一种修复污染土壤的方法和装置与流程

本发明属于环境保护技术领域，具体地涉及污染土壤的修复，更具体地涉及一种干馏+炭吸附材料+生物炭组合的修复污染土壤方法。

本发明还涉及用于实现上述方法的装置。

背景技术：

由于工业迅猛发展，固体废物不断向土壤表面堆放和倾倒，有害废水不断向土壤中渗透，大气中的有害气体及飘尘也不断随雨水降落在土壤中，导致了土壤被污染，不仅妨碍了土壤的正常功能，降低了作物产量和质量，还通过粮食、蔬菜、水果等间接影响人体健康。而所有这些对土壤、对人体有害的物质，都叫做土壤污染物。

土壤污染物大致可分为无机污染物和有机污染物两大类。无机污染物主要包括酸、碱、重金属，盐类、放射性元素铯、锶的化合物、含砷、硒、氟的化合物等。有机污染物主要包括有机农药、酚类、氰化物、石油、合成洗涤剂、3，4-苯并芘以及由城市污水、污泥及厩肥带来的有害微生物等。当土壤中含有害物质过多，超过土壤的自净能力，就会引起土壤的组成、结构和功能发生变化，微生物活动受到抑制，有害物质或其分解产物在土壤中逐渐积累通过“土壤→植物→人体”，或通过“土壤→水→人体”间接被人体吸收，达到危害人体健康的程度，就是土壤污染。

环保部自2005年4月至2013年12月开展了历时8年的调查。环境保护部和国土资源部联合发布《全国土壤污染状况调查公报》，调查结果显示，部分地区土壤污染较重，耕地土壤环境质量堪忧，工矿业废弃地土壤环境问题突出。全国土壤总的点位超标率为16.1％，南方土壤污染重于北方，长三角、珠三角、东北老工业基地等部分区域土壤污染问题较为突出，西南、中南地区土壤重金属超标范围较大。

在调查的690家重污染企业用地及周边土壤点位中，超标点位占36.3％，主要涉及黑色金属、有色金属、皮革制品、造纸、石油煤炭、化工医药、化纤橡塑、矿物制品、金属制品、电力等行业。调查的工业废弃地中超标点位占34.9％，工业园区中超标点位占29.4％。在调查的188处固体废物处理处置场地中，超标点位占21.3％，以无机污染为主，垃圾焚烧和填埋场有机污染严重。调查的采油区中超标点位占23.6％，矿区中超标点位占33.4％，55个污水灌溉区中有39个存在土壤污染，267条干线公路两侧的1578个土壤点位中超标点位占20.3％。此外，重金属镉污染加重，全国土地镉含量增幅最多超过50％。据调查结果显示，镉、汞、砷、铜、铅、铬、锌、镍这8种重金属为主的无机物的超标点位，占了全部超标点位的82.8％，其中又以镉污染占大头，达到7％。镉的含量在全国范围内普遍增加，在西南地区和沿海地区增幅超过50％，在华北、东北和西部地区增加10％～40％。

目前，修复污染土壤的技术很多，都具有一定的改良效果，但也都具有一定的局限性，单一方法的应用往往效率不高，难于达到预期目标，无法解决目前我国的污染土地修复难题。

能否有一种采用多种工艺组合形成的修复污染土壤的复合技术，应用范围广，既可原位修复也可异地修复，不产生二次污染，系统有效地解决污染土壤修复及再污染问题，实现污染土壤修复的无害化、稳定化？经过细致检索目前这样的技术未见报道，也是业界的研究工作者迫切需要攻克的难题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的一个目的在于提供一种修复污染土壤的方法。

本发明的又一目的在于提供一种用于实现上述方法的装置。

为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，本发明提供了一种修复污染土壤的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤s1，确定污染土壤所在区域的污染范围；

