一种土壤异位淋洗筛分联锁控制系统及其淋洗筛分方法与流程

本发明涉及一种用于受重金属、营养元素、难降解有机物等污染的土壤治理和修复的淋洗系统，属于土壤淋洗技术领域。

背景技术：

土壤是地球表面的一层疏松的物质，由岩石风化而成的矿物质、动植物，微生物残体腐解产生的有机质、土壤生物(固相物质)以及水分(液相物质)、空气(气相物质)，氧化的腐殖质等组成，能生长植物。土壤颗粒通过不同的堆积方式相互粘结而形成土壤结构。除砂土外，土壤颗粒在自然条件下是聚集在一起以土壤结构的形式表现出来，而土壤质地对土壤生产性状的影响也是通过土壤结构性表现出来。土壤结构的类型有片状的、块状的、柱状的和小颗粒粒状的。

随着工业化进程的不断加快，矿产资源的不合理开采及其冶炼排放、长期对土壤进行污水灌溉和污泥施用、人为活动引起的大气沉降、化肥和农药的施用等原因，造成了土壤受到严重污染。

我国土壤修复技术研究起步较晚，加之区域发展不均衡，土壤类型多样，污染场地特征多变，污染类型复杂，技术需求多样等因素，实施难度较大。目前较为常见的土壤修复技术归纳起来常用的主要有化学淋洗法、热力学修复法、热解吸修复法、焚烧法、土地填埋法、堆肥法、植物修复法、渗透反应墙法和生物修复法等几种。

其中，化学淋洗法是利用淋洗液或化学助剂与土壤中的污染物结合，并通过淋洗液的解吸、螯合、溶解或固定等化学作用，达到修复污染土壤的目的。是目前土壤修复行业常用的主要技术之一。根据淋洗场地位置不同，可分为原位淋洗和异位淋洗，其中异位淋洗又可分为现场修复和离场修复。

其中，原位土壤淋洗修复技术是根据污染物分布的深度，让淋洗液在重力或外力作用下流过污染土壤，使污染物从土壤中迁移出来，并利用抽提井或采用挖沟的办法收集洗脱液。洗脱液中污染物经合理处置后，淋洗液可以进行回用或达标排放，处理后的土壤可以再安全利用。原位土壤淋洗修复技术适用于水力传导系数大于10cm/s的多空隙、易渗透的土壤，如沙土砂砾土壤、冲积土和滨海土等。去除吸附态污染物，包括重金属、易挥发卤代有机物和非卤代有机物。

异位土壤淋洗修复技术则包括以下流程：

(1)挖掘土壤。

(2)土壤颗粒筛分，剔除杂物如垃圾、有机残体、玻璃碎片等，并将粒径过大的砾石移除。

(3)淋洗处理，在一定的土液比下将污染土壤与淋洗液混合搅拌，待淋洗液将土壤污染物萃取后，静置，进行固液分离。

(4)淋洗废液处理，含有悬浮颗粒的淋洗废液经处理后，可再次用于淋洗

(5)挥发性气体处理达标后排放。

(6)淋洗后的土壤符合控制标准，进行回填或安全利用，淋洗废液处理中产生的污泥经脱水后可再进行淋洗或送至最终处置场处理。

异位土壤淋洗修复技术适用于粘粒含量低于25％，被重金属、放射性核素、石油烃类、挥发性有机物、多氯联苯和多环芳烃等污染的土壤。

原位土壤淋洗修复技术要让淋洗液在重力或外力作用下流过污染土壤，并利用抽提井或采用挖沟的办法收集洗脱液。淋洗过程和洗脱液回收过程难以精确控制，产生二次污染的可能性较大，因此具备条件时一般采用异位土壤淋洗修复技术。

