土壤旋流减量化处理工艺的旋流场调控方法

本公开属于废旧电器拆解、环保领域，涉及一种污染土壤分选减量化和污染物自转脱附成套工艺中旋流场的调控方法；基于旋流器分流比和入口流、旋流场自转强度控制实现调控，预期实现土壤按粒径分选、旋流溢流土壤表面及孔道中污染物高效脱附、实现溶解了土壤污染物的淋洗剂回收。

背景技术：

土壤是自然环境的重要组成部分，是人类赖以生存的物质基础。近年来，人类的各种活动对土壤环境的影响越来越大，使得土壤的污染日益严重。土壤污染来源广泛，主要来自人类的生产和生活活动，包括采矿、冶炼、金属加工、化工、废电池处理、电子、制革和染料等工业排放的三废及汽车尾气排放、农药和化肥的施用等。

目前很多自然环境条件优越，物产资源丰富的发达地区存在着土壤污染的突出问题。针对上述问题，国内外的学者与工程人员广泛展开了技术探索。土壤修复是使遭受污染的土壤恢复正常功能的技术措施。在土壤修复行业，目前主要的技术手段有物理法、化学法和生物法，通过这些手段将有害物质转移、吸收或降解到可接受的水平。化学法对污染物修复阻隔效率相对较高，但也同时存在成本偏高和二次污染风险。生物法的技术相对绿色友好，但目前污染物修复效率瓶颈突出。随着流体流动和颗粒运动耦合过程理论基础和工程技术的日渐完善，物理分离精度日趋细微的同时，物理法在土壤分选与修复工艺上作用越来越突出。20世纪80年代以来，世界上许多国家特别是发达国家均制定并开展了污染土壤治理与修复计划，因此也形成了一个新兴的土壤修复行业。

但是，现有的一些土壤污染修复装置结构复杂，操作繁琐，存在可移动性差，不够灵活，使用过于频繁，土壤修复的效果比较一般，相关研究表明，大部分难去除的污染物存在于粒径20微米以下的土壤中，现有对于有害物处理不够彻底，并且只能对土壤进行单一的淋洗，不能满足发展的需要。

发明专利申请cn202010173082.5提出了一种用于生态环境修复的土壤污染处理方法，该方法包括翻松土壤、制备土壤修复剂、混合土壤制备、养护、检验及验收；土壤修复剂包括以下质量份数的组分:生石灰10-20份、鱼骨粉12-16份、麦饭石粉10-15份和糊精3-6份；通过在农药污染场地投放土壤修复剂实现修复；此发明便于工作人员对受到农药污染的土壤进行修复处理，有利于提高土壤的修复效果，但是此发明只针对农药污染场地，且通过直接投放生石灰等物质容易使土壤呈碱性，甚至造成二次污染，同时针对其他污染类型的土壤没有修复效果。

发明专利申请cn201610065614.7提出了一种高沸点热液管路内循环热传导脱附土壤污染物加热方法，其装置由加热器、高沸点液体、循环泵、循环管路、温度控制设备构成；加热器可灵活选用电或燃料提供热源高效加热腔内高沸点液体，加热器所具有的温度控制设备能使热液温度稳定在所需区间；循环泵运转可将加热后的高沸点液体泵至循环管路，热液流经需要加热的位点，通过热传导形式加热土壤污染位点；该方法在污染场地原位还是异位修复中均能高效加热土壤污染位点，加热位点温度可维持在目标温度，高效热脱附土壤污染物；但是热脱附器结构复杂，建造成本高，操作运行不便，并且传热效率低，能源利用效率低；对不同质地的土壤适应性差，热脱附过程中易发生土壤粘结现象。

发明专利申请cn201010002278.4提出了一种修复重金属污染土壤的超声波原位淋洗工艺，淋洗剂通过喷灌装置和注入井均匀渗入受污染土壤表层及内部，在超声波作用下进行快速淋洗，淋洗后溶液通过抽出井抽取收集至淋洗剂再生池进行处理，再生后的淋洗剂可重新循环使用；该发明淋洗效率高、时间短、淋洗剂可再生使用，可经济有效地对重金属污染土壤进行原位淋洗修复；但上述研究中针对污染物的萃取率偏低，萃取深度不易控制，且渗入土壤中的淋洗剂抽取不干净容易造成二次污染，不能对污染物进行有效的处理。

