CN111085535B

CN111085535B - 确定有机污染土壤处理中生石灰添加量的方法及有机污染土壤的处理方法

Info

Publication number: CN111085535B
Application number: CN201911403229.9A
Authority: CN
Inventors: 和丽萍; 陈异晖; 杨伟光; 李丽娜; 魏中华; 王苗; 和淑娟; 李敏敏; 崔灿文
Original assignee: Yunnan Institute Of Environmental Science (kunming China International Research Center For Plateau-Lake)
Current assignee: Yunnan Institute Of Environmental Science (kunming China International Research Center For Plateau-Lake)
Priority date: 2019-12-31
Filing date: 2019-12-31
Publication date: 2022-05-27
Anticipated expiration: 2039-12-31
Also published as: CN111085535A

Abstract

本发明涉及一种确定有机污染土壤处理中生石灰添加量的方法及有机污染土壤的处理方法。所述确定有机污染土壤处理中生石灰添加量的方法包括：(a)向不同初始含水率的有机污染土壤中投加不同添加量的生石灰，反应后，检测土壤最终含水率和土壤pH，得到生石灰添加量与土壤最终含水率和土壤pH之间的关系；(b)根据上述关系、所需土壤含水率以及所需土壤pH，构建生石灰最佳添加量的预测模型，得到不同初始含水率的有机污染土壤的最佳生石灰添加量。该方法科学严谨，所得到的生石灰添加量合理，向有机污染土壤中添加该特定添加量的生石灰后，能够有效降低其含水率，避免其在进行例如热脱附处理时堵塞热脱附装置，提高对土壤的修复效果。

Description

确定有机污染土壤处理中生石灰添加量的方法及有机污染土壤的处理方法

技术领域

本发明涉及热脱附修复污染土壤领域，具体而言，涉及一种确定有机污染土壤处理中生石灰添加量的方法及有机污染土壤的处理方法。

背景技术

随着我国经济结构的调整，以及国家对环境保护的重视，许多化工厂由于迁出而遗留的污染场地，常常被开发利用为学校、住房以及商业用地等，不适合采用修复时间过长的原位技术，需要的是更加快速高效的异位热脱附修复技术。红壤的粘性较强，且含水率较高，对其进行热脱附时非常容易堵塞热脱附装置，不仅对土壤的修复效果差，还容易损伤热脱附装置，处理成本较高。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种确定有机污染土壤处理中生石灰添加量的方法，该方法科学严谨，所得到的生石灰添加量最适合其所对应的特定初始含水率的有机污染土壤，向有机污染土壤中添加该特定添加量的生石灰后，能够有效降低其含水率，避免其在进行例如热脱附处理时堵塞热脱附装置，避免损伤热脱附装置，提高对土壤的修复效果，降低处理成本。

本发明的第二目的在于提供一种有机污染土壤的处理方法。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种确定有机污染土壤处理中生石灰添加量的方法，包括：

(a)向不同初始含水率的有机污染土壤中投加不同添加量的生石灰，反应后，检测土壤最终含水率和土壤pH，得到生石灰添加量与土壤最终含水率之间的关系，以及生石灰添加量与土壤pH之间的关系；

(b)根据生石灰添加量与土壤最终含水率之间的关系、生石灰添加量与土壤pH之间的关系、所需土壤含水率以及所需土壤pH，构建生石灰最佳添加量的预测模型，得到不同初始含水率的有机污染土壤的最佳生石灰添加量。

作为进一步优选的技术方案，有机污染土壤的初始含水率为20％-35％；

优选地，不同初始含水率的有机污染土壤包括初始含水率分别为35％、30％、25％和20％的有机污染土壤。

作为进一步优选的技术方案，生石灰的添加量为0-16％；

优选地，不同添加量的生石灰包括添加量分别为0、4％、8％、12％和16％的生石灰。

作为进一步优选的技术方案，反应时间为2-4天。

作为进一步优选的技术方案，所需土壤含水率为19％-20％；

优选地，所需土壤pH为6-9。

作为进一步优选的技术方案，所述土壤包括红壤，所需土壤含水率为19％-20％，所需土壤pH为6-9。

第二方面，本发明提供了一种有机污染土壤的处理方法，包括：首先测定有机污染土壤的初始含水率，然后根据上述方法得到最佳生石灰添加量，将最佳添加量的生石灰与有机污染土壤混合后反应，最后进行热脱附处理。

