一种含砷污染土壤分级清洗的方法与流程

本发明属于污染土壤壤修复，具体为一种含砷污染土壤分级清洗的方法。

背景技术：

1、目前，针对砷污染土壤的修复技术包括物理填埋、固化/稳定化、土壤淋洗和水泥窑协同处置。土壤淋洗因其可去除土壤中的砷，实现重金属总量去除，从而实现土壤的资源化再利用，被认为是一种非常有绿色、低碳的修复技术。土壤淋洗基本原理是利用淋洗剂将土壤中的重金属溶解或迁移到液相中，然后通过分离液体和固体，达到降低土壤中重金属含量的目的。目前，土壤淋洗技术的研究多集中于工艺及装备研发和淋洗剂的开发两方面。

2、工艺和设备研究方面，中国专利文献cn 104475441a公开了一种基于减量浓缩设计理念的土壤淋洗修复系统及其方法，该淋洗修复系统包括顺次相连的四大模块单元：进料筛分单元、矿洗单元、污泥脱水单元以及尾端的污水处理回用单元。通过淋洗将粗颗粒表面的污染物洗脱、转移至压滤后的泥饼中，可实现污染土壤中含污细粒与砾石、砂砾等粗颗粒的有效分离。该专利可实现1 mm以上粗颗粒的清洗减量，主要适用于砂性土的清洗，对于1 mm以下土壤未做分级处理，土壤资源化利用率不高。中国专利文献cn 110014033 a公开了一种金属污染土壤的多级修复系统及其修复方法，该系统通过多级洗脱修复装置在容器内对土壤进行洗脱修复，能够提高土壤修复的充分性程度，且相对于淋洗系统，能够大幅度的降低修复剂溶液的损失浪费，且提高了修复剂溶液的利用率；通过泥浆在第一、第二和第三洗脱腔内依次流动洗脱，在包含有第一、第三洗脱腔内的动态洗脱修复和第二洗脱腔内的静态沉淀洗脱修复，能够提升土壤于修复剂溶液接触的面积、时长以及接触的充分性，从而保证土壤的被彻底修复；且通过射流洗脱组件对泥浆的射流洗脱，能够进一步的延长土壤于修复剂接触的路径长度和接触的充分性。该系统可实现修复剂的多次利用，提高了洗脱效果，并通过沉淀和旋流实现固液分离，但该发明并未明确所采用的修复剂的种类以及洗脱后金属的存在形态，对于洗脱后的金属是否能实现与土壤颗粒的有效分离，尤其是在单纯沉淀作用下，文中并未提及。中国专利文献cn111167846 a公开了一种土壤淋洗修复减量系统及其施工方法，该系统一改传统土壤淋洗设备单元组成复杂，设备占地面积大，应用情景受限等弊端，采用轻量化涉及，土壤经初步筛分造浆后，在搅拌罐中通过控制搅拌速度实现2 mm以上及以下土壤颗粒的沉淀分离，2 mm以下部分泥浆进入高压射流冲洗单元进行冲洗后进行固液分离，实现土壤的修复减量化。该设备具备构造简单，灵活布置，可适用于不同规模大小的污染场地。但该发明采用清水清洗，致使减量化最小粒径仅75 μm，适用于砂性土，不适用粉土的清洗，而多数情况下，污染地块受污染土壤以粉土为主，20 μm到75 μm部分土壤颗粒占比可达50%以上，致使其适用的土壤粒径范围有限，限制了其应用的地块范围。

3、清洗剂研究方面：中国专利文献cn 112122325 a和cn 116120941 a分别提供了一种用于砷污染土壤淋洗剂的制备和应用方法，可有效洗脱土壤中的砷元素。但该类发明仅局限于清洗药剂的开发，且实施例停留在实验室小试阶段，并未与工程实施相结合，暂不具备可操作性。

技术实现思路

1、鉴于以上问题，本发明的目的在于提供一种含砷污染土壤的分级清洗方法，可适用于粉土、砂性土的分级清洗，且实现了分级清洗、化学清洗、清水清洗不同清洗方式的有效组合，并对0.5 mm~20 μm部分细颗粒土壤的污染物与颗粒实现有效分离，清洗工艺适用的土质粒径范围更广，清洗效果更优，使清洗后粒径大于20 μm的土壤中砷含量满足环境质量要求，土壤减量化程度进一步提升，最高可达90%以上。

