一種土壤異位淋洗篩分聯鎖控制系統及其淋洗篩分方法與流程

本發明涉及一種用于受重金屬、營養元素、難降解有機物等污染的土壤治理和修復的淋洗系統，屬于土壤淋洗技術領域。

背景技術：

土壤是地球表面的一層疏松的物質，由巖石風化而成的礦物質、動植物，微生物殘體腐解產生的有機質、土壤生物(固相物質)以及水分(液相物質)、空氣(氣相物質)，氧化的腐殖質等組成，能生長植物。土壤顆粒通過不同的堆積方式相互粘結而形成土壤結構。除砂土外，土壤顆粒在自然條件下是聚集在一起以土壤結構的形式表現出來，而土壤質地對土壤生產性狀的影響也是通過土壤結構性表現出來。土壤結構的類型有片狀的、塊狀的、柱狀的和小顆粒粒狀的。

隨著工業化進程的不斷加快，礦產資源的不合理開采及其冶煉排放、長期對土壤進行污水灌溉和污泥施用、人為活動引起的大氣沉降、化肥和農藥的施用等原因，造成了土壤受到嚴重污染。

我國土壤修復技術研究起步較晚，加之區域發展不均衡，土壤類型多樣，污染場地特征多變，污染類型復雜，技術需求多樣等因素，實施難度較大。目前較為常見的土壤修復技術歸納起來常用的主要有化學淋洗法、熱力學修復法、熱解吸修復法、焚燒法、土地填埋法、堆肥法、植物修復法、滲透反應墻法和生物修復法等幾種。

其中，化學淋洗法是利用淋洗液或化學助劑與土壤中的污染物結合，并通過淋洗液的解吸、螯合、溶解或固定等化學作用，達到修復污染土壤的目的。是目前土壤修復行業常用的主要技術之一。根據淋洗場地位置不同，可分為原位淋洗和異位淋洗，其中異位淋洗又可分為現場修復和離場修復。

其中，原位土壤淋洗修復技術是根據污染物分布的深度，讓淋洗液在重力或外力作用下流過污染土壤，使污染物從土壤中遷移出來，并利用抽提井或采用挖溝的辦法收集洗脫液。洗脫液中污染物經合理處置后，淋洗液可以進行回用或達標排放，處理后的土壤可以再安全利用。原位土壤淋洗修復技術適用于水力傳導系數大于10cm/s的多空隙、易滲透的土壤，如沙土砂礫土壤、沖積土和濱海土等。去除吸附態污染物，包括重金屬、易揮發鹵代有機物和非鹵代有機物。

異位土壤淋洗修復技術則包括以下流程：

(1)挖掘土壤。

(2)土壤顆粒篩分，剔除雜物如垃圾、有機殘體、玻璃碎片等，并將粒徑過大的礫石移除。

(3)淋洗處理，在一定的土液比下將污染土壤與淋洗液混合攪拌，待淋洗液將土壤污染物萃取后，靜置，進行固液分離。

(4)淋洗廢液處理，含有懸浮顆粒的淋洗廢液經處理后，可再次用于淋洗

(5)揮發性氣體處理達標后排放。

(6)淋洗后的土壤符合控制標準，進行回填或安全利用，淋洗廢液處理中產生的污泥經脫水后可再進行淋洗或送至最終處置場處理。

異位土壤淋洗修復技術適用于粘粒含量低于25％，被重金屬、放射性核素、石油烴類、揮發性有機物、多氯聯苯和多環芳烴等污染的土壤。

原位土壤淋洗修復技術要讓淋洗液在重力或外力作用下流過污染土壤，并利用抽提井或采用挖溝的辦法收集洗脫液。淋洗過程和洗脫液回收過程難以精確控制，產生二次污染的可能性較大，因此具備條件時一般采用異位土壤淋洗修復技術。

