污染土壤的动态深度修复装置及其修复方法与流程

技术领域：

本发明涉及土壤修复和改良技术，特别涉及一种土壤大面积修复和局部深度修复和总体动态修复及实时检测技术相结合的技术。

背景技术：
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土壤是指地球陆地表面的岩土复合体，是人类和陆地生物及部分水生生物的主要生存表面，本申请所述土壤是指陆地表面厚度30m之内的表层土质复合体，其为植物、动物、微生物及人类的生长提供所需要的水、肥、气、热等物质、能量及机械支撑。

土壤是民生和经济发展的重要基础，土壤质量的好坏在很大程度上决定了工业、农业、林业、牧业、渔业和生态的健康发展与否和人类生存的质量。

由于人口急剧增长以及工业和农业及地质和气象等因素，特别是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，以及种植和养殖业产生的土壤结构退化及生物种群恶性蜕变导致了土壤污染。在种植业上，凡是妨碍土壤正常功能，降低作物产量和质量，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及农业连作和过度的土地使用所带来的土壤微生物生态蜕变等。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。

2016年5月28日，中国印发了《土壤污染防治行动计划》（简称“土十条”）。这一计划要求的工作目标是：到2020年，全国土壤污染加重趋势得到初步遏制，土壤环境质量总体保持稳定，农用地和建设用地土壤环境安全得到基本保障，土壤环境风险得到基本管控。到2030年，全国土壤环境质量稳中向好，农用地和建设用地土壤环境安全得到有效保障，土壤环境风险得到全面管控。到本世纪中叶，土壤环境质量全面改善，生态系统实现良性循环。主要指标是：到2020年，受污染耕地安全利用率达到90%左右，污染地块安全利用率达到90%以上。到2030年，受污染耕地安全利用率达到95%以上，污染地块安全利用率达到95%以上。

为促进土壤污染调查、掌握土壤环境质量状况、开展污染治理与修复，改善区域土壤环境质量、构建土壤环境治理体系，本申请旨在对土壤污染提供一种土壤的修复、改良、检测和系统控制技术。

技术实现要素：
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本发明的目的在于提供一种污染土壤的动态深度修复装置及其修复方法，该污染土壤的动态深度修复装置结构简单、设计合理，有利于实现土壤的修复、改良和检测。

本发明污染土壤的动态深度修复装置，其特征在于：包括设在待修复土壤表面上的大面积土壤修复剂施入设备和端头插置在待土壤土壤不同深度土层内的多个灌提探针复合器，所述灌提探针复合器内穿设有用于检测土壤用的探头、用于抽提取样的抽提取样管道和用于灌注深度处理土壤修复剂的灌注管道，所述探头通过数据线与设在灌提探针复合器上的数据采集分析收发器连接，所述灌注管道连通深度处理土壤修复剂。

进一步的，上述多个灌提探针复合器的数据采集分析收发器均与数据处理中心连接。

进一步的，上述数据处理中心与大数据平台和溯源系统进行通讯连接。

本发明污染土壤的动态深度修复方法，其特征在于：先用大面积土壤修复剂施入设备将土壤修复剂及其载体施入土壤中，以进行土壤修复和改良；然后以灌提探针复合器置于土壤中，由探头和数据采集分析收发器完成土壤的检测分析，由与深度处理土壤修复剂连通的灌注管道往相应土壤层中灌注土壤修复剂实现深度修复。

进一步的，上述多个灌提探针复合器的数据采集分析收发器均与数据处理中心连接，数据处理中心与大数据平台和溯源系统进行通讯连接；以技术和设备网络形成的土壤修复的实施和检测平台完成土壤的实时检测、动态深度修复、数据共享和土壤相关产品和相关生态因子的多目标溯源和所述技术和设备的模块化循环使用。

进一步的，上述土壤修复剂的组成为：植物粉碎物5%-95％；微纳米球0.01%-5%、ph调节剂0.01%-50%、土壤修复微生物0.01%-50%或土壤改性剂0.01%-30%中的全部或三种、四种、五种。