发明专利申请cn201720993454.2提出了一种污染土壤修复试验装置，该污染土壤修复试验装置通过滑槽的内壁滑动连接有移动装置，滑块的一侧开设有卡槽，并且套管内壁的底部固定连接有弹簧，弹簧的顶部固定连接有轴块并且轴块的顶部活动连接有压力杆，实现了压力杆的自由旋转，压力杆的表面与套管的内壁滑动连接，并且压力杆的顶端固定连接有固定板，固定板的底部固定连接电机，改变了由于修复液与污染土壤不能混合均匀的问题，减少了实验的时间过长，提高了实验的结果的精确，保证了土壤修复工作的进行；通过移动块的背面与滑槽的内壁滑动连接，移动块的正面固定连接有固定块，并且固定块的正面固定连接有连接杆，连接杆的一端固定连接有连接块，接触块的正面固定连接有动力块，改变了市场上污染土壤修复试验装置的单一结构，大大增加了其功能性；但是上述研究或需求工况下，未对土壤进行有效的分选，研究表明，20微米以上的大粒径土壤所含污染物非常少，绝大多数污染物在黏土中，直接使用大量修复液与土壤进行混合，造成了修复液的浪费，且修复效果不好，并且该装置也未能形成标准化的工艺对废液进行后续回收处理，造成废液回收困难，容易造成二次污染。

因此，本领域迫切需要开发出一种能够克服上述现有技术的缺陷的，能够实现土壤按粒径分选、旋流溢流土壤表面及孔道中污染物高效脱附、实现溶解了土壤污染物的淋洗剂回收的土壤修复方法。

技术实现要素：

本公开提供了一种新颖的土壤旋流减量化处理工艺的旋流场调控方法，采用旋流单元实现土壤粒径分选和污染物淋洗的旋流场调控，从而提高了污染物的去除效率，降低了工程成本，从而解决了现有技术中存在的问题。

一方面，本公开提供了一种土壤旋流减量化处理工艺的旋流场调控方法，该方法包括以下步骤：

(1)污染土壤与水混合并过筛除粗后进行旋流粒径分级，以实现土壤按粒径的分选效果，确保大粒径且污染物浓度不超标的旋流底流土壤就地回填；

(2)小粒径且污染物浓度超标的旋流溢流土壤利用淋洗剂降低有机或无机污染物在土壤颗粒表面及孔道中的粘度强度后，进行旋流自转脱附，以脱除旋流溢流土壤表面及孔道中的有机或无机污染物；以及

(3)将步骤(2)中溶解了土壤中有机或无机污染物的淋洗剂实施减压蒸馏，以将淋洗剂与水分离开，实现淋洗剂的回收；同时对微细土壤-水混合体系进行旋流固液分离。

在一个优选的实施方式中，在步骤(1)中，进行旋流粒径分级的底流分流比为5-20％，入口流速为2-5m/s；旋流底流土壤可回填率>50％。

在另一个优选的实施方式中，在步骤(1)中，污染土壤与水的混合比例为1:50-1:10。

在另一个优选的实施方式中，在步骤(2)中，进行旋流自转脱附的颗粒自转速度为15000～60000r/min，脱附效率不低于85％。

在另一个优选的实施方式中，在步骤(2)中，所述淋洗剂包括：重金属淋洗剂；淋洗剂浓度与污染物浓度的比值为1:50-1:1。

在另一个优选的实施方式中，在步骤(3)中，进行旋流固液分离的入口速度为2-4m/s，底流分流比为8-12％；淋洗剂的回收效率高达99％。

另一方面，本公开提供了一种土壤旋流减量化处理工艺的旋流场调控装置，该装置包括：

搅拌罐和与搅拌罐连接的粒径分级旋流器，用于进行步骤(1)污染土壤与水混合并过筛除粗后进行旋流粒径分级，以实现土壤按粒径的分选效果，确保大粒径且污染物浓度不超标的旋流底流土壤就地回填；

与粒径分级旋流器连接的淋洗罐和与淋洗罐连接的自转脱附旋流器，用于进行步骤(2)小粒径且污染物浓度超标的旋流溢流土壤利用淋洗剂降低有机或无机污染物在土壤颗粒表面及孔道中的粘度强度后，进行旋流自转脱附，以脱除旋流溢流土壤表面及孔道中的有机或无机污染物；以及

与自转脱附旋流器连接的固液分离旋流器，以及分别与固液分离旋流器和自转脱附旋流器连接的淋洗塔，用于进行步骤(3)将步骤(2)中溶解了土壤中有机或无机污染物的淋洗剂实施减压蒸馏，以将淋洗剂与水分离开，实现淋洗剂的回收；同时对微细土壤-水混合体系进行旋流固液分离。

在一个优选的实施方式中，所述粒径分级旋流器的底流分流比为5-20％，入口流速为2-5m/s；所述自转脱附旋流器(2-2)内颗粒自转速度为15000～60000r/min(转/分钟)。