中國專利文獻cn106238451a公開的土壤異位淋洗修復技術如《一種含重金屬的廢渣或土壤的淋洗工藝及裝置》公開了一種含重金屬的廢渣或土壤的淋洗工藝及裝置。該淋洗工藝包括：破碎、篩選、淋洗、淋洗液自動收集導排、動態監測、重復淋洗等步驟。該淋洗裝置包括：破碎機、運輸裝置、篩分機、淋洗場、噴淋裝置、至少兩個收集池和沉淀池等。實現了污染土壤的異位淋洗。該工藝但未充分考慮土壤中污染物在不同粒徑的分布特征，篩分和淋洗目的性不強，篩分和淋洗效率較差。

中國專利文獻cn105598147a公開的土壤異位淋洗修復技術如《一種土壤清洗裝置及其清洗方法》本發明公開了一種土壤清洗裝置及其清洗方法，該清洗裝置包括顆粒分級單元、土壤清洗單元及污水處理單元，該顆粒分級單元用于將土壤分離成粒徑不同的顆粒，該土壤清洗單元用于通過添加藥劑及清水對分離后的土壤顆粒進行清洗，該污水處理單元將清洗后的土壤進行固液分離，分離后的濾餅改良后回填，分離后的污水進行深度處理。本發明將污染土壤進行多次粒徑分級，然后將目標污染物集中存在的粒徑范圍內的土壤與淋洗劑混合投加到淋洗反應器中，并控制在一定的條件下進行多級清洗，將洗過的土壤分離出來，回填或作深度處理，富集了污染物的廢液經過處理后排放或回用。該方法盡管明確了土壤中污染物在不同粒徑的分布特征，但未充分考慮現行技術裝備的技術水平，未明確現有清洗裝備的構造，清洗過程針對性差，效率較低。

cn103588367a公開的與土壤性質較為接近的異位淋洗修復技術如《多級自控篩分重金屬污染土壤異位治理系統》，主要包括調節池、第一調理池、第二調理池、第三調理池和第三調理池；第一調理池上部設置有振動篩，調節池與振動篩之間連接有輸送渣漿泵；振動篩中自上至下設置有三層篩網，每層篩網分別與一套皮帶輸送機連接；第二調理池的上部設有螺旋洗砂機，螺旋洗砂機與第四套皮帶輸送機連接，第三調理池和第三調理池的上部均設有水力旋流器，兩個水力旋流器各與一套皮帶輸送機連接，三個調理池中均設置有攪拌機、渣漿泵和粒徑分析儀。該系統雖然充分考慮了含砂石比例較大的重金屬污染土壤的技術實施難度，明確了中污染物在不同粒徑的分布特征和淋洗的過程，但未充分考慮土壤與土壤含水率的差別，特別是污染場地建設過程中處置建筑垃圾不當帶來的碎石含量高和大、小顆粒物相互粘附的特征。

為此，亟待針對土壤含水率低、碎石含量高和大、小顆粒物相互粘附，黏塊多的特點，結合土壤中污染物的粒徑分布特征、現有淋洗技術裝備的結構和運行特點以及資源化利用途徑(主要指按照gb14684-2011和gb14685-2011的分類要求以及jgj52-2006和jgj55-2011的建材用砂和卵石級配使用要求)，開發適合的污染土壤專用的異位淋洗系統，對不同粒徑和不同污染物含量的土壤進行淋洗和篩分處理，減輕后續處理處置壓力的同時，可實現篩分后不同粒徑土壤的資源化利用。

技術實現要素：

本發明針對土壤含水率低、碎石含量高和大、小顆粒物相互粘附，黏塊多的特點，結合土壤污染的粒徑分布特征和現有技術裝備的結構和運行特點，提供一種自動控制變換運行方式，精確淋洗和篩分，效率高，效果好的土壤異位淋洗篩分聯鎖控制系統，同時提供一種該淋洗系統的淋洗篩分方法。

本發明的土壤異位淋洗篩分聯鎖控制系統，采用以下技術方案：

該系統，包括淋洗裝置、篩分裝置和變頻噴淋管路；淋洗裝置包括淋洗滾筒、物料變送裝置和調速驅動裝置，淋洗滾筒與調速驅動裝置連接，物料變送裝置設置在淋洗滾筒中；篩分裝置連接在淋洗滾筒的出口端；變頻噴淋管路設置于淋洗裝置中。

