一种地浸法处理土壤重金属污染的方法及装置与流程

本发明属于土壤污染治理技术领域，具体涉及一种地浸法处理土壤重金属污染的方法及装置。

背景技术：

随着矿产资源的大量开发利用，工业生产的迅猛发展和各种化学产品、农药及化肥的广泛使用，含重金属的污染物通过各种途径进入环境，造成土壤，尤其是农田土壤重金属污染日益严重。目前，世界各国土壤存在不同程度的污染，全世界平均每年排放hg约1.5×104t、cu约340万t、pb约500万t、mn约1500万t、ni约100t。在欧洲，受重金属污染的农田有数百万公顷；在日本受cd、cu、as等污染的农田面积为7224hm²。当前我国受cd、hg、as、cr、pb污染的耕地面积约2000×104hm²，每年因重金属污染而损失的粮食约1000×104t，受污染粮食多达1200×104t，经济损失至少达200×108元。

目前，世界各国对农田土壤重金属污染修复技术主要包括物理、化学、生物、农业生态和联合修复技术等。

物理修复技术

物理修复技术主要包括工程措施(客土、换土和深耕翻土)和热脱附。工程措施具有彻底、稳定的优点，但工程量大、投资高，易破坏土体结构，引起土壤肥力下降，为避免二次污染，还要对污染土壤进行集中处理。因此，只适用于小面积严重污染土壤的修复；热脱附是对污染土壤进行加热，将一些具有挥发性的重金属如hg、as、se等从土壤中解吸出来的一种方法，该方法工艺简单，但能耗大，操作费用高，且只适用于易挥发的污染物，脱附的气体需收集处理。

化学修复技术

化学修复技术包括电动修复、淋洗技术、稳定/固化修复技术。

电动修复是通过在污染土壤两侧施加直流电压形成电场梯度，土壤中重金属污染物在电场作用下通过电迁移、电渗流或电泳的方式被带到电极两端，然后进行集中收集处理，从而清洁土壤。该方法特别适合于低渗透的粘土和淤泥土，可以控制污染物的流动方向。目前，已经在池体设计、电动过程及其机理、模型建立等方面开展了一些探索性工作。电动修复是一种原位修复技术，可同时去除重金属和有机污染物、不搅动土层、操作简单、处理效率高，是一种经济可行的修复技术，但易导致土壤理化性质变化。电动修复效率可能因土壤表面颗粒对污染物吸附及电极两端h⁺(正极)和oh^-(负极)聚集影响而降低。由于酸碱可导致土壤理化性质变化，添加诸如螯合剂、络合剂、表面活性剂和氧化/还原剂(h2o2、namno4、kmno4、fe⁰)，使之与重金属形成稳态且在ph较宽范围内可溶的化合物，通过增强土壤中重金属迁移性达到高效去除的目的。研究发现电动法在去除效果好和经济效益高等优点的同时,仍存在诸多缺点,如系统酸化导致反渗流现象；在碱性带易发生沉淀现象；土壤中某些污染物难以解析等问题。

土壤淋洗技术是将水或含有冲洗助剂的螯合剂(柠檬酸、edta、dtpa、edds)、酸/碱溶液(h2so4、hno3)、络合剂(醋酸、醋酸铵、环糊精)、表面活性剂)(apg、sds、sdbs、ddt、鼠李糖脂)等淋洗剂注入到污染土壤或沉积物中，洗脱和清洗土壤中污染物的过程。该技术的关键是寻找一种既能提取各种形态的重金属，又不破坏土壤结构的淋洗液。研究表明，0.1mol·l^-1hcl作为淋洗剂，对cu、ni、pb、zn的去除率分别为92％、77％、79％、75％；常用的人工螯合剂，如乙二胺四乙酸(edta)对pb和cd都能达到理想的淋洗效果。大量工程实践表明，土壤淋洗技术是一种快速、高效的方法。对于地质粘重、渗透性比较差的土壤修复效果较差。高效淋洗剂价格昂贵，洗脱废液可能造成土壤和地下水的二次污染。目前，可规模化应用的土壤淋洗技术及成套设备研制相对滞后，亟待进一步提高和完善。