进一步的，上述植物粉碎物为椰康、棉籽壳或秸秆粉碎物，所述ph调节剂为氧化钙；所述土壤修复微生物为益生菌，所述土壤表面上还覆设一定密植度的植物。

进一步的，上述土壤修复剂载体为：植物粉碎物、植物微球、琼脂球、陶粒或活性炭组成的球形或其它形状的微纳米至厘米级固体或胶体；植物粉碎物、植物微球、琼脂球、陶粒或活性炭不仅具有微生物滋养和附着的作用，以及氧化剂和ph调节剂的缓释作用，而且具有改变土壤结构的作用。

进一步的，地下铺设有收集检测管道，所述收集检测管道是铺设在土壤一定深度的、其底部封闭而其上部布满孔隙的管道；所述收集检测管道内部是空的，或填充针对不同污染物的活性炭吸附物质，酸碱或有机质中和物质以及菌类分解物质；在土层和收集检测管道之间铺设含级配砂砾的承托层。

进一步的，上述土壤修复方法分3个步骤进行：第一步，根据土壤修复需要，将一定量的所述土壤修复剂及其载体按一定比例通过大面积土壤修复剂施入设备拌入土壤中，形成土壤各修复层和区域，完成大面积的土壤修复；第二步，在土壤中按一定面积及密度置入灌提探针复合器，通过灌提探针复合器进行土壤的水样和土样采集和测试，其中土壤的实时检测通过灌提探针复合器的探头完成，并通过灌提探针复合器的数据采集分析收发器实现数据采集、存储、解析，发送至数据处理中心，所述数据处理中心根据土壤检测结果选择进一步深度处理的物料配方和实施方案，利用灌提探针复合器的灌注管道对土壤各深度及结构层添加所述土壤修复剂，进行实时的局部深度修复，同时形成大数据支撑单元完成数据与大数据平台的共享；所用灌提探针复合器及复合器组可以埋入土壤或插入探测井中长期使用，也可根据需要拔出进行检修校正和更换，或移入其它地块使用；第三步，所述土壤修复技术及其土壤修复剂和载体物料、灌提探针复合器、收集检测管道、数据处理中心和相关施工机械设备、电力、水力及其它配套设备，形成一个整体模块化的土壤修复的实施和检测平台。

本发明的有益效果为：

本发明首先实现污染土壤的大规模修复，然后对尚未达到修复标准的局部污染区域、污染土层和特定污染物及新进入的突发污染进行深度实时处理和防御，在气候、地下水、种植及养殖业和其他人类活动或生态环境活动的动态变化中，进行实时监控和智能管理和处理。由于本申请修复-检测-防护功能模块的可移动性和数字化，因此可以循环使用、连片使用、逐个地块使用、不同的地层深度和土壤种类差异化使用，而且可以进行大数据共享和实现溯源等衍生功能，支撑土壤高效治理和生态建设的智能管理，并便利相关产品的物流及品质管理。

附图说明：

图1是灌提探针复合器结构示意图；

a1、数据采集分析收发器；a2、数据采集分析收发器数据线及电缆；

a3、抽提取样管道；a4、数据线及电缆管道；a5、灌注管道；a6、探头；

图2是土壤修复的实施和检测平台工艺流程示意图；

1.大数据平台及溯源系统；2、数据处理中心；3、深度处理土壤修复剂；4、大面积土壤修复剂施入设备；5、灌提探针复合器；6、土壤修复层；

7、土壤修复层2；8、土壤修复层1；9、承托层；10、收集检测管道；

图3是土壤修复的实施和检测平台在滩涂和盐碱地区及可移动金属污染地区土壤修复的应用示意图。

具体实施方式：

下面结合实施例对本发明方法作进一步的详细说明。需要特别说明的是，本发明的保护范围应当包括但不限于本实施例所公开的技术内容。

本发明污染土壤的动态深度修复装置包括设在待修复土壤表面上的大面积土壤修复剂施入设备4和端头插置在待土壤土壤不同深度土层内的多个灌提探针复合器5，所述灌提探针复合器5内穿设有用于检测土壤用的探头a6、用于抽提取样的抽提取样管道a3和用于灌注深度处理土壤修复剂的灌注管道a5，所述探头a6通过数据线a2与设在灌提探针复合器上的数据采集分析收发器a1连接，所述灌注管道a5连通深度处理土壤修复剂3，探头a6、数据采集分析收发器数据线及电缆a2设在数据线及电缆管道a4内。