所述淋洗裝置通過稱重輸送機與打散給料機連接(打散給料機、稱重輸送機和淋洗篩分裝置依次連接)。打散給料機用于將土壤打散并推進至稱重輸送機；稱重輸送機用于將含水率較低的打散土壤稱量并輸送至淋洗篩分裝置。

所述淋洗滾筒入口處設置有進口重金屬在線監測儀，檢測進入淋洗滾筒內的土壤中污染物含量。

所述調速驅動裝置包括變頻調速電機和傳動機構，變頻調速電機與傳動機構的輸入端連接，傳動機構的輸出端與淋洗滾筒連接。調速驅動裝置可以實現淋洗滾筒正轉和反轉，且速度可調為低速、中速和高速。

所述物料變送裝置，包括沿淋洗滾筒軸向設置的變送單元，每排變送單元包括變送板、轉軸、推拉桿和推拉機構，每節變送板通過轉軸與推拉桿連接，轉軸連接在淋洗滾筒側壁上，推拉桿與推拉機構連接。推拉機構帶動推拉桿軸向移動，推拉桿再帶動轉軸轉動，轉軸的轉動又改變每節變送板相對軸向的傾斜角度；當所有單排變送單元上的變送板均相對淋洗滾筒軸向傾斜時，所有變送板就形成了螺旋排列，淋洗滾筒轉動時，物料就會被螺旋排列的變送板向前或向后推進；當所有單排變送單元上的變送板均平行于淋洗滾筒軸向時，淋洗滾筒轉動時，物料就不會被推送，以增加物料在淋洗滾筒內的淋洗時間。

所述篩分裝置，包括分級篩網筒，各級篩網筒依次連接，每級篩網筒具有一個篩網孔徑，可以根據實際需要依次實現淋洗后不同粒徑物料的篩選分離。所述篩網筒的底部設置有接料斗，接料斗下方設置有輸送機。所述接料斗中連接有出料重金屬在線監測儀，以實時檢測各級篩出物中的污染物含量。

所述變頻噴淋管路，包括變頻高壓水泵、供水主管、供水支管和噴頭，變頻高壓水泵與供水主管連接，供水主管上連接有供水支管，供水支管分布在淋洗滾筒內(不與淋洗滾筒連接)，供水支管上分布有噴頭。變頻噴淋管路可以實現多角度和不同壓力噴水。所述供水支管可沿淋洗滾筒內壁軸向布置，以實現在筒體長度方向和徑向上對物料的多角度噴淋。

上述系統對土壤進行淋洗篩分的方法，包括以下步驟：

(1)土壤打散供料：

對土壤打散破碎，打散后的土壤輸送至淋洗滾筒內；

(2)土壤淋洗：

通過淋洗滾筒入口處的進口重金屬在線監測儀，檢測進入淋洗滾筒內的土壤中污染物含量，確定土壤污染程度，按照輕度污染、中度污染和重度污染，分別控制調速驅動裝置使淋洗滾筒的轉速為低速、中速和高速旋轉，并按以下方式進行：

①如土壤污染程度確定為輕度污染，則將淋洗滾筒的轉速調到低速檔對土壤進行清水淋洗分離，通過變頻噴淋管路將淋洗用水壓力控制為低壓、中壓和高壓；

②如土壤污染程度確定為中度污染，則將淋洗滾筒的轉速調到中速檔對土壤進行清水淋洗分離,通過變頻噴淋管路將淋洗用水壓力控制為低壓、中壓和高壓；

③如土壤污染程度確定為重度污染，則將淋洗滾筒的轉速調到高速檔對土壤進行清水淋洗分離，通過變頻噴淋管路將淋洗用水壓力控制為低壓、中壓和高壓；

通過調整物料變送裝置，控制土壤在淋洗滾筒內的停留時間；

(3)篩分：

控制物料變送裝置，使經過淋洗滾筒淋洗后的物料向篩分裝置推進，不同粒徑的物料落入相應篩網筒下方的接料斗，由接料斗處的出料重金屬在線監測儀該粒徑物料的污染程度，如果一種粒徑物料沒有達到設定要求，就控制物料變送裝置使物料停止推進，使土壤繼續在淋洗滾筒內淋洗，將淋洗滾筒的轉速由低速檔調到中速擋或由中速檔調到高速擋，通過變頻噴淋管路淋洗用水壓力由低壓升至中壓或由低壓升至高壓；直至篩網筒篩分出的每種粒徑物料都達到設定要求(滿足有關標準要求時)；