作为进一步优选的技术方案，有机污染土壤的初始含水率为23％-35％，生石灰的添加量为1.2％-5.4％。

作为进一步优选的技术方案，生石灰的添加量为1.5％-2％。

作为进一步优选的技术方案，热脱附处理包括以下条件中的至少一个：进料量500-600kg/h，停留时间60-75min，加热温度700-750℃。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供的确定有机污染土壤处理中生石灰添加量的方法首先通过向不同初始含水率的有机污染土壤中投加生石灰，反应后得到生石灰添加量与土壤最终含水率和土壤pH之间的关系，进而根据以上关系、实际所需土壤含水率以及所需土壤pH，构建出生石灰最佳添加量的预测模型，从而得到不同初始含水率的有机污染土壤的最佳生石灰添加量。该方法科学严谨，所得到的生石灰添加量最适合其所对应的特定初始含水率的有机污染土壤，向有机污染土壤中添加该特定添加量的生石灰后，能够有效降低其含水率，避免其在进行例如热脱附处理时堵塞热脱附装置，避免损伤热脱附装置，提高对土壤的修复效果，降低处理成本。

本发明提供的有机污染土壤的处理方法中首先根据上述方法确定出特定初始含水率的土壤所需的最佳生石灰添加量，然后将生石灰与土壤混合后反应，最后进行热脱附处理，该方法在热脱附处理之前就对有机污染土壤进行了生石灰预处理，以有效降低土壤的含水率，降低土壤粘度，避免在后续的热脱附处理过程中出现堵塞和损伤热脱附装置的情况，提高土壤的修复效果，降低处理成本。

附图说明

图1a为实施例1中初始含水率为35％的土壤的生石灰添加量与土壤最终含水率之间的关系图；

图1b为实施例1中初始含水率为30％的土壤的生石灰添加量与土壤最终含水率之间的关系图；

图1c为实施例1中初始含水率为25％的土壤的生石灰添加量与土壤最终含水率之间的关系图；

图1d为实施例1中初始含水率为20％的土壤的生石灰添加量与土壤最终含水率之间的关系图；

图2a为实施例1中初始含水率为35％的土壤的生石灰添加量与土壤pH之间的关系图；

图2b为实施例1中初始含水率为30％的土壤的生石灰添加量与土壤pH之间的关系图；

图2c为实施例1中初始含水率为25％的土壤的生石灰添加量与土壤pH之间的关系图；

图2d为实施例1中初始含水率为20％的土壤的生石灰添加量与土壤pH之间的关系图；

图3为实施例1构建的生石灰最佳添加量的预测模型图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。

本申请的发明人经大量研究发现，向有机污染土壤(特别是有机污染红壤)中加入生石灰不仅能降低土壤含水率，还能与土壤颗粒发生复杂的物理化学变化，改变土体的内部结构，降低土壤粘性(降低结块率)以及提高土壤渗透系数和热导效率，并且生石灰经济价廉、容易获取。而如何根据有机污染土壤的含水率来科学确定生石灰的添加量，对于有效进行有机污染土壤的处理至关重要。

基于以上，根据本发明的一个方面，提供了一种确定有机污染土壤处理中生石灰添加量的方法，包括：

上述方法首先通过向不同初始含水率的有机污染土壤中投加生石灰，反应后得到生石灰添加量与土壤最终含水率和土壤pH之间的关系，进而根据以上关系、实际所需土壤含水率以及所需土壤pH，构建出生石灰最佳添加量的预测模型，从而得到不同初始含水率的有机污染土壤的最佳生石灰添加量。该方法科学严谨，所得到的生石灰添加量最适合其所对应的特定初始含水率的有机污染土壤，向有机污染土壤中添加该特定添加量的生石灰后，能够有效降低其含水率，避免其在进行例如热脱附处理时堵塞热脱附装置，避免损伤热脱附装置，提高对土壤的修复效果，降低处理成本。

需要说明的是：

上述“有机污染土壤”是指含有总石油烃(C10-C40)、萘、苊、苯并[a]蒽、苯并[b]荧蒽、苯并[k]荧蒽、苯并[a]芘、茚并[1,2,3-cd]芘、二苯并[a,h]蒽或苯并[g,h,i]苝中的至少一种的土壤；总石油烃(C10-C40)、萘、苊、苯并[a]蒽、苯并[b]荧蒽、苯并[k]荧蒽、苯并[a]芘、茚并[1,2,3-cd]芘、二苯并[a,h]蒽或苯并[g,h,i]苝的含量分别为1000-5080、70-726、30-200、15-130、80-275、38.2-160、1.5-178、15-137、1.5-85和40-128mg/kg。

