的至少一个高压喷嘴，每个喷嘴具有在约2000psi到约20000 psi下排放液体的能力；(b)一个泥浆入口，其中将该泥浆入口定位成将泥浆输入流排放到每个所述喷嘴的排放区中；(c)用于将来自每个喷嘴的排放流引导到在所述喷嘴间的大约中点处的会聚区中的机构；(d)成一体地固定在所述框架和每个所述喷嘴上的调节机构，其中所述调节机构允许将每个所述喷嘴的排放流引导到与泥浆入口装置排放流交叉的特定点上；(e)用于将喷嘴装置的排放流调节成一个基本为平面的构形的机构；(f)用于将所述泥浆注入所述排放区的机构，由此喷嘴的排放流得以从所述污染颗粒上除去污染物；以及(g)用于调节所述喷嘴的排放流从而使所述喷嘴装置与泥浆的交叉角度在0度和180度之间的机构。
2.如权利要求1所述的设备，其特征为，有至少两个喷嘴装置安置在框架上。
3.如权利要求1所述的设备，其特征为，三个喷嘴装置相互以大约相等的距离安置在框架上。
4.如权利要求1所述的设备，其特征为，四个喷嘴装置相互以大约相等的距离安置在框架上。
5.如权利要求1所述的设备，其特征为，五个喷嘴装置相互以大约相等的距离安置在框架上。
6.如权利要求1所述的设备，其特征为，六个喷嘴装置相互以大约相等的距离安置在框架上。
7.如权利要求1所述的设备，其特征为，单个喷嘴装置在约10000psi到约20000psi下排放液体。
8.如权利要求1所述的设备，其特征为，单个喷嘴装置以相对于泥浆输入流排放流成大约10度到大约180度的角度排放液体。
9.如权利要求1所述的设备，其特征为，喷嘴装置的排放流与土壤泥浆之间的交叉角度在30度和90度之间。
10.如权利要求1所述的设备，其特征为，喷嘴装置的排放流与土壤泥浆之间的交叉角度在约10度和约100度之间。
11.如权利要求1所述的设备，其特征为，喷嘴装置的排放流与泥浆输入流之间的交叉角度约为90度。
12.如权利要求1所述的设备，其特征为，喷嘴装置的排放流与泥浆输入流之间的交叉角度约为30度。
13.如权利要求1所述的设备，其特征为，每个喷嘴以约5000psi到约15000psi的压力排放液体。
14.如权利要求1或2所述的设备，其特征为，每个喷嘴以约5000psi到约15000psi的压力排放液体。
15.如权利要求1所述的设备，其特征为，至少两个所述喷嘴的排放点之间的距离为约12厘米到约52厘米。
16.如权利要求1所述的设备，其特征为，从所述喷嘴排出的液体的温度为约35°F到约200°F。
17.如权利要求1所述的设备，其特征为，从所述喷嘴排出的液体的温度约为100°F。
18.一种用于净化污染土壤的方法，包括以下步骤(a)选择土壤颗粒直径小于约5毫米的污染土壤；(b)提供用于将所述污染土壤颗粒与液体载体结合以形成泥浆的机构；(c)进一步提供用于碰撞至少两股清洗液流的机构，每股液流来自一个喷嘴排放机构，使该排放机构互相之间基本相对，以便在所述液流的交叉区附近形成一个紊流区；(d)提供用于将所述泥浆注入所述清洗液排放流的所述交叉区中的机构；以及(e)提供这样的机构，它在所述泥浆通过所述清洗液流的交叉区后收集所述泥浆，并在所述颗粒离开所述清洗液流的交叉区后将泥浆分离成液体和颗粒部分。
20.如权利要求18所述的方法，其特征为，由所述喷嘴排放的液体是水。
21.如权利要求18所述的方法，其特征为，由所述喷嘴排放的液体是水和表面活性剂的混合物，而且液体中表面活性剂的含量为约0.1％到约5％。
22.如权利要求18所述的方法，其特征为，泥浆含有按重量计约为5％到50％的固体。
23.如权利要求18所述的方法，其特征为，泥浆含有按重量计约为35％的固体。
24.如权利要求18所述的方法，其特征为，所述泥浆的温度为约33°F到约200°F。
25.如权利要求18所述的方法，其特征为，所述泥浆的温度为约100°F到约160°F。
26.如权利要求19所述的方法，其特征为，喷嘴的数目为4。
27.如权利要求18所述的方法，其特征为，泥浆与表面活性剂混合，其中含有约49％的水、约50％的土壤和约1％的表面活性剂。
28.一种用于从被污染的细粒土壤、粘土和粉砂中分离污染物的设备，其中将所述设备容放在一个基本封闭的容器中，装有所述设备的所述容器包括(a)一个装有至少一个高压喷嘴的框架；所述框架成一体地安装在所述容器中；(b)所述框架具有固定在其上的用于调节所述喷嘴的排放角度的调节机构；(c)所述喷嘴装置，其中所述喷嘴被定位成使所述喷嘴的排放流以正确的角度指向待处理泥浆的流动方向；(d)所述喷嘴装置进一步与一个液体源相连接；(e)所述液体在压力下被输送给所述喷嘴装置；(f)用于输送泥浆到所述喷嘴装置排放流的交叉点的机构，所述泥浆含有处于载液中的直径小于约5毫米的颗粒材料；以及(g)用于在粒状材料通过所述喷嘴的排放点以后收集所述粒状材料和所述液体的机构。
29.如权利要求28所述的设备，其特征为，喷嘴的数目为至少2个。
30.如权利要求29所述的装置，其特征为，每个所述喷嘴的排放压力为约2000psi到约20000psi。
全文摘要
本申请的公开内容涉及用于从土壤、沉积物、细沙和粘土中去除各种污染物的方法和装置。在本申请的装置中,由直径小于约5毫米的颗粒组成的被污染材料从喷嘴(231)被注入到一个或数个喷嘴(500)的排放区中。将这些喷嘴(500)定位,以在约2000psi到约20000psi的压力下排放液体或清洁流体。然后收集被清洁的材料并将之分离成液体和固体。当用本装置清洁后,所述固体可以被返回原地点,而没有污染周围区域的危险,并且免去了处置被污染土壤的处置费用。
文档编号B09C1/10GK1371310SQ00812204
公开日2002年9月25日 申请日期2000年8月22日 优先权日1999年8月30日
发明者墨森·C·阿米兰 申请人:生物起源事业公司