稳定/固化土壤修复技术指运用物理或化学的方法将土壤中有害污染物固定起来，或将污染物转化成化学性质不活泼的形态，阻止其在环境中迁移、扩散等活动，从而降低污染物质的毒害程度的修复技术。常用固化剂分为4类：无机粘结物质(如水泥、石灰等)，有机粘结剂(如沥青等热塑性材料)，热硬化有机聚合物(如尿素、酚醛塑料和环氧化物等)，玻璃质物质。化学固定主要通过加入化学药剂或材料，并利用其与重金属之间形成不溶性或移动性差、毒性小的物质而降低其在土壤中的生物有效性和迁移性。已有大量的改良材料，如多种金属氧化物、黏土矿物、有机质、高分子聚合材料、生物材料被应用。该技术的关键是寻找价格低廉且环境友好的改良剂。稳定/固化土壤修复技术是原位修复，简单易行，但不是一种永久的修复措施，因只改变了重金属的存在形态，重金属元素仍保留在土壤中，容易再度活化产生二次污染。

生物修复技术

生物修复是指利用特定的生物吸收、转化、清除或降解环境污染物，实现环境净化、生态效应恢复的生物措施，主要包括植物修复、微生物修复和动物修复。该方法因具有成本低、操作简单、无二次污染、处理效果好且能大面积推广应用等优点，其机理研究及应用前景备受关注。

植物挥发是利用植物根系吸收金属，将其转化为气态物质挥发到大气中，以降低土壤污染，但易造成二次污染。微生物修复是利用活性微生物对重金属吸附或转化为低毒产物，从而降低重金属污染程度。但微生物个体微小，难以从土壤中分离，还存在与修复现场土著菌株竞争等。农业生态修复主要包括两个方面：一是农艺修复措施。二是生态修复。该技术成熟，成本较低、对土壤环境扰动较小等优点，但修复周期长，效果不显著。

3.5联合修复技术

目前研究较多的联合技术包括生物联合技术、物理化学联合技术和物理化学—生物联合技术。该技术多停留在实验室研究阶段，技术手段不成熟。

上述现有技术存在以下缺点：

1、能耗大，操作费用高；

2、可规模化应用的土壤淋洗技术及成套设备研制相对滞后；

3、容易再度活化产生二次污染；

4、修复周期长，效果不显著。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种地浸法处理土壤重金属污染的方法及装置，使用该方法及装置可以达到高效处理土壤重金属污染目的。