步骤s2，将步骤s1确定的污染范围内的土壤挖出进行干馏处理；

步骤s3，在步骤s2挖出污染土壤后的区域底部土层表面采用炭吸附材料作一个隔断保护层；

步骤s4，将经过步骤s2干馏处理后修复的土壤回填到挖出污染土壤并在底部用炭吸附材料建设了隔断保护层的区域，并向上层回填的土壤中添加生物炭；

步骤s5，在经过步骤s4修复回填并添加了生物炭的土壤上种植植物以进行绿色修复。

作为本发明的另一个方面，本发明还提供了一种修复污染土壤的装置，其特征在于，所述装置包括挖掘设备、输送设备、破碎设备、筛分设备和干馏设备，用于分别对污染土壤进行挖掘、输送、破碎、筛分和干馏处理；

其中，所述输送设备包括第一输送设备、第二输送设备和第三输送设备；挖掘设备通过第一输送设备与破碎设备连接；破碎设备通过第二输送设备与干馏设备进料口连接；经过干馏处理后的修复土壤通过第三输送设备输送回挖掘所述污染土壤的区域回填；以及

所述于馏装置为集装箱式干馏设备，装载在集装箱内，便于运输。

基于上述技术方案可知，本发明的方法和装置可以实现：(1)污染土壤的无害化、稳定化处置；(2)处理污染土壤的设施占地面积小、自动化程度高，且能够对污染土壤进行原地治理；(3)在修复后回填的土壤与底部原始土壤层之间采用炭吸附材料建立的隔断保护层，可以避免污染土壤治理修复后，底部深层土壤中残存的污染物质随地下水上升重新对土壤造成污染；(4)采用干馏法处理污染土壤，可以避免焚烧法、化学法等传统的污染土壤处理方法在处理过程中对治理区域周围空气和环境造成的二次污染；(5)通过干馏可以将污染土壤中的重金属玻璃化、固化。

附图说明

图1是本发明修复污染土壤的装置各设备作用与土层对应示意图；

图2是作为本发明一个优选实施例的修复污染土壤方法的流程图；

图3是作为本发明一个优选实施例的修复污染土壤的干馏设备的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明公开了一种修复污染土壤的方法，包括以下步骤：

步骤s1，确定污染土壤所在区域的污染范围；

步骤s2，将步骤s1确定的污染范围内的土壤挖出进行干馏处理；

步骤s3，在步骤s2挖出污染土壤后的区域底部土层表面采用炭吸附材料作一个隔断保护层；

步骤s4，将经过步骤s2干馏处理后修复的土壤回填到挖出污染土壤并在底部用炭吸附材料建设了隔断保护层的区域，并向上层回填的土壤中添加生物炭；

步骤s5，在经过步骤s4修复回填并添加了生物炭的土壤上种植植物以进行绿色修复。

其中，步骤s1中通过钻探设备对污染土壤治理区域的土壤进行钻探、取样，检测土壤污染层深度、面积，分析污染物种类，确定污染范围。

其中，步骤s2中通过集装箱式干馏设备对挖出的污染土壤进行干馏处理。

其中，步骤s2对污染土壤进行干馏过程中，污染土壤中的有机污染物热解所产生的干馏汽通过气体处理设备进行净化、分离、回收处理，所产生的可燃气输送回干馏设备中作为燃料，所产生的干馏液输送到储罐中回收。

其中，步骤s3中建设隔断保护层的炭吸附材料厚度为100～300mm。所述炭吸附材料可以是活性炭或/和活性焦。

其中，步骤s4中向回填土壤中添加生物炭的步骤包括：

在回填修复土壤表面按每亩2～3吨播撒生物炭；播撒后将生物炭与表面200～300mm厚的修复土壤进行混合。

所述生物炭，是以污水处理厂污泥、有机生活垃圾、秸秆为原料，通过干馏制成的土壤改良剂。

本发明还公开了一种修复污染土壤的装置，所述装置包括挖掘设备、输送设备、破碎设备、筛分设备和干馏设备，用于分别对污染土壤进行挖掘、输送、破碎、筛分和干馏处理；

其中，所述输送设备包括第一输送设备、第二输送设备和第三输送设备；挖掘设备通过第一输送设备与破碎设备连接；破碎设备通过第二输送设备与干馏设备进料口连接；经过干馏处理后的修复土壤通过第三输送设备输送回挖掘所述污染土壤的区域回填；以及