本发明污染土壤的动态深度修复方法，先用大面积土壤修复剂施入设备将土壤修复剂及其载体施入土壤中，以进行土壤修复和改良；然后以灌提探针复合器置于土壤中，由探头和数据采集分析收发器完成土壤的检测分析，由与深度处理土壤修复剂连通的灌注管道往相应土壤层中灌注土壤修复剂实现深度修复；多个灌提探针复合器的数据采集分析收发器均与数据处理中心连接，数据处理中心与大数据平台和溯源系统进行通讯连接；以技术和设备网络形成的土壤修复的实施和检测平台完成土壤的实时检测、动态深度修复、数据共享和土壤相关产品和相关生态因子的多目标溯源和所述技术和设备的模块化循环使用。

数据采集分析收发器与数据中心的数据可以通过有线或无线方式进行传输，大数据系统与数据中心也可以通过有线或无线方式进行传输数据，深度处理土壤修复剂3通过抽吸泵等输送到灌注管道中。

所述土壤修复剂的组成为：椰康等植物粉碎物5%-95％；微纳米球（植物微球等）0.01%-5%、氧化钙等ph调节剂0.01%-50%、益生菌等土壤修复微生物0.01%-50%或土壤改性剂0.01%-30%中的全部或部分，所述土壤表面上还覆设一定密植度的植物。

所述土壤修复剂载体为：植物微球、琼胶球、陶粒和活性炭组成球形和其它形状的微纳米至厘米级固体或胶体，对微生物及氧化剂和ph调节剂可起到负载和缓释作用，及可对微生物滋养。所述椰康、棉籽壳或秸秆粉碎物、植物微球、琼脂球、陶粒和活性炭不仅具有微生物滋养和附着的作用，以及氧化剂和ph调节剂的缓释作用，而且具有改变土壤结构的作用。

土壤改性剂主要为聚丙烯酰胺（pam）为作用主体的土壤调理剂，还可以有膨润土、牡蛎壳、天然石膏等物料。

ph调节剂包括酸化剂化剂、碱剂以及具有缓冲作用的盐类，例如氧化钙、硼酸、碳酸钠。

微纳米球包括植物微球，植物微球包括植物细胞微球。见专利（2011100669479）。植物细胞微球是由植物细胞、组织碎片制造形成的微纳米至厘米尺度的固体颗粒。

土壤修复微生物包括益生菌、土壤降解微生物，包括节细菌（arthnobacter）、伯克氏菌(burlcholderia)、丛毛单胞菌属拉丁学名(comamonas)、绿脓杆菌（p.aeruginosa）、罗尔斯顿菌（ralstonia））、红球菌（rhodococcus）、鞘氨醇单胞菌(sphingomonas)、产蛋白酶中度嗜盐菌（thalassobacillus）等。

ph调节剂为酸化剂化剂、碱剂以及具有缓冲作用的盐类，例如氧化钙、硼酸、碳酸钠。

所述土壤修复的灌提探针复合器为：3类管道可扩展数量和排列形式的多功能复合管道系统（图1）。其中：数据采集分析收发器（图1，a1）由数据线及电缆（图1,a1）连接探头（图1,a6），置入数据线及电缆管道（图1,a4）上下端；该数据线及电缆管道与抽提取样管（图1,a3）和灌注管（图1,a5）组合为3管道为一体的灌提探针复合器。探头可以根据测试需要设置多个。各管道也可根据需要设置多个，以不同直径和根据探测土壤深度设定的管道长度以及管道的组数和排列形式进行组合，进行土壤检测、土壤水样和土样的提取以及动态跟踪修复和有针对性地深度修复。