一种地浸法处理土壤重金属污染的方法，该方法按照下述步骤进行：

步骤1.二氧化碳和氧气通入注液管道，按照二氧化碳和氧气的体积比为3:1配制成成溶浸剂；

步骤2.配制完成的所述溶浸剂通过井场集控调配流量后分配给每个注液钻孔；

步骤3.所述溶浸液流经被污染土壤层将土壤中的重金属浸出，浸出液通过潜水泵从被污染土壤层沿抽液钻孔中抽液支管提升至地表；

步骤4.各所述抽液支管中的浸出液经过集液后汇总，再由过滤工序将其中的固体颗粒物去除；

步骤5.经过过滤工序的浸出液进入重金属回收工序，去除重金属离子的浸出液成为尾液，返回步骤1重新进入配制工序。

上述技术方案中，所述二氧化碳气体经气体流量计量后注入注液总管，所述氧气通过气体流量计量后，直接流入每个注液钻孔支管道内。

上述技术方案中，所述溶浸液中溶解的二氧化碳量为200～400mg/l，所述浸出液当中余氧含量为30～60mg/l。

上述技术方案中，所述重金属回收工序采用离子交换树脂吸附工艺与碳材料吸附工艺回收重金属离子。

上述技术方案中，所述重金属回收工序还包括离子交换树脂淋洗脱附工序和离子交换树脂再生工序。

一种用于上述方法的装置，其特征在于，所述装置包括配液池(1)，第一离心泵(2)，井场集控室(3)，二氧化碳气源(4)，二氧化碳流量计(6)，液态氧气贮罐(7)，氧气气化器(8)，氧气流量计(9)，注液钻孔(10)，抽液钻孔(11)，潜水泵(12)，集液池(13)，过滤器(14)，离子交换塔(15)，第二离心泵(16)活性炭吸附塔(18)；其中所述配液池(1)的出口采用管道连接至第一离心泵(2)的进口，所述第一离心泵(2)的出口连接注液总管进入所述井场集控室(3)并分成与所述注液孔数量相同的注液钻孔支管，所述注液钻孔支管连接所述注液钻孔(10)，所述潜水泵(12)设置在所述抽液钻孔(11)的底部，该潜水泵(12)的出口通过管道连接至集液池(13)的入口，所述集液池(13)的出口通过管道连接至第二离心泵(16)的入口，第二离心泵(16)的出口与所述过滤器(14)的入口管道相连，所属过滤器(14)的出口与所述离子交换塔(15)的入口管道相连，所述离子交换塔(15)的出口与所述活性炭吸附塔(18)入口管道相连，所述活性炭吸附塔(18)与所述配液池(1)的入口管道相连。

上述技术方案中，在每根所述注液钻孔支管上设置流量显示及调节设备，所述抽液钻孔和注液钻孔内部设置upvc材质套管。

上述技术方案中，所述过滤器为袋式过滤器，过滤过程采用不少于两级不同过滤精度的过滤器串联进行过滤，所述离子交换塔串联形式连接，所述离子交换塔数量不小于3。

上述技术方案中，所述注液钻孔和所述抽液钻孔排布形式可以为四点式、五点式、七点式和/或行列式，所述注液钻孔和所述抽液钻孔的数量比为1：(1～3)，所述抽液钻孔与注液钻孔之间的距离为10～20m，所述抽液钻孔和注液钻孔的深度为30cm-100cm。

上述技术方案中，还包括在需要进行土壤重金属污染处理的区域边界设置观测井(17)。

本发明的优点和有益效果为：

本发明的目的在于提供一种新型的处理土壤重金属的方法，通过采用地浸法与绿色溶浸剂“co2+o2”来达到高效处理土壤重金属污染的目的。“co2+o2”绿色溶浸剂可以提高土壤重金属活性、促进迁移，使土壤中有害的重金属迁移活性增加，再结合钻孔地浸来达到清除土壤中重金属的目的，该方法具有操作性强，无二次污染，溶浸剂可以循环再利用。

附图说明

图1是地浸法处理土壤重金属污染的工艺流程图。

图2是本发明实施例一的示意图。

图3是本发明实施例二的示意图。

图4是本发明注液钻孔和所述抽液钻孔排布形式示意图

其中：

1：配液池，2：第一离心泵，3：井场集控室，4：二氧化碳气源，6：二氧化碳流量计，7：液态氧气贮罐，8：氧气气化器，9：氧气流量计，10：注液钻孔，11：抽液钻孔，12：潜水泵，13：集液池，14：过滤器，15：离子交换塔，16：第二离心泵，17：观测井，18：活性炭吸附塔。

a:四点式注液钻孔、抽液钻孔排布，b:五点式注液钻孔、抽液钻孔排布，c:七点式注液钻孔、抽液钻孔排布，d:行列式注液钻孔、抽液钻孔排布。

对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

实施例一

用于处理土壤重金属的装置，所述装置包括配液池(1)，第一离心泵(2)，井场集控室(3)，二氧化碳气源(4)，二氧化碳流量计(6)，液态氧气贮罐(7)，氧气气化器(8)，氧气流量计(9)，注液钻孔(10)，抽液钻孔(11)，潜水泵(12)，集液池(13)，过滤器(14)，离子交换塔(15)，第二离心泵(16)；其中所述配液池(1)的出口采用管道连接至第一离心泵(2)的进口，所述第一离心泵(2)的出口连接注液总管进入所述井场集控室(3)并分成与所述注液孔数量相同的注液钻孔支管，所述注液钻孔支管连接所述注液钻孔(10)，所述潜水泵(12)设置在所述抽液钻孔(11)的底部，该潜水泵(12)的出口通过管道连接至集液池(13)的入口，所述集液池(13)的出口通过管道连接至第二离心泵(16)的入口，第二离心泵(16)的出口与所述过滤器(14)的入口管道相连，所属过滤器(14)的出口与所述离子交换塔(15)的入口管道相连，所述离子交换塔(15)的出口与所述活性炭吸附塔(18)入口管道相连，所述活性炭吸附塔(18)与所述配液池(1)的入口管道相连。

