CN114672329A - 一种阴燃方式降低重金属污染土壤环境风险的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种阴燃方式降低重金属污染土壤环境风险的装置及方法。所述装置包括热空气通风管、热空气通风管阀、常温空气通风管阀、常温空气通风管、空气分散器、反应器、保温棉、热电偶、热电偶数据记录仪；本发明装置可将木材生物质与重金属污染的土壤进行阴燃燃烧。本发明通过将木材生物质与重金属污染的土壤一起阴燃，阴燃时能够将土壤中易挥发重金属及时挥发出去，并且能够在还原气氛下将土壤中弱酸可提取态重金属和可还原态重金属转化为可氧化态重金属或残渣态重金属，阴燃产生的生物炭能够通过直接作用或间接作用降低土壤中弱酸提取态和可还原态重金属含量，达到土壤中重金属环境风险降低的目的。
Description
技术领域
本发明属于土壤污染治理技术领域，具体涉及一种阴燃方式降低重金属污染土壤环境风险的装置及方法。
技术背景
随着人类经济活动的持续加剧，土壤重金属污染形势愈发严峻。土壤重金属污染不仅会导致土壤肥力和粮食产量的下降，污染地表水和地下水，还会通过食物链威胁人类健康。近年来，对于重金属污染土壤的修复和风险管理备受关注。欧共体司（BCR）将土壤重金属形态分为4种：弱酸提取态、可还原态、可氧化态以及残渣态。弱酸提取态最具流动性和生物有效性的部分；可还原态和可氧化态为生物有效性较低的部分；残渣态为潜在不流动部分。
随着技术的研究发展，利用生物炭来对重金属污染土壤的修复得到越来越多人的关注，但是传统的热解生物炭方法需要在缺氧环境下进行热解，这将需要持续供给能量，将会消耗大量的外部能量，这会增加生物质的运输成本和经济成本。
为此，研发一种阴燃方式降低重金属污染土壤环境风险的装置及方法是非常有必要的。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种阴燃方式降低重金属污染土壤环境风险的装置。
本发明的第二目的在于提供一种阴燃方式降低重金属污染土壤环境风险的处理方法。
本发明的第一目的是这样实现的，包括热空气通风管（1）、热空气通风管阀（2）、正常温度空气通风管阀（3）、正常温度空气通风管（4）、空气分散器（5）、反应器（6）、保温棉（7）、热电偶（8）、热电偶数据记录仪（9），所述反应器（6）呈柱状，采用不锈钢制成，空气分散器（5）上方有孔径很小的铁丝网，热电偶（8）需要全部插入到反应器（6）内部中心，反应器（6）除了顶部以外有空隙的部分均需使用填充胶填满以防止多余空气进入使阴燃变为明火燃烧，保温棉（7）需要完全包裹住反应器（6）。
本发明的第二目的是这样实现的，包括以下步骤：
S1、混合物料：将木材生物质、重金属污染的土壤分别破碎，并按一定质量比混合均匀；
S2、加料：将经过步骤（1）预处理的木材生物质倒入反应器中，接着倒入步骤（1）所得混合物料，按此顺序依次填入，然后在最后一层上方单独铺设一定厚度的重金属污染的土壤；
S3、混合物料的阴燃反应：打开热电偶数据记录仪（9），关闭正常温度空气通风管阀（3），打开热空气通风管阀（2），从热空气通风管（1）处通入热风，直到第一个热电偶（8）处温度达到200℃时，此时阴燃反应开始。关闭热空气通风管阀（2），打开正常温度通风管阀（3），从正常温度通风管（1）处通入正常空气，使阴燃反应持续进行，直到最高处热电偶温度达到400℃时，关闭正常温度通风管阀（3），在反应器（6）顶部盖上盖子，让温度自然冷却至室温时，即反应完毕。
S4、出料：将反应完毕的物料从反应器（6）中倒出，所产生的生物炭可以继续用于重金属污染土壤的治理。在阴燃过程中产生的生物炭在土壤中有改良土壤的功效。
本发明的有益效果是：
1、本发明将重金属污染的土壤在阴燃燃烧方式下热解，能够在较高温度的作用下将土壤中的部分易挥发重金属挥发出来，达到去除部分重金属的目的。木材生物质与重金属污染的土壤共热解，木材生物质能够在热解时产生还原气氛，在还原气氛下能够将土壤中弱酸提取态重金属和可还原态重金属转化为可氧化态重金属或残渣态重金属，使土壤中重金属环境风险降低。