2、本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

3、一种含砷污染土壤分级清洗的方法，包括以下步骤：

4、步骤一、初筛：将含砷污染土壤经进料筛网进行初筛，粒径大于10 cm的渣块被拦截，粒径小于10 cm的含砷污染土壤通过进料斗投加至进料提升机；

5、步骤二、造浆：初筛后的含砷污染土壤经进料提升机投入到造浆机中进行造浆处理，获得的泥浆含固率控制在30%以下；

6、步骤三、筛分清洗：泥浆经振动筛分及洗沙器清洗处理后，粒径大于0.5 mm土颗粒经清洗后运至待检区；粒径小于0.5 mm的泥浆落入清洗搅拌罐中；

7、步骤四、化学清洗：在清洗搅拌罐中，投加碱液及重金属捕集剂进行清洗，作用时间1~6小时；重金属捕集剂有多种选择，可以是edta、铁盐、柠檬酸和复合磷酸盐等；

8、步骤五、泥水分离：化学清洗完成后泥浆泵提至泥浆浓缩罐进行初步泥水分离，上层泥水泵提回造浆机循环利用，下层浓缩后的泥浆经管道和螺旋输送机投入到高压射流清洗装置；浓缩后的泥浆含水率为70%~90%；

9、步骤六、高压冲洗：浓缩后的泥浆进入高压射流清洗装置中，在高压射流的高速冲击下，泥浆瞬间被剪切，在高速摩擦运动中完成二次清洗，经重金属捕集剂捕捉后形成的污染物的胶体络合物或团聚体被打散分离出含有砷的污染物颗粒，污染物颗粒与土壤颗粒彻底分散；控制所述污染物颗粒的重量小于粒径20 μm的土壤颗粒的重量；

10、控制污染物颗粒的质量不大于11 ng（根据土粒径为20 μm，而取通常情况下土密度为2.7 g/cm3，以土为球粒计算，（10×10−4）3×3.14×4/3×2.7=11×10-12g=11×10-3μg=11 ng，获得粒径为20 μm的土颗粒约重11 ng）；

11、步骤七、旋流分级：经步骤六高压冲洗处理的泥浆进入后续旋流分级装置中进行两级分离处理，获得分离后粒径大于20 μm的土壤颗粒和粒径小于20 μm的泥浆；

12、步骤八、脱水回收：分离后粒径小于20 μm的泥浆进入絮凝沉淀脱水设备中；分离后粒径大于20 μm部分土壤颗粒落入到下层负压振动筛上进行初步脱水，将含水率降至50%以下，而后进入两相离心机进一步脱水，脱水后物料含水率降至30%以下获得回收的土壤；负压振动筛以及两相离心机中产生的泥水也进入到所述絮凝沉淀脱水设备中；

13、步骤九、无害处理：絮凝沉淀脱水设备脱水后获得的富含砷的泥浆经干化处理后运至填埋场或水泥窑进行无害化处理；中水进入到高压射流清洗装置和造浆机循环使用。

14、进一步的优化，步骤四中，所述碱液为氢氧化钠溶液，添加碱液后泥浆搅拌罐的ph值为 9~11 。

15、进一步的优化，步骤四中，所述重金属捕集剂为edta或氯化铁，edta与碱液中的砷及土壤微小颗粒结合形成的胶体络合物的粒径范围为：0.001~10000 μm，密度范围为：0.85~1.2 g/cm3；氯化铁与碱液中的砷结合形成的污染物团聚体的粒径范围为：1~1000 μm；密度范围为：2.8~3.2 g/cm3。

16、进一步的优化，步骤四中，重金属捕集剂为edta，步骤六中，经高压射流冲洗后，获得的污染物颗粒粒径范围为：0.001~10μm，密度范围为：0.85~1.2 g/cm3。

17、进一步的优化，步骤四中，重金属捕集剂为氯化铁，步骤六中，经高压射流冲洗后，获得的污染物颗粒的粒径范围为：1~10 μm; 密度范围为：2.8~3.2 g/cm3。