中国专利文献cn106238451a公开的土壤异位淋洗修复技术如《一种含重金属的废渣或土壤的淋洗工艺及装置》公开了一种含重金属的废渣或土壤的淋洗工艺及装置。该淋洗工艺包括：破碎、筛选、淋洗、淋洗液自动收集导排、动态监测、重复淋洗等步骤。该淋洗装置包括：破碎机、运输装置、筛分机、淋洗场、喷淋装置、至少两个收集池和沉淀池等。实现了污染土壤的异位淋洗。该工艺但未充分考虑土壤中污染物在不同粒径的分布特征，筛分和淋洗目的性不强，筛分和淋洗效率较差。

中国专利文献cn105598147a公开的土壤异位淋洗修复技术如《一种土壤清洗装置及其清洗方法》本发明公开了一种土壤清洗装置及其清洗方法，该清洗装置包括颗粒分级单元、土壤清洗单元及污水处理单元，该颗粒分级单元用于将土壤分离成粒径不同的颗粒，该土壤清洗单元用于通过添加药剂及清水对分离后的土壤颗粒进行清洗，该污水处理单元将清洗后的土壤进行固液分离，分离后的滤饼改良后回填，分离后的污水进行深度处理。本发明将污染土壤进行多次粒径分级，然后将目标污染物集中存在的粒径范围内的土壤与淋洗剂混合投加到淋洗反应器中，并控制在一定的条件下进行多级清洗，将洗过的土壤分离出来，回填或作深度处理，富集了污染物的废液经过处理后排放或回用。该方法尽管明确了土壤中污染物在不同粒径的分布特征，但未充分考虑现行技术装备的技术水平，未明确现有清洗装备的构造，清洗过程针对性差，效率较低。

cn103588367a公开的与土壤性质较为接近的异位淋洗修复技术如《多级自控筛分重金属污染土壤异位治理系统》，主要包括调节池、第一调理池、第二调理池、第三调理池和第三调理池；第一调理池上部设置有振动筛，调节池与振动筛之间连接有输送渣浆泵；振动筛中自上至下设置有三层筛网，每层筛网分别与一套皮带输送机连接；第二调理池的上部设有螺旋洗砂机，螺旋洗砂机与第四套皮带输送机连接，第三调理池和第三调理池的上部均设有水力旋流器，两个水力旋流器各与一套皮带输送机连接，三个调理池中均设置有搅拌机、渣浆泵和粒径分析仪。该系统虽然充分考虑了含砂石比例较大的重金属污染土壤的技术实施难度，明确了中污染物在不同粒径的分布特征和淋洗的过程，但未充分考虑土壤与土壤含水率的差别，特别是污染场地建设过程中处置建筑垃圾不当带来的碎石含量高和大、小颗粒物相互粘附的特征。

为此，亟待针对土壤含水率低、碎石含量高和大、小颗粒物相互粘附，黏块多的特点，结合土壤中污染物的粒径分布特征、现有淋洗技术装备的结构和运行特点以及资源化利用途径(主要指按照gb14684-2011和gb14685-2011的分类要求以及jgj52-2006和jgj55-2011的建材用砂和卵石级配使用要求)，开发适合的污染土壤专用的异位淋洗系统，对不同粒径和不同污染物含量的土壤进行淋洗和筛分处理，减轻后续处理处置压力的同时，可实现筛分后不同粒径土壤的资源化利用。

技术实现要素：

本发明针对土壤含水率低、碎石含量高和大、小颗粒物相互粘附，黏块多的特点，结合土壤污染的粒径分布特征和现有技术装备的结构和运行特点，提供一种自动控制变换运行方式，精确淋洗和筛分，效率高，效果好的土壤异位淋洗筛分联锁控制系统，同时提供一种该淋洗系统的淋洗筛分方法。

本发明的土壤异位淋洗筛分联锁控制系统，采用以下技术方案：

该系统，包括淋洗装置、筛分装置和变频喷淋管路；淋洗装置包括淋洗滚筒、物料变送装置和调速驱动装置，淋洗滚筒与调速驱动装置连接，物料变送装置设置在淋洗滚筒中；筛分装置连接在淋洗滚筒的出口端；变频喷淋管路设置于淋洗装置中。

