土壤修复一体机在重金属污染土壤修复中的应用

张树立，李彦伟*，唐建稳，姜珊，陈洪法，王伟臣，付融冰

（1.杰瑞环保科技有限公司，山东 烟台 264003；2.同济大学，上海 200092）

随着工业化和城市化的飞速发展，土壤重金属污染已成为不容忽视的突出环境问题。2014 年发布的《全国土壤污染状况调查公报》显示，全国土壤总的点位超标率为16.1%，其中轻微、轻度、中度和重度污染点位比例分别为11.2%、2.3%、1.5%和1.1%。污染类型以无机型为主，有机型次之，复合型污染比重较小，无机污染物超标点位数占全部超标点位的82.8%[1]。土壤重金属污染有人为原因和自然原因两种，人类活动是土壤重金属污染的主要原因。土壤重金属污染的人为来源主要为矿产开采、金属冶炼、化工、汽车尾气排放、生活污水排放、农业和化肥使用等。重金属污染土壤具有隐蔽性、长期性、不可降解、不可逆转性的特点[2]。目前国内外发展了一系列的土壤修复技术，包括固化、稳定化、玻璃化、淋洗、氧化—还原法、电动力法、植物修复法、微生物修复法等[3]。固化稳定化具有适用范围广、操作快捷、成本较低等特点，尤其适用于金属和放射性污染物[4]。目前我国土壤修复固化稳定化技术应用中缺乏土壤混合设备及集混合和药剂加注于一体的固化稳定化成套设备，现主要采用破碎筛分斗、长臂旋喷设备、卧式双轴搅拌设备和翻抛机进行修复，其效率、可靠性、混拌均匀性、移动性好和药剂利用效率均无法完全满足工业化应用的要求。

针对上述技术瓶颈，某公司开发了一种土壤修复一体机，这是一种具有修复周期短、普适性强、混拌均匀性良好、移动性和药剂利用效率高的成套固定稳定化处理设备。该设备可通过固化稳定化技术手段实现对受重金属污染的工厂、农耕地、道路、地基基础、河川、港湾区域污染土壤的高质量、高效修复[5]，已成功应用于多个修复项目。

1 固化稳定化技术

固化稳定化技术是向污染土壤中加入固化稳定化药剂，通过控制土壤pH 值，使其发生物理、化学反应，改变重金属在土壤中的存在状态，改变土壤的理化性质，从而降低其生物有效性和迁移性。这类技术能阻止或减缓重金属污染物的释放，与一般的修复技术相比，它不破坏污染物本身，而是让污染物对周围环境的浸出维持在安全水平。

2 破碎筛分斗在重金属污染土壤中的应用情况

最早进入我国重金属污染土壤修复领域的设备是破碎筛分斗，其具有筛分、混合的功能，可实现重金属污染土壤和药剂的混合、修复。采用破碎筛分斗对重金属污染土壤进行修复，具有投资成本小、灵活方便的特点，单个破碎筛分斗可以实现多种功能，具有一定的应用效果。

破碎筛分斗在修复重金属污染土壤过程中，添加药剂方式粗放，添加量不准，药剂添加不足会造成重复修复，药剂添加过量会造成修复成本增加及对环境的二次污染。在修复重金属污染土壤过程中，破碎筛分斗对于污染土壤中的大粒径硬质物料无法破碎，需要对该部分物料进行二次处置，会造成处置成本的增加，而且在处理过程中对设备磨损严重，设备磨损件需要反复修理和调整，会造成工期的延误。

3 长臂旋喷设备在重金属污染土壤中的应用情况

长臂旋喷设备采用定压定量的方式添加固化稳定化药剂，对黏性较大、污染深度较大的重金属污染土壤进行修复。该设备操作灵活，前端转杆工作范围大，履带底盘可实现移动式作业，满足不同区域污染土壤的处置。

该设备功能单一，投入成本高，对于修复场地的通行性有一定的要求。具有添加药剂不精准，需要对污染场地进行反复修复，效率较低的特点。在对重金属污染土壤进行修复的过程中，需要使用药剂添加车进行辅助作业，增加了修复成本。