所述灌提探针复合器使用方法是：其两端接入探头及数据采集装置，实现土壤多层次多目标动态检测；通过抽提取样管道进行土壤的水样和土样采集；通过灌注管道对土壤各深度及结构层添加所需土壤修复剂（图2，3、5），进行实时的局部深度修复。所述灌提探针复合器的探头种类为ph、温度、电导率、溶解氧、浊度、氧化还原电位、氨氮等或其组合，其他检测项目根据行业标准、企业标准及相关要求和需要确定。

所述土壤修复的灌提探针复合器可以与地下铺设的收集检测管道（图2,10）结合使用。所述收集检测管道是铺设在土壤一定深度的、其上部布满孔隙的管道。所述管道内部可以是空的，也可以填充针对不同污染物的活性炭等吸附物质、酸碱或有机质等中和物质以及菌类等分解物质。土壤中的有机或无机污染物，特别是重金属和盐碱等物质可以渗漏到管内，便于所述土壤修复的灌提探针复合器对管道内部的污染物进行收集和检测以及更换针对不同污染物的吸附物质、中和物质以及分解物质。

所述土壤修复技术实施方法（图2）分3个步骤进行：第一步，根据土壤修复需要，将一定量的所述土壤修复剂及其载体按一定比例机械耕翻拌入土壤中（图2，4），形成土壤各修复层和区域（图2，6-8），完成大面积的土壤修复。第二步，在土壤中按一定面积及密度置入灌提探针复合器（图2，5），通过灌提探针复合器进行土壤的水样和土样采集和测试，其中土壤的实时检测通过灌提探针复合器的探头完成（图1，a6），并通过灌提探针复合器的数据采集分析收发器（图1，a1）实现数据采集、存储、解析，发送至数据处理中心（图2，2）。所述数据处理中心根据土壤检测结果选择进一步深度处理的物料配方和实施方案，利用灌提探针复合器（图2,5）的灌注管道（图1，a6）对土壤各深度及结构层添加所述土壤修复剂，进行实时的局部深度修复（图2，5-8）。所用灌提探针复合器及复合器组可以埋入土壤或插入探测井中长期使用，也可根据需要拔出进行检修校正和更换，或移入其他地块使用。第三步，所述土壤修复技术及其土壤修复剂和载体等物料、灌提探针复合器、收集检测管道、数据处理中心和相关施工机械设备（图2，4）、电力、水力及其他配套设备，形成一个整体模块化的土壤修复的实施和检测平台（图2），完成（1）实时可控的和可循环使用的土壤大面积修复和局部深度修复相结合的动态修复和跟踪改良，（2）对可能进入或新进入的污染进行有针对性的治理已达到对土壤的防护，（3）实施实时检测和数据的共享，形成土壤大数据支持单元，与相关标记技术和设备配套实现土壤质量和该土壤所生产产品及相关的各种生态因子的多目标多种类的溯源功能。

作为优选方案，种植业的农田土壤，例如连作和土传病虫害高发区，所述土壤修复剂的组成为：椰康、棉籽壳或秸秆粉碎物90％，植物微球0.5%、氧化钙5%、益生菌土壤修复微生物0.5%、琼脂球1%，陶粒1%，活性炭2%，掺入所修复的土壤中，拌匀。盐碱地块种植盐蒿、高粱等植物；富水地区可种植水葫芦等水生或沼生植物。其中椰康、棉籽壳或秸秆粉碎物、植物微球、琼脂球、陶粒和活性炭兼具微生物及氧化剂和ph调节剂的载体和缓释以及土壤结构调节作用。土壤耕翻混合土壤修复剂的深度约为2米，或根据需要确定。土壤湿度应保持在80%以上水分含量。土壤洗涤和漫灌淹没时间应与所用土壤修复剂类型特别是菌种和植物相匹配。