所述淋洗装置通过称重输送机与打散给料机连接(打散给料机、称重输送机和淋洗筛分装置依次连接)。打散给料机用于将土壤打散并推进至称重输送机；称重输送机用于将含水率较低的打散土壤称量并输送至淋洗筛分装置。

所述淋洗滚筒入口处设置有进口重金属在线监测仪，检测进入淋洗滚筒内的土壤中污染物含量。

所述调速驱动装置包括变频调速电机和传动机构，变频调速电机与传动机构的输入端连接，传动机构的输出端与淋洗滚筒连接。调速驱动装置可以实现淋洗滚筒正转和反转，且速度可调为低速、中速和高速。

所述物料变送装置，包括沿淋洗滚筒轴向设置的变送单元，每排变送单元包括变送板、转轴、推拉杆和推拉机构，每节变送板通过转轴与推拉杆连接，转轴连接在淋洗滚筒侧壁上，推拉杆与推拉机构连接。推拉机构带动推拉杆轴向移动，推拉杆再带动转轴转动，转轴的转动又改变每节变送板相对轴向的倾斜角度；当所有单排变送单元上的变送板均相对淋洗滚筒轴向倾斜时，所有变送板就形成了螺旋排列，淋洗滚筒转动时，物料就会被螺旋排列的变送板向前或向后推进；当所有单排变送单元上的变送板均平行于淋洗滚筒轴向时，淋洗滚筒转动时，物料就不会被推送，以增加物料在淋洗滚筒内的淋洗时间。

所述筛分装置，包括分级筛网筒，各级筛网筒依次连接，每级筛网筒具有一个筛网孔径，可以根据实际需要依次实现淋洗后不同粒径物料的筛选分离。所述筛网筒的底部设置有接料斗，接料斗下方设置有输送机。所述接料斗中连接有出料重金属在线监测仪，以实时检测各级筛出物中的污染物含量。

所述变频喷淋管路，包括变频高压水泵、供水主管、供水支管和喷头，变频高压水泵与供水主管连接，供水主管上连接有供水支管，供水支管分布在淋洗滚筒内(不与淋洗滚筒连接)，供水支管上分布有喷头。变频喷淋管路可以实现多角度和不同压力喷水。所述供水支管可沿淋洗滚筒内壁轴向布置，以实现在筒体长度方向和径向上对物料的多角度喷淋。

上述系统对土壤进行淋洗筛分的方法，包括以下步骤：

(1)土壤打散供料：

对土壤打散破碎，打散后的土壤输送至淋洗滚筒内；

(2)土壤淋洗：

通过淋洗滚筒入口处的进口重金属在线监测仪，检测进入淋洗滚筒内的土壤中污染物含量，确定土壤污染程度，按照轻度污染、中度污染和重度污染，分别控制调速驱动装置使淋洗滚筒的转速为低速、中速和高速旋转，并按以下方式进行：

①如土壤污染程度确定为轻度污染，则将淋洗滚筒的转速调到低速档对土壤进行清水淋洗分离，通过变频喷淋管路将淋洗用水压力控制为低压、中压和高压；

②如土壤污染程度确定为中度污染，则将淋洗滚筒的转速调到中速档对土壤进行清水淋洗分离,通过变频喷淋管路将淋洗用水压力控制为低压、中压和高压；

③如土壤污染程度确定为重度污染，则将淋洗滚筒的转速调到高速档对土壤进行清水淋洗分离，通过变频喷淋管路将淋洗用水压力控制为低压、中压和高压；

通过调整物料变送装置，控制土壤在淋洗滚筒内的停留时间；

(3)筛分：

控制物料变送装置，使经过淋洗滚筒淋洗后的物料向筛分装置推进，不同粒径的物料落入相应筛网筒下方的接料斗，由接料斗处的出料重金属在线监测仪该粒径物料的污染程度，如果一种粒径物料没有达到设定要求，就控制物料变送装置使物料停止推进，使土壤继续在淋洗滚筒内淋洗，将淋洗滚筒的转速由低速档调到中速挡或由中速档调到高速挡，通过变频喷淋管路淋洗用水压力由低压升至中压或由低压升至高压；直至筛网筒筛分出的每种粒径物料都达到设定要求(满足有关标准要求时)；