所述修复污染土壤的装置装载在集装箱中，便于运输。

其中，所述的装置还包括：气体处理设备，用于对干馏污染土壤过程中产生的干馏汽进行净化分离处理，气体处理设备进汽口通过管道与干馏设备干馏汽出口连接，气体处理设备干馏液出口与储罐进口连接。

作为本发明的一个优选实施例，本发明公开了一种修复污染土壤的方法，如图1所示，包括以下步骤：

一、对土壤污染区域进行钻探、取样

采用钻探设备对计划治理的土壤污染区域的土壤进行钻探、取样，检测污染土壤深度、面积，分析污染土壤中污染物种类等，并根据污染土壤的勘测结果及周围环境情况制定污染土壤修复方案。

二、将污染土壤挖掘出来后进行干馏处理

将污染土壤修复成套设备运到施工现场。并将挖掘设备、第一输送装置、破碎设备、第二输送装置、干馏设备、冷却设备、第三输送设备、气体处理设备、储罐、集装箱控制室、集装箱式发电机等安放到位。

用挖掘设备将污染土壤挖掘出来，通过第一输送装置输送到破碎设备中，将污染土壤中的石头等大块物质进行破碎。将破碎处理后的污染土壤通过第二输送设备输送到干馏设备中。

启动干馏设备，将污染土壤在干馏设备内进行干馏处理。干馏过程中产生的干馏汽通过管道输送到气体处理设备中进行净化分离处理。干馏汽经过净化分离处理后产生的可燃气输送回干馏设备中作为燃料，干馏汽经过净化分离处理后产生的干馏液输送储罐进行回收。

污染土壤经过干馏处理后成为修复土壤从干馏设备中排出后输送到冷却设备进行冷却处理。

对冷却后的修复土壤进行化验，检测干馏后的修复土壤是否达到环保标准和安全指标。

三、在污染土壤清理后的土坑底部铺垫炭吸附材料

当部分污染区域的污染土壤已经完全由挖掘设备清理出来之后，首先在清理出污染土壤的土坑最底部的原始土层上面铺垫100～300mm厚的炭吸附材料作为隔断保护层，用于过滤吸附截留深层土壤中残留的、随地下水向上渗透的污染物。然后在使用炭吸附材料建设的隔断保护层上方回填干馏后经过检测达到环保标准和安全指标的修复土壤。

四、将回填的修复土壤添加生物炭

当回填的修复土壤达到设计的地面高度时，在修复土壤上方撒上生物炭，按每亩2～3吨播撒。播撒后将生物炭与表面200～300mm厚的修复土壤进行混合，一方面增加修复土壤中的有机质和养份，便于在恢复修复土壤的植被，另一方面修复土壤中的生物炭也起到吸附局部土壤中残留的、随地下水向上渗透的污染物，进一步保护修复土壤及周围的生态环境。

五、在混合了生物炭的修复土地上种植植物(包括草本植物、灌木、乔木)进行绿色修复，也称为生物修复或绿色修复。

定期对修复土壤进行检测，观察修复土壤中是否有污染物，并在混合了生物炭的修复土壤中种植树木、蔬菜、花卉等植物，每年对修复土壤上面生长的植物或蔬菜进行检测，观察上述植物根茎果实或蔬菜中是否有污染物，经过几年的观察，如果修复土壤以及修复土壤中种植的植物根茎果实或蔬菜均未检测到污染物，则证明该污染土壤已经修复。