在每根所述注液钻孔支管上设置流量显示及调节设备，所述过滤器为袋式过滤器，过滤过程采用两级不同过滤精度的过滤器串联进行过滤。离子交换塔采用3塔串联之后串联一个活性炭吸附塔进行重金属离子吸附。注液钻孔和所述抽液钻孔排布形式为中心位置七点式，边角部位采用五点型或行列式布置。注液钻孔和所述抽液钻孔的数量比为1：2.5，还包括在需要进行土壤重金属污染处理的区域边界设置观测井共8个。抽液钻孔与注液钻孔之间的距离为15m，所述抽液钻孔和注液钻孔内部设置upvc材质套管。

二氧化碳经过二氧化碳流量计计量后进入注液总管，注液总管在井场集控室中通过流量计控制后分配至不同注液钻孔支管，气化后的氧气经过氧气流量计计量后通入注液钻孔支管配制成成溶浸剂并通入每个注液钻孔；

所述溶浸液流经被污染土壤层将土壤中的重金属浸出，浸出液通过潜水泵从被污染土壤层沿抽液钻孔中抽液支管提升至地表；各所述抽液支管中的浸出液汇总进入集液池，集液池中的浸出液通过第二离心泵送至两级不同精度串联的袋式过滤器，由过滤工序将其中的固体颗粒物去除；经过过滤工序的浸出液进入重金属回收工序，通过三个串联工作的离子交换塔之后串联一个活性炭吸附塔去除重金属离子，活性炭吸附塔出口吸附尾液重新返回配液池回用继续配制浸出液。

其中溶浸液中溶解的二氧化碳量为300mg/l，所述浸出液当中余氧含量为50mg/l。

所述重金属回收工序还包括离子交换树脂淋洗脱附工序和离子交换树脂再生工序。

实施例二

用于处理土壤重金属的装置，所述装置包括配液池(1)，第一离心泵(2)，井场集控室(3)，二氧化碳气源(4)，二氧化碳流量计(6)，液态氧气贮罐(7)，氧气气化器(8)，氧气流量计(9)，注液钻孔(10)，抽液钻孔(11)，潜水泵(12)，集液池(13)，过滤器(14)，离子交换塔(15)，第二离心泵(16)，活性炭吸附塔(18)；其中所述配液池(1)的出口采用管道连接至第一离心泵(2)的进口，所述第一离心泵(2)的出口连接注液总管进入所述井场集控室(3)并分成与所述注液孔数量相同的注液钻孔支管，所述注液钻孔支管连接所述注液钻孔(10)，所述潜水泵(12)设置在所述抽液钻孔(11)的底部，该潜水泵(12)的出口通过管道连接至集液池(13)的入口，所述集液池(13)的出口通过管道连接至第二离心泵(16)的入口，第二离心泵(16)的出口与所述过滤器(14)的入口管道相连，所属过滤器(14)的出口与所述离子交换塔(15)的入口管道相连，所述离子交换塔(15)的出口与所述活性炭吸附塔(18)入口管道相连，所述活性炭吸附塔(18)与所述配液池(1)的入口管道相连。

在每根所述注液钻孔支管上设置流量显示及调节设备，所述过滤器为袋式过滤器，过滤过程采用二级不同过滤精度的过滤器串联进行过滤。离子交换塔采用4塔串联之后串联一个活性炭吸附塔形式进行重金属离子吸附。注液钻孔和所述抽液钻孔排布形式为中心位置七点式，边角部位采用四点型或行列式布置。注液钻孔和所述抽液钻孔的数量比为1：2.25，还包括在需要进行土壤重金属污染处理的区域边界设置观测井共10个。抽液钻孔与注液钻孔之间的距离为10m，所述抽液钻孔和注液钻孔内部设置upvc材质套管。

液态二氧化碳和液态氧气分别经过气化恒压设备气化后，二氧化碳经过二氧化碳流量计计量后进入注液总管，注液总管在井场集控室中通过流量计控制后分配至不同注液钻孔支管，气化后的氧气经过氧气流量计计量后通入注液钻孔支管配制成成溶浸剂并通入每个注液钻孔；