(4)如果以上步骤均无法保证分离后的每种粒径物料的污染程度都达到要求，则控制调速驱动装置使淋洗滚筒反向旋转，然后控制物料变送装置使物料不被推进，只在淋洗滚筒内翻转，延长物料在淋洗滚筒内的搅拌淋洗时间，淋洗用水压力控制为低压、中压或高压；直至筛分出的每种粒径物料都达到要求；

(5)如果以上步骤均无法保证分离后的每种粒径物料的污染程度都达到要求，则启动化学淋洗，通过变频喷淋管路进行化学淋洗，或者化学淋洗与清水淋洗交替进行，直至筛分出的每种粒径物料都达到要求。

所述低速转速为10～15r/min、中速转速为15～20r/min和高速转速为20～25r/min。

所述水压的低压为0.25～0.5mpa，中压为0.5～0.75mpa，高压为0.75～1.0mpa。

所述轻度污染、中度污染和重度污染按下表划分，只要土壤中有一种重金属或其他污染物的含量在相应污染程度的含量范围内，就属于该污染程度：

土壤重金属污染程度划分表

本发明针对土壤含水率低、碎石含量高和大、小颗粒物相互粘附，黏块多的特点，结合土壤中污染物的粒径分布特征、现有技术装备的结构和运行特点和资源化利用途径(主要指按照gb14684-2011和gb14685-2011的分类要求以及jgj52-2006和jgj55-2011的建材用砂和卵石级配使用要求)，针对土壤中的碎石(粒径＞4.75mm)和中粗砂(1mm＜粒径＜4.75mm)，充分发挥不同滚筒式淋洗系统的功能优势，对土壤中的上述组分进行重点淋洗筛分，同时充分考虑自控要求，操作简单，便于实施，具有以下特点：

1.充分考虑土壤含水率低和土壤大、小颗粒物相互粘附，黏块多的特点，根据重金属在线监测数据显示的土壤污染程度，自动控制变换设备运行方式，控制不同的滚动搅拌强度、喷淋强度和淋洗时间，实现了精确淋洗，节约能耗和有效避免筛分过程中可能发生的筛孔堵塞等问题的同时，提高了淋洗效率；通过变换可调筛网孔径和数量，实现了不同粒径、不同重金属含量的土壤组分的淋洗分离，达到土壤分类处理的目的。

2.可以灵活调节滚筒的旋转方向和旋转速度，进而调整滚动搅拌强度，达到控制淋洗效果的目的；

3.可以灵活调节喷头的喷淋方向和喷淋用水压力，进而调整淋洗强度，达到控制淋洗效果的目的；

4.可以灵活调节滚筒内的物料变送装置的倾角，进而实现提高淋洗时间，控制淋洗效果；

5.可以灵活调节筛网孔径和数量，进而实现不同粒径土壤组分的筛分目的；

6.可以根据土壤的污染类型和污染程度灵活切换清水淋洗和化学淋洗，最大程度上减小化学淋洗对环境的污染。

7.通过在线检测设备和控制系统的联合使用，实现了淋洗筛分过程的自动控制，有助于实时跟踪处理效果，提高了筛分效率和处理效率。

8.充分结合土壤重金属污染颗粒的粒径分布特征，将后续处理处置对象锁定在较小的范围(通常为1mm以下)内，有效的解决了目前土壤重金属污染治理工作针对性不足的问题，极大的减轻了后续处理处置难度和处置压力。