(4)如果以上步驟均無法保證分離后的每種粒徑物料的污染程度都達到要求，則控制調速驅動裝置使淋洗滾筒反向旋轉，然后控制物料變送裝置使物料不被推進，只在淋洗滾筒內翻轉，延長物料在淋洗滾筒內的攪拌淋洗時間，淋洗用水壓力控制為低壓、中壓或高壓；直至篩分出的每種粒徑物料都達到要求；

(5)如果以上步驟均無法保證分離后的每種粒徑物料的污染程度都達到要求，則啟動化學淋洗，通過變頻噴淋管路進行化學淋洗，或者化學淋洗與清水淋洗交替進行，直至篩分出的每種粒徑物料都達到要求。

所述低速轉速為10～15r/min、中速轉速為15～20r/min和高速轉速為20～25r/min。

所述水壓的低壓為0.25～0.5mpa，中壓為0.5～0.75mpa，高壓為0.75～1.0mpa。

所述輕度污染、中度污染和重度污染按下表劃分，只要土壤中有一種重金屬或其他污染物的含量在相應污染程度的含量范圍內，就屬于該污染程度：

土壤重金屬污染程度劃分表

本發明針對土壤含水率低、碎石含量高和大、小顆粒物相互粘附，黏塊多的特點，結合土壤中污染物的粒徑分布特征、現有技術裝備的結構和運行特點和資源化利用途徑(主要指按照gb14684-2011和gb14685-2011的分類要求以及jgj52-2006和jgj55-2011的建材用砂和卵石級配使用要求)，針對土壤中的碎石(粒徑＞4.75mm)和中粗砂(1mm＜粒徑＜4.75mm)，充分發揮不同滾筒式淋洗系統的功能優勢，對土壤中的上述組分進行重點淋洗篩分，同時充分考慮自控要求，操作簡單，便于實施，具有以下特點：

1.充分考慮土壤含水率低和土壤大、小顆粒物相互粘附，黏塊多的特點，根據重金屬在線監測數據顯示的土壤污染程度，自動控制變換設備運行方式，控制不同的滾動攪拌強度、噴淋強度和淋洗時間，實現了精確淋洗，節約能耗和有效避免篩分過程中可能發生的篩孔堵塞等問題的同時，提高了淋洗效率；通過變換可調篩網孔徑和數量，實現了不同粒徑、不同重金屬含量的土壤組分的淋洗分離，達到土壤分類處理的目的。

2.可以靈活調節滾筒的旋轉方向和旋轉速度，進而調整滾動攪拌強度，達到控制淋洗效果的目的；

3.可以靈活調節噴頭的噴淋方向和噴淋用水壓力，進而調整淋洗強度，達到控制淋洗效果的目的；

4.可以靈活調節滾筒內的物料變送裝置的傾角，進而實現提高淋洗時間，控制淋洗效果；

5.可以靈活調節篩網孔徑和數量，進而實現不同粒徑土壤組分的篩分目的；

6.可以根據土壤的污染類型和污染程度靈活切換清水淋洗和化學淋洗，最大程度上減小化學淋洗對環境的污染。

7.通過在線檢測設備和控制系統的聯合使用，實現了淋洗篩分過程的自動控制，有助于實時跟蹤處理效果，提高了篩分效率和處理效率。

8.充分結合土壤重金屬污染顆粒的粒徑分布特征，將后續處理處置對象鎖定在較小的范圍(通常為1mm以下)內，有效的解決了目前土壤重金屬污染治理工作針對性不足的問題，極大的減輕了后續處理處置難度和處置壓力。

附圖說明

圖1是本發明土壤異位淋洗篩分聯鎖控制系統的結構原理示意圖。

圖2是本發明中物料變送裝置的結構示意圖。

圖3是物料變送裝置的物料推進狀態示意圖。

圖中：1.打散給料機，2.輸送機，3.淋洗滾筒，4.供水支管，5.噴頭，6.供水主管，7.變頻高壓水泵，8.變送單元，9.變頻調速電機，10.傳動裝置，11.篩網筒，12.隔環，13.出料重金屬在線監測儀，14.接料斗，15.出料輸出機，16.進口重金屬在線監測儀，17.推拉桿，18.轉軸，19.變送板。

