CN108817051B - 一种基于自然冷能的异位修复污染土壤的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于自然冷能的异位修复污染土壤的系统及方法，系统包括物料储槽，所述物料储槽内下部设置隔板将物料储槽分为上部的土槽和下部的水槽，所述隔板上均匀布设圆孔，隔板上方布设土工布，所述水槽底部设有进水管和出水管，出水管通过第一水泵连接至淋出液储箱，进水管连接至水位筒，所述水位筒通过第二水泵连接至淋洗液储箱，水位筒内设置水位控制器。本发明利用季节冻土区域特有的冻融交替现象修复重金属污染土壤，环保节能。冻融交替可以增大土壤渗透性，解决了原位淋洗修复法难以处理低渗透性粘土和容易造成土壤二次污染的问题，克服了异位淋洗修复程序复杂、能耗大、成本高的缺点。

Description

一种基于自然冷能的异位修复污染土壤的系统及方法

技术领域

本发明涉及污染土壤修复技术领域，具体涉及一种基于自然冷能的异位修复污染土壤的系统及方法。

背景技术

重金属污染土壤的治理有两种思路：一是将污染物固化在土壤中，降低重金属污染物的生物活性，减少在土壤中的生物利用性和迁移性，二是利用物理、化学、生物的方法将污染物从土壤中去除。其中，土壤淋洗法由于适用污染物类型范围广、具有治理效果稳定、效率高的优点，现已成为污染土壤快速修复技术的主要手段之一。

土壤淋洗的作用机制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、溶解及固定等化学作用，达到修复污染土壤的目的。

应用淋洗法进行污染土壤修复时，对土壤性质和周围环境有一定的要求，存在一定的局限性；土壤质地对淋洗法使用有较大的限制，当质地粘重、渗透系数小，黏粒含量超过30%，就不适合淋洗技术的应用，其主要原因是粘质土壤较大的颗粒比表面积对重金属的强烈吸附作用和土壤的低渗透性，极大影响淋洗剂与污染物充分接触反应，导致淋洗效果不佳。

土壤淋洗按处理土壤的位置分为原位土壤淋洗和异位土壤淋洗：

现有土壤异位淋洗修复技术方法大致分为以下几步：1）将土壤从污染区域转运至原土堆放区 ，2）对污染土进行破碎筛分，使其变成细粒土， 3）将淋洗液注入到细粒土中，4）进行机械搅拌使其充分接触，5）停止搅拌，静置分层， 6）处理淋洗液， 7）将处理好的土壤回填。

原位污染土壤淋洗修复技术大致分为以下几步：1）打注入井和提取井， 2）通过注入井向污染土壤施加淋洗液，淋洗液向下渗透与污染物作用， 3）通过提取井提取带有污染物的淋洗液， 4）淋洗液的处理。

其中，异位淋洗的步骤2）和步骤4）需要耗费大量时间和能源；原位淋洗在步骤 2）时容易造成土壤的二次污染且不适用于低渗透性的土壤。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以提高粘性重金属污染土壤的淋洗效率的基于自然冷能的异位修复污染土壤的系统及方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于自然冷能的异位修复污染土壤的系统，包括物料储槽，所述物料储槽内下部设置隔板将物料储槽分为上部的土槽和下部的水槽，所述隔板上均匀布设圆孔，隔板上方布设土工布，所述水槽底部设有进水管和出水管，出水管通过第一水泵连接至淋出液储箱，进水管连接至水位筒，所述水位筒通过第二水泵连接至淋洗液储箱，水位筒内设置水位控制器。