这里所使用的炭吸附材料可以是活性炭和/或活性焦，优选是以兰炭为原料，经过活化制成的活性焦。

这里的干馏污染土壤的步骤，是在无氧条件下对污染土壤加热，通过高温使污染土壤中的有机污染物发生热裂解。其气态产物主要是可燃的低分子化合物：气态的有氢气、甲烷、一氧化碳等。污染土壤中的金属通过高温氧化→钝化→灰分固化。根据美国相关公司的研究，污染土壤中90％以上的重金属如cd、co、cr、cu、fe、ni、pb及zn等被高温氧化、钝化，实现了玻璃化，该研究已经通过美国环境保护局的相关实验验证，结果完全符合我国相关国家标准。

作为优选，如图2所示，本发明公开了一种修复污染土壤的方法，其中对一些工艺过程和参数要求更加精细，例如土壤筛分要求在8cm以下。

作为优选，这里所使用的生物炭是以污水处理厂污泥、有机生活垃圾、秸秆等为原料，通过干馏制成，其主要作用包括：

(1)具有吸附voc(挥发性有机化合物)的能力；

(2)在农业土壤修复中可防治多种植物病害；

(3)可用于工业用地如农药厂搬迁遗留的土壤修复；

(4)具有吸附重金属和各种农药残留的能力；

(5)具有促进微生物降解的能力，可以为微生物提供适宜的生态环境，促进微生物的生长繁殖，从而提高其对有害物质的降解能力；

(6)生物炭为弱碱性，具有酸性土壤的中和效果；

(7)可修复农作物连作种植对土壤的伤害；

(8)其多孔性形成的透水性、通气性可修复粘土质土壤；

(9)其多孔性形成的保水性、保肥性可修复砂化土壤。

作为本发明的一个优选实施例，本发明还公开了一种修复污染土壤的装置，其包括：

一钻探设备，用于对污染土壤进行钻探、取样。

干馏污染土壤成套移动设备，包括：挖掘设备、第一输送装置、破碎设备、第二输送装置、干馏设备、冷却设备、气体处理设备、储罐、集装箱控制室、集装箱发电机组、集装箱生活设施。

所述的集装箱式生活设施包括：集装箱住宅、集装箱厨房、集装箱餐厅、集装箱式休息室。集装箱住宅内安装有双人高低床、淋浴间、坐便、洗脸池。集装箱厨房内安装有橱柜、猛火灶、电冰箱、洗菜盆、消毒柜等。集装箱餐厅内安装有餐桌和餐椅。集装箱休息室内安装有电视、座椅等。

所述的干馏设备，包括平台集装箱、螺旋输送机、冷却设备、烟囱、控制柜、进料仓等。

所述的干馏设备，采用常规原理的干馏设备，只要能够满足在无氧状态下对污染土壤进行热解即可。作为优选，可以采用回转窑，也可以采用如图3所示的干馏设备，上述设备集成安置在一平台集装箱中，便于运输和移动。加热设备外围用高温耐火材料制成保护衬垫，防止高温将箱体损坏。

图3所示的设备中，加热室10中间为高温耐火材料制成的间隔墙11，将加热室10分成两部分，其中炉尾1一端的加热室10为高温区13，炉头20一端的加热室10为低温区14；

加热室10的高温区13一侧壁上安装有3个温度传感器15，高温区13两侧壁上各安装3～6个燃气设备16。该干馏设备运行时，通过高温区13的3个温度传感器15监测，并通过调整各个燃气设备16的供热量，控制高温区13内不同区域内的温度，其中，高温区13且靠近炉尾1一端的区域，温度为700～850℃，高温区13且靠近间隔墙11一端的区域，温度为500～600℃；

加热室10的低温区14一侧壁上安装有3个温度传感器15，低温区14且靠近间隔墙11一端两侧壁上各安装1～2个燃烧设备16。该干馏设备运行时，通过低温区14的3个温度传感器15监测，并通过调整各个燃烧设备16的供热量，控制低温区14内不同区域内的温度，其中，低温区14且靠近间隔墙11一端的区域，温度为300～400℃；低温区14且靠近炉头20一端的区域，温度为100～200℃；