4 卧式双轴搅拌设备在重金属污染土壤中的应用情况

卧式双轴搅拌设备是场站重金属污染土壤修复设备，具有处理效果稳定、处理量大的特点，是固定式场站的良好选择。

卧式双轴搅拌装置的基础建设需要较大的投入和周期。若调整作业场所，需要重新进行基础建设，增加了投资成本并延长了修复工期。

5 翻抛机在重金属污染土壤中的应用情况

翻抛机可对重金属污染土壤进行快速修复，通过人工添加药剂的方式，实现药剂的均匀分布，再通过翻抛机对药剂和土壤进行多次翻抛和混拌，实现对重金属污染土壤的修复。

修复处理前需要对污染土壤进行预处理，处理效率低，对处理污染土壤有尺寸和规格的要求，处理投入相对较大。

6 XF150 土壤修复一体机的研发

结合重金属污染土壤修复设备存在的问题，某公司自主研发了XF150 土壤修复一体机，应用于重金属污染土壤修复。

6.1 设备优点

（1）提升修复效率

该设备采用体积计量法对进料量进行测量和控制，根据污染土壤的种类和程度，最大处理量可达150m3/h，提升了重金属污染土壤的处理效率。

（2）精准添加药剂

该设备药剂添加系统根据控制系统反馈的进土量，可实现实时精准加药，加药量控制在0.9—15m3/h，药剂利用率为98%，既避免了药剂添加不足导致的返工，又避免了药剂过量造成的二次污染，实现了污染土壤的高效修复。药剂添加采用设备自带吊机，减少了运行成本，提升了工作效率。药剂添加系统示意见下图。

干粉/液体药剂添加系统示意图

该系统可以添加固体药剂或者液体药剂，或者同时添加固体和液体药剂，创新性实现多种重金属污染土壤的一次性高效修复。

（3）便于转移和运输

此设备结构集成，重量为27t，外形尺寸小于13 600mm×2850mm×3200mm，采用常规底盘车即可拉运，满足公路运输要求。

（4）实现多点快速移动作业

XF150 土壤修复一体机设备重量分布合理，左右无偏重，前后无偏载，接近角和离去角满足标准需求。行走速度可达3.2km/h，爬坡角度为15°，离去角为12°，履带底盘由导向轮、张紧装置、履带架、支重轮、驱动装置、拖链轮和履带板等组成[6]，转向性能满足在水平路面低速匀速转向的需求，地面载荷均匀分布，质心在水平面上的投影与几何中心点重合[7]。设备采用钢制履带的方式，可在冰雪、泥泞路面行走，作业范围广阔。

（5）节能降耗、环保高效

土壤修复一体机破碎混拌系统有H、M、L、G四种工作模式。根据修复土质的不同可采用不同的修复模式，可实现针对性修复，在节约能源的同时又提升了工作效率。土壤修复一体机具有连续作业的特点，配置QSB6.7-190-30 型涡轮增压柴油机，动力配置满足工程机械作业工况需求，符合《非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法（中国第三、四阶段）》（GB 20891—2014）[8]，满足重金属污染土壤修复作业安全要求。

（6）精准控制，高效执行

电气控制系统采用集成的一体机可编程序逻辑控制器（PLC）及人工交互（HMI）屏控制系统。该系统涵盖发动机的控制功能、显示功能及整机外围传感器功能。基于J1939 通信协议，可实现控制系统的稳定性，实现对发动机系统的数据采集显示、控制，完善设备故障报警信息，迅速排除设备故障。

根据各部分功能，在控制模式上给予严格划分。工作模式分为运行模式、调试模式、行走模式。运行模式在设备整机运行时使用，用于对设备各轴进行顺序控制；行走模式只用于底盘车行走，在此模式下，其他模式全部失效，不能启动包括吊机在内的各传动系统[9]。

液压执行系统可保证XF150 土壤修复一体机各部件能够正常运转，采用负载敏感和交叉功率，通过发动机驱动负载敏感变量柱塞液压泵[10]。负载敏感变量柱塞液压泵，根据系统所需流量自动调节排量，通过双泵交叉维持系统总功率[11]。

6.2 设备总成

XF150 土壤修复一体机由底盘系统、进料系统、吊机系统、药剂添加系统、破碎混拌系统、出料系统、动力系统、机架系统、液压系统和电气系统组成。液压系统实现底盘系统和进出料系统、药剂添加系统和破碎混拌系统的执行，电气系统实现各执行机构的控制。