进一步地，所述土槽内设置深度计、位移计和温度传感器。

进一步地，所述温度传感器为若干个，若干个温度传感器垂直均匀布设在土槽内，相邻两个温度传感器之间的距离为2～3cm。

基于上述所述的一种基于自然冷能的异位修复污染土壤的系统的方法，包括以下步骤：

（1）将上述所述的一种基于自然冷能的异位修复污染土壤的系统布设在季节性冻土区域；

（2）根据需要修复的土壤污染程度和土壤理化性质选择淋洗液种类及浓度配比，配制淋洗液备用；

（3）预处理：采用挖掘设备对污染土壤进行挖掘，然后对污染土壤进行粗筛分、破碎、剔除大块杂物；

（4）进入冬季前，将步骤（2）配好的淋洗液倒入淋洗液储箱，水位筒和水槽中，使淋洗液充满水槽中；将步骤（3）预处理后的污染土壤填入土槽内；

（5）进入冬季后，污染土壤开始冻胀-吸水，通过安放在土体中的温度传感器和深度计推算土体的冻结锋面推移速度，若冻结锋面推移速度大于1cm/d，则在土体表面覆盖保温材料来控制土体的冻结速度使其保持在0～1cm/d；通过水位控制器来控制水槽水位，当水槽水位低于土体底部时，启动第二水泵将淋洗液储箱中的淋洗液抽送至水槽中，使水槽水位与土体底部接触，使水槽中淋洗液持续的向上迁移，当淋洗液储箱中的淋洗液不足时，补充淋洗液储箱中的淋洗液；

（6）进入春季后土体开始融化前，抽净水槽中的淋洗液；

（7）进入春季后，土体开始融化，淋洗液自上向下流入水槽；当水槽水位高于土体底部时，启动第一水泵将水槽中的淋出液抽送至淋出液储箱，使用水位控制器控制水槽水位，使水槽水位不与土体接触；将淋出液储箱中的淋出液净化处理、配比后作为淋洗液重复使用；

（8）土体完全融化后，对土样采样分析污染物的去除率，若土体检测不合格，则重复步骤（4）至步骤（7），若合格，则污染土壤处理结束。

进一步地，土槽内填土厚度小于季节性冻土区域当地的冻结深度。

进一步地，步骤（7）所述土体开始融化，在土体上表面加载加速土体融化排出淋洗液。

本发明的有益效果为：本发明提供的一种基于自然冷能的异位修复污染土壤的系统及方法，利用季节冻土区域特有的冻融交替现象（冬季负温为冻结能源、春季正温为融化能源）修复重金属污染土壤，环保节能。冻融交替可以增大土壤渗透性，冬季气温降低，水槽中的淋洗液在温度梯度条件下，从土体底部向上部迁移并与吸附在土壤颗粒的污染物充分接触，春季气温升高，土体融化，淋洗液自上向下流到水槽。本发明解决了原位淋洗修复法难以处理低渗透性粘土和容易造成土壤二次污染的问题，克服了异位淋洗修复程序复杂、能耗大、成本高的缺点。

附图说明

图1是本发明一种基于自然冷能的异位修复污染土壤的系统的结构示意图；

图2是本发明一种基于自然冷能的异位修复污染土壤的系统的冻结-吸水过程的示意图；

图3是本发明一种基于自然冷能的异位修复污染土壤的系统的融沉-排水过程的示意图；

附图中标号为：1为土槽、2为水槽、3为隔板、4为土工布、5为第一水泵、6为淋出液储箱、7为水位筒、8为第二水泵、9为淋洗液储箱、10为水位控制器、11为深度计、12为位移计、13为温度传感器、14为土体、15为冻结前地表、16为冻胀后地表、17为未冻土、18为冻土、19为冻结锋面、20为冰晶、21为融沉后地表。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明：

冻土在中国分布较广，季节性冻土影响区域约占国土面积的53.3%，多年冻土影响区域约占国土面积的21.5%。冬季温度降低，有充分水源补给的细粒土在冻结过程中，未冻土中的水分在“冻吸力”的作用下向冻结锋面迁移并冻结成冰，并形成冰层，导致冻土体积发生膨胀，即冻胀。而季节冻土地区，地基土冻胀引起的各种冻害是最突出的工程问题。进入春季，冻土逐渐融化，冻土层冰融化和水的向下渗透，使土体在自重下产生土体融沉。而多年冻土地区融沉破坏是建筑物冻害的主要原因。