2、本发明在阴燃过程中能够将部分木材生物质热解为生物炭，生物炭能够通过物理吸附、离子交换、沉淀、络合等机制直接吸附和固定土壤中的可氧化态重金属或残渣态重金属，生物炭还可以通过改变土壤理化性质来间接地降低土壤中弱酸提取态和可还原态重金属含量。
3、本发明所利用阴燃过程对木材生物质和重金属污染的土壤进行热解，阴燃相比于传统热解需要更少的能量输入，只需让反应器内达到阴燃条件就可以进行自持阴燃反应，节约成本；木材生物质在阴燃过程时能够产生木醋液，木醋液能够对土壤进行改良，还能够抑制杂菌的繁殖，具有防菌，防虫的功效。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图中：1-热空气通风管，2-热空气通风管阀，3-常温空气通风管阀，4-常温空气通风管，5-空气分散器，6-反应器，7-保温棉，8-热电偶，9-热电偶数据记录仪。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步的说明，但不以任何方式对本发明加以限制，基于本发明教导所作的任何变换或替换，均属于本发明的保护范围。
如图一所示发明包括热空气通风管1、热空气通风管阀2、正常温度空气通风管阀3、正常温度空气通风管4、空气分散器5、反应器6、保温棉7、热电偶8、热电偶数据记录仪9，所述反应器6呈柱状，采用不锈钢制成，空气分散器5上方有孔径很小的铁丝网，用于支撑物料不会坍塌，所有的热电偶需要插入到反应器6内部中心，反应器6除了顶部以外有空隙的部分均需使用填充胶填满以防止过多空气进入使阴燃变为明火燃烧，保温棉7需要完全包裹住反应器6。
本发明的工作过程：
S1、混合物料：将木材生物质、重金属污染的土壤分别晒干破碎，并按一定质量比混合均匀；
S2、加料：将经过步骤（1）预处理的木材生物质倒入反应器中，倒入厚度为3-5cm，接着倒入步骤（1）所得混合物料，倒入厚度为3-5cm，按此顺序依次填入，铺设18-30层，然后在最后一层上方单独铺设0.5-1.5cm厚度的重金属污染的土壤；
S3、混合物料的阴燃反应：打开热电偶数据记录仪9，关闭正常温度空气通风管阀3，打开热空气通风管阀2，从热空气通风管1处通入热风，直到第一个热电偶8处温度达到200℃时，此时阴燃反应开始。关闭热空气通风管阀2，打开正常温度通风管阀3，从正常温度通风管1处通入正常空气，使阴燃反应持续进行，直到最高处热电偶温度达到400℃时，关闭正常温度通风管阀3，在反应器6顶部盖上盖子，让温度自然冷却至室温时，即反应完毕；
S4、出料：将反应完毕的物料从反应器6中倒出，所得处理后的混合物料直接返回农田，在阴燃过程中产生的生物炭在土壤中有改良土壤的功效。
优选的，步骤S1中，所述木材生物质需晒干至水分含量小于15%，重金属污染的土壤需晒干至水分含量小于10%。
优选的，步骤S1中，所述木材生物质和重金属污染的土壤分别破碎至10~20目和60目。
优选的，步骤S1中，所述木材生物质和重金属污染的土壤质量比为2：5~7。
优选的，步骤S2中，所述单独倒入反应器的生物质粒径为大于4目。
优选的，步骤S2中，所述最后一层上方单独铺设一定厚度的重金属污染的土壤厚度为1cm。
优选的，步骤S3中，所述热风通气管内热风温度为400~500℃。
优选的，步骤S3中，所述通入的热空气流量和冷空气流量20~30mL/min。
优选的，所述重金属污染的土壤中重金属为Cu、Cr、Pb、Zn、Cd、Hg、As、Ni中的一种或多种。
下面结合实施例1~实施例4对本发明作进一步说明。
实施例1
采用阴燃方式降低重金属污染土壤环境风险的装置的方法，包括以下步骤：
S1.混合物料：将木材生物质、重金属污染的土壤分别晒干至水分分别小于15%和10%，分别破碎至粒径为10目和60目，并2：5质量比混合均匀；