上述“向不同初始含水率的有机污染土壤中投加不同添加量的生石灰”是指以下试验的组合：对某一特定初始含水率的有机污染土壤中分别投加不同添加量的生石灰，形成一组试验；多个不同初始含水率的有机污染土壤形成多组试验，最终形成多组试验的组合。例如，当有机污染土壤的初始含水率分别为X1、X2、X3和X4，生石灰的添加量分别为Y1、Y2、Y3和Y4时，对于初始含水率为X1的有机污染土壤来说，生石灰的添加量分别为Y1、Y2、Y3和Y4，对于初始含水率为X2的有机污染土壤来说，生石灰的添加量分别为Y1、Y2、Y3和Y4，对于初始含水率为X3的有机污染土壤来说，生石灰的添加量分别为Y1、Y2、Y3和Y4，对于初始含水率为X4的有机污染土壤来说，生石灰的添加量分别为Y1、Y2、Y3和Y4，得到四组试验的组合。

上述“所需土壤含水率”是指在后续处理之前土壤需要达到的含水率，上述后续处理是指添加生石灰之后的处理工艺，例如热脱附处理等。

上述“所需土壤pH”是指在后续处理之前土壤需要达到的pH。

上述“添加量”是指生石灰占有机污染土壤的质量百分比。

上述“含水率”是指有机污染土壤中水的质量百分比。

上述“初始含水率”和“最终含水率”分别指添加生石灰前的含水率和添加生石灰并经反应后的含水率。

在一种优选的实施方式中，有机污染土壤的初始含水率为20％-35％。上述初始含水率包括但不限于20％、21％、22％、23％、24％、25％、26％、27％、28％、29％、30％、31％、32％、33％、34％或35％。

优选地，生石灰的添加量为0-16％。上述添加量包括但不限于0、2％、4％、6％、8％、10％、12％、14％或16％。

优选地，反应时间为2-4天。上述反应时间典型但非限制性的为2、2.5、3、3.5或4天。当反应时间在以上范围内时，能够使生石灰与土壤中的水充分反应，降低土壤的含水率。

在一种优选的实施方式中，所需土壤含水率为19％-20％。当所需土壤含水率在上述范围内时，土壤不易堵塞后续的热脱附装置，并且有利于节省生石灰原料，进一步降低成本。

优选地，所需土壤pH为6-9。所需土壤的pH包括但不限于6、7、8或9。所需土壤pH不宜过低或过高，过低则酸性较强，过高则碱性较强，均不适合投放到自然环境中。

可选地，对于同一含水率的有机污染土壤，添加同一添加量的生石灰，可设置至少三组平行试验，反应后，检测至少三组平行试验的土壤含水率和土壤pH，取平均值，得到土壤含水率和土壤pH与生石灰添加量之间的关系。设置至少三组平行试验能够尽量减少试验误差，提高试验精确度。

优选地，所述土壤包括红壤。

根据本发明的另一方面，提供了一种有机污染土壤的处理方法，包括：首先测定有机污染土壤的初始含水率，然后根据上述方法得到最佳生石灰添加量，将最佳添加量的生石灰与有机污染土壤混合后反应，最后进行热脱附处理。

上述处理方法中首先根据上述方法确定出特定初始含水率的土壤所需的最佳生石灰添加量，然后将生石灰与土壤混合后反应，最后进行热脱附处理，该方法在热脱附处理之前就对有机污染土壤进行了生石灰预处理，以有效降低土壤的含水率，降低土壤粘度，避免在后续的热脱附处理过程中出现堵塞和损伤热脱附装置的情况，提高土壤的修复效果，降低处理成本。

在一种优选的实施方式中，有机污染土壤的初始含水率为23％-35％，生石灰的添加量为1.2％-5.4％。当有机污染土壤的初始含水率为23％-35％时，生石灰的添加量为1.2％-5.4％能够实现较好的降低含水量的效果。上述生石灰的添加量典型但非限制性的为1.2％、1.5％、2％、2.5％、3％、3.5％、4％、4.5％、5％或5.4％。

优选地，生石灰的添加量为1.5％-2％。综合考虑到成本和修复目标值，确定生石灰的添加量为1.5％-2％，结果显示，当添加量在上述范围内时，土壤的修复效果更好，成本也更合理。