本发明采用淋洗剂代替土体冻胀所需要水分，利用土体的冻胀-吸水过程，使淋洗剂与吸附于黏土颗粒的污染物充分接触并与之相互作用，使吸附于土壤颗粒上的重金属形成溶解性的金属离子或络合物；然后利用融沉-排水过程，在水槽中收集淋出液进行处理。

图2为一种基于自然冷能的异位修复污染土壤的系统的冻结-吸水过程示意图，进入冬季后，污染土壤开始冻胀-吸水，淋洗液从土槽1底部向土体迁移，土体开始冻结，土体中形成冰晶20，冻结前地表15与冻胀后地表16之间的距离为冻胀量，图中未冻土17部分的箭头表示淋洗液迁移方向，冻结前地表15与冻胀后地表16之间的箭头表示土体冻胀延伸方向；图3为一种基于自然冷能的异位修复污染土壤的系统的融沉-排水过程示意图，土体融化，淋洗液下降至水槽2中，土体表面下降，图中箭头方向表示土体下沉方向和淋洗液迁移方向。

实施例1

如图1～图3所示：一种基于自然冷能的异位修复污染土壤的系统，包括物料储槽，所述物料储槽内下部设置隔板3将物料储槽分为上部的土槽1和下部的水槽2，所述隔板3上均匀布设圆孔，隔板3上方布设土工布4，土工布4保证土壤颗粒不能进入水槽2。所述水槽2底部设有进水管和出水管，出水管通过第一水泵5连接至淋出液储箱6，进水管连接至水位筒7，所述水位筒7通过第二水泵8连接至淋洗液储箱9，水位筒7内设置水位控制器10；所述土槽1内设置深度计11、位移计12和若干个温度传感器13，若干个所述温度传感器13垂直均匀布设在土槽1内，两个温度传感器13的距离为2cm。

基于上述所述的一种基于自然冷能的异位修复污染土壤的系统的方法，包括以下步骤：

（1）将上述所述的一种基于自然冷能的异位修复污染土壤的系统布设在季节性冻土区域；

（2）对重金属污染土壤基础参数进行检测，包括土工试验（颗粒分布、冻胀量、液塑限、击实）和理化性质分析（重金属类型及浓度、有机质含量、土壤阳离子交换量）；根据需要修复的土壤污染程度和土壤理化性质选择淋洗液种类及浓度配比，配制淋洗液备用；

（3）预处理：采用挖掘设备对污染土壤进行挖掘，然后对污染土壤进行粗筛分、破碎、剔除大块杂物；

（4）进入冬季前，将步骤（2）配好的淋洗液倒入淋洗液储箱9，水位筒7和水槽2中，使淋洗液充满水槽2中；将步骤（3）预处理后的污染土壤按照一定的密实度分层填入土槽1内，土槽1内填土厚度小于季节性冻土区域当地的冻结深度；

（5）进入冬季后，污染土壤开始冻胀-吸水，通过安放在土体14（即污染土壤）中的温度传感器13和深度计11推算土体14的冻结锋面19推移速度，若冻结锋面19推移速度大于1cm/d，则在土体14表面覆盖保温材料来控制土体14的冻结速度使其保持在0～1cm/d，冻结速度过快，未冻土17内水分来不及迁移，发生原位冻结，造成淋洗效率低下；通过水位控制器10来控制水槽2水位，当水槽2水位低于土体14底部时，启动第二水泵8将淋洗液储箱9中的淋洗液抽送至水槽2中，使水槽2水位与土体14底部接触，使水槽2中淋洗液持续的向上迁移，当淋洗液储箱9中的淋洗液不足时，补充淋洗液储箱9中的淋洗液；