在另一个优选的实施方式中，所述粒径分级旋流器分离粒径小于20微米的土壤的效率不低于98％。

在另一个优选的实施方式中，所述自转脱附旋流器对土壤中有机污染物和重金属的去除率不低于90％。

有益效果：

本发明方法完全通过旋流场调控，采用不同结构的旋流器实现土壤分级、淋洗脱附和淋洗剂回收，构建以旋流单元为核心的污染土壤综合治理成套工艺，实现了污染土壤低成本减量化处理，同时极大地降低了能耗，系统运行稳定。

附图说明

附图是用以提供对本公开的进一步理解的，它只是构成本说明书的一部分以进一步解释本公开，并不构成对本公开的限制。

图1是根据本公开的一个优选实施方式的土壤旋流减量化处理工艺的旋流场调控方法的工艺流程图。

图2是根据本申请实施例1的土壤粒径分布图。

具体实施方式

本申请的发明人经过广泛而深入的研究后发现，长期以来，以污染物淋洗工艺为代表的土壤修复技术处理污染浓度高的土壤，都只是在被水分散的土壤中直接添加淋洗剂，而经相关研究表面，小粒径的土壤所含污染物浓度最高且难以去除；本发明采用旋流分选水土混合物，挑选出了粒径小于20微米的土壤进行淋洗处理，极大地节约了成本。基于上述发现，本发明得以完成。

在本公开的第一方面，提供了一种土壤旋流减量化处理工艺的旋流场调控方法，该方法包括以下步骤：

(1)污染土壤与水混合并过筛除粗后进入旋流场，通过分流比和入口流速控制，实现土壤按粒径的分选效果，确保大粒径且污染物浓度不超标的旋流底流土壤就地回填；

(2)粒径小且污染物浓度超标的旋流溢流土壤利用淋洗剂适当降低有机或无机污染物在土壤颗粒表面及孔道中的粘度强度后，进入下一阶段的旋流脱附处理单元，通过调控旋流场自转强度，使旋流溢流土壤表面及孔道中的污染物高效脱附；以及

(3)将步骤(2)中溶解了土壤中有机或无机污染物的淋洗剂实施减压蒸馏，以将淋洗剂与水分离开，实现淋洗剂的回收；同时对微细土壤-水混合体系进行旋流固液分离。

在本公开中，在步骤(1)中，进行旋流粒径分级的底流分流比为5-20％，优选为6％；入口流速为2-5m/s，优选为4m/s。

在本公开中，在步骤(1)中，旋流底流土壤可回填率>50％。

在本公开中，在步骤(1)中，污染土壤与水的混合比例为1:50-1:10。

在本公开中，在步骤(2)中，进行旋流自转脱附的颗粒自转速度为15000～60000r/min。

在本公开中，在步骤(2)中，脱附效率不低于85％。

在本公开中，在步骤(2)中，所述淋洗剂包括：乙二胺四乙酸、柠檬酸等重金属淋洗剂；淋洗剂浓度与污染物浓度的比值为1:50-1:1，优选1:20。

在本公开中，在步骤(3)中，进行旋流固液分离的入口速度为2-4m/s，底流分流比为8-12％。

在本公开中，在步骤(3)中，淋洗剂的回收效率高达99％。

在本公开的第二方面，提供了一种土壤旋流减量化处理工艺的旋流场调控装置，该装置包括：

搅拌罐，用于污染土壤与水混合并过筛除粗；

与搅拌罐连接的粒径分级旋流器，用于对污染土壤与水的混合物进行旋流粒径分级，以实现土壤按粒径的分选效果，确保大粒径且污染物浓度不超标的旋流底流土壤就地回填；

与粒径分级旋流器连接的淋洗罐，用于小粒径且污染物浓度超标的旋流溢流土壤利用淋洗剂降低有机或无机污染物在土壤颗粒表面及孔道中的粘度强度；

与淋洗罐连接的自转脱附旋流器，用于对经淋洗的土壤颗粒进行旋流自转脱附，以脱除旋流溢流土壤表面及孔道中的有机或无机污染物；

与自转脱附旋流器连接的固液分离旋流器，用于对微细土壤-水混合体系进行旋流固液分离；以及

分别与固液分离旋流器和自转脱附旋流器连接的淋洗塔，用于对溶解了土壤中有机或无机污染物的淋洗剂实施减压蒸馏，以将淋洗剂与水分离开，实现淋洗剂的回收。

在本公开中，所述粒径分级旋流器的底流分流比为5-20％，入口流速为2-5m/s，优选4m/s；所述自转脱附旋流器内颗粒自转速度为15000～60000r/min。