S2.加料：将经过步骤（1）预处理的木材生物质倒入反应器中，倒入厚度为3cm，接着倒入步骤（1）所得混合物料，倒入厚度为3cm，按此顺序依次填入，铺设30层，然后在最后一层上方单独铺设0.5cm厚度的重金属污染的土壤；
S3.混合物料的阴燃反应：打开热电偶数据记录仪9，关闭正常温度空气通风管阀3，打开热空气通风管阀2，从热空气通风管1处以20mL/min的流量通入400℃的热风，直到第一个热电偶8处温度达到200℃时，此时阴燃反应开始。关闭热空气通风管阀2，打开正常温度通风管阀3，从正常温度通风管1处以20mL/min的流量通入正常空气，使阴燃反应持续进行，直到最高处热电偶温度达到400℃时，关闭正常温度通风管阀3，在反应器6顶部盖上盖子，让温度自然冷却至室温时，即反应完毕；
S4.出料：将反应完毕的物料从反应器6中倒出，所得处理后的混合物料直接返回农田，阴燃过程中产生的生物炭可以继续用于重金属污染土壤的治理。
实施例2
采用阴燃方式降低重金属污染土壤环境风险的装置的方法，包括以下步骤：
S1.混合物料：将木材生物质、重金属污染的土壤分别晒干至水分分别小于15%和10%，分别破碎至粒径为小于20目和60目，并2：7质量比混合均匀；
S2.加料：将经过步骤（1）预处理的木材生物质倒入反应器中，倒入厚度为5cm，接着倒入步骤（1）所得混合物料，倒入厚度为5cm，按此顺序依次填入，铺设19层，然后在最后一层上方单独铺设1.5cm厚度的重金属污染的土壤；
S3.混合物料的阴燃反应：打开热电偶数据记录仪9，关闭正常温度空气通风管阀3，打开热空气通风管阀2，从热空气通风管1处以30mL/min的流量通入500℃的热风，直到第一个热电偶8处温度达到200℃时，此时阴燃反应开始。关闭热空气通风管阀2，打开正常温度通风管阀3，从正常温度通风管1处以30mL/min的流量通入正常空气，使阴燃反应持续进行，直到最高处热电偶温度达到400℃时，关闭正常温度通风管阀3，在反应器6顶部盖上盖子，让温度自然冷却至室温时，即反应完毕；
S4.出料：将反应完毕的物料从反应器6中倒出，所得处理后的混合物料直接返回农田，阴燃过程中产生的生物炭可以继续用于重金属污染土壤的治理。
实施例3
采用阴燃方式降低重金属污染土壤环境风险的装置的方法，包括以下步骤：
S1.混合物料：将木材生物质、重金属污染的土壤分别晒干至水分分别小于15%和10%，分别破碎至粒径为14目和60目，并2：6质量比混合均匀；
S2.加料：将经过步骤（1）预处理的木材生物质倒入反应器中，倒入厚度为4cm，接着倒入步骤（1）所得混合物料，倒入厚度为4cm，按此顺序依次填入，铺设24层，然后在最后一层上方单独铺设1cm厚度的重金属污染的土壤；
S3.混合物料的阴燃反应：打开热电偶数据记录仪9，关闭正常温度空气通风管阀3，打开热空气通风管阀2，从热空气通风管1处以25mL/min的流量通入450℃的热风，直到第一个热电偶8处温度达到200℃时，此时阴燃反应开始。关闭热空气通风管阀2，打开正常温度通风管阀3，从正常温度通风管1处以25mL/min的流量通入正常空气，使阴燃反应持续进行，直到最高处热电偶温度达到400℃时，关闭正常温度通风管阀3，在反应器6顶部盖上盖子，让温度自然冷却至室温时，即反应完毕；
S4.出料：将反应完毕的物料从反应器6中倒出，所得处理后的混合物料直接返回农田，阴燃过程中产生的生物炭可以继续用于重金属污染土壤的治理。
实施例4
采用阴燃方式降低重金属污染土壤环境风险的装置的方法，包括以下步骤：
S1.混合物料：将木材生物质、重金属污染的土壤分别晒干至水分分别小于15%和10%，分别破碎至粒径为16目和60目，并2：5质量比混合均匀；
S2.加料将经过步骤（1）预处理的木材生物质倒入反应器中，倒入厚度为5cm，接着倒入步骤（1）所得混合物料，倒入厚度为3cm，按此顺序依次填入，铺设23层，然后在最后一层上方单独铺设1.5cm厚度的重金属污染的土壤；