（6）进入春季后土体14开始融化前，抽净水槽2中的淋洗液；

（7）进入春季后，土体14开始融化，淋洗液自上向下流入水槽2；当水槽2水位高于土体14底部时，启动第一水泵5将水槽2中的淋出液抽送至淋出液储箱6，使用水位控制器10控制水槽2水位，使水槽2水位不与土体14接触；将淋出液储箱6中的淋出液净化处理、配比后作为淋洗液重复使用；

（8）土体14完全融化后，对土样采样分析污染物的去除率，若土体14检测不合格，即不符合土壤环境质量标准，则重复步骤（4）至步骤（7），若合格，则污染土壤处理结束。

实施例2

与实施例1基本相同，不同之处在于，两个温度传感器13的距离为3cm，步骤（7）所述土体14开始融化，在土体14上表面加载加速土体14融化排出淋洗液。

以上所述之实施例，只是本发明的较佳实施例而已，并非限制本发明实施范围，故凡依本发明专利范围所述技术方案所做的等效变化或修饰，均应包括于本发明申请专利范围内。

Claims (3)

1.一种基于自然冷能的异位修复污染土壤的系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将基于自然冷能的异位修复污染土壤的系统布设在季节性冻土区域；

所述基于自然冷能的异位修复污染土壤的系统，包括物料储槽，所述物料储槽内下部设置隔板将物料储槽分为上部的土槽和下部的水槽，所述隔板上均匀布设圆孔，隔板上方布设土工布，所述水槽底部设有进水管和出水管，出水管通过第一水泵连接至淋出液储箱，进水管连接至水位筒，所述水位筒通过第二水泵连接至淋洗液储箱，水位筒内设置水位控制器；所述土槽内设置深度计、位移计和温度传感器；所述温度传感器为若干个，若干个温度传感器垂直均匀布设在土槽内，相邻两个温度传感器之间的距离为2～3cm；

（2）根据需要修复的土壤污染程度和土壤理化性质选择淋洗液种类及浓度配比，配制淋洗液备用；

（3）预处理：采用挖掘设备对污染土壤进行挖掘，然后对污染土壤进行粗筛分、破碎、剔除大块杂物；

（4）进入冬季前，将步骤（2）配好的淋洗液倒入淋洗液储箱、水位筒和水槽中，使淋洗液充满水槽中；将步骤（3）预处理后的污染土壤填入土槽内；

（5）进入冬季后，污染土壤开始冻胀-吸水，通过安放在土体中的温度传感器和深度计推算土体的冻结锋面推移速度，若冻结锋面推移速度大于1cm/d，则在土体表面覆盖保温材料来控制土体的冻结速度使其保持在0～1cm/d；通过水位控制器来控制水槽水位，当水槽水位低于土体底部时，启动第二水泵将淋洗液储箱中的淋洗液抽送至水槽中，使水槽水位与土体底部接触，使水槽中淋洗液持续的向上迁移，当淋洗液储箱中的淋洗液不足时，补充淋洗液储箱中的淋洗液；

（6）进入春季后土体开始融化前，抽净水槽中的淋洗液；

（7）进入春季后，土体开始融化，淋洗液自上向下流入水槽；当水槽水位高于土体底部时，启动第一水泵将水槽中的淋出液抽送至淋出液储箱，使用水位控制器控制水槽水位，使水槽水位不与土体接触；将淋出液储箱中的淋出液净化处理、配比后做为淋洗液重复使用；

（8）土体完全融化后，对土样采样分析污染物的去除率，若土体检测不合格，则重复步骤（4）至步骤（7），若合格，则污染土壤处理结束。

2.根据权利要求1所述的一种基于自然冷能的异位修复污染土壤的系统的方法，其特征在于，土槽内填土厚度小于季节性冻土区域当地的冻结深度。

3.根据权利要求1所述的一种基于自然冷能的异位修复污染土壤的系统的方法，其特征在于，步骤（7）所述土体开始融化，在土体上表面加载加速土体融化排出淋洗液。

Images