6.3 安全性分析

关键承重件和核心机械部件均使用有限元分析法进行分析、校验，以保证使用要求。对XF150 土壤修复一体机进行结构分析，等效应力、最大切应力、最大变形量满足设计要求[12-14]，结果见表1。

表1 计算结果：材料利用率[9]

6.4 性能测试与应用

依据《工程机械 通用安全技术要求》（JB 6030-2001）[15]和JP-26-17A 产品试验大纲对XF150 土壤修复一体机进行性能测试，包括发动机、吊机、履带底盘等关键部件的性能测试，底盘的承载能力和行驶性能测试，液压系统、气路系统及操作系统的功能测试。各项性能指标均达到设计要求，运行稳定，满足重金属污染土壤修复工况的要求。

发动机额定转速为2200r/min，设备进料量变化、药剂添加量和土壤混拌均匀度如表2 所示。

表2 XF150 土壤修复一体机测试数据

通过大量的作业可证明混拌均匀度平均达到96%。该设备在作业过程中运行稳定，可靠性高，得到了使用方的高度认可。对于污染土壤修复目标值的浸出浓度依据《固体废物 浸出毒性浸出方法 硫酸硝酸法》（HJ/T 299—2007）的方法进行测定，测定结果达到修复目标值。

7 XF150 土壤修复一体机工程应用案例

7.1 山东某重金属污染土壤修复

某化工总厂片区地处城区，土壤修复工程包括场地0—5m 深度范围内135 097m3污染土壤的修复，目标重金属污染物为铜、铅、镍。

根据厂区调研和取样分析，污染种类和浓度见表3。

表3 场地污染情况

本项目场地污染土壤修复目标值及污染物浸出浓度见表4。对于污染土壤修复目标值的浸出浓度依据《固体废物 浸出毒性浸出方法 硫酸硝酸法》（HJ/T 299—2007）的方法进行测定。

表4 污染土壤修复目标值

7.2 潍坊某河道重金属污染土壤修复

山东某河道下游污染较为严重，多年来对周边居民的生产生活以及当地生态环境等造成了严重影响。该河道污染物为镉、锌重金属，修复量为0—3m 深度范围内的268 587m3污染土方。

根据厂区调研和取样分析，污染种类和浓度见表5。

表5 河道污染情况

本项目场地污染土壤修复目标值及污染物浸出浓度见表6。其中对于污染土壤修复目标值的浸出浓度依据《固体废物 浸出毒性浸出方法 硫酸硝酸法》（HJ/T 299—2007）的方法进行测定。

表6 污染土壤修复目标值

7.3 四川某重金属污染土壤修复

该项目待修复污染固体废物、污染土壤和河道淤泥共约60 万m3，采用稳定化技术处置，即经稳定化处理后运送到固体废物堆存区进行填埋处置。废物处置后满足《危险废物填埋污染控制标准》（GB 18598—2019）的允许填埋控制限值，具体见表7、表8。

表7 处理前参数测定值

表8 污染物控制限值

8 结语

（1）XF150 土壤修复一体机可满足重金属污染土壤修复连续稳定运行的作业要求。

（2）该设备解决了常规重金属污染土壤修复设备经济性差、效率低以及会对环境造成二次污染的问题，具有经济性好、环保、高效等明显的优势。

（3）该设备拥有安全保障系统，核心部件均采用软件校核强度；数据实时交互，人机界面友好；适应国内外不同地区土质复杂的作业工况，设备可靠性强。

（4）XF150 土壤修复一体机性能稳定，截至目前，在国内已经累计完成修复280 万m3重金属污染土壤，具有良好的实用性和经济性。

9 设备发展建议

通过建立土质和环境库，分析重金属污染土壤的种类和程度，研发铅、镉、砷等重金属同步稳定化功能材料，建立土壤稳定体长效评价方法与指标，验证功能材料的长效稳定化效果。

针对设备采用液压抓斗机耦合自动传送实现自动上料、投料，结合基于重金属XRF 快速在线监测的剂量——响应自动馈控加药模块，获得适用于进料特点的加药策略，根据控制系统反馈的进土量实时调整精准添加药剂量，研制形成集 “自动投料、馈控加药、破碎混匀”于一体的异位自动投料、破碎混匀智能异位修复装备，进而搭建一体化、智能化、成熟化、先进的土壤修复装备，实现污染土壤的高效修复。