附图说明

图1是本发明土壤异位淋洗筛分联锁控制系统的结构原理示意图。

图2是本发明中物料变送装置的结构示意图。

图3是物料变送装置的物料推进状态示意图。

图中：1.打散给料机，2.输送机，3.淋洗滚筒，4.供水支管，5.喷头，6.供水主管，7.变频高压水泵，8.变送单元，9.变频调速电机，10.传动装置，11.筛网筒，12.隔环，13.出料重金属在线监测仪，14.接料斗，15.出料输出机，16.进口重金属在线监测仪，17.推拉杆，18.转轴，19.变送板。

具体实施方式

如图1所述，本发明的土壤异位淋洗筛分联锁控制系统，包括打散给料机1、称重输送机2、淋洗装置、筛分装置和变频喷淋管路。打散给料机1、称重输送机2和淋洗装置中的淋洗滚筒3依次连接。打散给料机1和称重输送机2采用现有设备。打散给料机1用于将土壤打散并推进至称重输送机2。称重输送机2用于将含水率较低的打散土壤称量并输送至淋洗滚筒3。称重输送机2可以是螺旋输送机或皮带输送机。筛分装置连接在淋洗装置的出口端。变频喷淋管路布设于淋洗筛分装置的淋洗滚筒3内。

淋洗装置包括淋洗滚筒3、调速驱动装置和物料变送装置。在淋洗滚筒3的进口端设置进口重金属在线监测仪16，以检测进入淋洗滚筒3内物料的污染程度。淋洗滚筒3与调速驱动装置连接；调速驱动装置包括变频调速电机9和传动装置10，变频调速电机9与传动装置10的输入端直接连接或通过减速器连接，传动装置10的输出端与淋洗滚筒3连接。传动装置10可以采用齿轮传动，主动齿轮直接安装在变频调速电机9上或安装在减速器上，被动齿轮设置在淋洗滚筒3上。调速驱动装置可以实现淋洗滚筒正转和反转，且速度可调为低速(10～15r/min)、中速(15～20r/min)和高速(20～25r/min)。淋洗滚筒3中设置有物料变送装置，如图2所示并参见图1，物料变送装置包括沿淋洗滚筒3的轴向设置的多排变送单元8，每排变送单元8包括变送板19、转轴18、推拉杆17和推拉机构(图中未画出)，推拉杆17上通过分布有多节变送板19，每节变送板19通过转轴18与推拉杆17连接，转轴18连接在淋洗滚筒3的侧壁上，推拉杆17与推拉机构连接。推拉机构带动推拉杆17轴向移动，推拉杆17再带动转轴18转动，转轴18的转动又改变每节变送板17相对轴向的倾斜角度。当所有各排变送单元8上的变送板17均相对淋洗滚筒3轴向倾斜时，那么所有变送板17就形成了螺旋排列，淋洗滚筒3转动时，物料就会被螺旋排列的变送板17向前或向后推进。当所有各排变送单元8上的变送板17均平行于淋洗滚筒3轴向(呈水平状态)时，淋洗滚筒3转动时，物料就不会被推送，这样可以增加物料在淋洗滚筒3内的淋洗时间。

筛分装置连接在淋洗滚筒3的出口端，包括分级筛网筒11，各级筛网筒11依次连接，筛网筒11由筛网围成筒形，每级筛网筒11的筛网具有一个孔径，可以根据实际需要依次实现淋洗后不同粒径物料的筛选分离。各级筛网筒的筛网孔径从小到大依次向外布置，可以根据实际需要依次实现滚筒内淋洗后物料从小粒径到大粒径的筛选分离。每级筛网筒11的底部均设置有接料斗14，接料斗14的下方设置有出料输出机15。接料斗14中连接有出料重金属在线监测仪13，以实时检测各级筛出物中的污染物含量。筛出物经出料输出机15输送至指定场地，进行后续处理。为了防止上一级筛网筒落下的物料进入下一级，在相邻筛网筒11之间设置隔环12。