S3.混合物料的阴燃反应：打开热电偶数据记录仪9，关闭正常温度空气通风管阀3，打开热空气通风管阀2，从热空气通风管1处以30mL/min的流量通入400℃的热风，直到第一个热电偶8处温度达到200℃时，此时阴燃反应开始。关闭热空气通风管阀2，打开正常温度通风管阀3，从正常温度通风管1处以20mL/min的流量通入正常空气，使阴燃反应持续进行，直到最高处热电偶温度达到400℃时，关闭正常温度通风管阀3，在反应器6顶部盖上盖子，让温度自然冷却至室温时，即反应完毕；
S4. 出料：将反应完毕的物料从反应器6中倒出，所得处理后的混合物料直接返回农田，阴燃过程中产生的生物炭可以继续用于重金属污染土壤的治理。
实验数据（mg/kg）
注：本实验以Pb和Cu污染的土壤为例进行实验，重金属形态转换效果依重金属种类不同而不同。
Claims (10)
1.一种阴燃方式降低重金属污染土壤环境风险的方法，其特征在于包括以下步骤：
S1、预处理：将木材生物质、重金属污染土壤分别晒干破碎，将部分晒干破碎后的木材生物质、重金属污染土壤按比例混合均匀得到混合物料；
S2、加料：将经过步骤（1）预处理的木材生物质倒入反应器中，倒入厚度为3-5cm，接着倒入步骤（1）所得混合物料，倒入厚度为3-5cm，按此顺序依次填入，铺设18-30层，然后在最后一层上方单独铺设0.5-1.5cm厚度的重金属污染的土壤；
S3、混合物料的阴燃反应：从装好物料的反应器底部通入热空气，直至底部第一层物料温度达到200℃时，此时阴燃反应开始，接着通入常温空气直至倒数第二层物料温度达到400℃时，停止通风，保持反应器密闭状态，让温度自然冷却至室温时，即反应完毕；
S4、出料：将反应完毕的物料从反应器6中倒出，所得处理后的混合物料直接返回农田。
2.根据权利要求1所述的阴燃方式降低重金属污染土壤环境风险的方法，其特征在于所述木材生物质晒干至水分含量小于15%，重金属污染的土壤晒干至水分含量小于10%。
3.根据权利要求1所述的阴燃方式降低重金属污染土壤环境风险的方法，其特征在于所述的重金属污染土壤破碎至60目，所述的混合物料中的木材生物质破碎至10~20目。
4.根据权利要求1所述的阴燃方式降低重金属污染土壤环境风险的方法，其特征在于所述单独倒入反应器的生物质粒径为4目。
5.根据权利要求1所述的阴燃方式降低重金属污染土壤环境风险的方法，其特征在于所述混合物料中木材生物质和重金属污染土壤质量比为2：5~7。
6.根据权利要求1所述的阴燃方式降低重金属污染土壤环境风险的方法，其特征在于所述热空气的温度为400~500℃。
7.根据权利要求1所述的阴燃方式降低重金属污染土壤环境风险的方法，其特征在于所述通入的热空气和常温空气的流量均为20~30mL/min。
8.根据权利要求1所述的阴燃方式降低重金属污染土壤环境风险的方法，其特征在于所述重金属污染土壤中重金属为Cu、Cr、Pb、Zn、Cd、Hg、As、Ni中的一种或多种。
9.一种实现权利要求1-8任一所述的阴燃方式降低重金属污染土壤环境风险的装置，其特征在于包括热空气通风管（1）、热空气通风管阀（2）、常温空气通风管阀（3）、常温空气通风管（4）、空气分散器（5）、反应器（6）、保温棉（7）、热电偶（8）、热电偶数据记录仪（9），所述反应器（6）呈圆柱状，空气分散器（5）上方设置有支撑网，所述热电偶（8）设置有4-8个，所述热电偶（8）需要插入到反应器（6）内部中心，反应器（6）除了顶部以外有空隙的部分均需使用填充胶填满以防止过多空气进入使阴燃变为明火燃烧，所述保温棉（7）在外侧完全包裹住反应器（6）。
10.根据权利要求9所述的阴燃方式降低重金属污染土壤环境风险的装置，所述反应器（6）采用不锈钢制成，直径为10cm，高100cm；所述支撑网为孔径为100目的铁丝网。
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