在本公开中，所述粒径分级旋流器分离粒径小于20微米的土壤的效率不低于98％。

在本公开中，所述自转脱附旋流器对土壤中有机污染物和重金属的去除率不低于90％。

以下参看附图。

图1是根据本公开的一个优选实施方式的土壤旋流减量化处理工艺的旋流场调控方法的工艺流程图。如图1所示，水和土壤淀粉混合物经搅拌罐1-1充分混合后进入粒径分级旋流器2-1(可并联多级)，含有较大粒径的水土混合物(达标土壤)从粒径分级旋流器2-1底流口排出，就地回填；含有小粒径、高污染物土壤的溶液作为待淋洗溶液从溢流口排出，其分流比通过粒径分级旋流器2-1阀门进行相应调节；同时，所述溢流口溶液进入淋洗罐1-2与淋洗剂充分混合，在淋洗罐1-2内停留一段时间后进入自转脱附旋流器2-2，所有淋洗剂与污染物从溢流口排出，进入淋洗塔3-1进行淋洗剂进行回收再生，分离出的土壤溶液从底流口排出进入固液分离旋流器2-3进行进一步脱水干化后得到达标土壤就地回填；，底流口排出的废水进行达标处理；分离过程的流量分配通过相应的阀门调节。

实施例

下面结合具体的实施例进一步阐述本发明。但是，应该明白，这些实施例仅用于说明本发明而不构成对本发明范围的限制。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。除非另有说明，所有的百分比和份数按重量计。

实施例1：

使用本发明方法进行土壤旋流减量化处理工艺的旋流场调控。

1.场地土壤性质及操作条件

实验土壤取自台州温岭温峤镇电器拆解场地，土壤粒径范围为0-1000微米，其中值粒径为37.7微米，主要污染物为有机物多氯联苯、多溴联苯醚以及重金属污染物cu、ni、pb。图2示出了分级后底流口、溢流口的粒径分布，下表1示出了污染物具体浓度值：

表1污染物浓度值

进行实验的污染土壤与水的比例为1:50，装置处理量为0.8m³/h，入口流速为4m/s，操作分流比为15％。在搅拌桶1-2中的污染土壤与水、淋洗剂的比例为1:25:25，脱附旋流器的装置处理量为0.8m³/h，入口流速为4m/s，操作分流比为20％，在脱附旋流器内循环的时间设为10min，固液分离旋流器的入口速度为3.2m/s，底流分流比为10％。

2.实施方式

如图1所示。搅拌罐以及搅拌罐出水口连接的土壤粒径分级旋流器的进料口，未达到污染浓度的大颗粒土壤和水从旋流器底流口排出并干化后填埋，剩余水土混合物通过旋流器溢流口进入下一级淋洗单元，充分混合淋洗后进入下一级淋洗分离旋流器，淋洗分离旋流器在起到强化淋洗单元脱附作用同时，还将混合有污染物的淋洗剂经溢流口分离回收，剩余通过底流口排出并干化后填埋；各旋流器的流量和压力通过接入的电磁流量计和压力表进行检测；通过旋流分选与淋洗后，土壤中所含有机及重金属污染物的浓度均在合理范围内。

3.运行效果

通过使用土壤旋流减量装置进行土壤分选之后，粒径分级旋流器溢流口60％土壤粒径不大于27.3微米，剩余大粒径土壤全部由旋流器底流口排出；又经固液分离旋流器脱水干化后，收集大粒径土壤做污染物检测，检测结果如下表2所示：

表2土壤污染物浓度

剩余小粒径高污染土壤经过淋洗罐内初步淋洗以及自转脱附旋流器内的强化淋洗后，重金属得到了有效去除，经自转脱附旋流器处理后的土壤cu<750mg/kg，pb<145mg/kg，ni<100mg/kg，cd<18mg/kg，hg<15mg/kg，其含量皆在第一类建筑用地要求的污染含量之内；经固液分离旋流器干化后的土壤含水率<40％，可直接填埋。

4.专利效应

与现有污染土壤修复技术相比，本发明有以下几方面的优点：

工艺设备方面，旋流分选仅需在搅拌罐和淋洗罐之间增设旋流器，便可达到土壤分选的目的，相较于其他工艺，没有造成大的工艺变革。此外旋流器还具有没有运动部件、结构简单、设备造价低、维修方便优势。

能耗方面，相比于传统工艺，本发明所增加的能耗主要是支持旋流器作用的泵的耗能，相对于其它土壤修复技术来说，极大地降低了能耗成本。

操作范围和稳定性方面，旋流器装置和操作简单，对不同粒径的土壤都有效，此外旋流分选是一种机械分选，可以通过旋流器进出口阀门在线调控旋流分选强度，不影响系统稳定运行。

上述所列的实施例仅仅是本公开的较佳实施例，并非用来限定本公开的实施范围。即凡依据本申请专利范围的内容所作的等效变化和修饰，都应为本公开的技术范畴。

在本公开提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本公开的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本公开作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。