优选地，热脱附处理包括以下条件中的至少一个：进料量500-600kg/h，停留时间60-75min，加热温度700-750℃。进料量典型但非限制性的为500、510、520、530、540、550、560、570、580、590或600kg/h。停留时间典型但非限制性的为60、61、62、63、64、65、66、67、68、69、70、71、72、73、74或75min。加热温度典型但非限制性的为700、710、720、730、740或750℃。热脱附长期运行试验结果显示，当进料量、停留时间或加热温度中的至少一种在以上范围内时，土壤中污染物的去除效果较好。

本发明将最佳生石灰添加量与热脱附处理中的进料量、停留时间和加热温度相结合，确定得到高效的有机污染热脱附修复方法：

(1)结合确定有机污染土壤处理中生石灰添加量的方法得到最佳生石灰添加量，然后进行热脱附土壤前处理，即将石灰和土壤搅拌混匀；

(2)将处理后的土壤按一定添加量放入进料口，设置热脱附的加热温度、停留时间，结合出料温度确定热脱附运行稳定和效果最佳的参数。

需要说明的是，在热脱附处理处理之后还可以包括尾气处理和/或废水净化的步骤，增强该处理方法的环保性，实现废水的循环利用。

下面结合实施例对本发明做进一步详细的说明。

实施例1

一种确定有机污染土壤处理中生石灰添加量的方法，包括：

(a)向不同初始含水率的有机污染土壤中投加不同添加量的生石灰，反应后，检测土壤最终含水率和土壤pH，得到生石灰添加量与土壤最终含水率之间的关系，以及生石灰添加量与土壤pH之间的关系。

有机污染土壤为红壤，红壤理化性质：土壤类型为粘性红壤，其中高岭土占比66.05％，Fe₂O₃占比20.27％，化学元素以Fe、Si和Al为主，分别占比32.09％、25.02％、24.02％，以上占比均指质量百分比，pH值为6.4-6.7；总石油烃(C10-C40)、萘、苊、苯并[a]蒽、苯并[b]荧蒽、苯并[k]荧蒽、苯并[a]芘、茚并[1,2,3-cd]芘、二苯并[a,h]蒽与苯并[g,h,i]苝的含量分别为3220、88、36.3、69.9、89.8、38.2、72、51.1、25.5和58mg/kg。

选用初始含水率分别为35％、30％、25％和20％的土壤各30kg，均分成15份，每份2kg，分别设置0、4％、8％、12％和16％的生石灰添加量，共20组，每组设三个平行试验(即每组有3份2kg的土壤)，反应时间均为3天，对于每组内的试验结果取平均值，试验设计见表1。

表1

所得生石灰添加量与土壤最终含水率之间的关系图见图1a-图1d，生石灰添加量与土壤pH之间的关系图见图2a-图2d，图中均包含散点、拟合线和回归方程。

(b)根据所需土壤含水率19％-20％以及所需土壤pH6-9，构建生石灰最佳添加量的预测模型(见图3)，得到不同初始含水率的有机污染土壤的最佳生石灰添加量。

图3中，从上到下的三条线分别代表最大生石灰添加量与土壤初始含水率的拟合线(简称最大拟合线)、平均生石灰添加量与土壤初始含水率的拟合线(简称平均拟合线)以及最小生石灰添加量与土壤初始含水率的拟合线(简称最小拟合线)，对于具有某一确定初始含水率的土壤来说，生石灰的添加量在最大拟合线与最小拟合线之间的范围内即可。

实施例2

一种有机污染红壤的处理方法，包括：首先测定有机污染红壤的初始含水率，然后根据实施例1方法得到最佳生石灰添加量，将最佳添加量的生石灰与有机污染土壤混合后反应，最后进行热脱附处理。

有机污染红壤的初始含水率为23％-35％，根据实施例1的预测模型推出，生石灰添加量为1.2％-5.4％，综合考虑成本和修复目标值，确定中试生石灰添加量为1.5％-2％。