炉尾1下部的出料口3上安装有双层重锤翻板卸灰阀4，干馏设备运行时，污染土壤在其重量的作用下通过双层重锤翻板卸灰阀4排出，同时双层重锤翻板卸灰阀4可以防止空气进入炉尾1内；

加热室10内且间隔墙11的下部有1-2通气道12，干馏设备运行时，高温区13内的气体经过通气道12进入低温区14，将低温区进行加热。加热室10且低温区14、靠近炉头20一端的顶部有烟气出口19，加热室内的废气通过烟气出口19排出；

炉头20的顶部有水蒸汽出口22，水蒸汽出口22上部有调节阀23，调节阀23上部为水蒸汽排放管24；

炉尾1的顶部有可燃气体出口2，炉尾1侧壁上有负压检测设备5。干馏设备运行时，可燃气排送风机将位于高温区的滚筒7内产生的可燃气体由可燃气体出口2抽出，然后通过可燃气排送风机27、可燃气管18输送到燃气设备16。干馏设备运行时，通过负压检测设备5检测和控制可燃气排送风机27运转，避免炉尾1内出现负压。

炉头20、炉尾1与滚筒7连接部位以及滚筒7与加热室10连接部位有密封装置28。

燃气设备16的燃气进口与两根燃气管道连接，其中一根为外来燃气管17、另一根为干馏设备滚筒7内产生的可燃气管18，每根管道上均安装有阀门，燃气设备16由助燃风机6提供燃烧时所需的空气。

污染土壤经炉头20安装的螺旋输送机21输送进入滚筒7，污染土壤在滚筒7内翻料板8的作用下，向炉尾方向翻滚、移动。污染土壤在滚筒7内的再生时间为90～120分钟；

滚筒7采用耐高温不锈钢材料制作，两端坐落在托辊9上，滚筒7一端有齿圈25，驱动装置26通过齿圈25驱动滚筒7旋转。滚筒7的转速调整范围为2～5转/分，滚筒7的长径比为10～15∶1，滚筒7倾角为1～2°。滚筒7内污染土壤装填系数为0.2～0.3。

所述的气体处理设备，可以采用喷淋塔和/或间冷器。

本发明的方法经过实际试用，并与现有的土壤修复技术进行比较，具有如下优点和有益效果：

(1)相对于基本处于实验室研究阶段的土壤淋洗法，虽然该技术利用流体去除土壤污染物，实现某些危险物质的分离、隔离、体积减少和危险物质的无害化转变，效果较好，但是该技术处理过程使大量土壤养分淋失，并严重破坏土壤微团聚体结构，土壤本身无法再利用，同时淋洗过程中会产生大量的废液，对土壤造成二次污染，且大量废液污染地下水，对周围居民生活和健康造成严重影响，可能造成很大的危害；

(2)相对于热解吸法，虽然该技术效果较好，尤其对hg污染土壤，已实现商业化运作，修复时间短，但是该技术会导致土壤有机质和结构水遭到破坏，驱赶土壤水分需要消耗大量的能量，并易造成二次污染；

(3)相对于固化稳定法，虽然该技术形成的固化体永久稳定，可作为建筑材料，实现无害化处理，但是该技术所需温度较高，需要损耗大量的能量，难以大面积的使用和推广；

(4)相对于土壤蒸汽抽提法(sve)，虽然该技术对挥发性和半挥发性有机污染物去除率较高，对土壤结构扰动小，且可以低成本处理大面积的土壤，实现清洁排放，但是该技术受土壤透气性影响大，以及难以提高处理效率(难以超过90％)；

(5)相对于单纯的植物修复法，虽然该技术效果显著，但是该技术尚未成熟，仍需深入研究，且该技术耗费时间长，处理强度有限。

综上所述，本发明的修复方法可以实现资源化处置、占地面积小、处理量大、自动化程度高、且能够原地治理。实在属于值得大范围推广使用的高新技术。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。