所述溶浸液流经被污染土壤层将土壤中的重金属浸出，浸出液通过潜水泵从被污染土壤层沿抽液钻孔中抽液支管提升至地表；各所述抽液支管中的浸出液汇总进入集液池，集液池中的浸出液通过第二离心泵送至二级不同精度串联的袋式过滤器，由过滤工序将其中的固体颗粒物去除；经过过滤工序的浸出液进入重金属回收工序，通过4个串联工作的离子交换塔之后串联一个活性炭吸附塔去除重金属离子，活性炭吸附塔出口吸附尾液重新返回配液池回用继续配制浸出液。

其中溶浸液中溶解的二氧化碳量为200mg/l，所述浸出液当中余氧含量为60mg/l。

所述重金属回收工序还包括离子交换树脂淋洗脱附工序和离子交换树脂再生工序。

实施例三

用于处理土壤重金属的装置，所述装置包括配液池(1)，第一离心泵(2)，井场集控室(3)，液态二氧化碳贮罐(4)，二氧化碳气化器(5)，二氧化碳流量计(6)，液态氧气贮罐(7)，氧气气化器(8)，氧气流量计(9)，注液钻孔(10)，抽液钻孔(11)，潜水泵(12)，集液池(13)，过滤器(14)，离子交换塔(15)，第二离心泵(16)；其中所述配液池(1)的出口采用管道连接至第一离心泵(2)的进口，所述第一离心泵(2)的出口连接注液总管进入所述井场集控室(3)并分成与所述注液孔数量相同的注液钻孔支管，所述注液钻孔支管连接所述注液钻孔(10)，所述潜水泵(12)设置在所述抽液钻孔(11)的底部，该潜水泵(12)的出口通过管道连接至集液池(13)的入口，所述集液池(13)的出口通过管道连接至第二离心泵(16)的入口，第二离心泵(16)的出口与所述过滤器(14)的入口管道相连，所属过滤器(14)的出口与所述离子交换塔(15)的入口管道相连，所述离子交换塔(15)的出口与所述活性炭吸附塔(18)入口管道相连，所述活性炭吸附塔(18)与所述配液池(1)的入口管道相连。

在每根所述注液钻孔支管上设置流量显示及调节设备，所述过滤器为袋式过滤器，过滤过程采用二级不同过滤精度的过滤器串联进行过滤。离子交换塔采用5塔串联之后串联2个活性炭吸附塔形式进行重金属离子吸附形式进行重金属离子吸附。注液钻孔和所述抽液钻孔排布形式为中心位置七点式，边角部位采用四点型或行列式布置。注液钻孔和所述抽液钻孔的数量比为1：2.75，还包括在需要进行土壤重金属污染处理的区域边界设置观测井共18个。抽液钻孔与注液钻孔之间的距离为20m，所述抽液钻孔和注液钻孔内部设置upvc材质套管。

液态二氧化碳和液态氧气分别经过气化恒压设备气化后，二氧化碳经过二氧化碳流量计计量后进入注液总管，注液总管在井场集控室中通过流量计控制后分配至不同注液钻孔支管，气化后的氧气经过氧气流量计计量后通入注液钻孔支管配制成成溶浸剂并通入每个注液钻孔；

所述溶浸液流经被污染土壤层将土壤中的重金属浸出，浸出液通过潜水泵从被污染土壤层沿抽液钻孔中抽液支管提升至地表；各所述抽液支管中的浸出液汇总进入集液池，集液池中的浸出液通过第二离心泵送至二级不同精度串联的袋式过滤器，由过滤工序将其中的固体颗粒物去除；经过过滤工序的浸出液进入重金属回收工序，离子交换塔采用5塔串联之后串联2个活性炭吸附塔形式去除重金属离子，活性炭吸附塔出口吸附尾液重新返回配液池回用继续配制浸出液。

其中溶浸液中溶解的二氧化碳量为400mg/l，所述浸出液当中余氧含量为30mg/l。

所述重金属回收工序还包括离子交换树脂淋洗脱附工序和离子交换树脂再生工序。

为了易于说明，实施例中使用了诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个与另一个具有相同名称的部件区分开来，而不一定要求或者暗示这些部件之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上对发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。