具體實施方式

如圖1所述，本發明的土壤異位淋洗篩分聯鎖控制系統，包括打散給料機1、稱重輸送機2、淋洗裝置、篩分裝置和變頻噴淋管路。打散給料機1、稱重輸送機2和淋洗裝置中的淋洗滾筒3依次連接。打散給料機1和稱重輸送機2采用現有設備。打散給料機1用于將土壤打散并推進至稱重輸送機2。稱重輸送機2用于將含水率較低的打散土壤稱量并輸送至淋洗滾筒3。稱重輸送機2可以是螺旋輸送機或皮帶輸送機。篩分裝置連接在淋洗裝置的出口端。變頻噴淋管路布設于淋洗篩分裝置的淋洗滾筒3內。

淋洗裝置包括淋洗滾筒3、調速驅動裝置和物料變送裝置。在淋洗滾筒3的進口端設置進口重金屬在線監測儀16，以檢測進入淋洗滾筒3內物料的污染程度。淋洗滾筒3與調速驅動裝置連接；調速驅動裝置包括變頻調速電機9和傳動裝置10，變頻調速電機9與傳動裝置10的輸入端直接連接或通過減速器連接，傳動裝置10的輸出端與淋洗滾筒3連接。傳動裝置10可以采用齒輪傳動，主動齒輪直接安裝在變頻調速電機9上或安裝在減速器上，被動齒輪設置在淋洗滾筒3上。調速驅動裝置可以實現淋洗滾筒正轉和反轉，且速度可調為低速(10～15r/min)、中速(15～20r/min)和高速(20～25r/min)。淋洗滾筒3中設置有物料變送裝置，如圖2所示并參見圖1，物料變送裝置包括沿淋洗滾筒3的軸向設置的多排變送單元8，每排變送單元8包括變送板19、轉軸18、推拉桿17和推拉機構(圖中未畫出)，推拉桿17上通過分布有多節變送板19，每節變送板19通過轉軸18與推拉桿17連接，轉軸18連接在淋洗滾筒3的側壁上，推拉桿17與推拉機構連接。推拉機構帶動推拉桿17軸向移動，推拉桿17再帶動轉軸18轉動，轉軸18的轉動又改變每節變送板17相對軸向的傾斜角度。當所有各排變送單元8上的變送板17均相對淋洗滾筒3軸向傾斜時，那么所有變送板17就形成了螺旋排列，淋洗滾筒3轉動時，物料就會被螺旋排列的變送板17向前或向后推進。當所有各排變送單元8上的變送板17均平行于淋洗滾筒3軸向(呈水平狀態)時，淋洗滾筒3轉動時，物料就不會被推送，這樣可以增加物料在淋洗滾筒3內的淋洗時間。

篩分裝置連接在淋洗滾筒3的出口端，包括分級篩網筒11，各級篩網筒11依次連接，篩網筒11由篩網圍成筒形，每級篩網筒11的篩網具有一個孔徑，可以根據實際需要依次實現淋洗后不同粒徑物料的篩選分離。各級篩網筒的篩網孔徑從小到大依次向外布置，可以根據實際需要依次實現滾筒內淋洗后物料從小粒徑到大粒徑的篩選分離。每級篩網筒11的底部均設置有接料斗14，接料斗14的下方設置有出料輸出機15。接料斗14中連接有出料重金屬在線監測儀13，以實時檢測各級篩出物中的污染物含量。篩出物經出料輸出機15輸送至指定場地，進行后續處理。為了防止上一級篩網筒落下的物料進入下一級，在相鄰篩網筒11之間設置隔環12。