作为优选方案，用作工业园区、居住区及道路等地块，所述土壤修复剂的组成为：植物微球0.1%、氧化钙0-5%、益生菌土壤修复微生物1%-10%、陶粒5%，活性炭5%，掺入所修复土壤中，拌匀。富水地区可进行洗脱和污水处理。重金属污染土壤施用固定剂，或以种植水葫芦等水生或沼生植物吸附。焦化厂等严重化工污染的土地，益生菌以分解菌群替代，难以分解和分解需要时间过长的土壤污染物以150°c-850°c温度分步裂解处理（特别防止低温下二噁英的产生或释放），之后回填。土壤耕翻混合土壤修复剂的深度约为3米，或根据需要确定。土壤湿度应根据施工验收标准确定最终土壤含水量。土壤洗涤和漫灌淹没时间应与所用土壤修复剂类型特别是菌种和植物相匹配，并进行防渗漏处理。

作为优选方案，所述土壤修复剂载体为：椰康、棉籽壳或秸秆粉碎物、植物微球、琼脂球、陶粒和活性炭组成的微生物及氧化剂和ph调节剂可负载和缓释及微生物可被滋养的球形和其他形状的微纳米至厘米级固体或胶体。所述椰康、棉籽壳或秸秆粉碎物、植物微球、琼脂球、陶粒和活性炭不仅具有微生物滋养和附着的作用，以及氧化剂和ph调节剂的缓释作用，而且具有改变土壤结构的作用，因此也是土壤修复剂的组分。所述载体的使用应与土壤类型匹配，大直径陶粒载体一般应避免在沙化土壤使用；工业园区、道路、楼盘和市政公用土地等承重土壤则相减少植物和有机载体物料的比例，不超过10%。

作为优选方案，所述土壤修复的灌提探针复合器可以与地下铺设的收集检测管道结合使用。所述收集检测管道（图2，10）可以为多种形式，例如收集检测井和收集检测沟。所述收集检测管道的铺设一般在土壤2-10米的深度。所述收集检测管道底部为不通透的，其上部表面具孔隙，孔隙以土壤结构的颗粒不堵塞来确定孔径；必要时在所述收集检测管道和土层之间级配砂石。土壤中的有机或无机污染物，特别是重金属和盐、碱、酸等物质可以渗漏到管、沟或井内。使用灌提探针复合器在该收集井、管道和沟中收集土样和水样检测，并清除和更换管内的物料。在可移动或可沉降污染物及盐碱地土壤的修复中，收集检测管道的面积或密度可以加大。使用该收集检测管道，可以有效防止污染物扩散到土壤深层和其他地块，也可以防止污染物的宿存和上浮。

作为优选方案，所述土壤修复的实施和检测平台（图2）是由所述土壤修复技术、所述土壤修复剂和及其载体等物料、灌提探针复合器、收集检测管道、数据处理中心以及相关施工机械设备、电力、水力及其他配套设备所形成的一个整体结构和修复-检测-防护功能模块。

作为优选方案，所述土壤修复的实施和检测平台，按不同土层及污染治理要求首先完成大规模土壤土壤修复剂的均匀掺入，然后按照规划布局在相关各地块和土层插入灌提探针复合器，提取样品检测土壤，并将数据传至数据处理中心，根据土壤检测数据处理结果选择修复剂和载体等物料，再通过灌提探针复合器灌注入相应土层，完成第二步深度处理或对新进入的污染进行防御和治理。

作为优选方案，所述土壤修复的实施和检测平台（图2），在完成实时可控的和可循环使用的土壤大面积修复和局部深度修复相结合的动态修复和跟踪改良、对可能进入或新进入的污染进行有针对性的治理和防御的同时，实施实时检测和数据的共享，形成土壤大数据支持单元，与相关标记技术和设备配套实现土壤质量和该土壤所生产产品及相关的各种生态因子的多目标多种类的溯源功能。所采集实时检测数据的共享形成土壤大数据支持单元，与条码和二维码与数据库和物料、生态因子标记及产品的相关标记技术和设备配套结合，实现土壤质量和该土壤所涉及的实体物料、生产产品各种生态因子以及数据库内置的多种类、多层级和多目标的标记和溯源功能，支撑土壤高效治理和生态建设的智能管理，并便利相关产品的物流及品质管理。