变频喷淋管路，如图1所示，包括变频高压水泵7、供水主管6、供水支管4和喷头5，变频高压水泵7与供水主管6连接，供水主管6上连接有供水支管4，供水支管4分布在淋洗滚筒3内(不与淋洗滚筒3连接)，供水支管4可沿淋洗滚筒3的内壁轴向布置，以实现在筒体长度方向和径向上对物料的多角度喷淋。供水支管4上分布有喷头5。喷头5可采用旋转喷头。变频喷淋管路可以实现多角度和不同压力喷水，达到更好的淋洗目的。

上述系统对土壤进行淋洗筛分的方法，包括以下步骤：

(1)土壤打散供料：

将疏浚后的土壤送至打散给料机1进行破碎打散，打散土壤中的黏土块或黏土与砂石的结合体，打散后的土壤落至称重输送机2上，称重后输送至淋洗滚筒3内。

(2)土壤淋洗：

通过淋洗滚筒3入口处的进口重金属在线监测仪16检测进入淋洗滚筒3内土壤中污染物含量，确定土壤污染程度，按下表分为轻度污染、中度污染和重度污染，只要土壤中有一种重金属或其他污染物的含量在相应污染程度的含量范围内，就属于该污染程度：

土壤重金属污染程度划分表

按照轻度污染、中度污染和重度污染，相应地分别控制调速驱动装置使淋洗滚筒3的转速为低速、中速和高速旋转，并按以下方式进行：

①土壤污染程度确定为轻度污染，则将淋洗滚筒3的转速调到低速档对土壤进行清水淋洗分离，通过变频高压水泵7将淋洗用水压力控制为低压(0.25～0.5mpa)、中压(0.5～0.75mpa)和高压(0.75～1.0mpa)。

②如土壤污染程度确定为中度污染，则将淋洗滚筒3的转速调到中速档对土壤进行清水淋洗分离，将淋洗用水压力控制为低压、中压和高压；

③如土壤污染程度确定为重度污染，则将淋洗滚筒3的转速调到高速档对土壤进行清水淋洗分离，淋洗用水压力控制为低压、中压和高压。

调节物料变送装置，使各变送板17均处于水平状态，物料只在淋洗滚筒3内滚动，不会被推送，这样就可调整土壤在淋洗滚筒3内的停留时间。

(3)筛分：

当土壤在淋洗滚筒3内达到设定的淋洗时间后，控制物料变送装置，使每节变送板17相对轴向的倾斜一定角度，使所有变送板17形成螺旋排列。随着淋洗滚筒3的转动，物料被推向筛网筒11，不同粒径的物料落入相应孔径筛网筒11下方的接料斗14，由接料斗14处的出料重金属在线监测仪13检测该粒径物料的污染程度，如果由一种粒径物料的污染程度没有达到要求，就控制物料变送装置中的各变送板17均处于水平状态，使物料停止推进，继续在淋洗滚筒内淋洗，将淋洗滚筒3的转速由低速档调到中速挡或由中速档调到高速挡，通过变频喷淋管路将淋洗用水压力由低压升至中压或由低压升至高压；直至各筛网筒11筛分出的每种粒径物料都达到要求(满足有关标准要求时，如分离后的卵石和中粗砂(粒径≧2.36mm的部分)满足有关标准和规范gb14685-2011、jgj52-2006和jgj55-2011)；

(4)如果以上步骤均无法保证分离后的每种粒径物料的污染程度都达到要求，则控制变频调速电机9使淋洗滚筒3反向旋转，然后控制物料变送装置中的各变送板17均处于水平状态，使物料停止推进，只在淋洗滚筒内翻转淋洗，延长物料在淋洗滚筒3内的搅拌淋洗时间，淋洗用水压力控制为低压、中压或高压；直至各筛网筒11筛分出的每种粒径物料都达到要求；

(5)如果以上步骤均无法保证分离后的每种粒径物料的污染程度都达到要求，则启动化学淋洗，通过变频喷淋管路进行化学淋洗，或者化学淋洗与清水淋洗交替进行，直至筛分出的每种粒径物料都达到要求。化学淋洗剂的种类及用量可以根据需要确定。