本次中试初步采集、转移的污染土壤约为300m³，分为150m³的轻度污染土壤和150m³的重度污染土壤。其中，重度污染土壤主要污染物为石油烃和多环芳烃，部分超过修复目标值150倍；轻度污染土壤部分污染物浓度超过修复目标值15倍。试验土壤分为A、B、C和D四类，其中A类土壤污染含量居中(污染含量在B类和D类之间)，B类土壤(为采集到的150m³的重度污染土壤)污染含量和热值最高，直接热脱附存在闪爆风险，因此引入无污染C类土壤按质量比1:1混合，以降低B类土壤的浓度和热值；D类污染土壤(为采集到的150m³的轻度污染土壤)热值具备试验条件。分别将A类、B+C类和D类土壤按热脱附试验设计相关参数(见表2)进行试验(备注：每一类土壤都按下面设计参数试验一遍)。

表2

添加生石灰充分混拌后放入气柜(用于存放有机污染土壤，防止对环境造成二次污染)，反应3天后备用。土壤热脱附连续化运行试验共38组。热脱附阶段，每天2组热脱附试验，每组12h。每组试验前8h为运行工况调节和校核期，试验后4h达到设备稳定期，为正式试验阶段。

通过异位间接热脱附长期运行参数工艺实验结果显示，进料量在500～600kg/h，停留时间60～75min，加热温度设置在750℃，出料温度控制在330～430℃，污染物去除效果较佳，与对照原土相比，总石油烃(C10-C40)的去除率为98.4％，多环芳烃的平均去除率为99.7％，其中萘、苊、苯并[a]蒽、苯并[b]荧蒽、苯并[k]荧蒽、苯并[a]芘、茚并[1,2,3-cd]芘、二苯并[a,h]蒽与苯并[g,h,i]苝的去除率分别达到99.8％、99.7％、99.8％、99.8％、99.7％、99.8％、99.8％、99.5％和99.8％(见表3)。

表3有机污染红壤中污染物的去除效果

尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以作出许多其他的更改和修改。因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些变化和修改。

Claims

1.一种有机污染土壤的处理方法，其特征在于，包括：首先测定有机污染土壤的初始含水率，然后确定最佳生石灰添加量，将最佳添加量的生石灰与有机污染土壤混合后反应，最后进行热脱附处理；

所述最佳生石灰添加量通过如下步骤确定：

（a）向初始含水率分别为35%、30%、25%和20%的有机污染土壤中投加0、4%、8%、12%和16%的生石灰，反应后，检测土壤最终含水率和土壤pH，得到生石灰添加量与土壤最终含水率之间的关系:

初始含水率为35%时，Y₁=-0.5x+0.324，R²=0.991；

初始含水率为30%时，Y₁=-0.897x+0.310，R²=0.961；

初始含水率为25%时，Y₁=-0.435x+0.224，R²=0.993；

初始含水率为20%时，Y₁=-0.403x+0.193，R²=0.938；

以及生石灰添加量与土壤pH之间的关系：

初始含水率为35%时，Y₂=22.6x+7.65，R²=0.689；

初始含水率为30%时，Y₂=22.4x+7.75，R²=0.661；

初始含水率为25%时，Y₂=22.9x+7.71，R²=0.741；

初始含水率为20%时，Y₂=22.25x+8.03，R²=0.6822；

其中，Y₁为土壤最终含水率，Y₂为土壤pH，x为生石灰添加量；

（b）根据生石灰添加量与土壤最终含水率之间的关系、生石灰添加量与土壤pH之间的关系、所需土壤含水率以及所需土壤pH，构建生石灰最佳添加量的预测模型，得到不同初始含水率的有机污染土壤的最佳生石灰添加量：

Y_min=0.091x-0.009，R²=0.584；

Y_max=0.102x+0.03，R²=0.665；

Y_mean=0.071x+0.009，R²=0.605;

其中，Y_min为最小生石灰添加量，Y_max为最大生石灰添加量，Y_mean为平均生石灰添加量，x为土壤初始含水率；

其中，有机污染土壤的初始含水率为20%-35%；

生石灰的添加量为0-16%；

反应时间为2-4天；

所需土壤含水率为19%-20%，所需土壤pH为6-9；

热脱附处理包括以下条件中的至少一个：进料量500-600kg/h，停留时间60-75min，加热温度700-750℃。

2.根据权利要求1所述的有机污染土壤的处理方法，其特征在于，所述土壤包括红壤。

3.根据权利要求1所述的有机污染土壤的处理方法，其特征在于，有机污染土壤的初始含水率为23%-35%，生石灰的添加量为1.2%-5.4%。

4.根据权利要求3所述的有机污染土壤的处理方法，其特征在于，生石灰的添加量为1.5%-2%。