实施例1：

常年土传病虫害高发区的种植一般建议以椰糠等材料进行无土栽培，切断土传病害因连茬的宿存。但是土壤的自然修复并不能满足生态和生产的需要。因此，用椰糠进行无土栽培的地区，把2-3年后的报废椰糠堆集或封闭腐熟消毒，也可以用2mg/l臭氧或双氧水消毒后，以氧化钙或其他试剂调节ph至7或栽培植物所需土壤酸碱度，掺入益生菌1%和复合肥（500kg/ha）缓释植物微球1%，耕翻并掺入所修复的土壤中拌匀。灌提探针复合器可以按较低密度设置（1台套/ha），深度一般为1-2米。不进行无土栽培的地方，椰糠或秸秆粉碎物也可以直接进行上述操作。持续进行椰糠无土栽培的地区，可以使用此方法持续改良土壤。总体实施方式以本专利技术的土壤修复的实施和检测平台操作方式进行。总体实施方式以本专利技术的土壤修复的实施和检测平台操作方式进行。

实施例2：

工业用地一般是承重型土地，地面设施需要土质坚固，因此需要大幅减低椰糠或秸秆使用量或只以少量作为土壤修复剂的载体。同时，工业用地的土壤修复一般是非生物性污染，多为化工污染等。土壤修复剂使用5%氧化钙等中和剂、益生菌等土壤修复微生物1%-10%（缓释载体：植物微球0.1%、陶粒5%，活性炭或椰糠或秸秆粉碎物5%），掺入所修复土壤中，拌匀。富水地区可进行洗脱和污水处理。重金属污染土壤施用固定剂，或以种植水葫芦等水生或沼生植物吸附。焦化厂等严重化工污染的土地，益生菌以分解菌群替代，难以分解和分解需要时间过长的土壤污染物以150°c-850°c温度分步裂解处理（特别防止低温下二噁英的产生或释放），之后回填。土壤耕翻混合土壤修复剂的深度约为3米，或根据需要确定。总体实施方式以本专利技术的土壤修复的实施和检测平台操作方式进行。

实施例3：

滩涂和盐碱地区及可移动金属污染地区，主要面临土壤中盐的去除。进行土壤修复剂掺入时，在修复土层的底部铺设收集检测管道并留有灌提探针复合器的检测孔或兼具物料灌提更换的监测井。收集管道的铺设保持平行并有高低之分，在低地势处设置横向连接管道，以减少灌提探针复合器的设置密度和使用量。一般对所进行修复的土壤进行一次或几次漫灌处理。富水地区的土壤表面辅以种植一季水葫芦等水生或沼生植物，干旱地区种植高粱碱蓬等植物。土壤在进行了初步修复之后，可进行进一步改良，以椰康、棉籽壳或秸秆粉碎物90％，植物微球0.5%、氧化钙5%、益生菌等土壤修复微生物0.5%、琼脂球1%，陶粒1%，活性炭2%，机耕拌入所修复的土壤中。土壤耕翻混合土壤修复剂的深度约为2米。干旱地区的土壤湿度应保持在80%以上水分含量。再次进行土壤洗涤和漫灌淹没时间应与所用土壤修复剂类型特别是菌种和植物相匹配，好氧菌的存活可以以氧缓释微球保持。总体实施方式以本专利技术的土壤修复的实施和检测平台操作方式进行，如图所示（图3）。

本发明的有益效果为：

本发明技术和装置及工艺形成一个整体，首先实现污染土壤的大规模修复，然后对尚未达到修复标准的局部污染区域、污染土层和特定污染物及新进入的突发污染进行深度实时处理和防御。在气候、地下水、种植及养殖业和其他人类活动或生态环境活动的动态变化中，进行实时监控和智能管理和处理。由于本申请修复-检测-防护功能模块的可移动性和数字化，因此可以循环使用、连片使用、逐个地块使用、不同的地层深度和土壤种类差异化使用，而且可以进行大数据共享和实现溯源等衍生功能，支撑土壤高效治理和生态建设的智能管理，并便利相关产品的物流及品质管理。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。