18、进一步的，步骤六中的高压射流清洗装置为中空管状，由依次连通的高压流通注入段、负压吸入段、混合段和湍流分离段构成，所述高压流通注入段前端设置有高压进水口、所述湍流分离段的后端设有分离出料口，在高压流通注入段和负压吸入段的连接处上方设置有进料口；高压流通注入段和负压吸入段的管径相同，混合段的管径小于负压吸入段和湍流分离段；高压流通注入段内注入的流体为水，高压水射流入射速度25~40 m/s；高压流通注入段压力0.5~0.8 mpa；湍流分离段出料口流体速度12~20 m/s，出料流体流出压力0.25~0.4mpa。

19、由于edta与砷离子、土壤胶体颗粒结合后会形成胶体络合物，络合物以胶装絮体状态存在，粒径可能达毫米级，这些胶体粘附或缠绕包裹土壤颗粒，会影响捕捉后重金属与土壤颗粒的分离；氯化铁在碱性溶液条件下会形成氢氧化铁沉淀，这个过程中砷离子会与铁发生晶格置换，砷离子被牢牢控制在铁盐沉淀物中，铁盐沉淀物在沉淀过程中受泥浆中土壤胶体和土壤颗粒范德华作用力的影响会发生团聚作用，形成更大的沉淀颗粒，粒径可达10~1000 μm，这些较大粒径的颗粒团聚体由于自身重量较大，在旋流分离阶段很难与土壤颗粒分离，影响清洗效果。高压射流清洗过程中，在高压射流的高速水流冲击下，泥浆瞬间被剪切、打散，污染物颗粒在湍流段经高速摩擦运动，使得胶体絮状物被打散并与土壤颗粒剥离，铁盐团聚体在剪切和水流、颗粒物高速撞击作用下散碎成更小的颗粒物，完成土壤的二次清洗。

20、进一步的优化，步骤七中所述的旋流分级装置包括依次设置旋流除砂器和旋流除泥器，经过旋流除砂器处理后粒径小于75 μm的泥浆进入所述旋流除泥器，经过所述旋流除泥器处理后粒径小于20 μm的泥浆进入所述絮凝脱水设备中。

21、进一步的，步骤九中通过添加聚合氯化铝、聚丙烯酰胺等絮凝剂完成对洗脱后的污染物颗粒和粒径小于20 μm土壤颗粒的絮凝捕集沉淀脱水。

22、发明原理：

23、本发明针对砷污染土壤，先通过造浆和振动筛分实现0.5 mm以上部分土壤的清洁和减量。针对0.5 mm以下部分土壤浆液，先通过添加碱液调节ph（9~11），加速土壤中砷的溶出并迁移至溶液中，然后添加重金属捕集剂通过配位键和晶格置换等作用与溶出的砷结合，实现与细粒土壤吸附砷的竞争机制，防止析出的砷离子被二次吸附。考虑不同类型的重金属捕集剂与砷结合后会形成不同的物理形态，并影响污染物与土壤颗粒的有效分离。本发明通过重金属捕集剂选择（考虑体积和密度），并通过高压射流清洗装置的高压冲洗作用有效控制重金属捕集剂与砷结合形成的污染物颗粒重量，使所述污染物颗粒的重量小于粒径20 μm的土壤颗粒的重量，确保后续的旋流分级装置将污染物颗粒和粒径大于20 μm的土壤颗粒有效分离。粒径小于20 μm的泥水中含有大量清洗后的络合态或聚合态的金属砷，进入到絮凝脱水单元进一步处理。

24、本发明的优点和有益效果是：

25、本发明适用于受砷污染土壤的异位淋洗减量处理，尤其是适用于黄金冶炼、黄金矿石采选等地块污染土壤的清洗减量。经清洗后粒径大于20 μm的土壤中砷含量满足环境质量要求，可作为土壤再次利用，避免污染土壤采用填埋、水泥窑协同处置等处置形式，造成资源浪费。

26、本发明将化学淋洗与高压水冲洗结合使用，可有效增加污染土壤的淋洗效果，尤其是粒径小于75μm部分污染土壤壤的清洗效果显著增强。

27、本发明可以完成20 μm以上土壤的清洗作业，相较于传统的淋洗装置减量化效果更优，适用的土质更加广泛，可适用于粉土的清洗。