變頻噴淋管路，如圖1所示，包括變頻高壓水泵7、供水主管6、供水支管4和噴頭5，變頻高壓水泵7與供水主管6連接，供水主管6上連接有供水支管4，供水支管4分布在淋洗滾筒3內(不與淋洗滾筒3連接)，供水支管4可沿淋洗滾筒3的內壁軸向布置，以實現在筒體長度方向和徑向上對物料的多角度噴淋。供水支管4上分布有噴頭5。噴頭5可采用旋轉噴頭。變頻噴淋管路可以實現多角度和不同壓力噴水，達到更好的淋洗目的。

上述系統對土壤進行淋洗篩分的方法，包括以下步驟：

(1)土壤打散供料：

將疏浚后的土壤送至打散給料機1進行破碎打散，打散土壤中的黏土塊或黏土與砂石的結合體，打散后的土壤落至稱重輸送機2上，稱重后輸送至淋洗滾筒3內。

(2)土壤淋洗：

通過淋洗滾筒3入口處的進口重金屬在線監測儀16檢測進入淋洗滾筒3內土壤中污染物含量，確定土壤污染程度，按下表分為輕度污染、中度污染和重度污染，只要土壤中有一種重金屬或其他污染物的含量在相應污染程度的含量范圍內，就屬于該污染程度：

土壤重金屬污染程度劃分表

按照輕度污染、中度污染和重度污染，相應地分別控制調速驅動裝置使淋洗滾筒3的轉速為低速、中速和高速旋轉，并按以下方式進行：

①土壤污染程度確定為輕度污染，則將淋洗滾筒3的轉速調到低速檔對土壤進行清水淋洗分離，通過變頻高壓水泵7將淋洗用水壓力控制為低壓(0.25～0.5mpa)、中壓(0.5～0.75mpa)和高壓(0.75～1.0mpa)。

②如土壤污染程度確定為中度污染，則將淋洗滾筒3的轉速調到中速檔對土壤進行清水淋洗分離，將淋洗用水壓力控制為低壓、中壓和高壓；

③如土壤污染程度確定為重度污染，則將淋洗滾筒3的轉速調到高速檔對土壤進行清水淋洗分離，淋洗用水壓力控制為低壓、中壓和高壓。

調節物料變送裝置，使各變送板17均處于水平狀態，物料只在淋洗滾筒3內滾動，不會被推送，這樣就可調整土壤在淋洗滾筒3內的停留時間。

(3)篩分：

當土壤在淋洗滾筒3內達到設定的淋洗時間后，控制物料變送裝置，使每節變送板17相對軸向的傾斜一定角度，使所有變送板17形成螺旋排列。隨著淋洗滾筒3的轉動，物料被推向篩網筒11，不同粒徑的物料落入相應孔徑篩網筒11下方的接料斗14，由接料斗14處的出料重金屬在線監測儀13檢測該粒徑物料的污染程度，如果由一種粒徑物料的污染程度沒有達到要求，就控制物料變送裝置中的各變送板17均處于水平狀態，使物料停止推進，繼續在淋洗滾筒內淋洗，將淋洗滾筒3的轉速由低速檔調到中速擋或由中速檔調到高速擋，通過變頻噴淋管路將淋洗用水壓力由低壓升至中壓或由低壓升至高壓；直至各篩網筒11篩分出的每種粒徑物料都達到要求(滿足有關標準要求時，如分離后的卵石和中粗砂(粒徑≧2.36mm的部分)滿足有關標準和規范gb14685-2011、jgj52-2006和jgj55-2011)；

(4)如果以上步驟均無法保證分離后的每種粒徑物料的污染程度都達到要求，則控制變頻調速電機9使淋洗滾筒3反向旋轉，然后控制物料變送裝置中的各變送板17均處于水平狀態，使物料停止推進，只在淋洗滾筒內翻轉淋洗，延長物料在淋洗滾筒3內的攪拌淋洗時間，淋洗用水壓力控制為低壓、中壓或高壓；直至各篩網筒11篩分出的每種粒徑物料都達到要求；

(5)如果以上步驟均無法保證分離后的每種粒徑物料的污染程度都達到要求，則啟動化學淋洗，通過變頻噴淋管路進行化學淋洗，或者化學淋洗與清水淋洗交替進行，直至篩分出的每種粒徑物料都達到要求。化學淋洗劑的種類及用量可以根據需要確定。